Microbiologie in hapklare porties
Geometrie vs Bacteriën en Schimmels… Wie wint?
De microbiologie in de bodem is een boeiend onderdeel van de milieu-microbiologie en -wetenschap. Onderzoekers uit dit gebied bestuderen vooral micro-organismen die in de bodem leven, en hoe deze de plantengroei en de samenstelling van de bodem beïnvloeden. Daarnaast spelen microben een vitale rol in veel biogeochemische cycli, en elke verstoring van hun ecosysteem kan deze cycli versnellen of vertragen. Microbiële processen, en de productie en recycling van nutriënten gaan hand in hand met plantengroei. Wetenschappers willen dan ook graag de complexe relaties tussen microben en planten in de bodem bestuderen. Dit kan van belang zijn voor de ontwikkeling van nieuwe landbouwpraktijken, die een duurzamere en milieuvriendelijkere aanpak mogelijk maken.
Hoe eenvoudig het ook klinkt, een van de factoren die de overleving van microben lastig maakt is een ongelijke verdeling van voedingsstoffen in de bodem. Micro-organismen moeten ernaar op zoek door gebruik te maken van quorum sensing en/of hun beweeglijkheid te gebruiken (als ze die al hebben) totdat ze de voedingsstoffen tegenkomen. Sommige onderzoekers veronderstellen dat bepaalde natuurlijk voorkomende blokkades, zoals bochten, scherpe hoeken, of voorwerpen de microben de toegang tot eenvoudige (maar zeer voedzame) moleculen ontzeggen.
Om te begrijpen hoe micro-organismen die hindernissen overwinnen, zetten Arellano-Caicedo en collega’s een experiment op, waarbij ze een kunstmatige microstructuur bouwden en hierin de bacterie Pseudomonas putida en de schimmel Coprinopsis cinerea lieten groeien. De microstructuur heeft een ingewikkelde vorm met veel lange kanalen die verschillen in lengte, breedte en hoeken. Naast het volgen van de groei van deze micro-organismen, waren de onderzoekers ook geïnteresseerd in het observeren van interacties die optreden tussen twee soorten in een kleine, afgesloten structuur. Zodoende bestond het experiment uit drie delen: 1) onderzoek naar de groei van alleen de bacterie; 2) onderzoek naar de groei van alleen de schimmel; 3) onderzoek naar de groei van de bacterie en de schimmel samen. Wat ook interessant is aan deze microstructuur is dat de kanalen verschillende hoeken hadden (45°, 90° en 109°). Dit creëerde niet alleen een extra hindernis voor de micro-organismen, maar bootste ook enigszins de natuurlijke omgeving na.
Duidelijke kanalen van de microstructuur maakten het voor de onderzoekers makkelijk om de interacties te visualiseren. Bij een scherpe hoek van 45° verschenen de eerste verschillen in groei. P. putida was succesvoller in het overwinnen van scherpe bochten dan de schimmel. Dit resultaat kan worden verklaard door het feit dat deze hoek binnen het natuurlijke bewegingsbereik van de bacterie ligt. In een vrije omgeving bewegen bacteriesoorten met aangeboren bewegingsmechanismen (zoals flagella) onder deze hoek. Voor C. cinerea veroorzaakte deze hoek echter problemen. Zoals je misschien weet, houden schimmeldraden van grote ruimten, dus een hoek van 45° kan de groei drastisch beperken.
Bij grotere hoeken (90° en 109°) namen zowel de bacterie- als de schimmelgroei een onverwachte wending! Terwijl de beweeglijkheid en de groei van de bacterie aanzienlijk werden vertraagd, kreeg de schimmel eindelijk alle ruimte en begon zich uit te breiden. De onderzoekers merkten echter een interessant fenomeen op. Toen de schimmeldraden de wanden van het kanaal raakten, begonnen ze zich te vertakken en naar beide zijden te groeien. Uiteindelijk bereikte één van de zijden het vervolg van het pad, terwijl de andere naar zijn oorsprong groeide. Zulke vertakkingen resulteerden in een plaatselijke ophoping van biomassa in het begin van de 90° en 109° kanalen.
Zoals al eerder vermeld, wilden de onderzoekers ook de interacties tussen de schimmel en de bacterie onderzoeken. Wanneer twee organismen samen groeien, is concurrentie om voedingsstoffen en ruimte onvermijdelijk. Deze studie vormde daarop geen uitzondering. De resultaten tonen aan dat de oprukkende schimmeldraden de omgeving fysiek veranderden, waardoor de bacteriën trager groeien. De bacteriën waren niet in staat door de schimmel heen te dringen, en dat stagneerde de groei, wat leidde tot uitputting van voedingsstoffen op plaatsen waar bacteriën zich ophoopten. De schimmel daarentegen had er geen moeite mee zich door de bacteriekolonies heen te drukken. Deze waarneming suggereert dat bacteriën hun omgeving niet veranderen op een manier die de groei van schimmels zou belemmeren.
Dit experiment is een eerste stap om de dynamiek tussen bodem en bodemmicro-organismen te begrijpen. Natuurlijk is dit onderzoek vereenvoudigd, en in het echte leven bepalen veel andere parameters de bodemsamenstelling dan alleen de hoek. In de natuur is de bodem vaak verzadigd met water of bevat het gasbellen die een uitdaging kunnen vormen voor de beweging en groei van bacteriën en andere micro-organismen. Bovendien zijn de voedingsstoffen waarmee microben in de natuur in aanraking komen, meer verspreid en komen ze vaak in flarden voor.
Toch kan een beter begrip van de microbiële ecologie in de bodem leiden tot nieuwe ontwikkelingen in de landbouw. Denk bijvoorbeeld aan een efficiëntere manier om voedingsstoffen aan het wortelsysteem van een plant te leveren. Door de kennis van bodemmicrobiologie en microbiële interacties toe te passen, kunnen onderzoekers een meer nauwkeurige techniek ontwikkelen om die voedingsstoffen af te geven, wat uiteindelijk ten goede komt aan microben en planten. Waarom zou je, in plaats van geld uit te geven aan extra meststoffen en voedingsstoffen, niet een manier ontwikkelen die sneller en efficiënter is, gebaseerd op bodemmicrobiologie? Werk slimmer, niet harder!
Link to the original post: Arellano-Caicedo, C., Ohlsson, P., Bengtsson, M. et al. Habitat geometry in artificial microstructure affects bacterial and fungal growth, interactions, and substrate degradation. Commun Biol 4, 1226 (2021). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02736-4
Under creative commons license https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Featured image: https://modernfarmer.com/2014/04/microbes-will-feed-world-real-farmers-grow-soil-crops/
Vertaald door: Charlotte van de Velde
micro-bites.org 