Dissertation/Thesis Abstract

Metabolic Pathways of Amino Acids, Monosaccharides and Organic Acids in Soils Assessed by Position-Specific Labeling
by Dippold, Michaela A., Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2014, 325; 10692118
Abstract (Summary)

Die Transformation niedermolekularer organischer Substanzen (LMWOS) ist der zentrale Schritt in biogeochemischen Kreisläufen, da alle hochmolekularen Substanzen während ihres Abbaus den LMWOS Pool passieren. Mikroorganismen stellen die bedeutendste Senke für LMWOS dar, weshalb mikrobielle Transformationen von LMWOS essentiell für den Kohlenstoffkreislauf im Boden sind. Bisherige Studien quantifizierten meist Flüsse durch den LMWOS Pool, arbeiteten aber kaum an der Aufklärung der Transformationsprozesse. Im Rahmen dieser Dissertation soll die positionsspezifische Isotopenmarkierung als neue bodenkundliche Methode zur Aufklärung von LMWOS-Transformationswegen etabliert werden. In einem Feldexperiment wurden sechs positionsspezifisch C-13 markierte LMWOS der drei wichtigsten Substanzklassen appliziert: zwei Aminosäuren (Alanin und Glutamat), zwei Monosaccharide (Glucose und Ribose) und zwei organische Säuren (Acetat und Palmitat). Die Analyse von verbleibendem C-13 im Boden, C-13 in der mikrobiellen Biomasse und in spezifischen Zellbausteinen (Phospholipidfettsäuren (PLFA) und Aminozucker) erfolgte durch gesamt- und komponentenspezifische C-13 Methoden. Hierfür wurde eine neue Instrumentenkopplung – ein Ionenchromatograph mit einem Isotopenmassenspektrometer (IC-O-IRMS) – etabliert und die darauf abgestimmte Aminozucker-Aufreiningungsmethode eingearbeitet. Der Effekt sich ändernder Umweltfaktoren sowie die Relevanz weiterer LMWOS-Senken (Sorption und Pflanzenaufnahme) wurden anhand mehrerer zusätzlicher Laborexperimente mit positionsspezifischer 14C Markierung evaluiert. Die Einführung des Divergenz Index (DI) ermöglichte es den positionsspezifischen Einbau in verschiedenen Studien unabhängig vom applizierten Isotop, dem experimentellen Design und dem untersuchten Pool zu vergleichen. Mikroorganismen waren die dominante Senke für LMWOS und weder Pflanzenaufnahme noch Sorption konnten in Rate und Kinetik mit mikrobiellen Aufnahmesystemen konkurrieren. Der Einbau einzelner Molekülpositionen in Boden, mikrobielle Biomasse und bestimmte Substanzklassen war durch den mikrobiellen Metabolismus bestimmt, v.a. durch Glykolyse, Oxidation durch Pyruvat-Dehydrogenase und Citratzyklus. Allerdings liefen parallel zu diesen oxidierenden, katabolen Stoffwechselwegen auch anabole Reaktionen, d. h. der Aufbau neuer Zellkomponenten, ab. Dies führte zu einem starken C-Umsatz und Recycling, nicht nur im Cytosol sondern z.B. auch von Zellwandpolymeren. Intensive Umsätze innerhalb metaboler Seitenäste, wie der Fettsäurebiosynthese, wurden identifiziert. Diese Ergebnisse zur Fettsäuretransformation sind wesentlich für die Anwendung von Fettsäuren als pflanzliche Biomarker in Paläoumweltstudien. Die Kombination positionsspezifischer C-13 Markierung mit komponentenspezifischer Isotopenanalytik mikrobieller Biomarker erlaubte des Weiteren die Identifikation spezifischer Stoffwechselwege einzelner mikrobieller Gruppen. Pilze zeigten einen langsameren intrazellulären C-Umsatz als Bakterien, was die metabole Grundlage für den langsam-zyklierenden, pilzbasierten und den schnell-zyklierenden, bakterienbasierten Zweig des Bodennahrungsnetzes liefert. Die Verschiebungen der Kohlenstoffflüsse durch verschiedene Stoffwechselwege wurden in Abhängigkeit von Umweltfaktoren identifiziert: Mit Zunahme der Substratkonzentration konnte ein Gradient von C-Mangel-Stoffwechselwegen über den Erhaltungsmetabolismus hin zu charakteristischen Wachstums-Stoffwechselwegen beobachtet werden. Eine Verringerung der Substratverfügbarkeit durch Sorption verursachte eine ähnliche Ver-schiebung der metabolen C-Flüsse: Je niedriger die Verfügbarkeit, desto mehr C wird in Biosynthesewege also mikrobielle Produkte, verlagert. Diese Studien konnten zeigen, dass positionsspezifische Markierung nicht nur eine wertvolle Methode in der Biochemie darstellt, sondern auch die Aufklärung der Verstoffwechslung von LMWOS durch diverse mikrobielle Gemeinschaften in komplexen Medien wie dem Boden ermöglicht. Parallel ablaufende Prozesse in Böden wie z. B. 1) der Rückfluss durch reversible Stoffwechselwege, 2) Umsätze in verschiedenen mikrobiellen Gruppen oder 3) Umsätze in spezifischen Mikrohabitaten (an Mineraloberflächen, am Boden-Pflanze-Interface oder an Hot-spots versus dem Gesamtboden) können mittels positionspezifischer Markierung im Boden in situ verfolgt werden. Der Umsatz von LMWOS in Kata- und Anabolismus wurde im Rahmen dieser Dissertation rekonstruiert. Das Verständnis für diese Stoffwechselwege und ihre Regulationsfaktoren ist entscheidend für die Beurteilung von C-Flüssen zwischen Mineralisation und dem Aufbau mikrobieller Biomasse – der Voraussetzung zur Bildung mikrobieller, organischer Bodensubstanz. Das Wissen über Transformationsschritte und ihre regulierenden Faktoren ist essentiell für die Vorhersage (z. B. mittels prozessbasierter Modellierung), aber auch für die Manipulation der C-Sequestrierung und Stabilisierung in Böden.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Biogeochemistry, Soil sciences
Keywords: Soil organic carbon
Publication Number: 10692118
ISBN: 9781392654613
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