Abundance and diversity of total and nitrifying prokaryotes as influenced by biochemical quality of organic inputs, mineral nitrogen fertilizer and soil texture in tropical agro-ecosystems

Tropical agro-ecosystems are limited in nutrient resources as a consequence of i) being composed of highly weathered soils, ii) low native soil organic matter (SOM) content due to conversion of natural forests to arable lands and iii) continuous cropping without replenishing soil nutrients. Recovery of SOM by use of organic residues is faced with other competing uses like animal fodder. Moreover, existing SOM is further reduced by increased turnover rates due to favorable climatic conditions in the tropics. Incorporation of residues is therefore a justified means to restore SOM and to provide crop nutrients through microbial mediated activities like nitrification. Nitrification is a central step of the nitrogen (N) cycle, whereby ammonia is converted into nitrite and then to nitrate by bacteria and archaea through production of the amoA gene encoding the alpha-subunit of the enzyme ammonia monooxygenase. In order to better understand the impact of organic residues of contrasting biochemical quality (i.e., high quality Tithonia diversifolia (TD; C/N ratio: 13, lignin: 8.9 %, polyphenols: 1.7 %), intermediate quality Calliandra calothyrsus (CC; 13, 13, 9.4) and low quality Zea mays (ZM; 59, 5.4, 1.2)) on nutrient provision, effects of residue quality on dynamics of relevant decomposer microbial communities were studied. In addition, mineral N fertilizer was used to compensate for mineral N limitations especially in case of low and intermediate quality residues. Since N is one of the most limiting crop nutrients in the tropics, this study therefore focused on ammonia-oxidizing prokaryotes, using DNA-based quantitative PCR (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP) techniques. In addition, soil physicochemical properties were measured and linked to the dynamics of microbial communities. The study hypothesized that soil type due to differences in structure and nutrient background, as well as seasonality, which influences soil moisture, would shape the response of the studied communities to biochemical quality of residues. Overall, the results of this PhD research revealed specific responses of dynamics of AOB and AOA to quality of organic residues and their combinations with mineral N fertilizer. They also revealed effects of interrelations between quality of residues and soil texture as well as seasonality particularly precipitation on dynamics of microbial communities. Future investigation of active microbial communities with the use of RNA-based approaches need to be considered to further improve our understanding of quality of SOM on soil nutrient dynamics.

Tropische Agrarökosysteme haben limitierte Nährstoffressourcen als Folge von i) stark verwitterten Böden, ii) einem niedrigem Gehalt an natürlicher organischer Bodensubstanz (OBS) aufgrund der Konversion von natürlichen Wäldern zu landwirtschaftlicher Nutzfläche und iii) kontinuierlichem Ackerbau ohne ergänzende Nährstoffzufuhr. Die Wiederherstellung der OBS durch Einarbeitung von organischen Ernterückständen steht in Konkurrenz zu anderen Nutzungen wie etwa Tierfutter. Aufgrund der günstigen klimatischen Bedingungen in den Tropen wird darüber hinaus die bestehende OBS durch erhöhte Umsatzraten weiter reduziert. Daher ist für den Wiederaufbau der OBS und von Pflanzennährstoffen, die durch mikrobielle Aktivitäten wie Nitrifikation bereitgestellt werden, die Einarbeitung von Ernterückständen eine zwingende Notwendigkeit. Nitrifizierung ist ein zentraler Schritt im N-Kreislauf, wobei das mineralisierte Ammonium zuerst in Nitrit und danach in Nitrat von Bakterien und Archaeen durch das amoA Gen, welches die alpha-Untereinheit des Enzyms Ammoniummonooxygenase (AMO) codiert, umgewandelt wird. Um die Auswirkungen von Ernterückständen von kontrastierender biochemischer Qualität (d.h., hohe Qualität Tithonia diversifolia (TD; C / N-Verhältnis: 13, Lignin: 8.9%; Polyphenole: 1.7%), mittlere Qualität Calliandra calothyrsus (CC; 13, 13,.4) und niedrige Qualität Zea mays (ZM; 59, 5.4, 1.2) auf die Nährstoffverfügbarkeit besser verstehen zu können, wurden die Auswirkungen der Rückstandsqualität auf die Dynamik der relevanten mikrobiellen Zersetzergemeinschaften untersucht. Zusätzlich wurde mineralischer N-Dünger appliziert, um den mineralische N-Mangel zu kompensieren, der vor allem bei Ernterückständen niedriger und mittlerer Qualität auftritt. Da N einer der am meist limitierenden Pflanzennährstoffe in den Tropen ist, konzentriert sich die Studie auf Ammonium-oxidierende Prokaryoten, unter Verwendung von DNA-basierter quantitativer PCR (qPCR) sowie des terminalen Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (TRFLP). Darüber hinaus wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens gemessen und mit der Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaften verknüpft. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass der Bodentyp, aufgrund von Unterschieden in Struktur und Nährstoffgehalt als auch die Saisonalität, welche die Bodenfeuchte beeinflusst, die Reaktion der untersuchten mikrobiellen Gesellschaften auf die biochemische Qualität der Ernterückstände bestimmen würde. Insgesamt offenbaren die Ergebnisse dieser Doktorarbeit spezifische Reaktionen der Dynamik von AOB und AOA auf die Qualität von organischen Ernterückständen und deren Kombinationen mit mineralischen N-Dünger. Sie zeigt auch Auswirkungen der Wechselbeziehungen zwischen der Qualität der Ernterückständen und Bodenbeschaffenheit als auch der Saisonabhängigkeit, insbesondere Niederschlag, auf die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften. Zukünftige Untersuchungen der aktiven mikrobiellen Gemeinschaften durch Verwendung von RNA-basierten Ansätzen müssen in Betracht gezogen werden, um unser Verständnis für den Einfluss der OBS-Qualität auf die Bodennährstoffdynamik weiter zu verbessern.