Defining Spatial and Ecological Niches of Denitrifying Bacteria in Soils

Lachgas (N2O) zählt zu den besonders wirksamen Treibhausgasen und wird überwiegend aus landwirtschaftlich genutzten Böden emittiert. Hauptverantwortlich dafür sind mikrobielle Prozesse wie die Denitrifikation, bei der Nitrat schrittweise zu molekularem Stickstoff reduziert und N2O als Zwischenprodukt freigesetzt wird. Unter ungünstigen Bedingungen kann N2O als Endprodukt akkumulieren und so den Klimawandel weiter verstärken. Obwohl bekannt ist, dass die Denitrifikation und N2O Produktion durch viele Umweltfaktoren beeinflusst werden, fehlt es dabei an Information über die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Denitrifikations-gemeinschaft im Boden (Häufigkeit, Zusammensetzung, Vielfalt). Diese Studie untersucht daher umfassend, in welchem Maße verschiedene Umweltfaktoren sowohl das Denitrifikations-potenzial als auch die Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft unterschiedlicher Bodentypen beeinflussen. Durch Kombination von Bodenaufschlämmungsexperimenten mit molekularen Analysen wurden die Effekte der Nähe zu luftgefüllten Makroporen, des pH-Werts, des Pflan-zenwachstums, der Düngung sowie der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft auf die Denitrifikationsaktivität untersucht. Darüber hinaus wurde analysiert, wie sich der pH-Wert und das Pflanzenwachstum auf die Dynamik der Denitrifikationsgemeinschaft auswirken. Die Ergebnisse zeigen, dass das Denitrifikationspotenzial auf Prozessebene stark vom pH-Wert, dem N-Eintrag und der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur beeinflusst wird, während die Nähe zu luftgefüllten Makroporen nur einen geringen Einfluss ausübt. Darüber hinaus wurde deutlich, dass Umweltfaktoren nicht nur das Denitrifikationspotenzial, sondern auch die Struktur der denitrifizierenden Gemeinschaft beeinflussen. Unterschiede in den Gemeinschaftsstrukturen der untersuchten Böden führten zu abweichenden kinetischen Parametern für N2O Produktion und Reduktion. Bradyrhizobium sp. zeigte sich hierbei als eines der Schlüsseltaxa für die vollständige Denitrifikation, auch unter verschiedenen Umweltbedingungen. Entgegen der ursprünglichen Annahme erwies sich, dass die Häufigkeit von Denitrifikationsgenen ungeeignet für die Vorhersage tatsächlicher Denitrifikationsaktivität und N2O Emissionen ist. Alleinig nirS scheint ein guter Prädiktor für Denitrifikationsraten zu sein. Insgesamt zeigt sich, dass das Denitrifikationspotenzial nicht nur von Umweltfaktoren beeinflusst wird, sondern auch von den Eigenschaften der Denitrifikationsgemeinschaft und ihrer Enzymkinetik. Das genetische Denitrifikationspotenzial allein erwies sich als schlechter Prädiktor für die tatsächliche Denitrifikationsaktivität, was die Bedeutung der mikrobiellen Resilienz und die Notwendigkeit unterstreicht, sowohl funktionale als auch kompositorische Aspekte des Bodenmikrobioms zu berücksichtigen.