Spatial variability linking carbon resource heterogeneity and microorganisms; causes and consequences

Abstract

Organic carbon and bacteria have a high variability at different scales in the soil, and organic carbon may be a limiting factor for growth of soil bacteria. Thus, it can be expected that these co-vary at different scales in the soil. In this thesis, I have studied the spatial interaction between soil bacteria and natural and contaminant (polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH) organic carbon. The overall objective was to suggest reasons why there is an absence or presence of co-variation between them. The spatial patterns of PAHs at a creosote contaminated site were clearly related to their water solubility. The microbial community fingerprint (PLFA analysis) co-varied with PAH concentrations while microbial community diversity was positively correlated to PAH concentrations. Taken together it was demonstrated that a diverse gram-negative bacterial community with a patchy spatial distribution similar to the PAH spatial distribution dominated the creosote contaminated site. Catabolic genes for PAH degradation in bacteria had a more even distribution across the site although hotspots and/or cold spots of PAH concentrations and catabolic genes often coincided.Bacterial biomass and soil respiration was spatially autocorrelated and positively dependent on PAH concentrations. PAH biodegradation lacked a spatial pattern and was uncoupled from most microbial and abiotic soil properties. The results indicated that creosote rather than PAHs was a major carbon source for the microbial community and that PAH biodegradation was controlled by a multitude of soil properties simultaneously, each with its own spatial pattern.In soil peat cores, pore water flow rate had a significant non-linear effect on respiration and methane production while the amount and type of dissolved organic carbon (DOC) remained unimportant for respiration. In contrast, in carbon limited river water, both the quality and quantity of DOC had a clear effect on respiration and bacterial growth efficiency.The main factor determining microbial biomass, community composition, and activity were both the amount and the type of organic carbon regardless of any toxic effects of the carbon.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Organiskt kol och mikroorganismer har ofta en mycket hög spatiell variation i jorden. Dessutom är mikroorganismer ofta begränsade av mängden kol även om detta beror på den den relativa koncentrationen av kväve, fosfor och organiskt kol i systemet. Man kan dock anta att mikroorganismers biomassa och aktivitet kan samvariera med halten organiskt kol i jordar som har en förhållandevis låg halt organiskt kol i jämförelse med kväve och fosfor.



I denna avhandling har jag fokuserat på samvariationen mellan mikrobiella parametrar, och miljögiftskol (polycykliska aromatiska kolväten, PAH) i ett kreosotförorenat område i Södra Sverige och naturligt löst organiskt kol (DOC) i våtmarker i Norra Sverige. Jag har också fokuserat på dessa parametrars rumsliga mönster dels för att undersöka om dom överlappar och dels för att rumsliga analyser i sig kan ge viktig informatioon om dynamiken i det underjordiska ekosystemet. Praktiska aspekter på hur dessa samband och spatiella mönster påverkar förutsättningarna för naturlig bionedbrytning av PAH ämnen och miljöriskerna med PAH ämnen diskuteras också.



PAH ämnen anses vara mycket toxiska gentemot en rad olika organismer. Trots detta fanns det ett tydligt mönster där den bakteriella diversiteten, biomassan och aktiviteten var högre vid höga PAH koncentrationer. Det verkade alltså som om miljögiftskolet var en energikälla som stimulerade mikroorganismerna istället för att undertrycka dem. Genom en närmare analys av det mikrobiella samhällets sammansättning visade det sig att gram negativa bakterier dominerade vid höga PAH koncentrationer medan gram positiva bakterier och svamp påverkades negativt av PAH. Det hela kompliceras av att en gen som styr nedbrytningen av PAH molekyler och som var vanlig inom hela området, endast finns i gram postiva bakterier, vilket tyder på att en eller flera PAH nedbrytande gram positiva bakterier är vanliga inom området.



De flesta uppmätta parametrar uppvisade tydligt icke slumpmässiga rumsliga mönster. Mikrobiell PAH nedbrytning å andra sidan uppvisade istället ett fullständigt slumpmässigt oförutsägbart rumsligt mönster. PAH bionedbrytning avvek också genom att den inte samvarierade med mikrobiella eller fysiokemiska markparametrar. En viktig slutsats var att en/flera ej uppmätta markparametrar simultant påverkade PAH bionedbrytningen och att det snarare var kreosoten än PAH föroreningarna som var den viktigaste kolkällan för det mikrobiella samhället.



Å ena sidan visar dessa resultat att det bör finnas goda möjligheter till naturlig självrening av jorden via mikrobiell bionedbrytning. Å andra sidan blir det svårt att stimulera denna självrening eftersom de markegenskaper som påverkar PAH bionedbrytning ej kunde identifieras.



I torvjorden påverkades den mikrobiella aktiviteten av vattnets flödeshastighet men inte av koncentrationen eller kvaliteten på det lösta organiskt kolet (DOC). Detta berodde troligtvis på att den mikrobiella aktiviteten i torvjorden, som består av 50-70% kol, ej var kolbegränsad. Mikrobiell aktivitet i åvattenpover uppvisade däremot ett liknande mönster som i kreosotjorden med ett tydligt beroende av DOC koncentration och DOC kvalitet, troligtvis p.g.a. att mikroorganismerna i åvattnet var kolbegränsade.



Slutgiltigen så visade jag att miljörisker med PAH föroreningar var beroende av 1) den rumsliga variationen av halten organiskt kol i marken; 2) den rumsliga variationen av PAH koncentrationer och 3) val av riskmodell.

• author: Törneman, Niklas
• supervisor: Göran Bengtsson
• opponent: Professor Harms, Hauke, UFZ Centre for Environmental Research, Department of Environmental Microbiology, Leipzig, Germany.
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: bakteriologi, virologi, mykologi, Environmental chemistry, Miljökemi, Mikrobiologi, mycology, virology, bacteriology, Microbiology, Ekologi, Ecology, Geostatistics, Microbial activity, Soil organic carbon, Microbial diversity, Biodegradation, Bioremediation, PAH, Spatial patterns
• pages: 128 pages
• defense location: Blå Hallen, Ekologihuset, Sölvegatan 37, Lund.
• defense date: 2005-05-13 10:00:00
• ISBN: 91-7105-219-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Chemical Ecology/Ecotoxicology (Closed 2011) (011006020)
• id: ca31c9a0-5d44-480f-9477-8b1a53dd7048 (old id 544852)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:26:39
• date last changed: 2018-11-21 21:04:53