Bedeutung der Baumart für die Aktivität, Diversität und Abundanz methanoxidierender Bakterien in temperaten Waldböden
Die mikrobielle Oxidation atmosphärischen Methans ist in Nadelwaldböden bis zu drei Mal niedriger als in Laubwaldböden. Ziel dieser Dissertation war es, anhand von drei deutschen Waldstandorten (Solling, Steigerwald und Unterlüß) mit jeweils benachbarten Beständen der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Gemeinen Fichte (Picea abies L.), die Umweltparameter zu identifizieren, die diese unterschiedlichen Methanoxidationsraten hervorrufen, und deren Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz der methanotrophen Lebensgemeinschaft zu bestimmen. Die Aufnahme von Michaelis-Menten-Kinetiken an intakten Bodenkernen bei konstanter Methankonzentration, Temperatur sowie konstantem Matrixpotenzial ergab, dass die kinetischen Parameter Vmax(app) und KM(app) in Fichtenwaldböden bis zu 65% niedriger waren als in entsprechenden Buchenwaldböden. In situ Methanaufnahmeraten und atmosphärische Methanoxidationsraten gestörter Bodenproben waren in Böden unter Fichte ebenfalls niedriger. Die maximale methanotrophe Aktivität war im Oa-Horizont (Buche) oder in den ersten fünf Zentimetern des Mineralbodens lokalisiert. Unter Fichte wurde im Oa-Horizont keine Methanoxidation detektiert. Im Oi- und Oe-Horizont wurde in keinem der beiden Waldbodentypen methanotrophe Aktivität verzeichnet. Die Gasdiffusion durch die organische Auflage der Böden, der pH-Wert und die Ammoniumkonzentration waren in beiden Waldbodentypen ähnlich und schieden somit als regulierende Faktoren für die atmosphärische Methanoxidation in Laub- und Nadelwaldböden aus. Die Produktion von Ethylen unter oxischen Bedingungen war vernachlässigbar, so dass Ethylen ebenfalls ausgeschlossen werden konnte. β-Pinen, welches in Fichtennadeln und -wurzeln vorkommt und eine sehr hohe inhibitorische Wirkung auf die Methanoxidation zeigt, inhibierte die Oxidation von Methan in Bodenaufschlämmungen des Steigerwalds vollständig bei einer Konzentration, die dem Fünffachen der in situ Konzentration entsprach. Die von Fichten freigesetzten Monoterpene können die verminderte Methanaufnahme in Fichtenwaldböden erklären. Der Einfluss der Baumart auf die Zusammensetzung der methanotrophen Lebensgemeinschaft wurde durch vergleichende Analyse der Gene der partikulären Methanmonooxygenase (pmoA) untersucht. Von den insgesamt 366 analysierten pmoA-Genen waren 82% Upland Soil Cluster alpha (USCα) zuzuordnen, dem global am häufigsten detektierten pmoA-Genotyp in Waldböden. Durch Vergleich der PmoA-Sequenzen mit den entsprechenden 16S rRNA-Gensequenzen bekannter methanotropher Isolate wurde ein distanzbasierter „Cut-off“ von 7% auf Proteinebene zur Differenzierung methanotropher OTUs auf Artenebene kalkuliert. Unter Anwendung dieses „Cut-offs“ konnten in Buchenwaldböden sieben OTUs innerhalb von USCα unterschieden werden. Außerdem wurden zwei tiefabzweigende Genotypen (Cluster 6 und Cluster 7) detektiert, die nur entfernt verwandt zu bekannten PmoA-/AmoA-Sequenzen waren. In Fichtenwaldböden waren dagegen nur vier USCα-OTUs sowie Cluster 6 detektierbar. Die erniedrigte Diversität Methanotropher in Fichtenwaldböden wurde durch statistische Analysen bestätigt. Genfragmente von mmoX und der pmoA von methanotrophen Verrucomicrobia wurden nicht detektiert. amoA-Gene mit hoher Verwandtschaft zur amoA von Nitrosospira briensis wurden gelegentlich kodetektiert. Die Abundanz der pmoA-Gene von USCα, der Anteil von USCα an der bakteriellen Gemeinschaft sowie die zellspezifische Aktivität von USCα waren in Böden unter Fichte niedriger als unter Buche. Die ermittelten Werte für die zellspezifische Aktivität von USCα lagen unterhalb des theoretischen Mindestwerts, der für das Überleben einer methanotrophen Zelle bei Oxidation von atmosphärischem Methan notwendig ist. Dies lässt vermuten, dass USCα neben atmosphärischem Methan auf alternative Kohlenstoff- und Energiequellen angewiesen sein könnte. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Disseration den Schluss zu, dass von Fichten freigesetzte Monoterpene die Aktivität, Diversität und Abundanz atmosphärischer Methanoxidierer reduzieren und so die atmospherische Methanaufnahme von Fichtenwaldböden verringern.
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