Title (eng)
Identification and quantification of soil necromass biomarkers
Author
Erika Kristel Salas Hernandez
Advisor
Wolfgang Wanek
Christina Kaiser
Assessor
Rainer Georg Jörgensen
Matthias Kästner
Abstract (deu)
Mikrobielle Nekromasse trägt wesentlich zu dem bodeneigenen organischen Material (SOM, >50 %) bei, da Mikroben pflanzlichen Kohlenstoff (C) in ihre Biomasse aufnehmen und mikrobielle Rückstände später im Boden stabilisiert werden. Mikrobielle Nekromasse-Biomarker, insbesondere Aminozucker (AS), werden häufig verwendet, um mikrobielle C-Beiträge zum SOM zu verfolgen. Die meisten Studien konzentrierten sich auf die Verwendung von Glucosamin (GlcN) zur Verfolgung von Pilz-C und Muraminsäure (MurA) für Bakterien-C. Es mangelt jedoch noch an Kenntnissen über andere potenzielle Nekromasse-Biomarker wie Neutralzucker (NS) und Aminosäuren (AA) sowie über den Beitrag anderer mikrobieller Gruppen zur Nekromassebildung wie Archaeen. In diesem Dissertationsprojekt habe ich Nekromasse-Biomarker in Archaeen-, Bakterien-, Pilz- und Pflanzenarten identifiziert und quantifiziert. Ich habe Derivatisierungsprotokolle entwickelt und angewandt, basierend auf Ultrahochleistungsflüssigkeitschromatographie (UHPLC) und Orbitrap-Massenspektrometrie, um AS-, NS- und AA-Nekromasse-Biomarker in diesen taxonomischen Gruppen zu identifizieren und zu quantifizieren. Zur Bestimmung des Biomarkerpotenzials dieser Verbindungen wurden multivariate Ansätze sowie Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt. Unsere Ergebnisse zeigten, dass AS die besten diskriminierenden Biomarker zur Trennung aller Taxa waren. Neben der Verwendung von GlcN und MurA als spezifische Biomarker für Pilze bzw. Bakterien identifizierten wir neue spezifische Biomarker: Talosaminuronsäure (TalA) für Euryarchaeota, Hydroxyprolin für Pflanzen und L,L-Diaminopimelinsäure für Bakterien. Durch die Kombination von AS-, NS- und AA-Biomarkern konnten wir den Biomarker-Ansatz von der Trennung von Bakterien- und Pilznekromasse auf die Trennung von Mikroben von Pflanzen erweitern. Darüber hinaus würde die gleichzeitige Messung von MurA, TalA, Hydroxyprolin und Hexosaminen die Messung pflanzlicher und mikrobieller Beiträge zum Kontinuum von der Streuzersetzung bis zur SOM-Bildung durch mikrobielle Prozesse ermöglichen. Insgesamt erweiterte dieses Dissertationsprojekt das Repertoire an Nekromasse-Biomarkern durch die Entwicklung neuer spezifischer Biomarker sowie die kombinierte Messung von AS-, NS- und AA-Biomarkern, die in einer Vielzahl von Taxa vorkommen.
Abstract (eng)
Microbial necromass is a key contributor to soil organic matter (SOM, >50%) as microbes assimilate plant carbon (C) into their biomass and microbial residues later become stabilized in soils. Microbial necromass biomarkers, particularly amino sugars (AS), are commonly used to trace microbial C contributions to SOM. Most studies have focused on using glucosamine (GlcN) to trace fungal C and muramic acid (MurA) for bacterial C; however, the knowledge of other potential necromass biomarkers such as neutral sugars (NS) and amino acids (AA), as well as the contribution of other microbial groups such as archaea is still lacking. In this PhD thesis, I identified and quantified necromass biomarkers in archaeal, bacterial, fungal and plant species. I developed and used derivatization protocols, ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC) and Orbitrap mass spectrometry to identify and quantify AS, NS and AA necromass biomarkers in these taxonomic groups. Multivariate approaches alongside machine learning methods were used to determine the biomarker potential of these compounds. Our results showed that AS were the best discriminant biomarkers to separate all taxa. Alongside the use of GlcN and MurA as biomarkers specific for fungi and bacteria respectively, we identified new specific biomarkers: talosaminuronic acid (TalA) for Euryarchaeota, hydroxyproline for plants, and L,L-diaminopimelic acid for bacteria. By combining AS, NS and AA biomarkers we were able to extend the biomarker approach from separating bacterial and fungal necromass to separate microbes from plants. Moreover, the simultaneous measurement of MurA, TalA, hydroxyproline and hexosamines would allow to measure plant and microbial contributions to the continuum from litter decomposition to SOM formation through microbial processes. Overall, this PhD thesis expanded the repertoire of necromass biomarkers by including new specific biomarkers as well as combining AS, NS and AA biomarkers found in a wide variety of taxa.
Keywords (deu)
Nekromassebodeneigenen organischen MaterialBiomarkerAminozuckerAminosäurenneutrale Zucker
Keywords (eng)
Soil necromasssoil organic matterbiomarkersamino sugarsamino acidsneutral sugars
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
161 Seiten : Illustrationen
Number of pages
161
Study plan
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
[UA]
[794]
[685]
[437]
Association (deu)
Title (eng)
Identification and quantification of soil necromass biomarkers
Author
Erika Kristel Salas Hernandez
Abstract (deu)
Mikrobielle Nekromasse trägt wesentlich zu dem bodeneigenen organischen Material (SOM, >50 %) bei, da Mikroben pflanzlichen Kohlenstoff (C) in ihre Biomasse aufnehmen und mikrobielle Rückstände später im Boden stabilisiert werden. Mikrobielle Nekromasse-Biomarker, insbesondere Aminozucker (AS), werden häufig verwendet, um mikrobielle C-Beiträge zum SOM zu verfolgen. Die meisten Studien konzentrierten sich auf die Verwendung von Glucosamin (GlcN) zur Verfolgung von Pilz-C und Muraminsäure (MurA) für Bakterien-C. Es mangelt jedoch noch an Kenntnissen über andere potenzielle Nekromasse-Biomarker wie Neutralzucker (NS) und Aminosäuren (AA) sowie über den Beitrag anderer mikrobieller Gruppen zur Nekromassebildung wie Archaeen. In diesem Dissertationsprojekt habe ich Nekromasse-Biomarker in Archaeen-, Bakterien-, Pilz- und Pflanzenarten identifiziert und quantifiziert. Ich habe Derivatisierungsprotokolle entwickelt und angewandt, basierend auf Ultrahochleistungsflüssigkeitschromatographie (UHPLC) und Orbitrap-Massenspektrometrie, um AS-, NS- und AA-Nekromasse-Biomarker in diesen taxonomischen Gruppen zu identifizieren und zu quantifizieren. Zur Bestimmung des Biomarkerpotenzials dieser Verbindungen wurden multivariate Ansätze sowie Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt. Unsere Ergebnisse zeigten, dass AS die besten diskriminierenden Biomarker zur Trennung aller Taxa waren. Neben der Verwendung von GlcN und MurA als spezifische Biomarker für Pilze bzw. Bakterien identifizierten wir neue spezifische Biomarker: Talosaminuronsäure (TalA) für Euryarchaeota, Hydroxyprolin für Pflanzen und L,L-Diaminopimelinsäure für Bakterien. Durch die Kombination von AS-, NS- und AA-Biomarkern konnten wir den Biomarker-Ansatz von der Trennung von Bakterien- und Pilznekromasse auf die Trennung von Mikroben von Pflanzen erweitern. Darüber hinaus würde die gleichzeitige Messung von MurA, TalA, Hydroxyprolin und Hexosaminen die Messung pflanzlicher und mikrobieller Beiträge zum Kontinuum von der Streuzersetzung bis zur SOM-Bildung durch mikrobielle Prozesse ermöglichen. Insgesamt erweiterte dieses Dissertationsprojekt das Repertoire an Nekromasse-Biomarkern durch die Entwicklung neuer spezifischer Biomarker sowie die kombinierte Messung von AS-, NS- und AA-Biomarkern, die in einer Vielzahl von Taxa vorkommen.
Abstract (eng)
Microbial necromass is a key contributor to soil organic matter (SOM, >50%) as microbes assimilate plant carbon (C) into their biomass and microbial residues later become stabilized in soils. Microbial necromass biomarkers, particularly amino sugars (AS), are commonly used to trace microbial C contributions to SOM. Most studies have focused on using glucosamine (GlcN) to trace fungal C and muramic acid (MurA) for bacterial C; however, the knowledge of other potential necromass biomarkers such as neutral sugars (NS) and amino acids (AA), as well as the contribution of other microbial groups such as archaea is still lacking. In this PhD thesis, I identified and quantified necromass biomarkers in archaeal, bacterial, fungal and plant species. I developed and used derivatization protocols, ultra-high performance liquid chromatography (UHPLC) and Orbitrap mass spectrometry to identify and quantify AS, NS and AA necromass biomarkers in these taxonomic groups. Multivariate approaches alongside machine learning methods were used to determine the biomarker potential of these compounds. Our results showed that AS were the best discriminant biomarkers to separate all taxa. Alongside the use of GlcN and MurA as biomarkers specific for fungi and bacteria respectively, we identified new specific biomarkers: talosaminuronic acid (TalA) for Euryarchaeota, hydroxyproline for plants, and L,L-diaminopimelic acid for bacteria. By combining AS, NS and AA biomarkers we were able to extend the biomarker approach from separating bacterial and fungal necromass to separate microbes from plants. Moreover, the simultaneous measurement of MurA, TalA, hydroxyproline and hexosamines would allow to measure plant and microbial contributions to the continuum from litter decomposition to SOM formation through microbial processes. Overall, this PhD thesis expanded the repertoire of necromass biomarkers by including new specific biomarkers as well as combining AS, NS and AA biomarkers found in a wide variety of taxa.
Keywords (deu)
Nekromassebodeneigenen organischen MaterialBiomarkerAminozuckerAminosäurenneutrale Zucker
Keywords (eng)
Soil necromasssoil organic matterbiomarkersamino sugarsamino acidsneutral sugars
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
161
Association (deu)
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