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dc.contributor.advisor Pausch, Johanna, Dr.
dc.contributor.author Löppmann, Sebastian
dc.date.accessioned 2017-01-20T09:38:14Z
dc.date.available 2017-01-20T09:38:14Z
dc.date.issued 2017-01-20
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002B-7D1D-E
dc.description.abstract Biota des Kohlenstoffkreislaufs spielen bei der Speicherung und Verteilung des Kohlen-stoffs im Bodennahrungsnetz eine herausragende Rolle. Wobei der Abbau organischer Bodensubstanz stark von deren Verfügbarkeit für Mikroorganismen und Enzyme abhängt. Rhizosphäre und Detritusphäre verfügen über außerordentlich große Mengen an organischem Kohlenstoff. Dies macht diese Biosphären zu Hot-Spots mikrobieller Aktivität. Während der letzten Jahrzehnte stieg das Interesse an der Forschung zu mikrobieller Aktivität im Boden. Dennoch herrscht noch immer kein umfassendes Verständinis von Indikatoren und Triebkräften mikrobieller Aktivität in der Rhizosphäre und Detritusphäre. Dies ist nicht zuletzt der Tatsache geschuldet, dass es mehr als einer einzigen Methode zur Bestimmung dieser Faktoren bedarf. Aus diesem Grund setzt sich diese Arbeit zum Ziel, die mikrobielle Aktivität, ihre Indikatoren und Treiber zu explorieren. Folglich wurden diverse Indikatoren mikrobieller Aktivität, wie mikrobielle Respiration, mikrobielle Biomasse und Enzymkinetik, an Proben aus einem Feldexperiment mit diffe-rierendem Substrat-Eintrag (Mais-Rhizodeposite vs. Mais-Streu) ermittelt. Tiefengradienten der Indikatoren mikrobieller Aktivität dienten der Beurteilung der Auswirkungen sinkender Substratqualität und -quantität in Rhizo- und Detritusphäre mit zunehmender Bodentiefe. Besonderer Fokus lag dabei auf den Indizes unterschiedlicher Enzyme und deren Aktivität (z. B. spezifische Aktivität, katalytische Effizienz und Verhältnisse zwischen Enzymen des Kohlenstoff- und Stickstoff-Kreislaufs) im Tiefenprofil des Bodens. Neben dieser Feldstudie wurde das Verhältinis von RNA zu dsDNA als Indikator mikrobieller Aktivität entlang eines klimatischen Grandienten ermittelt, um den metabolischen Status innerhalb unterschiedlicher Bodentypen zu bestimmen. Die Feldstudien wurden um Experimente in Labor und Gewächshaus ergänzt, in denen mittels Isoto-penmarkierungsverfahren die Effekte von Wurzelhaaren und Protisten auf die mikrobielle Aktivität beleuchtet wurden. Diese Methode ermöglichte ein Nachvollziehen des C- und N-Flusses und trug damit zum Verständnis der Verflechtungen der Organismen im terrestrischen Boden-Nahrungsnetz bei. Die räumliche Verteilung der Enzymaktivität in der Rhizosphäre wurde anhand der Boden-Zymographie in situ untersucht. Durch unterschiedliche Substratverfügbarkeit wurde ein Wandel der funktionellen Eigenschaften der Mikroorganismengemeinschaften und des enzymatischen Systems induziert. Speziell der durchwurzelte Oberbodenhorizont zeigte einen Anstieg der mikro-biellen Aktivität im Vergleich zum Boden mit Streueintrag und der Kontrolle. Rhizodeposite sind eine grundlegende Kohlenstoff- und Energiequelle für Bodenmikroorganismen und stimulieren deren Wachstum und Aktivität. Die Präsenz von Rhizodepositen in Hot-Spots macht diese zu bevorzugten Habitaten für Mikroorganismen. Die Mehrzahl der Indikatoren für mikrobielle Aktivität wurde ausschließlich im Oberboden durch den Substrateintrag beeinflusst. Darunter auch die katalytische Effizienz, die – ungeachtet des Substrateintrags – von Oberboden (< 40 cm) zu Unterboden (> 40 cm) um das 2- bis 20-fache abnahm. Dies ließ auf die Relevanz der mit der Tiefe abnehmenden Menge und Qualität der Substrate im Boden als einflussnehmenden Faktor auf die mikrobielle Aktivität schließen. Das Verhältnis von RNA zu dsDNA spiegelte den metabolischen Status der mikrobiellen Organismengesellschaften in den meisten der beprobten Böden wider. Wohingegen das RNA:dsDNA Verhältnis dieser Indikatoreigenschaft widersprach, lagen erhöhte Tongehalte vor, die nach der Extraktion zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der RNA-Quantität führten. Protozoen wird beim Vorgang des Kohlenstoffflusses von Bakterien zu Organismen höherer Trophieebenen eine bedeutende Rolle zugesprochen, was ebenfalls ihren Einfluss auf die mikrobielle Aktivität im Boden unterstreicht. Um diesen Effekten, im Speziellen jenen der Acanthoamoebe auf den Kohlenstoff- und Stickstofffluss, sowie die Indikatoren mikrobieller Aktivität in der Rhizo- und Detritusphäre nachzugehen, wurde ein dreifaches Isotopenmarkierungs-Experiment durchgeführt. Es ergab, dass Kohlenstoffflüsse und Enzymaktivitäten sowohl von Substrateintrag als auch Substratqualität in Rhizo- wie Detritusphäre sowie deren faunistischer Besiedlung abhängen. Daraus erschloss sich, dass die Besiedlung mit Acanthamoeben als potenzielle Triebkraft mikrobieller Aktivität, besonders innerhalb der Rhizosphäre, gedeutet werden kann. Um den Einfluss von Wurzelhaaren auf die mikrobielle Aktivität und den Priming Effekt in der Rhizosphäre einzuschätzen, wurde ein Experiment im Gewächshaus mit kontinuierlicher Markierung von Boden mit Pflanzenbewuchs und einer Kontrolle ohne Bewuchs mit 13C-Isotopen durchgeführt. Wurzelhaare zeigten sich darin als Initiatoren eines positiven Rhizosphären-Priming Effektes während der Wachstumsphase, wohingegen der Abbau organischer Bodensubstanz in den Kontrollen gehemmt war. Im Falle der positiven Initialwirkung der Wurzelhaare stiegen zudem die Enzymaktivitäten von Chitinase und ß-Xylosidase an, was auf eine Zersetzung stabiler, organischer Bodensubstanz hinwies. Damit konnte ein deutlicher Effekt von Wurzelhaaren auf die mikrobielle Aktivität im Boden während der Phase des Pflanzenwachtums nachgewiesen werden. Somit vermittelt diese Arbeit ein weiterführendes Verständnis der auf mikrobielle Aktivität im Boden einwirkenden Faktoren und stellt eine Auswahl von Indikatoren zur Charakterisierung dieser Aktivität vor, die sowohl auf der Landschaftsebene als auch in der prozessorientierten Forschung im Wurzelraum Anwendung finden kann. de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc 570 de
dc.title Microbial Activity ̶ Indicators & Drivers de
dc.type doctoralThesis de
dc.contributor.referee Kuzyakov, Yakov Prof. Dr.
dc.date.examination 2016-06-27
dc.description.abstracteng Biota involved in the carbon (C) cycle play a vital role in C sequestration and allocation in the soil food web. Though, the decomposition of soil organics strongly depends on the availability of soil organic matter (SOM) to microorganisms and enzymes. As rhizo-sphere and detritusphere are biospheres with very high availability of C, leading to high abundance, species diversity and contrasting functions of microbial communities, they are worth to be called hot spots of microbial functioning. During the last decades, the interest on research on microbial activity in soil increased. However, there is a lack of comprehensive understanding of the indicators and drivers of microbial activity in rhizosphere and detritusphere. This is especially due to the objective necessity for more than a single measure to determine these factors. For that reason, this thesis aims to investigate microbial activity, its indicators and its drivers. An arable field experiment with different substrate input (corn rhizodeposits vs. corn litter) was conducted to determine microbial activity by various activity indicators, such as microbial respiration, microbial biomass and enzyme kinetics. To account for decreasing amount and quality of substrates in rhizosphere and detritusphere with soil depth, we exhibited depth gradients of microbial activity indicators. Special attention was paid to several indices of multiple enzymes and their activity (e.g. specific activity, catalytic efficiency and ratios between C- and N-cycling enzymes) down the soil profile. Not only in the field, but also along a climatic gradient we investigated microbial activity. Therefore, the RNA:dsDNA ratio was determined in order to identify the metabolic status of microbes in contrasting soil types. Alongside with the major field and climatic gradient experiment laboratory and greenhouse studies were performed. These addressed the drivers, such as root hairs and protozoan predation, which were identified by isotopic labelling approaches and several indicators of microbial activity. Isotope technologies facilitate the tracing of e.g. C- and N-fluxes to achieve their central pur-pose of understanding the linkages of biota in terrestrial soil food webs. Soil zymography was used to exhibit the spatial distribution of enzyme activity in the rhizosphere in situ. Substrates with contrasting availability changed functional properties of the soil microbial community and induced a shift in enzymatic systems. In particular, the rooted surface layer showed increased microbial activity compared to litter-amended and bare fallow soil. Rhizodeposits are an important primary source of C and energy for soil microorganisms, stimulating their growth and activity. Accounted by the availability of rhizodeposits, hot spots in the surface layer provided preferable habitats for microbes. Most microbial indicators were affected by the substrate input only in the topsoil. Microbial indicators included the catalytic efficiency of enzymes, which decreased by 2- to 20-fold from top- (< 40 cm) to subsoil (> 40 cm), irrespective of the substrate input. This suggests that the limited amount and quality of substrates at depth is an important constraint on microbial activity. The RNA:dsDNA ratios towards the indication of the metabolic status of soil microbial communities was subjected to biased RNA quantity due to high clay contents in Chernozems, whereas at intermediate and low clay contents the RNA reflected reliable results. Protozoa are assumed to be key-players in the C flux from bacteria to higher trophic levels, thereby affecting soil microbial activity. A triple-labelling experiment was conducted to investigate the effects of grazing by Acanthamoeba on C and N fluxes and microbial activity indicators in the rhizosphere and detritusphere. C fluxes and enzyme activities were driven by substrate input and quality and further stimulated by faunal grazing. This revealed that Acanthamoeba grazing contributes to microbial stimulation, especially in the rhizosphere. To assess the influence of root hairs on microbial activity and rhizosphere priming, a continuous 13C labelling experiment was conducted in a greenhouse. Root hairs induced positive priming during tillering. Without root hairs SOM decomposition was sup-pressed. Chitinase and ß-xylosidase activities increased during positive priming, indicat-ing decomposition of stable SOM. This clearly showed the strong influence of root hairs on microbial activity during the early stages of plant growth, whereas at later stages the root hairs were a less important driver of microbial activity. In summary, this thesis extends the understanding of factors affecting microbial activity in soil. It demonstrates that microbial activity can be meaningfully characterized by a careful selection of indicators. The chosen set of indicator is applicable at the landscape scale as well as for process-based investigations at the root scale. de
dc.contributor.coReferee Flessa, Heiner Prof. Dr.
dc.subject.eng microorganisms de
dc.subject.eng soil
dc.subject.eng enzymes
dc.subject.eng respiration
dc.subject.eng isotope tracing
dc.subject.eng zymography
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002B-7D1D-E-4
dc.affiliation.institute Biologische Fakultät für Biologie und Psychologie de
dc.subject.gokfull Biologie (PPN619462639) de
dc.identifier.ppn 877569339

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