Ammoniak oxidierende Archaea in arktischen Tundraböden

Arktische Böden haben einen wichtigen Einfluss auf das globale Klima. Permafrostböden enthalten fast zweimal soviel Kohlenstoff als in der Atmosphere vorliegt und es wird angenommen, dass große Mengen des Kohlenstoffs in Form von Methan und Kohlendioxid abgegeben werden, wenn diese Böden auftauen. Das Verständnis mikrobieller Gemeinschaften und ihrer Aktivitäten in arktischen Böden ist daher von großer Bedeutung um die Vulnerabilität und Reaktionen im Klimawandel in Zukunft abschätzen zu können. Nitrifizierung ist ein wichtiger Prozess in arktischen Ökosystemen, da er an der Bereitstellung des am meisten limitierten Nährstoffs, dem Stickstoff, beteiligt ist. Nitrifikanten in der Arktis sind aber bislang kaum studiert. Wir haben kürzlich in situ (und potenzielle) Nitrifizierungsraten in arktischen Böden gemessen, die von bestimmten phylogenetischen Gruppen von Ammoniak-oxidierenden Archaea (AOA) dominiert waren. Diese zeigten Unterschiede in der Aktivität verschiedener AOA Gruppen und auch eine Dominanz der AOA über Ammoniak-oxidierenden Bakterien (AOB). Weiterhin haben wir eine Anreicherungskultur eines arktischen AOA erhalten, das zu einer wenig studierten Gruppe gehört, die besonders in Lachgas (N2 O) emittierenden cryoturbierten Torfkreisen saurer Tundraböden vorkommt. Ziel dieses Projektes ist das Studium der Verbreitung und Aktivität von AOA in arktischen terrestrischen Ökosystemen. Um dies zu erreichen werden wir zwei Ansätze verfolgen: Einer ist das Studium von AOA in diversen arktischen Ökosystemen und der zweite enthält die Analyse der arktischen Anreicherungskultur Cand. N. arctica, als Repräsentant für eine häufig vorkommende arktische AOA Gruppe. Wir werden die Verbreitung und Abundanz der sechs distinkten phylogenetischen AOA Gruppen mit Hochdurchsatzsequenzierung und qPCR assays analysieren und in Zusammenhang mit biochemischen Daten und Nitrifizierungsraten analysieren. Die Proben werden im Rahmen von zwei internationalen Projekten erhalten; in ersterem (CryoCarb, ESF) sind wir selbst Partner, im zweiten kooperieren wir eng mit einem Partner (CryoN/PAGE, EU). Weiters wird der direkte und indirekte Beitrag der AOA zur Lachgas (N2 O) Bildung und Nitrifizierung in Inkubationsexperimenten mit Hemmstoffen in ausgewählten Böden bestimmt. Mit Hilfe von Transkriptomstudien wird ihre Aktivität in Böden in situ und bei Termperaturerhöhung verfolgt und verglichen. Im zweiten Teil des Projekts werden Wachstumsbedingungen, Inhibitoren, N2 O Emission und die Genomsequenz des angereicherten arktischen Stammes untersucht, um Adaptationen und physiologische Charakteristika kennenzulernen. Beide Projektteile sind eng miteinander verknüpft. Insgesamt wird dieses Projekt zu einem besseren Verständnis der arktischen Ammoniakoxidierer beitragen, insbesondere um ihren Anteil an Nitrifizierung und Lachgasemissionen zu verstehen. Das Projekt wird weiters allgemein zu einem besseren Verständnis der Physiologie von Ammoniak oxidierenden Archaea führen.

Die Arktis erlebt derzeit dramatische Veränderungen, die aufgrund des Klimawandels drastisch zunehmen werden. Mit steigenden Temperaturen werden die Permafrostflächen immer weiter auftauen und große Mengen an organischem Material freisetzen, das im Boden gespeichert ist. Dieses Material steht dann Mikroorganismen zum Abbau zur Verfügung. Schätzungsweise 50% des gesamten Bodenkohlenstoffs sind in tieferen Bodenschichten arktischer und borealer Regionen gespeichert. Sein Abbau durch Mikroorganismen und die begleitenden Treibhausgasproduktionen werden wahrscheinlich einen großen positiven Rückkopplungseffekt für den Klimawandel haben. In den meisten arktischen Böden ist Stickstoff ein begrenzender Nährstoff für Mikroorganismen. Seine Verfügbarkeit wird vom mikrobiellen Prozess der Nitrifikation beeinflusst, d.h. durch die Oxidation von Ammoniak (NH3) zu Nitrat (NO3). Es ist wichtig die Organismen, die diesen Prozess steuern, zu charakterisieren, da sie alle mikrobiellen Aktivitäten beeinflussen, die an den biogeochemischen Umwandlungen beteiligt sind. In diesem Projekt haben wir gezeigt, dass Ammoniak oxidierende Archaea (AOA) spezifischer Untergruppen die dominierenden, an der Nitrifikation in arktischen Böden beteiligten Organismen sind, insbesondere in Böden mit hohem organischen Gehalt (Torf), und dass ihre Aktivität von der Temperatur beeinflusst wird. Mit einem AOA-spezifischen Gen haben wir eine allumfassende phylogenie-basierte Taxonomie für alle bekannten AOA-Sequenzen eingeführt. Dies war nötig, um die großen, für diese Organismen verfügbaren Datensätze, sowie die gewonnenen, molekularen Daten aus den arktischen Ökosystemen dieses Projekts, zu kartieren. Durch die Analyse von Torfböden aus sehr weit entfernten Gebieten in Nordfinnland und Nordsibirien entdeckten wir nur zwei bis drei Taxa in unterschiedlichen Umgebungen, die sich über große Entfernungen in der Arktis erstrecken. Eine dieser "AOA"-Spezies dominierte und wurde in unseren Inkubationsexperimenten mit steigender Temperatur häufiger und aktiver. Der Stamm des Archaeon Nitrosocosmicus arcticus, den wir in Laboranreicherungen kultivieren, war ein Vertreter dieser Gruppe. Er zeigte bei niedrigeren Temperaturen einen unerwarteten und bislang noch nicht charakterisierten nitrifikationsunabhängigen Wachstumsmodus und wechselte bei höheren Temperaturen zur Ammoniak-Oxidation. Aus unseren Daten schließen wir, dass im Zuge der globalen Klimaerwärmung die Stickstoffverfügbarkeit und in der Folge auch die Produktion des Treibhausgases Lachgas (N2O) in arktischen Böden in hohem Maße von der Aktivität der Ammoniak oxidierenden Archaeen beeinflusst werden.