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.