Band 74:
Willaschek, M.-E. (2018): N in microbial residues – Field experiments and analytical advances –. 111 S., 15,- €
Kurzfassung Band 74
Willaschek, M.-E. (2018): N in microbial residues – Field experiments and analytical advances –. 111 S.
Kurzfassung
Um die Immobilisierung von N in mikrobiellen Rückständen (MR) über einen Zeitraum von über einem Jahr zu verfolgen, wurden Ackerboden mit 15N-markiertem Mineraldünger und Champost (Pilzkompost) gedüngt. Um die Umsetzung des Düngers in MR über 386 Tage zu verfolgen wurde eine gaschromatographische Erfassung mit massenselektiver Detektion verwendet. Ich stellte die Hypothese auf, dass der 15N-Champost gedüngte Boden effizienter 15N zurückhält als der Mineraldünger, da dieser anfänglich an Mikroorganismen bindet und dies durch die zusätzlichen Kohlenstoffquellen des Champosts gefördert wird. Es ergaben sich, wie vermutet hohe Anfangsgehalte (19,10 mg ASu-N/g N) von MR gebundenem N in den mit Champost gedüngten Böden. Während der Erntezeit hielt die Champostvariante ca. 10% mehr Düngemittel-N zurück als die Mineraldüngungsvariante. Die 15N-Signale der AZu deuteten darauf hin, dass Pilze die anfängliche Sequestrierung beider Dünger kontrollierten, während Bakterien nach dem Aufbringen auf den Boden die zeitlichen Abläufe der Dünger-N-Dynamik kontrollierten.
Im zweiten Schritt wurde in Vågå (Norwegen), 1g/m² 15N-markierte NH4NO3-Lösung, in drei aufeinander folgende Jahre auf einen Höhengradienten ausgebracht. Die applizierte Menge simuliert die prognostizierte atmosphärische N-Deposition für das Jahr 2100. Der Dünger wurde in vier verschiedenen Höhen (1000m, 1200m, 1400m und 1600m ü.NN) und zwei verschiedenen topographischen Expositionen (Kuppe und Südhang) ausgebracht. Die Ergebnisse zeigten erneut, dass mehr N in pilzlichen als in bakteriellen Rückständen gebunden wurden. Die Böden der Südhänge (SH), die eine erhöhte mittleren Jahrestemperaturen aufwiesen, zeigten signifikant größere Konzentrationen von pilzlich gebundenem N als die Böden der Kuppen (KU). Dies zeigte sich insbesondere bei 1000m mit 2,23 mg/g Boden (SH) gegenüber 1,11 mg/g Boden (KU), 1200m mit 1,90 mg/g Boden (SH) gegenüber 0,97 mg/g Boden (KU) und 1400m ü.NN. 1,87 mg/g Boden (SH) gegenüber 0,87 mg/g Boden (KU). Der bakteriell gebundene N wurde vorwiegend an den SH bei 1200m,1,76 mg/g Boden gegenüber der K mit 0,76 mg/g Boden und 1400m ü.NN angereichert 2,04 mg/g Boden (SH) gegenüber 0,84 mg/g Boden (KU). Die Mikroorganismen nahmen nur geringe Mengen des hinzugefügten N auf, was darauf hindeutet, dass arktisch-alpine Ökosysteme im Gegensatz zu denen gemäßigter Klimaten schlechter in der Lage sind, steigende Dünger-N-Ablagerungen zu bewältigen.
Um Dünger-N verfolgen zu können der nicht mit 15N markiert wurde testete ich eine Methode zur Bestimmung der natürlichen Abundanz von 15N und wenn möglich 14C in MR. Die methodische Entwicklung basierte auf der Probenvorbereitung von Bodé et al. (2013) und Zhang & Amelung (1996); Für die präparative AZu-Isolierung verwendete ich eine Teflon-geschützte Flüssigchromatographie mit amperometrischer Detektion. In vierzehn optimierten Schritten war ich in der Lage, einen Standard ohne Änderungen der Isotopie bei einer Wiederfindung von 82,2% ± 4,4% herzustellen und zu messen. Dabei konnte auch die Isotopie von AZu im Boden bestimmt werden. Durch Konzentration auf den AZu Galactosamin (GalN) wurde erkennbar, dass der δ15N-Wert in GalN um 5 ‰ relativ zum Boden größer ist, was die Anreicherung von schwerem N während der mikrobiellen Verarbeitung widerspiegelt. Aufgrund der hohen Analysekosten und der übermäßigen Arbeitsbelastung war diese Methode jedoch nicht für Routine-δ15N-Analysen in Boden-Biomarkern geeignet.
Zusammenfassend zeigen meine Untersuchungen, dass Dünger 15N in MR nachgewiesen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass Mikroorganismen in der Lage sind bis zu 16% 15N-markierte Düngemittel in ihren Rückständen zu immobilisieren, obwohl die Gesamtmenge an AZu in Böden klein ist und weniger als 5% des gesamten N ausmachen. Das Manipulieren des Verbleibs von mikrobiell-sequestriertem N im Boden könnte somit einen optimierten Einsatz von Dünger-N in Böden gemäßigten Klimas fördern. Der Beitrag von Mikroben zur Immobilisierung von überschüssigem N in extremeren, kalten Umgebungen ist hingegen begrenzt.
Abstract Band 74
Willaschek, M.-E. (2018): N in microbial residues – Field experiments and analytical advances –. 111 S.
Abstract
In order to trace the immobilization of N in microbial residues across a time scale of about one year, arable soil was fertilized with 15N-labelled mineral fertilizer and mushroom compost, and the incorporation of 15N-labeled fertilizer into microbial residues was traced for 386 days by compound-specific 15N-analyses in amino sugars using gas chromatography with mass selective detection. I hypothesized that the 15N-applied with mushroom compost would be retained more efficiently by microbial residues than mineral fertilizer 15N, due to its initial binding to microorganisms and the provision of additional carbon sources. The results pointed indeed to high initial contents (19.10 mg ASu-N g-1 N) of microbial-residue-N in the soils fertilized with mushroom compost. During the cropping season, the mushroom compost trials always retained about 10 % more applied fertilizerN than did the mineral fertilization trials. The 15N-signals in specific amino sugars indicated that fungi controlled the initial sequestration of both fertilizers, whereas after application to soil, bacteria controlled the temporal courses of fertilizerN dynamics.
In the second step of my thesis, one gram of 15N-labelled NH4NO3 solution was added per square meter of soil for three consecutive years in Vågå Norway, which simulates atmospheric fertilizerN depositions as projected for the year 2100. In particular, the fertilizer was added to two different topographical expositions, ridges and south facing slope, at four different altitudes (1000 m, 1200 m, 1400 m and 1600 m a.s.l.). The results showed that larger concentrations of N were again found in fungal than in bacterial residues. The southern facing slopes with elevated mean annual temperatures showed significant larger concentrations of fungal nitrogen than did the ridges, particularly at 1000 m a.s.l (2.23 vs 1.11 mg g-1 soil), 1200 m a.s.l. (1.90 vs 0.97 mg g-1 soil), and 1400 m a.s.l. (1.87vs 0.87 mg g-1 soil). Bacterial-N was mainly enriched at the south facing slopes at 1200 m a.s.l (1.76 vs 0.76 mg g-1 soil), and 1400 m a.s.l. (2.04 vs 0.84 mg g-1 soil). Microorganisms, however, did not take up the majority of the added N, suggesting that unlike in temperate arable ecosystems, extreme arctic-alpine environments are less able to cope with increasing fertilizer-N deposition.
In order to be able to track also the microbial fate of non-labelled fertilizerN, I tested a method to determine the natural abundance of 15N and, if possible 14C, within microbial residues. The methodological outline followed published sample preparation protocols by Bodé et al. (2013) and Zhang & Amelung (1996); yet for preparative amino sugar isolation I used a Teflon-protected liquid chromatography with pulsed amperometric detection. In optimized fourteen analytical steps, I was able to prepare and measure a standard without changes in isotopy at a recovery of 82.2 % ± 4.4 %, also allowing assessing the isotopy of amino sugars in soil. I then focused on galactosamine, the origin of which is still unclear. I found that the d15N value in galactosamine larger by 5‰ relative to bulk soil, thus reflecting enrichment of heavy N during microbial processing. Yet, due to large analytical costs and excessive workload, this methodology did not hold its promise for routine d15N analyses in soil biomarkers.
In summary, my research shows that it is possible to trace fertilizer 15N in microbial residues. Despite the overall amounts of amino sugars in soils are small and comprised less than 5 % of total N, I could show that microorganisms are able to immobilize up to 16 % of 15N-labelled fertilizer in their residues. Manipulating the fate of microbial-sequestered-N in soil may thus advance an optimized use of fertilizer-N in soils of temperate climates, whereas the contribution of microbes to immobilize excess-N also in more extreme, cold environments was limited.