Methane Turnover in Desert Soils

Autor: Angel, Roey
Přispěvatelé: Conrad, Ralf (Prof. Dr.)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2010
Předmět:
DOI: 10.17192/z2010.0654
Popis: Wüsten bedecken circa ein Drittel der Erdoberfläche. Trotz dieser Ausmaße ist ihre Ökologie – insbesondere ihre mikrobielle Ökologie – weit weniger erforscht als die Ökologie feuchter Gebiete. Einige Studien deuten an, dass Wüstenböden an der Produktion und dem Verbrauch von Methan – einem wichtigen Treibhausgas – beteiligt sein konnen. Mikroorganismen sind verantwortlich für den Umsatz atmosphärischer Gase. Methan stellt hierbei keine Ausnahme dar. Es wird sowohl von Mikroben produziert, als auch umgesetzt. Trotz umfangreicher Forschung sind grundlegende Untersuchungen der Methanumsetzung in ariden Gebieten und den aktiv beteiligten Organismen bisher ausgeblieben. Diese Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit biogeographischen Verteilungsmustern mikrobieller Bodengemeinschaften entlang eines ansteigenden Niederschlagsradientens in Israel (100 bis über 900 mm Niederschlag yr-1). Es konnte gezeigt werden, dass sich die Zusammensetzung von Bakterien- und Archeengemeinschaften nicht kontinuierlich über den Gradienten ändert, sondern sich eher in drei Gruppen zusammenfassen lässt, welche als arid, semi-arid und mediterran definiert wurden. Diese drei Kategorieren demonstrieren einen qualitativen Unterschied in der Mikrobiologie arider Böden im Vergleich zu feuchten Regionen. Im zweiten Teil zeigen wir, dass ursprüngliche aride Böden der Negev Wüste in Israel eine Senke für atmosphärisches Methan darstellen, während anthropogen beeinflusste, ebenso wie ursprüngliche hyper-aride Böden dies nicht zu sein scheinen. Die methanotrophe Aktivität wurde in einer schmalen Schicht in ca. 20 cm Bodentiefe gefunden. Interessanterweise zeigte die Oberflächenkruste, welche die typischerweise die aktivste Schicht im Wüstenboden darstellt, keine Methanaufnahme und methanotrophe Bakterien konnten in dieser Schicht nicht nachgewiesen werden. Transkripte des pmoA Gens, welches eine Untereinheit des Schlüsselenzyms der Methanoxidation kodiert, wurden in den aktiven Bodenschichten detektiert und die phylogenetische Analyse zeigte eine Zugehörigkeit zu den zwei Umweltclustern USCg und JR3. Die Korrelation von relativen Sequenzhäufigkeiten mit Methanoxidationsraten deutet darauf hin, dass bislang unkultivierte Bakterien des Clusters JR3 die dominant aktiven Methanoxidierer in diesem ariden System sind. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Methanogenese in upland soils (gut durchlüftete Böden) mit dem Fokus auf trockene Böden. Anknüpfend an frühere Arbeiten zeigen wir, dass viele upland soils, global verteilt, ein methanogenes Potential besitzen, wenn sie anoxisch inkubiert werden, auch wenn sie in unter natürlichen Bedingungen überwiegend gut durchlüftet vorkommen. Nur zwei aktive methanogene Archeen wurden detektiert – Methanosarcina und Methanocella – die in upland soils allgemein verbreitet zu sein scheinen. Unter den getesteten Bedingungen stellte die acetoclastische Methanogenese – katalysiert von Methanosarcina - den dominanten methanogenen Stoffwechselweg dar und Zellzahlen korrelierten gut mit der Methanproduktionsrate. Zuletzt zeigen wir, dass die Metanogenese in ariden Böden in der Oberflächenkruste stattfindet und tiefere Schichten kaum oder nur wenig metanogenes Potential aufweisen. Selbst bei Inkubation der Oberflächenkruste in Anwesenheit von Sauerstoff zeigten die Methanogenen noch Wachstum und Methan wurde produziert, wenn auch in vergleichsweise niedrigen Raten. Beide nachgewiesenen methanogenen Arten besitzen Katalase-Aktivität, was zumindest zum Teil ein Überleben in sauerstoffreicher Umgebung erklären könnte. Unter diesen Bedingungen dominierte Methanocella als methanogene Art und das Meiste Methan wurde über H2/CO2 produziert. Dies weist auf eine Nischendifferenzierung zwischen den beiden Methanogenen hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen annehmen, dass ursprüngliche aride Böden unter trockenen Bedingungen Senken für atmosphärisches Methan darstellen, jedoch könnten Regenfälle diese Senken in Methanquellen verwandeln.
Deserts cover about a third of the land surface on Earth. However, despite their size, their ecology – and particularly their microbial ecology – is far less understood than the ecology of more humid regions. Previous studies have indicated that desert soils might be involved in the production and consumption of methane, an important greenhouse gas. The turnover of atmospheric gases involves many microorganisms, and methane is no exception – it is both produced and consumed by microbes. Despite the extensive research methane has been subjected to, a rigorous study striving to elucidate methane turnover patterns in arid regions and aiming to detect the active organisms involved has not been conducted so far. This work comprises three parts. The first part deals with biogeographical patterns of soil microbial communities along a steep rainfall gradient in Israel ranging from less than 100 to more than 900 mm yr-1. We show that community profiles of both Archaea and Bacteria do not change continuously along the gradient, but rather cluster into three groups that we have defined as arid, semi-arid and Mediterranean. These three categories demonstrate a qualitative difference in the microbiology of arid soil compared to more humid regions. In the second part we show that pristine arid soils in the Negev Desert, Israel, are sinks for atmospheric methane, but that disturbed sites and pristine hyper-arid sites are probably not. The methanotrophic activity was located in a narrow layer in the soil down to about 20 cm depth. Interestingly, the biological soil crust (BSC) which is typically the most active layer in desert soils showed no methane uptake activity and was apparently devoid of methanotrophs. Transcripts of the key methanotrophic gene – encoding for the particulate methane monooxygenase (PMMO) – were detected in the active soils and their sequences showed that they are affiliated with two clusters of uncultured methanotrophs: USC and JR3. Based on a correlation of the relative abundance of each methanotroph to the methane oxidation rate we concluded that JR3 is the dominant atmospheric methane oxidizer in this arid system. The third part deals with methanogenesis in upland soils with a focus on drylands. Following previous work we show that many upland soils, sampled globally, possess a methanogenic potential, when incubated anoxically, despite being aerated most of the time. Only two active methanogens were detected – Methanosarcina and Methanocella – which appear to be universal upland soil methanogens. Under these conditions, acetoclastic methanogenesis, mediated by Methanosarcina, was the dominant methanogenic pathway and cell numbers of Methanosarcina were well correlated with methane production rates. Lastly, we show that the BSC was the source for methanogenic activity in arid soils while the deeper layers showed little or no methanogenic potential. When the BSC was incubated in a wet state in microcosms and in the presence of oxygen methanogens could still grow and methane was still produced albeit at relatively low amounts. Both methanogens expressed the gene encoding for the oxygen detoxifying enzyme catalase giving at least some explanation to their ability to remain viable in the presence of oxygen. Under these conditions, Methanocella was the dominant methanogen and most methane was produced from H2/CO2, indicating niche differentiation between the two methanogens. The findings of this work suggest that under standard dry conditions pristine arid soils are a net sink for atmospheric methane but that following a rain event they might turn into net sources.
Databáze: OpenAIRE
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