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Does long-term soil warming affect microbial element limitation?
a test by short-term assays of microbial growth responses to labile C, N and P additions
Chupei Shi
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Interdisziplinäres Masterstudium Environmental Sciences
Betreuer*in
Wolfgang Wanek
DOI
10.25365/thesis.63715
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26863.63503.293364-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Seit der industriellen Revolution wurde durch das Einwirken der Menschen eine globale Erwärmung um
0, 95 °C verursacht und die Durchschnittstemperatur in Österreich ist seit 1880 um fast 2 °C gestiegen. Es
wurde berichtet, dass die erhöhten globalen Durchschnittstemperaturen nicht nur den Kohlenstoff (C)
Zyklus sondern auch die Dynamik von Stickstoff (N)- und Phosphor (P) in terrestrischen Ökosystemen
beschleunigen. Das Ausmaß der durch die Erwärmung verursachten Zunahme der C-, N- und P Prozessen
in der Erde kann jedoch unterschiedlich sein, was zu einer eventuellen Entkopplung der
biogeochemischen C-, N- und P Zyklen und zu veränderten elementaren Ungleichgewichten zwischen
verfügbaren Pflanzen-, Bodenressourcen- und bodenmikrobiellen Gemeinschaften führt. Die veränderte
Dynamik von Boden C- und Nährstoffverfügbarkeit, die durch eine erhöhte Bodentemperatur verursacht
wird, könnte das wachstumslimitierende Element für Bodenmikroorganismen ändern und sich stark auf
die Zersetzung, Mineralisierung und Sequestrierung von organischem C und Nährstoffen auswirken.
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Letzteres bezieht sich auf die konservative Verarbeitung und den Kreislauf von limitierenden Elementen
durch Mikroben während überschüssige Elemente mineralisiert und von mikrobiellen Gemeinschaften
freigesetzt werden.
Trotz der vielen Labor- und In-situ Studien in denen Faktoren untersucht wurden, die die mikrobielle
Aktivität im Boden beschränken, untersuchten die meisten von ihnen die Auswirkungen der
Nährstoffzugabe auf die CO2 Produktion oder die Enzymaktivitäten. Eine kritische Bewertung zeigte
jedoch deutlich, dass diese Maßnahmen unangemessen sind, um wachstumslimitierende Nährstoffe für
Bodenmikroben zu identifizieren. Ähnlich wie bei Studien über wachstumslimitierenden Nährstoffen für
Pflanzen kann eine eindeutige Bewertung der wachstumslimitierenden Elementen für Mikroorganismen
in der Erde nur aus der Reaktion des mikrobiellen Wachstums auf Nährstoffzugabe abgeleitet werden.
Nach unserer Kenntnis wurde dies bisher nicht in Erden durchgeführt, welche einer langfristigen
Bodenerwärmung ausgesetzt waren.
In dieser Studie untersuchten wir daher den Einfluss der langfristigen Bodenerwärmung auf die
mikrobielle Nährstofflimitation anhand von Messungen des mikrobiellen Wachstums in einem
gemäßigten kalkhaltigen Waldboden. Im Achenkirch-Bodenerwärmungsprojekt (>15 Jahre
Bodenerwärmung um + 4 °C) wurden Bodenproben aus zwei Bodentiefen (0-10 cm, 10-20 cm) sowohl in
Kontroll- als auch in beheizten Parzellen entnommen. Die Proben wurden nach dem Sieben und Entfernen
der sichtbaren Wurzeln bei ihrer entsprechenden Feldtemperatur inkubiert. Verschiedene
Kombinationen von Glucose-C, anorganischem/organischem N und anorganischem/organischem P in
einem vollständig faktoriellen Design wurden anschließend den Erden zugeführt, wobei diese Substrate
vorher in 18O-Wasser gelöst wurden. Nach 24 Stunden Inkubation wurde das mikrobielle Wachstum
basierend auf dem 18O-Einbau in genomischer DNA gemessen. Die wachstumslimitierten Elemente
wurden durch Vergleichen des mikrobiellen Wachstums in den C und Nährstoffe zugeführte Erden mit
Erden welcher nichts zugegeben wurde, bestimmt. Die CO2 Produktion durch Bodenmikroorganismen
wurde beruhend auf den Anstieg des Headspace-CO2 gemessen, wodurch die Effizienz der mikrobiellen CNutzung (CUE) abgeschätzt werden konnte. Das Schicksal vom zugegebenem C- und den Nährstoffen
wurde schließlich durch Messungen der anorganischen und organischen extrahierbaren und mikrobiellen
Biomasse C, N und P verfolgt. Diese Studie wird damit wichtige Einblicke in mögliche Wechselungen von
limitierenden Elementen für das mikrobielle Wachstum unter langfristiger Bodenerwärmung liefern und
gleichzeitig in deren Auswirkungen auf Boden C und Nährstoffkreisläufe.
Wir nehmen folgende Hypothese an: (i) Das Wachstum von Bodenmikroorganismen von zwei
Feldtemperaturen und Bodentiefen sind hauptsächlich durch C begrenzt. (ii) Frühere Studien vor Ort
zeigten eine beschleunigte mikrobielle Verarbeitung von SOM, was durch eine stabile positive Reaktion
von CO2 Produktion des Bodens (~ 40% Zunahme) aufgrund der Erwärmung angezeigt wird.
(Schindlbacher et al., 2012). Anlässlich der im Vergleich zu C und N weniger engen Kopplung zwischen der
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Versorgung der verfügbarem Boden C und P könnte eine Bodenerwärmung von über 15 Jahren
möglicherweise die Verfügbarkeit von N in größerem Maße verbessern, was zu einer mikrobiellen PLimitation führen könnte. (iii) Das mikrobielle Wachstum wird unterschiedlich auf die Zugabe von
organischem und anorganischem Nährstoffen reagieren, da die Effizienz der Assimilation von Substrat von
der Aktivität spezifischer Transporter auf die mikrobielle Zellmembran und die elementare Limitation von
Bodenmikroorganismen abhängt.
Unser Ergebnis zeigte, dass die Erwärmung-induzierte Dynamik in Boden C-, N- und P Prozessen seit 2005
zu einer starken CP Co-Limitation des mikrobiellem Wachstum geführt hat, während Mikroben in
ungeheizten Parzellen hauptsächlich durch C begrenzt waren. Darüber hinaus begrenzte C immer noch
hauptsächlich das mikrobielle Wachstum in beiden Bodentiefen und Bodentemperaturen. Mikroben
zeigten eine stärkere Wachstumsreaktion unter Zugabe von kombiniertem Glukose- und anorganischen
Nährstoffen im Vergleich zur organischen Nährstoffzugabe mit dem gleichen molaren Verhältnis von C zu
Nährstoffen. Eine schwächere Aktivität der Transporter von spezifischen organischen Nährstoffen auf die
mikrobielle Zellmembran könnte diesen Befund erklären. Darüber hinaus wurde Glucosamine in
Glucosamine-6-P (enthält C, N und P) effizienter mineralisiert als Glucosamine (enthält C und N)
behandelte Erden, was mit dem direkten Nachweis einer starken P-Limitation in beheizten Parzellen
zusammenfällt, da das Ausfallen einer P-Limitation mikrobielle Mineralisation von Glucosamine effizienter
machen würde (Growth rate Hypothese). Unsere Ergebnisse bestätigten, dass das C:P-Verhältnis in der
mikrobiellen Biomasse nicht homöostatisch war, als die Erde für eine hohe Verfügbarkeit von labilem P
anfällig waren (solange der Boden nicht mit P übersättigt ist). Wir fanden auch heraus, dass die organische
P-Mineralisierung hauptsächlich durch den mikrobiellen P-Bedarf sowohl in C-limitierten als auch in CPco-limitierten gemäßigten Waldböden ausgelöst wurde.
Abstract
(Englisch)
Human activities have caused global warming by 0.95 °C since the industrial revolution, and average
temperatures in Austria have risen by almost 2 °C since 1880. Increased global mean temperatures have
been reported to accelerate carbon (C) cycling, but also to promote nitrogen (N) and phosphorus (P)
dynamics in terrestrial ecosystems. However, the extent of warming-induced increases in soil C, N and P
processes can differ, causing an eventual uncoupling of biogeochemical C, N and P cycles, and leading to
altered elemental imbalances between available plant and soil resources and soil microbial communities.
The altered dynamics in soil C and nutrient availability caused by increased soil temperature could shift
the growth-limiting element for soil microorganisms, with strong repercussions on the decomposition,
mineralization and sequestration of organic C and nutrients. The latter relates to the conservative cycling
of limiting elements while elements in excess are mineralized and released at greater rates by microbial
communities.
Despite the many laboratory and in situ studies investigating factors that limit soil microbial activity, most
of them explored nutrient addition effects on soil respiration or soil enzyme activities. A critical
assessment, however, clearly indicated the inappropriateness of these measures to deduce growthlimiting nutrients for soil microbes. Similar to studies of plant nutrient limitation, unequivocal assessment
of soil microbial element limitation can only be derived from the response of microbial growth to element
amendments. To our knowledge this has not been performed on soils undergoing long-term soil warming.
In this study, we therefore investigated the effect of long-term soil warming on microbial nutrient
limitation based on microbial growth measurements in a temperate calcareous forest soil. Soil samples
were taken from two soil depths (0-10, 10-20 cm) in both control and heated plots in the Achenkirch soil
warming project (>15 yrs soil warming by + 4 °C). Soil samples were pre-incubated at their corresponding
field temperature after sieving and removal of visible roots. The soils were amended with different
combinations of glucose-C, inorganic/organic N and inorganic/organic P in a full factorial design, the
nutrients being dissolved in 18O-water. After 24 hours of incubation, microbial growth was measured
based on the 18O incorporation into genomic DNA. Nutrient (co)limitation was determined by comparing
microbial growth responses upon C and nutrient additions relative to unamended controls. Basal
respiration was also measured based on the increase in headspace CO2, allowing to estimate microbial C
use efficiency (CUE). The fate of C and nutrient amendments was finally traced by measurements of
inorganic and organic extractable and microbial biomass C, N and P. This study will thereby provide key
insights into potential shifts in limiting nutrients for microbial growth under long-term soil warming, and
into concomitant effects on soil C and nutrient cycles.
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We hypothesize the following: (i) soil microorganisms at two field temperatures (control soils: 16 °C,
heated soils: 20 °C) and from two soil depths (0-10 cm, 10-20cm) are primarily limited by C. (ii) Previous
studies at the same site displayed accelerated microbial processing of SOM indicated by stable positive
response (~40% increase) of soil respiration to warming (Schindlbacher et al., 2012). Due to less tight
coupling between the supply of soil available C and P compared to C and N, >15 yrs soil warming could
potentially enhance soil N availability to a larger extent, leading to microbial P limitation. (iii) As the
efficiency of microbial substrate assimilation depends on the activity of specific transporters on cell
membrane and microbial element limitation, microbial growth would respond differently to organic and
inorganic nutrient additions of the same molar C to nutrient ratios.
Our result showed that warming-induced dynamics in soil C, N and P processes since 2005 caused soil
microorganisms from being mainly C-limited in control soils to CP co-limited in heated soils at both soil
depths. In addition to that, C still primarily limited microbial growth in both heated and control soils at
both soil depth. Microbes showed stronger growth stimulation under combined glucose and inorganic
nutrient amendments compared to organic nutrient additions. Lower activity of organic nutrient
transporters could explain this finding. Moreover, glucosamine was mineralized more efficiently in
glucosamine-6-P (contains C, N and P) compared to glucosamine (contains C and N) treated soils, which
coincides with the direct evidence of strong P limitation in heated plots, as the alleviation of P limitation
would make microbes more active in mining C by mineralizing glucosamine. Our results confirmed that
C:P ratio within microbial biomass was non-homeostatic when the soil was susceptible to high labile P
availability, irrespective of native nutrient status of the soil (as long as the soil is not over-saturated with
P). We also found that organic P mineralization was triggered primarily by microbial P demand in both C
limited and CP co-limited temperate forest soils.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Carbon nitrogen phosphorous
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohlenstoff Stickstoff Phosphor
Autor*innen
Chupei Shi
Haupttitel (Englisch)
Does long-term soil warming affect microbial element limitation?
Hauptuntertitel (Englisch)
a test by short-term assays of microbial growth responses to labile C, N and P additions
Paralleltitel (Deutsch)
Beeinflusst die langfristige Bodenerwärmung die mikrobielle Element-Einschränkung? : ein Test durch Kurzzeittests der mikrobiellen Wachstumsreaktionen auf labile C-, N- und P-Additionen
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
50 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfgang Wanek
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines
AC Nummer
AC15756078
Utheses ID
56526
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |