Home About Browse Search
Svenska


Microbial life in boreal soils

on the availability and fate of carbon substrates for microbial activity in boreal soils

Segura, Javier (2018). Microbial life in boreal soils. Diss. (sammanfattning/summary) Umeå : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2018:32
ISBN 978-91-7760-204-0
eISBN 978-91-7760-205-7
[Doctoral thesis]

[img]
Preview
PDF - Published Version
2MB

Abstract

The large pool of carbon (C) stored as soil organic matter (SOM) in soils of high-latitude ecosystems contains more organic C than all global vegetation and the atmosphere combined. Global climate change is expected to have especially pronounced effects in these ecosystems, and even small changes in the accumulation and decomposition of their soil C pool driven by heterotrophic microbial activity could profoundly affect atmospheric CO₂ levels and thus the global climate. Because such changes could trigger drastic shifts in the delicate balance of CO₂ between the biosphere and atmosphere, a better understanding of the key regulators of C cycling is urgently needed.
Using advanced molecular and biochemical techniques, I investigated the availability of C substrates and their utilization by microorganisms under controlled but ecologically relevant conditions in soils representative of the boreal landscape. This molecular characterization of SOM revealed that tree species significantly influence SOM genesis by changing its rate of accumulation and organo-chemical composition. More importantly, a strong connection between SOM decomposition and microbial decomposers was observed and shown to be governed by the organo-chemical composition of the SOM. The structural arrangement of cellulose, and particularly its degree of crystallinity, emerged as a key factor determining rates of cellulose hydrolysis and subsequent C decomposition in boreal forest soils.
This work provides some of the first empirical evidence that soil microbial communities in frozen boreal forest soils can hydrolyze cellulose and use the released substrate for both catabolic and anabolic metabolism. These findings, together with results from peat soil experiments, show that both persistent microbial degradation of C (biopolymers and monomers) and the synthesis of new microbial biomass during winter are widespread features in soils of the boreal landscape. More importantly, the results indicated that small differences in winter soil temperatures can have very large implications for the winter C fluxes of boreal soils.
Over the studied temperature range, C substrates were readily utilized and microbial activity was never totally impeded. However, thermodynamic constraints caused strong reductions in metabolic rates at sub-zero temperatures. The rates of these processes at low temperatures are low but their importance should not be neglected given the spatial scale over which they can occur and the prolonged winters these ecosystems experience. Taken as a whole, this thesis provides a valuable contribution to our understanding of microbial C cycling in one of the world's major soil C pools.

Authors/Creators:Segura, Javier
Title:Microbial life in boreal soils
Subtitle:on the availability and fate of carbon substrates for microbial activity in boreal soils
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Globalt sett finns det mer kol bundet i marken än vad som finns i både atmosfären och i växter i biosfären tillsammans. Det gör att även små förändringar i nedbrytningen av markens organiska material (OM) som drivs av mikrobiell aktivitet kan ha betydande konsekvenser för den globala kolbalansen. En övervägande stor del av markkolet återfinns i nordligt belägna ekosystem. Både nutida observationer och modellprognoser för framtida förhållanden tyder på att klimat-förändringarna särskilt påverkar dessa ekosystem. Mot denna bakgrund är det av stor vikt att undersöka de faktorer som kan påverka den känsliga balansen i utbytet av CO₂ mellan mark och atmosfär.
Med hjälp av avancerade molekylära och biokemiska tekniker undersöker denna avhandling både substrattillgång och substratutnyttjande av kol i marken under kontrollerade, men biologiskt relevanta betingelser för jordar som är representativa för det boreala landskapet. Den molekylära karakteriseringen av OM visade att olika trädslag signifikant påverkar OM genes både genom att ändra ackumuleringshastigheterna och dess organo-kemiska sammansättning. En stark koppling mellan nedbrytning av OM och markorganismerna var tydlig, med den organo-kemiska sammansättningen av OM som länkande faktor. Vidare framkom att cellulosastrukturen och dess kristallinitetsgrad är ett centralt inslag som reglerar hastigheten av cellulosahydrolys och efterföljande nedbrytning av kol i boreal skogsmark.
Detta arbete utgör den första empiriska observationen som visar att markorganismerna i frusen skogsmark kan hydrolysera cellulosa och använda det frigjorda substratet för både katabolisk och anabolisk metabolism. Dessa resultat, tillsammans med resultat från myrmarksexperiment, visar att både fortgående mikrobiell nedbrytning av kol (biopolymerer och monomerer) och syntes av ny mikrobiell biomassa under vintern är en utbredd företeelse i det boreala landskapet. Resultaten visar också att små skillnader i marktemperaturer under vintern kan få stora konsekvenser för kolnedbrytning i skogs- och myrmarken.
Den mikrobiella aktiviteten och substratutnyttjandet upphörde aldrig helt i det intervall av temperaturer som undersöktes. Vid lägre temperaturer fanns dock tydliga termodynamiska begränsningar. Även om processerna vid låga temperaturer är långsamma bör deras betydelse inte försummas, särskilt med tanke på den globala skalan och de långvariga vintrarna typiska för boreala ekosystem. Sammanfattningsvis utgör denna avhandling ett värdefullt bidrag till förståelsen av substrattillgång och substratutnyttjande av kol i marken som drivs av mikrobiell aktivitet i en av världens största sänkor av kol i biosfären.

Spanish

La gran cantidad de carbono (C) almacenada como materia orgánica (MO) en los suelos de los ecosistemas de latitudes altas comprenden más C orgánico que la vegetación global y la atmósfera combinadas. El avance del cambio climático afecta particularmente a estos ecosistemas. Incluso pequeños cambios en la acumulación y descomposición de la reserva de C en el suelo, derivado de la actividad microbiana heterotrófica, pueden afectar profundamente los niveles atmosféricos de CO₂ y el clima global. Con vistas al cambio drástico que tales alteraciones ambientales podrían desencadenar en el delicado equilibrio de CO₂ entre la biosfera y la atmósfera, una mejor comprensión de los reguladores de ciclo del C es ahora más clave que nunca.
Mediante el uso de técnicas moleculares y bioquímicas avanzadas, investigué la disponibilidad de los sustratos C y su utilización por microorganismos en condiciones controladas, pero ecológicamente relevantes, en suelos representativos del ecosistema boreal. La caracterización molecular de la MO reveló que las especies arbóreas influyen significativamente en la génesis de la MO tanto por su influencia en las tasas de acumulación como en su composición organo-química. Más importante aún, observé una relación entre la descomposición de la MO y los microorganismos descomponedores que a su vez está estrechamente ligada a la composición organo-química de la MO. Además, la disposición estructural de la celulosa, que implica diferentes grados de cristalinidad, surgió como una característica clave en la determinación de las tasas de hidrólisis de la celulosa y posterior descomposición de C en el suelo del bosque boreal.
Este trabajo proporciona una de las primeras observaciones empíricas de que las comunidades microbianas en suelos congelados de bosques boreales pueden hidrolizar la celulosa y utilizar el sustrato liberado para su metabolismo catabólico y anabólico. Estos hallazgos, junto con los resultados de los experimentos en suelos de turberas, muestran que tanto la degradación microbiana persistente de C (biopolímeros y monómeros) como la síntesis de nueva biomasa microbiana durante el invierno es una característica generalizada en los suelos del paisaje boreal. Aún más relevante es que, los resultados indicaron que pequeñas diferencias en las temperaturas del suelo durante el invierno pueden tener grandes implicaciones para los flujos de C emitidos de suelos del paisaje boreal.
Los sustratos de C se utilizaron y la actividad microbiana nunca se vio inhibida. Sin embargo, restricciones termodinámicas fueron evidentes en las investigaciones de suelos congelados. Las tasas de estos procesos a bajas temperaturas son lentas, pero no se debe ignorar su importancia considerando la escala global a la que potencialmente se pueden producir durante los prolongados inviernos que experimentan estos ecosistemas. En conjunto, esta tesis proporciona una valiosa contribución para la comprensión de la disponibilidad y utilización de los sustratos de C, dos controles clave sobre la actividad microbiana y el ciclo de C en uno de los principales reservorios de C del mundo.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :27 April 2018
Depositing date:2 May 2018
Volume:2018:32
Number of Pages:64
Papers/manuscripts:
NumberReferences
IJavier H. Segura*, Mats B. Nilsson, Björn Erhagen, Tobias Sparrman, Henrik Serk, Julie Tolu, Jürgen Schleucher, Mats G. Öquist (Manuscript). Effects of boreal forest tree species on soil organic matter, decomposition rate and its temperature sensitivity
IIJavier H. Segura*, Mats B. Nilsson, Mahsa Haei, Tobias Sparrman, Jyri-Pekka Mikkola, John Gräsvik, Jürgen Schleucher, Mats G. Öquist* (2017). Microbial mineralization of cellulose in frozen soils. Nature Communications, 8 (1154).
IIIMats G. Öquist*, Mahsa Haei, Mats Nilsson, Javier H. Segura, Tobias Sparrman, Jyri-Pekka Mikkola, John Gräsvik, Jürgen Schleucher (Manuscript). The influence of cellulose crystallinity on its microbial decomposition in boreal forest soils.
IVJavier H. Segura*, Mahsa Haei, Tobias Sparrman, Mats B. Nilsson, Jürgen Schleucher, Mats G. Öquist (Manuscript). Microbial utilization of simple carbon substrates in boreal peat soils at low temperatures
Place of Publication:Umeå
Publisher:Department of Forest Ecology and Management, Swedish University of Agricultural Sciences
ISBN for printed version:978-91-7760-204-0
ISBN for electronic version:978-91-7760-205-7
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:K Forestry > K01 Forestry - General aspects
P Natural resources > P34 Soil biology
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Forest Science
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Soil Science
Agrovoc terms:Boreal forests, soil organic matter, chemical composition, frost, carbon dioxide, biopolymers, degradation, hydrolysis
Keywords:boreal forest, soil organic matter, organo-chemical composition, frozen soils, CO2, biopolymers, decomposition, hydrolysis, PLFA, 13C-NMR, Py-GC–MS
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4852
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-4852
ID Code:15440
Faculty:S - Faculty of Forest Sciences
Department:(S) > Dept. of Forest Ecology and Management
External funders:FORMAS and Kempe Foundations and Knut and Alice Wallenberg Foundation and Carl Tryggers stiftelse för vetenskaplig forskning and Swedish Research Council
Deposited By: Javier Segura
Deposited On:02 May 2018 10:27
Metadata Last Modified:02 May 2018 10:27

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits