Titelaufnahme

Titel
Abundance and activity of methanogenic archaea and methanotrophic bacteria in Tyrolean soils / by Katrin Hofmann, Msc
VerfasserHofmann, Katrin
GutachterIllmer, Paul
ErschienenInnsbruck, July 2016
Umfang123 Blätter : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus vier Artikeln
Datum der AbgabeJuli 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)alpine Böden / methanogene Archaea / methanotrophe Bacteria / Methanzyklus
Zugriffsbeschränkung
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Zusammenfassung (Deutsch)

Obwohl die Gesamtfläche von Bergregionen über ein Viertel der gesamten Landfläche der Erde darstellt, ist ihre Mikrobiota weit weniger gut erforscht als jene niedriger gelegener Landflächen. Speziell Mikroorganismen, die für die Produktion (methanogene Archaea)und Oxidation (methanotrophe Bacteria) des Treibhausgases Methan (CH4) in Bergregionen verantwortlich sind, wurden bislang nicht im Detail erforscht. Daher war es Ziel dieser Dissertation, die Abundanzen und Aktivitäten von Mikroorganismen die am Methanzyklus alpiner Böden beteiligt sind, zu untersuchen. Methodisch wurden die Aktivitäten methanogener und methanotropher Mikroorganismen mittels Kombination von Laboransätzen (Bodenproben in oxisch oder anoxisch inkubierten Mikrokosmen)und Feldmessungen (Bestimmung des in situ CH4-Flusses durch closed static chambers) untersucht. Die Konzentration von CH4 in den Gasproben, die aus den Labor- und Feldmessungen gewonnen wurden, konnte mittels Gaschromatografie bestimmt werden. Zudem wurden als Basis dieser Arbeit bestehende Protokolle für die quantitative real-time PCR (qPCR) evaluiert und für die Anwendung mit dem Farbstoff SYBR green I optimiert, um letztendlich sowohl methanotrophe Bacteria als auch die wichtigsten Gruppen der methanogenen Archaea auf Ordnungs- und Gattungsniveau zuverlässig quantifizieren zu können. Die gemessenen Abundanzen und Aktivitäten wurden mit Standortfaktoren in Bezug gesetzt, um herauszufinden durch welche Faktoren der Methanzyklus dieser üblicherweise gut durchlüfteten Böden maßgeblich beeinflusst wird.

Im ersten Teil dieser Dissertation wurde gezeigt, dass sich der CH4-Fluss von Wald- und Wiesenböden der montanen (500 und 1000m ü.d.M.) und subalpinen Höhenstufen (1500 und 2000m ü.d.M.) nicht allein in Bezug auf die Vegetationsform unterscheidet, sondern sich auch grundsätzlich deutlich von Flussraten niedrig gelegener Böden unterscheidet (Kapitel 3.1). Die Annahme, dass sich der CH4-Fluss in Böden der Alpen deutlich von jenem in Böden anderer Regionen unterscheidet, konnte also bestätigt werden. Möglicherweise kommt dieser Unterschied durch die vergleichsweise niedrigeren Temperaturen, denen die Bodenmikrobiota von Bergregionen ausgesetzt ist, zustande. Im zweiten Teil der Arbeit wurde gezeigt, dass methanogene Archaea in weit höherer Anzahl als bislang vermutet in gut durchlüfteten Böden vorhanden sind (Kapitel 3.2). Außerdem scheint die methanogene Diversität größer zu sein als bisher vermutet, denn neben den häufig gefundenen Gattungen Methanosarcina und Methanocella, sind auch Vertreter der Ordnungen Methanococcales, Methanomicrobiales und Methanobacteriales vorhanden. In den untersuchten Wiesenböden waren sowohl die Abundanzen als auch die potentiellen Aktivitäten der Methanogenen signifikant höher als in den Waldböden. Zudem konnte auch eine Abnahme der methanogenen Aktivität mit zunehmender Seehöhe festgestellt werden, da die Böden der subalpinen Stufe signifikant niedrigere Werte aufwiesen.

Weiters wurde der Methanzyklus von Böden der alpinen und nivalen Höhenstufen entlang eines Höhengradienten untersucht, der sich von 2700 bis 3500m ü.d.M. erstreckt (Kapitel 3.3 und 3.4). Auch hier konnten die methanogenen Ordnungen Methanococcales, Methanomicrobiales und Methanobacteriales und die Gattung Methanocella auf Basis der 16S rRNA-Gene sowie die methanotrophen Bacteria auf Basis des pmoA-Gens (kodiert die -Untereinheit des Enzyms Methanmonooxygenase) zuverlässig quantifiziert werden. Allein die Ordnung Methanosarcinales konnte nicht quantifiziert werden. Die Abundanzen der übrigen methanogenen Gruppen waren in den untersuchten hochalpinen und nivalen Böden deutlich niedriger als in den Böden der monatnen und subalpinen Höhenstufen. Sowohl die Abundanzen als auch die potentiellen Aktivitäten methanogener und methanotropher Mikroorganismen zeigten eine deutliche Abnahme mit zunehmender Höhe entlang des Gradienten. Es stellte sich heraus, dass die Abnahme der Abundanzen, neben anderen physikalisch-chemischen Faktoren (z.B. Wassergehalt), signifikant von der Bodentemperatur erklärt wurde, während die potentielle Methanbildung und -oxidation ausschließlich mit der Temperatur korreliert werden konnten. Diese Ergebnisse deuten einerseits darauf hin, dass Methan-verstoffwechselnde Mikroorganismen in hoch-alpine Böden bei niedrigen Temperaturen überleben können und könnten andererseits Rückschlüsse auf die Veränderung dieser Mikroorganismengesellschaft und deren physiologischer Aktivität mit der prognostizierten globalen Erwärmung zulassen (Kapitel 3.4).

Die Abnahme der Abundanz und Aktivität von Mikroorganismen entlang des Höhengradienten war jedoch nicht allein auf den Methanzyklus beschränkt, sondern betraf auch die beiden Domänen Archaea und Bacteria und allgemeinere bodenmikrobiologische Aktivitäten des Kohlenstoff- (CM-Cellulase), Stickstoff- (Protease), Phosphor- (alkalische Phosphatase) und Schwefelkreislaufs (Arylsulfatase) (Kapitel 3.3). Die Abundanzen der Bacteria und Archaea wurden überwiegend durch die Temperatur reguliert, während die Enzymaktivitäten stärker von der Nährstoffverfügbarkeit reguliert wurden.

Zusammenfassend zeigen die Resultate dieser Dissertation, dass die Vielfalt und Abundanz methanogener Mikroorganismen in gut durchlüfteten Böden größer bzw. höher ist als ursprünglich angenommen. Außerdem stellen sie erste Hinweise darauf dar, welche Umweltfaktoren deren Vorkommen und Aktivität regulieren und verbessern damit den Wissensstand zur Ökologie dieser Mikroorganismengruppe.