Microorganisms are the key drivers of most processes in soil. Therefore, factors regulating microbial composition, functions and activities are hot topics in soil science. Focusing on forest ecosystems, this PhD aimed to evaluate: i) abiotic (temperature and precipitation) and biotic (trees species identity) factors regulating the composition of microbial communities in forest soils, ii) the effects of forest biodiversity on microbial decomposition of organic polymeric compounds of plant litter and iii) the effects of intrinsic properties of common low molecular weight organic substances (LMWOS) on their microbial uptake and subsequent metabolization by soil microorganisms.
It was found that abiotic factors affect soil microbial community structure in forests indirectly, mainly via modification of environmental conditions (soil pH, carbon (C) and nitrogen (N) contents) and plant productivity, which was studied for the old deciduous ecosystems along a climosequence gradient of Mt. Kilimanjaro. Effects of biotic factors on microbial communities was checked for the young (10-year-old) monoculture forest in comparison with forests from mixed species with contrasting functional traits (i.e. early primary (birch and alder) vs. late successional species (beech and oak), and N-fixing (alder) vs. non-N- fixing (birch, beech and oak)) to reveal direct impact of litter quality changes, before strong modification of edaphic factors occurs.
Afforestation had stronger effects on the development of fungal (increased by 50-200% based on the biomarker analysis) than of bacterial communities (increased by 20-120%). These effects were proved for all forests, but were more pronounced under the monocultures compared to mixtures.
Consequently, species identity has stronger effects than diversity on the formation of microbial community structure in soil.
Enzyme systems, responsible for decomposition of plant litter, reacted differently to afforestation with species having contrasting functional traits, even for the enzymes responsible for one element (C or N). The maximum activities of β-N-acetylglucosaminidase, β-xylosidase and acid phosphatase were found for the sites, where early primary species (birch) developed simultaneously with late successional species (beech and oak), showing synergistic effects. In contrast, development of beech in monoculture strongly suppressed enzyme activities. The effects of forest biodiversity on element dynamics in soil were proven by N functional genes abundance and N cycling rates (gross and net nitrification and ammonification). N functional genes abundance is less sensitive parameter to reveal significant effects of forest biodiversity on N cycling at the early stage of afforestation compared to direct measurement of N cycling rates, and both parameters
Thesis summary
should be accounted. Forest composition affects microbial utilization of common LMWOS, but there is a knowledge gap regarding i) an appropriate review on the composition, content of fate of sugars in the soils, which are the main C and energy source of microorganisms and ii) effects of intrinsic properties of LMWOS (C oxidation state, molecular weight, number of C atoms) on their utilization by microorganisms. For the first question, a literature review has revealed that sugars are subjected to intensive recycling in soil: 80% of all sugars are recycled microbial compounds and only 20% are originated from plant biomass. For the second question, substances with C oxidation states varying from '0' (glucose, fructose and alanine) to '+0.5' (succinic acid), '+1' (glycine and malic acid) and '+2' (formic acid) were studied. The C oxidation state of LMWOS correlated significantly with their half-life (T½) in soil solution, with more oxidized substances (formic acid) being utilized by microorganisms six times faster than less oxidized substances (sugars). In contrast, LMWOS-C oxidation state had no effect on the T½ of C incorporated into microbial biomass due to cell metabolites produced from the initial LMWOS. The portion of mineralized LMWOS increased with their C oxidation state, being 4.5 times higher for formic acid compare to sugars, and corresponded to the decrease of C incorporated into microbial biomass and soil organic matter pools.
In conclusion, biotic factors such as tree species should be accounted when studying microbial community composition in forest soils. However, abiotic factors play a secondary role and are strongly mediated by biotic controls. To quantify the role of microbial functions for the decomposition of litter-derived organic compounds biochemical (enzyme activities) and molecular methods (e.g. functional gene abundance), as well as direct measurements of process rates (e.g.
decomposition nitrification or ammonification rates), should be performed in combination and related to the molecular properties (e.g. C oxidation state) of the microbially utilized substances.
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Zusammenfassung
Mikroorganismen spielen die Schlüsselrolle für die meisten Umsatzprozesse im Boden. Deswegen werden Einflussfaktoren auf die Zusammensetzung, Funktion sowie Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft intensiv in der bodenkundlichen Forschung diskutiert. Diese Dissertation untersucht in Waldökosysteme die Relevanz von i) abiotischen (Temperatur und Niederschlag) und biotischen Einflussfaktoren (Baumart) auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in Waldböden, ii) die Effekte der Biodiversität auf den mikrobiellen Abbau von organischen Polymeren der Pflanzenstreu und iii) den Einfluss der Struktureigenschaften häufig anzutreffender, niedermolekularer organischer Verbindungen auf deren mikrobielle Aufnahme und Metabolisierung.
Abiotische Faktoren beeinflussen die mikrobielle Zusammensetzung in Waldböden indirekt, d.h. über die Modifikation der Umweltbedingungen (Boden-pH, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte), sowie direkt mittels der pflanzlichen Nettoprimärproduktion, was entlang eines Klimagradienten in den Laubwäldern des Kilimandscharo untersucht wurde. Die biotische Beeinflussung mikrobieller Gemeinschaften wurde anhand des Vergleichs einer zehn Jahre alten Monokultur mit Mischwäldern unterschiedlicher Merkmale (d.h. Pioniergehölzen (Erle und Birke) im Vergleich zu Arten der späten Sukzession (Buche und Eiche), bzw. stickstofffixierenden (Erle) und nicht-stickstofffixierenden Arten (Birke, Buche und Eiche) eruiert, um so die direkte Wirkung der Streuqualität ohne die Beeinflussung edaphischer Faktoren zu untersuchen.
In allen untersuchten Kulturen beeinflusste Aufforstung die Entwicklung der pilzlichen Gemeinschaft (+50-200% basierend auf Biomarker-Analysen) stärker als die der bakteriellen Gemeinschaften (+20-120%), wobei die Effekte unter Monokulturen stärker als unter Mischkulturen waren. Deswegen wirkte sich der Arteffekt einzelner Baumspezies stärker als die Diversität des Bestandes auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden aus.
Enzymsysteme, die verantwortlich für die Zersetzung von Streu sind, reagierten unterschiedlich auf die Aufforstung mit unterschiedlichen Baumarten. Selbst zwischen Enzymen, die Reaktionen im gleichen biogeochemischen Kreislauf (C oder N) katalysieren traten unterschiedliche Reaktionen auf. Die höchsten Aktivitäten von β-N-Acetylglucosaminidase, β-Xylosidase und saurer Phosphatase traten dort auf, wo sich Arten der frühen Primärsukzession (Birke) gemeinsam mit Arten der späteren Sukzession (Buche, Eiche) entwickelten und so synergistische Effekte erzeugten.
Im Gegensatz dazu waren die Enzymaktivitäten in der Birkenmonokultur deutlich geringer. Die Wirkung der Diversität auf die Nährstoffkreisläufe wurde auch anhand der Abundanz funktioneller
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Gene für den N-Kreislauf, sowie anhand der Stickstoff-Umsatzraten (Brutto- und Nettonitrifikation bzw. Ammonifikation) bestimmt. Auch wenn funktionelle Genhäufigkeiten im Vergleich zur direkten Messung der N-Umsatzraten tendenziell weniger sensitiv bei der Bestimmung signifikanter Einflüsse der Diversität auf den N-Kreislauf in frühen Sukzessionstadien waren, so sollten doch beide Parameter gemeinsam betrachtet werden.
Die Baumartenzusammensetzung der Wälder beeinflusst auch die mikrobielle Nutzung niedermolekularer Substrate im Boden. Allerdings bestehen Wissenslücken bezüglich i) der Zusammensetzung, der Menge und dem Verbleib von Zuckern im Boden, obwohl diese als Hauptenergie- und Kohlenstoffquelle für Mikroorganismen gelten, sowie ii) der Folgen intrinischer Eigenschaften niedermolekularer organischer Substanzen (Oxidationsgrad des Kohlenstoffs, Molmasse, Anzahl von C-Atomen) auf deren mikrobielle Nutzung. Bezüglich der ersten Frage zeigte eine Literaturstudie, dass Zucker im Boden einer umfassenden Wiederverwertung unterliegen: 80% der Zucker stammen aus wiederverwendeten mikrobiellen Überresten und nur 20% entstammen der Pflanzenbiomasse. Für die zweite Fragestellung wurden Substanzen unterschiedlicher mittlerer Kohlenstoff-Oxidationszahlen von '0' (Glukose, Fruktose und Alanin), über Succinylsäure ('+0.5'), Glyzin und Maleinsäure ('+1') bis zur Ameisensäure ('+2') untersucht.
Der Oxidationsgrad des Kohlenstoff war signifikant mit der Halbwertszeit der Verbindungen in der Bodenlösung korreliert, wobei Substanzen höherer Oxidationsgrade (Ameisensäure) sechs Mal schneller als solche niedrigerer Oxidationsgrade (Zucker) mikrobiell verwertet wurden. Im Gegensatz dazu hatte der Oxidationsgrad der niedermolekularen Verbindungen keinen Einfluss auf die Halbwertszeit des in die mikrobielle Biomasse eingebauten Kohlenstoffes und somit der mikrobiellen Metabolite, die aus der initialen Kohlenstoffquelle gebildet wurden. Der Mineralisierungsgrad unterschiedlicher Substrate stieg mit dem Oxidationsgrad an: Essigsäure wurde 4.5 mal mehr veratmet als die Zucker, was im Gegenzug mit der Abnahme des C-Einbaus in die mikrobielle Biomasse oder in andere Pools organischer Substanzen einher ging.
Zusammenfassend sollten biotische Faktoren wie die Baumart in Untersuchungen der mikrobiellen Gemeinschaft in Waldböden integriert werden, wohingegen abiotische Faktoren eher eine untergeordnete Rolle spielen und von biotischen Einflussgrößen massiv abgemildert werden.
Zur Quantifizierung der Bedeutung mikrobieller Funktionen für den Abbau streubürtiger Substanzen sollten biochemische (Enzymaktivitäten) und molekularbiologische Methoden (z.B.
Abundanz funktioneller Gene) sowie direkte Messungen von Umsatzraten (z.B. Abbau- Nitrifikations- oder Ammonifikationsraten) in Kombination angewandt und gemeinsam mit
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molekularen Eigenschaften wie der mittleren Oxidationszahl der mikrobiell-genutzen Verbindung betrachtet werden.
Acknowledgements