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Hintergrund: Durch den massiven Anstieg des Düngemitteleinsatzes in den letzten Jahren ist der natürliche Stickstoffkreislauf der Erde erheblich gestört worden. Dieser ineffiziente Einsatz von Düngemitteln hat zu vermehrten Stickstoffverlusten in die Umwelt geführt, beispielsweise durch gasförmige Auswaschung von Lachgas, einem schädlichen Treibhausgas, oder durch Nitratauswaschung, was zu Umweltverschmutzung und zum Verlust biologischer Vielfalt beiträgt. Um die mit Stickstoffverlusten verbundenen Umweltprobleme zu bekämpfen, werden in der Landwirtschaft häufig synthetische Nitrifikationshemmer eingesetzt, deren Wirksamkeit bereits untersucht wurde. In dieser Studie soll die umweltfreundlichere Option der biologischen Nitrifikationshemmer (BNI) untersucht werden. Forschungsfrage: Ziel dieser Arbeit war es, das nitrifikationshemmende Potenzial von vier verschiedenen biologischen Stoffen, die natürlicherweise in der Rhizosphäre von kommerziell wichtigen Kulturpflanzen vorkommen, zu analysieren. Insbesondere sollte festgestellt werden, ob die getesteten Substanzen effizient an das AMO-Enzym, das den ersten Schritt der Ammoniakoxidation katalysiert und damit eine wichtige Rolle im Nitrifikationsprozess spielt, binden und somit hemmen können. Methoden: Die wachstumsunabhängige Methode der Mikrorespirometrie wurde verwendet, um die Ammoniakoxidationsraten des langsam wachsenden Nitrifikationsbakteriums Nitrosomonas europaea zu analysieren. Darüber hinaus wurden 16S-Sequenzierung und amoA Gen qPCR eingesetzt, um die Verwendung der richtigen Kultur sicherzustellen und die Zelldichten der für die Mikrorespirationsversuche verwendeten Bakterienkulturreplikate zu bestimmen. Zur Bestimmung der Effektivität der vier getesteten Stoffe als Nitrifikationsinhibitoren wurden statistische Modellierungen durchgeführt. Ergebnisse: Die Sequenzierung des 16S rRNA-Gens bestätigte, dass N. europaea in allen Experimenten verwendet wurde. Basierend auf den qPCR-Ergebnissen wurden Zelldichten zwischen 5,9 x 104 und 3,0 x 106 für alle Mikrorespirations-Experimente festgestellt. Der IC50-Wert, ein Maß für die erforderliche Konzentration eines Hemmstoffes zur Inhibition von 50 % der Nitrifikationsaktivität, lag bei allen vier Stoffen zwischen 1.3 und 9.1 mM. Die niedrigsten IC50-Werte wurden für die rhizosphärischen Stoffe Indol-3-Essigsäure und N-Acetylglucosamin gefunden, was darauf hindeutet, dass diese Stoffe die effektivsten Nitrifikationsinhibitoren darstellen. Diskussion: Die in dieser Arbeit ermittelten Daten deuten darauf hin, dass die vier ausgewählten Stoffe Indol-3-Essigsäure, Indol-3-Acetamid, Glucosamin und N-Acetylglucosamin im Vergleich zu in früheren Studien untersuchten BNI kein signifikantes Hemmungspotenzial aufweisen. Faktoren wie die Wasserlöslichkeit der Stoffe könnten bei der Bestimmung des Hemmungspotenzials eine entscheidende Rolle spielen. Background: Due to the massive increase of applied fertilizer in the past years the natural nitrogen cycle has been substantially disturbed. This inefficient use of fertilizer has led to increased nitrogen losses into the environment, such as gaseous leaching of nitrous oxide, a harmful greenhouse gas, or nitrate leaching, which contributes to environmental pollution and biodiversity loss. To combat the environmental problems related to nitrogen loss, synthetic nitrification inhibitors are commonly applied in agriculture and their effectiveness has been previously studied. In this study, the more environmentally friendly option of biological nitrification inhibitors (BNIs) will be investigated. Research question: The aim of this thesis was to analyze the nitrification inhibition potential of four different biological compounds that naturally occur in the rhizosphere of commercially important crops. Particularly, the focus was to determine if the rhizosphere compounds can efficiently bind to the AMO enzyme, which catalyzes the first step of ammonia oxidation, and therefore nitrification. Methods: The growth independent method of microrespirometry was used to analyze the ammonia oxidation rates of the slow growing nitrifier Nitrosomonas europaea. Furthermore, 16S Sequencing and amoA gene qPCR were used to ensure the use of the correct culture as well as to determine the cell densities of the culture used for the microrespiration experiments. Inhibition models were used to determine the effectiveness of the four tested potential BNI compounds. Results: 16S rRNA gene sequencing confirmed N. europaea was used in all experiments. In addition, each individual microrespiration experiment contained between 5.9 x 104 and 3.0 x 106 cells, based on qPCR. The IC50 value, a measure of the needed compound concentration for inhibition of 50% nitrification activity, of all the four compounds varied between 1.3 and 9.1 mM. The lowest IC50 values were found for the rhizosphere compounds Indole-3-acetic acid and N-Acetylglucosamine, indicating that these compounds were the most effective at inhibiting nitrification out of the four compounds tested. Discussion: The data presented in this thesis suggests that the four selected compounds Indole-3-acetic acid, Indole-3-acetamide, Glucosamine and N-Acetylglucosamine do not have a significant inhibition potential compared to previously screened BNIs. Factors like water solubility of compounds might play a crucial role in determining inhibition potential. |
