Microbial Communities Influence Soil Dissolved Organic Carbon Concentration by Altering Metabolite Composition

Resumo

O rápido crescimento microbiano na fase inicial da decomposição da serapilheira é considerado um componente importante da formação da matéria orgânica do solo (MOS). Contudo, os táxons microbianos e os substratos químicos que se correlacionam com o armazenamento de carbono não estão bem esclarecidos. A complexidade das comunidades microbianas e a diversidade química dos substratos presentes em solos naturais dificultam a identificação de vínculos entre a composição da comunidade e os processos de decomposição no ambiente do solo. Para identificar possíveis relações entre micróbios, matéria orgânica do solo e seu impacto no armazenamento de carbono, foram utilizados microcosmos de areia, de modo a controlar fatores ambientais externos, como variações de temperatura e umidade, bem como a variabilidade do carbono disponível existente em amostras de solo. Utilizando espectrometria de massas por ressonância ciclotrônica de íons com transformada de Fourier (FTICR-MS) em amostras de microcosmos da fase inicial de decomposição da serapilheira, verificou-se que os compostos semelhantes a proteínas e a taninos apresentaram a correlação mais forte com a concentração de carbono orgânico dissolvido (COD). As proteínas correlacionaram-se positivamente com a concentração de COD, enquanto os taninos se correlacionaram negativamente. Por meio de análises de floresta aleatória, rede neural e espécies indicadoras, foram identificados 42 táxons bacterianos e 9 fúngicos associados à concentração de COD. A maioria dos táxons bacterianos (26 de 42) pertencia ao filo Proteobacteria, enquanto todos os táxons fúngicos pertenciam ao filo Ascomycota. Além disso, foram identificadas conexões significativas entre microrganismos e compostos semelhantes a proteínas, e a maioria dos táxons (12/14) correlacionou-se negativamente com proteínas, indicando que o consumo microbiano de proteínas é provavelmente um fator determinante da concentração de COD. Esta pesquisa relaciona a concentração de COD à produção e/ou decomposição microbiana de metabólitos específicos, contribuindo para a compreensão do metabolismo microbiano e da persistência do carbono.

Abstract

Rapid microbial growth in the early phase of plant litter decomposition is viewed as an important component of soil organic matter (SOM) formation. However, the microbial taxa and chemical substrates that correlate with carbon storage are not well resolved. The complexity of microbial communities and diverse substrate chemistries that occur in natural soils make it difficult to identify links between community membership and decomposition processes in the soil environment. To identify potential relationships between microbes, soil organic matter, and their impact on carbon storage, we used sand microcosms to control for external environmental factors such as changes in temperature and moisture as well as the variability in available carbon that exist in soil cores. Using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR-MS) on microcosm samples from early phase litter decomposition, we found that protein- and tannin-like compounds exhibited the strongest correlation to dissolved organic carbon (DOC) concentration. Proteins correlated positively with DOC concentration, while tannins correlated negatively with DOC. Through random forest, neural network, and indicator species analyses, we identified 42 bacterial and 9 fungal taxa associated with DOC concentration. The majority of bacterial taxa (26 out of 42 taxa) belonged to the phylum Proteobacteria while all fungal taxa belonged to the phylum Ascomycota. Additionally, we identified significant connections between microorganisms and protein-like compounds and found that most taxa (12/14) correlated negatively with proteins indicating that microbial consumption of proteins is likely a significant driver of DOC concentration. This research links DOC concentration with microbial production and/or decomposition of specific metabolites to improve our understanding of microbial metabolism and carbon persistence.