Impact of changes in environmental parameters (pH and elevated CO2) on soil microbial communities involved in N-cycling

Die hauptsächliche Quelle des Treibhausgases Distickstoffmonoxid (N2O) sind in Böden vorkommende Mikroorganismen, die an der Umsetzung von Stickstoffverbindungen und damit am Stickstoffkreislauf beteiligt sind. N2O hat im Vergleich zu CO2 ein 298-fach erhöhtes Treibhauspotential. Aus diesem Grund ist die Erforschung der durch die Klimaerwärmung veränderten Reaktionsraten und –gleichgewichte des Stickstoffkreislaufs essentiell um akkuratere Vorhersagen bestimmen zu können. Insbesondere der anthropologisch begründete Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre, sowie pH Veränderungen durch landwirtschaftlich genutzte Flächen, beeinflussen die Stickstoffumsetzung in Böden und resultieren in erhöhten N2O Emissionen. Die Komplexität des Stickstoffkreislaufs erlaubt jedoch nur ungenaue Prognosen darüber, wie sich einzelne Umwelteinflüsse auf ihn niederschlagen. So sind beispielsweise die Interaktionen und Beiträge einzelner Mikroorganismen zu Stickstoffumsatz und N2O Emission kaum bekannt oder werden kontrovers diskutiert. Aus diesen Gründen ist das hauptsächliche Ziel dieser Arbeit die Reaktion der gesamten und transkriptionell aktiven Mikroorganismengemeinschaft, die am Stickstoffkreislauf beteiligt ist, auf pH Veränderungen und höhere CO2 Partialdrücke zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss einer Ansäurung auf eine denitrifizierende Gemeinschaft untersucht. Dabei wurde sowohl die Abundanz als auch die Zusammensetzung der gesamten und aktiven denitrifizierenden Gemeinschaft eines neutralen Bodens (pH = 7,1) während einer Veränderung des pH zu 5,4, gefolgt von einer graduellen Verschiebung zu pH 6,6, analysiert. Auch bei pH 5,4 war ein Wachstum der denitrifizierenden Gemeinschaft zu verzeichnen, allerdings wurde N2O erst vollständig zu N2 reduziert, nachdem ein nahezu neutraler pH, erreicht wurde. Diese pH Verschiebung lässt sich vermutlich auf alkalisierende metabolische Prozesse einer säuretoleranten Population zurückführen. Die unter diesen Bedingungen identifizierten wachsenden Genotypen unterschieden sich von denen in neutralen pH Bereichen gefundenen. Dabei waren Denitrifizierer des nirS-Typs stärker von niedrigen pH Werten beeinträchtigt, als die des nirK- und nosZ-Typs, die zumindest niedrige Wachstums- und Transkriptionsraten zeigten, auch nachdem der pH wieder einen fast neutralen Wert eingenommen hatte. Die vorliegende Studie impliziert, dass niedrige pH Werte die transkriptionell aktive Population nachhaltig verändert, wodurch sich die gesamte Gemeinschaftsstruktur und deren Gaskinetiken ändert. Der zweite Teil dieser Thesis beschäftigt sich mit dem Einfluss eines erhöhten CO2 Partialdrucks (eCO2) auf den Stickstoffkreislauf und die übergeordneten mikrobiologischen Mechanismen und Prozesse, die in einer erhöhten N2O Emission resultieren. Um diesen Einfluss besser zu verstehen, wurde verschiedene mikrooganismische Gruppen des Stickstoffkreislaufs (Stickstofffixierer, Denitrifizierer, archeale und bakterielle Ammoniumoxidierer und dissimilatorische Nitratreduzierer) der Gießen Free Air Carbon dioxide Enrichment (GiFACE) Anlage gezielt untersucht. Erstaunlicherweise unterschieden sich die Bodenparameter, sowie die Abundanz und Zusammensetzung der gesamten Mikroorganismengemeinschaft der mit CO2 begasten Böden kaum von denen ohne spezielle Begasung. Daraus ist zu schließen, dass +20% eCO2 keinen oder nur einen geringen Effekt auf die am Stickstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen hat. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde im dritten Teil dieser Arbeit eine umfassende Studie der Stickstoffumsätze, Nährstoffkreisläufe sowie Gasemissionen kombiniert mit der Analyse der Dynamik innerhalb der Mikroorganismengemeinschaft unter eCO2 Bedingungen und während der Zugabe von Stickstoffdüngern durchgeführt. Wir konnten zeigen, dass die langfristige Begasung mit eCO2, die Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaften während des Eintrags von N durch Düngung beeinflusst. Im Vergleich zu aCO2 wurden verschiedene Teile der Gemeinschaft transkriptionell angeregt. Dabei zeigten nirS-Typ Denitrifizierer die größte positive Resonanz zu eCO2, die mit der zunehmenden N2O-Emission korreliert. Diese Beeinflussung könnte auf einen erhöhten Eintrag von Kohlenstoffverbindungen durch die Rhizosphäre, ermöglicht durch eine erhöhte Photosyntheseleistung der Pflanzenbiomasse bei eCO2, beruhen. Allerdings scheint der Eintrag von N durch Düngung nur kurzfristige Auswirkungen auf die Expression von funktionellen Marker-Genen auszuüben. Dies führt zu Veränderung in der N-Transformation, welche sich langfristig allerdings nicht in der Entwicklung von verschiedenen Gemeinschaften unter eCO2 wiederspiegeln. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass bereits kleine Änderungen in der Abundanz und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft aus dem Stickstoffkreislauf ausreichen, um einen starken Einfluss auf die Emission von N2O aus Böden unter wechselnden Umgebungsparameter wie pH-Wert und erhöhtem CO2 auszuüben.