Analyse temporaler und spatialer Muster bakterieller Diversität in Böden der mittleren Breiten

Abstract

Soils contain up to 1010 bacteria g–1 soil. Due to this high species diversity and the difficult distinction between free bacterial DNA, inactive and active bacteria by next generation sequencing, soils harbour one of the most complex bacterial communities. Moreover, spatial heterogeneity and temporal trends influence soil bacterial interaction with the environment and between cells. Spatial effects influence bacterial interaction by high spatial heterogeneity due to soil structure, pore distribution nutrient and water availability having a patchy distribution in soil in unsaturated water conditions. In addition, soil bacterial communities are influenced by the soil environment and climate on larger spatial scales. On a global scale, recent studies showed that the influence of climatic conditions was exceeding the impact of established predictors such as pH. Furthermore, environmental predictors exert lagged effects on bacterial communities, called legacy effects, representing the delayed influence of past environmental or climatic conditions on the current microbial community. It is challenging to distinct all the above mentioned effects in microbial community analysis. In this thesis, I present two studies examining the environmental, spatial and temporal effects in bacterial communities of arable, grassland and forest soils under temperate climate conditions. First, I examined how temporal variation, climatic predictors and climate change affect bacterial communities of grassland and forest soils, taking the effects of edaphic predictors into account. This project was part of the Biodiversity Exploratories, a large-scale, long-term monitoring project, focussing on the interaction between land use, land use intensity and multitrophic biodiversity across three regions in Germany. I could show that bacterial alpha diversity is declining in German grassland and forest soils from 2011 to 2017. Soil warming could in part explain this decline. Furthermore, soil moisture and soil temperature contained legacy effects, showing delayed reactions of soil bacteria to soil temperature and soil moisture changes. This is the first observational study showing that changes in climate decline soil bacterial diversity in Germany, without experimental manipulation introducing strong drought or soil warming treatments. In contrast to alpha diversity, beta diversity was more stable over time. Soil bacterial communities are considered robust and stable over time. Hence, this emphasizes the importance of the results reported here. In the second study, bacteria from an agricultural long-term fertilization experiment were extracted from soil and separated by bacterial life-style. Thereby the free-living bacteria, living in the aqueous pore space, and the surface-associated bacteria, living attached to soil particles, were compared. Furthermore, the potential activity of the free-living and surface-associated bacteria were determined. This experiment examined the long-term influence of different nitrogen fertilization treatments on bacterial life-style and activity in an arable soil. Theory suggests that biofilm formation and a surface-associated life-style support bacterial activity. However little evidence is available how the distinction in bacterial life-style affects community composition and bacterial activity in soil. In contrast to literature, I could show that active bacteria dominated the free-living community. Moreover, the induced changes in community composition by nitrogen fertilization were larger for the active free-living and surface-associated communities compared to the total communities, containing active and non-active bacteria. This leads to the conclusion that bacterial activity is determined by other parameters than life-style in bulk soil.Böden enthalten bis zu 1010 Bakterien g–1 Boden. Neben dieser hohen Abundanz und der schwierigen methodischen Trennung zwischen freier bakterieller DNS, inaktiven und aktiven Bakterien mittels Sequenzierung, enthalten Böden eine der komplexesten bakteriellen Gemeinschaften. Zudem beeinflussen die gegebene räumliche Heterogenität in Böden und die zeitliche Variabilität bakterielle Interaktionen mit der Bodenumgebung und zwischen einzelnen Bakterien. Weiterhin beeinflussen das Klima und die Bodenumgebung die bakterielle Gemeinschaft. Derzeitiger Stand des Wissens ist, dass, auf globaler Ebene, Klimafaktoren wichtiger für die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft im Boden sind als etablierte Bodenparameter wie der pH. Es stellt eine große Herausforderung für die Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft dar, all diese Effekte voneinander zu trennen. Räumliche Effekte beeinflussen bakterielle Interaktionen durch hohe räumliche Variabilität, Bodenstruktur und Porenverteilung. Außerdem zeigt sich unter ungesättigten Bedingungen, eine ungleichmäßige Verteilung der Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit. Darüber hinaus können Umweltfaktoren wie Klima zeitlich verzögert Einfluss auf die bakterielle Gemeinschaft im Boden ausüben, wobei vergangene Klimabedingungen die derzeitige Bakteriengemeinschaft stärker beeinflussen können als die derzeitigen Bedingungen. In dieser Arbeit präsentiere ich zwei Einzelstudien, die die räumlichen und zeitlichen Effekte auf die bakterielle Gemeinschaft in landwirtschaftlich genutzen, sowie Grünland- und Waldböden in Deutschland untersuchen. In der ersten Studie untersuche ich, wie sich die Bodenbakterien in Grünland- und Waldböden unter Berücksichtigung der bodenbürtigen Umweltfaktoren, im Hinblick auf den Zeitverlauf, die klimatischen Bedingungen und Klimawandel verhalten. Dieses Projekt war Teil der Biodiversitätsexploratorien, einem Langzeitprojekt, das die Erforschung von multitrophischer Diversität verteilt über drei Regionen in Deutschland in Bezug auf Landnutzung und Landnutzungsintensität untersucht. Ich konnte zeigen, dass die bakterielle Alphadiversität in Grünland- und Waldböden von 2011 bis 2017 signifikant abnahm. Ein Anstieg der Bodentemperaturen ist zum Teil für diesen Effekt verantwortlich. Außerdem reagierten die Bodenbakterien verzögert auf ¨ Änderungen der Bodentemperatur und -feuchte. Dies ist die erste Monitoringstudie in Deutschland die eine Abnahme der bakteriellen Alphadiverisität unter den derzeitigen Klimabedingungen ohne experimentelle Manipulation nachweist. Im Gegensatz dazu war die bakterielle Betadiversität stabiler. Es traten zwar signifikante zeitliche Effekte auf, allerdings waren die Auswirkungen auf die ¨ Änderung der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft geringer als für die Alphadiversität. Aufgrund der erwarteten zeitlichen Stabilität von Bakteriengemeinschaften in Böden sind diese Ergebnisse von Bedeutung für die kommende Entwicklung unter sich zunehmend ändernden Klimabedingungen. In der zweiten Studie wurden die Bodenbakterien aus einem landwirtschaftlichen Langzeitdüngeexperiment nach Lebensstil getrennt und aus dem Boden extrahiert. Dieses Experiment untersucht die Langzeiteffekte unterschiedlicher Stickstoffdüngeintensität auf den Lebensstil und die Aktivität von Bakterien in einem landwirtschaftlich genutzten Boden. Dabei wurde die freilebende bakterielle Gemeinschaft, die sich im Porenraum des Bodens befindet, und die oberflächenassoziierte Gemeinschaft, die angeheftet an Bodenpartikel lebt, verglichen. Darüber hinaus wurden die Anteile und die Zusammensetzung an aktiven Bakterien in den jeweiligen Gemeinschaften untersucht. Die Theorie besagt bisher, dass die Ausbildung von Biofilmen, unabhängig vom Lebensraum, bakterielle Aktivität in einem oberflächenassoziierten Lebensstil unterstützt. Allerdings gibt es kaum experimentelle Ergebnisse, die diese These für Böden stützen. Im Gegensatz zu den Erwartungen konnte ich zeigen, dass aktive Bakterien die freilebende bakterielle Gemeinschaft im Boden dominierten. Außerdem waren die Änderungen der Artzusammensetzung durch die Unterschiede in der Stickstoffdüngung größer für die jeweilige aktive Gemeinschaft als die gesamte Gemeinschaft, die sowohl potentiell aktive als auch inaktive Bakterien enthält. Diese Ergebnisse legen nahe, dass für die bakterielle Aktivität in Oberböden landwirtschaftlich genutzter Flächen andere Einflussfaktoren als der Lebensstil von Bedeutung sind