Fate of microbial carbon derived from biogas residues applied to arable soil

Abstract

Soil organic matter (SOM) is the major determinant of soil fertility as it has a number of positive impacts such as improving soil physical parameters, providing nutrients for crops, and supplying energy for the microbial biomass activity in soil. Loss of organic matter is a soil threat observed worldwide. Also, bioenergy crop cultivation may accelerate SOM loss due to higher biomass harvesting compared to food crops. It is necessary to supply adequate organic matter input to arable soils in order to maintain sustainable food and biofuel production. Biogas residues (BGRs), the side-products of biogas production, are rich in microbial and plant biomass; they thus can be used as a soil conditioner and contribute to replenishing the carbon (C) pool in soil. However, our knowledge on the contribution of BGRs particularly the microbial residues present in it to SOM formation is limited, even though scientific interest on SOM formation via microbial inputs is growing. Therefore, the objective of this thesis were i) developing an approach to label microbial biomass of biogas residues, ii) tracing the fate of labelled BGRs in arable soil, iii) determining the C flux within microbial food web, and iv) determining the impacts of other soil conditioners on the mineralization of BGRs. In the first study a method was developed to label the autotrophic microorganisms in a biogas reactor using KH13CO3-amended cow manure as substrate. Analyses of phospholipid fatty acids (PLFA) and ether lipids confirmed the successful labelling of microorganisms, especially Gram-positive bacteria and methanogenic archaea. After removal of unused labelled carbonates by an acid fumigation approach, the labelled BGRs were incubated in soil for 378 days. The fate of 13C was traced in CO2 and in bulk soil with a mass balance having 93% mean recovery. Results showed that about 40% of the C derived from BGRs was rapidly mineralized within the first seven days, and mineralization reached 65% at the end of experiment. The data could be fitted to a two-pool exponential degradation model assuming two C pools each decaying exponentially. The proportions of readily degrading and stable C pools were determined to be 51% and 49%, respectively, with half-lives of 3 days and 1.9 years, respectively. The long half-life of the stable C pool in BGRs may indicate a mid-term contribution to SOM. In addition, the mineralization of SOM was enhanced by BGR-application, i.e. priming effects were detected, thus their extensive application should be avoided. A differential fatty acid approach was used in the second study for the separation of C input from BGRs to living biomass and non-living SOM. Phospholipid fatty acids (PLFA) as indicators of living biomass were compared with total fatty acids (t-FA), which are found also in necromass. Using PLFA as biomarkers of specific microbial groups, C redistribution within the microbial food web was determined. Results showed that BGRs increased the microbial biomass in soil. The sum of 13C-labelled PLFA and t-FA decreased during incubation to 60% and to 33%, respectively. The level of enrichment was different for the individual PLFA and indicated that Gram-negative bacteria were predating on Gram-positive bacteria. A contribution of ether lipids was also detected indicating C flow from decaying methanogens. This study confirmed that microbial biomass in BGRs applied to arable soil significantly contributes to SOM formation. After determining the fate of microbial C derived from BGRs in arable soil, the impacts of other soil conditioners on the mineralization of BGRs were tested in the third study. For this, labelled BGRs were incubated in soil both alone and together with compost, biochar and untreated manure. The amount of C mineralized to CO2 and the degradation rate constant of stable C pool were not affected by any of the co-amendments. However, manure resulted in a higher mineralization rate constant of the readily degrading C pool. C flow within microbial food web was from Gram-positive bacteria and methanogenic archaea to mainly Gram-negative bacteria and slightly to fungi in all treatments. This study showed that co-amending BGRs with other soil conditioners brings neither benefits nor harms in terms of the formation or the mineralization of soil organic matter. The proposed labelling approach using KH13CO3 may be useful for tracing the fate of BGRs. The enrichment in both bacteria and archaea were sufficient to be measured in an incubation experiment lasting for more than one year. However, there are disadvantages of the proposed approach such as presence of highly enriched residual carbonates. The fumigation method should be optimized for a complete removal of the highly labelled residual carbonates which will increase the precision of the overall approach.

Die organische Bodensubstanz (OBS) ist ein wichtiger Faktor für die Bodenfruchtbarkeit, da sie eine Reihe von positiven Auswirkungen auf den Boden haben, wie die Verbesserung der bodenphysikalischen Parameter, Bereitstellung von Nährstoffen für Kulturpflanzen und die Energieversorgung für die mikrobielle Aktivität im Boden. Der Verlust an organischer Substanz ist eine weltweit beobachtete Bedrohung für Böden. Auch kann der Anbau von Bioenergiepflanzen den OBS-Verlust aufgrund der höheren Biomasseentnahme im Vergleich zum Anbau von Nahrungsmitteln beschleunigen. Daher ist es notwendig, Ackerböden eine angemessene Menge organischen Materials zuzuführen, um eine nachhaltige Nahrungsmittel- und Biokraftstoffproduktion aufrecht zu erhalten zu können. Gärreste, ein Nebenprodukte der Biogaserzeugung, sind reich an mikrobieller und pflanzlicher Biomasse, können daher als Bodenverbesserungsmittel verwendet werden, und führen zur Rückführung von Kohlenstoff (C), der aus dem Boden entfernt wurde. Allerdings ist unser Wissen über den Beitrag der Gärreste, insbesondere der darin enthaltenen mikrobiellen Rückstände, auf die OBS-Bildung begrenzt, obwohl das wissenschaftliche Interesse an OBS-Bildung über mikrobielle C-Einträge wächst. Daher waren die Ziele dieser Arbeit: i) Entwicklung eines Ansatzes zur Markierung der mikrobiellen Biomasse von Gärresten, ii) die Verfolgung des Schicksals der markierten Gärreste in Ackerboden, iii) die Bestimmung der Kohlenstoffumverteilung im mikrobiellen Nahrungsnetz, und iv) die Bestimmung der Auswirkungen anderer Bodenverbesserungsmittel auf die Mineralisierung von Gärresten. In der ersten Studie wurde eine Methode entwickelt, um die autotrophen Mikroorganismen in einem Biogasreaktor zu markieren, der mit KH13CO3-beaufschlagter Rindergülle als Substrat betrieben wird. Analysen von Phospholipid-Fettsäuren (PLFS) und Etherlipiden bestätigten die erfolgreiche Markierung von Mikroorganismen, insbesondere von Gram-positiven Bakterien und Archaeen. Nach dem Entfernen des unverbrauchten markierten Karbonats durch Säurefumigation wurden die markierten Gärresten 378 Tage lang im Boden inkubiert. Das Schicksal von 13C im CO2 und im Boden wurde bei einer mittleren Wiederfindung von 93% verfolgt und eine Massenbilanz aufgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass etwa 40% des C aus den Gärresten innerhalb der ersten sieben Tage mineralisiert werden, und die Mineralisierung am Ende des Versuchs 65% erreicht. Die Daten konnten an ein Modell angepasst werden, das zwei C-pools mit jeweils exponentiellem Abbau annimmt. Die Anteile des schnell und des langsam abbaubaren C Pools liegen bei 51% bzw. 49%, die Halbwertszeiten bei 3 Tagen und 1,9 Jahren. Die lange Halbwertszeit des langsam abbaubaren C-Pool in der Gärreste deutet darauf hin, dass Gärreste mittelfristig einen Beitrag zur Bildung von OBS liefern können. Darüber hinaus wird jedoch die Mineralisierung der organischen Bodensubstanz durch die Applikation der Gärreste verstärkt, d.h. es kann ein Priming-Effekt nachgewiesen werden, deshalb sollte ihre extensive Ausbringung vermieden werden. In der zweiten Studie wurde mittels differentieller Fettsäureanalyse der C-Eintrag aus den Gärresten in lebende Biomasse und in nicht-lebende OBS erfasst. Die Phospholipid-Fettsäuren (PLFS) als Indikatoren für die lebende Biomasse werden verglichen mit Gesamtfettsäuren (t-FS), die auch in der Nekromasse zu finden sind. Mit PLFS als Biomarker für spezifische mikrobielle Gruppen konnten die C-Flüsse im mikrobiellen Nahrungsnetz bestimmen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Gärreste die mikrobielle Biomasse im Boden erhöhten. Die Summe von 13C-markierten PLFS und t-FS sank während der Inkubation auf 60% bzw. 33%. Die Isotopenanreicherung ist für jede Fettsäure spezifisch, und Gram-negative Bakterien ernähren sich von Gram-positiven Bakterien. Auch ein Beitrag der Etherlipide wurde nachgewiesen, und zeigt einen C-Fluss aus abgebauten Methanogenen. Diese Studie bestätigt, dass die mikrobielle Biomasse in auf Äckern ausgebrachten Gärresten wesentlich zur OBS-Bildung im Ackerboden beiträgt. Nach der Bestimmung des Schicksals von mikrobiellem C aus Gärresten in Ackerboden, testeten wir in der dritten Studie die Auswirkungen von anderen Bodenverbesserungsmitteln auf die Mineralisierung von Gärresten. Hierzu wurden markierten Gärreste sowohl allein als auch zusammen mit Kompost, Biochar und Rindergülle im Boden inkubiert. Keines der anderen Bodenverbesserungsmittel bewirkte eine Veränderung der Menge an C, die zu CO2 mineralisiert wurde und der Abbauraten des langsam abbaubaren C-Pools. Allerdings führte Gülle zu einer höheren Abbaurate des schnell abbaubaren C-Pools. Der Fluss des C durch das mikrobielle Nahrungsnetz ging bei allen Behandlungen von Gram-positiven Bakterien und Archaeen hauptsächlich zu Gram-negativen Bakterien und Pilzen.