Methane Turnover in Desert Soils

Table of Contents: Wüsten bedecken circa ein Drittel der Erdoberfläche. Trotz dieser Ausmaße ist ihre Ökologie – insbesondere ihre mikrobielle Ökologie – weit weniger erforscht als die Ökologie feuchter Gebiete. Einige Studien deuten an, dass Wüstenböden an der Produktion und dem Verbrauch von Methan – einem wichtigen Treibhausgas – beteiligt sein konnen. Mikroorganismen sind verantwortlich für den Umsatz atmosphärischer Gase. Methan stellt hierbei keine Ausnahme dar. Es wird sowohl von Mikroben produziert, als auch umgesetzt. Trotz umfangreicher Forschung sind grundlegende Untersuchungen der Methanumsetzung in ariden Gebieten und den aktiv beteiligten Organismen bisher ausgeblieben. Diese Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit biogeographischen Verteilungsmustern mikrobieller Bodengemeinschaften entlang eines ansteigenden Niederschlagsradientens in Israel (100 bis über 900 mm Niederschlag yr-1). Es konnte gezeigt werden, dass sich die Zusammensetzung von Bakterien- und Archeengemeinschaften nicht kontinuierlich über den Gradienten ändert, sondern sich eher in drei Gruppen zusammenfassen lässt, welche als arid, semi-arid und mediterran definiert wurden. Diese drei Kategorieren demonstrieren einen qualitativen Unterschied in der Mikrobiologie arider Böden im Vergleich zu feuchten Regionen. Im zweiten Teil zeigen wir, dass ursprüngliche aride Böden der Negev Wüste in Israel eine Senke für atmosphärisches Methan darstellen, während anthropogen beeinflusste, ebenso wie ursprüngliche hyper-aride Böden dies nicht zu sein scheinen. Die methanotrophe Aktivität wurde in einer schmalen Schicht in ca. 20 cm Bodentiefe gefunden. Interessanterweise zeigte die Oberflächenkruste, welche die typischerweise die aktivste Schicht im Wüstenboden darstellt, keine Methanaufnahme und methanotrophe Bakterien konnten in dieser Schicht nicht nachgewiesen werden. Transkripte des pmoA Gens, welches eine Untereinheit des Schlüsselenzyms der Methanoxidation kodiert, wurden in den aktiven Bodenschichten detektiert und die phylogenetische Analyse zeigte eine Zugehörigkeit zu den zwei Umweltclustern USCg und JR3. Die Korrelation von relativen Sequenzhäufigkeiten mit Methanoxidationsraten deutet darauf hin, dass bislang unkultivierte Bakterien des Clusters JR3 die dominant aktiven Methanoxidierer in diesem ariden System sind. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Methanogenese in upland soils (gut durchlüftete Böden) mit dem Fokus auf trockene Böden. Anknüpfend an frühere Arbeiten zeigen wir, dass viele upland soils, global verteilt, ein methanogenes Potential besitzen, wenn sie anoxisch inkubiert werden, auch wenn sie in unter natürlichen Bedingungen überwiegend gut durchlüftet vorkommen. Nur zwei aktive methanogene Archeen wurden detektiert – Methanosarcina und Methanocella – die in upland soils allgemein verbreitet zu sein scheinen. Unter den getesteten Bedingungen stellte die acetoclastische Methanogenese – katalysiert von Methanosarcina - den dominanten methanogenen Stoffwechselweg dar und Zellzahlen korrelierten gut mit der Methanproduktionsrate. Zuletzt zeigen wir, dass die Metanogenese in ariden Böden in der Oberflächenkruste stattfindet und tiefere Schichten kaum oder nur wenig metanogenes Potential aufweisen. Selbst bei Inkubation der Oberflächenkruste in Anwesenheit von Sauerstoff zeigten die Methanogenen noch Wachstum und Methan wurde produziert, wenn auch in vergleichsweise niedrigen Raten. Beide nachgewiesenen methanogenen Arten besitzen Katalase-Aktivität, was zumindest zum Teil ein Überleben in sauerstoffreicher Umgebung erklären könnte. Unter diesen Bedingungen dominierte Methanocella als methanogene Art und das Meiste Methan wurde über H2/CO2 produziert. Dies weist auf eine Nischendifferenzierung zwischen den beiden Methanogenen hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen annehmen, dass ursprüngliche aride Böden unter trockenen Bedingungen Senken für atmosphärisches Methan darstellen, jedoch könnten Regenfälle diese Senken in Methanquellen verwandeln.