title: Impact of changes in environmental parameters (pH and elevated CO2) on soil microbial communities involved in N-cycling
title: Impact of changes in environmental parameters (pH and elevated CO2) on soil microbial communities involved in N-cycling
title: Einflüsse von Umweltveränderungen (pH und erhöhtes CO2) auf terrestrische mikrobielle Gemeinschaften aus dem Stickstoffkreislauf
Creators: name: Brenzinger, Kristof
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Kohlendioxid , Stickstofffixierung
N2O
CO2 , nitrogen cycle
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
denitrification
Stickstoff
Nitrifikation
pH
Distickstoffmonoxid , Denitrifikation

description: 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.
description: Microorganisms involved in the
      nitrogen (N)-cycle in soils are the major drivers of
      N-transformation changes and the main source of the potent
      greenhouse gas nitrous oxide (N2O) from soil, which has a
      global warming potential of 298 times that of carbon dioxide
      (CO2). Accordingly, it is of great interest to explore shifts
      in the rates, balances and reactions of the N-cycle impacted
      by climate changes, in order to offer more accurate
      predictions. Particularly, since increases in CO2
      concentrations or changes in the pH of agricultural fields
      due to anthropogenic influences often lead to changes in the
      N-transformation rates, along with an increase of N2O
      emissions. However, the N-cycle and its corresponding
      pathways are very complex and the response to different
      environmental changes is difficult to predict. Many of the
      interactions between microorganisms and their contribution to
      N-transformation rates as well as N2O emission are not well
      understood, controversially discussed and plenty of important
      interactions remain puzzling. Therefore, the main objective
      of this thesis was to shed light on the interaction of the
      overall and active microbial communities involved in the
      N-cycle in response to pH shifts or elevated atmospheric CO2
      concentrations in soils, two variables known to influence N2O
      fluxes from soils. In the first part we studied the influence
      of an acidic pH on a denitrifier community from an initial
      neutral pH. We followed the abundance and composition of an
      overall and active denitrifier community extracted from soil
      (pH = 7.1) when exposed to pH 5.4 and drifting back to pH
      6.6. When exposed to pH 5.4, the denitrifier community was
      able to actively grow, but only reduced N2O to N2 after a
      near neutral pH was reestablished by the alkalizing metabolic
      activity of an acid-tolerant part of the community. The
      genotypes proliferating under these conditions differed from
      those dominant at neutral pH. Denitrifiers of the nirS-type
      appeared to be severely suppressed by low pH whereas
      nirK-type and nosZ-containing denitrifiers showed strongly
      reduced transcriptional activity and growth, even after
      restoration of neutral pH. Our study suggests that low pH
      episodes alter transcriptionally active populations which
      shape denitrifier communities and determine their gas
      kinetics. The second part of this thesis analyses the effect
      of elevated CO2 (eCO2) on the N-cycle to reveal the
      underlying microbial mechanisms and process inside the
      N-cycle causing the enhanced emission of N2O. To gain a
      better understanding of the impact of eCO2 on soil microbial
      communities, we applied a molecular approach targeting
      several microbial groups involved in soil N-cycling
      (N-fixers, denitrifiers, archaeal and bacterial ammonia
      oxidizers, and dissimilatory nitrate reducers to ammonia) at
      the Gießen Free Air Carbon dioxide Enrichment (GiFACE) site.
      Remarkably, soil parameters, overall microbial community
      abundance and composition in the top soil under eCO2 differed
      only slightly from soil under ambient CO2. We concluded that
      +20% eCO2 had little to no effect on the overall microbial
      community involved in N-cycling. Based on these findings, in
      a third part we conducted a comprehensive study monitoring
      N-transformation rates, nutrient fluxes, and gaseous
      emission, while analyzing the dynamics in microbial
      communities involved in N-cycling under eCO2 accompanied with
      simultaneous addition of N-fertilizer. We could show that
      long-term fumigation with eCO2 influences the response of the
      soil microbial communities to N inputs via fertilization.
      Compared to aCO2 distinct parts of the community were
      transcriptionally activated. Here, nirS-type denitrifiers
      showed the greatest positive feedback to eCO2, which
      correlated with increasing N2O emissions. This stimulation
      may be an effect of higher labile C input in the rhizosphere
      by increased photosynthesis. However, the input of N by
      fertilization rather seems to exert short term effects on the
      expression of functional marker genes with consequences for
      N-transformations which do not translate into the development
      of distinct communities under eCO2 in the long-term. In
      conclusion this thesis provides evidence that already small
      changes in abundance and composition of the microbial
      community involved in N-cycling are sufficient to strongly
      influence emission of N2O from soil under changing
      environmental parameters such as pH and elevated CO2.