Impact of plant species, N fertilization and ecosystem engineers on the structure and function of soil microbial communities
by Birgit Pfeiffer
Date of Examination:2013-12-20
Date of issue:2014-02-26
Advisor:Prof. Dr. Rolf Daniel
Referee:PD Dr. Michael Hoppert
Referee:Prof. Dr. Hermann Jungkunst
Referee:Prof. Dr. Stefanie Pöggeler
Referee:PD Dr. Stefan Irniger
Referee:Prof. Dr. Kai Heimel
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Name:eDiss_BirgitPfeiffer.pdf
Size:12.3Mb
Format:PDF
Description:PhD Thesis
Abstract
English
Soil microbial communities are directly and indirectly influenced by a complex system of cross-interactions between different biotic and abiotic factors influencing each other, such as plant species and their respective traits, soil nutrient content, and pH. Microorganisms shape their environment, as important drivers of the C and N cycle. Within the present thesis, several studies were conducted under controlled field and laboratory conditions as well as under natural conditions to unravel the contribution of different influencing factors. The soil prokaryotic community composition of the different soil samples was analyzed DNA-based and RNA-based using 16S rRNA genes and 16S rRNA as phylogenetic marker. The amplicon-based data were processed and diversity and richness estimates were calculated. Betadiversity analyses were conducted to assess overall differences between the different treatments. The obtained DGGE profiles were used for cluster analyses to reveal similarities or differences in the bacterial community structure. The present thesis provided insight into the impact of tree species, tree species diversity, leaf litter and sampling time on the composition and diversity of soil bacterial communities. The obtained data revealed that the leaf litter layer was the major driver of the bacterial community composition in the rhizosphere of young beech and ash trees. It was indicated that different tree species and tree species diversity levels as well as seasonal differences have a minor effect on bacterial community composition. The results revealed that the microbial community composition was not affected significantly by beech and ash saplings, possibly due to the early developmental stage of the tree saplings. Nevertheless, the obtained data revealed that beech saplings inhibited bacterial growth and promoted fungal growth by a root exudation induced soil pH shift. Tree species, differing in their morphology differentially impact soil microbial communities. The analysis of the soil bacterial and fungal communities in natural forest soils under adult beech and spruce trees revealed a significant impact of the analyzed tree species on soil bacterial and fungal community composition. It was indicated that the bacterial and fungal diversity in the analyzed spruce forest soil was driven by soil pH. The impact of high NO3- depositions on CH4 and N2O gas fluxes, and the soil-inhabiting active bacterial and archaeal communities was studied in mesocosms containing soil from a temperate broad-leaved forest. Strong impacts of NO3- fertilization on CH4 uptake rates and N2O emissions in fertilized soil columns were recorded. N fertilization inhibited the CH4 uptake, while the N2O emission increased. The soil bacterial community shifted over the course of the survey towards a denitrifying community, which was dominated by the genus Rhodanobacter. Furthermore, the bacterial diversity and CO2 emissions were reduced within the N-fertilized soil columns. Moreover, CO2 emission rates dropped in both treatments throughout the experiment. This indicated a reduced activity of soil microorganisms, which might be due to C limitation in the used forest soil. Although a shift in the relative abundance of the nitrifying archaeal genus Nitrosotalea occurred, a significant shift in the archaeal community composition was not observed. The results indicate a considerable contribution of methylotrophic, methanotrophic and nitrifying bacterial species, occurring in low abundance, to the observed CH4 uptake. The impact of ants and their activity on the activity and diversity of soil microbial communities were studied. Ant activity channeled honeydew into soils and thereby reduced the microbial biomass in the litter layer. The δ15N signature, the basal respiration and microbial biomass increased in the soil. In contrast, the cluster analysis of the derived DGGE profiles revealed no distinct differences of the microbial community structure in response to the different treatments. Ant activity affected the structure of bacterial communities in grasslands, due to nest building activity and the input of organic substances. Cluster analysis of the obtained DGGE profiles revealed differences in bacterial community composition in response to the sampling site and ant activity. In addition, bacterial community structures in ant nests differed from the surrounding soil. A secondary project of this thesis was the assessment and comparison of microbial communities present in biological soil crusts, sampled at two sites in extrazonal mountain dry steppes in northern Mongolia. The study revealed clear differences in microbial community structure of the two sampling sites differing in their disturbance history.
Keywords: Soil bacterial community composition; 16S rRNA; DGGE; Soil bacterial diversity; Carbon cycling; Nitrogen; Methane uptake; Nitrogen cycling; N deposition; Formicidae; Mircobial activity; biological soil crusts
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Mikrobielle Gemeinschaften werden direkt und indirekt von einem komplexen System verschiedenster Interaktionen zwischen biotischen und abiotischen Faktoren beeinflusst. So zum Beispiel von verschiedenen Pflanzenarten und ihren jeweiligen Eigenschaften, dem Nährstoffgehalt des Bodens, sowie dem pH-Wert. Im Gegenzug gestalten Mikroorganismen als wichtige Treiber der C- und N-Kreisläufe ihre Umwelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Studien unter kontrollierten Feld- und Laborbedingungen, sowie unter natürlichen Bedingungen im Freiland durchgeführt, um verschiedene Einflussfaktoren zu bestimmen und den Grad ihres Einflusses zu ermitteln. Die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaften in den verschiedenen Bodenproben wurden mit Hilfe phylogenetischer Marker, der 16S-rRNA Gene und der 16S-rRNA, analysiert. Die erhaltenen Amplikon-basierten Daten wurden dann prozessiert und die Indices für Artenvielfalt und Artenreichtum berechnet. Zusätzlich wurden Betadiversitätsanalysen durchgeführt, um Unterschiede in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft zwischen den verschiedenen Behandlungen sichtbar zu machen. Des Weiteren wurden die erhaltenen DGGE Profile für Clusteranalysen verwendet, um Ähnlichkeiten oder Unterschiede in der Struktur der Bakteriengemeinschaft zwischen den verschiedenen Behandlungen aufzuzeigen.
Die vorliegende Arbeit gibt einen Einblick über den Einfluss der Baumarten, Baumartendiversität, des Laubes und des Probennahmezeitpunktes auf die Zusammensetzung und Diversität von Bakteriengemeinschaften in Böden. Die erhaltenen Daten zeigten, dass die Laubschicht der Haupteinflussfaktor auf die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft in der Rhizosphäre von jungen Buchen und Eschen ist. Des Weiteren zeigte sich, das verschiedene Baumarten, deren Diversität, sowie saisonale Unterschiede nur einen geringen Einfluss auf die Struktur der bakteriellen Gemeinschaft haben. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur nicht signifikant von Buchen- und Eschensetzlingen beeinflusst wird, vermutlich aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums der verwendeten Baumsetzlinge. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Buchensetzlinge das Wachstum von Bakterien inhibierten, während das Pilzwachstum gefördert wurde. Dies wurde vermutlich hervorgerufen durch eine Verschiebung des pH-Wertes im Boden verursacht durch buchenspezifische Wurzelausscheidungen. Morphologisch unterschiedliche Baumarten beeinflussen die Struktur und Diversität mikrobieller Gemeinschaften auf verschiedenen Wegen. Die Analyse der Bakterien- und Pilzgemeinschaften in natürlichen Waldböden unter erwachsenen Buchen und Fichten zeigte einen signifikanten Einfluss der untersuchten Baumarten auf deren Zusammensetzung. Es konnte ein Einfluss des pH-Werts auf die Bakterien- und Pilzvielfalt unter den analysierten Fichtenbeständen gezeigt werden.
Des Weiteren wurden die Auswirkungen hoher NO3- Depositionen auf die CH4 und N2O Gasflüsse und die aktiven Bakterien- und Archeengemeinschaften in gemäßigten Laubwaldböden mit Hilfe von Mesokosmen untersucht. Es konnte ein starker Effekt der NO3- Düngung auf die CH4 Aufnahmeraten und N2O Emissionen des gedüngten Laubwaldbodens gezeigt werden. Die N-Düngung hemmte die CH4 Aufnahme des Bodens, während die N2O Emission stieg. Die Bakteriengemeinschaft in den gedüngten Mikrokosmen verschob sich im Verlauf des Versuches in Richtung einer denitrifizierenden Gemeinschaft, dominiert durch die Gattung Rhodanobacter. Darüber hinaus konnte eine Reduzierung der bakteriellen Vielfalt und der CO2 Emission innerhalb der N-gedüngten Mikrokosmen gezeigt werden. Des Weiteren sanken die CO2 Emissionsraten in beiden Behandlungen im Verlauf des Experiments. Dies deutet auf eine reduzierte Aktivität der vorhandenen Bodenmikroorganismen hin, möglicherweise hervorgerufen durch eine C Limitierung des verwendeten Waldbodens. Obwohl eine Verschiebung in der relativen Häufigkeit der auftretenden nitrifizierenden Archeen der Gattung Nitrosotalea nachgewiesen wurde, konnte eine signifikante Veränderung in der Zusammensetzung der gesamten Archeengemeinschaft nicht beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigten jedoch einen erheblichen Beitrag methylotropher, methanotropher und nitrifizierender Bakterien, welche in geringer Zahl auftraten, in Bezug auf die gemessene CH4 Aufnahme.
Des Weiteren wurden die Auswirkungen der Anwesenheit von Ameisen und ihrer Aktivitäten auf die Aktivität und Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und Ameisennest untersucht. Ameisen transportierten den von Läusen gewonnenen Honigtau in den Boden und verursachten damit eine Abnahme der mikrobiellen Biomasse in der Streuschicht, während die δ15N-Signatur, die basale Atmung und die mikrobielle Biomasse im Boden erhöht wurden. Im Gegensatz dazu konnten mittels Cluster-Analyse der erstellten DGGE Profile keine deutlichen Unterschiede der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur in den untersuchten Mikrokosmen gezeigt werden. Im Gegensatz dazu beeinflusste die Nestbauaktivität und der Eintrag von organischen Substanzen in den Boden durch die Ameisen jedoch die Struktur der Bakteriengemeinschaften im Freiland. Die Cluster-Analyse der erhaltenen DGGE Profile zeigte Unterschiede in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft in Abhängigkeit vom Probenentnahmeort und der Ameisenaktivität. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sich die Struktur der Bakteriengemeinschaft in den Ameisennestern von der im Umgebungsboden unterschied.
Ein sekundäres Projekt dieser Arbeit war die Erfassung und der Vergleich der mikrobiellen Gemeinschaften in biologischen Bodenkrusten zweier unterschiedlicher Standorte in extrazonalen, trockenen Bergsteppen der nördlichen Mongolei. Die Studie zeigte deutliche Unterschiede in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur der beiden Standorte, welche sich im Grad der Störung unterschieden.