Ammoniak-oxiderende micro-organismen: sleutelspelers in de bevordering van plantengroei

Ammoniak-oxiderende micro-organismen: sleutelspelers in de bevordering van plantengroei

Adenike Eunice Amoo1 en Olubukola Oluranti Babalola1*

Voedselzekerheid en -veiligheid, Faculteit Natuur- en Landbouwwetenschappen, North-West University, Private Bag X2046, Mmabatho 2735, Zuid-Afrika. *Corresponderend auteur: [email protected]

Abstract

Stikstof (N) is het belangrijkste minerale nutriënt dat planten nodig hebben. Hoewel sommige planten N direct kunnen gebruiken, zijn ammonium (NH4+) en nitraat (NO3-) de enige vormen van N die bruikbaar zijn voor de meeste planten. Ammoniakoxiderende bacteriën (AOB) en ammoniakoxiderende archaea (AOA) zijn de belangrijkste drijvende krachten die verantwoordelijk zijn voor de omzetting van N in bruikbare vormen. Gezien het belang van ammoniak oxiderende bacteriën (AOA), zijn factoren die hun abundantie en activiteit beïnvloeden in de loop der jaren een belangrijk onderzoeksdomein geweest. In dit overzicht wordt ingegaan op de diversiteit van AO’s, de factoren die van invloed zijn op hun abundantie en activiteit in verschillende bodemtypes en het mechanisme van nitrificatie. Een beter inzicht in de combinatorische effecten van zeer actieve AO’s en methoden om het nitraatverlies uit de bodem te beperken, kunnen het nitraatbeheer in de bodem verbeteren en de gewasopbrengsten verhogen.

Sleutelwoorden: Abiotisch, ammoniak, biotisch, diversiteit, nitrificatie, stikstof

1. Inleiding

Ammoniak komt van nature voor in het milieu en kan worden aangetroffen in de bodem, waar het een belangrijke bron van stikstof voor planten is. Ammonium hoopt zich meestal niet op in de bodem omdat het snel wordt omgezet door bodemmicroben. Ammoniak en ammonium zijn primaire energiesubstraten en zijn belangrijke stikstofbronnen voor micro-organismen in de bodem (Daebeler et al., 2014). De oxidatie van ammoniak of ammonium door organismen staat bekend als nitrificatie, en micro-organismen die geassocieerd zijn met de rhizosfeer van planten gedijen in de fyllosfeer. Deze organismen leven in de planten als endofyten, op de plantenoppervlakken als epifyten en in de bodem rond de wortels. Zij kunnen gunstig, schadelijk of nadelig zijn voor de groei en ontwikkeling van planten. Het is echter opmerkelijk dat de meeste van de verschillende plantkoloniserende micro-organismen een commensale levensstijl volgen (Knief, 2014). Micro-organismen in de bodem leveren de grootste bijdrage aan de diversiteit van terrestrische ecosystemen en zijn de belangrijkste regelaars van bijna alle wereldwijde biogeochemische cycli. Ze zijn essentieel in het behoud van de gezondheid van planten door hun nutriëntencyclende rollen en relaties met andere organismen (Hassan et al., 2015).

Nitrificatie beschrijft de oxidatie van ammonium (NH4+) of ammoniak (NH3) tot nitraat door levende organismen en is een primaire activiteit binnen de stikstofcyclus (N). De oxidatie van ammonium tot nitraat is een proces in twee stappen, waarbij ammoniak of ammonium wordt omgezet in nitriet en nitriet wordt omgezet in nitraat. De eerste en snelheidsbeperkende stap van nitrificatie is de oxidatie van ammoniak tot nitriet. Er werd aangenomen dat dit proces uitsluitend werd gecontroleerd door ammoniakoxiderende bacteriën (AOB), die voor het eerst werden geïsoleerd in de 19e eeuw (Prosser en Nicol, 2012). De recente ontdekking van ammonia-oxiderende archaea heeft deze opvatting in twijfel getrokken (Könneke et al., 2005). In de eerste stap van nitrificatie wordt ammoniak omgezet in hydroxylamine door het enzym ammoniakmonooxygenase. Hydroxylamine wordt vervolgens omgezet in nitriet door het enzym hydroxylamine oxidoreductase. Nitrietoxiderende bacteriën die het enzym nitrietoxidoreductase produceren, helpen bij de omzetting van nitriet in nitraat (Kowalchuk en Stephen, 2001). Leininger et al. (2006) meldden dat ammonia-oxiderende archaea (AOA) overvloediger aanwezig waren dan ammonia-oxiderende bacteriën in verschillende Europese bodems. Dit was de eerste studie die het belang van AOA in de ammoniakoxidatie aantoonde, en verschillende studies hebben het belang van AOA in de bodemammoniakoxidatie in de afgelopen jaren aangetoond.

Het belang van stikstof voor planten kan niet genoeg worden benadrukt. Het is de meest essentiële voedingsstof die planten nodig hebben, omdat het een bestanddeel is van nucleïnezuren, waaruit het DNA van alle organismen is opgebouwd. Het is ook een bestanddeel van chlorofyl, dat wordt gebruikt voor fotosynthese. Het bepaalt in grote mate de output van velden, het groeipatroon van planten en hun chemische samenstelling (Crawford, 1995, Lobos Ortega et al., 2016, Wu et al., 2016). Niet alle planten zijn in staat om atmosferische stikstof direct te gebruiken, en de meeste zijn alleen in staat om anorganische vormen van stikstof te gebruiken, zoals ammonium en nitraat. Hoewel nitraat slechts tijdelijk in de bodem aanwezig is, is het een cruciale vorm van stikstof die door planten kan worden geassimileerd (Crawford, 1995). De oxidatie van ammoniak door microben is van groot belang omdat ammoniak-oxiderende microben verantwoordelijk zijn voor de productie van ongeveer 10 kg N/ha nitraat, wat ongeveer 90% is van de jaarlijkse aanvoer van gefixeerde stikstof (Smith et al., 1998).

De functie van ammoniak-oxiderende microben in de bodem kan niet worden overschat. In dit overzicht ligt de nadruk op de factoren die van invloed zijn op de abundantie en activiteit van ammoniak-oxiderende microben en wordt het belang van ammoniak-oxiderende microben bij nitrificatie in verschillende bodemtypes besproken.

2. Autotrofe nitrificatie

Nitrificatie in de bodem wordt geregeld door autotrofe nitrificerende micro-organismen (archaeale en bacteriële ammoniak-oxidanten) (Prosser en Nicol, 2012). De oxidatie van ammoniak/ammonium door autotrofe micro-organismen is een tweestapsproces waarbij ammonium door ammoniakmonooxygenase wordt omgezet in hydroxylamine (NH2OH), dat vervolgens wordt omgezet in NO2- door hydroxylamine oxidoreductase (De Boer en Kowalchuk, 2001). Chemolithoautotrofe nitrificatie is beperkt tot een betrekkelijk kleine groep micro-organismen (Head et al., 1993). Ammoniakmonooxygenase (amo) is het belangrijkste enzym dat verantwoordelijk is voor chemolithoautotrofe nitrificatie. Ammoniakmonooxygenase is een membraangebonden enzym dat drie subeenheden heeft, amoA, amoB en amoC (Sayavedra-Soto et al., 1998). Het amoA-gen, dat een metabool kenmerk is van autotrofe nitrificerende micro-organismen, is gebruikt als een moleculaire proxy in de milieumicrobiologie (Stahl en de la Torre, 2012).

3. Heterotrofe nitrificatie

Het optreden van nitrificatie in bodems met een lage pH is beargumenteerd als een aanwijzing voor heterotrofe nitrificatie (Zhang et al., 2015). Niettemin meldden De Boer en Kowalchuk (2001) dat zuur-tolerante autotrofe nitrifiers ook een dergelijke rol zouden kunnen spelen. Zowel organische als anorganische substraten kunnen door heterotrofe nitrificeerders worden benut. De werkelijke indicatoren van heterotrofe nitrificatie zijn wellicht verkeerd begrepen, aangezien sommige heterotrofe nitrificeerders ook over denitrificerende capaciteiten beschikken en weinig of geen nitraat accumuleren (Matheson et al., 2003). Stutzer en Hartleb (1896) onderzochten en beschreven een schimmel die nitraat kon produceren. Nadien zijn nog vele andere heterotrofe organismen betrokken bij de oxidatie van verschillende stikstofverbindingen in cultuur (Schimel et al., 1984). Verschillende studies hebben het belang van heterotrofe nitrificatie aangetoond. Nitrificatie door heterotrofen verschilt opvallend van autotrofe nitrificatie omdat het niet gepaard gaat met celgroei (Zhang et al., 2015).

4. Diversiteit van ammoniakoxidanten

Een groot aantal micro-organismen, waaronder bacteriën, archaea en zelfs schimmels, heeft ammoniakoxiderende capaciteiten. AOB zijn wijdverspreid in de bodem. De omzetting van ammoniak in nitriet, de eerste en snelst beperkende stap van nitrificatie, wordt gecontroleerd door chemolithoautotrofe AOB, en deze organismen hebben het vermogen om dit proces effectief te gebruiken als hun enige energiebron (Matsuno et al., 2013). Er zijn verschillende bacteriën gerapporteerd als ammoniakoxidatoren, waaronder Nitrosomonas, Nitrosospira (Shen et al., 2012) en Nitrosococcus (Teske et al., 1994). De genera Nitrosomonas en Nitrosospira maken deel uit van een monofyletische groep in de β-onderverdeling van de Proteobacteria (Matsuno et al., 2013). Het geslacht Nitrosococcus behoort tot de β-onderverdeling van de Proteobacteriën en leden van dit geslacht oxideren alleen ammoniak in mariene milieus (Teske et al., 1994). Paracoccus denitrificans, Pseudomonas putida, Thiosphaera pantotropha en Alcaligenes faecalis zijn heterotrofe nitrificerende bacteriën (Crovadore et al., 2015, Van Niel et al., 1992).

De aanwezigheid van het amoA-gen in de ongecultiveerde soort Crenarchaeotawerd onthuld via complementaire metagenomische studies van zeewater (Venter et al., 2004) en bodem (Treusch et al., 2005). Nitrosopumilus maritimus, die geïsoleerd werd uit het rotsachtige substraat van een tropisch zeeaquarium, was de eerste geïdentificeerde AOA. Het is de eerste geïdentificeerde archaeale chemolithoautotrofe nitrifier en de eerste mesofiel die in de mariene groep I Crenarchaeota is geïdentificeerd (Könneke et al., 2005). AOA zijn leden van een nieuw phylum Thaumarchaeota (Auyeung et al., 2015). Zij werden voor het eerst geïdentificeerd als leden van Crenarchaea (Brochier-Armanet et al., 2008). Andere archaeale nitrificeerders zijn Candidatus Nitrosocaldus yellowstonii, Cenarchaeum symbiosum en Candidatus Nitrososphaera gargensis (De la Torre et al., 2008). Aangenomen werd dat nitrificatie alleen door bacteriën en archaea tot stand werd gebracht. Sommige schimmels, waaronder Aspergillus flavus, Penicillium en Absidia cylindrospora, zijn echter bij dit proces betrokken geraakt (Zhu et al., 2015).

4.1. Mechanisme van ammoniakoxidatie door ammoniak-oxiderende micro-organismen

Nitrificatie wordt onderverdeeld in twee processen, nitritatie en nitratatie. Nitritatie is de eerste stap van nitrificatie en kan worden onderverdeeld in drie stappen: (1) de oxidatie van ammoniak tot hydroxylamine, die plaatsvindt met behulp van het enzym ammoniakmonooxygenase (amo); (2) de reductie van hydroxylamine tot nitriet; en (3) de omzetting van elektronen, vrije waterstofionen en zuurstof in water. Nitritatie leidt tot verzuring van het milieu.

Nitratatie is de tweede stap van nitrificatie en het enzym nitriet-oxidoreductase, dat wordt geproduceerd door nitriet-oxiderende bacteriën (NOB), is bij dit proces betrokken. Nitratatie valt uiteen in twee stappen: (1) de oxidatie van nitriet tot nitraat door het enzym nitrietoxidoreductase; en (2) de samenvoeging van zuurstof, protonen en elektronen tot water. Wanneer de nitrietsnelheid sneller is dan de nitratatiesnelheid, hoopt nitriet zich op en leidt dit tot de verspreiding van stikstofoxide. Wanneer de nitratatie sneller verloopt, wordt slechts een kleine hoeveelheid nitriet geproduceerd (Buday et al., 2000, Philips et al., 2002). (Figuur 1)

Figuur 1. Het mechanisme van nitrificatie

4.2. Functie en activiteit van ammoniak-oxiderende microben in verschillende bodemtypes

De diversiteit van bodemmicro-organismen is zeer groot en de structuur, groei en activiteit van de microbiële gemeenschappen in de bodem kunnen worden beoordeeld aan de hand van biotische en abiotische factoren. In verschillende bodemsystemen veroorzaakt de modulatie van milieufactoren veranderingen in de gemeenschappen van ammoniak-oxiderende microben (Shen et al., 2012).

4.2.1. pH

Verschillende factoren, zoals veranderingen in landgebruik, de depositie van zuren en brand, hebben een aanzienlijke invloed op de pH van bodems. Microbiële gemeenschappen, en de biogeochemische cycli die zij bemiddelen, worden sterk beïnvloed door de pH van de bodem. Schimmels gedijen beter dan bacteriën in bodems met een lage pH, en de pH van de bodem is van grote invloed op de diversiteit van bacteriën en de structuur van de gemeenschap. Eerdere studies hebben aangetoond dat de gemeenschapsstructuur van ammoniak oxiderende microben sterk wordt beïnvloed door de pH (Zhang et al., 2012). De pH van de bodem is dus een indicator van de relatieve overvloed van de ammoniak-oxiderende micro-organismen die in de bodem aanwezig zijn, de enige bodemeigenschap die daartoe in staat is (Prosser en Nicol, 2012).

De pH van de bodem is laag voor ongeveer 30% van het totale landoppervlak in de wereld, en ongeveer 54% van het land dat geschikt is voor het verbouwen van gewassen in de wereld heeft een zure bodem (Che et al., 2015). Als gevolg van de lage nitraatconcentraties in zure bodems (pH-water < 5), werd in het begin van de 20e eeuw aangenomen dat nitrificatie niet optrad in dergelijke bodems (Noyes en Conner, 1919). In het midden van de 20e eeuw werd bekend dat nitrificatie in dergelijke bodems kan plaatsvinden en dat een lage pH-waarde van de bodem geen belemmering vormt voor de activiteiten van nitrificerende micro-organismen (Robertson, 1982). Niettemin is in verzuurde bodems de intensiteit van de nitrificatie lager dan wat haalbaar is in bodems met hogere pH-waarden (Yao et al., 2011). Een daling van de beschikbaarheid van NH3 veroorzaakt een exponentiële daling van de pH van de bodem (De Boer en Kowalchuk, 2001). Bovendien is de vruchtbaarheid van zure bodems laag door de aanwezigheid van toxische metalen en een tekort aan nutriënten, wat mogelijk van invloed is op de nitrificerende micro-organismen in de bodem (AOB en AOA). Uitzonderingen op deze generalisatie komen voor (Yao et al., 2011), wat kan worden toegeschreven aan het feit dat zuur-tolerante nitrificerende organismen zowel in bodems met een hoge als met een lage pH-waarde actief kunnen zijn, terwijl organismen die niet zuur-tolerant zijn, alleen functioneren in bodems met een hogere pH.

Nieuwe studies hebben aangetoond dat AOA de meest actieve ammoniakoxidanten in zure bodems zijn, hoewel verschillende mechanismen zijn gesuggereerd voor de activiteit van AOB in dergelijke omgevingen (Zhang et al., 2012). Verschillende studies hebben het relatieve belang van heterotrofe en autotrofe nitrificatie in bos- of weidebodems met lage pH gekwantificeerd. (Tabel 1)

Tabel 1: Effect van pH op de nitrificerende microbiële populatie in verschillende bodemtypes

Verschillende mechanismen waardoor de pH van de bodem de activiteit en groei van functionele groepen van microben beïnvloedt, zijn vastgesteld door een combinatie van fysiologische en microkosmosstudies van de bodem (Nicol et al., 2008, De Boer en Kowalchuk, 2001).

4.2.2. Biobeschikbaarheid van nutriënten

De activiteiten van nitrificerende micro-organismen kunnen worden beperkt door de beschikbaarheid van een beperkt scala aan substraten en is een belangrijk kenmerk dat de heterotrofe nitrificatie beheerst (Zhang et al., 2014). Er zijn twee routes waarlangs de productie van nitraat uit ammoniak in de bodem plaatsvindt, hetzij door de werking van chemo-autotrofe nitrificeerders, hetzij door heterotrofe nitrificatie, die wordt gestuurd door heterotrofe nitrificerende bacteriën of schimmels (Zhang et al., 2013a, Zhang et al., 2013b). Afhankelijk van de beschikbaarheid van substraten in de bodem kunnen schimmelnitrificeerders overschakelen op andere nitrificatiewegen (Aarnio en Martikainen, 1992). De bijdrage van heterotrofe nitrificatie kan worden bepaald door de C/N-verhouding van het N-substraat. Het bezit van een hoge C/N-verhouding door organische N-verbindingen, waardoor de biologische beschikbaarheid van C toeneemt, kan de groei van heterotrofe bacteriën stimuleren, met als gevolg de remming en verdringing van de groei van nitrificerende bacteriën en de activiteit van autotrofe nitrifiers. Het afremmen van microbiële concurrentie is een mogelijk gevolg van de productie van bijproducten door schimmelnitrificeerders. Anorganische en organische substraten kunnen doeltreffend worden gebruikt als bronnen voor nitrificatie. Stikstofverbindingen uit verschillende bronnen kunnen fungeren als substraten voor heterotrofe nitrificatie. Organische stikstofverbindingen zijn gebruikt als substraten voor heterotrofe nitrificatie in zure bodems (Zhang et al., 2014).

Substraten in de bodem zijn bepalend voor de vegetatie die in een bepaald gebied kan worden aangetroffen. De N-resorptie-efficiëntie van verschillende vegetatietypen is verschillend en daardoor hebben verschillende plantengroepen verschillende N-concentraties en verschillende C/N-verhoudingen. De plantenpopulatie op een bepaalde plaats beïnvloedt de activiteiten van micro-organismen die in de bodem aanwezig zijn en de cyclus van nutriënten (Bosco et al., 2015, Rumpel et al., 2015).

De invloed en beschikbaarheid van substraten op nitrificatie is beargumenteerd belangrijker te zijn dan pH. De toevoeging van substraten in verschillende behandelingen kan opmerkelijke veranderingen in de pH van de bodem veroorzaken. Zhang et al. (2014) rapporteerden bijvoorbeeld significante veranderingen in de pH van de bodem na de toevoeging van substraten. Lage concentraties ammonium kunnen de groei van AOA afremmen of ervoor zorgen dat de N-concentratie van ecosystemen laag is (Könneke et al., 2005). De vraag naar NH3 voor microbiële groei verschilt tussen AOA en AOB. De abundantie van AOB neemt af met de bodemdiepte, terwijl AOA weinig variatie vertoont (Leininger et al., 2006). Aangenomen wordt dat de groei van AOB wordt ondersteund wanneer de bodemomstandigheden vruchtbaar zijn, terwijl AOA een voorkeur hebben voor oligotrofe omgevingen of omgevingen met een lage vruchtbaarheid (Erguder et al., 2009). AOB gedijen onder omstandigheden met een hoge NH3-beschikbaarheid, terwijl AOA de voorkeur geven aan omstandigheden met een lage NH3-beschikbaarheid (Di et al., 2010). De reactie van nitrificatie op de beschikbaarheid van NH4+ kan worden nagegaan met Michaelis-Menten kinetiek, en dit model is gebruikt om sommige nitrificeerders in de bodem te karakteriseren (Stark en Firestone, 1996).

4.2.3. Temperatuur

Micro-organismen in de bodem zijn zeer gevoelig voor hoge temperaturen. Microbiële activiteit neemt over het algemeen toe met toenemende temperatuur over het typische omgevingstemperatuurbereik (Gilliam et al., 2015).De gevoeligheid van bodemorganische stofmineralisatie voor temperatuur wordt beïnvloed door het type en de beschikbaarheid van het substraat (von Lützow en Kögel-Knabner, 2009). Bodemtemperatuur kan van invloed zijn op de hoeveelheid stikstof die in de bodem aanwezig is voor gebruik door planten en bepaalt het lot van deze stikstof (Thangarajan et al., 2015). Temperatuur is een determinant van hoe biologische processen functioneren die betrokken zijn bij de omzetting van stikstof in de bodem. Net als alle andere micro-organismen reageren nitrificeerders op veranderingen in temperatuur, en de snelheid van nitrificatie in de bodem wordt sterk beïnvloed door de temperatuur. Bij bodemtemperaturen van minder dan 10°C is het optreden van ammonificatie in plaats van nitrificatie groter (Emmer en Tietema, 1990). Door de invloed van verschillende microbiële gemeenschappen op nitrificatie kan het effect van temperatuur op de verschillende bodemhorizonten verschillend zijn (Schütt et al., 2014).

De Arrhenius-vergelijking of de Q10-functie kan de snelheid van stikstofmineralisatie in reactie op temperatuur beschrijven (Kladivko en Keeney, 1987). De reactie van nitrificatie op temperatuur is gecorreleerd met klimatologische zones (Malhi en McGill, 1982). De klimatologische omstandigheden in warmere gebieden ondersteunen de nitrificatie met een optimale temperatuur van 35°C, en het proces vindt nog steeds plaats bij temperaturen tot 50°C (Myers, 1975). Mondiale patronen van de opslag van bodemstikstof en de stabiliteit van het organisch materiaal in de bodem zijn wellicht niet de enige bepalende factoren voor de wijze waarop de mineralisatie van bodemstikstof reageert op klimaatveranderingen. Het verband tussen de recalcitrantie van organisch materiaal en de temperatuurresponsfunctie zou ook een rol kunnen spelen (Post et al., 1985). Dalias et al. (2002) onderzochten de variatie tussen bodems in de reactie op temperatuur van de netto mineralisatie van stikstof en nitrificatie. Zij meldden dat het regionale klimaat bepalend is voor de relatie tussen temperatuur en de oxidatie van ammoniak. Thangarajan et al. (2015)onderzochten de invloed van temperatuur op de omzetting van stikstof tussen organische en anorganische stikstofbronnen. Zij rapporteerden dat 2 4°C de optimale temperatuur is in alle onderzochte bodems, behalve één. Hun studie toonde een verband aan tussen de optimale temperatuur voor nitrificatie en de milieuomstandigheden. Bovendien toonden microkosmos-experimenten van Tourna et al. (2008) aan dat de gemeenschapsstructuur van archaeale ammoniakoxidanten toenam naarmate de incubatietemperaturen stegen.

In ecosystemen op grote hoogte dragen de processen van het koude seizoen in belangrijke mate bij tot de jaarlijkse mineralisatie van stikstof in de bodem (Schütt et al., 2014). Hoewel autotrofe nitrificerende bacteriën niet gedijen bij koude temperaturen (Cookson et al., 2002), kan de microbiële activiteit in de bodem een bevredigend beeld geven van de netto stikstofmineralisatie (30 50%) gedurende het hele jaar, aangezien micro-organismen fysiologisch actief blijven in niet-bevroren waterfilms (Kielland et al., 2006). Met behulp van microbiologische en moleculaire methoden hebben Schadt et al. (2003) gerapporteerd dat de microbiële biomassa van toendrabodems zijn piek bereikt wanneer deze onder sneeuw liggen. Er is aangetoond dat anabolisme en katabolisme blijven bestaan tussen -4 en +9 °C, en deze processen kunnen leiden tot een toename van de microbiële stikstofbehoefte, met name in boreale bodems (Drotz et al., 2010). Bij temperaturen onder 5 °C kan de intensiteit van de activiteit van micro-organismen in gematigde bodems afnemen (Pietikäinen et al., 2005). Schütt et al. (2014) rapporteerden echter de waarneming van bruto nitrificatie bij lage temperaturen (-4 – 8°C), wat suggereert dat nitrificerende micro-organismen functioneel zijn bij dergelijke temperaturen.

De optimale temperatuur voor de nitrificatieactiviteit van ammoniakoxidanten is gerapporteerd door verschillende studies, variërend van 20 – 37°C (Stark, 1996). Justice en Smith (1962) meldden dat de nitrificatiesnelheid bij 25°C hoger was dan bij 35°C.

4.2.4. Bodemwatergehalte

In veel milieus kan de activiteit van micro-organismen worden beperkt door vocht, aangezien bij veel microben een vermindering van de enzymactiviteit optreedt wanneer de toegankelijkheid van water gering is (Stark en Firestone, 1995). Vocht is een belangrijke milieufactor die de stikstofmineralisatie in de bodem beïnvloedt door het effect ervan op de toegankelijkheid van substraten voor nitrificeerders, wat van invloed is op hun fysiologie en metabolisme (Norton en Stark, 2011, Marcos et al., 2016). De netto nitrificatiesnelheid neemt toe naarmate het bodemwatergehalte hoger is. Een teveel aan water in de bodem leidt echter ook tot zuurstofbeperking, waardoor de nitrificatiesnelheid daalt (Norton en Stark, 2011). Wanneer de bodem droog is, worden de waterfilms in de bodemporiën dun, waardoor de verplaatsing van substraten naar nitrificeerders wordt belemmerd (Stark en Firestone, 1995). De relatie tussen vocht en nitraatproductie in de bodem is sterk en positief omdat, hoewel nitrificatie een aëroob proces is, het microbiële metabolisme en de diffusie van substraten wordt versterkt door bodemvocht (Osborne et al., 2016). Ammoniakoxidanten worden op een aantal manieren nadelig beïnvloed door beperkt bodemwater. Zo worden microbiële cellen beperkt in de hoeveelheid beschikbare ammoniak; de groei en het metabolisme van de microbiële cellen worden nadelig beïnvloed door de verhoogde concentraties van opgeloste stoffen; en de microbiële activiteit wordt laag omdat het intracellulaire waterpotentieel ook wordt verlaagd (Hu et al., 2015). Verschillende studies hebben een toename van de abundantie van het amoA-gen aangetoond in reactie op bodemwater (Marcos et al., 2016, Di et al., 2014)

5. Conclusies

Ammoniak is alomtegenwoordig in de natuur en is een substraat dat wordt gebruikt om nitraat te produceren. Ammoniak oxiderende bacteriën en archaea zijn de primaire spelers die deelnemen aan de omzetting van ammoniak in nitraten. Nitraat is de enige vorm van stikstof die door de meeste planten kan worden benut. Sommige factoren, zoals pH, beschikbaarheid van substraat, temperatuur en vochtgehalte, kunnen de activiteit belemmeren en de overvloed van ammoniak oxiderende bacteriën bepalen. Om een optimale opbrengst en groei van de planten te verkrijgen, moeten deze factoren worden overwogen en geoptimaliseerd.

Er valt nog veel te ontdekken met betrekking tot ammoniakoxidanten. Het kweken van verschillende effectieve ammonia-oxidanten en het gebruik van een consortium van dergelijke microben om de nitraatproductie te verhogen is een onderzoeksgebied dat actief moet worden bestudeerd. Er moet ook onderzoek worden gedaan naar doeltreffender manieren om het verlies van nitraat uit de bodem te beperken.

Erkenningen

AEA dankt de North-West University voor de postdoctorale studiebeurs. Dit werk is gebaseerd op het onderzoek dat werd gesteund door de National Research Foundation of South Africa (Grants Ref: UID81192, UID105248, UID95111; OOB).

Aarnio, T., Martikainen, P. 1992. Nitrification in forest soil after refertilization with urea or urea and dicyandiamide. Bodembiologie en -biochemie. 24, 951-954.

Adair, K.L., Schwartz, E. 2008. Evidence that ammonia-oxidizing archaea are more abundant than ammonia-oxidizing bacteria in semiarid soils of northern Arizona, USA. Microbial Ecology. 56, 420-426.

Auyeung, D., Martiny, J.B., Dukes, J.S. 2015. Nitrificatie kinetiek en ammonia-oxiderende gemeenschap reageren op opwarming en veranderde neerslag. Ecosphere. 6, 1-17.

Baolan, H., Shuai, L., Wei, W., Lidong, S., Liping, L., Weiping, L., Guangming, T., Xiangyang, X., Ping, Z. 2014. Ph-gedomineerde niche segregatie van ammonia-oxiderende micro-organismen in Chinese landbouwbodems. FEMS Microbiology Ecology. 90, 290-299.

Bosco, T., Bertiller, M.B., Carrera, A.L. 2015. Micro-environmental conditions affect grass and shrub seedling emergence in denuded areas of the arid Patagonian Monte, Argentina. Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants. 210, 66-71.

Brochier-Armanet, C., Boussau, B., Gribaldo, S., Forterre, P. 2008. Mesofiele Crenarchaeota: voorstel voor een derde archaea fylum, de Thaumarchaeota. Nature Reviews Microbiologie. 6, 245-252.

Buday, J., Drtil, M., Hutnan, M., Derco, J. 2000. Substraat- en productremming van nitrificatie. Chem. Papers. 53, 379-383.

Che, J., Zhao, X.Q., Zhou, X., Jia, Z.J., Shen, R.F. 2015. High ph-enhanced soil nitrification was associated with ammonia-oxidizing bacteria rather than archaea in acidic soils. Toegepaste bodemecologie. 85, 21-29.

Cookson, W., Cornforth, I., Rowarth, J. 2002. Winter soil temperature (215 ºC) effects on nitrogen transformations in clover green manure amended or unamended soils; a laboratory and field study. Bodembiologie en -biochemie. 34, 1401-1415.

Crawford, N.M. 1995. Nitrate: nutrient and signal for plant growth. The Plant Cell. 7, 859.

Crovadore, J., Calmin, G., Cochard, B., Chablais, R., Grizard, D., Berthon, J.Y., Lefort, F. 2015. Whole-genome sequence of Pseudomonas putida strain UASWS0946, a highly ammonia-tolerant nitrifying bacterium isolated from sewage sludge aerobic granules. Genome Announcements. 3, e01153-15.

Daebeler, A., Bodelier, P.L., Yan, Z., Hefting, M.M., Jia, Z., Laanbroek, H.J. 2014. Interacties tussen Thaumarchaea, Nitrospira en methanotrofen moduleren autotrofe nitrificatie in vulkanische graslandbodem. The ISME Journal. 8, 2397-2410.

Dalias, P., Anderson, J.M., Bottner, P., Coûteaux, M.M. 2002. Temperature responses of net nitrogen mineralization and nitrification in conifer forest soils incubated under standard laboratory conditions. Bodembiologie en -biochemie. 34, 691-701.

De Boer, W., Kowalchuk, G. 2001. Nitrificatie in zure bodems: micro-organismen en mechanismen. Bodembiologie en -biochemie. 33, 853-866.

De La Torre, J.R., Walker, C.B., Ingalls, A.E., Könneke, M., Stahl, D.A. 2008. Cultivatie van een thermofiel ammoniak oxiderend archaeon dat crenarchaeol synthetiseert. Milieu Microbiologie. 10, 810-818.

Di, H.J., Cameron, K.C., Podolyan, A., Robinson, A. 2014. Effect van bodemvochtstatus en een nitrificatieremmer, dicyaandiamide, op de groei van ammoniakoxidanten en denitrificanten en lachgasemissies in een graslandbodem. Bodembiologie en Biochemie. 73, 59-68.

Di, H.J., Cameron, K.C., Shen, J.P., Winefield, C.S., O’Callaghan, M., Bowatte, S., He, J.Z. 2010. Ammonia-oxiderende bacteriën en archaea groeien onder contrasterende bodemstikstofcondities. FEMS Microbiology Ecology. 72, 386-394.

Drotz, S.H., Sparrman, T., Nilsson, M.B., Schleucher, J., Öquist, M.G. 2010. Both catabolic and anabolic heterotrophic microbial activity proceed in frozen soils. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107, 21046-21051.

Emmer, I., Tietema, A. 1990. Temperature-dependent nitrogen transformations in acid oak-beech forest litter in the Netherlands. Plant en Bodem. 122, 193-196.

Erguder, T.H., Boon, N., Wittebolle, L., Marzorati, M., Verstraete, W. 2009. Environmental factors shaping the ecological niches of ammonia-oxidizing archaea. FEMS Microbiology Reviews. 33, 855-869.

Gilliam, F.S., Galloway, J.E., Sarmiento, J.S. 2015. Variatie met hellingaspect in effecten van temperatuur op stikstofmineralisatie en nitrificatie in minerale bodem van gemengde loofhoutbossen. Canadian Journal of Forest Research. 45, 958-962.

Hassan, W., Hussain, M., Bashir, S., Shah, A., Bano, R., David, J. 2015. ACC-deaminase en/of stikstoffixerende rhizobacteriën en groei van tarwe (Triticum Aestivum L.). Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 15, 232-248.

Head, I.M., Hiorns, W.D., Embley, T.M., Mccarthy, A.J., Saunders, J.R. 1993. De fylogenie van autotrofe ammoniak-oxiderende bacteriën zoals bepaald door analyse van 16S ribosomaal RNA-gensequenties. Microbiology. 139, 1147-1153.

Hu, H.W., Macdonald, C.A., Trivedi, P., Holmes, B., Bodrossy, L., He, J.Z., Singh, B.K. 2015. Watertoevoeging reguleert de metabole activiteit van ammoniakoxidanten die reageren op omgevingsverstoringen in droge subhumide ecosystemen. Milieu microbiologie. 17, 444-461.

Justice, J.K., Smith, R. 1962. Nitrification of ammonium sulfate in a calcareous soil as influenced by combinations of moisture, temperature, and levels of added nitrogen. Soil Science Society of America Journal. 26, 246-250.

Kielland, K., Olson, K., Ruess, R.W., Boone, R.D. 2006. Contribution of winter processes to soil nitrogen flux in taiga forest ecosystems. Biogeochemistry. 81, 349-360.

Kladivko, E.J., Keeney, D.R. 1987. Soil nitrogen mineralization as affected by water and temperature interactions. Biologie en vruchtbaarheid van de bodem. 5, 248-252.

Knief, C. 2014. Analyse van plant-microbe interacties in het tijdperk van next generation sequencing technologieën. Frontiers in Plant Science. 5, 216.

Könneke, M., Bernhard, A.E., José, R., Walker, C.B., Waterbury, J.B., Stahl, D.A. 2005. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizing marine archaeon. Nature. 437, 543-546.

Kowalchuk, G.A., Stephen, J.R. 2001. Ammonia-oxiderende bacteriën: een model voor moleculaire microbiële ecologie. Annual Reviews in Microbiology. 55, 485-529.

Leininger, S., Urich, T., Schloter, M., Schwark, L., Qi, J., Nicol, G., Prosser, J., Schuster, S., Schleper, C. 2006. Archaea overheersen onder de ammonia-oxiderende prokaryoten in de bodem. Nature. 442, 806-809.

Lobos Ortega, I., Alfaro, M., Martinez-Lagos, J. 2016. Bodemstikstofbijdrage aan graslanden en de implicatie voor stikstofgebruiksefficiëntie. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 16, 310-322.

Malhi, S., Mcgill, W. 1982. Nitrification in three Alberta soils: effect of temperature, moisture and substrate concentration. Bodembiologie en -biochemie. 14, 393-399.

Marcos, M.S., Bertiller, M.B., Cisneros, H.S., Olivera, N.L. 2016. Nitrificatie en ammonia-oxiderende bacteriën verschuiving in reactie op bodemvocht en plantstrooiselkwaliteit in dorre bodems van de Patagonische Monte. Pedobiologia. 59, 1-10.

Matheson, F., Nguyen, M., Cooper, A., Burt, T. 2003. Short-term nitrogen transformation rates in riparian wetland soil determined with nitrogen-15. Biologie en vruchtbaarheid van de bodem. 38, 129-136.

Matsuno, T., Horii, S., Sato, T., Matsumiya, Y., Kubo, M. 2013. Analyse van nitrificatie in landbouwgrond en verbetering van de stikstofcirculatie met autotrofe ammonia-oxiderende bacteriën. Toegepaste biochemie en biotechnologie. 169, 795-809.

Mørkved, P.T., Dörsch, P., Bakken, L.R. 2007. The N2O product ratio of nitrification and its dependence on long-term changes in soil ph. Soil Biology and Biochemistry, 39, 2048-2057.

Myers, R. 1975. Temperature effects on ammonification and nitrification in a tropical soil. Bodembiologie en Biochemie. 7, 83-86.

Nicol, G.W., Leininger, S., Schleper, C., Prosser, J.I. 2008. The influence of soil pH on the diversity, abundance and transcriptional activity of ammonia oxidizing archaea and bacteria. Milieu microbiologie. 10, 2966-2978.

Norton, J.M., Stark, J.M. 2011. Regeling en meting van nitrificatie in terrestrische systemen. Methods in Enzymology. 486, 343-368.

Noyes, H., Conner, S. 1919. Nitrates, nitrification, and bacterial contents of five typical acid soils as affected by lime, fertilizer, crops and moisture. Tijdschrift voor landbouwkundig onderzoek. 16, 27-60.

Osborne, B.B., Baron, J.S., Wallenstein, M.D. 2016. Moisture and temperature controls on nitrification differ among ammonia oxidizer communities from three alpine soil habitats. Frontiers of Earth Science. 10, 1-12.

Philips, S., Wyffels, S., Sprengers, R., Verstraete, W. 2002. Oxygen-limited autotrophic nitrification/denitrification by ammonia oxidisers enables upward motion towards more favourable conditions. Toegepaste microbiologie en biotechnologie. 59, 557-566.

Pietikäinen, J., Pettersson, M., Bååth, E. 2005. Comparison of temperature effects on soil respiration and bacterial and fungal growth rates. FEMS Microbiology Ecology. 52, 49-58.

Post, W.M., Pastor, J., Zinke, P.J., Stangenberger, A.G. 1985. Global patterns of soil nitrogen storage. Nature. 317, 613-616.

Prosser, J.I., Nicol, G.W. 2012. Archaeal and bacterial ammonia-oxidisers in soil: the quest for niche specialisation and differentiation. Trends in Microbiologie. 20, 523-531.

Robertson, G. 1982. Nitrification in forested ecosystems. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 296, 445-457.

Rumpel, C., Crème, A., Ngo, P., Velásquez, G., Mora, M., Chabbi, A. 2015. De impact van graslandbeheer op biogeochemische cycli waarbij koolstof, stikstof en fosfor betrokken zijn. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 15, 353-371.

Sayavedra-Soto, L., Hommes, N., Alzerreca, J., Arp, D., Norton, J.M., Klotz, M. 1998. Transcriptie van de amoc, amoa en amob genen in Nitrosomonas europaea en Nitrosospira sp. Npav. FEMS Microbiology Letters. 167, 81-88.

Schadt, C.W., Martin, A.P., Lipson, D.A., Schmidt, S.K. 2003. Seasonal dynamics of previously unknown fungal lineages in tundra soils. Science. 301, 1359-1361.

Schimel, J.P., Firestone, M.K., Killham, K.S. 1984. Identification of heterotrophic nitrification in a Sierran forest soil. Toegepaste en Milieumicrobiologie. 48, 802-806.

Schütt, M., Borken, W., Spott, O., Stange, C.F., Matzner, E. 2014. Temperatuurgevoeligheid van C- en N-mineralisatie in gematigde bosbodems bij lage temperaturen. Bodembiologie en Biochemie. 69, 320-327.

Shen, J.P., Zhang, L.M., Di, H.J., He, J.Z. 2012. A review of ammonia-oxidizing bacteria and archaea in Chinese soils. Frontiers in Microbiology. 3, 1-7.

Smith, R.L., Smith, T.M., Thomas, M.S. 1998. Elementen van de ecologie.

Stahl, D.A., De La Torre, J.R. 2012. Physiology and diversity of ammonia-oxidizing archaea. Annual Review of Microbiology. 66, 83-101.

Stark, J.M. 1996. Modellering van de temperatuursrespons van nitrificatie. Biogeochemistry. 35, 433-445.

Stark, J.M., Firestone, M.K. 1995. Mechanismen voor bodemvochteffecten op de activiteit van nitrificerende bacteriën. Toegepaste en milieu-microbiologie. 61, 218-221.

Stark, J.M., Firestone, M.K. 1996. Kinetic characteristics of ammonium-oxidizer communities in a California oak woodland-annual grassland. Bodembiologie en -biochemie. 28, 1307-1317.

Ste-Marie, C., Paré, D. 1999. Soil, ph and N availability effects on net nitrification in the forest floors of a range of boreal forest stands. Bodembiologie en -biochemie. 31, 1579-1589.

Stutzer, A. & Hartleb, R. 1896. Ueber nitratbildung. Zen-tralbl. Bakteriol. Parasitenkd. Infektionskr. Hyg. Abt. 2, 701.

Teske, A., Alm, E., Regan, J., Toze, S., Rittmann, B., Stahl, D. 1994. Evolutionaire relaties tussen ammoniak- en nitriet-oxiderende bacteriën. Journal of Bacteriology. 176, 6623-6630.

Thangarajan, R., Bolan, N.S., Naidu, R., Surapaneni, A. 2015. Effecten van temperatuur en amendementen op stikstofmineralisatie in geselecteerde Australische bodems. Environmental Science and Pollution Research. 22, 8843-8854.

Tourna, M., Freitag, T.E., Nicol, G.W., Prosser, J.I. 2008. Growth, activity and temperature responses of ammonia-oxidizing archaea and bacteria in soil microcosms. Milieu Microbiologie. 10, 1357-1364.

Treusch, A.H., Leininger, S., Kletzin, A., Schuster, S.C., Klenk, H.P., Schleper, C. 2005. Nieuwe genen voor nitriet reductase en Amo-gerelateerde proteïnen wijzen op een rol van ongecultiveerde mesofiele crenarchaeota in de stikstofcyclus. Milieu Microbiologie. 7, 1985-1995.

Van Niel, E., Braber, K., Robertson, L., Kuenen, J. 1992. Heterotrofe nitrificatie en aërobe denitrificatie in Alcaligenes faecalis stam TUD. Antonie van Leeuwenhoek. 62, 231-237.

Venter, J.C., Remington, K., Heidelberg, J.F., Halpern, A.L., Rusch, D., Eisen, J.A., Wu, D., Paulsen, I., Nelson, K.E., Nelson, W. 2004. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Science. 304, 66-74.

Von Lützow, M., Kögel-Knabner, I. 2009. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition what do we know? Biologie en vruchtbaarheid van bodems. 46, 1-15.

Wu, Q., Xia, G., Chen, T., Wang, X., Chi, D., Sun, D. 2016. Stikstofgebruik en rijstopbrengstvorming reactie op zeoliet en stikstofkoppelingseffecten: Verbetering van de stikstofgebruiksefficiëntie. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 16, 999-1009.

Yao, H., Campbell, C.D., Qiao, X. 2011. Soil pH controls nitrification and carbon substrate utilization more than urea or charcoal in some highly acidic soils. Biology and Fertility of Soils. 47, 515-522.

Zhang, J.B., Cai, Z.C., Zhu, T.B., Yang, W.Y., Müller, C. 2013a. Mechanismen voor de retentie van anorganische N in zure bosbodems van Zuid-China. Scientific Reports. 3, 1-8.

Zhang, J., Müller, C., Cai, Z. 2015. Heterotrofe nitrificatie van organische N en de bijdrage daarvan aan lachgasemissies in bodems. Bodembiologie en Biochemie. 84, 199-209.

Zhang, J., Sun, W., Zhong, W., Cai, Z. 2014. Het substraat is een belangrijke factor in het controleren van de betekenis van heterotrofe nitrificatie in zure bosbodems. Bodembiologie en Biochemie. 76, 143-148.

Zhang, L.M., Hu, H.W., Shen, J.P., He, J.Z. 2012. Ammonia-oxiderende archaea spelen een belangrijkere rol dan ammonia-oxiderende bacteriën in ammonia-oxidatie van sterk zure bodems. The ISME Journal. 6, 1032-1045.

Zhang, Y., Zhang, J., Meng, T., Zhu, T., Müller, C., Cai, Z. 2013b. Heterotrofe nitrificatie is de overheersende NO3- productieroute in zure naaldbosgrond in subtropisch China. Biology and Fertility of Soils. 49, 955-957.

Zhu, T., Meng, T., Zhang, J., Zhong, W., Müller, C., Cai, Z. 2015. Fungi-dominante heterotrofe nitrificatie in een subtropische bosbodem van China. Journal of Soils and Sediments. 15, 705-709.