Enzyme activities and microbial community composition in soils from northern latitudes with special emphasis on cryoturbated arctic soils - Schnecker, Jörg (2014)
Mikroorganismen im Boden scheiden Enzyme aus um Kohlenstoff und Nährstoffe, für Energie und Wachstum, zu akquirieren. Obwohl dieser Schritt von großer Bedeutung beim Abbau organischen Materials in allen Bodenhorizonten ist, weiß man bis jetzt vergleichsweise wenig über die Kontrollen über Aktivitäten und Muster von Enzymen in Unterböden. Dies ist gerade in arktischen Permafrostregionen von großer Bedeutung, da hier 400 Gt Kohlenstoff in Form von kryoturbiertem Material, welches durch Frier-Tau-Zyklen in den Unterboden eingebracht wurde, vorliegen. Da die Verbindung zwischen mikrobieller Gemeinschaftszusammensetzung und Enzymaktivitäten und Enzymmustern einen wichtigen Platz in dieser Arbeit einnimmt, war es notwendig eine Methode zum Lagern und Transportieren von Bodenproben, ohne die Notwendigkeit diese konstant gefroren zu halten zu, entwickeln. Diese Methode wird im ersten Teil der Arbeit beschrieben. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt Enzymmuster und deren Kontrollen in Ober-und Unterböden. Die Enzymmuster unterschieden sich stärker zwischen den Horizonten, die maximal einen Meter auseinander waren, als zwischen den sieben Ökosystemen entlang des 1500 km langen Nord-Süd Transekts in Westsibirien. In den oberen Bodenschichten waren die Enzymaktivitäten mit Bodenparametern (C, N, C/N) aber auch mit der mikrobiellen Gemeinschaftszusammensetzung korreliert. In den mineralischen Unterböden waren die Enzymmuster ebenfalls mit der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft korreliert, nicht aber mit den Bodenparametern. Zusätzlich zeigen unsere Untersuchungen von arktischen Permafrostböden, dass Enzymaktivitäten in nicht turbierten Bodenhorizonten vom C- bzw. N-Gehalt kontrolliert werden, während Enzymaktivitäten in kryoturbiertem Material eine zusätzliche Kontrolle durch die mikrobielle Gemeinschaftszusammensetzung erfahren. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit Unterschiede in den Enzymmustern in Ober- und Unterböden auf und unterstreicht die Bedeutung der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft als Kontrolle über Enzymaktivitäten und Enzymmuster in Unterböden. Dies ist eine Kontrolle, die sogar den Abbau im Allgemeinen reduzieren könnte und die somit eventuell zur Konservierung von kryoturbiertem Material in arktischen Permafrostböden beiträgt. Soil microorganisms exude enzymes to acquire carbon and nutrients, necessary for energy production and microbial growth. Although a crucial step in soil organic matter (SOM) decomposition at all soil depths, little is known about the controls on enzyme activities and enzyme patterns in subsoil horizons. This is of special interest in the arctic permafrost region, where 400 Gt of carbon are currently stored as cryoturbated organic material, which has been subducted into the mineral subsoil by freeze-thaw cycles. Since a main focus of this thesis is the connection of microbial community composition (MCC) and enzyme activities and enzyme patterns in soils from remote regions, it was necessary to develop a method to store and transport soil samples without keeping them frozen continuously. This method is described in the first part of this thesis. The second part of this thesis describes enzyme patterns and their controls in topsoils and subsoils. Enzyme patterns differed stronger between horizons, which were at the most 1 m apart, than between seven ecosystems along a 1,500 km North-South transect in Western Siberia. In topsoil horizons, enzyme patterns were correlated to SOM parameters (C, N, C/N) and MCC. In mineral subsoil horizons, enzyme patterns were also correlated to MCC but not to SOM parameters. Additionally we found that in non-turbated horizons of arctic permafrost soils, enzyme activities were controlled by C or N content, whereas in cryoturbated material all enzyme activities were additionally affected by the MCC (third part of the thesis). Overall this thesis highlights the different enzyme patterns in topsoil and subsoil horizons and identifies MCC as an important control over enzyme activities and enzyme patterns in subsoils - a control that might even restrain decomposition in general and might be a reason for the persistence of cryoturbated organic material in arctic permafrost soils.