Biological regulation of subsoil C-cycling

Soils are the largest terrestrial reservoir of organic carbon (OC). Substantial proportions of the stored OC are found in stabilized form in deeper soil layers. Beside the quality and quantity of C input from plant biomass, C storage in soil is primarily controlled by the microbial decomposition capacity. Various physical, chemical and biological factors (e.g., substrate availability, temperature, water content, pH, texture) vary within soil profiles and directly or indirectly influence the abundance, composition and activity of microbial communities and thus the microbial C turnover. While soil microbiological research has so far focused mainly on processes in topsoil, the mechanisms of C storage and turnover in subsoil are largely unknown. The objective of the present thesis was therefore to investigate the specific influence of substrate availability and different environmental factors as well as their interactions on microbial communities and their regulatory function in subsoil C-cycling. This objective was addressed in three studies. In the first and second study, one-year field experiments were established in which microbial communities from different soil depths were exposed to altered habitat conditions to identify crucial factors influencing the spatial and temporal development of microbial abundance and substrate utilization within soil profiles. This was achieved by reciprocal translocation of soils between subsoil horizons (first study) and topsoil and subsoil horizons (second study) in combination with addition of 13C-labelled substrates and different sampling dates. In the third study, a flow cascade experiment with soil columns from topsoil and subsoil horizons and soil minerals (goethite) coated with 13C-labelled organic matter (OM) was established. This laboratory experiment investigated the importance of exchange processes of OM with reactive soil minerals for the quality and quantity of dissolved OM and the influence of these soil micro-habitats on microbial abundance and community composition with increasing soil depth. In the first study, the reciprocal translocation of subsoils from different soil depths revealed that due to comparable micro-climatic conditions and soil textures within the subsoil profile, no changes in microbial biomass, community composition and activity occurred. Moreover, increasing microbial substrate utilization in relation to the quantity of added substrate indicated that deep soil layers exhibit high potential for microbial C turnover. However, this potential was constrained by low soil moisture in interplay with the coarse soil texture and the resulting micro-scale fragmentation of the subsoil environment. The bacterial substrate utilization was more affected by this spatial separation between microorganisms and potentially available substrate than that of fungi, which was further confirmed by the translocation experiment with topsoil and subsoil in the second study. While the absolute substrate utilization capacity of bacteria decreased from the more moist topsoil to the drier subsoil, fungi were able to increase their substrate utilization and thus to partially compensate the decrease in C input from other sources. Furthermore, the addition of root litter as a preferential C source of fungal decomposer communities led to a pronounced fungal growth in subsoil. The third study demonstrated the high importance of reactive soil minerals both in topsoil and in subsoil for microbial growth due to extensive exchange processes of OM and the associated high availability of labile C. In particular copiotrophic bacteria such as Betaproteobacteria benefited from the increased C availability under non-limiting water conditions leading to a pronounced increase in bacterial dominance in the microbial communities of these soil micro-habitats. In conclusion, this thesis showed that subsoil exhibits great potential for both bacterial and fungal C turnover, albeit this potential is limited by various factors. This thesis, however, allowed to determine the specific effects of these factors on bacteria and fungi and their function in subsoil C-cycling and thus to identify those factors of critical importance. The micro-climate in subsoil, in particular soil moisture, was the primary factor limiting bacterial growth and activity, whereas fungi were more strongly restricted by substrate limitations.

Böden sind der größte terrestrische Speicher von organischem Kohlenstoff (OC). Ein erheblicher Anteil des gespeicherten OC liegt hierbei in tieferen Bodenschichten in stabilisierter Form vor. Neben der Qualität und Quantität des Eintrages aus pflanzlicher Biomasse wird die C-Speicherung in Böden hauptsächlich durch die mikrobielle Abbauleistung gesteuert. Eine Vielzahl von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren (z.B. Substratverfügbarkeit, Temperatur, Wassergehalt, pH, Textur) variieren innerhalb von Bodenprofilen und beeinflussen direkt oder indirekt die Abundanz, Zusammensetzung und Aktivität mikrobieller Gemeinschaften und somit den mikrobiellen C-Umsatz. Während die bodenmikrobiologische Forschung bisher verstärkt auf Prozesse im Oberboden ausgerichtet war, sind die Mechanismen der Speicherung und des Umsatzes von C im Unterboden weitgehend unbekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, den spezifischen Einfluss von Substratverfügbarkeit und verschiedener Umweltfaktoren sowie ihrer Wechselwirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft und ihre regulierende Funktion im C-Kreislauf des Unterbodens zu untersuchen. Dieses Ziel wurde durch drei Studien angegangen. In der ersten und zweiten Studie wurden jeweils einjährige Feldexperimente etabliert, in denen Mikroorganismengemeinschaften verschiedener Bodentiefen veränderten Habitatbedingungen ausgesetzt wurden, um entscheidende Einflussgrößen auf die räumliche und zeitliche Entwicklung ihrer Abundanz und Substratnutzung innerhalb von Bodenprofilen zu identifizieren. Dies wurde durch eine wechselseitige Translokation von Böden zwischen Unterbodenhorizonten (erste Studie) und Oberboden- und Unterbodenhorizonten (zweite Studie) in Kombination mit Zugabe von 13C-markierten Substraten und mehreren Probennahmezeitpunkten möglich. In der dritten Studie wurde ein Fluss-Kaskaden-Experiment mit Bodensäulen aus Ober- und Unterbodenhorizonten und mit 13C-markiertem organischen Material (OM) belegten Bodenmineralen (Goethit) etabliert. Mit diesem Laborexperiment wurde die Bedeutung von Austauschprozessen von OM mit reaktiven Bodenmineralen für die Qualität und Quantität von gelöstem OM sowie der Einfluss dieser Boden-Mikrohabitate auf die mikrobielle Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung mit zunehmender Bodentiefe untersucht. Durch die wechselseitige Translokation von Unterböden verschiedener Ursprungstiefen in der ersten Studie zeigte sich, dass aufgrund vergleichbarer mikroklimatischer Bedingungen und Bodentexturen innerhalb des Unterbodenprofils keine Veränderungen der mikrobiellen Biomasse, Gemeinschaftszusammensetzung und Aktivität auftraten. Die in Abhängigkeit von der Zugabemenge gesteigerte mikrobielle Substratnutzung verdeutlichte darüber hinaus, dass in tieferen Bodenschichten ein hohes Potential zum mikrobiellen C-Umsatz besteht. Dieses wurde jedoch durch die geringe Bodenfeuchtigkeit im Zusammenspiel mit der groben Bodentextur und einer daraus resultierenden kleinräumigen Fragmentierung im Unterboden stark eingeschränkt. Die bakterielle Substratnutzung war durch diese räumliche Trennung von Mikroorganismen und potentiell verfügbarem Substrat stärker betroffen als die pilzliche, was sich im Translokationsexperiment mit Ober- und Unterböden der zweiten Studie bestätigte. Während die absolute Substratnutzungskapazität der Bakterien vom feuchteren Oberboden zum trockeneren Unterboden abnahm, konnten Pilze diese steigern und somit die Abnahme des C-Eintrages aus anderen Quellen teilweise ausgleichen. Des Weiteren führte die Wurzelstreu-Zugabe als präferentielle C-Quelle pilzlicher Zersetzergemeinschaften zu einem deutlichen Pilzwachstum im Unterboden. Die dritte Studie verdeutlichte, dass reaktive Minerale sowohl im Oberboden als auch im Unterboden aufgrund ausgeprägter Austauschprozesse von OM und einer damit einhergehenden hohen Verfügbarkeit von labilem C von großer Bedeutung für mikrobielles Wachstum sind. Insbesondere profitierten kopiotrophe Bakterien wie Betaproteobacteria unter den nicht wasserlimitierten Bedingungen von der gesteigerten C-Verfügbarkeit, was zu einer deutlichen Steigerung der bakteriellen Dominanz in der mikrobiellen Gemeinschaft dieser Boden-Mikrohabitate führte. Zusammenfassend wurde durch diese Arbeit deutlich, dass in Unterböden ein großes Potential sowohl zu bakteriellem als auch pilzlichem C-Umsatz vorhanden ist. Dieses Potential wird jedoch durch verschiedene Faktoren begrenzt. Es war durch diese Arbeit indes möglich, die spezifische Wirkung dieser Faktoren auf Bakterien und Pilze und ihre Funktion im C-Kreislauf des Unterbodens aufzuzeigen und somit jene von entscheidender Bedeutung zu identifizieren. So war das Mikroklima im Unterboden, insbesondere Bodenfeuchte, der primär limitierende Faktor bakteriellen Wachstums und Aktivität, wohingegen pilzliches Wachstum stärker durch Substratlimitierungen begrenzt wurde.