Effects of ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr on structure and functional aspects of the microflora in agricultural used soils

Abstract

At long sight ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr are the main radionuclides responsible for the contamination of agricultural soils due to core melts in nuclear power plants such as Chernobyl or Fukushima. Once deposited on the soil surface, the two radionuclides remain in the upper soil layer for several decades. In the upper soil layer the highest microbial activity can be found, due to high organic matter contents, warm temperatures and gas exchange with the atmosphere. Hence, in contaminated soils microorganisms in upper soil layers (e.g. the plow layer on agricultural fields) are exceedingly exposed to radioactivity. However, no data are available how radioactive contaminations with ¹³⁷Cs or ⁹⁰Sr in a realistic order of magnitude affect the microbial community and its functions in soils.<br /> This dissertation discusses the effects of radioactive contaminations on the microbial community structure and some of its functions in soils. Therefore, typical agricultural soils, an Orthic Luvisol from field site Merzenhausen and a Gleyic Cambisol from field site Kaldenkirchen-Hülst were artificially contaminated with various concentrations of ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr and partly applied with radiolabeled substrates and incubated in soil microcosms under controlled laboratory conditions. The lower radionuclide concentrations corresponded to the contaminations in the Chernobyl exclusion zone, the higher concentrations were up to 50-fold that of the maximum occurring hotspots (¹³⁷Cs) in this zone. In three experiments the effects of the ionizing radiation on the bacterial and the fungal community structure (16S and 18S rDNA DGGE), the degradation of ¹⁴C-labeled wheat straw or uniformly ring-labeled 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, the development of the fungal biomass (ergosterol quantification) and the chemical composition of the soil organic matter (¹³C CP/MAS NMR) were investigated. In half of the microcosms the soils were autoclaved and reinoculated with native soil, with intention to enhance the microbial growth. <br /> Radiation induced shifts in the microbial community structure could be observed in all experiments. Some species were directly inhibited which could be seen by a loss of bands in the DGGE gels. Other species benefited from the radiation. The loss of competitors and thus a better nutrient supply are supposed to cause these effects. However, a radiation induced impact on microbial functions could only be seen in the 2,4-D mineralization experiment. The mineralization of the uniformly ¹⁴C-ring-labeled herbicide 2,4-D was delayed for 4 days. Compared to the mineralization of wheat straw, only a limited amount of different species participate in the degradation of the dichlorophenyl ring of the 2,4-D. It is suggested that these species were impacted by the radiation. Radiation induced impacts neither could be seen in the degradation of wheat straw, the chemical composition of soil organic matter (SOM) nor in the development of the fungal biomass. A redundancy of microbial functions is suggested to be responsible for that. In soils with high microbial diversity, certain functions are covered by different species, so that the disappearance of some species has no effect on the functions. <br /> Effects caused by the sterilization and reinoculation with native soil prevailed in all experiments. Contaminations with ¹³⁷Cs or ⁹⁰Sr up to 50-fold that of the Chernobyl hotspots led to minor changes in soil microbial functions suggesting a strong resilience of natural soils towards radioactive contamination.

<strong>Auswirkungen von ¹³⁷Cs und ⁹⁰Sr auf die Struktur und die Funktionen der Mikroflora in landwirtschaftlich genutzten Böden </strong><br /> Auf lange Sicht gesehen, sind die beiden Radionuklide ¹³⁷Cs und ⁹⁰Sr, welche in erheblichem Maße durch die Unfälle in Chernobyl und Fukushima ausgestoßen wurden, die wichtigsten Verursacher für radioaktive Kontaminationen auf landwirtschaftlichen Flächen. Einmal im Boden angekommen können sie für mehrere Jahrzehnte an der Bodenoberfläche verbleiben. Aufgrund des hohen Gehalts an organischer Substanz, den höheren Temperaturen und dem Austausch von Assimilationsgasen kann hier in den oberen Bodenzentimetern die höchste Mikroorganismentätigkeit festgestellt werden. Aus diesem Grund sind die Mikroorganismen in den oberen Bodenschichten von Agrarböden besonders der Strahlung ausgesetzt. Es ist verwunderlich, daß es noch keine Untersuchungen gibt, in wie weit radioaktive Kontaminationen in realistischen Größenordnungen die mikrobiellen Populationen und ihre Funktionen in Böden beeinflussen. <br /> In dieser Dissertation werden Inkubationsexperimente in Bodenmikrokosmen aufgeführt. Typische Ackerböden, eine Braunerde-Parabraunerde vom Standort Merzenhausen und eine schwach pseudovergleyte Parabraunerde vom Standort Kaldenkirchen-Hülst, wurden mit verschieden hohen Konzentrationen ¹³⁷Cs bzw. ⁹⁰Sr und teilweise mit radioaktiv markierten Substraten appliziert und unter kontrollierten Laborbedigungen inkubiert. Die niedrigsten radioaktiven Konzentrationen orientierten sich an der ¹³⁷Cs-Kontamination der Sperrzone um Chernobyl. Die höchsten Radionuklidkonzentrationen lagen um den Faktor 50 über den maximal in Chernobyl auftretenden ¹³⁷Cs Hotspots. In drei Experimenten wurden die Auswirkungen der ionisierenden Strahlung auf die Struktur der bakteriellen und pilzlichen Populationen (16S und 18S rDNA DGGE), der Abbau von ¹⁴C-markiertem Weizenstroh bzw. 2,4-Dichlorophenoxyessigsäure (2,4-D), die Entwicklung der pilzlichen Biomasse (Quantifizierung des Ergosterolgehaltes) und die chemische Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz untersucht (¹³C CP/MAS NMR). Alle Mikrokosmenstudien wurden redundant durchgeführt. In einem Ansatz wurden native Ackerböden verwendet, in dem Anderen wurden die Böden autoklaviert und mit einem nativen Bodenaliquot angeimpft. Ziel war es, ein Wachstum der mikrobiellen Populationen zu erreichen und somit bessere Ergebnisse in den DGGE-Populationsanalysen. <br /> In allen Versuchen konnten strahleninduzierte Veränderungen der mikrobiellen Populationen festgestellt werden. Einige Spezies wurden direkt durch die Strahlung gehemmt, was an einem Verlust von Banden in den DGGE Gelen erkenntlich wurde. Andere Spezies wiederum profitierten scheinbar von der Strahlung. Der Rückgang der strahlenempfindlicheren Arten erniedrigte den Konkurrenzdruck und erhöhte die Versorgung mit Nährstoffen für die resistenteren Arten. Dieser Effekt konnte sowohl bei den Bakterien, als auch bei den Pilzen festgestellt werden. Strahleneffekte auf mikrobielle Funktionen hingegen, konnten nur im 2,4-D-Experiment festgestellt werden. Der mikrobielle Abbau des ¹⁴C markierten 2,4-D-Phenylrings wurde um 4 Tage verzögert. Im Vergleich zu Weizenstroh sind am Abbau des 2,4-D-Phenylrings nur relativ wenige Spezies beteiligt, vermutlich wurden gerade diese von der Strahlung beeinträchtigt. Das Ausbleiben von Effekten in den anderen Experimenten wurde mit der Redundanz von mikrobiellen Funktionen erklärt. In Böden mit hoher mikrobieller Diversität werden bestimmte Funktionen von mehreren verschiedenen Arten abgedeckt, so daß der Wegfall einiger Arten keine Auswirkung auf die Funktionen hat.