Bodembiodiversiteit stimuleren

De bodem: bijna buitenaards onbekend en toch dichtbij. Het is tijd voor een ontdekkingsreis. Het NIOO heeft de missie om de vreemde wereld onder onze voeten te verkennen, nieuw leven in de bodem te vinden, nieuwe miniatuurbeschavingen te ontdekken en de mens te laten zien wat eerder onzichtbaar bleef. Dankzij nieuwe technologieën weten we nu meer dan ooit over de diepzee en verre sterrenstelsels, maar het leven direct onder onze voeten blijft grotendeels onontdekt. Daar moeten we wat aan doen!

We weten dat de bodem een wonderlijke plek is, boordevol leven, maar tegelijkertijd heel leeg. De driedimensionale structuur is enorm complex en elke gram bodem biedt een woonplaats aan duizenden soorten. Op minuscule plekjes met voedsel komen astronomisch veel organismen voor, maar tussen deze oases liggen uitgestrekte, ‘interstellaire’ ruimtes met weinig leven.

Samen zijn deze levensvormen, vaak buitenaards in verschijning, ontzettend belangrijk. Ze zijn verantwoordelijk voor de bodemvruchtbaarheid en slaan meer koolstof op dan alle bomen bij elkaar (~1200 Gigaton)¹. Bovendien zuiveren ze water en helpen ze de diversiteit van bovengrondse planten en dieren in stand te houden. Als je hun waarde in geld uitdrukt, heb je het over 5-9 maal het wereldwijde BBP (‘bruto binnenlands product’) - en dan laten we hun positieve invloed op de menselijke gezondheid nog buiten beschouwing. 

Wie zijn ze? Waar komen ze vandaan? Wat doen ze? Hoe kunnen ze helpen bij een duurzame toekomst? Dit zijn de grote vragen waar we voor staan. Welkom in het echte terra incognita, het onbekende land.

Wie zijn deze ondergrondse buitenaardse wezens? 

Je weet waarschijnlijk dat er bacteriën, schimmels en regenwormen in de bodem leven. Maar wist je ook dat er in een gram bodem meer bacteriën zitten (4–20 x 10⁹) dan er mensen zijn op aarde²? En dat eenzelfde gram bodem 100 meter aan schimmeldraden kan bevatten en duizenden soorten bacteriën en eencelligen? Vergeleken met oceanen en dierenlichamen is de microbiële diversiteit in de bodem, vooral in de wortelzone van planten, verbazingwekkend groot³. 

Van de 1,5 miljoen levende soorten die we kennen, behoort tot wel 25% tot de bodemorganismen. Maar waarschijnlijk is 90% van de ondergrondse soorten nog niet ontdekt⁴. Neem bijvoorbeeld beerdiertjes (tardigrada), die behoren tot de meest veerkrachtige organismen op aarde. Ze hebben het vermogen om volledig uit te drogen, waardoor ze zelfs in de ruimte kunnen overleven⁵. Toch weten we niet eens hoeveel beerdiertjes er in de bodem leven! Die bodem wordt bewoond door een scala aan kleinere en grotere bodemdieren. Van nematoden (aaltjes), potwormen, springstaarten en mijten tot de bekendere miljoenpoten, pissebedden, mieren, termieten, regenwormen, muizen en mollen. 

Maar de kleinste en meest mysterieuze bodembewoners zijn de virussen. We weten niet eens of ze wel echt leven. Wat we wel weten: deze zombie-legioenen op nanoschaal (10¹⁰ virusdeeltjes per gram bodem en 30-80 nm) doden waarschijnlijk de meerderheid van de bacteriën in de bodem, en mogelijk ook veel andere organismen⁶.

Wat doen ze?

Eigenlijk leiden ze gewoon hun leven, net als wij. Ook zij zijn druk bezig met overleven, werken en de liefde. Microben en grotere bodemdieren zoeken naar voedsel in de complexe bodemstructuren⁷, ze groeien of rusten als de omstandigheden niet goed zijn⁸, ze bedrijven de liefde, vermenigvuldigen zich en gaan (soms) op oorlogspad.

Bacteriën en schimmels doen het meeste werk in de bodem. Ze verteren dood organisch materiaal zoals bladeren, wortels, dierenpoep en karkassen. Ondertussen worden ze constant belaagd door rondwormen (nematoden), eencellige buitenbeentjes (protozoa) en virussen. Naast hen zijn nematoden – tot wel 2 mm groot – echte reuzen. Deze wormen bewegen zich als grote stofzuigers door de bodem en zuigen ondertussen microben op. En zelfs de minuscule eencellige protozoa (minder dan 0,16 mm) jagen op bacteriën. Dat doen ze door de geur van hun specifieke prooi te volgen. (Bacteriën scheiden namelijk een specifiek palet van vluchtige organische verbindingen uit⁹.) 

Net als vissen, eten de grote bodemorganismen over het algemeen de kleine. Amoeben eten bacteriën, nematoden eten amoeben, en de vleesetende mijten – de leeuwen van de bodem – eten bijna alles⁷. Maar zo gaat het niet altijd. Sommige schimmels kunnen bijvoorbeeld nematoden vangen met kleine lasso’s en ze dan verteren. Andere schimmels specialiseren zich in het parasiteren en opeten van in de grond levende insecten. De minuscule protozoa kunnen zelfs in groepen jagen en samen een gigantische nematode doden¹⁰. Zo eten de kleintjes de groten! Nog altijd leren we bij over de organisatie van het voedselweb in de bodem.

Veel bodemorganismen krijgen het op een bepaald moment in hun leven moeilijk. Om te overleven, gaan ze in een soort winterslaap. Veel bacteriën en schimmels gebruiken hiervoor sporen, conidia, cysten en dwergcellen. Zo kunnen ze tientallen jaren of eeuwen (en soms nog langer) overleven⁸. Omdat het leven in de bodem zo zwaar is, zijn op elk willekeurig tijdstip de meeste microben (~80% van de cellen) in winterslaap. Regenwormen bijvoorbeeld overleven droge zomers door zich op te krullen in ‘diapauze’. En natuurlijk gaan onze favoriete bodemdieren, de beerdiertjes, ook in winterslaap (dit is feitelijk ‘cryptobiose’ of schijndood, wat ze een soort superkracht geeft)⁷. Die winterslaap kunnen ze tientallen jaren volhouden, veel langer dan bovengrondse beren.

Microben zetten een heel arsenaal aan chemische wapens in om hun concurrenten te onderdrukken. Ze laten bijvoorbeeld antimicrobiële stoffen los in de bodem, waar met name bacteriën en schimmels streven naar dominantie¹¹. Chemische oorlogsvoering is bodemorganismen dus niet vreemd. Toch werken ze ook samen. Plantenwortels kunnen bijvoorbeeld samenleven met Rhizobia (stikstofbindende bacteriën) en mycorrhiza-schimmels. Maar zelfs deze vrienden keren zich soms tegen hun gastheren¹².

Sinds kort weten we dat veel microben helemaal niet op zichzelf kunnen overleven. Vele zijn de genen voor biochemische omzettingen verloren die nodig zijn voor hun stofwisseling (om alle essentiële aminozuren, vitaminen, nucleotiden en groeifactoren zelf aan te maken). Daarom wisselen ze deze stoffen vaak uit met andere organismen: met bacteriën, maar ook met grotere organismen zoals dieren, protozoa en schimmels^13,14. Bepaalde bacteriën ontwikkelen zelfs gespecialiseerde ‘nanobuizen’ die hen fysiek verbinden met andere bacteriesoorten. Zo wisselen ze onmisbare aminozuren uit¹⁵. Zie het als een soort taakverdeling¹⁶.

Wat doen ze voor ons?

Het bodemvoedselweb is de bruine tegenhanger van het groene voedselweb boven de grond. Het is verantwoordelijk voor de recycling en upcycling van organisch materiaal. Microben breken bladeren, wortels, dierenpoep en dode resten af en zorgen voor de compostering in je composthoop. Tijdens dit proces scheiden ze voedingsstoffen uit die belangrijk zijn voor de groei van planten (bijvoorbeeld in de vorm van aminozuren of anorganische stikstof¹⁷). Er zijn zelfs microben die zuren en enzymen uitscheiden waarmee ze voedingsstoffen uit gesteente kunnen halen! 

En dat is nog niet alles. Microben helpen ook de bodemstructuur te vormen. Ze stabiliseren koolstof en andere elementen zoals stikstof door ze vast te plakken aan bodemdeeltjes. Hierdoor blijven de minerale deeltjes aan elkaar zitten, wat de bodem beschermt tegen erosie door wind en water. Bovendien verbetert dit het vermogen van de bodem om water op te slaan en te bewaren.¹⁸ Bodemmicroben slaan niet alleen koolstof op. Er zijn ook microben die de broeikasgassen methaan (CH₄) en lachgas (N₂O) consumeren. Zo verminderen ze de uitstoot in de atmosfeer.

Al deze ‘ecosysteemdiensten’ van het bodemleven zijn geld waard: in totaal ongeveer 5 tot 9 keer het wereldwijde BBP! (Voor dit cijfer hebben we de schatting van The Nature Conservancy opgeschaald met het totale oppervlak aan landbouwgrond). Hierbij is de rol van bodembiodiversiteit bij de gezondheid van mensen nog niet meegenomen. De gezondheid van mensen, dieren en ecosystemen is namelijk sterk met elkaar verbonden. Via voedsel, lucht en water staan we met elkaar in contact, en door dieren veroorzaakte ziekten zoals zoönosen zijn voor mensen een groot probleem. Die verwevenheid wordt ook wel One Health genoemd. 

Veel bodemmicroben reizen door de lucht om zich te verspreiden: dankzij hun minuscule sporen kunnen ze duizenden kilometers door de lucht surfen¹⁹. Luchtmonsters bevatten ook mogelijke ziekteverwekkers voor planten en dieren²⁰. Slecht bodembeheer en klimaatverandering kan het ‘immuunsysteem’ van bodems aantasten²¹, wat leidt tot meer grondgebonden plagen en ziekten. Tegelijkertijd kan het de kwaliteit van ons voedsel verminderen, wat slecht is voor onze gezondheid²². 

Aan de andere kant helpt blootstelling aan bodemorganismen – bijvoorbeeld in parken en speeltuinen – allergieën te verminderen bij kinderen, doordat ze tolerantie opbouwen. De bodembiodiversiteit is waarschijnlijk ook de bron van een aantal belangrijke antibiotica en medicijnen van de toekomst. 

Wat bedreigt de bodembiodiversiteit?

Hoewel bodembiodiversiteit enorm belangrijk is voor de natuur en de mens, staan veel bodemorganismen onder druk. Paddenstoelen, de vruchtlichamen van belangrijke bodemschimmels, zijn de afgelopen eeuw met 45% afgenomen²³. Microbiële gemeenschappen in de bodem gaan wereldwijd steeds meer op elkaar lijken²⁴, wat wijst op een enorm verlies aan bodembiodiversiteit. En de helft van alle hotspots van bodembiodiversiteit loopt gevaar, omdat ze niet overeenkomen met hotspots van bovengrondse biodiversiteit²⁵.

De bodembiodiversiteit wordt bedreigd door veranderingen in het milieu, maar ook door menselijke handelingen. Denk aan ontbossing en intensieve landbouw waarbij de grond wordt omgeploegd²⁷. Dit leidt tot een verlies van organische stof en de verstoring van de bodem en schimmeldraden. Andere bedreigingen zijn verzilting, bodemerosie, afsluiting van de bodem (bijvoorbeeld door verstedelijking) en bodemverdichting, verzuring, vermesting, klimaatverandering en invasieve soorten. Om ons land duurzaam te gebruiken, moeten we beter leren samenwerken met de biodiversiteit onder onze voeten.

Hoe kunnen we beter samenleven met de ondergrondse biodiversiteit?

Bij het NIOO is duurzaam gebruik van land (en water) een centraal thema. Voor de bodembiodiversiteit hebben we het IJkcentrum voor de Bodem opgericht. In dit centrum brengen we data en kennis over de status en trends in bodembiodiversiteit samen. We onderzoeken hoe we het bodemleven kunnen sturen, zodat het optimaal functioneert in ons land. 

Met behulp van Big Data en AI analyseren we de bodembiodiversiteit en voorspellen we hoe we de multifunctionaliteit van de bodem kunnen optimaliseren. Met veldcampagnes doen we steekproeven en onderzoeken zo de bodembiodiversiteit in heel Nederland. We bestuderen de aantallen en diversiteit van allerlei organismen, van bacteriën tot regenwormen. Dit doen we in alle vormen van landgebruik en met moderne high-throughput technologieën. 

Deze data koppelen we aan gegevens over het lokale milieu, het beheer, en de werking van de bodem. Vervolgens testen we hoe we de bodembiodiversiteit kunnen inzetten voor multifunctionele bodems, bijvoorbeeld in de Bodem Ecotrons. Dit is een grote onderzoeksfaciliteit waar we met bodems, planten en bodemleven experimenteren. Zo onderzoeken we hoe we intensief gebruikte landbouwbodems op een duurzame manier kunnen gaan gebruiken.

Met deze kennis kunnen we de biodiversiteit in de bodem effectief sturen. Bijvoorbeeld met bodeminoculatie, wat succesvol is gebleken bij natuurherstel. Dit kan helpen onze bossen toekomstbestendig te maken en te zorgen voor gezondere gewassen. Verder onderzoeken we hoe we materiaalkringlopen echt circulair kunnen maken voor duurzame productie en consumptie. Ook kijken we naar alternatieve plantproductiesystemen en manieren om de uitstoot van broeikasgassen door de bodem te verminderen. Daarnaast coördineren we de nationale Bodemdierendagen: een citizen science-project waarmee we de status en trends in bodembiodiversiteit van tuinen, parken en schoolpleinen in steden en dorpen beoordelen. Hierbij zijn elk jaar duizenden vrijwilligers betrokken. 

Op internationaal niveau dragen we bij aan het kennisrapport over bodembiodiversiteit voor de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties (FAO’s Global State of Knowledge report). We helpen de wetenschapsagenda van de EU vorm te geven en we zijn founding partner van het Global Soil Biodiversity Initiative. 

Bij het NIOO onderzoeken we hoe we onze bodems kunnen laten verwilderen, voor het duurzaam functioneren van (agro)ecosystemen. Voor nu én voor de toekomst.

Referenties (wetenschappelijke artikelen):

1.            Wieder, W. R., Bonan, G. B. & Allison, S. D. Global soil carbon projections are improved by modelling microbial processes. Nat. Clim. Change 3, 909–912 (2013).

2.            Bardgett, R. D. & Van der Putten, W. H. Belowground biodiversity and ecosystem functioning. Nature 515, 505–511 (2014).

3.            Thompson, L. R. et al. A communal catalogue reveals Earth’s multiscale microbial diversity. Nature 551, 457–463 (2017).

4.            Decaëns, T. Macroecological patterns in soil communities. Glob. Ecol. Biogeogr. 19, 287–302 (2010).

5.            Jönsson, K. I., Rabbow, E., Schill, R. O., Harms-Ringdahl, M. & Rettberg, P. Tardigrades survive exposure to space in low Earth orbit. Curr. Biol. 18, R729–R731 (2008).

6.            Kuzyakov, Y. & Mason-Jones, K. Viruses in soil: Nano-scale undead drivers of microbial life, biogeochemical turnover and ecosystem functions. Soil Biol. Biochem. 127, 305–317 (2018).

7.            Coleman, D. C., Callaham, M. A. & Crossley, D. A. Fundamentals of Soil Ecology (third edition). (Academic Press, Elsevier Inc., 2018).

8.            Lennon, J. T. & Jones, S. E. Microbial seed banks: the ecological and evolutionary implications of dormancy. Nat. Rev. Microbiol. 9, 119–130 (2011).

9.            Schulz-Bohm, K. et al. The prey’s scent – Volatile organic compound mediated interactions between soil bacteria and their protist predators. ISME J. 11, 817–820 (2017).

10.          Geisen, S. et al. Pack hunting by a common soil amoeba on nematodes. Environ. Microbiol. 17, 4538–4546 (2015).

11.          Bahram, M. et al. Structure and function of the global topsoil microbiome. Nature 560, 233–237 (2018).

12.          Hoeksema, J. D. et al. A meta-analysis of context-dependency in plant response to inoculation with mycorrhizal fungi. Ecol. Lett. 13, 394–407 (2010).

13.          D’Souza, G. et al. Ecology and evolution of metabolic cross-feeding interactions in bacteria. Nat. Prod. Rep. 35, 455–488 (2018).

14.          D’Souza, G. et al. Less Is More: Selective Advantages Can Explain the Prevalent Loss of Biosynthetic Genes in Bacteria. Evolution 68, 2559–2570 (2014).

15.          Pande, S. et al. Metabolic cross-feeding via intercellular nanotubes among bacteria. Nat. Commun. 6, 6238 (2015).

16.          Pande, S. et al. Fitness and stability of obligate cross-feeding interactions that emerge upon gene loss in bacteria. ISME J. 8, 953–962 (2014).

17.          Schimel, J. P. & Bennett, J. Nitrogen mineralization: challenges of a changing paradigm. Ecology 85, 591–602 (2004).

18.          Lal, R. Soil organic matter and water retention. Agron. J. 112, 3265–3277 (2020).

19.          Meola, M., Lazzaro, A. & Zeyer, J. Bacterial Composition and Survival on Sahara Dust Particles Transported to the European Alps. Front. Microbiol. 6, art1454 (2015).

20.          De Groot, G. A. et al. The aerobiome uncovered: multi-marker metabarcoding reveals potential drivers of turn-over in the full microbial community in the air. Environ. Int. 154, 106551 (2021).

21.          Raaijmakers, J. M. & Mazzola, M. Soil immune responses. Science 352, 1392–1393 (2016).

22.          Wall, D. H., Nielsen, U. N. & Six, J. Soil biodiversity and human health. Nature 528, 69–76 (2015).

23.          Averill, C. et al. Defending Earth’s terrestrial microbiome. Nat. Microbiol. 1–9 (2022) doi:10.1038/s41564-022-01228-3.

24.          Guerra, C. A. et al. Global projections of the soil microbiome in the Anthropocene. Glob. Ecol. Biogeogr. 30, 987–999 (2021).

25.          Cameron, E. K. et al. Global mismatches in aboveground and belowground biodiversity. Conserv. Biol. 33, 1187–1192 (2019).

26.          FAO, ITPS, GSBI, SCBD, & EC. State of knowledge of soil biodiversity - Status, challenges and potentialities: Report 2020. (FAO, 2020). doi:10.4060/cb1928en.

27.          Tsiafouli, M. A. et al. Intensive agriculture reduces soil biodiversity across Europe. Glob. Change Biol. 21, 973–985 (2015).

28.          Wubs, E. R. J., Van der Putten, W. H., Bosch, M. & Bezemer, T. M. Soil inoculation steers restoration of terrestrial ecosystems. Nat. Plants 2, 16107 (2016).

29.          Gerrits, G. M. et al. Synthesis on the effectiveness of soil translocation for plant community restoration. J. Appl. Ecol. (2023) doi:10.1111/1365-2664.14364.