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Who's active in future soils?
unraveling the growth response of bacterial taxa under climate change
Dennis André Metze
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
Betreuer*innen
Christina Kaiser ,
Andreas Richter
DOI
10.25365/thesis.75168
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24853.54886.161567-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Boden ist wohl das komplexeste und vielfältigste Ökosystem auf der Erde und wird von tausenden unterschiedlichen Mikroorganismen bevölkert. Die meisten von ihnen sind inaktiv, während nur ein kleiner Teil der mikrobiellen Gemeinschaft aktiv wächst und wichtige biogeochemische Prozesse im Boden vorantreibt. Bodenmikroorganismen beeinflussen, ob organischer Kohlenstoff im Boden verleibt oder als CO2 in die Atmosphäre abgegeben wird. Dadurch spielen sie eine entscheidende Rolle für den Klimawandel. Die globalen Oberflächentemperaturen könnten bis zum Ende des Jahrhunderts um 2.2 °C bis 3.5 °C ansteigen, während Dürren voraussichtlich häufiger, länger und intensiver werden. Es ist weitestgehend unbekannt wie aktive Bodenmikroorganismen auf diese veränderten Bedingungen reagieren werden und unser bisheriges Verständnis begrenzt sich häufig auf Messungen der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft, welche die vielfältigen Reaktionsmöglichkeiten einzelner Taxa außer Acht lassen. Dieses Wissen ist jedoch essenziell, um die Wechselwirkungen zwischen Boden und Klima besser voraussagen zu können Im Rahmen dieser Dissertation habe ich den Einfluss von Erwärmung, Dürre, und erhöhten CO2-Konzentrationen, sowie deren Zusammenspiel, auf die aktive Gemeinschaft von Bakterien und Archaeen untersucht. Hierfür habe ich das Wachstum individueller Taxa mittels quantitative stable isotope probing (qSIP) gemessen, einer Methode, die mikrobielles Wachstum über den Einbau isotopisch markierten Wassers (18O-H2O) in mikrobielle DNA bestimmt. Um die Bodenfeuchte unserer Proben konstant zu halten, habe ich eine neue qSIP- Methodik namens vapor-qSIP etabliert. Diese nutzt Wasserdampf aus einem externen Wasserreservoir, um Bodenwasser mit 18O anzureichern (water vapor equilibration). So muss kein 18O-Wasser direkt zugeben werden, was normalerweise die Aussagekraft der Messungen - besonders in trockenen Böden – verringert. Die erste Studie dieser Dissertation dreht sich um den Effekt von Sommerdürre auf die aktive Gemeinschaft von Bakterien und Archaeen. Sommerdürre wurde im Rahmen eines multifaktoriellen Klimawandelexperimentes in einem Grünland in Steiermark unter aktuellen als auch zukünftigen klimatischen Bedingungen (sechs Jahre + 3 °C Erwärmung und + 300 ppm CO2) simuliert. Dürre führte dazu, dass mehr als 90 % der Taxa, die im Normalboden aktiv waren, aufhörten zu wachsen. Der Anteil aktiver Taxa von der Gesamtgemeinschaft verringerte sich von 35 % auf 4 %. Das bakterielle Wachstum in den trockenen Böden wurde von Mitgliedern des Phylums Actinobacteriota - besonders der Gattung Streptomyces - dominiert. Waren die Böden in den sechs vorherigen Jahren einem simulierten Zukunftsklima ausgesetzt, milderte das die Auswirkungen der Dürre. Mehr Taxa schienen dürretolerant and es waren noch 9 % der bakteriellen Gemeinschaft aktiv. Für die zweite Studie habe ich subarktische Wiesenböden, die seit mehr als 50 Jahren natürlicher Erwärmung (+ 6 °C) ausgesetzt waren, untersucht. Langzeiterwärmung führte dazu, dass die Diversität wachsender Bakterien als auch deren Anteil an der Gesamtgemeinschaft größer wurde. Einzelne Bakterienpopulationen schienen hingegen im Durchschnitt nicht schneller zu wachsen. Die Zusammensetzung der aktiven Gemeinschaft veränderte sich in erwärmten Böden und das Wachstum wurde von anderen Bakterien als in den Kontrollböden dominiert. Insgesamt erhöhten steigende Temperaturen das Gesamtwachstum der bakteriellen Gemeinschaft. Jedoch konnte dieser Anstieg nicht darauf zurückgeführt werden, dass die gleichen Bakterien wie in den Kontrollböden schneller wuchsen, sondern dass viele zusätzliche Taxa aktiv wurden und somit die aktive Gemeinschaft an sich größer wurde. Darüber hinaus veränderten die mehr als 50 Jahre Erwärmung wie Pflanzenwurzeln Bodenmikroorganismen beeinflussten. Die dazugehörigen Daten basierten auf einem Experiment innerhalb dessen Wurzeln entweder daran gehindert oder nicht daran gehindert wurden in Bodenzylinder einzuwachsen, die im Feld eingesetzt wurden. Während Wurzeln unter Normalbedingungen den Bodenmikroorganismen halfen besser zu wachsen, ging dieser Effekt mit Erwärmung verloren. Im Rahmen dieser Dissertation konnte ich zeigen, welche Bakterien und Archaeen in vom Klimawandel betroffenen Böden potenziell noch aktiv sind und wachsen. Dieser Ansatz kann dazu beitragen Umwelteinflüsse auf das Bodenmikrobiom zuverlässiger zu bestimmen, Eigenschaften einzelner Mikroorganismen leichter zu charakterisieren, und mikrobielle Reaktionsmechanismen besser zu verstehen.
Abstract
(Englisch)
Soil is arguably the most complex and diverse ecosystem on Earth, inhabited by a plethora of different microorganisms. While many of them are dormant or inactive at any given time, it is the fraction of active microbes that is driving all biogeochemical processes in soil. They control the fate of soil organic carbon and, therefore, play a crucial role in the climate system. Global surface temperatures are predicted to reach 2.2°C - 3.5 °C by the end of the century, and droughts are expected to become longer, more frequent, and intense. Understanding how active soil microbes respond to climate change is fundamental in predicting soil-climate feedbacks. In this thesis, I investigated how three main global change factors (warming, drought, elevated atmospheric CO2), alone or in combination, affected the active community of bacteria and archaea by measuring taxon-specific growth rates using quantitative stable isotope probing (qSIP). To avoid rewetting of dry soils via direct additions of liquid 18O-water, I established vapor-qSIP, a novel technique that uses water vapor equilibration to enrich soil water in 18O. In montane grassland soils exposed to drought, potential future climate conditions (+ 3 °C warming and + 300 ppm atmospheric CO2 over six years), and a combination of both, drought caused > 90 % of the bacterial and archaeal taxa active in control soils to stop growing. The percentage of active taxa in the total community shrunk from 35 % to 4 %. Bacterial growth in drought-affected soils was dominated by specialized members of the Actinobacteriota, particularly the genus Streptomyces. Six years of pre-exposure to future climate conditions alleviated drought effects on bacterial growth via more drought-tolerant taxa and a larger active community (9%). In long-term warmed (> 50 years) (Sub)Arctic grassland soils, I found that elevated temperatures (+ 6° C) increased the number of growing bacterial taxa, including the size of the active community, but did not give rise to generally faster-growing populations. The composition of the active community shifted in long-term warmed soils and bacterial growth was dominated by distinct taxa. Hence, increased bacterial community growth in long-term warmed soils was not driven by faster-dividing populations of taxa also active at ambient temperatures but by the activated growth of new taxa. Furthermore, long-term warming changed the direction of root-microbe interactions from positive to neutral based on data from in-situ installed root ingrowth and root exclusion cores. While roots promoted higher microbial growth rates at ambient conditions, this effect was lost with warming. In this thesis, I opened the microbial black box behind community-aggregated measurements, providing new insights into which bacteria and archaea are still growing in climate change- affected soils. The presented taxon-resolved approach allowed us to capture environmental effects on the soil microbiome more reliably, helped to characterize microbial traits, and improved our understanding of the mechanisms underlying the microbial response to climate change which is crucial for more accurate soil carbon projections.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Bodenökologie mikrobielle Ökologie mikrobielles Wachstum Klimawandel Dürre Erwärmung
Schlagwörter
(Englisch)
Soil ecology microbial ecology microbial growth climate change drought warming
Autor*innen
Dennis André Metze
Haupttitel (Englisch)
Who's active in future soils?
Hauptuntertitel (Englisch)
unraveling the growth response of bacterial taxa under climate change
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
126 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Jennifer Pett-Ridge ,
Egbert Schwartz
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
42 Biologie > 42.91 Terrestrische Ökologie
AC Nummer
AC17054634
Utheses ID
69645
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |