Microbial mobilization and immobilization of soil nitrogen

Abstract

Microorganisms in forest ecosystems normally recycle nitrogen (N), such that gaseous losses and leaching are limited. Mobilization of organic N, including microbial N, and immobilization of inorganic N, especially NH4+, are the quantitatively most important N transformation processes. Various factors influence their rates, e.g. the amount of carbon and nitrogen, temperature, moisture, and the microbial biomass and activity. The factors are adressed in the thesis with the ambition to suggest mechanistic explanations for their influence on nitrogen mobilization and immobilization rates.



The mineralization and immobilization rates are not dependent on the concentration of carbon or nitrogen per se, but rather on the microbial biomass and its activity. This may invalidate the use of first order kinetics to describe mobilization and immobilization rates. Earlier claims that mineralization and immobilization rates are dependent on the concentration of carbon and nitrogen may have overseen the dependence of the microbial biomass on the soil organic matter content. Moisture, temperature, and the quality of the utilized organic matter appear to determine the activity of the microorganisms.



Mobilization of microbially bound N seem to occur mainly as a result of predation and drying-rewetting cycles, since microorganisms have an efficient intracellular recycling of nitrogen, especially at low ammonium concentrations. Thus, mobilization and remineralization of microbial nitrogen by other processes than predation and drying-rewetting cycles is likely to occur only when conditions promote high growth rates, i.e. when microorganisms are not substrate limited and temperature and moisture conditions are favourable.



The main factors determining microbial mobilization and immobilization of soil N are therefore the size of the microbial biomass, its activity, and the quality of the growth substrate. Those three factors in turn seem to be dependent on soil SOM content, predation, drying-rewetting cycles, temperature, and soil water content.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Alla levande organismer behöver kväve för att producera till exempel proteiner och DNA. I jorden förekommer kväve grovt indelat i två huvudformer, organiskt och oorganiskt. Mikroorganismer har förmågan att bryta ner det organiska kvävet till oorganiskt i en process som kallas för mineralisering. Växter tar i stort sett bara upp oorganiskt kväve och är beroende av den mikrobiella mineraliseringen av organiskt kväve, men eftersom även mikroorganismer tar upp oorganiskt kväve (immobilisering) uppstår ofta en bristsituation. Därför är kväve för det mesta det näringsämne som begränsar tillväxten av växter De senaste årtiondena har emellertid utsläppen av kväve från trafik, industri och jordbruk ökat dramatiskt. Detta har lett till oro att det kommer uppstå en situation där mängden oorganiskt kväve i marken överstiger växternas och mikroorganismernas behov. Överskottet av oorganiskt kväve skulle då kunna läcka ut till kustområden och orsaka övergödning eller förorena grundvattnet. För att på ett bra sätt kunna förutse var det extra kvävet kommer att ta vägen, är det viktigt att undersöka hur kretsloppet av kväve i marken normalt sett fungerar. Jag har undersökt hur mycket organiskt kväve mikroorganismerna mineraliserar, hur mycket oorganiskt kväve de immobiliserar, och vad det är som styr dessa båda processer. Mina resultat visar att det som framförallt styr mineraliseringen och immobiliseringen är hur mycket mikroorganismer det finns i marken och hur aktiva de är, det vill säga hur fort de tillväxer. Om mikroorganismerna behöver mycket oorganiskt kväve mineraliserar de mycket organiskt kväve, men om deras behov av oorganiskt kväve är lägre blir också mineraliseringen lägre. Mängden mikroorganismer är relaterat till hur mycket organiskt material det finns i marken. Det finns alltså fler mikroorganismer i en mullrik skogsjord än i en sandig. Det som styr hur fort mikroorganismerna tillväxer och därmed hur mycket oorganiskt kväve de immobiliserar verkar framförallt vara temperaturen och hur mycket vatten det finns i jorden. I torra och/eller kalla jordar går tillväxten långsamt medan den är betydligt högre i våta och/eller varma jordar. Under de sistnämnda förhållandena både mineraliserar och immobiliserar mikroogranismerna upp till hundra gånger mer kväve än det som tillförs från mänskliga källor. Därför skulle det sannolikt vara svårt att påvisa ett ökat kväveläckage som ett resultat av det extra kvävet. Å andra sidan tillförs kvävet från de mänskliga källorna konstant, även under perioder med låg mikrobiell aktivitet. Det är alltså under sådana perioder, till exempel under vintern, som risken för läckage av kväve till kustområden och grundvatten är som störst.

• author: Bengtson, Per
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Hart, Stephen C
• organization: MEMEG; Microbial Ecology (research group)
• alternative title: Åt var och en efter behov - mikrobiell produktion och konsumption av oorganiskt kväve
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Ecology, Ekologi, growth rate, microbial activity, respiration, assimilation, immobilization, Nitrogen, mineralization
• pages: 104 pages
• defense location: Blå Hallen, Ecology Building
• defense date: 2004-06-04 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: SE-LUNDBDS/NBKE-04/1034+104pp
• ISBN: 91-7105-210-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Bengtsson, G., Bengtson, P., and Månsson, K.F. 2003. Gross nitrogen mineralization-, immobilization-, and nitrification rates as a function of soil C/N ratio and microbial activity. Soil Biology and Biochemistry 35, 143-154. Article: II. Bengtson, P., Bengtsson, G., and Falkengren-Grerup, U. Relieving substrate limitation – soil moisture and temperature determine gross N transformation rates. (Submitted) Article: III. Bengtson, P., Falkengren-Grerup, U., and Bengtsson, G. Spatial distribution of gross N transformation rates and plants – A reciprocal relationship. (Submitted) Article: IV. Månsson, K.F., Bengtson, P., Bengtsson, G., and Falkengren-Grerup, U. Competition for nitrogen – litter leachate favours microorganisms at the expense of plants. (Manuscript) Article: V. Bengtson, P. and Bengtsson, G. Rapid turnover of DOC in temperate forest soils accounts for increased CO2 production at elevated temperature. (Manuscript) Article: VI. Bengtson, P. and Bengtsson, G. Bacterial immobilization and remineralization of N at different growth rates and N concentrations. (Manuscript)
• id: fb175e02-f26b-47a5-8d65-58c1bb0d7b92 (old id 467091)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:54:47
• date last changed: 2020-09-23 15:15:12