Integrating microbial community analyses and environmental factors for a better understanding of complex plant material- and bio-based and biodegradable plastic microbiomes

Titelangaben

Tanunchai, Benjawan:
Integrating microbial community analyses and environmental factors for a better understanding of complex plant material- and bio-based and biodegradable plastic microbiomes.
Bayreuth , 2023 . - VIII, 181 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The decomposition of plant materials is a crucial step in nutrient recycling, such as C, N, and P content, which are important for plant growth and maintenance of ecosystem functioning. The degradation of bio-based and biodegradable plastics is expected to reduce plastic pollutants. Microbial activities are key factors for the decomposition and degradation of plant materials and bio-based and biodegradable plastics. In this dissertation, I employed high-resolution molecular techniques to identify the core microbiome during leaf litter and deadwood decomposition as well as plastic degradation in agricultural and forest ecosystems. Community assembly processes, co-occurrence networks, and responses to environmental factors were analyzed. Overall, the results suggest that saprotrophic fungi, especially Mycena, highly dominated the fungal community composition, especially during the late stage of composition of both leaf litter and deadwood. For the degradation of polybutylene succinate-co-adipate (PBSA), I detected enrichment of potential plastic degraders, including Tetracladium, Fusarium solani, Cladosporium, and Exophiala. Some have been previously reported as plant pathogens for different crops (e.g., citrus and faba bean), raising concerns about economic losses in agriculture. Bacterial groups (Sphingomonas and Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium) related to N cycling substantially contributed to the bacterial community composition alongside the chemoheterotrophic bacteria. The copy number of the nifH gene, which is a key gene for the dinitrogenase reductase of N₂-fixing microorganisms, was quantified in decomposing plant materials and plastic across different ecosystems. Its correlation with the fungal gene copy number indicates direct and indirect relationships between N₂-fixing microorganisms and fungi. The co-occurrence network revealed supporting results for bacterial and fungal interactions, and N2-fixing microorganisms were the keystone taxa in different habitats. For community assembly, the results were more complex and varied depending on the substrates and the ecosystems in which the substrates were being decomposed. Stochastic processes are the main processes governing the microbial community composition during plastic degradation. However, during leaf litter decomposition, deterministic processes are increasingly important in governing bacterial community composition. This dissertation is the first large leaf litter decomposition experiment in temperate forest ecosystems and reveals metabolically active deadwood decomposers. This plastic degradation experiment was conducted for the first time in temperate forests and agricultural ecosystems under future climate conditions. Overall, the results of this comprehensive dissertation allowed us to gain a deeper understanding of how the interaction between different microbial kingdoms occurs during plant material and bio-based and biodegradable plastic decomposition processes.

Abstract in weiterer Sprache

Die Zersetzung von Pflanzenmaterial ist ein entscheidender Schritt in die Nährstoffwiederverwertung wie C-, N- und P-Gehalte, die für das Pflanzenwachstum und die Aufrechterhaltung der Ökosystemfunktion wichtig ist. Inzwischen ist der Abbau von biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffen die Hoffnung, Plastik-Pollution zu lösen. Der Schlüsselfaktor für die Zersetzung und den Abbau von Pflanzenmaterialien und biobasiertem und biologisch abbaubarem Kunststoff sind die mikrobiellen Aktivitäten. In dieser Dissertation habe ich hochauflösende molekulare Techniken eingesetzt, um das Kernmikrobiom während der Laubstreu- und Totholzzersetzung sowie des Plastikabbaus in landwirtschaftlichen und forstlichen Ökosystemen zu identifizieren. Community-Assembly-Prozesse, Co-Occurrence-Netzwerke und ihre Reaktion auf Umweltfaktoren wurden analysiert. Die Gesamtergebnisse deuten darauf hin, dass die saprotrophen Pilze, insbesondere Mycena, die Zusammensetzung der Pilzgemeinschaft stark dominierten, insbesondere während der späten Phase der Zusammensetzung sowohl von Laubstreu als auch von Totholz. Für den Abbau von Polybutylensuccinat-co-adipat (PBSA) habe ich die Anreicherung potenzieller Kunststoffabbauer entdeckt, darunter Tetracladium, Fusarium solani, Cladosporium und Exophiala. Einige von ihnen wurden zuvor als Pflanzenpathogene für verschiedene Kulturen (z. B. Zitrusfrüchte und Ackerbohnen) gemeldet, was die Besorgnis über wirtschaftliche Verluste in der Landwirtschaft aufkommen lässt. Bei Bakterien tragen Bakteriengruppen (Sphingomonas und Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium), die mit dem N-Kreislauf in Verbindung stehen, neben den chemoheterotrophen Bakterien wesentlich zur Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft bei. Die Kopienzahlen des nifH-Gens, das ein Schlüsselgen für die Dinitrogenase-Reduktase N₂-fixierender Mikroorganismen ist, wurden beim Abbau von Pflanzenmaterial und Plastik in verschiedenen Ökosystemen quantifiziert. Seine Korrelation mit der Kopienzahl des Pilzgens weist auf direkte und indirekte Beziehungen zwischen N₂-fixierenden Mikroorganismen und Pilzen hin. Das Co-Occurrence-Netzwerk zeigte unterstützende Ergebnisse für die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Pilzen, und N2-fixierende Mikroorganismen waren die Schlüsselstein-Taxa in verschiedenen Lebensräumen. Für die Gemeindeversammlung waren die Ergebnisse komplexer und je nach den Substraten und den Ökosystemen, in denen die Substrate abgebaut werden, unterschiedlich. Während des Kunststoffabbaus sind stochastische Prozesse die Hauptprozesse, die die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft bestimmen. Jedoch, während der Zersetzung von Laubstreu zeigten die deterministischen Prozesse eine zunehmende Bedeutung bei der Steuerung der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft. Diese Dissertation ist das erste größte Laubstreuzersetzungsexperiment in gemäßigten Waldökosystemen und zeigt stoffwechselaktive Totholzzersetzer auf. Das Plastikabbauexperiment wurde erstmals in gemäßigten Wäldern und in landwirtschaftlichen Ökosystemen unter zukünftigen Klimabedingungen durchgeführt. Insgesamt ermöglichten uns die Ergebnisse dieser umfassenden Dissertation ein tieferes Verständnis darüber, wie die Wechselwirkung zwischen verschiedenen mikrobiellen Reichen bei Pflanzenmaterialien und biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffzersetzungsprozessen abläuft.