Impact of saltwater intrusion on paddy soil microbial communities

Der Reisanbau in Feuchtgebieten ist weltweit einer erheblichen Bedrohung durch Bodenversalzung ausgesetzt, die durch das Eindringen von Salzwasser aufgrund des steigenden Meeresspiegels in Küstengebieten verursacht wird. Die hohen Salzkonzentrationen im Boden stellen eine ernsthafte Gefahr für die Lebensfähigkeit von Ackerflächen dar, da die meisten Nutzpflanzen solche Bedingungen nicht vertragen. Trotz zahlreicher Studien zum Wachstum und Ertrag von Reis unter salzhaltigen Bedingungen ist wenig darüber bekannt, wie sich der Salzgehalt des Bodens auf die mikrobiellen Gemeinschaften, ihre Zusammensetzung und Funktionen im Reisfeldboden auswirkt. Aufgrund der Verwendung von Reisstroh als organischem Dünger ist der Reisanbau weltweit eine der Hauptquellen für Methanemissionen. Diese Quelle macht etwa 10 % des weltweiten Methanhaushalts aus. Die mikrobiellen Gemeinschaften im Reisboden können Reisstroh in Abwesenheit von Sauerstoff effektiv abbauen, wobei der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Abbau von Biopolymeren ist. Das Eindringen von Meerwasser führt zu einer verringerten Kohlenstoffverfügbarkeit und einer erhöhten Widerspenstigkeit organischer Stoffe, was zu einer verringerten CO2- und CH4-Produktion im Boden und einer geringeren Enzymaktivität führt, die an der Hydrolyse von Zellulose und der Oxidation von Lignin beteiligt ist. Das Ziel meiner Abschlussarbeit besteht darin, (i) zu untersuchen, wie sich der mittlere Salzgehalt auf die Struktur und Funktion von Methanogenen, Sulfatreduzierern und Bakteriengemeinschaften in Reisböden unter anoxischen Bedingungen auswirkt, und (ii) die langfristigen Auswirkungen von NaCl- und Meersalzbehandlungen auf mikrobielle Gemeinschaften zu bewerten. Zu Beginn wurde eine Mikrokosmos-Aufschlämmung mit 40 g philippinischer Reiserde, 35 ml destilliertem Wasser und 0,5 g Reisstroh hergestellt. Die Mikrokosmos enthaltenden Flaschen wurden als Vorinkubation sieben Tage lang bei 30 °C inkubiert. Am siebten Tag (Woche = 0) wurden einige Mikrokosmen mit NaCl und Seaalt bei 150 mM behandelt und dann bis zur sechsten Woche inkubiert. Während des Experiments haben wir die Konzentrationen von Gasen und Fettsäuren gemessen und außerdem die Kopienzahlen von drei Markergenen (16S rRNA, dsrB und mcrA) und deren Transkripte ausgewertet. Später wurde eine Taxonomiezuordnung auf verschiedenen Ebenen durchgeführt. Die NaCl- und Meersalzbehandlungen bei 150 mM hatten einen erheblichen Einfluss auf die Produktion von CH4 und CO2. Insbesondere war die Konzentration dieser Gase in der Gruppe, die die Meersalzbehandlung erhielt, im Vergleich zur Kontrollgruppe und zur mit NaCl behandelten Gruppe erheblich verringert. Die H2S-Gaskonzentration in den drei Gruppen war in der mit Meersalz behandelten Gruppe erhöht, in der Kontrollgruppe und in der mit NaCl behandelten Gruppe jedoch niedriger. Es wurde beobachtet, dass die Verarbeitung der Fettsäurenverdauung (nämlich Acetat, Butyrat und Propionat) sowohl in der mit NaCl als auch mit Meersalz behandelten Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe langsamer war. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die NaCl-Behandlung die Verdauung von Propionat und Butyrat stärker behinderte als die Meersalzbehandlung. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass die Verdauung von Acetat in der mit Meersalz behandelten Gruppe stärker behindert war als in der mit NaCl behandelten Gruppe. Die Anwendung der beiden Salzbehandlungen hatte einen erkennbaren Einfluss auf die Gene und Transkriptkopien von Bakterien, Methanogenen und sulfatreduzierenden Bakterien, wie die RT-qPCR- und qPCR-Assays zeigten, die mit den drei Primersätzen (nämlich 16S rRNA, mcrA und dsrB) durchgeführt wurden. Mit Ausnahme der dsrB-Gen- und Transkript-Assays zeigten die mit Meersalz behandelten Gruppen im Vergleich zu den beiden anderen Gruppen weniger Kopien. Bei der Analyse des 16S-rRNA-Gens auf Stammebene wurde festgestellt, dass die behandelten Gruppen im Vergleich zur Kontrollgruppe eine höhere relative Häufigkeit von Firmicutes aufwiesen. Darüber hinaus führte die Umsetzung sowohl der NaCl- als auch der Meersalzbehandlung zu einer Eskalation der relativen Häufigkeit von Actinobakterien und Chloroflexi auf der Stammebene des 16S-rRNA-Transkripts. Umgekehrt führte der Einsatz der beiden Salzbehandlungen zu einem Rückgang der relativen Häufigkeit von Proteobakterien während des gesamten Versuchsverlaufs. Im dsrB-Gen auf Phylum-Ebene zeigten die beiden Behandlungen einen deutlichen Anstieg der relativen Häufigkeit von Firmicutes in der ersten und zweiten Woche. In ähnlicher Weise führte die Anwendung von NaCl- und Meersalzbehandlungen zu einer Zunahme der Häufigkeit von Methanosarcinales auf der Ordnungsebene des mcrA-Gens. Unter Verwendung von mcrA-Transkripten auf Ordnungsebene zeigte die Analyse einen Anstieg von Methanomassiliicoccales und Methanosarcinales sowohl in der mit NaCl als auch mit Meersalz behandelten Gruppe, während Methanocellales während des gesamten Experiments einen Rückgang zeigte. Die vorliegende Studie untersuchte die Auswirkungen der Salzbehandlung auf die Funktions- und Wachstumseigenschaften der mikrobiellen Gemeinschaften im philippinischen Reisboden, einschließlich Bakterien und Methanogenen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Behandlungen die Stoffwechselfunktionen der mikrobiellen Gemeinschaften störten, was durch die verzögerte biologische Verarbeitung der Fettsäureverdauung wie Acetat, Propionat und Butyrat belegt wurde, und dass sie auch die Methan- und Kohlendioxidkonzentrationen verringerten. Darüber hinaus beobachteten wir, dass mittlere Salzgehalte (150 mM; NaCl und Meersalz) einen Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur im anoxischen Zustand hatten. Insbesondere führten die Behandlungen im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe zu einer höheren Diversität mikrobieller Taxa auf der Ebene des 16S-rRNA-Gens, des Transkripts und des mcrA-Gens. Umgekehrt waren die dsrB-Gen- und Transkriptspiegel nach der Behandlung mit mittlerem Salzgehalt reduziert. Bemerkenswert ist, dass wir in der mit Meersalz behandelten Gruppe einen Anstieg der H2S-Gaskonzentration beobachteten, der sich im dsrB-Genexpressionsniveau widerspiegelte und zu einer Sulfatreduktion führte. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Salzgehalts als Schlüsselfaktor für die Gestaltung der Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft. Die beobachtete Störung der Stoffwechselfunktionen verdeutlicht die möglichen Auswirkungen des Eindringens von Salzwasser aufgrund des Anstiegs des Meeresspiegels oder von Gezeitenänderungen auf die mikrobielle Gemeinschaft im Boden, was wiederum erhebliche Auswirkungen auf die Funktion und Produktivität des Ökosystems haben kann, indem es biogeochemische Kreisläufe verändert.