Greenhouse gas metabolizing prokaryotes in peatlands

Titelangaben

Palmer, Katharina:
Greenhouse gas metabolizing prokaryotes in peatlands.
Bayreuth , 2012
( Dissertation, 2012 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Peatlands in the northern hemisphere store substantial amounts of carbon and nitrogen, and are predicted to react sensitively to global warming. The main objective of the study was to study microbial processes involved in the fluxes of the greenhouse gases methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) from peatlands. Five model peatlands with contrasting features (e.g., nitrate content, mean annual temperature, pH) were assessed. A pH-neutral fen produced CH4 in situ as well as in unsupplemented anoxic microcosms. Supplemental N-Acetylglucosaminestimulated formation of fermentation products and CH4 and lead to increased accumulation of fermentation products when methanogenesis was inhibited by Bromoethanesulfonate. Supplemental H2/CO2 and formate greatly stimulated methanogenesis, while acetate and methanol stimulated methanogenesis to a much lesser extent. A high family-level diversity of bacterial 16S rRNA genes was detected. Within the detected families, genera known for syntrophic interactions with methanogens were found. Diversity of methanogens was lower than bacterial diversity, as only hydrogenotrophic Methanomicrobiales and Methanocellales were detected. Both process data and molecular data suggest that (i) hydrogenotrophic methanogenesis is the main process of CH4 formation in pH-neutral fen soil, and (ii) a high diversity of bacterial families are likely involved in diverse fermentations, providing substrates for methanogens. Denitrification and N2O consumption potentials as well as denitrifier community composition were assessed in all five northern peatlands. In situ N2O emissions range from < 0.01 to 10 mg N2O*m-2*d-1,and were positively and negatively correlated with soil nitrate and ammonia contents, respectively. All soils produced and consumed N2O in anoxic microcosms without apparent delay. N2O production capacities and apparent affinities for nitrate were likewise positively correlated with soil nitrate content. Phylogenetic analyses of the nitrate reduction- and denitrification-associated genes narG, nirK/nirS, and nosZ indicated that the diversity of the denitifier community was highest in pH-neutral fen soil and positively correlated with pH. Detected narG affiliated mainly with Betaproteobacterial and Actinobacterial narG. . The number and the identity of observed operational taxonomic units (OTUs) of nirK, nirS, and nosZ in pH-neutral fen soil was clearly distinct from those of the more acidic soils, and indicated Alpha-, Beta-, and Gammaproteobacterial denitrifiers in all peatlands. Permafrost-affected soils mainly clustered together in the canonical correspondence analysis plots of the analyzed genes. pH was the most important factor determining community composition of nitrate reducers and denitrifiers.Significant influences of soil carbon content, precipitation, or temperature were also detected. The occurrence of certain OTUs of nirK and nirS was positively correlated with N2O emissions. The collective data indicate that (i) denitrification is an ongoing process in different types of pristine peatland soils, (ii) source and sink function of peatland denitrifiers for N2O are influenced by soil nitrate content and denitrifier community composition, and (iii) nitrate reducer and denitrifier community composition are affected by pH, temperature, precipitation, and soil carbon content. Global warming is predicted to increase the frequency of extreme weather events, affecting on the water table level in peatlands and on the microbial communities involved in the production of CH4 and N2O. Thus, the influence of short-term water table manipulations including application of artificial drought conditions or excessive flooding was assessed in the acidicfen. Fermentative, methanogenic and denitrifying potentials in anoxic microcosm studies revealed that the potential activity of methanogens and denitrifiers was affected by changing water tables, whereas the potential activity of fermenters was largely unaffected. Changes in the copy numbers of mcrA, narG, and nosZ detected by quantitative PCR were rather small when compared to the observed changes in potential activity. Community composition of methanogens, nitrate and N2O-reducers was similar at all sampled timepoints of the manipulation experiments. The collective data indicate a stable microbial community in fen soil that is able to adapt its activity to the changing conditions quite rapidly.

Abstract in weiterer Sprache

Moore der nördlichen Hemisphäre speichern beträchtliche Mengen Kohlenstoff und Stickstoff, es wird vorhergesagt, dass sie empfindlich auf die globale Erwärmung reagieren. Das Hauptziel der Arbeit wardie Untersuchung der mikrobiellen Prozesse, welche an Flüssen der Treibhausgase Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O) aus Moorgebieten beteiligt sind. Fünf Beispiel-Moore mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. Nitratgehalt, Temperatur, pH) wurden untersucht. Ein pH-neutrales Niedermoor produzierte CH4 in situ sowie in unsupplementierten anoxischen Mikrokosmeninkubationen. Supplementierung mit N-Acetylglucosamin stimulierte die Bildung von Gärungsprodukten und CH4 und resultierte in verstärkter Akkumulation von Gärungsprodukten bei Inhibition der Methanogenese durch Bromoethansulfonat. Supplementierung mit H2/CO2 und Formiat stimulierte die Methanogenese stark, während die Stimulierung der Methanogenese mit Acetat und Methanol deutlich geringer war. Eine große Diversität bakterieller 16S rRNA Gene auf Familien-Ebene wurde detektiert. Innerhalb der detektierten Familien wurden Gattungen, welche für syntrophe Interaktionen mit hydrogenotrophen Methanogenen bekannt sind, gefunden. Die Diversität der Methanogenen war niedriger als die der Bakterien, da nur hydrogenotrophe Methanomicrobiales und Methanocellales detektiert wurden. Sowohl Prozess- als auch molekulare Daten deuten darauf hin, dass (i) hydrogenotrophe Methanogenese der Hauptprozess der CH4-Bildung im pH-neutralen Niedermoor ist, und (ii) eine hohe Diversität bakterieller Familien an diversen Gärungsprozessen beteiligt ist und somit Substrate für die Methanogenen bereitstellt. Denitrifikations- und N2O-Verbrauchspotentiale sowie die Zusammmensetzung der Denitrifikantengemeinschaft wurden in allen fünf nördlichen Moorgebieten untersucht. In situ N2O-Emissionen bewegen sich im Bereich von < 0,01 bis 10 mg N2O*m-2*d-1 und waren positiv bzw. negativ mit dem Nitrat- bzw. Ammoniumgehalt des Bodens korreliert. Alle Böden produzierten und verbrauchten N2O in anoxischen Mikrokosmen-Inkubationen ohne erkennbare Verzögerung. N2O-Produktionskapazitäten und apparente Affinitäten für Nitrat waren ebenfalls positiv mit dem Nitratgehalt des Bodens korreliert. Phylogenetische Analysen der Nitratreduktions- und Denitrifikations-assoziierten Genmarker narG, nirK/nirS und nosZ deuteten darauf hin, dass die Diversität der Denitrifikantengemeinschaft in pH-neutralem Niedermoorboden am höchsten und positiv mit dem pH korreliert war. Detektierte narG waren haupstächlich mit narG der Betaproteobacteria und Actinobacteria verwandt. Die Zahl und Identität der beobachteten operativen taxonomischen Einheiten (operational taxonomic units, OTUs) von nirK, nirS und nosZ unterschieden sich klar von denen der saureren Böden, und deuteten auf Alpha-, Beta- und Gammaproteobacteria-verwandte Denitrifikanten in allen Moorgebieten hin. Permafrost-beeinusste Böden fielen in kanonischen Korrespondenz-Ordinationen der analysierten Genmarker meist zusammen. pH war der wichtigste die Gemeinschaftszusammmensetzung der Nitratreduzierern und Denitrifikanten bestimmende Faktor. Signifikante Einflüsse des Kohlenstoffgehaltes des Bodens der Niederschlagsmenge oder der Temperatur wurden ebenfalls detektiert. Das Auftreten gewisser OTUs von nirK und nirS war positiv mit den N2O-Emissionen korreliert. Die gesammelten Daten deuten (i) Denitrifikation in verschiedenen Arten unberührter Moore, (ii) einen Einfluss des Nitratgehalts und der Denitrifikantengemeinschaft auf N2O Quellen- und Senkenfunktionen und (iii) einen Einfluss von pH, Temperatur, Niederschlagsmenge und Kohlenstoffgehalt des Bodens auf die Gemeinschaftszusammensetzung von Nitratreduzierern und Denitrifikanten an. Aufgrund der globalen Erwärmung werden erhöhte Häufigkeiten von Extremwetter- Ereignissen erwartet, welche sich auf den Wasserstand in Moorgebieten und die mikrobiellen Gemeinschaften, welche an der Bildung von CH4 und N2O beteiligt sind, auswirken. Daher wurde der Einfluss von kurzzeitigen Manipulationen des Wasserstands, welche künstliche Dürre und verstärkte Überflutung beinhalteten, im sauren Niedermoores untersucht. Gärungs-, CH4-Bildungs- und Denitrifikationspotentiale in anoxischen Mikrokosmen zeigten, dass die potentielle Aktivität der Methanogenen und Denitrifikanten von durch die Änderung des Wasserstands beeinflusst wurden, wohingegen die potentielle Aktivität der Gärer kaum beeinusst wurde. Änderungen in der Kopienzahl von mcrA, narG und nosZ, welche mittels quantitativer PCR bestimmt wurden, waren eher gering im Vergleich zu den beobachteten Änderungen der potentiellen Aktivitäten. Die Gemeinschaftszusammensetzung der Methanogenen, Nitrat- und N2O-Reduzierer war zu allen beprobten Zeitpunkten der Manipulationsexperimente ähnlich. Die gesammelten Daten weisen auf eine stabile mikrobielle Gemeinschaft im Niedermoorboden hin, welche ihre Aktivität relative schnell an sich ändernde Bedingungen anpassen kann.