Plants in constructed wetlands serve as carriers for attached microbial growth. They mainly transfer oxygen and release exudates into the root zone. As a result, an area exists around the roots (rhizosphere) in which bacteria are stimulated by root growth. Our goals were to ascertain whether stimulating the microbial community only has a local effect on the rhizoplane, and to establish the importance of this stimulation for wastewater purification in the root zone. Observations were carried out in a planted and an unplanted laboratory batch reactor incubated with an artificial wastewater with a high concentration of ammonia. Samples were taken at intervals of 10 mm away from the roots. The chemical and physical conditions and enzyme activities in soil sections at various distances from the roots affecting the efficiency of microbial nitrogen removal were characterized. An influence on the nitrification and denitrification process was detected via several parameters up to a range of different root distances: microbial parameters such as the total bacterial number, respiratory activity, protein and DNA amount seem to be affected by roots up to a distance of 50 mm from the roots, whereas the oxygen concentration, DOC and redox potential are unaffected at a distance exceeding 20-30 mm. This indicates that improved nitrogen removal is also possible in the wider root surroundings. Given the average root-to-root distance of 35 mm, the root-influenced area could therefore be expanded to the whole rooted zone in a constructed wetland.

Plants in constructed wetlands serve as carriers for attached microbial growth. They mainly transfer oxygen and release exudates into the root zone. As a result, an area exists around the roots (rhizosphere) in which bacteria are stimulated by root growth. Our goals were to ascertain whether stimulating the microbial community only has a local effect on the rhizoplane, and to establish the importance of this stimulation for wastewater purification in the root zone. Observations were carried out in a planted and an unplanted laboratory batch reactor incubated with an artificial wastewater with a high concentration of ammonia. Samples were taken at intervals of 10 mm away from the roots. The chemical and physical conditions and enzyme activities in soil sections at various distances from the roots affecting the efficiency of microbial nitrogen removal were characterized. An influence on the nitrification and denitrification process was detected via several parameters up to a range of different root distances: microbial parameters such as the total bacterial number, respiratory activity, protein and DNA amount seem to be affected by roots up to a distance of 50 mm from the roots, whereas the oxygen concentration, DOC and redox potential are unaffected at a distance exceeding 20-30 mm. This indicates that improved nitrogen removal is also possible in the wider root surroundings. Given the average root-to-root distance of 35 mm, the root-influenced area could therefore be expanded to the whole rooted zone in a constructed wetland.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde die N-Rhizodeposition verschiedener Futter- und Körnerleguminosen mittels Split-Root-Technik und kontinuierlicher 15N-Anreicherung quantifiziert. Anteilig an der gesamtpflanzlichen N-Menge unterschieden sich die durch Rhizodeposition abgegebenen N-Mengen zwischen den geprüften Leguminosenarten weder im Gewächshaus noch im Feld signifikant voneinander, so dass der Einflussfaktor Pflanzenart und –sorte auf die Höhe der spezifischen N-Rhizodeposition als eher gering einzuschätzen ist. Der Einfluss der Umwelt (Gewächshaus versus Freiland) auf die untersuchten Kenngrößen der Trockenmassen und N-Akkumulationen sowie der N-Rhizodeposition fiel hingegen sehr viel deutlicher aus. Die Untersuchungen zeigten zudem positive Zusammenhänge zwischen den N-Rhizodepositionsmengen und den Trockenmasseerträgen bzw. akkumulierten N-Mengen der Leguminosen.

Soil structural stability plays a pivotal role in landscape preservation when a protective vegetation cover is lacking. For example, under semiarid climates seasonal rainfall cannot sustain a full vegetation cover, but still causes soil erosion. With the loss of (fertile) soil material, ecosystem productivity reduces and less C can be stored. In natural semiarid systems, soil erosion is a spatially heterogeneous process, whereby local highly erodible spots are alternated by improved soil structure under the sparse canopy cover, creating a very heterogeneous landscape. Although the physical protection by the plant canopy is well understood, the potential influence of soil archaea and bacteria on soil structural stability in relation to plants and parent material is less well known. Mainly from studies under controlled conditions, we know that certain archaeal and bacterial species have the ability to produce extracellular polymeric substances (EPS), forming an extracellular matrix. As the formed matrix connects soil particles, EPS seem to have the potential of playing a substantial role in soil aggregation, thereby controlling soil erodibility. Little is known of this gluing process by EPS and its importance under natural conditions as most evidence is derived from controlled conditions in the laboratory. This dissertation aims to unravel the role of EPS from soil archaea and bacteria in soil aggregate stabilization in semiarid grasslands by considering the potential role of plant species and parent material in this process. The sparse vegetation in semiarid grasslands provide a useful gradient in soil organic C contents to study these processes. Improved conditions for soil microbes producing EPS can be found at the root surface, while the bare canopy interspaces lack in C/resources. Two sites were selected in southeast Spain, mainly differing in graphitic C, inorganic C and nitrogen contents. On both sites, soil adjacent to the widely occurring Anthyllis cytisoides legumes shrubs and Macrochloa tenacissima grass tussocks were sampled during two campaigns. The first sampling campaign in April 2017 focused on the top soil, whereby a distance gradient from the plant stem to the bare intercanopy area was sampled. The second sampling campaign in April 2018 focused more on the effect of plant roots on soil archaeal and bacterial communities by including the rhizosphere. As the parent material of the Rambla Honda site, i.e. one of the study sites, contains a substantial amount of graphitic C, several methods were tested to quantify the different types of C in these soils to understand their role in shaping EPS contents. Furthermore, the quantification of graphitic C contents opened the possibility to study a potential interaction between graphite minerals and microbes. Although graphitic C contents explained part of the variances in microbial community, no direct link with EPS-saccharide contents was found. EPS contents were relative high in the rhizosphere, most notable at the legumes shrub Anthyllis cytisoides, and were linked to the enrichment of N-fixing bacteria. However, outside the root influenced soil, EPS contents were still substantially high, whereby the abundance of microbial species, previously associated to biofilm formation in other environments, indicated that EPS synthesis is not only restricted to the rhizosphere. Soil aggregation was linked to EPS-saccharide contents, whereby two mechanisms were hypothesized. Firstly, the strong link between soil wettability and EPS-saccharide content in the soil of the carbonate poor Rambla Honda site, indicated that aggregates become stabilized by hydrophobic bonds created by the EPS. Secondly, results from the carbonate rich Alboloduy site indicates that EPS has a facilitating role in creating stable aggregates by precipitating carbonates on the EPS structure. This likely lead to a higher soil structural stability, as carbonate bindings are more stable when prolonged drought reduces soil biological activity and thereby EPS contents. Overall, EPS play a substantial role in soil aggregate stabilization in semiarid grasslands, whereby EPS contents were increased by legume plants, by means of enriching EPS producing bacteria. / Die Stabilität der Bodenstruktur spielt eine entscheidende Rolle in der Erhaltung der Landschaft, insbesondere wenn keine schützende Vegetationsbedeckung vorhanden ist. So ist beispielsweise unter semiariden Klimabedingungen wegen der Saisonalität der Niederschläge keine vollständige Vegetationsbedeckung vorhanden, was Bodenerosion verursacht. Durch den Verlust von (fruchtbarem) Bodenmaterial verringert sich die Produktivität des Ökosystems. Dadurch kann weniger Kohlenstoff (C) im Boden gespeichert werden. In natürlichen semiariden Systemen ist die Bodenerosion ein räumlich heterogener Prozess, bei dem sich stark erosionsanfällige Stellen mit solchen Bereichen abwechseln, welche durch günstige Bodenstruktur unter der spärlichen Pflanzendecke gekennzeichnet sind. Hierdurch entsteht eine sehr heterogene Landschaft. Während zum physikalischen Schutz durch Vegetationsüberschirmung viele Erkenntnisse vorliegen, ist über den möglichen Einfluss von Archaeen und Bakterien auf die strukturelle Stabilität des Bodens in Bezug auf Pflanzen und Ausgangsmaterial weit weniger bekannt. Hauptsächlich aus Studien unter kontrollierten Bedingungen wissen wir, dass bestimmte Archaen- und Bakterienarten die Fähigkeit besitzen, extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) zu produzieren, die eine extrazelluläre Matrix bilden. Da die gebildete Matrix Bodenpartikel verbindet, scheint EPS das Potenzial für eine maßgebliche Beeinflussung der Bodenaggregation zu haben und dadurch die Erosionsanfälligkeit zu steuern. Über solche Klebemechanismen von EPS und deren Bedeutung unter natürlichen Bedingungen ist aber wenig bekannt; die meisten Hinweise stammen aus kontrollierten Bedingungen im Labor. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Bedeutung von EPS von Archaeen und Bakterien hinsichtlich der Stabilisierung von Bodenaggregaten in semiariden Graslandschaften unter Berücksichtigung der möglichen Rolle von Pflanzenarten und Ausgangsmaterial in diesem Prozess aufzuklären. Zur Untersuchung solcher Prozesse bietet die spärliche Vegetation in semiariden Graslandschaften einen zweckdienlichen Gradienten bezüglich des Gehalt an organischem C im Boden. Günstige Bedingungen für EPS-produzierende Bodenmikroorganiosmen sind an der Wurzeloberfläche zu finden, während dem unbedeckten Boden zwischen Stellen ohne Pflanzenbedeckung C / Ressourcen fehlen. Es wurden zwei Standorte in Südostspanien ausgewählt, die sich hauptsächlich in den Gehalten an graphitischem C, anorganischem C und Stickstoff unterscheiden. An beiden Standorten wurden im Rahmen von zwei Feldkampagnen Böden in unmittelbarer Nähe zu der weit verbreiteten Leguminosenart Anthyllis cytisoides-Hülsenfrüchten und Grasbüscheln von Macrochloa tenacissima beprobt. Die erste Probenahmekampagne im April 2017 konzentrierte sich auf den obersten Boden, wobei ein Abstandsgradient vom Pflanzenspross zum unbedeckten Boden zwischen der Pflanzendecke beprobt wurde. Die zweite Probenahmekampagne im April 2018 konzentrierte sich mehr auf die Wirkung von Pflanzenwurzeln auf Archaeen- und Bakteriengemeinschaften durch Beprobung der Rhizosphäre. Am Rambla Honda-Standort enthält das Ausgangsmaterial eine erhebliche Menge an graphitischem C. Deshalb wurden verschiedene Methoden getestet, um die verschiedenen Arten von C in diesen Böden zu quantifizieren und ihre Rolle bei der Gestaltung des EPS-Gehalts zu verstehen. Darüber hinaus eröffnete die Quantifizierung des graphitischen C-Gehalts die Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Graphitmineralen und Mikroorganismen zu untersuchen. Obwohl der Gehalt an graphitischem C einen Teil der Varianzen in der mikrobiellen Gemeinschaft erklärte, wurde kein direkter Zusammenhang mit dem EPS-Saccharidgehalt gefunden. Die EPS-Gehalte waren in der Rhizosphäre relativ hoch - am deutlichsten bei der Leguminosenart Anthyllis cytisoides - und mit der Anreicherung von N-fixierenden Bakterien verbunden. Außerhalb des von der Wurzel beeinflussten Bodens war der EPS-Gehalt jedoch immer noch deutlich erhöht. Dabei wies die Häufigkeit von Mikroorganismenarten, die zuvor mit der Bildung von Biofilmen in anderen Umgebungen in Verbindung gebracht wurden, darauf hin, dass die EPS-Synthese nicht nur auf die Rhizosphäre beschränkt ist. Die Bodenaggregation zeigte eine Verbindung mit dem EPS-Saccharidgehalt auf, wobei zwei Mechanismen angenommen wurden: Erstens wies der starke Zusammenhang zwischen der Bodenbenetzbarkeit und dem EPS-Saccharidgehalt im Boden des karbonatarmen Rambla Honda-Standorts auf eine Aggregatstabilisierung durch EPS-erzeugte hydrophobe Bindungen hin. Zweitens zeigen die Ergebnisse des Standorts Alboloduy-Standorts mit karbonatreichem Boden, dass EPS eine unterstützende Funktion bei der Erzeugung stabiler Aggregate besitzt, indem Karbonate auf der EPS-Struktur ausgefällt werden. Dies führt wahrscheinlich zu einer höheren Stabilität der Bodenstruktur, da Karbonatbindungen stabiler sind, wenn eine längere Trockenheit zu einer Verringerung der biologischen Aktivität im Boden und damit des EPS-Gehalts führt. Insgesamt spielt EPS eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung von Bodenaggregaten in semiariden Graslandschaften, wobei der EPS-Gehalt durch Leguminsosen, mittels Anreicherung von EPS-produzierenden Bakterien, erhöht wurde.

Diese Arbeit untersucht die Reaktion der Stieleiche auf pflanzenparasitären Nematoden mittels RNA-Sequenzierung und Analyse von stabilen Isotopen und Fettsäuren. Einblicke in Rhizosphäreninteraktionen wurden über mutualistische Partner (Ektomykorrhizapilze, Rhizosphärenhelferbakterien), fungivore Collembolen und multitrophische Gemeinschaften gewonnen. Die Struktur und Biomasse der Mikroorganismen sowie die Fitness der Eichen wurden erfasst. Die Effekte wurzelfressender Nematoden auf die Eiche wurden durch das endogene rhythmische Wachstum des Baumes reguliert. Die Nematoden lösten eine stärkere Reaktion während des Sprosswachstumsschubs aus, u.a. Aktivierung von Abwehrmechanismen und Hemmung der Photosynthese, wohingegen beim Wurzelwachstumsschub pathogen bezogene Signale unterdrückt waren. Die Anwesenheit des Pilzsymbionten schwächte die Pflanzenabwehr und verbesserte die Stresstoleranz, was indirekt das Wachstum der Mikroorganismen förderte. Die Helferbakterien begünstigten den Mykorrhizapilz, was wiederum das Pflanzenwachstum stimulierte und dem negativen Effekt der Nematoden entgegenwirkte. Parasitäre Nematoden und fungivore Collembolen beeinflussten die Verteilung des pflanzlichen Kohlenstoffes unabhängig voneinander; Nematoden verringerten und Collembolen verbesserten die Allokation von Photoassimilaten in Gram-postiven Bakterien. Zudem war steigende trophische Diversität der Bodenfauna in der Rhizosphäre entscheidend für die Balance innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft, welche das Pflanzenwachstum fördert. Diese Arbeit stellt die Bedeutung der endogenen Ressourcenzuteilung von Pflanzen für unterirdische biotische Wechselbeziehungen heraus. Diese Pflanzenstrategie als bedeutender Faktor für Rhizosphärenprozesse sollte in zukünftige Studien Berücksichtigung finden. Die Einbeziehung der Hauptakteure in der Rhizosphäre ermöglicht zudem ein realistischeres Bild von Nematoden-Pflanzen Interaktionen und damit ein effektiveres Management. / This thesis investigated the response of Pedunculate oak to the plant-parasitic nematode Pratylenchus penetrans, using RNA-sequencing, stable isotope labelling and fatty acid analyses. Insight into rhizosphere interactions was gained by employing beneficial biotic partners (ectomycorrhizal fungi, rhizosphere helper bacteria), fungal grazers (Collembola) and multitrophic environments. Microbial biomass and community structure as well as oak fitness were assessed. The effects of root-feeding nematodes on oak were largely governed by the endogenous rhythmic growth of the tree. The nematodes triggered a stronger response during shoot flush, e.g. activation of multi-layered defence mechanisms and repression of photosynthesis, as compared to root flush where pathogen-related signalling was repressed. With the presence of the mycorrhizal symbiont plant defence was attenuated and stress tolerance enhanced, indirectly promoting the growth of rhizosphere microorganisms. The helper bacteria fostered the ectomycorrhizal fungus, which in turn stimulated plant growth, counteracting the negative effects of nematodes. Plant-parasitic nematodes and Collembola grazers had independent roles in plant carbon allocation patterns, with nematodes hampering whilst Collembola enhancing the flux of recent photoassimilates to Gram-positive bacteria. Lastly, increasing trophic diversity of the soil fauna in the rhizosphere of oaks was crucial for the maintenances of a microbial community equilibrium that promotes plant growth. In sum, this study highlights the importance of endogenous resource allocation pattern of plants in determining the outcome of belowground biotic interactions. Therefore such plant traits should be considered as important drivers for rhizosphere processes in future studies. Moreover, taking into account the rhizosphere main players in studies on parasitic nematode-plant interactions will result in a more realistic picture and thus more effective nematode management.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde die N-Rhizodeposition verschiedener Futter- und Körnerleguminosen mittels Split-Root-Technik und kontinuierlicher 15N-Anreicherung quantifiziert. Anteilig an der gesamtpflanzlichen N-Menge unterschieden sich die durch Rhizodeposition abgegebenen N-Mengen zwischen den geprüften Leguminosenarten weder im Gewächshaus noch im Feld signifikant voneinander, so dass der Einflussfaktor Pflanzenart und –sorte auf die Höhe der spezifischen N-Rhizodeposition als eher gering einzuschätzen ist. Der Einfluss der Umwelt (Gewächshaus versus Freiland) auf die untersuchten Kenngrößen der Trockenmassen und N-Akkumulationen sowie der N-Rhizodeposition fiel hingegen sehr viel deutlicher aus. Die Untersuchungen zeigten zudem positive Zusammenhänge zwischen den N-Rhizodepositionsmengen und den Trockenmasseerträgen bzw. akkumulierten N-Mengen der Leguminosen.

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Der Mangel an Nährstoffen im Boden, hauptsächlich an Phosphor (P) und Stickstoff (N), verbunden mit einem hohen Salzgehalt und der generellen Verarmung landwirtschaftlicher Böden , sind ein ernstes Problem für die landwirtschaftliche Produktion weltweit. Daher besteht ein dringender Bedarf an Forschung und Entwicklung geeigneter landwirtschaftlicher Praktiken, um ungünstige Bodenbedingungen zu verringern und wenn möglich die Fruchtbarkeit von Kulturland wiederherzustellen. Die Verwendung von Rhizobakterien, die das Pflanzenwachstum (PGPR) fördern, kann sich bei der Entwicklung von Strategien zur Erleichterung des Pflanzenwachstums unter normalen Wachstumsbedingungen sowie unter abiotischen Stress als nützlich erweisen. Diese Bakterien bieten ihren pflanzlichen Wirten Vorteile, indem sie die Aufnahme von Bodenmineralien fördern und Pflanzen vor schädlichen Umwelteinflüssen schützen. Die vorliegende Arbeit bewertet die Rolle von in Kamerun natürlich vorkommenden PGPR an Mais und untersucht deren Potenzial als Bioimpfstoffe zur Steigerung des Pflanzenwachstums in Kamerun. Wir prüfen die Hypothese, dass einheimische Bakteriengemeinschaften aus Kamerun einen hohen Anteil an Bakterien aufweisen, deren Eigenschaften Kulturpflanzen helfen, mit ungünstigen Bedingungen umzugehen. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu Bakteriengemeinschaften der Rhizosphäre von in Kamerun angebautem Mais isoliert und untersucht. Zum ersten Mal erfolgte eine umfassende phylogenetische Zuordnung aller kultivierbaren Bakterien, auf Grundlage ihrer potenziellen Fähigkeiten zur Förderung des Pflanzenwachstums. / Nutrient deficiencies in soil, mainly in phosphorus (P) and nitrogen (N), coupled to salinity and the impoverishment of agricultural soils, are a severe problem for agricultural production worldwide. Therefore, there is an urgent need for research and development of more suitable agricultural practices in order to reduce unfavorable conditions, and if possible, to restore the fertility of cultivated lands. The use of rhizobacteria, which promote plant growth (PGPR), can prove useful in developing strategies to facilitate plant growth under normal as well as under abiotic stress conditions. These bacteria offer benefits to plant hosts by promoting the uptake of soil minerals and protecting plants from environmental stresses. The thesis evaluates the role of native PGPR associated with maize as potential bio-inoculants for plants growth in Cameroon. We hypothesized that native bacterial communities from Cameroon include a high potential of bacteria helping the plant cope with unfavorable conditions. Here, we provide for the first time a comprehensive phylogenetic affiliation of cultivable bacterial communities associated with maize rhizosphere grown in Cameroon in relationship to their potential plant growth-promoting abilities.