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Unraveling the structure of soil food webs

Haubert, Dominique :
Unraveling the structure of soil food webs.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Unraveling the structure of soil food webs
Language: English
Abstract:

In this work available methods for soil food web analysis were studied and new methods were evaluated. Soil biota consist of more species than the biota of any other environment on earth, however, despite their importance they are the least understood. Indirect methods are needed to get insight into soil food webs, because of the cryptic habitat and the small size of soil animals. A common used method is the analysis of the variation of natural occurring stable isotopes, mainly 15N/14N and 13C/12C. Nitrogen isotopes can be used to obtain trophic level information and carbon is used to determine food sources. Commonly the shift per trophic level is considered to be about 3.4permill for 15N/14N and 1permill for 13C/12C. But in this study delta15N varied from 2.4 to 6.3permill and delta13C from -1.0 to -3.3permill due to fungal food quality, starvation or age of soil animals (Collembola). This proves the impact of physiological status and food quality on stable isotope fractionation which should be considered when analysing food webs. Since the stable isotope method has its drawbacks, fatty acid (FA) analysis as alternative method for analysing soil food webs was investigated. FA analysis is a relatively new approach for investigating soil food webs. The FA pattern or specific biomarker FAs in consumers allow to infer food sources. To successfully apply this method, the influence of physiological and of environmental effects had to be tested. The FA pattern of Collembola was not significantly influenced by starvation, but food quality, life stage and temperature had an impact. Nevertheless, the specific marker FA (linoleic acid) for fungal food source made up over 20% of all FAs at all tested conditions compared to Collembola reared on other diets (2 - 14%). Other studies proved specific FA markers for leaves, nematodes and fungi; the present work revealed specific marker FAs for bacterial diet. Methyl branched FAs (i14:0, i15:0, a15:0 and i17:0) characterized Collembola reared on gram-positive bacteria, and a cyclic form (cy17:0) and 16:1omega5 were characteristic for gram-negative bacteria. A sophistication of FA analysis is the compound-specific $^{13}$C fatty acid analysis. The advantage of this method is that it delivers the 13C/12C ratio of specific dietary marker FAs. A similar 13C/12C ratio in the same FA in consumer and potential diet indicates trophic transfer and routing of the FA into the tissue of the consumer. The applicability of this analysis for soil food web investigations was tested in a field experiment including major functional groups, i.e. microorganisms as primary decomposers, euedaphic and epedaphic Collembola as secondary decomposers and cursorial and web-building spiders as top predators. Results of this study demonstrate that 13C/12C ratios of individual FAs in potential prey (diet) and consumers allow to identify carbon fluxes and trophic links. This work contributed to the establishment of tools to unravel the "enigma" of soil animal diversity and of the structure of soil food webs.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurden bereits vorhandene Methoden zur Untersuchung von Bodennahrungsnetzen untersucht und neue Methoden bewertet. Biota im Boden bestehen aus mehr Arten als in jedem anderen Habitat der Erde. Trotz seiner enormen Bedeutung ist es eines der am schlechtesten verstandenen Systeme. Um Bodennahrungsnetze zu untersuchen benötigt man indirekte Methoden, da Bodenorganismen aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer kryptischen Lebensweise schwer direkt zu beobachten sind. Eine weit verbreitete Methode zur Untersuchung von Nahrungsnetzen ist die Analyse der Variation von natürlich vorkommenden stabilen Isotopen, vor allem von 15N/14N und 13C/12C. Stickstoffisotope werden dabei zur Bestimmung der trophischen Ebene genutzt und Kohlenstoffisotope zur Bestimmung der Nahrungsquelle. Im Allgemeinen geht man von einer Anreicherung des schweren Stickstoffisotops von 3,4Promill(delta-Einheiten) pro trophischer Ebene aus und von 1Promill für das schwerere Kohlenstoffisotop. Diese Studie zeigte jedoch eine Variation zwischen 2,4 und 6,3Promill für 15N und zwischen -1,0 und -3.3Promill für 13C aufgrund von Qualität der Nahrung, Hunger oder dem Alter von Bodentieren (Collembolen). Das zeigt, dass der physiologische Zustand und die Nahrungsqualität einen Einfluss auf die Fraktionierung von stabilen Isotopen hat, der bei der Analyse von Nahrungsnetzen berücksichtigt werden sollte. Als Alternative zu der Isotopenanalyse wurde die Fettsäureanalyse untersucht. Dies ist eine relativ neue Methode zur Untersuchung von Nahrungsnetzen im Boden. Dabei wird das Fettsäuremuster von Bodentieren analysiert; aus dem Muster und dem Vorkommen bestimmter Biomarker-Fettsäuren kann auf die Nahrungsquelle geschlossen werden. Um diese Methode erfolgreich anwenden zu können, wurde der Einfluss von physiologischen Faktoren und Umweltfaktoren auf Fettsäuremuster von Bodentieren untersucht. Das Fettsäuremuster von Collembolen wurde nicht signifikant von Nahrungsmangel beeinflusst, jedoch von Nahrungsqualität, Lebensstadium und Umgebungstemperatur. Allerdings betrug der spezifische Marker für pilzliche Nahrung (Linolsäure) unter allen getesteten Faktoren über 20% aller Fettsäuren, im Gegensatz zu anderen Nahrungsquellen (2 - 14%). Andere Studien entdeckten Fettsäuremarker für Blätter, Nematoden und Pilze; in der vorliegenden Arbeit wurden spezifische Marker für bakterielle Nahrung identifiziert. Verzweigtkettige Fettsäuren (i14:0, i15:0, a15:0 und i17:0) charakterisieren Collembolen, die mit gram-positiven Bakterien gefüttert wurden, eine cyclische (cy17:0) und 16:1omega5 reflektierte eine Ernährung von gram-negativen Bakterien. Eine verfeinerte Methode der Fettsäureanalyse ist die komponentenspezifische 13C-Fettsäureanalyse. Der Vorteil dieser Methode ist, dass das 13C/12C-Verhältnis in spezifischen Nahrungsmarkern gemessen werden kann. Ein ähnliches 13C/12C-Verhältnis in derselben Fettsäure in Konsument und potenzieller Nahrung weist auf direkten trophischen Transfer in das Körpergewebe des Konsumenten hin. Die Anwendbarkeit dieser Methode für Nahrungsnetzuntersuchungen im Boden wurde in einem Freilandexperiment getestet. Dabei wurden wesentliche trophische Gruppen untersucht: Mikroorganismen als Primärzersetzer, euedaphische und epedaphische Collembolen als Sekundärzersetzer und vagante und netzbauende Spinnen als Top-Prädatoren. Der Versuch demonstrierte, dass durch 13C/12C- Verhältnisse einzelner Fettsäuren in potenzieller Beute und in Konsumenten der Kohlenstofffluss und trophische Verknüpfungen analysiert werden können. Die vorliegende Arbeit trug zur Etablierung neuer Werkzeuge bei, um das "Mysterium" der Diversität von Tieren im Boden und der Struktur von Bodennahrungsnetzen zu entschlüsseln.German
Uncontrolled Keywords: Collembolen, Springschwanz
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Collembolen, SpringschwanzGerman
collembola, springtail, fatty acid analysisEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000712
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7126
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Galuske, Prof. Dr. Ralf A.
Advisors: Scheu, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 23 June 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/712
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