Abundance and diversity of total and nitrifying prokaryotes as influenced by biochemical quality of organic inputs, mineral nitrogen fertilizer and soil texture in tropical agro-ecosystems

Tropical agro-ecosystems are limited in nutrient resources as a consequence of i) being composed of highly weathered soils, ii) low native soil organic matter (SOM) content due to conversion of natural forests to arable lands and iii) continuous cropping without replenishing soil nutrients. Recovery of SOM by use of organic residues is faced with other competing uses like animal fodder. Moreover, existing SOM is further reduced by increased turnover rates due to favorable climatic conditions in the tropics. Incorporation of residues is therefore a justified means to restore SOM and to provide crop nutrients through microbial mediated activities like nitrification. Nitrification is a central step of the nitrogen (N) cycle, whereby ammonia is converted into nitrite and then to nitrate by bacteria and archaea through production of the amoA gene encoding the alpha-subunit of the enzyme ammonia monooxygenase. In order to better understand the impact of organic residues of contrasting biochemical quality (i.e., high quality Tithonia diversifolia (TD; C/N ratio: 13, lignin: 8.9 %, polyphenols: 1.7 %), intermediate quality Calliandra calothyrsus (CC; 13, 13, 9.4) and low quality Zea mays (ZM; 59, 5.4, 1.2)) on nutrient provision, effects of residue quality on dynamics of relevant decomposer microbial communities were studied. In addition, mineral N fertilizer was used to compensate for mineral N limitations especially in case of low and intermediate quality residues. Since N is one of the most limiting crop nutrients in the tropics, this study therefore focused on ammonia-oxidizing prokaryotes, using DNA-based quantitative PCR (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP) techniques. In addition, soil physicochemical properties were measured and linked to the dynamics of microbial communities. The study hypothesized that soil type due to differences in structure and nutrient background, as well as seasonality, which influences soil moisture, would shape the response of the studied communities to biochemical quality of residues. Overall, the results of this PhD research revealed specific responses of dynamics of AOB and AOA to quality of organic residues and their combinations with mineral N fertilizer. They also revealed effects of interrelations between quality of residues and soil texture as well as seasonality particularly precipitation on dynamics of microbial communities. Future investigation of active microbial communities with the use of RNA-based approaches need to be considered to further improve our understanding of quality of SOM on soil nutrient dynamics. Tropische Agrarokosysteme haben limitierte Nahrstoffressourcen als Folge von i) stark verwitterten Boden, ii) einem niedrigem Gehalt an naturlicher organischer Bodensubstanz (OBS) aufgrund der Konversion von naturlichen Waldern zu landwirtschaftlicher Nutzflache und iii) kontinuierlichem Ackerbau ohne erganzende Nahrstoffzufuhr. Die Wiederherstellung der OBS durch Einarbeitung von organischen Ernteruckstanden steht in Konkurrenz zu anderen Nutzungen wie etwa Tierfutter. Aufgrund der gunstigen klimatischen Bedingungen in den Tropen wird daruber hinaus die bestehende OBS durch erhohte Umsatzraten weiter reduziert. Daher ist fur den Wiederaufbau der OBS und von Pflanzennahrstoffen, die durch mikrobielle Aktivitaten wie Nitrifikation bereitgestellt werden, die Einarbeitung von Ernteruckstanden eine zwingende Notwendigkeit. Nitrifizierung ist ein zentraler Schritt im N-Kreislauf, wobei das mineralisierte Ammonium zuerst in Nitrit und danach in Nitrat von Bakterien und Archaeen durch das amoA Gen, welches die alpha-Untereinheit des Enzyms Ammoniummonooxygenase (AMO) codiert, umgewandelt wird. Um die Auswirkungen von Ernteruckstanden von kontrastierender biochemischer Qualitat (d.h., hohe Qualitat Tithonia diversifolia (TD; C / N-Verhaltnis: 13, Lignin: 8.9%; Polyphenole: 1.7%), mittlere Qualitat Calliandra calothyrsus (CC; 13, 13,.4) und niedrige Qualitat Zea mays (ZM; 59, 5.4, 1.2) auf die Nahrstoffverfugbarkeit besser verstehen zu konnen, wurden die Auswirkungen der Ruckstandsqualitat auf die Dynamik der relevanten mikrobiellen Zersetzergemeinschaften untersucht. Zusatzlich wurde mineralischer N-Dunger appliziert, um den mineralische N-Mangel zu kompensieren, der vor allem bei Ernteruckstanden niedriger und mittlerer Qualitat auftritt. Da N einer der am meist limitierenden Pflanzennahrstoffe in den Tropen ist, konzentriert sich die Studie auf Ammonium-oxidierende Prokaryoten, unter Verwendung von DNA-basierter quantitativer PCR (qPCR) sowie des terminalen Restriktionsfragmentlangenpolymorphismus (TRFLP). Daruber hinaus wurden die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens gemessen und mit der Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaften verknupft. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass der Bodentyp, aufgrund von Unterschieden in Struktur und Nahrstoffgehalt als auch die Saisonalitat, welche die Bodenfeuchte beeinflusst, die Reaktion der untersuchten mikrobiellen Gesellschaften auf die biochemische Qualitat der Ernteruckstande bestimmen wurde. Insgesamt offenbaren die Ergebnisse dieser Doktorarbeit spezifische Reaktionen der Dynamik von AOB und AOA auf die Qualitat von organischen Ernteruckstanden und deren Kombinationen mit mineralischen N-Dunger. Sie zeigt auch Auswirkungen der Wechselbeziehungen zwischen der Qualitat der Ernteruckstanden und Bodenbeschaffenheit als auch der Saisonabhangigkeit, insbesondere Niederschlag, auf die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften. Zukunftige Untersuchungen der aktiven mikrobiellen Gemeinschaften durch Verwendung von RNA-basierten Ansatzen mussen in Betracht gezogen werden, um unser Verstandnis fur den Einfluss der OBS-Qualitat auf die Bodennahrstoffdynamik weiter zu verbessern.