Soil-living archaea: Influence of pH, carbon and nitrogen on their abundance and activity

Abstract

During the last decade it has been discovered that around 2% of the soil-living prokaryotes belong to the domain Archaea. In many soils the most abundant archaeal group is the ammonia-oxidizing archaea (AOA) that, in addition to ammonia-oxidizing bacteria (AOB), preform the first and rate-limiting step in the nitrification process. The knowledge of factors that regulates the archaeal abundance and activity, and their importance in the carbon and nitrogen turnover in soil, is very limited. The aim of this thesis was to investigate how archaeal abundance and activity is influenced by carbon, pH and nitrogen amendments, and in the long run increase the knowledge of the role of soil-living archaea in carbon and nitrogen turnover.



Soil pH was shown to be an important factor determining the archaeal 16S rRNA gene abundance. The lowest abundance was found at pH 5.1 and increased 150-fold with increasing pH (up to 8.3). In the low pH range (4.0-4.7), no correlation with pH was found. Furthermore, the archaeal 16S rRNA gene abundance was found to decrease in proximity to tree roots and mycorrhizal hyphae. Roots and mycorrhizal hyphae provide the soil with a constant supply of low-molecular weight (LMW) carbon in the form of sugars, amino acids and other organic acids. This creates an environment with a high microbial activity that seemed to disfavor archaea, which support previous suggestions that archaea have evolved to be more tolerant to energy stress than bacteria. Archaea might therefore have a poor competitive ability vs. bacteria in the proximity of the roots and hyphae.



The abundance and activity of the specific archaeal group AOA (estimated by amoA gene abundance) was also negatively influenced by the presence of tree roots. When tree roots were excluded from the soil for 6 years, both the archaeal amoA gene abundance and gross ammonia oxidation rate increased. A plausible explanation for the decrease in abundance and activity of AOA when roots were excluded is the lower level of competition for ammonia when there is no uptake by roots. Previous reports show that activity of AOA often dominates over AOB in acidic soils, which was also found in this acidic forest soil where no AOB were detected.



In contrast, in soil with higher pH (6.5) AOB was detected, but again in much lower numbers than AOA. When this soil was amended with nitrogen (amino acids or ammonium) AOB abundance and gross nitrification increased dramatically, while AOA numbers were unchanged. It thus seems as if the activity of AOB was favored at high ammonium concentrations, while AOA seems to prefer low substrate concentrations. Accordingly, we found a strong negative relationship between AOA:AOB and gross nitrification when nitrogen was added, and a strong positive relationship between AOA:AOB and gross nitrification in treatments that did not receive nitrogen.



In summary, the abundance and activity of soil-living archaea, including AOA, is influenced by pH and the availability carbon and nitrogen compounds, such as root exudates. The results suggest that archaea does not play an important role in the turnover of LMW carbon, but that they are major players in the soil nitrification process, especially under nitrogen-poor and/or acidic conditions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

På 70-talet upptäckte man att en grupp mikroorganismer, som man tidigare katalogiserat som bakterier, bildade en helt egen grupp. Dessa kallades ärkebakterier och fick senare namnet arkéer. Arkéer är små (ca 1 tusendels millimeter) encelliga organismer precis som bakterier, men de skiljer sig på många sätt från dem. Till exempel har de en kemiskt annorlunda uppbyggd cellvägg och cellmembran, som ger dem unika egenskaper. Först trodde man att arkéer främst fanns i extrema miljöer, så som heta källor och saltsjöar. Idag vet vi att de finns i alla typer av miljöer, men man vet ytterst lite om deras ekologi och roll i ekosystemet.



Marken är ett mycket komplext ekosystem där väsentliga delar av kolets och kvävets kretslopp äger rum. Dessa biokemiska processer katalyseras av mikroorganismerna i jorden och de är avgörande för livet på jorden. För att förstå hur mänsklighetens utsläpp av t ex växthusgaser och gödningsmedel påverkar kretsloppen måste vi ha kunskap om hur varje enskild process, och mikroorganismerna som utför den, fungerar. De flesta studier, både idag och genom tiderna, har fokuserat på svampar och bakteriers roll i dessa processer.



Ett gram jord innehåller ungefär en miljard mikroorganismer, varav de flesta är okända för oss. Ungefär 2 % av mikroorganismerna i jorden är arkéer. Den största och mest välstuderade arkée-gruppen är ammoniak-oxiderande arkéer (AOA). AOA är, tillsammans med ammoniak-oxiderande bakterier (AOB), ansvariga för den första delen i nitrifikationsprocessen, nämligen omvandlingen av ammoniak till nitrit. Regleringen av vilken av dessa ammoniak-oxiderande mikroorganismer som styr processen i marken är till stora delar okänt. Målet med avhandlingen var att utforska hur arkéer, inklusive AOA, påverkas av ökad tillgänglighet av kol i marken, pH och tillsats av ammonium (kvävegödsling). Detta är en början för ökad förståelse om marklevande arkéers roll i kolets och kvävets kretslopp.



När jag undersökte betydelsen av pH hittade jag att arkéernas antal ökade 150 gånger när pH ökade från 5.1 till 8.3, vilket betyder att pH är en viktig faktor som påverkar förekomst av arkéer. I samma jord upptäcktes också att vid riktigt lågt pH (4.0-4.7), var arkéerna nästan 4 gånger fler än vid pH 5.1, men i detta intervall påverkades inte antalet av pH värdet.



Jag har även kunnat påvisa att det totala antalet arkéer minskar i antal i närheten av trädrötter och svamphyfer. Både trädrötter och de mykorrhizasvampar som ofta lever i symbios med träden, utsöndrar lättillgängliga kolföreningar till jorden som t ex socker och aminosyror. Detta är godsaker för vissa mikroorganismer, men verkade inte vara en viktig näringskälla för arkéer. Det betyder att arkéer troligtvis inte spelar en stor roll för omsättningen av det lättillgängliga kolet i marken, men det betyder inte att de inte är viktiga i andra processer. Man tror att arkéer har anpassats för att klara tuffare miljöer, t ex miljöer med mindre näring, bättre är bakterier och att de kan vara dåliga på att konkurrera med snabbväxande bakterier. Det kan vara en förklaring till varför arkéer inte attraheras av godsakerna från rötterna, men det återstår att ta reda på om det verkligen är en fråga om konkurrens eller att arkéer helt enkelt trivs när halten kolföreningar är lägre.



Vidare försök visade att det inte bara är det totala antalet arkéer som ökar om man utesluter trädrötter från jord, utan också den specifika arkée-gruppen AOA. I detta försök hade trädrötter uteslutits, med hjälp av finmaskiga nät, från delar av en skogsjord under 6 års tid. Ökningen av AOA i jord där rötter uteslutits sammanföll med en ökning av nitrifikationshastigheten, och därmed slutsatsen att AOA (och inte AOB) var mikroorganismerna som ansvarade för oxideringen av ammoniak i denna jord. Exakt varför AOA, och därmed nitrifikationshastigheten, ökar när rötterna utesluts från jorden inte helt självklart. En trolig förklaring är att konkurrensen om ammonium med trädrötterna försvinner när rötterna utesluts från jorden, alternativt att rötterna utsöndrar något ämne som hämmar AOA. Tidigare studier har visat att AOA ofta dominerar över AOB vid lågt pH. Så även i denna sura skogsjord, där inga AOB hittades.



I en jord med lite högre pH (6.5) hittade jag däremot även AOB, men de var inte lika många som AOA. När denna jord gödslades med kväve (i en form som snabbt ombildas till ammonium), var det AOB som snabbt förökade sig, medan antalet AOA förblev oförändrat. I likhet med tidigare studier, verkar AOB stimuleras av kvävegödsling, medan AOA föredrar låga koncentrationer av ammonium. I samma experiment visades att när inget kväve tillsattes till jorden var koncentrationerna av ammonium låga och AOA bidrog till nitrifikationsprocessen.



Sammantaget visar denna avhandling att arkéernas antal och aktivitet i mark påverkas av tillförsel av lättillgängligt kol från trädrötter, pH och kvävegödsling. Arkéer tycks under vissa förhållanden ha stor betydelse för nitrifikationen i mark, och tillgången på ammonium är en faktor som reglerar den relativa betydelsen av AOA och AOB i denna process. Däremot verkar de inte ha en större betydelse för omsättningen av lättillgängligt kol som utsöndras av rötter och mycorrhizasvampar, möjligtvis för att de trivs under mer näringsfattiga förhållanden.

• author: Sterngren, Anna
• supervisor: Per Bengtson; Tomas Johansson
• opponent: Prof. Myrold, David, Department of Crop and Soil Science, Oregon State University, USA
• organization: MEMEG; Microbial Ecology (research group)
• alternative title: Mark-levande arkéer: Påverkan av pH, kol och kväve på deras antal och aktivitet
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Archaea, ammonia-oxidizing archaea, soil, AOA, AOB, root exudates, gross nitrification, qPCR, pH, carbon cycle, nitrogen cycle
• pages: 100 pages
• defense location: Blå hallen, Ekologihuset, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2014-11-13 10:00:00
• ISBN: 978-91-7623-116-6 (print)
• ISBN: 978-91-7623-117-3 (pdf)
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 912ae7a0-66b2-4083-8fa3-64912837c650 (old id 4697268)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:06:52
• date last changed: 2020-09-23 15:15:14