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Changes in high-molecular weight compounds during beech litter decomposition

Vanja Majstorovic

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Wolfgang Wanek

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DOI

10.25365/thesis.15008

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29451.48979.772860-1

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Im Zuge des MICDIF („Linking microbial diversity and functions across scales and ecosystems”) Projektes wurde diese Studie zum Abbau von Buchenstreu durchgeführt. Das Hauptziel war, potentielle intraspezifische Unterschiede während des Abbaus von Buchenstreu aufgrund unterschiedlicher chemischer Streuzusammensetzung aufzudecken. Unterschiede in der Streuzusammensetzung betrafen dabei den Lignin- und Cellulosegehalt, die C:N:P Quotienten und essentielle Nährelemente wie Ca, K, Mg, Fe, Mn und Zn. Dazu wurden Mesokosmos-Experimente durchgeführt. Hierzu wurde Buchenstreu unterschiedlicher Standorte (Achenkirch, Klausen-Leopoldsdorf, Ossiach und Schottenwald) gesammelt und für 15 Monate unter gleichen Bedingungen in einer Klimakammer (Temperatur: 15°C) inkubiert. Nach Inkubationszeiten von drei, sechs und fünfzehn Monaten wurden Proben entnommen und gemeinsam mit der ursprünglichen Steu untersucht. Die Analysenmethode war eine Pyrolyse-GC/MS mit vorangehender sogenannter „thermally assisted hydrolysis and methylation (THM)“, d.h. einer thermisch unterstützten Hydrolysierungs- und Methylierungsreaktion. Als Methylierungsreagenz wurde eine methanolische Lösung von Tetramethylammoniumhydroxid eingesetzt. Unter Einbeziehung von bereits erfassten MICDIF Daten konnten folgende Ergebnisse beschrieben werden. Im Allgemeinen verlief der Abbau von Buchenstreu eher langsam; der Massenverlust lag nach 15 Monaten nur zwischen sechs und elf Prozent. Der Lignin-Abbau verlief hauptsächlich nach den Mustern, die für den Abbau von Lignin von Berg und Staaf im Jahre 1980 beschrieben wurden. Diesem Modell zufolge wird der Lignin-Abbau in den frühen Phasen des Streuabbaus durch leicht verfügbare und zersetzbare organische Substanz, wie zum Beispiel Zucker und Cellulose, behindert, da diese von den Mikroorganismen bevorzugt werden. Fettsäuren, die aus pflanzlichen Wachsen stammen, konnten während der Inkubationszeit und unter den gegebenen Bedingungen nicht abgebaut werden. Die weitere Analyse der Fettsäuremethylester ergab signifikante Unterschiede in mikrobieller Gemeinschaftsstruktur während des Streuabbaus. Diese Unterschiede konnten anhand zweier Streutypen (Schottenwald und Ossiach) gut gezeigt werden. Die Streuproben aus Schottenwald (gekennzeichnet durch hohe Stickstoff- und Mangankonzentrationen) wurden primär von Pilzen besiedelt, welche Cellulose und in geringerem Ausmaß auch Lignin abbauten. Erst nach einiger Zeit erfolgte die Besiedelung auch durch Bakterien. Im Vergleich dazu, wurden in den Proben aus Ossiach (gekennzeichnet durch niedrige Stickstoff- und Mangankonzentrationen) zu Beginn des Abbaus hauptsächlich Bakterien vorgefunden. Dies hatte zur Folge, dass Lignin angereichert wurde. Im Verlauf des Abbauprozesses nahm die pilzliche Biomasse zu und Lignin wurde verstärkt abgebaut. Unter den gegebenen Versuchsbedingungen waren Pilze die wichtigsten Zersetzer von primären Streukomponenten wie Cellulose und Lignin, wohingegen Bakterien sich als die geeigneten Zersetzer für Sekundärsubstrate erwiesen. THM eignet sich besonders gut für die Analyse von Fettsäuren, Ligninen und Aromaten, ist aber für Kohlenhydrate und Stickstoffverbindungen eher unzureichend. Daher wäre es sinnvoll, den Einfluss der chemischen Streuzusammensetzung auf den Streuabbau und die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur und Aktivität auch mit anderen analytischen Pyrolyse-Methoden zu untersuchen.

Abstract

(Englisch)

This study on beech (Fagus sylvatica L.) litter decomposition was performed within the framework of the MICDIF (-“Linking microbial diversity and functions across scales and ecosystems”) FWF-project. The major aim was the investigation of potential intraspecific differences in beech litter decomposition due to differences in carbon quality and litter chem-istry (i.e. lignin and cellulose content, C:N:P ratios and essential elements such as Ca, K, Mg, Fe, Mn and Zn). Therefore a mesocosm experiment was carried out and beech litter collected at four different sites in Austria (Achenkirch, Klausen-Leopoldsdorf, Schottenwald and Os-siach) was incubated in a climate chamber at 15 °C for 15 months. Initial litter as well as litter samples collected after three, six and fifteen month of incubation were analysed. Litter carbon quality was analyzed by thermally assisted hydrolysis and methylation (THM) linked to pyro-lysis – gas chromatography/mass spectrometry. A methanolic solution of tetramethylammo-nium hydroxide (TMAH) was used as alkylation reagent. Generally, beech litter decomposition proceeded slowly; mass loss after 15 months ranged between 6 and 11%. Lignin degradation followed mainly the model for lignin decay established by Berg and Staaf (1980). Thereby lignin degradation is hampered in the early stages of decay due to easily available and decomposable organic matter, e.g. glucans such as sugars and cellulose, which are preferentially used as carbon and energy source by microor-ganisms. Fatty acids derived from plant waxes were not degraded during the incubation pe-riod. Moreover the analysis of fatty acid methyl esters showed significant intraspecific differ-ences in microbial community structure during the decomposition process. Differences in microbial community structure may be linked to differences in litter chemistry and degrada-tion patterns. On the basis of litter from Schottenwald and Ossiach this effect could be seen. Litter from Schottenwald (high N and Mn concentrations) was firstly colonized by fungi which forced cellulose and to some extent also lignin degradation. Later on, the litter was also colonized by bacteria. In comparison, bacteria were the dominant microorganisms in litter from Ossiach (low N and Mn concentrations) during the first period, when lignin accumu-lated. As litter decomposition proceeded, fungal biomass increased resulting in enhanced lig-nin degradation. Under the given conditions, fungi therefore were the main decomposer or-ganisms of primary resources such as cellulose and lignin and bacteria were better adapted to the degradation of secondary resources produced by fungi. The THM method used in this study was more amenable to fatty acids, aromatic com-pound and lignins then to carbohydrates and nitrogen-containing compounds. Thus it would be reasonable to analyse the effects of litter chemistry on litter decomposition and microbial community structure with other methods such as analytical pyrolysis GC/MS as well.

Autor*innen

Vanja Majstorovic

Haupttitel (Englisch)

Changes in high-molecular weight compounds during beech litter decomposition

Paralleltitel (Deutsch)

Veränderung der Muster an hoch-molekularen Pflanzeninhaltsstoffen beim Abbau von Buchenlaubstreu

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

50 S. : graf. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Wolfgang Wanek

Klassifikation

42 Biologie > 42.97 Ökologie: Sonstiges

AC Nummer

AC08581493

Utheses ID

13466

Studienkennzahl

UA | 190 | 445 | 423 |

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