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Die hauptsächliche Quelle des Treibhausgases Distickstoffmonoxid (N2O) sind in Böden vorkommende Mikroorganismen, die an der Umsetzung von Stickstoffverbindungen und damit am Stickstoffkreislauf beteiligt sind. N2O hat im Vergleich zu CO2 ein 298-fach erhöhtes Treibhauspotential. Aus diesem Grund ist die Erforschung der durch die Klimaerwärmung veränderten Reaktionsraten und –gleichgewichte des Stickstoffkreislaufs essentiell um akkuratere Vorhersagen bestimmen zu können. Insbesondere der anthropologisch begründete Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre, sowie pH Veränderungen durch landwirtschaftlich genutzte Flächen, beeinflussen die Stickstoffumsetzung in Böden und resultieren in erhöhten N2O Emissionen. Die Komplexität des Stickstoffkreislaufs erlaubt jedoch nur ungenaue Prognosen darüber, wie sich einzelne Umwelteinflüsse auf ihn niederschlagen. So sind beispielsweise die Interaktionen und Beiträge einzelner Mikroorganismen zu Stickstoffumsatz und N2O Emission kaum bekannt oder werden kontrovers diskutiert. Aus diesen Gründen ist das hauptsächliche Ziel dieser Arbeit die Reaktion der gesamten und transkriptionell aktiven Mikroorganismengemeinschaft, die am Stickstoffkreislauf beteiligt ist, auf pH Veränderungen und höhere CO2 Partialdrücke zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss einer Ansäurung auf eine denitrifizierende Gemeinschaft untersucht. Dabei wurde sowohl die Abundanz als auch die Zusammensetzung der gesamten und aktiven denitrifizierenden Gemeinschaft eines neutralen Bodens (pH = 7,1) während einer Veränderung des pH zu 5,4, gefolgt von einer graduellen Verschiebung zu pH 6,6, analysiert. Auch bei pH 5,4 war ein Wachstum der denitrifizierenden Gemeinschaft zu verzeichnen, allerdings wurde N2O erst vollständig zu N2 reduziert, nachdem ein nahezu neutraler pH, erreicht wurde. Diese pH Verschiebung lässt sich vermutlich auf alkalisierende metabolische Prozesse einer säuretoleranten Population zurückführen. Die unter diesen Bedingungen identifizierten wachsenden Genotypen unterschieden sich von denen in neutralen pH Bereichen gefundenen. Dabei waren Denitrifizierer des nirS-Typs stärker von niedrigen pH Werten beeinträchtigt, als die des nirK- und nosZ-Typs, die zumindest niedrige Wachstums- und Transkriptionsraten zeigten, auch nachdem der pH wieder einen fast neutralen Wert eingenommen hatte. Die vorliegende Studie impliziert, dass niedrige pH Werte die transkriptionell aktive Population nachhaltig verändert, wodurch sich die gesamte Gemeinschaftsstruktur und deren Gaskinetiken ändert. Der zweite Teil dieser Thesis beschäftigt sich mit dem Einfluss eines erhöhten CO2 Partialdrucks (eCO2) auf den Stickstoffkreislauf und die übergeordneten mikrobiologischen Mechanismen und Prozesse, die in einer erhöhten N2O Emission resultieren. Um diesen Einfluss besser zu verstehen, wurde verschiedene mikrooganismische Gruppen des Stickstoffkreislaufs (Stickstofffixierer, Denitrifizierer, archeale und bakterielle Ammoniumoxidierer und dissimilatorische Nitratreduzierer) der Gießen Free Air Carbon dioxide Enrichment (GiFACE) Anlage gezielt untersucht. Erstaunlicherweise unterschieden sich die Bodenparameter, sowie die Abundanz und Zusammensetzung der gesamten Mikroorganismengemeinschaft der mit CO2 begasten Böden kaum von denen ohne spezielle Begasung. Daraus ist zu schließen, dass +20% eCO2 keinen oder nur einen geringen Effekt auf die am Stickstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen hat. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde im dritten Teil dieser Arbeit eine umfassende Studie der Stickstoffumsätze, Nährstoffkreisläufe sowie Gasemissionen kombiniert mit der Analyse der Dynamik innerhalb der Mikroorganismengemeinschaft unter eCO2 Bedingungen und während der Zugabe von Stickstoffdüngern durchgeführt. Wir konnten zeigen, dass die langfristige Begasung mit eCO2, die Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaften während des Eintrags von N durch Düngung beeinflusst. Im Vergleich zu aCO2 wurden verschiedene Teile der Gemeinschaft transkriptionell angeregt. Dabei zeigten nirS-Typ Denitrifizierer die größte positive Resonanz zu eCO2, die mit der zunehmenden N2O-Emission korreliert. Diese Beeinflussung könnte auf einen erhöhten Eintrag von Kohlenstoffverbindungen durch die Rhizosphäre, ermöglicht durch eine erhöhte Photosyntheseleistung der Pflanzenbiomasse bei eCO2, beruhen. Allerdings scheint der Eintrag von N durch Düngung nur kurzfristige Auswirkungen auf die Expression von funktionellen Marker-Genen auszuüben. Dies führt zu Veränderung in der N-Transformation, welche sich langfristig allerdings nicht in der Entwicklung von verschiedenen Gemeinschaften unter eCO2 wiederspiegeln. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass bereits kleine Änderungen in der Abundanz und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft aus dem Stickstoffkreislauf ausreichen, um einen starken Einfluss auf die Emission von N2O aus Böden unter wechselnden Umgebungsparameter wie pH-Wert und erhöhtem CO2 auszuüben., Microorganisms involved in the nitrogen (N)-cycle in soils are the major drivers of N-transformation changes and the main source of the potent greenhouse gas nitrous oxide (N2O) from soil, which has a global warming potential of 298 times that of carbon dioxide (CO2). Accordingly, it is of great interest to explore shifts in the rates, balances and reactions of the N-cycle impacted by climate changes, in order to offer more accurate predictions. Particularly, since increases in CO2 concentrations or changes in the pH of agricultural fields due to anthropogenic influences often lead to changes in the N-transformation rates, along with an increase of N2O emissions. However, the N-cycle and its corresponding pathways are very complex and the response to different environmental changes is difficult to predict. Many of the interactions between microorganisms and their contribution to N-transformation rates as well as N2O emission are not well understood, controversially discussed and plenty of important interactions remain puzzling. Therefore, the main objective of this thesis was to shed light on the interaction of the overall and active microbial communities involved in the N-cycle in response to pH shifts or elevated atmospheric CO2 concentrations in soils, two variables known to influence N2O fluxes from soils. In the first part we studied the influence of an acidic pH on a denitrifier community from an initial neutral pH. We followed the abundance and composition of an overall and active denitrifier community extracted from soil (pH = 7.1) when exposed to pH 5.4 and drifting back to pH 6.6. When exposed to pH 5.4, the denitrifier community was able to actively grow, but only reduced N2O to N2 after a near neutral pH was reestablished by the alkalizing metabolic activity of an acid-tolerant part of the community. The genotypes proliferating under these conditions differed from those dominant at neutral pH. Denitrifiers of the nirS-type appeared to be severely suppressed by low pH whereas nirK-type and nosZ-containing denitrifiers showed strongly reduced transcriptional activity and growth, even after restoration of neutral pH. Our study suggests that low pH episodes alter transcriptionally active populations which shape denitrifier communities and determine their gas kinetics. The second part of this thesis analyses the effect of elevated CO2 (eCO2) on the N-cycle to reveal the underlying microbial mechanisms and process inside the N-cycle causing the enhanced emission of N2O. To gain a better understanding of the impact of eCO2 on soil microbial communities, we applied a molecular approach targeting several microbial groups involved in soil N-cycling (N-fixers, denitrifiers, archaeal and bacterial ammonia oxidizers, and dissimilatory nitrate reducers to ammonia) at the Gießen Free Air Carbon dioxide Enrichment (GiFACE) site. Remarkably, soil parameters, overall microbial community abundance and composition in the top soil under eCO2 differed only slightly from soil under ambient CO2. We concluded that +20% eCO2 had little to no effect on the overall microbial community involved in N-cycling. Based on these findings, in a third part we conducted a comprehensive study monitoring N-transformation rates, nutrient fluxes, and gaseous emission, while analyzing the dynamics in microbial communities involved in N-cycling under eCO2 accompanied with simultaneous addition of N-fertilizer. We could show that long-term fumigation with eCO2 influences the response of the soil microbial communities to N inputs via fertilization. Compared to aCO2 distinct parts of the community were transcriptionally activated. Here, nirS-type denitrifiers showed the greatest positive feedback to eCO2, which correlated with increasing N2O emissions. This stimulation may be an effect of higher labile C input in the rhizosphere by increased photosynthesis. However, the input of N by fertilization rather seems to exert short term effects on the expression of functional marker genes with consequences for N-transformations which do not translate into the development of distinct communities under eCO2 in the long-term. In conclusion this thesis provides evidence that already small changes in abundance and composition of the microbial community involved in N-cycling are sufficient to strongly influence emission of N2O from soil under changing environmental parameters such as pH and elevated CO2.

Continuously rising atmospheric CO2 concentrations may lead to an increased transfer of organic C from plants to the soil through rhizodeposition and may affect the interaction between the C- and N-cycle. For instance, fumigation of soils with elevated CO2 (eCO2) concentrations (20% higher compared to current atmospheric concentrations) at the Giessen Free-Air Carbon Dioxide Enrichment (GiFACE) sites resulted in a more than 2-fold increase of long-term N2O emissions and an increase in dissimilatory reduction of nitrate compared to ambient CO2 (aCO2). We hypothesized that the observed differences in soil functioning were based on differences in the abundance and composition of microbial communities in general and especially of those which are responsible for N-transformations in soil. We also expected eCO2 effects on soil parameters, such as on nitrate as previously reported. To explore the impact of long-term eCO2 on soil microbial communities, we applied a molecular approach (qPCR, T-RFLP, and 454 pyrosequencing). Microbial groups were analyzed in soil of three sets of two FACE plots (three replicate samples from each plot), which were fumigated with eCO2 and aCO2, respectively. N-fixers, denitrifiers, archaeal and bacterial ammonia oxidizers, and dissimilatory nitrate reducers producing ammonia were targeted by analysis of functional marker genes, and the overall archaeal community by 16S rRNA genes. Remarkably, soil parameters as well as the abundance and composition of microbial communities in the top soil under eCO2 differed only slightly from soil under aCO2. Wherever differences in microbial community abundance and composition were detected, they were not linked to CO2 level but rather determined by differences in soil parameters (e.g., soil moisture content) due to the localization of the GiFACE sets in the experimental field. We concluded that +20% eCO2 had little to no effect on the overall microbial community involved in N-cycling in the soil but that spatial heterogeneity over extended periods had shaped microbial communities at particular sites in the field. Hence, microbial community composition and abundance alone cannot explain the functional differences leading to higher N2O emissions under eCO2 and future studies should aim at exploring the active members of the soil microbial community. © 2017 Brenzinger, Kujala, Horn, Moser, Guillet, Kammann, Müller and Braker.