Activated carbon may have undesired side effects for testing allelopathy in invasive plants

Activated carbon has become a widely used tool to investigate root-mediated allelopathy of plants, especially in plant invasion biology, because it adsorbs and thereby neutralizes root exudates. Allelopathy has been a controversially debated phenomenon for years, which revived in plant invasion biology as one possible reason for the success of invasive plants. Noxious plant exudates may harm other plants and provide an advantage to the allelopathic plant. However, root exudates are not always toxic, but may stimulate the microbial community and change nutrient availability in the rhizosphere. In a greenhouse experiment, we investigated the interacting effects of activated carbon, arbuscular mycorrhiza and plant competition between the invasive Senecio inaequidens and the native Artemisia vulgaris. Furthermore, we tested whether activated carbon showed any undesired effects by directly affecting mycorrhiza or soil chemistry. Contrary to the expectation, S. inaequidens was a weak competitor and we could not support the idea that allelopathy was involved in the competition. Activated carbon led to a considerable increase in the aboveground biomass production and reduced the infection with arbuscular mycorrhiza of both plant species. We expected that arbuscular mycorrhiza promotes plant growth by increasing nutrient availability, but we found the contrary when activated carbon was added. Chemical analyses of the substrate showed, that adding activated carbon resulted in a strong increase in plant available phosphate and in a decrease of the Corganic/Ntotal ratio, both of which suggest stimulated microbial activity. Thus, activated carbon not only reduced potential allelopathic effects, but substantially changed the chemistry of the substrate. These results show that activated carbon should be handled with great care in ecological experiments on allelopathy because of possible confounding effects on the soil community.

ZusammenfassungAllelopathie ist seit langem ein kontrovers diskutiertes Phänomen, das jetzt in der Invasionsbiologie als mögliche Ursache für den Erfolg invasiver Pflanzen wieder auflebt. Giftige Wurzelexudate können andere Pflanzen schädigen und so der allelopathischen Pflanze einen Vorteil verschaffen. Um das Phänomen Allelopathie zu erforschen, wird oft Aktivkohle eingesetzt, die in der Lage ist, Wurzelexudate zu adsorbieren und dadurch zu neutralisieren. Doch Wurzelexudate sind nicht immer toxisch, sondern können die mikrobielle Lebensgemeinschaft im Boden stimulieren und die Nährstoffverfügbarkeit in der Rhizosphäre verändern. In einem Gewächshausexperiment haben wir die Interaktionen zwischen Aktivkohle, arbuskulärer Mykorrhiza und der Konkurrenz zwischen der invasiven Pflanze Senecio inaequidens und der einheimischen Artemisia vulgaris untersucht. Darüber hinaus haben wir getestet, ob Aktivkohle durch einen direkten Einfluss auf die arbuskuläre Mykorrhiza oder die Bodenchemie unerwünschte Nebeneffekte verursacht. Entgegen unseren Erwartungen stellte sich S. inaequidens als schwacher Konkurrent heraus und die Vermutung, dass Allelopathie in dieser Konkurrenz eine Rolle spielt, konnte nicht bestätigt werden. Die Aktivkohle führte zu einem starken Anstieg der oberirdischen Biomasseproduktion und reduzierte die Mykorrhizierungsraten bei beiden Pflanzenarten. Wir hatten erwartet, dass die arbuskuläre Mykorrhiza die Biomasseproduktion durch eine bessere Nährstoffverfügbarkeit steigert, fanden jedoch das Gegenteil, wenn wir Aktivkohle hinzugefügt hatten. Die chemische Analyse des Substrates zeigte, das die Behandlung mit Aktivkohle zu einem starken Anstieg des Gehaltes an pflanzenverfügbarem Phosphor und zu einer Abnahme des Corganisch/Ngesamt-Verhältnisses führte. Beides deutet indirekt auf eine gesteigerte mikrobielle Aktivität hin. Aktivkohle reduzierte also nicht nur mögliche allelopathische Stoffe, sondern änderte die Bodenchemie des Substrates erheblich. Diese Ergebnisse zeigen, dass Aktivkohle in ökologischen Experimenten zur Allelopathie mit großer Vorsicht einzusetzen ist, da ungewollte Effekte auf die Lebensgemeinschaft im Boden auftreten können.