Solubilization of Phosphorus, Silicon, and Calcium and Abundance of Phosphorus-solubilizing Bacteria in Temperate Forest Soils

Titelangaben

Pastore, Giovanni:
Solubilization of Phosphorus, Silicon, and Calcium and Abundance of Phosphorus-solubilizing Bacteria in Temperate Forest Soils.
Bayreuth , 2022 . - xiii; 106 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006025

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Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Frage, wie Mikroorganismen in temperaten Waldböden die Solubilisierung von Phosphor (P), Silizium (Si) und Calcium (Ca) aus Mineralien und verwitterten Ausgangsmaterialien beeinflussen sowie in welchem Ausmaß die P-solubilisierenden Bakterien insgesamt zu den Solubilisierungsraten beitragen. Ungeachtet des zunehmenden Bewusstseins über die Rolle der Mikroorganismen in der Pflanzenernährung wurde das Potenzial mikrobieller Gemeinschaften, Phosphat aus Mineralphasen freizusetzen, bisher nicht im Detail untersucht. Darüber hinaus ist die Forschung zur Solubilisierung von silikathaltigen und kalkreichen Ausgangsmaterialien in Waldböden ziemlich lückenhaft, ungeachtet der Tatsache, dass die meisten Experimente mit kultivierten Mikroorganismen und unter Zugabe großer Mengen an organischen Säuren durchgeführt wurden.
Insgesamt wurden für diese Arbeit zwei Bodentiefen im Mineralhorizont von sieben temperaten Laubwäldern ausgewählt, um zu bewerten, wie und in welchem Ausmaß die mikrobiellen Gemeinschaften aus unterschiedlichen Bodentiefen die P-Solubilisierung beeinflussen. Im ersten Inkubationsexperiment wurden die mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten von primären (Hydroxylapatit) und sekundären (P-beladener Goethit) P-Mineralien nach Zugabe von Glukose zu fünf sauren Bodenextrakten (unter P-reichen bis P-armen Bedingungen) ermittelt. Die Netto-P-Solubilisierungsraten konnten aus dem Anstieg der P-Konzentrationen in den Bodenextrakten abgeleitet werden, welche für 14 Tage mit Hydroxylapatit oder mit P-beladenem Goethit inkubiert wurden. Im zweiten und dritten Inkubationsexperiment erfolgte die Bestimmung der Netto-Solubilisierungsraten von Si und Ca aus vier silikathaltigen und zwei kalkreichen verwitterten Ausgangsmaterialien. Die Netto-Solubilisierungsraten von Si und Ca konnten aus der Differenz zwischen den am Ende und am Beginn des Experiments über 14 Tage gemessenen Mengen an Si und Ca berechnet werden. In allen Inkubationsexperimenten erfolgte eine Bestimmung der zeitlichen Änderungen des pH-Wertes sowie der Konzentrationen von vier verschiedenen organischen Säuren (Zitronensäure, Oxalsäure, 2-Keto-D-Gluconsäure und D-Gluconsäure) in den Bodenextrakten. Zusätzlich wurde auch Milchsäure (2-Hydroxypropansäure) in die Analyse der Bodenextrakte aus kalkreichen Ausgangsmaterialien miteinbezogen. Die Berechnung der Brutto-P-Solubilisierungsraten erfolgte für vier saure und zwei alkalische Waldböden, welche sich aus silikathaltigen bzw. kalkreichen Ausgangsmaterialien entwickelten. Darüber hinaus erfolgte die Bestimmung der Abundanz und taxonomische Diversität der P-solubilisierenden Bakterien für die sauren und alkalischen Böden mittels eines physiologischen Assays in Kombination mit der 16S rRNA-Gensequenzierung.
Die mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten in den Bodenextrakten waren bei Inkubation mit Hydroxylapatit höher als bei Inkubation mit P-beladenem Goethit, mit Ausnahme eines Falles. Das Verhältnis zwischen dem pH-Wert der Bodenextrakte und den mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten war negativ für die Inkubationen mit Hydroxylapatit sowie positiv für die Inkubationen mit P-beladenem Goethit und abhängig von der unterschiedlichen Freisetzung von Protonen und organischen Säuren durch die Mikroorganismen. Bei der Inkubation mit P-beladenem Goethit regulierten die Mikroorganismen vermutlich die Produktion von organischen Säuren herunter, um einer Versauerung der Bodenextrakte und einer damit einhergehenden starken Sorption von Phosphationen vorzubeugen. Zusätzlich fiel die Produktion von Monocarbonsäuren signifikant mit einer hohen P-Freisetzung aus Hydroxylapatit zusammen. Insgesamt nahmen die mikrobiellen Netto-P-Solubilisierungsraten von primären und sekundären P-Mineralien mit der Zugabe von Glukose zu.
Bei Inkubation der Bodenextrakte mit verwitterten silikathaltigen und kalkreichen Ausgangsmaterialien wurden keine Netto-P-Solubilisierungsraten aufgrund einer mikrobiellen P-Immobilisierung gefunden. Jedoch konnten anhand der Netto-Solubilisierungsraten von Si und Ca die Brutto-P-Solubilisierungsraten, basierend auf den stöchiometrischen Verhältnissen dieser drei Elemente in den Ausgangsmaterialien, nachträglich berechnet werden. Die mikrobiellen Brutto-P-Solubilisierungsraten waren in den Bodenextrakten, inkubiert mit kalkreichen Ausgangsmaterialien, signifikant höher als in den Inkubationen mit silikathaltigen Ausgangsmaterialien (im Durchschnitt +61%). Diese höheren Brutto-P-Solubilisierungsraten in den Bodenextrakten nach Inkubation mit kalkreichen Ausgangsmaterialien resultierten aus einer insgesamt höheren mikrobiellen Aktivität, welche durch die Menge an organischen Säuren (bis zu 4,5-mal höher) und der mikrobiellen Biomasse (bis zu 19,1-mal höher) nahegelegt wurde. Dieser Trend war insbesondere in der oberen Bodentiefe der kalkhaltigen Böden zu beobachten.
Die Abundanzen an P-solubilisierenden Bakterien waren in kalkreichen Böden signifikant höher als in silikathaltigen Böden (im Durchschnitt +46.6%). Ebenso zeigte die Analyse der Daten mittels nicht-metrischer multidimensionaler Skalierung, dass sich die P-solubilisierenden Bakterien in kalkhaltigen Böden signifikant von denen in silikathaltigen Böden unterschieden. Die Ordnungen Bacillales und Burkholderiales dominierten auf den silikathaltigen Standorten, während Pseudomonadales und in viel geringerem Maße Enterobacteriales die dominanten Ordnungen auf den kalkreichen Standorten repräsentierten.
Zusammenfassend betrachtet kamen P-solubilisierende Bakterien in P-armen Böden häufiger vor als in P-reichen Böden, wobei die Solubilisierungsraten von P, Si und Ca durch die Mineralchemie der Ausgangsgesteine beeinflusst wurden. In zukünftigen Studien mag „versucht“ werden, dass Ausmaß der P-Freisetzung aus verwitterten Ausgangsmaterialien auch über die Netto-Solubilisierung des Hauptbestandteils des Ausgangsmaterials, mit Beachtung des stöchiometrischen Verhältnisses dieses Elements zu P, zu bestimmen. Diese Herangehensweise erscheint insbesondere bedeutsam in Anbetracht dessen, dass die spezifischen Freisetzungsraten von P in den meisten natürlichen Systemen extrem schwierig zu messen sind. Des Weiteren ist nicht nur mehr Forschung zur Netto-P-Solubilisierung in Nadel- und mediterranen Waldböden notwendig, auch die Netto-P-Solubilisierung, angetrieben durch die Pilzgemeinschaften in Waldböden, erfordert weitere Untersuchungen.

Abstract in weiterer Sprache

This thesis focuses on the question of how microbes from temperate forest soils influence phosphorus (P), silicon (Si), and calcium (Ca) solubilization from minerals and weathered parental materials as well as to which extent P-solubilizing bacteria contribute to the overall solubilization rates. Despite the increasing awareness of the role of microorganisms in plant nutrition, the potential of microbial communities to release phosphate from mineral phases has not been explored with detail, so far. Moreover, the research on the solubilization of siliceous and calcareous parent materials from forest soils is quite fragmented, regardless of the fact that most experiments have been performed with cultured microorganisms and high doses of organic acids addition. A total of seven deciduous temperate forest soils and two soil depth increments from the mineral horizon were chosen to evaluate how, and to which extent, the microbial communities of different depths affect P solubilization. In the first incubation experiment, microbial net P solubilization rates were determined from primary (hydroxyapatite) and secondary (P-loaded goethite) P-minerals after addition of glucose to five acidic soil extracts (ranging from P-rich to P-poor conditions). Net P solubilization rates were derived from the increase of P concentrations in soil extracts incubated with hydroxyapatite and P-loaded goethite over 14 days. In the second and third incubation experiments, net Si and Ca solubilization rates were determined from four siliceous and two calcareous weathered parent materials, respectively. The net Si and Ca solubilization rates were calculated from the difference between the amounts of Si and Ca measured at the end and at the beginning of the experiment over 14 days. In all incubation experiments, the temporal changes in pH and the concentrations of four organic acids (citric, oxalic, 2-keto-D-gluconic and D-gluconic) were determined in soil extracts, while lactic acid was added to the analyses in extracts from the calcareous soils. Gross P solubilization rates were determined at four acidic and two alkaline forest soils developed on siliceous and calcareous bedrocks. Moreover, the abundance and the taxonomic diversity of P-solubilizing bacteria were carried out from acidic and alkaline soils through a physiological assay in combination with 16s rRNA gene sequencing. The microbial net P solubilization rates were higher in incubations of soil extracts with hydroxyapatite than P-loaded goethite, except one case. The relationship between the pH of soil extracts and microbial net P solubilization rates was negative in incubations with hydroxyapatite and positive in incubations with P-loaded goethite and depended on the different release of protons and organic acids by microbes. In the incubation of goethite, microbes likely downregulated the production of organic acids to prevent acidification, and thus, strong sorption of phosphate ions. Further, the production of monocarboxylic acids coincided significantly with high P release from hydroxyapatite. Altogether, microbial net P solubilization rates from primary and secondary P-minerals increased with the addition of glucose. When weathered siliceous and calcareous parent materials were used, no net P solubilization rates were found as an effect of microbial P immobilization. However, from the net Si and Ca solubilization rates we determined the gross P solubilization rates based on the stoichiometric ratios they had with the P content of bedrocks. The microbial gross P solubilization rates were significantly higher in the incubations of the soil extracts with calcareous than siliceous bedrocks (on average +61%). Carbonates had higher gross P solubilization rates as result of an overall higher microbial activity, as suggested by the amounts of organic acids (up to 4.5 times higher) and microbial biomass (up to 19.1 times higher) in comparison to silicates. This trend was particularly noticeable in the upper soil depth of calcareous soils. Regarding the abundance of P-solubilizing bacteria, our data show that this was significantly higher in calcareous soils than in siliceous soils (on average +46.6%). Also, nonmetric multi-dimensional scaling analyses (nMDS) revealed that the P-solubilizing bacteria in calcareous soils were significantly different from those found in silicate soils. Bacillales and Burkholderiales dominated at the silicate sites, whereas Pseudomonadales and to a much lesser extent Enterobacteriales were the dominant orders at the calcareous sites. In conclusion, P-solubilizing bacteria were more abundant in P-poor soils than in P-rich soils, while solubilization rates were influenced by the mineral chemistry of the bedrocks. In future studies, the extent to which P is released from weathered parent materials may be also “attempted” by determining the net solubilization of the major constituent of the bedrock in relation to the stoichiometric ratio of that element with P, considering that the specific release rates of P are often extremely difficult to measure. Not only is more research on net P solubilization from coniferous and Mediterranean forest soils needed, but also the net P solubilization driven by fungal communities in forest soils warrants further investigation.