Bedeutung der Baumart für die Aktivität, Diversität und Abundanz methanoxidierender Bakterien in temperaten Waldböden

Impact of tree species on activity, diversity, and abundance of methane oxidizing bacteria in temperate forest soils

Die mikrobielle Oxidation atmosphärischen Methans ist in Nadelwaldböden bis zu drei Mal niedriger als in Laubwaldböden. Ziel dieser Dissertation war es, anhand von drei deutschen Waldstandorten (Solling, Steigerwald und Unterlüß) mit jeweils benachbarten Beständen der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Gemeinen Fichte (Picea abies L.), die Umweltparameter zu identifizieren, die diese unterschiedlichen Methanoxidationsraten hervorrufen, und deren Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz deDie mikrobielle Oxidation atmosphärischen Methans ist in Nadelwaldböden bis zu drei Mal niedriger als in Laubwaldböden. Ziel dieser Dissertation war es, anhand von drei deutschen Waldstandorten (Solling, Steigerwald und Unterlüß) mit jeweils benachbarten Beständen der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Gemeinen Fichte (Picea abies L.), die Umweltparameter zu identifizieren, die diese unterschiedlichen Methanoxidationsraten hervorrufen, und deren Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz der methanotrophen Lebensgemeinschaft zu bestimmen. Die Aufnahme von Michaelis-Menten-Kinetiken an intakten Bodenkernen bei konstanter Methankonzentration, Temperatur sowie konstantem Matrixpotenzial ergab, dass die kinetischen Parameter Vmax(app) und KM(app) in Fichtenwaldböden bis zu 65% niedriger waren als in entsprechenden Buchenwaldböden. In situ Methanaufnahmeraten und atmosphärische Methanoxidationsraten gestörter Bodenproben waren in Böden unter Fichte ebenfalls niedriger. Die maximale methanotrophe Aktivität war im Oa-Horizont (Buche) oder in den ersten fünf Zentimetern des Mineralbodens lokalisiert. Unter Fichte wurde im Oa-Horizont keine Methanoxidation detektiert. Im Oi- und Oe-Horizont wurde in keinem der beiden Waldbodentypen methanotrophe Aktivität verzeichnet. Die Gasdiffusion durch die organische Auflage der Böden, der pH-Wert und die Ammoniumkonzentration waren in beiden Waldbodentypen ähnlich und schieden somit als regulierende Faktoren für die atmosphärische Methanoxidation in Laub- und Nadelwaldböden aus. Die Produktion von Ethylen unter oxischen Bedingungen war vernachlässigbar, so dass Ethylen ebenfalls ausgeschlossen werden konnte. β-Pinen, welches in Fichtennadeln und -wurzeln vorkommt und eine sehr hohe inhibitorische Wirkung auf die Methanoxidation zeigt, inhibierte die Oxidation von Methan in Bodenaufschlämmungen des Steigerwalds vollständig bei einer Konzentration, die dem Fünffachen der in situ Konzentration entsprach. Die von Fichten freigesetzten Monoterpene können die verminderte Methanaufnahme in Fichtenwaldböden erklären. Der Einfluss der Baumart auf die Zusammensetzung der methanotrophen Lebensgemeinschaft wurde durch vergleichende Analyse der Gene der partikulären Methanmonooxygenase (pmoA) untersucht. Von den insgesamt 366 analysierten pmoA-Genen waren 82% Upland Soil Cluster alpha (USCα) zuzuordnen, dem global am häufigsten detektierten pmoA-Genotyp in Waldböden. Durch Vergleich der PmoA-Sequenzen mit den entsprechenden 16S rRNA-Gensequenzen bekannter methanotropher Isolate wurde ein distanzbasierter „Cut-off“ von 7% auf Proteinebene zur Differenzierung methanotropher OTUs auf Artenebene kalkuliert. Unter Anwendung dieses „Cut-offs“ konnten in Buchenwaldböden sieben OTUs innerhalb von USCα unterschieden werden. Außerdem wurden zwei tiefabzweigende Genotypen (Cluster 6 und Cluster 7) detektiert, die nur entfernt verwandt zu bekannten PmoA-/AmoA-Sequenzen waren. In Fichtenwaldböden waren dagegen nur vier USCα-OTUs sowie Cluster 6 detektierbar. Die erniedrigte Diversität Methanotropher in Fichtenwaldböden wurde durch statistische Analysen bestätigt. Genfragmente von mmoX und der pmoA von methanotrophen Verrucomicrobia wurden nicht detektiert. amoA-Gene mit hoher Verwandtschaft zur amoA von Nitrosospira briensis wurden gelegentlich kodetektiert. Die Abundanz der pmoA-Gene von USCα, der Anteil von USCα an der bakteriellen Gemeinschaft sowie die zellspezifische Aktivität von USCα waren in Böden unter Fichte niedriger als unter Buche. Die ermittelten Werte für die zellspezifische Aktivität von USCα lagen unterhalb des theoretischen Mindestwerts, der für das Überleben einer methanotrophen Zelle bei Oxidation von atmosphärischem Methan notwendig ist. Dies lässt vermuten, dass USCα neben atmosphärischem Methan auf alternative Kohlenstoff- und Energiequellen angewiesen sein könnte. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Disseration den Schluss zu, dass von Fichten freigesetzte Monoterpene die Aktivität, Diversität und Abundanz atmosphärischer Methanoxidierer reduzieren und so die atmospherische Methanaufnahme von Fichtenwaldböden verringern.show moreshow less
The microbial oxidation of atmospheric methane is up to three times greater in coniferous forests than in deciduous forests. The objective of this dissertation was to resolve the environmental factors causing these different methane oxidation rates and determine their effect on the methanotrophic diversity and abundance. Adjacent European beech (Fagus sylvatica L.) and Norway spruce (Picea abies L.) stands from three German forest sites (Solling, Steigerwald, and Unterlüß) were analysed. MichaelThe microbial oxidation of atmospheric methane is up to three times greater in coniferous forests than in deciduous forests. The objective of this dissertation was to resolve the environmental factors causing these different methane oxidation rates and determine their effect on the methanotrophic diversity and abundance. Adjacent European beech (Fagus sylvatica L.) and Norway spruce (Picea abies L.) stands from three German forest sites (Solling, Steigerwald, and Unterlüß) were analysed. Michaelis Menten kinetics of intact soil cores determined at constant methane concentration, temperature, and matric potential revealed that kinetic parameters Vmax(app) und KM(app) were 65% lower in spruce soils than in corresponding beech soils. In situ methane consumption rates and atmospheric methane oxidation rates revealed from homogenized soils samples were lower in soils under spruce, too. Maximum methanotrophic activity was located in the Oa horizon (beech) or the upper 5 cm of the mineral soil. No methane oxidation was detected in the Oa horizon of spruce soils or in Oi and Oe horizon of both forest soil types. Diffusive flux through the organic layer, pH, and ammonium concentration were similar for both forest types and could be excluded as governing factors of atmospheric methane oxidation in deciduous and coniferous forest soils. Ethylene production was negligible under oxic conditions and thus, could also be excluded. β-pinene, which occurs in spruce needles and roots and has a great inhibitory effect on methane oxidation, completely inhibited methane oxidation in soil slurries from Steigerwald at a concentration, which was five times the in situ concentration. Spruce-derived monoterpenes may explain the reduced methane consumption in spruce soils. The effect of tree species on methanotrophic community composition was assessed by comparative analysis of particulate methane monooxygenase genes (pmoA). 82% of 366 analyzed pmoA genes affiliated with upland soil cluster alpha (USCα), the most frequently detected pmoA genotype in forest soils worldwide. A distance cut-off of 7% on protein level was calculated for methanotrophic species-level OTUs based on the comparison of PmoA and corresponding 16S rRNA gene sequences of known methanotrophic isolates. Applying this cut-off, seven OTUs could be differentiated within USCα in beech soils. Additionally, two deep branching genotypes (cluster 6 and cluster 7) were detected that were only distantly related to known PmoA or AmoA sequences. In contrast, only four USCα OTUs and cluster 6 were detected in spruce soils. The lower diversity of methanotrophs in spruce soils was supported by statistical approaches. mmoX genes and pmoA genes of methanotrophic Verrucomicrobia were not detected. amoA genes highly similar to amoA of Nitrosospira briensis were occasionally codetected. Abundance of USCα pmoA genes, proportion of USCα to total bacterial community and cell-specific acitivity of USCα were lower in soils under spruce than under beech. Calculated cell-specific methane oxidation rates of USCα were below the theoretical threshold necessary for facilitating cell maintenance suggesting that USCα might rely on alternative carbon and energy sources other than methane. The collective results of this dissertation indicate that spruce-derived monoterpenes reduce the activity, diversity, and abundance of atmospheric methane oxidizers, and thus, reduce the capacity of spruce soils to consume atmospheric methane.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Daniela Degelmann
Advisor:Prof. Harold L. Drake
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:13.10.2010
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Aktivität; Fichte; Methanoxidierende Bakterien; Populationsdichte; Rotbuche
Tag:Diversität
Diversity
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
RVK - Regensburg Classification:WF 1000
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-7551
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):11.01.2011