The role of microorganisms in the nutrient cycling of subtropical savannah soils

Huber, Katharina

In der vorliegenden Arbeit wurden die Umweltfaktoren untersucht und identifiziert, die die aktive mikrobielle Gemeinschaft und damit die Stoffkreisläufe in subtropischen Savannenböden Namibias und Angolas steuern. Der erste Schritt im Abbau von organischem Material wird durch Exoenzyme bestimmt. Die Aktivitätsmuster der Glucosidase, Xylosidase, Phosphatase und Aminopeptidase, variierten mit Bodentyp, Landnutzungsform und Wasserverfügbarkeit. Letztere steuerten zudem die Freisetzung von Stickstoff durch Ammonifikation und Nitrifikation aus Aminoverbindungen. In subtropischen Sandböden wurden die bakterielle Gesamtzellzahl und die Aktivität durch Nährstoff- und Wasserknappheit und geringer Stabilität von Bodenaggregaten verringert. In nährstoffreicheren Böden wie dunklen Lehmsandböden, Flussuferauenböden und Moorböden profitierte die bakterielle Gemeinschaft von den Nährstoffen, Wasser und stabilen Bodenaggregaten, die durch organisches Bodenmaterial zur Verfügung gestellt werden. Landnutzungsform und Wasserverfügbarkeit beeinflussten ebenfalls die Zusammensetzung der aktiven mikrobiellen Gemeinschaft. Bakterien, die an Hitze, Nährstoff- und Wassermangel angepasst sind, überlebten die Bedingungen in subtropischen Sandböden. Proteobacteria und Actinobacteria als typische Bodenbakterien dominierten die Flussuferauen und Buschfeldböden, wohingegen Firmicutes und manche Actinobacteria die Bedingungen in Ackerböden und in trockenen Buschfeldsavannen überdauerten. Anthropogene Einflüsse wie Düngung verringerten die Abundanzen von Proteobacteria und Actinobacteria, waren aber für die Firmicutes von großem Vorteil. Nach der Trockenzeit und der Wiederbefeuchtung im Rahmen eines Stimulationsversuches dominierten Bakterien mit kurzen Generationszeiten wie Gammaproteobacteria Flussuferauen und Buschfeldböden. Aufgrund hoher Aktivitäten stickstofffixierender Bakterien und Mikroorganismen, die an Phosphatknappheit in Böden angepasst sind, konnten Stickstoff und Phosphor als limitierende Nährstoffe in subtropischen Savannenböden identifiziert werden. Zwei neue Vertreter der Acidobacteria konnten aus namibischen Böden gewonnen und valide beschrieben werden. Aufgrund der morphologischen, physiologischen, phylogenetischen und molekularen Merkmale wurden die Isolate A22_HD_4H und Ac_23_E3 dem neuen Genus Aridibacter mit den neuen Spezies A. famidurans and A. kavangonensis zugeordnet.

The identification of environmental factors controlling and influencing the soil microbial community and hence the nutrient cycling were investigated in the present study. The breakdown of soil organic matter is initialized by exoenzymes. The activities of the glucosidase, xylosidase, phosphatase and aminopeptidase varied with the soil type, the land use type and the water availability. Moreover, the land use type and the water availability influenced the liberation of nitrogen from complex amino compounds by ammonification and nitrification as well. In sandy Subsaharan savannah soils the decreased nutrient and water availability, the lower aggregate stability reduced total bacterial cell numbers and therefore activity values. But the soil microbial community benefit from stable soil aggregates, nutrients and water provided by soil organic matter in nutrient rich dark loamy pristine soils, pristine woodland and bushveld savannah soils and in the peatland soils. Both land use type and water availability effected the active microbial community composition as well. Predominantly bacterial phyla and species adapted to the nutrient limitation, water stress and heat survived the conditions in the sandy soils. Proteobacteria and Actinobacteria as typical soil phyla dominated the riparian woodland and bushveld savannah soils whereas Firmicutes and some Actinobacteria benefit from the drought in the bushveld soils and from the conditions in the agriculturally used soils. Anthropogenic impact as the addition of fertilizers decreased microbial abundances of the Proteobacteria and Actinobacteria and provided growth advantage of the Firmicutes. After the dry season and rewetting of the soils during a stimulation experiment fast growing Gammaproteobacteria dominated the active microbial community in the riparian woodland and bushveld savannah soils. High abundances of nitrogen fixing microorganisms and microorganisms well adapted to phosphorus limitation in soils confirmed nitrogen and phosphorus limitation in the subtropical savannah soils. In the present study two new representatives were isolated from Namibian soil samples and characterized. Due to morphological, physiological, phylogenetic and molecular characteristics the new isolates A22_HD_4H and Ac_23_E3 were proposed as the new genus Aridibacter with the new species A. famidurans and A. kavangonensis, respectively.

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Huber, Katharina: The role of microorganisms in the nutrient cycling of subtropical savannah soils. 2014.

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