Microbial nitrogen use efficiency along a latitudinal gradient in Western Siberia, Russia - Knoltsch, Anna (2013)
Ökosysteme weißen nicht nur Unterschiede in ihren klimatischen Bedingungen und ihrer Vegetation auf sondern auch in ihrer Bodenzusammensetzung in Form von organischen und mineralischen Bodensubstanzen. Hohe Variation ist vor allem in der Verfügbarkeit diverser Nährstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N), zu beobachten. Vor allem variiert die Nährstoff-Verfügbarkeit in Böden stark entlang latitudinaler Gradiente. Dies setzt eine hohe physiologische Anpassungsfähigkeit der bodenbewohnenden Mikroorganismen voraus, um eine hohe Konkurrenzstärke gegenüber Pflanzen aber auch anderen Bodenorganismen zu gewährleisten. Hierbei spielen vor allem Prozessraten eine grundlegende Rolle. Mikroorganismen können Aminosäuren direkt aufnehmen, um ihren Stickstoffbedarf zu decken. Liegen Aminosäuren allerdings als längere Peptide, Proteine oder anderwärtige Polymere vor, so geht eine obligate Protein-Depolymerisierung der mikrobiellen Aufnahme voraus. Ist die Stickstoff-Verfügbarkeit im Boden gering, werden die depolymerisierten Aminosäuren von der mikrobielle Bodengemeinschaft augenblicklich aufgenommen und als Biomasse assimiliert (mikrobielle Aminosäuren-Immobilisierung). Aufgenommene Aminosäuren können auch wieder ausgeschieden und in Form von Ammonium (NH4+) in den Boden freigesetzt werden (Stickstoff-Mineralisierung). Dieser freigesetzte Stickstoff kann folglich wieder aufgenommen, assimiliert (mikrobielle NH4+ Immobilisierung) und wieder freigesetzt werden. All diese Transformationsraten variieren in ihrer Höhe je nach dominanter Stickstoff Quelle sowie genereller Stickstoff Verfügbarkeit des jeweiligen Bodens. Die daraus resultierende mikrobielle Anpassungsfähigkeit kann mittels Stickstoff Nutzungseffizienz (NUE) angegeben werden. Die NUE drückt aus wieviel des aufgenommen Stickstoffs in die mikrobielle Biomasse eingebaut beziehungsweise als NH4+ wieder freigesetzt wird. Je höher sie ist, umso mehr wird der N von der mikrobiellen Gemeinschaft genützt und als Biomasse assimiliert, d.h. die mikrobielle Aminosäuren-Immobilisierung überwiegt gegenüber der Stickstoff-Mineralisierung. Ziel dieser Arbeit war die Analyse des Einflusses der Stickstoff-Verfügbarkeit auf mikrobielle Prozessraten in Böden. Hierbei standen Raten der Protein-Depolymerisierung, der Stickstoff-Mineralisierung sowie der mikrobiellen Immobilisierung von Aminosäuren und Ammonium (NH4+) im Fokus des Forschungsinteresses. Alle Raten wurden mittels „15N pool dilution“ analysiert. Diese Methode erlaubt die Quantifizierung von Flüssen indem betreffende Pools mit dem schwereren Stickstoff Isotop 15N markiert werden und Konzentrationsveränderungen sowie Veränderungen in der Isotopen Anreicherung über die Zeit gemessen werden. So werden beispielsweise 15N-Aminosäuren zur Bestimmung der Protein-Depolymerisierung und Immobilisierung von Aminosäuren, beziehungsweise 15NH4+ zur Bestimmung der Stickstoff-Mineralisierung und Immobilisierung von NH4+ eingesetzt. Hierfür wurden organische und mineralische Bodenproben entlang eines 1400km langen latitudinalen Transekts in West Sibirien, Russland, gezogen. Dadurch wurde sichergestellt, dass alle wesentlichen Ökosysteme abgebildet wurden: die von Permafrost beherrschte Tundra, der boreale Nadelwald der Taiga, der laubwerfende Mischwald und die Steppe. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass N-Transformationsraten von Klimavariablen wie Temperatur und Bodenfeuchtigkeit, aber auch von C und N Konzentrationen in Böden sowie der Menge organischer Bodensubstanzen abhängig sind. Die höchsten Protein Depolymerisierungsraten und N Mineralisierungsraten wurden im borealen Nadelwald gemessen, begleitet von den höchsten C und N Konzentrationen in diesen Böden. Tundra und Steppe waren hingegen durch niedrigere Transformationsraten gekennzeichnet. Transformationsraten waren generell in allen organischen Horizonten hoch. Eine Abnahme in der Protein Depolymerisierung aber eine Zunahme in der N Mineralisierung mit steigender Bodentiefe lässt auf eine reduzierte Konkurrenz zwischen Pflanzen und Mikroorganismen in tieferen Bodenschichten schließen. Im Gegensatz zu unserer Annahme, wurde die höchste Stickstoff Nutzungs Effizienz (NUE) in den südlichen Ökosystemen der Steppe und Waldsteppe gemessen, während eine signifikante Abnahme in der mikrobiellen NUE mit zunehmendem geographischen Breitengrad beobachtet werden konnte. Die NUE in der Tundra konnte aufgrund der geringen Mineralisierungsraten, welche unter das Detektionslimit fielen, nicht kalkuliert werden. Die vorgefundene hohe NUE im Süden weißt auf eine starke mikrobielle Adaptierung an das hohe C:N Verhältnis von Streu- und Laubfall hin, während Ökosysteme mit mittleren C:N Verhältnissen durch niedrige NUE Werte gekennzeichnet waren. Die ursprüngliche chemische Zusammensetzung des Streueintrags scheint demnach der bestimmende Faktor der mikrobiellen NUE zu sein. Dennoch sind unzählige weitere Faktoren, wie beispielsweise die Limitierung anderer Nährstoffe, als wesentliche Faktoren in der Entwicklung und Veränderung der mikrobiellen NUE zu berücksichtigen. Ecosystems show differences in climatic conditions, vegetation and soil organic matter (SOM) content, especially differing in soil N availability along latitudinal gradients. These circumstances require high physiological adaptation of the soil microbial community to compete successfully for nutrients with plants but also with other soil microbial organisms. In this study we aimed at determining the influence of soil N availability on soil microbial transformation rates, focusing on protein depolymerization and N mineralization rates, all based on 15N pool dilution techniques. Organic and mineral soil samples were taken along a 1,400 km latitudinal transect in Western Siberia, Russia, covering all major ecosystems of tundra, boreal forest, deciduous forest and steppe. N transformation rates seemed to be highly influenced by soil moisture and soil C and N concentrations. Highest protein depolymerization and N mineralization rates occurred in the boreal forest, being accompanied by peaking soil C and N concentrations and high water content, whereas lowest transformation rates were found in tundra and steppe soil. Reduced plant microbial competition for N in deep soil layers was considered to stimulate N mineralization and lower protein depolymerization rates. Highest microbial nitrogen use efficiency (NUE) was found in the southern steppe environment, while values were respectively low at all taiga sites. Unfortunately, NUE could not be calculated for the southern tundra as mineralization rates were under detection limit. High NUE suggested microbial adaptation to high litter C:N ratios, whereas lowest NUE occurred where intermediate litter C:N could be observed. We suggest that initial litter chemistry highly defines microbial NUE, but certainly, there are numerous other factors influencing and changing NUE, e.g. limitations of other nutrients, that should be reconsidered.