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Assessing the inhibitory potential of three biological nitrification inhibitors on an agricultural soil from Linz, Austria
Konstanze Kamilla Madani
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molecular Microbiology, Microbial Ecology and Immunobiology
Betreuer*in
Holger Daims
DOI
10.25365/thesis.77046
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21234.51344.577916-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Prozess der Nitrifikation ist ein zentraler Bestandteil des Stickstoffkreislaufs und spielt eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Ammoniak (NH₃) zu Nitrat (NO₃⁻). Dieser Vorgang wird durch Mikroorganismen wie ammoniakoxidierende Bakterien (AOB), ammoniakoxidierende Archaeen (AOA) und vollständige Ammoniakoxidierer, auch bekannt als Comammox, gesteuert. Diese Mikroorganismen oxidieren Ammoniak zuerst zu Nitrit (NO₂⁻) und anschließend zu Nitrat, welches dann von Pflanzen aufgenommen oder in verschiedenen Prozessen weiterverarbeitet werden kann. Obwohl die Nitrifikation für das Funktionieren von Ökosystemen und den Nährstoffkreislauf unerlässlich ist, hat sie auch eine Reihe von negativen Auswirkungen auf die Umwelt, insbesondere in landwirtschaftlichen Systemen. In der Landwirtschaft wird oft in großem Umfang Stickstoffdünger verwendet, was zu einem Überschuss an reaktivem Stickstoff im Boden führt. Dies kann zu problematischen Prozessen wie der Nitratauswaschung führen, bei der überschüssiges Nitrat ins Grundwasser gelangt und es kontaminiert. Darüber hinaus kann die Nitrifikation auch zur Freisetzung von Lachgas (N₂O), einem starken Treibhausgas, führen. Lachgas trägt erheblich zur globalen Erwärmung bei und ist daher eine bedeutende Herausforderung in der Diskussion über nachhaltige Landwirtschaft und den Klimawandel. Um die negativen Folgen der Nitrifikation zu mindern, werden in der konventionellen Landwirtschaft synthetische Nitrifikationshemmer eingesetzt. Diese chemischen Verbindungen verlangsamen die Umwandlung von Ammoniak in Nitrat und reduzieren damit sowohl die Nitratauswaschung als auch die Emission von Treibhausgasen. Allerdings stehen synthetische Nitrifikationshemmer zunehmend in der Kritik, da sie die Bodenökologie und die natürlichen mikrobiellen Gemeinschaften stören können. Zudem sind sie nicht immer nachhaltig und könnten langfristig unerwünschte Auswirkungen auf das Bodenleben haben. Eine vielversprechende Alternative zu den synthetischen Hemmern sind biologische Nitrifikationsinhibitoren (BNIs). BNIs sind natürliche Verbindungen, die von Pflanzen produziert werden und ebenfalls in der Lage sind, den Nitrifikationsprozess zu unterdrücken. Diese pflanzlichen Substanzen könnten eine umweltfreundlichere Lösung für das Problem der Nitrifikationverschmutzung darstellen, da sie biologisch abbaubar sind und weniger schädliche Auswirkungen auf die Bodenmikroorganismen haben. Allerdings variiert die Wirksamkeit von BNIs je nach Bodentyp, Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und Umweltbedingungen erheblich. Ein umfassendes Verständnis dieser Faktoren ist daher entscheidend, um die effektive Anwendung von BNIs in der Landwirtschaft sicherzustellen. In dieser Studie haben wir die Wirksamkeit von drei spezifischen BNIs – MHPP, MHPA und Limonen – untersucht, indem wir ihre effektive Konzentration 50 (EC50) in landwirtschaftlichen Böden aus Linz, Österreich, bestimmt haben. Die EC50 gibt die Konzentration an, bei der die Nitrifikation um 50 % gehemmt wird, und ist ein wichtiger Indikator für die Wirksamkeit eines Inhibitors. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden mit Studien von Rojas et al. (2023) verglichen, die ähnliche Experimente an Böden aus dem Marchfeld und Wieselburg, Österreich, durchgeführt haben. Um die Effizienz der BNIs zu bestimmen, haben wir Boden-Wasser-Gemische mit unterschiedlichen Konzentrationen der jeweiligen Inhibitoren inkubiert und die Akkumulation von Nitrat mithilfe einer fluorometrischen Analyse gemessen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Effizienz der BNIs stark von den Bodeneigenschaften abhängig ist, einschließlich pH-Wert, Kupfer-, Ton- und Natriumgehalt sowie dem Gehalt an organischem Kohlenstoff. Zusätzlich zu den chemischen Analysen haben wir auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften in den Böden untersucht. Hierzu wurden 16S rRNA- und amoA-Gen-Amplikon-Sequenzierungen verwendet, um die Verteilung der wichtigsten Mikroorganismen zu analysieren. Insbesondere konnten wir feststellen, dass es eine hohe Diversität innerhalb der ammoniakoxidierenden Archaeen (AOA) gibt, während die ammoniakoxidierenden Bakterien (AOB) und die Comammox-Gruppe B meist von einigen wenigen dominanten Taxa vertreten werden. Zur weiteren Quantifizierung der mikrobiellen Gemeinschaften haben wir quantitative PCR (qPCR) eingesetzt. Unsere Studie unterstreicht die Bedeutung einer bodenspezifischen Herangehensweise bei der Anwendung von BNIs. Die Variabilität der Effizienz von BNIs je nach Bodenbeschaffenheit zeigt, dass es entscheidend ist, diese Faktoren zu berücksichtigen, um eine breitentaugliche und nachhaltige Anwendung in der Landwirtschaft zu ermöglichen. Letztlich könnten BNIs einen wichtigen Beitrag zu nachhaltigeren landwirtschaftlichen Praktiken leisten und dabei helfen, die Umweltauswirkungen von Stickstoffdüngern zu minimieren.
Abstract
(Englisch)
Nitrification is a critical step in the nitrogen cycle, involving the oxidation of ammonia (NH3) to nitrate (NO3−) by microorganisms such as ammonia-oxidizing bacteria (AOB), ammoniaoxidizing archaea (AOA), and complete ammonia oxidizers (comammox). Although this process is essential for nutrient cycling, it presents environmental challenges, especially in agricultural systems where reactive nitrogen is present in high quantities due to fertilization. In these systems, nitrate leaching can lead to groundwater contamination and increased greenhouse gas emissions, particularly nitrous oxide (N2O). To mitigate these issues, nitrification inhibitors (NIs) are employed to slow the conversion of ammonia to nitrate, thereby reducing the environmental impact of nitrogen fertilizers. Biological nitrification inhibitors (BNIs) have emerged as a promising alternative to synthetic nitrification inhibitors (SNIs), as they are natural compounds produced by plants that can suppress nitrification. However, the effectiveness of BNIs can vary significantly depending on soil characteristics, microbial community composition, and environmental conditions. Understanding these factors is essential for the effective application of BNIs in agriculture. In this study, we evaluated the efficiency of three BNIs (MHPP, MHPA, and limonene) by determining their effective concentration 50 (EC50) in agricultural soil from Linz, Austria. We compared these results with similar studies conducted on agricultural soils from Marchfeld andWieselburg, Austria by Rojas et al. (2023). Efficiency was assessed through soil slurry incubation followed by fluorometric analysis of nitrate accumulation. We show that BNI efficiency is highly variable across soils and propose correlations to soil characteristics like pH, copper, clay, and sodium content as well as total carbon. Additionally, we utilized 16S rRNA and amoA gene amplicon sequencing to assess microbial community composition and the distribution of key taxa. We also performed qPCR for the quantification of the total microbial community and different ammonia oxidizing guilds. Our results reveal a broad diversity within AOA, while AOB and comammox bacterial clade B were predominantly dominated by single taxa. This study underscores the importance of accounting for soil-specific factors to pave the way for the widespread application of BNIs, ultimately contributing to more sustainable agricultural practices.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nitrifikation Lachgas Überdüngung biologische nitrifikations inhibitoren BNI Nitrifikations Inhibierung nachhaltige Landwirtschaft SNI Limonene MHPP MHPA Stickstoffkreislauf
Autor*innen
Konstanze Kamilla Madani
Haupttitel (Englisch)
Assessing the inhibitory potential of three biological nitrification inhibitors on an agricultural soil from Linz, Austria
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
50 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Holger Daims
Klassifikation
42 Biologie > 42.91 Terrestrische Ökologie
AC Nummer
AC17366487
Utheses ID
73202
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |