Unraveling the interplay of microorganisms, organic matter, and secondary minerals in the mineralosphere of grasslands and forests

Abstract

Mineral surfaces within soil create a distinct microhabitat for microorganisms, known as the “mineralosphere”. In this habitat, the physicochemical properties of minerals play a crucial role for the establishment of mineral-associated microbial communities and their functionality. Secondary minerals, such as iron oxides and clay minerals, possess large surface areas and charge densities, allowing them to retain the majority of the soil’s carbon (C) as mineral-associated organic matter (MAOM). However, these two types of secondary minerals exhibit contrasting surface properties, which greatly influence their interactions with organic matter (OM). Consequently, specific interactions between mineral surfaces, microorganisms, and MAOM are likely to occur, resulting in variations in MAOM formation and microbial turnover processes across different minerals. However, our understanding of how specific secondary minerals impact the biomass, composition, and functions of microbial communities colonizing their surfaces, as well as their interactions with adsorbed MAOM, remains elusive. Moreover, the colonization of mineral surfaces by microorganisms is not solely determined by mineral properties but is further influenced by environmental factors. Different land uses and management practices in grasslands and forests can significantly alter the input of OM into the soil, thereby affecting the formation of MAOM, but possibly also the composition and functions of microbial communities within the mineralosphere. Knowledge of these complex interactions is limited but crucial for understanding the role of secondary mineral surfaces to serve as microbial habitats and stabilize OM in forest and grassland ecosystems. The objective of this thesis was therefore to unravel the complex interplay between microorganisms, organic matter, and secondary minerals within the mineralosphere under the influence of common anthropogenic land use practices in grasslands and forests. The first three studies of this dissertation aimed to move beyond laboratory-based investigations and consider the complex and dynamic nature of soils under field conditions. Over a five-year period, mineral containers containing either goethite (an iron oxide) or illite (a clay mineral) were buried at a depth of 5 cm in soil at 150 grassland and 150 forest sites across three regions of the Biodiversity Exploratories in Germany. This in situ approach enabled us to experimentally isolate the mineralosphere microhabitat within the soil and to examine its unique characteristics. Moreover, we were able to examine how mineral type as well as land use and management influence mineralosphere characteristics by comparing patterns of MAOM accumulation and microbial parameters between goethite and illite and between the different grassland and forest Management practices. Collectively, these three studies underscore the relevance of iron oxides and clay minerals as distinct microhabitats. The accumulation of MAOM played a pivotal role for microorganisms on both goethite and illite, as evidenced by the strong correlation between microbial biomass and MAOM-C contents in the mineralosphere. Microbial communitiesassociated with the minerals differed from those in the bulk soil, consistently showing relative enrichment in fungi and Gram-negative bacteria across grasslands and forests. Furthermore, the stoichiometry of enzyme activities involved in C, nitrogen (N), and phosphorus (P) cycling indicated an increased relative acquisition of nutrients (N and P) than C compared to the surrounding bulk soil. Mycorrhizal fungi likely played a pivotal role in the increased relative nutrient acquisition in the mineralosphere, as they are independent of the C availability in the microhabitat due to the C supply via their host plant. In contrast, saprotrophic fungi in particular showed limited competitiveness compared to other fungal taxa, as they are poorly adapted to the low-C conditions in the mineralosphere. Within the mineralosphere, the mineral type played a crucial role in shaping its characteristics. The consistently higher MAOM accumulation on the iron oxide goethite compared to the clay mineral illite emphasized the significance of the mineral type for the extent of MAOM formation. Goethite, with its higher OM sorption capacity and stronger bonds formed with OM via ligand exchange, contrasted with illite, which bound less OM through weaker cation bridges. These differences in sorption behavior also had implications for the accessibility of OM and enzymes, and ultimately, the microbial communities inhabiting the two minerals. The higher C-specific microbial biomass on illite compared to goethite suggested a greater availability of illite-associated OM for microbial utilization. Microorganisms on goethite likely needed to enhance enzyme production at the cost of biomass synthesis to counteract a reduced substrate availability. Conversely, microorganisms on illite could utilize acquired OM to synthesize relatively more biomass than on goethite. These mineral-specific interactions between mineral surfaces, OM, enzymes, and microbes likely modify microbial MAOM formation and turnover pathways on different mineral types. The consequences of the strong association between OM and certain minerals on enzymatic substrate turnover were also evident in a separate laboratory experiment in the fourth study of this thesis. By adding β-glucosidase to co-precipitates of litter- or soil-derived dissolved organic matter (DOM) and specific aluminosilicates, the amount of mineral-associated substrates available for enzymatic degradation was determined. In this experiment, the enzymatic degradation of mineral-associated OM was reduced compared to free OM in solution. This emphasizes how strong interactions between OM and mineral surfaces have the potential to protect MAOM from enzymatic degradation, reducing its bioavailability to microbes. Not only effects of the mineral type but, to a lower degree, also effects of land use and management on the interplay of microbes and MAOM were evident. Fertilization in grasslands as well as tree species selection, thinning, and harvesting in forests altered the quantity and quality of nutrient and OM inputs into the soil. Moreover, land use had an impact on soil pH, consequently modifying the sorption capacity of the minerals. These effects were also reflected in various microbial parameters within the mineralosphere, which in turn, likely affected microbially mediated pathways of MAOM formation and turnover. Overall, this dissertation reveals the intricate relationship between microorganisms, OM, and different secondary minerals within the mineralosphere microhabitat and the mineral-specific involvement of microorganisms in MAOM turnover. The gained insights enrich our understanding of the ability of soils with different mineral compositions and under different land use and management practices to stabilize C in the MAOM pool.

Mineraloberflächen im Boden bilden ein einzigartiges Mikrohabitat für Mikroorganismen, bekannt als die „Mineralosphäre“. In diesem Lebensraum spielen die physikalisch- chemischen Eigenschaften der Minerale eine entscheidende Rolle für die Etablierung mineral-assoziierter mikrobieller Gemeinschaften und deren Funktionalität. Sekundär- minerale wie Eisenoxide und Tonminerale speichern aufgrund ihrer großen Oberfläche und Ladungsdichte den Großteil des Kohlenstoffs (C) im Boden in Form von mineral- assoziierter organischer Substanz (MAOM). Jedoch weisen diese beiden Arten von Sekundärmineralen gegensätzliche Oberflächen-eigenschaften auf, die ihre Wechselwirkungen mit organischer Substanz (OM) wesentlich beeinflussen. Folglich sind spezifische Wechselwirkungen zwischen Mineraloberflächen, Mikroorganismen und MAOM wahrscheinlich, die zu Unterschieden in der Bildung und mikrobiellen Umsetzung von MAOM zwischen verschiedenen Mineralen führen. Es ist jedoch nach wie vor ungeklärt, wie sich bestimmte Sekundärminerale auf die Biomasse, die Zusammensetzung und die Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften auswirken, die ihre Oberflächen besiedeln, und wie diese mit der adsorbierten MAOM in Wechselwirkung stehen. Darüber hinaus wird die mikrobielle Besiedlung mineralischer Oberflächen nicht nur durch die Mineraleigenschaften bestimmt, sondern zusätzlich durch Umweltfaktoren beeinflusst. Unterschiedliche Landnutzungen und Bewirtschaftungspraktiken in Grünländern und Wäldern können den OM-Eintrag in den Boden erheblich verändern und dadurch die Bildung von MAOM und vermutlich auch die Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften innerhalb der Mineralosphäre beeinflussen. Das Wissen über diese komplexen Wechselwirkungen ist begrenzt, aber entscheidend dafür, die Rolle der Sekundärmineraloberflächen als mikrobielle Lebensräume und zur Stabilisierung von OM in Wald- und Graslandökosystemen zu verstehen. Ziel dieser Arbeit war es daher, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen, organischer Substanz und Sekundärmineralen in der Mineralosphäre unter dem Einfluss gängiger anthropogener Landnutzungspraktiken in Grünländern und Wäldern zu entschlüsseln. Die ersten drei Studien dieser Dissertation zielten darauf ab, über laborgestützte Untersuchungen hinauszugehen und die komplexe und dynamische Natur von Böden unter Feldbedingungen zu berücksichtigen. Über einen Zeitraum von fünf Jahren wurden Mineralcontainer, die entweder mit Goethit (ein Eisenoxid) oder Illit (ein Tonmin- eral) gefüllt waren, an 150 Grünland- und 150 Waldstandorten in drei Regionen der Biodiversitäts-Exploratorien in Deutschland in einer Tiefe von 5 cm im Boden vergraben. Dieser In-situ-Ansatz ermöglichte es uns, das Mikrohabitat der Mineralosphäre im Boden experimentell zu isolieren und seine einzigartigen Merkmale zu untersuchen. Darüber hinaus konnten wir feststellen, wie der Mineraltyp sowie die Landnutzung und -bewirtschaftung die Eigenschaften der Mineralosphäre beeinflussen, indem wir die Muster der MAOM-Akkumulation und der mikrobiellen Parameter zwischen Goethit und Illit sowie zwischen den verschiedenen Grünland- und Waldbewirtschaftungsmetho- den verglichen. In ihrer Gesamtheit unterstreichen diese Studien die Bedeutung von Eisenoxiden und Tonmineralen als einzigartige Mikrohabitate. Die Anreicherung von MAOM spielte eine entscheidende Rolle für die Mikroorganismen sowohl auf Goethit als auch auf Illit, was durch die starke Korrelation zwischen mikrobieller Biomasse und dem MAOM-C-Gehalt in der Mineralosphäre deutlich wird. Die mikrobiellen Gemeinschaften auf den beiden Mineralen unterschieden sich von denen im umgebenden Boden und wiesen durchweg eine relative Anreicherung von Pilzen und gramnegativen Bakterien in Grünland und Wald auf. Darüber hinaus deutete die Stöchiometrie der Enzymaktivitäten, welche am Kreislauf von C, Stickstoff (N) und Phosphor (P) beteiligt sind, auf einen höheren mikrobiellen Erwerb von Nährstoffen (N und P) als von C in der Mineralosphäre im Vergleich zum umgebenden Boden hin. Mykorrhizapilze waren wahrscheinlich eine treibende Kraft bei dieser erhöhten relativen Nährstoffaufnahme in der Mineralosphäre, da sie aufgrund der C-Versorgung über ihre Wirtspflanze unabhängig von der C-Verfügbarkeit im Mikrohabitat sind. Im Gegensatz dazu zeigten besonders saprotrophe Pilze eine begrenzte Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Pilztaxa, da sie nur schlecht an die C-armen Bedingungen in der Mineralosphäre angepasst sind. Innerhalb der Mineralosphäre spielte der Mineraltyp eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Mikrohabitats. Die durchweg höhere MAOM-Anreicherung auf dem Eisenoxid Goethit im Vergleich zum Tonmineral Illit unterstreicht die Bedeutung der Mineralart für das Ausmaß der MAOM-Bildung. Goethit mit seiner höheren OM- Sorptionskapazität und Ausformung stärkerer Bindungen über Ligandenaustausch, unterschied sich von Illit, welches durch schwächere Kationenbrücken insgesamt weniger OM adsorbierte. Diese Unterschiede im Sorptionsverhalten hatten auch Auswirkungen auf die Zugänglichkeit zwischen OM und Enzymen und somit auf die Mikroorganismen, die diese beiden Minerale besiedeln. Die höhere C-spezifische mikrobielle Biomasse auf Illit im Vergleich zu Goethit deutet auf eine größere Verfügbarkeit von Illit-assoziierter OM für die mikrobielle Nutzung hin. Mikroorganismen auf Goethit mussten wahrscheinlich die Enzymproduktion auf Kosten der Biomassesynthese steigern, um die geringe Substratverfügbarkeit auf dem Eisenoxid auszugleichen. Im Gegensatz dazu konnten die Mikroorganismen auf Illit erworbene OM nutzen, um effektiv Biomasse zu synthetisieren. Diese mineralspezifischen Wechselwirkungen zwischen Mineraloberflächen, OM, Enzymen und Mikroorganismen verändern wahrscheinlich die mikrobiell gesteuerten Bildungs- und Umsatzwege von MAOM auf verschiedenen Mineralen. Die Auswirkungen der 4 starken Assoziation zwischen OM und bestimmten Mineralien auf den enzymatischen Substratumsatz wurden auch in einem separaten Laborexperiment in der vierten Studie dieser Arbeit deutlich. Durch Zugabe von β-Glucosidase zu Co-Präzipitaten von aus Streu oder Boden stammenden gelösten organischen Substanzen (DOM) und bestimmten Alumosilikaten wurde die Menge der mineralassoziierten Substrate bestimmt, die für den enzymatischen Abbau zur Verfügung stehen. In diesem Experiment war der enzymatische Abbau von mineralassoziiertem OM im Vergleich zu freiem OM in Lösung reduziert. Dies unterstreicht, dass starke Wechselwirkungen zwischen OM und mineralischen Oberflächen das Potenzial haben, MAOM vor enzymatischem Abbau zu schützen und seine Bioverfügbarkeit für Mikroorganismen zu verringern. Nicht nur Auswirkungen des Mineraltyps, sondern in geringerem Maße auch Auswirkungen der Landnutzung und -bewirtschaftung auf das Zusammenspiel von Mikroben und MAOM waren ersichtlich. Die Düngung in Grünländern sowie die Auswahl der Baumart, die Durchforstung und die Holzernte in Wäldern veränderten die Quantität und Qualität des Nährstoff- und OM-Eintrags in den Boden. Darüber hinaus wirkte sich die Landnutzung auf den pH-Wert des Bodens aus und veränderte somit die Sorptionskapazität der Mineralien. Diese Effekte spiegelten sich auch in verschiedenen mikrobiellen Parametern innerhalb der Mineralosphäre wider, die wiederum vermutlich mikrobiell gesteuerte Prozesse der Bildung und des Umsatzes von MAOM beeinflussten. Insgesamt offenbart diese Arbeit die komplexen Beziehungen zwischen Mikroorganismen, OM und verschiedenen Sekundärmineralien innerhalb des Mikrohabitats der Mineralosphäre sowie die mineralspezifische Beteiligung von Mikroorganismen am Umsatz von MAOM. Die gewonnenen Erkenntnisse bereichern unser Verständnis der Fähigkeit von Böden mit unterschiedlichen mineralischen Zusammensetzungen und unter verschiedenen Landnutzungs- und Bewirtschaftungspraktiken, C im MAOM-Pool zu stabilisieren.