Effect of elevated atmospheric carbon dioxide concentrations on soil microbial processes and the soil microbiome

Abstract

Der Klimawandel, der auf den Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zurückzuführen ist, hat verschiedene Auswirkungen auf unterschiedliche Ökosysteme in der ganzen Welt. Zu den Auswirkungen von erhöhtem atmosphärischem CO2 (eCO2) auf Bodenökosysteme gehören die Folgen für den Pflanzenstoffwechsel, die den Anstieg der Photosyntheseraten der Pflanzen, den Kohlenstoffeintrag in den Boden und die Wurzelexsudation umfassen. Da etwa 21% des photosynthetisch gebundenen Kohlenstoffs in die Rhizosphäre des Bodens gelangt, hat eCO2 direkte Auswirkungen auf die Bodenmikroorganismen und die von ihnen geführten mikrobiellen Prozesse. Daher wurden in dieser Arbeit die Auswirkungen von eCO2 auf das Bodenmikrobiom und die mikrobiellen Prozesse im Boden an zwei Free Air Carbon Dioxide Enrichment Experimenten (FACE) in Hessen, Deutschland, untersucht. Das Gießener FACE und das Geisenheimer VineyardFACE, wobei ersteres auf einem Grünlandfeld mit einer langfristigen Exposition mit eCO2 und letzteres in einer Rebenanlage mit einer mittelfristigen Exposition mit eCO2 angesiedelt ist. Das Bodenmikrobiom wurde mit Hilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden analysiert, um die bodenaktiven Mikroorganismen durch die Analyse von 16S rRNA und mRNA für einen taxonomischen bzw. funktionellen Metagenomik-ansatz zu bewerten. Daneben wurde die mikrobielle Aktivität des Bodens durch die Bewertung der Bodenatmungsaktivität, Echtzeit-qPCR für 16S rRNA und funktionelle Gene, Bodengasflüsse und bodenchemische Parameter gemessen. Die 16S rRNA-Ergebnisse aus beiden Anlagen zeigten, dass sich die eCO2-Behandlungen signifikant von denen mit normalem atmosphärischem CO2 unterschieden und dass die Bereiche mit höherem Pflanzeneinfluss am stärksten von eCO2 betroffen waren. Darüber hinaus zeigten 16S rRNA qPCR-Analysen im Gießener FACE eine Zunahme der Anzahl aktiver Bakterien, im Gegensatz zum Geisenheimer Vineyard-FACE, wo eine Abnahme der Kopienzahlen der bakteriellen 16S rRNA auftrat, nichtsdestotrotz war an beiden Standorten die gesamte Bodenaktivität bei den eCO2-Behandlungen erhöht. Darüber hinaus zeigten Analysen der differentiellen Abundanz, dass mehrere mikrobielle Taxa durch eCO2 entweder positiv oder negativ beeinflusst wurden, da viele dieser Taxa direkt in den Nährstoffkreislauf des Bodens eingebunden sind. Die Analyse funktioneller Gene mittels qPCR und funktioneller Metatranskriptomik deutete Beeinträchtigungen von mikrobiellem Prozesse an, die am Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf beteiligt sind. Die an beiden Standorten gewonnenen Daten wiesen auf eine Verringerung der Stickstofffixierung unter eCO2 hin, was darauf hindeutet, dass die Bodenmikroorganismen die organische Bodensubstanz (SOM) abbauen, um ihren höheren Bedarf an Stickstoff zu decken, da bei eCO2-Konzentrationen eine größere Verfügbarkeit von Kohlenstoff besteht. Darüber hinaus zeigte die funktionelle Metatranskriptomik des Gießener FACE eine Zunahme des Kohlenhydrat- und Aminosäurestoffwechsels sowie eine Zunahme von Genen für den Abbau von Zellulose, Chitin und Lignin. Was den Stickstoffkreislauf betrifft, so wurde eine Verschiebung im Stoffwechsel der Nitrat (NO3-)-Reduktion beobachtet, mit einer Zunahme des dissimilatorischen NO3--Reduktionswegs zu Ammonium (NH4+) (DNRA) und einer Verminderung des Denitrifikationsprozesses, was die in der Gießener FACE beobachtete Zunahme der N2O-Emissionen erklärt. Generell zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass eCO2 und der Klimawandel das aktive Bodenmikrobiom in zwei verschiedenen Ökosystemen mit unterschiedlich langer Exposition mit eCO2 signifikant beeinflusst haben, was zu signifikanten Veränderungen in der Art und Weise führt, wie Bodenmikroorganismen Bodenelemente nutzen und umsetzen.