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High molecular weight compounds in beech litter decomposition

Lukas Kohl

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Andreas Richter

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DOI

10.25365/thesis.17188

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29827.76947.328859-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Lignin ist ein Hauptbestandteil von Pflanzenstreu, und wird als in der hoch resistent gegenüber Abbauprozessen eingeschätzt. Im Gegensatz dazu sind Kohlenhydratpolymere (Cellulose und Stärke) für Mikroorganismen verhältnismäßig leicht verfügbare Kohlenstoffquellen. Klassische Konzepte des Streuabbaus gehen davon aus, dass Ligin während frühen Abbaustadien angereichert und erst abgebaut wird, wenn hohe Ligninkonzentrationen den Abbau anderer Substanzen einschränken. Vor Kurzem konnte gezeigt werden, dass die Ligninabbaurate auch Beginn der Streuabbaus am höchsten Ligninabbauraten sein kann. Ein starker Einfluss des Stickstoffgehaltes auf den Streuabbau wird vermutet, da Stickstoffdüngung in ligninarmer Streu zu einem schnelleren, in ligninreicher Streu aber zu einem langsameren Masseverlust führen. Desweiteren konnte bereits gezeigt werden, dass Stickstoffzugabe den Ligninabbau verlangsamt. In dieser Arbeit werden Lignin- und Kohlenhydratabbauraten während Streuabbau mit Pyrolyse-GC/MS bestimmt. Buchenlaub mit unterschiedlichem N- und P-Gehalt und unterschiedlicher C:N- und C:P-Stöchiometrie wurden an vier verschiedenen Orten in Österreich gesammelt, sterilisiert und mit einer Mischung aus Streu und oberstem Bodenhorizont eines Standortes innokuliert, um sicherzustellen, dass zu Beginn des Experiments stets die selbe mikrobielle Gemeinschaft vorhanden ist. Anschließend wurde das Buchenlaub in Mesokosmen bis zu 15 Monate lang unter kontrolierten Umweltbedingungen inkubiert. Lignin- und Kohlenhydratabbauraten wurden für zwei Perioden (0-6 und 6-15 Monate) bestimmt und mit potentieller Cellulase-, Phenol- und Peroxidaseaktivitäten verglichen. Das Pilz/Bakterien-Verhältnis aus Metaproteomanalysen wurde genutzt um die mikrobiellen Gemeinschaften zu charakterisieren. Kohlenhydrateabbauraten waren währen des gesamten Experiments positiv mit dem N Gehalt und negativ mit dem C:N Verhältnis in der Streu korreliert, während der Ligninabbau diesem Trend nur in der zweiten Periode (6-15 Monate) folgte. Während der ersten Periode war der Ligninabbau negativ mit dem P-Gehalt und positiv mit dem C:P-Verhältnis des Laubs und korreliert. Der Ligninabbau wurde am besten durch das Verhältnis C:P\textsubscript{Streu}/C:P\textsubscript{Mikrobielle Biomasse} beschrieben, was die Annahme nahelegt, dass der beobachtete frühe Ligninabbau durch P-Mangel gefördert wird. Pilze waren erfolgreicher als Bakterien in der Nutzung von leicht verfügbaren Kohlenstoffquellen und in der Kolonisierung von Streu mit hohem N- und P-Gehalt. Ihre Dominanz war in Streu mit hohen Ligninabbauraten geringer ausgeprägt. Diese Ergebnisse zeigen, dass bedeutende Mengen an Lignin bereits während der frühen Streuzersetzung abgebaut werden können. Dies wird durch N- und P-Limitierung und der Etablierung von mikrobiellen K-Strategen ausgelöst. Der frühe Ligninabbau war nicht an eine hohe Abundanz von Pilzen, die gewöhnlich als Träger des Ligninabbaus angenommen werden, oder stöchiometrische Bedingungen, die ihr Wachstum fördern, gebunden. Unterschiede in Ligninabbauraten gingen mit fortschreitender Sukzession verloren, sodass in späteren Abbaustadien sowohl Lignin- als auch Kohlenhydratabbau mit höheren N-Gehalten anstiegen.

Abstract

(Englisch)

Lignin is a major component of plant litter, and considered highly resistant against decomposition. Polymeric carbohydrates, in contrast, are more easily available carbon sources for microbes. Traditional concepts of litter decomposition propose that lignin remains unaltered during early litter decomposition and degraded only when its high content limits the degradation of other compounds. However, it has recently been shown that high lignin degradation rates may also occur during early decomposition. Nitrogen may strongly influence lignin degradation rates because nitrogen addition increases mass-loss in low-lignin litter, but decreases mass-loss in high-lignin litter. More specifically, it has also been demonstrated that lignin decomposition rates decreased when nitrogen was added to litter. In this work, pyrolysis-GC/MS was used to estimate lignin and carbohydrate degradation during litter decomposition. Beech litter with different N and P content and C:N and C:P ratio was collected at 4 different sites in Austria, sterilized and inoculated with a litter/top-soil mixture from one site to ensure that all litter share the same initial microbial community. Litter was then incubated in mesocosms for up to 15 months under controlled environmental conditions. Lignin and carbohydrate decomposition rates from 2 periods (0-6 month and 6-15 months) were compared with potential activities of cellulases, phenoloxidases and peroxidases. Fungi/bacteria ratios obtained from meta-proteome analysis were used to characterize changes in the microbial community composition. Carbohydrate decomposition rates were found to be positively correlated with litter N content and negatively with litter the C:N ratio during both periods, while lignin decomposition followed this trend only during the second period (6-15 months). Lignin decomposition during the first period was negatively correlated to litter P content and positively correlated to the litter C:P ratio. Lignin decomposition was best predicted by C:P\textsubscript{litter}/C:P\textsubscript{microbial} ratios, indicating that early lignin decomposition was promoted by P limitation of the microbial community. Fungi were more successful than bacteria in using readily available carbon during early litter decomposition and were more successful in colonizing litter with high N and P content. However, fungi were less dominant in litter that had higher lignin degradation rates. The results demonstrate that substantial amounts of lignin can be degraded during early decomposition, presumably triggered by N and P limitation and the establishment of K-strategist microorganisms. However, early lignin decomposition did not depend on high abundance of fungi, which are commonly assumed to mediate lignin decomposition or stoichiometric conditions that favor fungal growth. Differences in lignin decomposition rates were lost through microbial succession during litter decomposition, and both lignin and carbohydrate decomposition rates increased with N availability during later decomposition stages.

Autor*innen

Lukas Kohl

Haupttitel (Englisch)

High molecular weight compounds in beech litter decomposition

Paralleltitel (Deutsch)

Abbau hochmolekularer Substanzen in Buchenlaubstreu

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

61 S. : graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Andreas Richter

Klassifikation

42 Biologie > 42.97 Ökologie: Sonstiges

AC Nummer

AC08903842

Utheses ID

15405

Studienkennzahl

UA | 444 | | |

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