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Effects of resource stoichiometry and stress on the structural and functional microbial community composition of decomposing beech litter

Alexander Frank

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Wolfgang Wanek

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30037.00127.470870-6

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Kompostierung von Pflanzenmaterial ist der wichtigste Prozess der Nährstoff-Mineralisierung in der Ökologie. Sie wird angetrieben durch Pilze und Bakterien, welche etwa 90% der globalen terrestrischen pflanzlichen Biomasse umsetzen. Die Zusammensetzung dieser mikrobiellen Gemeinschaft kann auf drei verschiedene Arten beeinflusst werden: Die Theorie der ökologischen Stöchiometrie sagt voraus, dass die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft der relativen elementaren Zusammensetzung des Substrats, welches assimiliert wird unterliegt. Es ist bekannt, das die Fähigkeit Enzyme herzustellen, die die Umwandlung von komplexen und schwer abbaubaren Verbindungen, wie Lignin-Cellulose in kleinere Einheiten wie Mono-und Oligomere katalysieren, bestimmten Taxa vorbehalten ist. So ist es anzunehmen, dass die Abbaubarkeit des Substrats die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflusst. Aufgrund von Unterschieden in der metabolischen Anpassungsfähigkeit und der Unterschiedlichkeit der optimalen Nische der in der Synusie beteiligten Organismen, lässt sich erwarten, dass die Zusammensetzung der Mikrobiozönose durch unterschiedliche äußere Einwirkungen, insbesondere Störungen, verändert werden kann. Um diese drei Hypothesen zu überprüfen führten wir ein Mesokosmos-Experiment unter Laborbedingungen durch. Es wurde Laubstreu (Blätter) der Rotbuche (Fagus sylvatica) mit jeweils unterschiedlichen stöchiometrischen Verhältnissen von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor von vier verschiedenen Standorten in Österreich (Achenkirch, Klausenlopoldsdorf, Schottenwald und Ossiach) aufgesammelt und sterilisiert. Anschließend wurden die gesamte Laubstreu mit jeweils der gleichen Boden-Suspension (und den darin enthaltenen Mikroben) eines der Standorte inokuliert. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und die Zuwächse innerhalb dieser Gemeinschaft wurden über die Analyse von Phospholipid-Fettsäuren (PLFA) und sog. „Stable Isotope Probing“ von PLFA mit 13C angereicherten Aminosäuren gemessen. Es wurden die mikrobielle Biomasse durch ein Präextraktions-Chloroform-Extraktionsverfahren und die Atmung gemessen. Die Proteindepolymerisation, Nitrifikation, Stickstoff- und Phosphor- Mineralisierung, über sogenannte Pool-Verdünnungs-Ansätze mit (stabilen) Isotopen, sowie Enzymaktivitäten, Masseverlust, als auch die Stöchiometrie der Laubstreu, sowie die darin enthaltene Poolgröße einiger Elemente wurden parallel in anderen Teilen des MICDIF-Projekts gemessen. Unter Gleichgewichtsbedingungen fand zwischen den beiden Ernten eine Sukzession statt, welche mit Hilfe der Ähnlichkeitsanalyse (Globales R: 0,924, p <0,001), der multidimensionalen Skalierung (MDS) und Clusteranalyse nachgewiesen werden konnte. Diese Veränderung der Mikrobiozönose ging mit einem Rückgang der Dominanz der Pilze zugunsten der Bakterien einher (R ² 0,552, p <0,001). Wir konnten eine starke Wirkung der stöchiometrischen und qualitativen Eigenschaften der Laubstreu auf die strukturelle Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft nachweisen. Dies äußerte sich durch positive Korrelationen von Pilzen mit dem relativen Ligningehalt einerseits, als auch dem C:N Verhältnis der Streu andererseits. Nitrifikation und Nitrat-Immobilisierung als auch Cellulase- und Chitinase-Produktion wurden durch Pilze verbessert, während Bakterien positive Auswirkungen auf die Protein-Depolymerisierung , und in geringerem Umfang auch auf die Protease- und Phosphatase-Aktivität hatten. Wir fanden nur eingeschränkte Übereinstimmung zwischen dem Auftreten und Wachstum bestimmter Organismengruppen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft unter Gleichgewichtsbedingungen. Zusätzlich war und Gleichgewichtsbedingungen eine bessere Auflösung der unterschiedlichen Mikrobiozönosen nach Laubstreutypen und damit nach ihrer elementaren Stöchiometrie unter Verwendung der Abundanz-Daten gegenüber den Wachstums-Daten möglich. Nach dem Temperaturstress, waren diese verschiedenen Gemeinschaften unterschiedlich stark verändert. Mit abnehmender C: N Verhältnis der Laubstreu ergab sich eine zunehmende bakterielle Dominanz und Stressresistenz. Drei Monate nach der Stress-Behandlung waren die Gemeinschaften immer noch im Hinblick auf das Substrat unterscheidbar. Jedoch waren keine Unterschiede zwischen Behandlungen und Kontrollen nachweisbar. Wir folgern, dass die Laubstreu-Stöchiometrie auf die Mikrobiozönose, im Speziellen auch auf die Pilz-Bakterien-Dominanz eine starke Kontrolle ausübt. Diese hatte unmittelbaren Einfluss auf die Temperatur-Resistenz eben jener. Desweiteren wurde eine von der Laubstreu unabhängige, relativ hohe Resilienz (Rückstellvermögen, Widerstandsfähigkeit) drei Monate nach der Temperatur-Auslenkung gefunden.

Abstract

(Englisch)

Decomposition of plant material is the major process of nutrient recycling in ecology being driven by fungi and bacteria, processing about 90% of of the global terrestrial plant biomass. The decomposing microbial community composition (MCC) may be affected in three different ways: Ecological stoichiometry theory predicts microbial community composition being subject to the relative elemental composition of the substratum assimilated. Within different taxa unequal abilities of converting complex and recalcitrant compounds like ligno-cellulose into smaller ones (mono- and oligomers) by producing depolymerising exoenzymes exist. Thus, recalcitrance of the substratum will most likely determine composition of the microbial community. Due to differences in metabolic adaption and optimum, community composition may be altered differently by environmental stress. To address these three hypothesis, we conducted a laboratory mesocosm experiment with beech (Fagus sylvatica) litter from 4 different sites in Austria (Achenkirch, Klausenlopoldsdorf, Schottenwald, and Ossiach) all of which possessing different stoichoimetric ratios of carbon, nitrogen and phosphorous. Litter was sterilized and subsequently inoculated with the same suspension of soil containing microbes from one of the sites. Microbial community composition and differential growth within this community was assessed via analysis of phospholipid fatty acids (PLFA) and stable isotope probing of PLFA with 13C enriched amino acids.Microbial biomass by extraction-fumigation-extraction method and respiration was measured. Protein depolymerisation, nitrification, nitrogen mineralization and phosphorous mineralization via pool dilution assays of (stable) isotopes, as well as enzyme activities, mass loss and stoichiometry of the litter, and pool sizes of several elements were measured in parallel by other parts of the MICDIF-project. Two harvest with three months in between were performed. Under equilibrium conditions we found a community change between the two harvest by analysis of similarity (Global R: 0.924, p< 0.001), multidimensional scaling (MDS) and cluster analysis. This was change went along with a decrease of fungal-bacterial dominance (R²: 0.552, p <0.001). We found a strong effect of litter quality and chemistry on structural microbial community composition with a positive correlation of fungi with relative lignin content and C:N of the litter. Nitrification and nitrate immobilization, and cellulase and chitinase production were enhanced by fungi, while bacteria had positive effects on protein depolymerization, and to a lower extent protease and phosphatase activity. Under “equilibrium” conditions we found a restricted accordance between abundance and growth of the microbial community. Resolution between the different microbial community compositions according to litter type and therefore to their elemental stoichiometry was better when using the abundance- then the growth-data. When temperature-stressed, this different communities were differently strong altered. With decreasing litter C:N and increasing bacterial dominance, stress resistance increased. After three months the communities were still distinguishable with regard to litter type, and no selection for community members being generally more resilient or faster growing was found. We conclude that litter stoichiometry had a strong influence on microbial community composition and fungal bacterial dominance, resulting in differential resistance to temperature stress and a relative high resilence after 3 months which was not subject to litter type.

Autor*innen

Alexander Frank

Haupttitel (Englisch)

Effects of resource stoichiometry and stress on the structural and functional microbial community composition of decomposing beech litter

Paralleltitel (Deutsch)

Die Auswirkungen von Ressourcen-Stöchiometrie und Störung auf die Buchenlaub dekompostierende, strukturelle und funktionelle mikrobielle Gemeinschaft

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

99 S. : graf. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Wolfgang Wanek

Klassifikation

42 Biologie > 42.91 Terrestrische Ökologie

AC Nummer

AC08451349

Utheses ID

10774

Studienkennzahl

UA | 444 | | |

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Schlagwörter