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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-54621
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5462/


Charakterisierung Ammoniak oxidierender Mikroorganismen in Böden kalter und gemäßigter Klimate und ihre Bedeutung für den globalen Stickstoffkreislauf

Characterisation of ammonia oxidizing microorganisms in soils of cold and moderate climate und their impact on the global nitrogen cycle

Sanders, Tina

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SWD-Schlagwörter: Nitrifikation , Stickstoffkreislauf , Dauerfrostboden , Ammoniakoxidierer , Nitrosospira
Basisklassifikation: 42.90 , 42.30 , 38.69
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.06.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 12.01.2012
Kurzfassung auf Deutsch: IIm Rahmen dieser Arbeit wurden Ammoniak oxidierende Mikroorganismen (AOM) in Permafrostböden der Tundra Nordostsibiriens und in Böden eines Vergleichsstandortes in gemäßigten Klimaten in der Nähe von Hamburg untersucht. Die Analysen des Prozesses der Nitrifikation und der daran beteiligten Ammoniak oxidierenden Bakterien (AOB) und Archaeen (AOA) geben Hinweise auf die Abläufe des Stickstoffkreislaufes in den verschiedenen Permafrostböden der kalten Klimate und dem Vergleichsstandort in den gemäßigten Klimaten.
Während zweier Expeditionen (2007, 2008) auf die Insel Samoylov im Lena-Delta wurden die sommerliche Auftauschicht (active layer) der Böden der unterschiedlichen geomorphologischen Einheiten der Insel Samoylov im Lena-Delta charakterisiert und beprobt. Zu diesen geomorphologischen Einheiten gehörten die, durch polygonale Tundra geprägte, höher gelegene Flussterrasse und die jüngere mit Pioniervegetation bewachsene Überflutungsebene. Polygone sind durch Tau- und Gefrierprozesse entstandene Landschafteinheiten, die ein eigenes Mirkorelief aufweisen. Drei Untersuchungsstandorte lagen auf der Flussterrasse: Der Polygonwall und das Polygonzentrum sowie der trockenere versandete Bereich im Süden der Insel; zwei weitere Standorte befanden in der Überflutungsebene, einer mit und einer ohne Vegetation.
Die Böden dieser geomorphologischen Einheiten zeigten deutliche Unterschiede hinsichtlich ihre Gehalte an organischer Substanz, ihrer C/N-Verhältnisse oder ihrer Wassergehalte. Die Böden lassen sich in der polygonalen Tundra als Typic Aquiturbel im Polygonwall und Typic Historthel im Polygonzentrum klassifizieren. Die Böden auf der trockenen Flussterrasse und der Überflutungsebene wurden als Typic Psammenorthel und am Strand als Psammentic Aquorthel typisiert.
Die Verteilung an gelösten anorganischen Stickstoffverbindungen (DIN) über die Vegetationsperiode sowie die N-Mineralisationsraten und die potentielle Nitrifikation ergaben Hinweise auf die Funktionsweise des Stickstoffkreislaufes im Untersuchungsgebiet. Die DIN wurden generell nur in geringen Mengen nachgewiesen. In den Böden ohne Vegetationsbedeckung wurde jedoch Nitrat am Ende der Vegetationsperiode stark angereichert. Sowohl die DIN als auch die Mineralisationsraten und die potentielle Nitrifikation variieren kleinräumig. Die gelösten anorganischen N-Gehalte und die Raten sind abhängig vom Gehalt der Böden an organischer Substanz, vom pH-Wert, von der Bodentemperatur und der Bedeckung der Böden mit Vegetation. Die Prozesse in den unterschiedlichen geomorphologischen Einheiten mit Vegetationsbedeckung können als Stickstoff-limitiert bezeichnet werden.
Die potentielle Nitrifikation war in den trockenen sandigen Typic Psammenorthel und Psammentic Aquorthel der Überflutungsebene und trockenen Flussterrasse am höchsten und korrelierte positiv mit der Inkubationstemperatur. In der organikreichen polygonalen Tundra wurde potentielle Nitrifikation nur in dem relativ trockenen Polygonwall in einer Tiefe von 5 bis 15 cm und in den organischen Auflagen nachgewiesen. Sie war aber deutlich geringer als in den anderen sandigen Böden.
Die Diversität der Ammoniak oxidierenden Mikroorganismen war auf Gattungsebene sehr gering. Die Gattung Nitrosospira - als ein Ammoniak oxidierendes Bakterium (AOB) - dominiert in den Böden der kalten Klimate (Samoylov). In allen Böden, mit Ausnahme des Polygonzentrums, konnten Nitrosospira-ähnliche Bakterien über das Gen der Ammoniakmonooxygenase (amoA) nachgewiesen werden.
Das Temperaturoptimum der untersuchten Nitrosospira-ähnlichen Bakterien liegt zwischen 22 °C und 26 °C, das Maximum nicht höher als 35 °C. Das Minimum ist unterhalb von 4 °C. Diese Nitrosospira-ähnlichen Bakterien können als psychrotolerant, aber nicht als psychrophil bezeichnet werden. Die Morphologie der Nitrosospira ähnlichen Bakterien reicht von kurzen Stäbchen bis zu deutlichen Spirillen. Die Zellen sind zwischen 1,5 bis 1,8 μm lang.
In den Böden und Sedimenten der jungen Überflutungsebene, der trockenen Flussterrasse und des Samoylov-Kliffs wurden neben den AOB auch Ammoniak oxidierende Archaeen (AOA) nachgewiesen. Eine messbare potentielle Ammoniakoxidation der AOA wurde aber nur in den Strandsedimenten ermittelt. Die AOA aus Sibirien liegen im phylogenetischen Stammbaum im Cluster 1.1b, in dem hauptsächlich Vertreter aus Böden zu finden sind. Eine Anreicherung der AOA gelang nur gemeinsam mit AOB.
Im Vergleichsstandort mit gemäßigten Klima, einem Auengley in der Hahnheide, konnten AOA als dominierende Ammoniakoxidanten nachgewiesen und ein Stamm angereichert werden. Auch dieses angereicherte AOA gehört phylogenetisch in den Cluster 1.1b.
Mit der vorliegenden Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu gemäßigten Klimaten die AOB gegenüber den AOA in den untersuchten Permafrostböden dominieren. Dies ergibt sich aus der besseren Anpassung an die tiefen Temperaturen und an die schwach sauren bis neutralen pH-Werte.

Kurzfassung auf Englisch: In the context of this thesis, ammonia oxidizing microorganisms (AOM) were investigated in permafrost affected soils of the northeast Siberian tundra and in the soils of a reference area in the moderate climate near Hamburg. The analysis of the nitrification process and the involved ammonia oxidizing bacteria (AOB) and archaea (AOA) gives insight into the procedures of the nitrogen cycle in different permafrost affected soils in cold climate and in the reference area in moderate climate.
During two expeditions (2007, 2008) the thawed active layer of the soils of the different geomorphologic units of Samoylov Island in the Lena River delta were characterized and soil
samples were taken. The geomorphologic units were a higher situated river terrace characterized by the polygonal tundra and a younger floodplain overgrown by pioneer vegetation. Polygons are landscape units evolved by thawing and freezing processes, which
have an own micro relief. The river terrace consisted of three sites: The polygon rim, the polygon center and the dryer silted area in the south of the island; two further sites were located in the floodplain, one with and one without vegetation. The investigated soils have been thawing in the summer for approx.
The soils of the geomorphologic units showed significant differences concerning e.g. the content of organic matter, the C/N ratios and the water content. The soils were characterized
in the polygonal tundra as Typic Aquiturbel in the polygon rim and Typic Historthel in the polygon center. The soils of the dry river terrace and the vegetation covered floodplain were characterized as Typic Psammorthel and on the beach as Psammentic Aquorthel. The classification was made using the US Soil Taxonomy (2006).
The distribution of the dissolved inorganic nitrogen (DIN) in the vegetation period as well as the N-mineralization rates and the potential nitrification, gave insight into the ongoing N-cycle in the investigation site. DIN was generally only detected in small amounts. However, in the soils without vegetation cover nitrate was enriched at the end of the vegetation period, due to
a lacking uptake by plants. The DIN as well as the N-mineralization and potential nitrification varied on a small-scale. The amounts of dissolved inorganic nitrogen and the nitrification rates depended on content of organic matter, pH value, temperature and vegetation coverage. The processes in the different geomorphologic units can be characterized as nitrogen limited.
The potential nitrification was highest in the dry sandy Typic Psammenorthel and Psammentic Aquorthel of the floodplain and the dry river terrace. It is correlated positive to the incubation temperature. In the organic rich polygonal tundra, potential nitrification was only detected in the comparably dry polygon rim in a depth of 5 to 15 cm and in the upper organic layer. Nevertheless, it was significantly lower than in the other sandy soils.
The diversity of ammonia oxidizing microorganisms was low with respect to the genera. The genus Nitrosospira –as ammonia oxidizing bacteria (AOB) – dominated in the cold climate on Samoylov Island. In all soils except for the polygon center, the existence of Nitrosospira-like bacteria was proven by the amplification of the ammoniamonooxygenase (amoA) gene sequence.
The temperature optimum of the Nitrosospira–like bacteria ranged between 22 °C and 26 °C.
The maximum was not higher than 35 °C and the minimum below 4 °C. These Nitrosospira-like bacteria can therefore be classified as psychrotolerant but not psychrophil. The morphology of these bacteria included short rods and spirilla with a length of 1.5 to 1.8 μm. In the soils and sediments of the young floodplain, of the dry river terrace and of the Samoylov cliff, Ammonia oxidizing archaea were detected in addition to AOB. Potential ammonia oxidation of the AOA was only measurable in the beach sediments. The AOA of Siberia belongs to the phylogenetic cluster 1.1b of the Crenarchaeota, where mainly soil derived representatives were found. An enrichment of AOA was only successful together with AOB, because in enrichment conditions potential enhance the growth of AOB. Reference area in moderate climate was the river floodplain gley of the Hahnheide near Hamburg. Here ammonia oxidizing archaea were detected as the predominating ammonia
oxidizer and enriched. This enriched AOA also belongs to the phylogenetic cluster 1.1b. The present thesis shows that in the permafrost affected soils of the Samoylov Island, the predominating ammonia oxidizers were AOB and not AOA, which dominate in comparable soils of moderate climates. This is essentially due to a better adaption of AOB to the low temperatures as well as the slightly acid to neutral pH-value of the permafrost affected soils.

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