Methane Turnover in Desert Soils
Deserts cover about a third of the land surface on Earth. However, despite their size, their ecology – and particularly their microbial ecology – is far less understood than the ecology of more humid regions. Previous studies have indicated that desert soils might be involved in the production a...
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Format: | Doctoral Thesis |
Language: | English |
Published: |
Philipps-Universität Marburg
2010
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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.