Ökosystem-Ingenieure sind Organismen, deren Auswirkung auf die Funktion von Ökosystemen im Vergleich zu ihrer Anzahl und Biomasse überproportional groß ist. Ein klassisches Beispiel für Ökosystem-Ingenieure sind grabende Organismen, deren Aktivitäten (Bioturbation) sowohl die Sedimentmatrix als auch das Porenwasser in aquatischen Sedimenten beeinflussen. Solche Tiere wirken auf eine große Anzahl von biogeochemischen Prozessen in benthischen Ökosystemen ein, unter anderem auf die aerobe Atmung (Respiration). Die Respiration aquatischer Sedimente umfasst häufig über 50 % der gesamten Respiration von aquatischen Systemen und spielt eine große Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der physikalischen Umwelt (Sedimenteigenschaften, am meistens hydraulischer Leitfähigkeit) auf die mikrobielle Respiration von Sedimenten, in denen Bioturbation durch Chironomidenlarven stattfindet. Um die Auswirkungen von Bioturbation auf Respiration zu messen und zu identifizieren, wurde eine neue Messmethode entwickelt (Kapitel 4.1). Kapitel 4.2 zeigt, dass der Einfluss von Bioturbation auf die Respiration des Sediments mit zunehmender Temperatur ansteigt. Kapitel 4.3 belegt, dass Resazurin auch für die Messung der Respiration in marinen Sedimenten geeignet ist. Kapitel 4.4 vergleicht und begutachtet die große Anzahl und Vielfalt hydrologischer, biogeochemischer und ökologischer Tracer einschließlich Resazurin. Die physikalische Umwelt (Sedimentmatrix) kontrolliert wie stark die Auswirkungen der Bioturbation auf die Respiration des Sedimentes sind. Dementsprechend liefert diese Doktorarbeit die Basis für das Verständnis der Auswirkungen benthischer Bioturbation auf Respiration und Kohlenstoffumsatz in limnischen und marinen Sedimenten. / Ecosystem engineers are organisms, whose impact on ecosystem functioning is disproportionally large compared to their abundance and biomass. A classic example of ecosystem engineers are burrowing organisms whose activities (bioturbation) affect the sediment matrix and pore solutes in aquatic sediments. Bioturbating animals are impacting on a number of biogeochemical processes in benthic ecosystems, including, among others, aerobic respiration. Respiration of aquatic sediments often comprises over 50% of the total respiration of aquatic systems, and plays a tremendous role in the global carbon cycle. The present thesis deals with the impacts of the physical environment (sediment characteristics, mainly hydraulic conductivity and grain fractions) on the (microbial) respiration of bioturbated sediments. In order to disentangle the effects of bioturbation on respiration, a novel measurement method has been developed (Chapter 4.1). Chapter 4.2 reveals that the impact of bioturbation on sediment respiration increases with increasing temperature. Chapter 4.3 shows that resazurin can also be used for the measurement of respiration in bioirrigated marine sediments. Chapter 4.4 reviews the large number and diversity of hydrological, biogeochemical and ecological tracers including resazurin. The present thesis shows that in sediments with low hydraulic conductivity (diffusion-dominated sediments) (Chapters 4.1,4.2) bioturbation is altering sediment respiration to a larger extent than in sediments with high hydraulic conductivity (advection-dominated sediment) (Chapter 4.3). The physical environment (sediment matrix) controls the intensity of the impacts of bioturbation on sediment respiration. Thus, this thesis provides a basis for understanding the impact of benthic bioturbators on respiration and carbon sequestering in freshwater and marine sediments.

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Mikrobielle Hotspots zeichnen sich durch erhöhte mikrobielle Biomasse und Aktivität im Vergleich zum Gesamtboden aus. Sie umfassen nur einen sehr kleinen Teil des Bodenvolumens, indem jedoch die meisten für Stoffkreisläufe relevanten mikrobiellen biogeochemischen Prozesse ablaufen. In mikrobielle Hotspots sind Prozessraten erhöht, wie beispielsweise verkürzte Umsatzzeiten der organischen Substanz und eine erhöhte Nährstoffmobilisierung im Vergleich zum Gesamtboden. Eine verbesserte Verfügbarkeit von niedermolekularen organischen Substanzen im Vergleich zum Gesamtboden stimuliert das Wachstum und die Aktivität von Bodenmikroorganismen. Mikrobielle Hotspots entstehen in Bodenkompartimenten, die durch Rhizodeposition, den Eintrag von Wurzelstreu, den Eintrag von nährstoffreichem Material von der Bodenfauna und die Auswaschung von organischen Verbindungen aus dem Oberboden einen erhöhten Substrateintrag aufweisen. Im Boden stellen die Rhizosphäre sowie Bioporen wichtige mikrobielle Hotspots dar. Speziell im nährstoffarmen Unterboden sind mikrobielle Hotspots wichtig, da die Nährstoffe in den Hotspots im Vergleich zum Gesamtboden für Pflanzen besser verfügbar sind. Im Rahmen dieser Dissertation wurden 1) mikrobielle Hotspots anhand molekularer Proxies unterschieden; und 2) das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung von mikrobiellen Hotspots im Unterboden untersucht; darüber hinaus wurde 3) die mikrobielle Umsetzung des wurzelbürtigen Kohlenstoffs entlag eines Teifengradienten bis in 105 cm Tiefe bestimmt; und 4) die räumliche Ausdehnung der mikrobiellen Hotspots im Ober- und Unterboden anhand der Verteilung und anhand des Umsatzes von wurzelbürtigem Kohlenstoff, sowie anhand von sich ausbildenden pH, Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten von der Wurzeloberfläche in den Gesamtboden bestimmt. Im Rahmen eines Feldexperimentes wurde Luzerne (Medicago sativa L.) zwei Jahre lang auf einem Haplic Luvisol angebaut. Drilsophäre, Rhizosphäre und der Gesamtboden wurden in 15 cm Intervallen bis in eine Tiefe von 105 cm beprobt, um mikrobielle Hotspots anhand von molekularen Proxies zur unterscheiden. Die Proben wurden auf ihre Gehalte an freien extrahierbaren Fettsäuren untersucht. Dafür wurden aus dem Gesamtlipidextrakt die Fettsäuren durch Festphasenextraktion abgetrennt. Die Differenzierung des organischen Materials aus der Drilosphäre, der Rhizosphäre und dem Gesamtboden wurde mittels einer linearen Diskriminanzanalyse durchgeführt. Desweiteren wurde auf der Versuchsfläche neben Luzerne auch Wegwarte (Cichorium intybus L.) angebaut. Um den Kohlenstoffeintrag von Luzerne und Wegwarte in den Boden entlag eines Tiefengradientens zu vergleichen, wurden je drei Luzerne und drei Wegwarteparzellen nach 110 Tage Wachstum in situ mittels 13CO2 pulsmarkiert. Die Verteilung des assimilierten 13C in Spross, Wurzeln und Bodenkohlenstoffpools sowie die Bestimmungen der jeweiligen Kohlenstoffpoolgrößen ermöglichte es, den Kohlenstoffeintrag bis in eine Bodentiefe von 105 cm zu quantifizieren. In einer Laborstudie wurde die räumliche Ausdehnung mikrobieller Hotspots untersucht. Zu diesem Zweck wurde Luzerne in T-förmigen Gefäßen mit drei Kompartimenten zwei Monate lang kultiviert. Die Gefäße waren entweder mit Ober- oder Unterboden gefüllt. Die Wurzeln konnten nur im mittleren Teil der Gefäße wachsen, da eine Nylongaze sie daran hinderte in die seitlichen Rhizosphärenkompartimente vorzudringen. Unterschiedliche Maschenweiten der Gaze verhinderten entweder nur das Wurzelwachstum oder sowohl das Wurzelwachstum als auch das Eindringen der Hyphen von arbuskulären Mykorrhizapilzen in die Rhizosphärenkompartimente. Die Dynamik und Verteilung von wurzelbürtigem Kohlenstoff in der Rhizosphäre, wurde durch die Markierung der Luzerne mit 14CO2 und anschließende Messung der 14C-Aktivität im gelösten organischen Kohlenstoff und im gesamten organischen Kohlenstoff ermittelt. Um Unterschiede im mikrobiellen Abbau der abgegebenen Substanzen in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre zu bestimmen, wurden die Aktivitäten extrazellulärer Enzyme gemessen. Zur Messung von Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten bei unterschiedlichem Matrixpotenzial in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre wurden ein Sauerstoffmikrosensor und Platinelektroden verwendet. Während die relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren von Drilosphäre, über Rhizosphäre bis zum Gesamtboden abnahmen, verhielten sich die Dicarbonfettsäuren genau umgekehrt. Da diese Unterschiede unabhängig von der Bodentiefe waren, konnten diese Proxies zur Unterscheidung der Herkunft des organischen Materials verwendet werden. Mittels einer linearen Diskriminanzanalyse konnte so das organsiche Material mikrobieller Hotspots von dem des Gesamtbodens durch eine lineare Kombination der relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren und Dicarbonsäuren unterschieden werden. Die unterschiedlichen Quellen des organischen Materials und dessen intensive mikrobielle Überformung veranschaulichen die Komplexität der Prozessse, die zur Entstehung von mikrobiellen Hotspots beitragen. Um diese Prozesse zu untersuchen, wurde das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung mikrobieller Hotspots im Unterboden analysiert. Dafür wurde der Kohlenstoffeintrag über die Wurzelbiomasse und durch Rhizodeposition sowie die mikrobielle Aufnahme bis in eine Tiefe von 105 cm quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausbildung mikrobieller Hotspots im Unterboden während der ersten Vegetationsperiode durch Luzerne stärker ist als durch Wegwarte. Die Gründe hierfür waren: 1) Ein höherer Biomassezuwachs von Luzerne und 2) eine 8 fach höherere Verlagerung des assimilierten Kohlenstoffs in das Wurzelwachstum sowie in Rhizodeposite im Unterboden durch Luzerne. Unter Luzerne wurde durch den erhöhten Eintrag von leichtverfügbarem Kohlenstoff das mikrobielle Wachstum und der Umsatz an mikrobiellem C im Unterboden erhöht. Dies weist auf höhere Nährstoffumsatzraten und damit auf deren höhere Pflanzenverfügbarkeit hin. Das könnte zu einer verbesserten Nährstoffversorgung der Hauptfrüchte beitragen, wenn deren Wurzeln durch die ehemaligen Luzernewurzelporen im Unterboden wachsen. Im Gegensatz zur Luzerne bildete die Wegwarte den größten Teil ihrer Wurzelbiomasse im Oberboden aus wohin sie auch den größten Teil ihrer Rhizodeposite exsudierte. Aus diesem Grund ist die Wegwarte zumindest in der ersten Vegetationsperiode nicht als Vorfrucht zu empfehlen, um die Nährstoffverfügbarkeit im Unterboden zu verbessern. Um die Relevanz von mikrobiellen Hotspots für Nährstoffkreisläufe besser zu verstehen, ist es notwendig die Ausdehnung des Bodenvolumens mit erhöhten Prozessraten und die Gradienten mit denen diese Prozessraten zum Gesamtboden hin abnehmen zu untersuchen. Dies ermöglichte das oben beschriebene Experiment, bei dem Luzerne in den kompartimentierten Wachstumsgefäßen angezogen wurde. Hierbei zeigte sich, dass die Wurzelexsudation in die Oberbodenrhizosphäre verglichen mit der Exsudation in die Unterbodenrhizosphäre deutlich höher war. Allerdings waren die Gradienten der 14C markierten Wurzelexsudate im gelösten organischen Kohlenstoff von der Wurzeloberfläche in Richtung Gesamtboden steiler als im Unterboden. Da zusätzlich zu dem erhöhten Eintrag und den steileren Gradienten auch die Enzymaktivitäten im Oberboden höher waren, kann von einem erhöhtem mikrobiellem Abbau der Wurzelexsudate im Vergleich zur Unterbodenrhizosphäre ausgegeangen werden. Obwohl erwartet wurde, dass erhöhter mikrobieller Abbau zu einer geringeren diffusiven Ausdehnung der Wurzelexsudate in der Oberbodenrhizosphäre führen würde, war dies nicht der Fall. Sowohl in der Oberboden- als auch in der Unterbodenrhizosphäre wurde 14C aus Exsudaten bis in eine Entfernung von 28 mm im DOC und 20 mm im TOC zur Wurzeloberfläche nachgewiesen. Die Sauerstoffkonzentration nahm in Richtung zur Wurzeloberfläche ab, wobei der Gradient in Ober- und Unterbodenrhizosphäre identisch war. Ein Rhizosphäreneffekt auf die Sauerstoffkonzentration konnte bis in 20 mm Entfernung zur Wurzeloberfläche gemessen werden. Das Matrixpotenzial war ausschlaggebend für die diffusive Nachlieferung von Sauerstoff, und damit für die Aufrechterhaltung der aeroben Respiration in der Rhizosphäre. Bei einem Matrixpotenzial von -200 hPa oder weniger fand keine Hemmung der Respirationsprozesse durch mangelnde O2 Nachlieferung zur Wurzeloberfläche statt. Die auf der Sauerstoffkonzentration beruhenden Veränderungen des Redoxpotentials konnten bis in eine Entfernung von 2 mm zur Wurzeloberfläche erfasst werden. Nur unter ständiger Wassersättigung wurden in der Rhizosphäre schwach reduzierende Bedingungen erreicht. Im Rahmen dieses Dissertation konnte gezeigt werden, dass mikrobielle Hotspots im Boden eine größere laterale Ausdehnung erreichen als bislang angenommen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diese Hotspots eine Schlüsselfunktion bei der Erhöhung von Kohlenstoff- und Nährstoffumsätzen besitzen. Daher empfiehlt sich der Anbau von tiefwurzelnden Vorfrüchten mit ausgeprägter C-Verlagerung in den Unterboden, wie beispielsweise Luzerne, um die Nährstoffverfügbarkeit aus dem Unterboden in Agrarökosystemen zu verbessern.

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1. Microbial ecology According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015). The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists. The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics). The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses.