Nitratreduktion, Denitrifikation und Dissimilatorische Nitritreduktion zu Ammonium in Grünland- und Waldböden : Populationen und Einflussfaktoren

Titelangaben

Selzer, Mirjam:
Nitratreduktion, Denitrifikation und Dissimilatorische Nitritreduktion zu Ammonium in Grünland- und Waldböden : Populationen und Einflussfaktoren.
Bayreuth , 2016 . - XVI, 260 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Das klimarelevante Treibhausgas N2O gilt als die vorherrschende ozonschädigende Substanz des 21. Jahrhundert. Die Hauptursache anthropogener N2O-Emissionen sind, aufgrund hoher Einträge von Stickstoffdünger, landwirtschaftlich genutzte Böden. Der größte Teil des in Böden produzierten N2Os wird durch Denitrifikation und DNRA gebildet. Andererseits kann N2O durch Denitrifikation auch verbraucht werden. Produktion und Verbrauch hängen von den nitrat- und nitritabbauenden Prokaryoten ab: den Nitratreduzierern, Denitrifikanten und DNRA. Deren Abundanz, Aktivität und Diversität werden durch die Bedingungen ihres Habitats beeinflusst. Die N2O-Emission von Böden ist somit von deren Eigenschaften abhängig. Die Ziele der Arbeit waren daher 1) den Einfluss des pH-Wertes auf die Aktivität der Denitrifikanten zu bestimmen; 2) den Einfluss des pHWertes auf die Abundanz von Nitratreduzierern und Denitrifikanten zu bestimmen; 3) die Isolierung neuartiger Nitratreduzierer, Denitrifikanten und DNRA; 4) den Einfluss der Bodeneigenschaften auf Abundanz und Diversität von Nitratreduzierern, Denitrifikanten und DNRA zu bestimmen und 5) den Einfluss von Vegetationstyp und Landnutzungintensität auf Abundanz und Diversität von Nitratreduzierern, Denitrifikanten und DNRA zu bestimmen. Eine Kombination kultivierungsabhängiger und kultivierungsunabhängiger Methoden wurde zur Untersuchung der Nitratreduzierer, Denitrifikanten und DNRA eingesetzt. Die Untersuchung der Abundanz von Denitrifikanten zeigte, das diese vom pH-Wert, dem Vegetationstyp und der Landnutzungsintensität beeinflusst werden. Für die Abundanz der Nitratreduzierer konnten jedoch keine Einflussfaktoren gefunden werden. Weiterhin wurden potentielle Denitrifikationsraten und deren Abhängigkeit von pH-Wert ermittelt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Denitrifikanten vom pH-Wert sowie einem Zusammenwirken von Vegetationstyp und Landnutzungsintensität beeinflusst wird. Die Diversität der Nitratreduzierer, Denitrifikanten und DNRA wurde durch zwei komplementäre Ansätze untersucht. Zum einen wurden Nitratreduzierer, Denitrifikanten und DNRA aus den untersuchten Böden isoliert und anschließend deren 16S rRNA-Gene phylogenetisch analysiert. Dabei wurden 537 Isolate aus 44 OTUs der Speziesebene und 25 prokaryotischen Familien erhalten. Zum anderen wurden strukturelle Gene als molekulare Marker aus der Boden-DNA amplifizert und anschließend phylogenetisch und mit multivariater Statistik analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Diversität der Nitratreduzierer, Denitrifikanten und DNRA vom pH-Wert und dem Vegetationstyp beeinflusst wird. Die Nitratreduzierer gehören zu den Alpha-, Beta-, Gamma- und Deltaproteobacteria, sowie zu den Bacilli, Actinobacteria, Acidobacteria und Deinococci und weisen die größte Diversität der drei untersuchten Bakteriengruppen auf. Die DNRA gehören zu den Bacteroidia sowie zu den Delta- und Gammaproteobacteria. Sie werden nicht nur vom pH-Wert und dem Vegetationstyp, sondern auch vom Kohlenstoffgehalt des Bodens beeinflusst. Die Denitrifikanten gehören zu den Alpha-, Beta- und Gammaproteobacteria. Zusätzlich zum pH-Wert und dem Vegetationstyp werden sie auch vom Ammoniumgehalt und dem Wassergehalt der Böden beeinflusst. Nitratreduzierer, Denitrifikanten und DNRA stellen einen wichtigen Teil des biologischen Stickstoffzyklus dar und werden in der Hauptsache vom pH-Wert und dem Vegetationstyp beeinflusst.

Abstract in weiterer Sprache

The potent greenhouse gas N2O is the most predominant ozone depleteing substance of the 21st century. Its main anthropogenic source are N2O emissions from agricultural soils, triggered by high amounts of nitrogen fertiliser. Most of the N2O from soils is produced by denitrifiers and DNRA. N2O can also be consumed by denitrification. Production and consumption depend on the nitrate and nitrite reducing prokaryotes: the nitrate reducers, denitrifiers and DNRA. The abundance, activity and diversity of these organisms is influenced by the properties of their habitat. Therefore, soils are sources and sinks of N2O, depending on their properties. Thus, the aims of this work are 1) to determine the influence of the pH on the activity of denitrifiers; 2) to determine the influence of the pH on the abundance of nitrate reducers and denitrifiers; 3) to isolate novel nitrate reducers, denitrifiers and DNRA; 4) to determine the influence of the soil properties on the abundance and diversity of nitrate reducers, denitrifiers and DNRA; 5) to determine the influence of the vegetation type and the land-use intensity on the abundance and diversity of nitrate reducers, denitrifiers and DNRA. To investigate soil nitrate reducers, denitrifiers and DNRA, a combination of cultivation dependent and cultivation independent methods were used. The investigation of the denitrifier abundance showed it to be influenced by pH, vegetation type and land-use intensity. The abundance of the nitrate reducers was not influenced by any investigated soil parameter. Furthermore, potential denitrification rates and their dependence on the pH were determined. The activity of denitrifiers was shown to be dependent on pH as well as on vegetation type and land-use type. The diversity of nitrate reducers, denitrifiers and DNRA was analysed with two complementary approaches. On the one hand, they were isolated out of the investigated soils and subsequently, their 16S rRNA genes were analysed phylogenetically. This approach yielded 537 isolates belonging to 44 species level OTUs and 27 prokaryotic families. On the other hand, structural genes as molecular markers were amplified out of soil DNA and analysed phylogenetically and statistically. It could be shown, that the diversity of nitrate reducers, denitrifiers and DNRA was influenced by the pH, the vegetation type and the land-use intensity. The nitrate reducers are the group with the highest diversity. They belong to the Alpha-, Beta-, Gamma-, Deltaproteobacteria Bacilli, Actinobacteria, Acidobacteria and Deinococci. The DNRA belong to the Bacteroidia, Delta- and Gammaproteobacteria. They are not only influenced by the pH and the vegetation type, but also by the carbon content of the soil. the denitrifiers belong to the Alpha-, Beta- and Gammaproteobacteria. They are influenced by pH, vegetation type, ammonium and water content of the soil. Nitrate reducers, denitrifiers and DNRA represent an important part of the biological nitragen cycle and are mainly influenced by the ph and the vegetation type.