title: Solubilization of Phosphorus, Silicon, and Calcium and Abundance of Phosphorus-solubilizing Bacteria in Temperate Forest Soils
Creators: name: Pastore, Giovanni
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2022
Subjects: subject: hydroxyapatite
subject: goethite
subject: low-molecular-weight organic acids (LMWOAs)
subject: siderophores
subject: phosphorus solubilization
subject: microbial acidification
subject: silicate weathering
subject: carbonate rocks
subject: silicon solubilization
subject: phosphate-solubilizing bacteria (PSB)
subject: 500
subject: 550

description: Diese Dissertation befasst sich mit der Frage, wie Mikroorganismen in temperaten Waldböden die Solubilisierung von Phosphor (P), Silizium (Si) und Calcium (Ca) aus Mineralien und verwitterten Ausgangsmaterialien beeinflussen sowie in welchem Ausmaß die P-solubilisierenden Bakterien insgesamt zu den Solubilisierungsraten beitragen. Ungeachtet des zunehmenden Bewusstseins über die Rolle der Mikroorganismen in der Pflanzenernährung wurde das Potenzial mikrobieller Gemeinschaften, Phosphat aus Mineralphasen freizusetzen, bisher nicht im Detail untersucht. Darüber hinaus ist die Forschung zur Solubilisierung von silikathaltigen und kalkreichen Ausgangsmaterialien in Waldböden ziemlich lückenhaft, ungeachtet der Tatsache, dass die meisten Experimente mit kultivierten Mikroorganismen und unter Zugabe großer Mengen an organischen Säuren durchgeführt wurden. Insgesamt wurden für diese Arbeit zwei Bodentiefen im Mineralhorizont von sieben temperaten Laubwäldern ausgewählt, um zu bewerten, wie und in welchem Ausmaß die mikrobiellen Gemeinschaften aus unterschiedlichen Bodentiefen die P-Solubilisierung beeinflussen. Im ersten Inkubationsexperiment wurden die mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten von primären (Hydroxylapatit) und sekundären (P-beladener Goethit) P-Mineralien nach Zugabe von Glukose zu fünf sauren Bodenextrakten (unter P-reichen bis P-armen Bedingungen) ermittelt. Die Netto-P-Solubilisierungsraten konnten aus dem Anstieg der P-Konzentrationen in den Bodenextrakten abgeleitet werden, welche für 14 Tage mit Hydroxylapatit oder mit P-beladenem Goethit inkubiert wurden. Im zweiten und dritten Inkubationsexperiment erfolgte die Bestimmung der Netto-Solubilisierungsraten von Si und Ca aus vier silikathaltigen und zwei kalkreichen verwitterten Ausgangsmaterialien. Die Netto-Solubilisierungsraten von Si und Ca konnten aus der Differenz zwischen den am Ende und am Beginn des Experiments über 14 Tage gemessenen Mengen an Si und Ca berechnet werden. In allen Inkubationsexperimenten erfolgte eine Bestimmung der zeitlichen Änderungen des pH-Wertes sowie der Konzentrationen von vier verschiedenen organischen Säuren (Zitronensäure, Oxalsäure, 2-Keto-D-Gluconsäure und D-Gluconsäure) in den Bodenextrakten. Zusätzlich wurde auch Milchsäure (2-Hydroxypropansäure) in die Analyse der Bodenextrakte aus kalkreichen Ausgangsmaterialien miteinbezogen. Die Berechnung der Brutto-P-Solubilisierungsraten erfolgte für vier saure und zwei alkalische Waldböden, welche sich aus silikathaltigen bzw. kalkreichen Ausgangsmaterialien entwickelten. Darüber hinaus erfolgte die Bestimmung der Abundanz und taxonomische Diversität der P-solubilisierenden Bakterien für die sauren und alkalischen Böden mittels eines physiologischen Assays in Kombination mit der 16S rRNA-Gensequenzierung. Die mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten in den Bodenextrakten waren bei Inkubation mit Hydroxylapatit höher als bei Inkubation mit P-beladenem Goethit, mit Ausnahme eines Falles. Das Verhältnis zwischen dem pH-Wert der Bodenextrakte und den mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten war negativ für die Inkubationen mit Hydroxylapatit sowie positiv für die Inkubationen mit P-beladenem Goethit und abhängig von der unterschiedlichen Freisetzung von Protonen und organischen Säuren durch die Mikroorganismen. Bei der Inkubation mit P-beladenem Goethit regulierten die Mikroorganismen vermutlich die Produktion von organischen Säuren herunter, um einer Versauerung der Bodenextrakte und einer damit einhergehenden starken Sorption von Phosphationen vorzubeugen. Zusätzlich fiel die Produktion von Monocarbonsäuren signifikant mit einer hohen P-Freisetzung aus Hydroxylapatit zusammen. Insgesamt nahmen die mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten von primären und sekundären P-Mineralien mit der Zugabe von Glukose zu. Bei Inkubation der Bodenextrakte mit verwitterten silikathaltigen und kalkreichen Ausgangsmaterialien wurden keine Netto-P-Solubilisierungsraten aufgrund einer mikrobiellen P-Immobilisierung gefunden. Jedoch konnten anhand der Netto-Solubilisierungsraten von Si und Ca die Brutto-P-Solubilisierungsraten, basierend auf den stöchiometrischen Verhältnissen dieser drei Elemente in den Ausgangsmaterialien, nachträglich berechnet werden. Die mikrobiellen Brutto-P-Solubilisierungsraten waren in den Bodenextrakten, inkubiert mit kalkreichen Ausgangsmaterialien, signifikant höher als in den Inkubationen mit silikathaltigen Ausgangsmaterialien (im Durchschnitt +61%). Diese höheren Brutto-P-Solubilisierungsraten in den Bodenextrakten nach Inkubation mit kalkreichen Ausgangsmaterialien resultierten aus einer insgesamt höheren mikrobiellen Aktivität, welche durch die Menge an organischen Säuren (bis zu 4,5-mal höher) und der mikrobiellen Biomasse (bis zu 19,1-mal höher) nahegelegt wurde. Dieser Trend war insbesondere in der oberen Bodentiefe der kalkhaltigen Böden zu beobachten. Die Abundanzen an P-solubilisierenden Bakterien waren in kalkreichen Böden signifikant höher als in silikathaltigen Böden (im Durchschnitt +46.6%). Ebenso zeigte die Analyse der Daten mittels nicht-metrischer multidimensionaler Skalierung, dass sich die P-solubilisierenden Bakterien in kalkhaltigen Böden signifikant von denen in silikathaltigen Böden unterschieden. Die Ordnungen Bacillales und Burkholderiales dominierten auf den silikathaltigen Standorten, während Pseudomonadales und in viel geringerem Maße Enterobacteriales die dominanten Ordnungen auf den kalkreichen Standorten repräsentierten. Zusammenfassend betrachtet kamen P-solubilisierende Bakterien in P-armen Böden häufiger vor als in P-reichen Böden, wobei die Solubilisierungsraten von P, Si und Ca durch die Mineralchemie der Ausgangsgesteine beeinflusst wurden. In zukünftigen Studien mag „versucht“ werden, dass Ausmaß der P-Freisetzung aus verwitterten Ausgangsmaterialien auch über die Netto-Solubilisierung des Hauptbestandteils des Ausgangsmaterials, mit Beachtung des stöchiometrischen Verhältnisses dieses Elements zu P, zu bestimmen. Diese Herangehensweise erscheint insbesondere bedeutsam in Anbetracht dessen, dass die spezifischen Freisetzungsraten von P in den meisten natürlichen Systemen extrem schwierig zu messen sind. Des Weiteren ist nicht nur mehr Forschung zur Netto-P-Solubilisierung in Nadel- und mediterranen Waldböden notwendig, auch die Netto-P-Solubilisierung, angetrieben durch die Pilzgemeinschaften in Waldböden, erfordert weitere Untersuchungen.