Soil microaggregates as habitat for microorganisms

Abstract

Aggregation of soil particles is one of the most characteristic features of terrestrial soils and crucial for their functionality. Despite the high relevance of soil aggregates, only little is known about their genesis and functionality due to their complex and heterogeneous three-dimensional architecture. Furthermore, soil aggregates represent a major bacterial habitat, but so far neither the impact of aggregate structures on soil bacterial communities and their specific bacterial colonization are fully understood, nor the bacterial contribution to the formation of aggregate structures. Based on this, in this thesis I analyzed (I) whether different aggregate types have a formative influence on the soil bac-terial community and (II) whether specific aggregate size classes provide preferential habitats for specific bacteria. In addition, I analyzed (III) whether bacteria are involved in the initial formation of aggregate structures and whether these structures in turn have an influence on bacterial life. Fur-thermore, I explored (IV) the possibilities of modern light microscopic systems and image processing tools in visualizing complex aggregate structures and their bacterial colonization. <br /> To address effects on the bacterial community structure, I analyzed aggregates varying in size, clay content and, for microaggregates, localization in the soil as free or occluded within macroaggregates (I). This was done using size-fractionated soil samples from a clay catena. The results showed that the bacterial community was influenced by both clay content and aggregate size class. Whereby with increasing clay content an increased differentiation of the bacterial community was observed, espe-cially in the smallest aggregate fraction. I used an indicator taxa analysis to test whether different aggregate size classes provide specific habitats for particular bacterial taxa (II). Here, I could demon-strate that especially in the smallest aggregate size fraction (<20 µm) differences in the general life-style of the indicator taxa were observable. Predominantly copiotrophic bacteria were identified to be enriched in the free aggregate fraction, whereas predominantly oligotrophic organisms were enriched in the occluded aggregate fraction, indicating that a further differentiation of the bacterial community occurs within this specific aggregate size fraction in dependence on the localization of the aggregates in the soil matrix. To investigate the initial aggregate genesis and the impact of these resulting aggre-gates on bacterial cells, I utilized montmorillonite and goethite as model minerals as well as different soil bacteria in the presence or absence of stress conditions in form of wetting and drying cycles (III). My analyses revealed that the presence of bacteria contributed to the formation of larger aggregate structures, whereby effects on aggregate formation were species-dependent (III). In addition, I demonstrated that the aggregate structures that were formed had a sheltering effect for the bacteria when applying wetting-drying cycles. Using a modern epifluorescence microscope, equipped with an ApoTome.2 and a color camera, I visualized a variety of microaggregates in real color along with their surficial bacterial colonization upon method establishment (IV). By applying specific staining ap-proaches and modern image processing methods I was able to demonstrate the feasibility of visualiz-ing complex soil microaggregates and observed a heterogeneous bacterial colonization on their sur-faces. <br /> In synthesis, my results thus show that in addition to size other aggregate properties or also the spa-tial localization of aggregate structures in the soil matrix, contribute to the diversification of bacterial communities in the soil. In this context, soil bacteria are not only beneficiaries of the available struc-tures and given influencing factors, but also actively involved in the genesis of aggregate structures, with different bacterial species themselves exerting different influences. As a consequence, unique aggregate structures develop, which provide the foundation for a diverse soil bacterial community, demonstrating the fundamental importance of processes and effects at small spatial scales and their impact across larger and superordinate scales.

Die Aggregation von Bodenpartikeln ist eines der charakteristischsten Kennzeichen terrestrischer Böden und ausschlaggebend für deren Funktionalität. Trotz der hohen Relevanz von Bodenaggregaten ist aufgrund ihrer komplexen und heterogenen dreidimensionalen Architektur nur wenig über ihre Entstehung und Funktionalität bekannt. Bodenaggregate stellen zudem ein bedeutendes bakterielles Habitat dar. Dennoch sind bisher weder die Auswirkungen von Aggregatstrukturen auf bakterielle Bodengemeinschaften und die spezifische bakterielle Besiedlung dieser, noch der bakterielle Beitrag zur Bildung von Aggregatstrukturen vollständig verstanden. Aufgrund dessen habe ich in dieser Arbeit analysiert, (I) ob verschiedene Aggregattypen einen prägenden Einfluss auf die bakterielle Bodenge-meinschaft haben und (II) ob bestimmte Aggregatgrößenklassen bevorzugte Lebensräume für be-stimmte Bakterien bereitstellen. Zudem habe ich analysiert, (III) ob Bakterien an der initialen Ausbil-dung von Aggregatstrukturen beteiligt sind und ob diese Strukturen ihrerseits Einfluss auf die Bakte-rien nehmen. Des Weiteren werde ich ergründen, (IV) welche Möglichkeiten modernste lichtmikro-skopische Systeme sowie Bildauswertungssoftware bei der Visualisierung von komplexen Aggre-gatstrukturen und deren bakterieller Besiedlung bieten. <br /> Um diesen Fragen nachzugehen, habe ich Aggregate mit unterschiedlicher Größe, unterschiedlichem Tongehalt und - im Falle von Mikroaggregaten - unterschiedlicher Lokalisierung im Boden in Form von freien oder in Makroaggregaten eingeschlossenen Aggregaten (I). Hierzu wurden größenfraktionierte Bodenproben aus einer Toposequenz mit Tongradient verwendet. Meine Ergebnisse zeigten, dass die Bakteriengemeinschaft sowohl vom Tongehalt als auch von der Aggregatgröße beeinflusst wurde, wobei mit steigendem Tongehalt eine zunehmende Differenzierung der Bakteriengemeinschaft zu beobachten war, insbesondere in der kleinsten Größenfraktion. Des Weiteren habe ich mithilfe einer Indikator-Taxa Analyse geprüft, ob unterschiedliche Aggregatgrößenklassen spezifische Habitate für Mikroorganismen bereitstellen (II). Hier konnte ich zeigen, dass insbesondere in der kleinsten Aggre-gatgrößenfraktion (<20 µm) Unterschiede in der generellen Lebensweise der Indikatortaxa zu be-obachten waren. In der freien Aggregatfraktion wurden überwiegend copiotrophe Bakterien identifi-ziert, während in der okkludierten Aggregatfraktion vorwiegend oligotrophe Organismen angerei-chert waren, was darauf hindeutet, dass innerhalb dieser spezifischen Aggregatgrößenfraktion eine weitere Ausdifferenzierung der bakteriellen Gemeinschaft in Abhängigkeit von der Lokalisierung der Aggregate in der Bodenmatrix stattfindet. In einem weiteren Experiment habe ich die initiale Aggre-gatbildung und die Einflüsse dieser entstandenen Aggregate auf Bakterienzellen mithilfe von Mont-morillonit and Goethit als Modellmineralien sowie verschiedenen Bodenbakterien in Gegenwart bzw. Abwesenheit von Stress in Form von Nass- und Trockenzyklen untersucht (III). Dabei ergaben meine Analysen, dass die Präsenz von Bakterien zur Bildung größerer Aggregatstrukturen beiträgt, wobei sich unterschiedliche Bakterienarten verschieden auf die Aggregatbildung auswirkten. Zudem konnte ich nachweisen, dass die entstandenen Aggregatstrukturen einen schützenden Effekt für die Bakterien hatten. Des Weiteren habe ich mithilfe eines modernen Epifluoreszenzmikroskops, welches zusätzlich mit einem ApoTome.2 und einer Farbkamera ausgestattet war, eine Vielzahl an Mikroaggregaten mitsamt ihrer bakteriellen Oberflächenbesiedlung visualisiert (IV). Somit konnte ich die Machbarkeit der Visualisierung komplexer Bodenaggregate in natürlichen Farben demonstrieren, wobei durch spezifische Färbung und die Anwendung moderner Bildauswertungsmethoden eine heterogene bakte-rielle Besiedlung auf der Oberfläche von ebenso heterogenen Aggregaten dargestellt wurde. <br /> In der Zusammenschau zeigt sich somit, dass neben der Größe auch andere Aggregateigenschaften oder auch die räumliche Lokalisierung von Aggregatstrukturen in der Bodenmatrix zur Diversifizierung der bakteriellen Gemeinschaften im Boden beitragen. Dabei sind die Bodenbakterien nicht nur Nutz-nießer der verfügbaren Strukturen und gegebenen Einflussfaktoren, sondern aktiv an der Genese von Aggregatstrukturen beteiligt, wobei verschiedene Bakterien unterschiedlich Einfluss nehmen. Dies führt zur Ausbildung von einzigartigen Aggregatstrukturen, welche die Grundlage einer mannigfalti-gen bakteriellen Besiedlung und somit auch einer hochdiversen bakteriellen Bodengemeinschaft bil-den und verdeutlicht damit die grundlegende Relevanz, welche auch von Prozessen und Effekten in kleinen räumlichen Maßstäben und deren Auswirkungen auf größere und übergeordnete Skalen ausgeht.