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Jana Täumer

• Methane (CH4) is a potent greenhouse gas with rising atmospheric concentrations. Microorganisms are essential players in the global methane cycle. In fact, the largest part of methane emissions derives from microbial production by methanogenic Archaea (methanogens). Microorganisms do not only produce methane: methanotrophs can also oxidize the methane produced by methanogens. In addition, soil methanotrophs are the only biological methane sink, oxidizing up to 30-40 Tg of this potent greenhouse gas per year worldwide. However, intensified management of grasslands and forests may reduce the methane sink capacity of soils. In general, the interaction of methanogens and methanotrophs determines whether a soil is a source or a sink for methane. It is, therefore, crucial to understand the microbial part of the methane cycle and which factors influence the abundance and activity of methane-cycling microbes. However, capturing the soil microbiome's abundances, activity, and identity is challenging. There are numerous target molecules and myriad methods, each with certain limitations. Linking microbial markers to methane fluxes is therefore challenging. This thesis aimed to understand how methane-cycling microbes in the soil are related to soil methane fluxes and how soil characteristics and human activity influence them. The first publication investigated the biotic and abiotic drivers of the atmospheric methane sink of soils. It assessed the influence of grassland land-use intensity (150 sites) and forest management type (149 sites) on potential atmospheric methane oxidation rates (PMORs) and the abundance and diversity of CH4-oxidizing bacteria (MOB) with qPCR in topsoils of three temperate regions in Germany. PMORs measured in microcosms under defined conditions were approximately twice as high in forest than in grassland soils. High land-use intensity of grasslands negatively affected PMORs (−40%) in almost all regions. Among the different aspects of land-use intensity, fertilization had the most adverse effect reducing PMORs by 20%. In contrast, forest management did not affect PMORs in forest soils. Upland soil cluster (USC)α was the dominant group of MOBs in the forests. In contrast, USCγ was absent in more than half of the forest soils but present in almost all grassland soils. USCα abundance had a direct positive effect on PMOR in forests, while in grasslands, USCα and USCγ abundance affected PMOR positively with a more pronounced contribution of USCγ than USCα. In the second publication, we used quantitative metatranscriptomics to link methane-cycling microbiomes to net surface methane fluxes throughout a year in two grassland soils. Methane fluxes were highly dynamic: both soils were net methane sources in autumn and winter and net methane sinks in spring and summer. Correspondingly, methanogen mRNA abundances per gram soil correlated well with methane fluxes. Methanotroph to methanogen mRNA ratios were higher in spring and summer when the soils acted as net methane sinks. Furthermore, methane uptake was associated with an increased proportion of USCα and γ pmoA and pmoA2 transcripts. High methanotroph to methanogen ratios would indicate methane sink properties. Our study links the seasonal transcriptional dynamics of methane-cycling soil microbiomes for the first time to gas fluxes in situ. It suggests mRNA transcript abundances as promising indicators of dynamic ecosystem-level processes. We conclude that reduction in grassland land-use intensity and afforestation can potentially increase the methane sink function of soils and that different parameters determine the microbial methane sink in forest and grassland soils. Furthermore, this thesis suggests mRNA transcript abundances as promising indicators of dynamic ecosystem-level processes. Methanogen transcript abundance may be used as a proxy for changes in net surface methane emissions from grassland soils.
• Methan (CH4) ist ein starkes Treibhausgas mit steigenden atmosphärischen Konzentrationen. Mikroorganismen sind wesentliche Akteure im globalen Methankreislauf. Tatsächlich stammt der größte Teil der Methanemissionen aus der mikrobiellen Produktion durch methanogene Archaeen (Methanogene). Mikroorganismen produzieren nicht nur Methan: Methanotrophe Organismen können das von Methanogenen produzierte Methan auch oxidieren. Darüber hinaus sind Methanotrophe im Boden die einzige biologische Methansenke, die bis zu 30-40 Tg dieses starken Treibhausgases pro Jahr oxidiert. Eine intensivere Bewirtschaftung von Grünland und Wäldern kann jedoch die Kapazität der Böden als Methansenke verringern. Im Allgemeinen bestimmt das Zusammenspiel von Methanogenen und Methanotrophen, ob ein Boden eine Quelle oder eine Senke für Methan ist. Daher ist es wichtig den mikrobiellen Teil des Methankreislaufs zu kennen um zu verstehen, welche Faktoren die Häufigkeit und Aktivität der methanbildenden Mikroben beeinflussen. Die Abundanz, Aktivität und Identität des Bodenmikrobioms zu bestimmen ist jedoch sehr anspruchsvoll. Es gibt zahlreiche Zielmoleküle und eine Vielzahl von Methoden, die jeweils bestimmte Einschränkungen aufweisen. Die Verknüpfung von mikrobiellen Markern mit Methanflüssen ist daher eine Herausforderung. Ziel dieser Arbeit war es, zu verstehen, wie Bodenmikroben mit Methanflüsse von Böden zusammenhängen und wie sich Bodeneigenschaften und menschliche Aktivitäten auf die Methanflüsse von Böden auswirken. In der ersten Veröffentlichung wurden die biotischen und abiotischen Faktoren untersucht, die die atmosphärische Methansenke der Böden beeinflussen. Dabei wurden die Auswirkungen der Intensität der Grünlandnutzung (150 Standorte) und der Art der Waldbewirtschaftung (149 Standorte) auf die potenziellen atmosphärischen Methanoxidationsraten (PMORs) sowie die Häufigkeit und Vielfalt von methanoxidierenden Bakterien (MOB) mit qPCR in Proben von Oberböden aus drei gemäßigten Regionen in Deutschland untersucht. Die in Mikrokosmen unter definierten Bedingungen gemessenen PMORs waren in Waldböden etwa doppelt so hoch wie in Grünlandböden. Die hohe Landnutzungsintensität von Grünland wirkte sich in fast allen Regionen negativ auf die PMOR-Werte aus (-40 %). Von den verschiedenen Aspekten der Landnutzungsintensität wirkte sich die Düngung am stärksten negativ aus und verringerte die PMORs um 20 %. Im Gegensatz dazu hatte die Waldbewirtschaftung keinen Einfluss auf die PMORs in Waldböden. Das Upland Soil Cluster (USC)α war die dominierende Gruppe von MOBs in den Wäldern. Im Gegensatz dazu fehlte USCγ in mehr als der Hälfte der Waldböden, war aber in fast allen Grünlandböden vorhanden. Die Abundanz von USCα wirkte sich in Wäldern direkt positiv auf PMOR aus, während sich im Grasland die Abundanz von USCα und USCγ positiv auf PMOR auswirkte, wobei der Beitrag von USCγ stärker war als der von USCα. In der zweiten Veröffentlichung setzten wir quantitative Metatranskriptomik ein, um die Methan-zyklierenden Mikrobiome mit den Nettomethanflüssen zweier Graslandböden über ein Jahr hinweg zu verbinden. Die Methanflüsse waren sehr dynamisch: Beide Böden waren im Herbst und Winter Nettomethanquellen und im Frühjahr und Sommer Nettomethansenken. Dementsprechend korrelierten die mRNA-Häufigkeiten der Methanogene pro Gramm Boden gut mit den Methanflüssen. Das Verhältnis von Methanotrophen zu Methanogenen mRNA war im Frühjahr und Sommer höher, wenn die Böden eine Nettomethansenken waren. Außerdem war die Methanaufnahme mit einem erhöhten Anteil an USCα- und γ pmoA- und pmoA2- Transkripten verbunden. Die Methanaufnahme der Böden war von einem hohen Verhältnis von Methanotrophen zu Methanogenen begleitet. Diese Thesis stellt erstmals einen Zusammenhang zwischen der saisonalen Transkriptionsdynamik von Methan-zyklierenden Bodenmikrobiomen und den Gasflüssen in situ her. Wir kommen zu dem Schluss, dass eine Verringerung der Intensität der Grünlandnutzung und Aufforstung die Methansenkenfunktion von Böden potenziell erhöhen kann und dass unterschiedliche Parameter die mikrobielle Methansenke in Wald- und Grünlandböden bestimmen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, dass die Abundanz von mRNA Transkripten ein vielversprechender Indikator für dynamische Prozesse auf Ökosystemebene sein können. Die Abundanz von Methanogen-Transkripten kann als Indikator für Veränderungen der Netto- Oberflächen-Methanemissionen von Grünlandböden verwendet werden.