Eine neue Strategie für die mikrobielle Nährstoffaufnahme in Umgebungen mit reduziertem Sauerstoffgehalt

Mangroven gelten weltweit als eines der kohlenstoffreichsten Ökosysteme, obwohl sie nur etwa 0,1 % der Landoberfläche der Erde einnehmen. Mangroven gelten aufgrund ihrer wassergesättigten Bedingungen, hohen Sedimentationsraten, hohen Primärproduktivität, einzigartigen Wurzelstrukturen und anoxischen Böden, die zu niedrigen C-Abbauraten führen, als wichtige C-Senke. In den letzten Jahrzehnten haben die Belastungen von Mangroven mit Stickstoff (N) und Phosphor (P) aufgrund intensivierter menschlicher Aktivitäten und Küstenentwicklung erheblich zugenommen, aber die Auswirkungen auf den C-, N- und P-Kreislauf im Boden sind unklar.

Darüber hinaus werden Mangrovengebiete, die derzeit bei Ebbe ausgesetzt sind, in fortschreitenden Gezeitenzyklen aufgrund des steigenden Meeresspiegels für längere Zeiträume unter Wasser sein, was aufgrund oszillierender aerober und anaerober Bedingungen kaskadierende Auswirkungen auf den C-, N- und P-Kreislauf des Bodens haben wird. Die Muster und Treiber des C-Kreislaufs im Boden unter N- und P-Zugaben und reduzierter Sauerstoffverfügbarkeit in Mangroven sind jedoch nicht vollständig verstanden, was unsere Fähigkeit einschränkt, Mangroven zu managen, wenn C im Boden sinkt.

In dieser Studie enthüllte Dr. Ji Chen eine neuartige Trade-off-Beziehung zwischen der mikrobiellen Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE) und spezifischen nährstoffbeschaffenden extrazellulären Enzymaktivitäten unter reduziertem Sauerstoffgehalt, unabhängig von den N- und P-Werten. Die Ergebnisse der Forscher erschienen am 29. Dezember 2022 in Briefe zur Bodenökologie.

Im Labor von Dr. Ji Chen am Institut für Agrarökologie der Universität Aarhus wurde eine Reihe von Studien über die wesentliche Rolle von Bodenmikroorganismen und extrazellulären Enzymen bei der Modulation des C-, N- und P-Kreislaufs im Boden durchgeführt. Zum Beispiel liefert Dr. Chen den ersten Beweis dafür, dass die N-induzierte Stimulation der hydrolytischen C-abbauenden Enzymaktivität die Bodenatmung verbessert, während die N-induzierte Unterdrückung der oxidativen C-abbauenden Enzymaktivität den organischen C-Vorrat im Boden erhöht.

Dr. Chen stellt fest, dass eine langfristige experimentelle Erwärmung die Verschiebung von hydrolytischer zu oxidativer C-abbauender Enzymaktivität fördert, was darauf hindeutet, dass eine langfristige Erwärmung den Verlust von organischem C im Boden erleichtern kann. Die Beziehungen zwischen mikrobiellem CUE und mikrobieller spezifischer Enzymaktivität zur Nährstoffaufnahme bleiben jedoch unklar.

Bodenmikroorganismen und extrazelluläre Enzyme spielen eine wesentliche Rolle bei der Modulation des C-, N- und P-Kreislaufs im Boden und investieren vorzugsweise Ressourcen für die Enzymproduktion, um Ressourcen zu erwerben, die das Wachstum begrenzen. Beispielsweise werden Bodenmikroorganismen hauptsächlich C und N für die Phosphataseproduktion zuweisen, wenn P das Wachstum begrenzt.

Die Enzymproduktion für die Nährstoffaufnahme ist jedoch energetisch und C-kostspielig, was den mikrobiellen C-, N- und P-Kreislauf unter verschiedenen Bedingungen koppeln oder entkoppeln kann. Der mikrobiologische Stoffwechselquotient (qCO2), das Verhältnis der mikrobiellen Respiration zur mikrobiellen Biomasse, wird angegeben, um die mikrobielle CUE zu bewerten. Wenn Bodenmikroorganismen mehr C und Energie für die Nährstoffaufnahme investieren, führt dies zu einem höheren qCO2 und einem niedrigeren mikrobiellen CUE.

Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Bodenmikroorganismen wahrscheinlich die CUE verringern würden, um die Stoffwechselaktivität aufrechtzuerhalten, wenn sie sich an ungünstige Bedingungen anpassen. Es bleibt jedoch unklar, ob Bodenmikroorganismen ihre CUE verschieben werden, um sowohl mit N- als auch mit P-Beladungen und reduziertem Sauerstoff fertig zu werden. Unterdessen haben externe N- und P-Beladungen den mikrobiellen C-, N- und P-Kreislauf durch Veränderung der Nährstoffstöchiometrie wesentlich verändert und es wird erwartet, dass sie Auswirkungen auf die mikrobielle CUE- und Enzymproduktion haben.

Zum Beispiel erhöhte die N-Beladung die mikrobielle Phosphatase-Produktion in vielen Ökosystemen und es wurde erwartet, dass sie die CUE verringert. Darüber hinaus sind sowohl die mikrobielle CUE- als auch die Enzymproduktion sehr empfindlich gegenüber vielen biotischen und abiotischen Faktoren wie dem pH-Wert des Bodens, der Nährstoffverfügbarkeit, der Bodenfeuchte und der mikrobiellen Biomasse. Die getrennten und interaktiven Auswirkungen von N- und P-Beladungen und reduziertem Sauerstoff auf die mikrobielle CUE- und Enzymproduktion sind jedoch unklar, was Vorhersagen über die ökologischen Funktionen von Mangroven unter sich ändernden Klimaszenarien behindert.

Diese Studie ist ein Fortschritt gegenüber unserer früheren Arbeit (Craig et al., 2021), indem sie den Kompromiss zwischen mikrobiellem CUE und spezifischen EEAs unter reduziertem Sauerstoffgehalt aufzeigt, was auf höhere Energiekosten pro Enzymproduktionseinheit hindeutet. Diese Beziehung kann das Verständnis des mikrobiell vermittelten C- und Nährstoffkreislaufs erheblich verbessern.

Durch die Berücksichtigung der Beziehung zwischen mikrobiellem CUE und Enzymproduktion haben Forscher beispielsweise die Modellprojektionen der Boden-C-Dynamik erheblich verbessert. Dieser Kompromiss wurde jedoch nicht in experimentellen oder Modellrahmen gelöst, um den Erwerb von Bodenressourcen und den Nährstoffkreislauf in anaeroben Ökosystemen vorherzusagen.

Darüber hinaus können Verschiebungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft eine wesentliche Rolle bei der mikrobiellen Enzymproduktion unter reduziertem Sauerstoff spielen, was die Notwendigkeit einer weiterführenden Forschung zur Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft unterstreicht. Angesichts der großen Flächen globaler anaerober Ökosysteme und ihrer enormen Menge an C-Vorräten sind weitere Untersuchungen zu den Beziehungen zwischen mikrobieller CUE und spezifischem EEA und den zugrunde liegenden Mechanismen erforderlich.

Es gibt mehrere Einschränkungen und Unsicherheiten, die weiter angegangen werden müssen. Erstens haben nur wenige verwandte Studien gleichzeitig MBC, mikrobielle Atmung und EEAs unter reduziertem Sauerstoff in Mangroven untersucht, was den Vergleich unserer Ergebnisse mit anderen Studien aus Mangroven einschränkt.

Es ist möglich, dass unsere Ergebnisse von Studien aus anderen verschiedenen Ökosystemen abweichen. Zum Beispiel erhöhte die N-Beladung den pH-Wert des Bodens signifikant und verringerte die Aktivität der Bodenphosphatase aufgrund der einzigartigen Bodenredoxbedingungen im untersuchten Mangrovenökosystem, was im Gegensatz zu Studien aus vielen anderen Ökosystemen steht. Diese widersprüchlichen Ergebnisse unterstreichen den Wert unserer Studie, um das Verständnis eines wenig untersuchten Ökosystems voranzutreiben.

Zweitens repräsentierte die in der vorliegenden Studie verwendete Laborinkubation die mikrobielle Respiration in situ aufgrund von Bodenstörungen, kurzfristiger Inkubation und fehlenden C-Einträgen aus Pflanzen nicht vollständig. Daher könnte zukünftige Forschung erwägen, intakte Bodenkerne für eine längere Dauer zu inkubieren.

Drittens gibt es mehrere verschiedene Arten von C-, N- und P-aufnehmenden Enzymen, während bei der Enzymvektoranalyse nur BG, NAG und AP berücksichtigt wurden. Ein Grund für diese Auswahl war, den klassischen Enzymstudien und der Vektoranalyse zu folgen, damit unsere Ergebnisse vergleichbar sind.

Darüber hinaus reagieren verschiedene Arten von Enzymen mit gemeinsamen ökologischen Funktionen oder innerhalb derselben Gruppe normalerweise ähnlich auf experimentelle Behandlungen, was die Unsicherheiten bei der Berechnung der Enzymvektoren verringern kann. Viertens ist die mikrobielle CUE das Verhältnis von C, das dem Wachstum zugeteilt wird, und C, das von Mikroorganismen aufgenommen wird, aber es variiert mit dem Maßstab und den Berechnungsmethoden, wie z. B. unserer Verwendung von qCO2, so dass beim Vergleich von Studien Vorsicht geboten ist.

Darüber hinaus wird angenommen, dass Verschiebungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden den Kompromiss zwischen mikrobieller CUE und bestimmten EEAs erklären, aber direkte Beweise für einen Zusammenhang zwischen Änderungen in bestimmten mikrobiellen Gemeinschaften und mikrobieller Atmung fehlen. Um die Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, CUE und EEAs weiter zu untersuchen, sind die Integration der hochmodernen mikrobiellen funktionellen Genfülle und fortgeschrittene statistische Analysen erforderlich.