Microbial community structure and function is shaped by microhabitat characteristics in soil

Soil microorganisms play a key role in degradation processes in soil, such as organic matter decomposition and degradation of xenobiotics. Microbial growth and activity and therefore degradation processes are influenced by different ecological factors, such as substrate availability, pH and temperature. During soil development different microhabitats are formed which differ in their physiochemical properties. There is some evidence that mineral composition is a driver for specific microbial colonization. Thereby, the heterogeneity of soils with differences in mineral composition and substrate availability can lead to a spatial distribution of soil microorganisms. At the soil-litter interface, a biogeochemical hot spot in soil, the abundance and activity of soil microorganisms increases due to high substrate availability, and degradation processes such as pesticide degradation are enhanced. This thesis aimed to clarify the influence of habitat properties on the structure and function of the microbial community in soil. In particular, focus was on mineral-microbe interactions that result from the mineral composition and substrate availability in an artificial soils system. Furthermore this thesis was designed to increase our understanding of the bacterial and fungal roles in pesticide degradation at the soil-litter interface using 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA) as a model xenobiotic. These two aspects of the thesis were examined in three studies. The first study focused on the succession of microbial communities and enzyme activities in an artificial soils system with varying mineral composition and substrate availability over a period of 18 months. In the second study a microcosm experiment was used to study the bacterial pathway of MCPA degradation at the soil-litter interface. Over a period of 27 days the succession of bacterial degraders was followed. The third study focused on the degradation of MCPA in soil by nonspecific fungal enzymes, through the addition of fungal laccases as well as litter during 42 days of incubation. Both studies indicated the involvement of fungi in MCPA degradation and the importance of the ecological behavior of different degraders as a function of substrate availability. Results of the first study indicated that the microbial community was affected by mineral properties under high substrate availability and by the availability of beneficial nutrients at the end of incubation when substrate had become limited. The measured enzyme activities provided clear evidence that microbial community structure was driven by nutrient limitation during incubation. In the presence of easily available organic substrates at the beginning of the experiment, the soil microbial community was dominated by copiotrophic bacteria (e.g. Betaproteobacteria), whereas under substrate limitation at the end of incubation, more recalcitrant compounds became important to oligotrophic bacteria (e.g. Acidobacteria), which then became dominant. The results of the second study indicated that the contribution of the potential degraders to degradation of MCPA differed, and this was also seen in the succession of specific bacterial MCPA degraders. Added litter stimulated MCPA degradation due to the availability of litter-derived carbon and induced a two-phase response of fungi. This was seen in the development of pioneer and late stage fungal communities. Both fungal communities were probably involved in MCPA degradation. Therefore, the third study focused on the fungal pathway. These results indicated that the fungal laccases used had no direct influence on degradation and were as efficient as litter in providing additional nutrient sources, increasing MCPA degradation by bacteria and fungi. The observed differences between litter and enzyme addition underscored the observation that the enzyme effect was short-lived and that substrate quality is an important factor in degradation processes. In conclusion, this thesis demonstrated that soil microbial communities and therefore degradation processes are driven by mineral composition as well as substrate availability and quality. In addition, this thesis extends our understanding of degradation processes such as the degradation of xenobiotics, with MCPA as model compound, in soil. The combined insights from all three studies suggest that the use of a simple system such as the artificial soil system can increase our understanding of complex mechanisms such as degradation of pesticides.

Bodenmikroorganismen spielen im Boden eine Schlüsselrolle bei Abbauprozessen, wie Zersetzung von organischem Material und Abbau von Xenobiotika. Wachstum und Aktivität von Mikroorganismen und somit auch Abbauprozesse werden durch verschiedene ökologische Faktoren, wie Substratverfügbarkeit, pH und Temperatur beeinflusst. Während der Bodenentwicklung werden verschiedene Mikrohabitate mit unterschiedlichen physiochemischen Eingenschaften geformt. Es gibt einige Hinweise, dass die Mineralzusammensetzung ein Einflussfaktor für die spezifische mikrobielle Kolonisation ist. Dabei kann die Heterogenität von Böden mit unterschiedlicher mineralischer Zusammensetzung und Substratverfügbarkeit zu einer räumlichen und zeitlichen Verteilung von Bodenmikroorganismen führen. An der Boden-Streu Grenzfläche, einem biogeochemischen Hotspot, ist die Menge und Akivität von Bodenmikroorganismen auf Grund von hoher Substratverfügbarkeit erhöht und Abbauprozesse, wie Pestizidabbau verbessert. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Habitateigenschaften auf Struktur und Funktion von mikrobiellen Gemeinschaften in Böden zu klären. Insbesoders lag der Fokus dieser Arbeit auf Mineral-Mikroorganismen Interaktionen im Bezug auf Mineralzusammensetzung und Substratverfügbarkeit in künstlichen Böden. Darüber hinaus wollte diese Arbeit unser Wissen über die bakterielle und pilzliche Rolle im Pestizidabbau an der Boden-Streu Grenzfläche, mit 4-Chlor-2-Methylphenoxyessigsäure (MCPA) als Modell-Xenobiotika, erweitern. Die zwei Aspekte dieser These wurden in drei Studien untersucht. Die erste Studie konzentrierte sich auf die zeitliche Abfolge der mikrobiellen Gemeinschaften und Enzymaktivitäten in künstlichen Böden, mit unterschiedlicher mineralischer Zusammensetzung und Substratverfügbarkeit über einen Zeitraum von 18 Monaten. In der zweiten Studie wurde ein Mikrokosmenexperiment verwendet um den bakteriellen Weg des MCPA-Abbaus an der Boden-Streu Grenzfläche zu untersuchen. Über einen Zeitraum von 27 Tagen wurde die Sukzession der bakteriellen Abbauer verfolgt. Die dritte Studie konzentrierte sich auf den Abbau von MCPA im Boden mittels unspezifischer pilzlicher Enzyme, durch Zugabe von pilzlichen Laccasen sowie Streu über einen Zeitraum von 42 Tagen. Beide Studien deuten die Beteiligung von Pilzen am MCPA-Abbau und die Bedeutung von ökologischem Verhalten verschiedener Abbauer in Abhänigkeit von Substratverfügbarkeit an. Die Ergebnisse aus der ersten Studie deuteten an, dass die mikrobielle Gemeinschaft durch Mineraleigenschaften unter hoher Substratverfügbarkeit und durch die Verfügbarkeit von förderlichen Nährstoffen am Ende der Inkubation unter Substratlimitierung beeinflusst wurden. Die gemessenen Enzymaktivitäten liefern einen klaren Hinweis, dass die mikrobielle Gemeinschaft durch Nährstofflimitierung während der Inkubation gelenkt wurde. In Anwesenheit von einfach verfügbaren organischen Substanzen wurde die mikrobielle Bodengemeinschaft von copiotrophen Bakterien (z.B. Betaproteobakterien) dominiert, wohingegen am Ende der Inkubation unter Substratlimitierung schwer abbaubare Komponenten für oligotrophe Bakterien (z.B. Acidobakterien) entscheidend wurden, welche daraufhin dominiereten. Die Ergebnisse der zweiten Studie deuteten darauf hin, dass der Beitrag der potentiellen Abbauer MCPA abzubauen unterschiedlich war, was auch in der Sukzession der spezifischen bakteriellen MCPA Abbauer zu sehen war. Zugabe von Streu stimuliert den MCPA Abbau in Abhängigkeit von verfügbarem streubürtigen Kohlenstoff und induziert eine zwei-Phasen Antwort der Pilze. Dies war in der Entwicklung von frühen und späten pilzlichen Gemeinschaften zu sehen. Beide Pilzgemeinschaften waren vermutlich am MCPA Abbau beteiligt. Aus diesem Grund konzentrierte sich die dritte Studie auf den pilzlichen Abbauweg. Die Ergebnisse deuten an, dass die verwendeten pilzlichen Laccasen keinen direkten Einfluss auf den Abbau hatten und dass sie genauso effektiv waren zusätzliche Nährstoffquellen bereitzustellen wie Streu, um den MCPA Abbau durch Bakterien und Pilze zu fördern. Die beobachteten Unterschiede zwischen Streu- und Enzymzugabe unterstreicht die Beobachtung, dass der Enzymeffekt kurzlebig war und dass Substratqualität ein wichtiger Faktor in Abbauprozessen ist. Zusammenfassend zeigte diese Arbeit, dass die mikrobielle Gemeinschaft durch die Mineralzusammensetzung sowie Substratverfügbarkeit und Qualität angetrieben wird. Darüber hinaus erweitert diese Arbeit unser Wissen über Abbauprozesse in Böden, wie den Abbau von Xenobiotika, mit MCPA als Modelkomponente. Die Einblicke von allen drei Studien deuten an, dass ein einfaches System, wie das System der künstlichen Böden hilfreich sein kann, um unser Wissen über komplexe Mechanismen, wie Pestizidabbau zu erhöhen.