Advanced mine restoration protocols facilitate early recovery of soil microbial biomass, activity and functional diversity

Many ecosystem restoration programmes can take over 15 years to achieve ecosystem functioning comparable to that of an unmodified ecosystem, therefore a reliable shorter-term method of assessing and monitoring ecosystem recovery is needed to ensure that recovery is following an appropriate trajectory. Soil microbes respond to environmental change relatively quickly, and shifts in microbial communities can reflect the current status of their environment. As well as potentially acting as ‘indicator communities’, microbes play an integral role in restoring ecosystem functions. On an active opencast mine on New Zealand's West Coast, three main restoration methods are used, differing in cost and restoration effort. They range from most expensive (1) vegetation direct transfer (VDT), to (2) biosolids-amended stockpiles that are spread and replanted, and (3) untreated stockpiles that are spread and replanted. We assessed the impacts of these methods on soil microbial communities by measuring microbial biomass, dehydrogenase activity, community level physiological profile (CLPP) and functional diversity as measured by carbon substrate utilisation, where restored sites were 5 years old or less. These measures were compared to an unmodified reference ecosystem in the same location. Microbial activity and biomass were highest in pristine habitats, followed by VDT and biosolids-amended soils, then untreated stockpile soil. When compared to all other treatments untreated stockpiled soils had significantly different CLPPs and significantly reduced microbial biomass and activity; microbial biomass was an order of magnitude lower than in pristine soils. Functional diversity and richness did not differ between pristine, VDT and biosolids-amended soils, but were higher than in untreated stockpiled soils. CLPPs did not differ between pristine habitat soil and VDT soil but biosolids-amended and untreated stockpiled soils were significantly different to pristine soil. This study has shown that soil microbial communities are a valuable tool to assess restoration progress, and that ecosystem restoration can begin in a relatively short time following investment in appropriate restoration strategy, ultimately benefiting recolonisation by plants and animals.

ZusammenfassungViele Ökosystem-Renaturierungsprogramme können mehr als 15 Jahre benötigen, bevor eine Ökosystemfunktion, die mit der eines nicht modifizierten Ökosystems vergleichbar ist, erreicht wird. Darum wird eine verlässliche, früher einsetzbare Methode zur Bewertung und Überwachung der Regeneration des Ökosystems benötigt, um sicherzustellen, dass die Regeneration einen geeigneten Verlauf nimmt. Bodenmikroorganismen reagieren relativ schnell auf Umweltänderungen, und Änderungen der Mikroben-Gemeinschaften können den aktuellen Status ihrer Umwelt widerspiegeln. So wie sie potentiell als “Indikator-Gemeinschaften” fungieren, spielen Mikroben auch eine zentrale Rolle bei der Wiederherstellung von Ökosystemfunktionen. In einer aktiven Tagebau-Kohlegrube an der neuseeländischen Westküste werden drei Haupt-Renaturierungsmethoden angewandt, die sich hinsichtlich der Kosten und des Aufwandes unterscheiden. Sie reichen von der sehr teuren direkten Übertragung bewachsener Bodenblöcke (VDT) über die Ausbringung von mit Klärschlamm vermischtem Lagerhaldenmaterial, das ausgebreitet und bepflanzt wird, bis zur Ausbringung von unbehandeltem Haldenmaterial, das verteilt und bepflanzt wird. Wir erfassten die Auswirkungen dieser Behandlungen auf die Mikrobengemeinschaften im Boden, indem wir die mikrobielle Biomasse, die Dehydrogenase-Aktivität, das physiologische Profil der Gemeinschaften und die funktionelle Diversität (gemessen als Nutzung von verschiedenen Kohlenstoffsubstraten) bestimmten. Die untersuchten Renaturierungsflächen waren bis zu fünf Jahre alt. Die Messungen wurden mit Daten aus einem benachbarten naturnahen Referenzökosystem verglichen. Die mikrobielle Aktivität und Biomasse waren in dem alten Ökosystem am höchsten, gefolgt von den VDT-Flächen, dem mit Klärschlamm versetzten Material und schließlich dem unbehandelten Haldenmaterial. Die letztgenannte Behandlung wies verglichen mit den anderen Varianten ein signifikant abweichendes physiologischesProfil sowie signifikant reduzierte mikrobielle Biomasse und Aktivität auf. Die mikrobielle Biomasse war um eine Größenordnung geringer als die von ursprünglichem Boden. Funktionelle Diversität und funktioneller Reichtum unterschieden sich nicht zwischen ursprünglichen, mit Klärschlamm gemischten und VDT-Böden; sie waren aber höher als in unbehandelten Haldenböden. Die physiologischen Profile der Gemeinschaften unterschieden sich nicht zwischen ursprünglichem Boden und VDT-Böden, aber sowohl mit Klärschlamm versetzter als auch unbehandelter Haldenboden unterschieden sich signifikant vom ursprünglichen Boden. Diese Untersuchung hat gezeigt, dass mikrobielle Gemeinschaften des Bodens ein wertvolles Mittel sind, um den Rekultivierungsfortschritt abzuschätzen und dass die Renaturierung relativ kurz nach der Investition in eine angemessene Renaturierungsstrategie einsetzen kann, wodurch letztendlich die Wiederbesiedlung durch Pflanzen und Tiere gefördert wird.