Kleine Kreaturen, große Taten: Die Rolle von Blattschneidern im Treibhauseffekt von Neotropika

Welche Kreatur wird in der menschlichen Kultur oft mit harter Arbeit, Ausdauer, Kollektivität und sogar Verantwortung in Verbindung gebracht? Wenn Sie an Bienen gedacht haben, dann haben Sie Recht, aber heute geht es nicht um sie. Heute sprechen wir über Ameisen und nicht über "einfache", sondern über Blattschneider. Warum haben wir uns plötzlich entschlossen, über einige Insekten zu sprechen? Gibt es nicht etwas Wichtigeres? Beeilen Sie sich nicht zu Schlussfolgerungen, denn diese kleinen Workaholics, die hart für die Kolonie arbeiten (ohne intravenöse Injektion von Kaffee) und praktisch keine Ruhe haben, spielen bei weitem keine Rolle bei der Bildung des gesamten Ökosystems. Das bedeutet es - klein, aber gewagt.

Insbesondere produzieren Blattschneider, wie Wissenschaftler herausgefunden haben, N ₂ O (Stickoxid), dessen Volumen drei Größenordnungen höher ist als das vom Abwasserbehandlungstank erzeugte. Somit spielen Blattschneider eine der zentralen Rollen im Mechanismus des Treibhauseffekts von Neotropika. Wie haben Wissenschaftler Messungen durchgeführt, was genau haben sie herausgefunden und was schlagen sie mit Blattschneiderameisen vor? Die Antworten finden wir im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Ein bisschen Myrmekologie

Ameisen gelten als eine der am weitesten entwickelten Familien unter den Insekten. Ihre Kolonie ist ein großer lebender Mechanismus, der praktisch ohne Störungen funktioniert. Derzeit gibt es für eine Sekunde etwa 14.000 Ameisenarten, von denen die meisten in tropischen Regionen leben.



Die Helden der heutigen Studie sind nicht die ganze Familie, sondern bestimmte Arten von Ameisen: Atta und Acromyrmex, die besser unter dem gebräuchlichen Namen Blattschneider bekannt sind. Sie haben sie wahrscheinlich zumindest in einem Dokumentarfilm über Südamerika gesehen. Der Name dieser Art spricht direkt genug über ihre Hauptmerkmale, zumindest diejenigen, die für den Betrachter sofort sichtbar sind. Blattschneider schneiden buchstäblich Blattstücke mit Hilfe ihres kräftigen Oberkiefers (Mandibeln / Mandibeln) ab und übertragen sie in ihre Kolonie. Aber sie essen kein Laub direkt, sie brauchen es für die Landwirtschaft. Ja, diese kleinen harten Arbeiter sind großartige Bauern.

In den Tiefen ihrer Kolonie zerschlagen Blattschneider Pilzgärten, die nähren, dh mit gekauten Blättern düngen. Größere Arbeiterameisen pflücken Laub und kleinere Ameisen kauen und kompostieren es.


Ein kleiner Clip über Blattschneider.

Es ist auch erwähnenswert, dass eine der untersuchten Arten, Acromyrmex, ungewöhnlich ist. Diese Ameisen sind mit einer Drüse „ausgestattet“, die das für die Existenz von Streptomyces-Bakterien notwendige Geheimnis produziert. Dieses Bakterium wird von Ameisen als „Impfstoff“ gegen die schädlichen Auswirkungen von Escovopsis-Pilzen benötigt, die eine Form von Parasiten-Unkraut auf einer Pilzfarm in einem Ameisenhaufen sind.


Unglaublich bunte Streptomyces coelicolor.

In dieser Studie werden Merkmale des Blattschneidens und der Landwirtschaft berücksichtigt. Genauer gesagt analysierten die Forscher die Abfälle von Blattschneidern, um bisher unbekannte Wege zur Verarbeitung von N zu identifizieren, die zur Freisetzung eines großen Volumens von N ₂ O in die Atmosphäre führen, die Teil der Treibhausgase ist. Der Abfall wurde hinsichtlich seiner chemischen und mikrobiellen Zusammensetzung analysiert.

Beobachtungsvorbereitung

Proben für die Studie wurden in den Regenwäldern von Costa Rica gesammelt (der genaue Standort heißt Piro Biological Station ). Das Hauptmerkmal dieser Region ist der Mischwald: Ein Teil (primär) sind vom Menschen unberührte Wälder, und der zweite Teil (sekundär) sind neu gewachsene Dickichte auf der Weide vor 50 Jahren. Die Höhe variiert zwischen 0 und 100 Metern. Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt ca. 26 ° C und der durchschnittliche Niederschlag erreicht 3400 mm. Die Wetterbedingungen während des Jahres variieren von der Trockenzeit (Januar - März) bis zum Regen mit einem Höhepunkt im September und Oktober.


Bild Nr. 1

Es wurden Proben aus 22 Ameisenkolonien der Art Atta colombica entnommen, die sich auf einer Fläche von 4 km ² befanden und sowohl die Primärzone als auch die Sekundärzone des Waldes betrafen. Die Wissenschaftler zeichneten die Koordinaten aller Probenentnahmestellen auf, um die Verteilung der Gase im Gebiet um die Kolonien weiter zu analysieren. Es wurden auch Messungen des Bereichs von Kolonien und Abfalldeponien durchgeführt, in die mehrere Rohre (22 cm Durchmesser) bis zu einer Tiefe von 3 cm eingebracht wurden, die oben mit belüfteten PVC-Abdeckungen verschlossen waren. Dies erfolgte 10 Minuten vor der Aufnahme der Bilder. Anschließend wurde die Tiefe gemessen, in der sich die Rohre nach einer bestimmten Testperiode herausstellten. Somit war es möglich, die Abfallerzeugungsrate zu verstehen.

Alle 10 Minuten wurden Proben für eine halbe Stunde gesammelt und in 10 ml vorvakuierte Kolben gegeben.

Die Proben wurden einer Gasanalyse auf das Vorhandensein von N ₂ O, CO ₂ und CH ₄ unterzogen. Hierzu wurde ein Gaschromatograph mit einem Methanator, einem Elektroneneinfangdetektor und einem Flammenionisationsdetektor verwendet.

Proben (Abfall und Boden) wurden 3 Tage bei 48 ° C gehalten und analysiert, um die potentielle Aktivität des Denitrifikationsenzyms zu bestimmen.

Denitrifikation * - Reduktion von Nitraten zu Nitriten und dann zu gasförmigen Oxiden und molekularem Stickstoff.

Proben aus 10 Zaunzonen wurden zu einer zusammengefasst, die in Aliquots aufgeteilt wurde. Ferner wurden sie nach einer Fahrt von 90 Minuten mit oder ohne Zugabe einer Probe von der Oberfläche der Müllhaufen inkubiert.

Aliquot * - genau gemessener Mehrfachanteil der Probe.

Zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse wurden 1 Stunde vor und 3 Tage nach dem Chloroform-Begasungsprozess 8-Gramm-Proben entnommen. Während der Analyse wurde besonderes Augenmerk auf das Vorhandensein von organischem Kohlenstoff und Stickstoff in den Proben gelegt, was durch den Shimadzu TOC-V CPN / TNM-1-Analysator unterstützt wurde.



Beobachtungsergebnisse


Bild Nr. 2

Die Emissionen von N ₂ O aus Müllhaufen von Atta colombica-Ameisen variierten stark: von 180 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 bis 89000 mg N ₂ ON m ^-2 h ^-1 ( 2a ). Diese Messungen stimmen hervorragend mit Beobachtungen in einem realen Ökosystem überein, dh in der Natur. Somit beträgt der Durchschnittswert des erzeugten Gases 11200 mg N ₂ ON m ^–2 h ^–1 .

m ^-2 h ^-1 * - pro Quadratmeter pro Stunde.

Abbildung 2b zeigt einen Vergleich der N ₂ O-Erzeugung von Müllhaufen von Blattschneidern und anthropogenen Strukturen (von Menschen entworfen oder gewartet): anaerobe Lagunen, Kläranlagen usw. Und wie dieser Vergleich zeigt, kommen Blattschneider mit der Aufgabe, N ₂ O zu erzeugen, viel besser zurecht.

Das von den Müllhaufen erzeugte Gasvolumen unterscheidet sich stark von dem, was Wissenschaftler im Primär- und Sekundärwald beobachtet haben. Als die Müllhaufenemissionen zu Beginn der Regenzeit im Juni 2017 ihren Höhepunkt erreichten, unterschied sich das N ₂ O-Volumen der benachbarten Kolonie nicht wesentlich von den umliegenden Wäldern (Primär- und Sekundärwälder) und betrug etwa 67 mg (Bilder 1b und 2a ). Das Volumen an N ₂ O, das vom Wald selbst, der die Ameisenkolonie umgibt, produziert wurde, betrug 11 mg N ₂ ON m ^–2 h ^–1 , die durchschnittliche Jahresrate betrug im Allgemeinen nur 2 mg.

Die Forscher stellen fest, dass die Nitrifikation und Denitrifikation, die sehr empfindlich auf den Sauerstoffpartialdruck und die Zufuhr von Substrat reagieren, die wichtigsten mikrobiellen Prozesse bei der Herstellung von Lachgas sind. Daher sollte die Struktur der Müllhaufen von Ameisen einige Merkmale aufweisen, die die Produktion von N ₂ O erhöhen.


Bild Nr. 3

Und ein solches Merkmal wurde entdeckt, nämlich eine erhöhte Konzentration von N und ein verringertes Verhältnis von C: N (Kohlenstoff und Stickstoff) in dem Müll, der auf die Deponie fällt - 13,5 + 1 ( 3f , 3e ). Es lohnt sich, dies mit dem C: N-Verhältnis in den Geweben von grünem Laub (21 + 5) und gefallenem Laub (32–42) zu vergleichen.

Und hier hilft die übliche Logik, der Lösung ein Stück näher zu kommen: Das Laub bedeckt die Erdoberfläche im Wald gleichmäßig genug, während die Ameisen es in eine kleine Zone ziehen und dadurch die Konzentration an organischem Abfall erhöhen. Eine Analyse der Daten ergab, dass die Stickstoffkonzentration in den Haufen fünfmal höher ist als in der Streu des umliegenden Waldes. Darüber hinaus sind eine unglaublich hohe Konzentration von NH ₄ (500-mal höher) und eine sehr niedrige Konzentration von NO 3 ^- ( 3 g , 3 h ) zusammen mit Anzeichen von Anoxie Faktoren der Denitrifikation und nicht der Nitrifikation als Hauptmechanismus für die Produktion von N ₂ O.

Anoxie, d. H. Die Abwesenheit von Sauerstoff, wird auch durch eine hohe Konzentration an Methan (CH ₄ ) bestätigt - von 0,01 bis 250 mg CH ₄ -C m-1 h-1. Angesichts der Tatsache, dass die Methanogenese bei einem pH-Wert von 5,5 genau wie bei Müllhaufen signifikant weniger effektiv ist als die Denitrifikation. Dies deutet darauf hin, dass die Redoxpotentiale von Müll stark reduziert werden können. Beim Vergleich der potenziellen Aktivität des Denitrifikationsenzyms in Haufen und in den umliegenden Waldabfällen stellten die Wissenschaftler fest, dass diese Zahl in Haufen 25-mal höher ist ( 3d ).

Wir können daher den Schluss ziehen, dass die Haufen von Blattschneidern aufgrund des Vorhandenseins bestimmter Faktoren ein sehr gut koordinierter "Mechanismus" der Produktion von CO ₂ , CH ₄ und Lachgas sind: eine große Menge mikrobieller Biomasse, Substratverfügbarkeit, ideale abiotische Bedingungen usw. Das einzige, was unklar bleibt, ist der Unterschied in der Menge an N ₂ O, die zwischen verschiedenen Müllhaufen erzeugt wird. Mit anderen Worten, die oben genannten Faktoren für verschiedene Deponien sind nahezu identisch. Wissenschaftler glauben, dass der Unterschied im N ₂ O-Index sozusagen von mehr internen Faktoren abhängen kann, von der individuellen Struktur der Müllhaufen: Mikroklima, Einfluss anderer lebender Organismen, Futterqualität, Veränderungen der mikrobiellen Biomasse, Zustand der Kolonie (Individuen) usw.


Bild Nr. 4

Darüber hinaus stellten die Forscher die folgenden Indikatoren zusammen: das von N ₂ O-Schneidern erzeugte Volumen, die Fläche der Müllhaufen, die Dichte der Müllhaufen sowohl in Primär- als auch in Sekundärwäldern und in Grenzgebieten. Die Kombination dieser Daten ermöglicht es zu verstehen, wie global die Produktion von N ₂ O-Blattschneidern die Atmosphäre und das Ökosystem der Neotropika beeinflusst.

Und jetzt zum lustigen Teil. Auf dem Haufen von Blattschneidern mit einer durchschnittlichen Dichte von 1,2 pro Hektar werden pro Quadratmeter und Jahr ungefähr 0,01 bis 0,35 kg N ₂ ON produziert. Und dies sind 200% der Produktion von N ₂ O durch die Abfälle des Waldes selbst (primär).

Die Forscher stellen fest, dass in der Natur aufgrund abrupter Veränderungen im Ökosystem (z. B. Wetterbedingungen) regelmäßig Sprünge in der N ₂ O-Produktion auftreten. In den Haufen von Blattschneidern bleibt die Temperatur jedoch das ganze Jahr über recht stabil. Und sehr häufige Regenfälle versorgen die Haufen zusätzlich mit feuchter organischer Substanz, die mit Stickstoff angereichert ist, was zur Produktion eines großen Volumens von N ₂ O beiträgt.

Eine große Rolle spielt auch die „Migration“ von Blattschneidkolonien im Wald. Die Ameisen ziehen an einen neuen Ort und verlassen sowohl die Kolonie als auch die Deponie, die sich innerhalb eines Jahres zersetzt. Auch danach verbleibt jedoch eine erhöhte Stickstoffkonzentration im Boden. Und dies deutet darauf hin, dass selbst verlassene Müllhaufen weiterhin N ₂ O erzeugen, bereits ohne die Beteiligung ihrer ehemaligen Ameisenwirte.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht der Forschungsgruppe und ihre zusätzlichen Materialien ansehen.

Nachwort

Die wichtigste Schlussfolgerung dieser Studie ist die Tatsache, dass die lebenswichtige Aktivität von Blattschneidern eine wichtige Rolle bei der Bildung des Ökosystems der gesamten Region spielt. Blattschneiderdeponien sind einzigartige Strukturen mit ungewöhnlichen chemischen Eigenschaften, die zusammen zur massiven Produktion von N ₂ O beitragen.

Mit ihrer Arbeit beweisen Wissenschaftler erneut, wie stark kleine Organismen die Umwelt beeinflussen können. Alles in der Natur ist miteinander verbunden. Aber manchmal verstehen wir nicht ganz, wie und wo diese Verbindung auftritt und was sie betrifft. Dank dieser Studie wissen wir etwas mehr über unsere große und mysteriöse Welt.



Danke fürs Zuschauen, bleibt neugierig und habt ein tolles Wochenende euch allen, Jungs.

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