Microbial degradation of terrestrial organic matter and microplastics in boreal lakes

Abstract

Microbes are the main decomposers of organic matter in lakes, playing an important role as recyclers of elements and energy. Natural sources of organic matter include soil organic matter and plant litter, composed of natural polymers such as lignin and carbohydrates. Additionally, the increasing amount and high recalcitrance of plastics in the environment have become a concern worldwide. In this thesis, I study the microbial utilization of different substrates across the recalcitrance gradient (plant litter, hemicellulose, lignin, microplastics), carbon’s biochemical fate, and seasonal variation. I also aim to identify the main microbial groups behind the decomposition. The biochemical fate of carbon was affected by the substrate’s recalcitrance and chemical structure. The carbon from both recalcitrant and labile compounds was mainly respired to carbon dioxide, whereas a smaller proportion ended up in microbial biomass. However, microbial starvation led to the opposite result. Highly recalcitrant polystyrene carbon was more efficiently used for new biomass formation than carbon from labile leaves. Among environmental variables, particularly temperature controlled the decomposition rate and carbon cycling. The relative importance of assimilation in contrast to mineralization was higher in low temperatures. The effect of lake type on decomposition was unclear and contradictory. Labile carbon sources were utilized by a larger number of microbial groups than recalcitrant microplastics. Overall, natural substrates were efficiently utilized, and they subsidized microbial biomass production. In contrast, recalcitrant microplastics decomposed extremely slowly, suggesting their accumulation in lake ecosystems. The correlation of temperature with higher mineralization rates indicates that elevating temperature increases microbial mineralization of terrestrial polymers and thus further increases carbon emissions from lakes, whereas the proportion of terrestrial carbon bound to microbial biomass and aquatic ecosystems decreases.

Keywords: Lake; microbial decomposition; microplastic; mineralization; polymer; stable isotope; terrestrial organic matter

Mikrobit ovat pääasiallisia orgaanisen aineksen hajottajia järvissä, ollen tärkeässä roolissa aineiden ja energian kierron säätelijöinä. Luontaisia orgaanisen aineksen lähteitä ovat muun muassa maaperän orgaaninen aines ja karike, jotka muodostuvat luonnon polymeereistä kuten ligniinistä ja hiilihydraateista. Näiden lisäksi ympäristöön päätyvän muovijätteen määrä ja pysyvyys on herättänyt maailmanlaajuista huolta. Väitöskirjassani tutkin mikrobien kykyä hyödyntää hajoavuusasteeltaan erilaisia substraatteja (lehtikarike, ligniini, hemiselluloosa, mikromuovit), substraatin hiilen biokemiallista kohtaloa ja prosessien vuodenaikaisvaihtelua. Pyrin myös tunnistamaan hajotuksesta vastaavat olennaisimmat mikrobiryhmät. Hiilen kohtaloon vaikuttivat materiaalin hajoavuusaste ja kemiallinen rakenne. Substraatin hiili päätyi pääosin hiilidioksidiksi, kun taas pienempi osa hiilestä sitoutui biomassaan, joskin mikrobien nälkiintyminen ennen materiaalin lisäämistä aiheutti päinvastaisen tuloksen. Hankalasti hajotettavan polystyreenin hiili hyödynnettiin hieman tehokkaammin biomassan tuotantoon kuin lehtikarikkeen. Ympäristöolosuhteista erityisesti lämpötila sääteli hajotusprosessin nopeutta ja hiilen kiertoa. Biomassan tärkeys hiilen sijoituspaikkana suhteessa mineralisaatioon oli korkeampi matalissa lämpötiloissa. Järvityypin vaikutuksesta hajotukseen saatiin ristiriitaisia tuloksia. Helposti hajotettavia yhdisteitä hyödynsi laajempi kirjo eri mikrobiryhmiä kuin hankalasti hajotettavia mikromuoveja. Kaiken kaikkiaan luonnonmateriaalit hyödynnetään tehokkaasti ja ne tukevat mikrobibiomassan muodostamista. Sen sijaan äärimmäisen hidas mikromuovien hajotus järviekosysteemeissä johtanee niiden hiljattaiseen kertymiseen. Lämpötilan aiheuttama muutos substraatin hiilen kohtaloon viittaa siihen, että ilmastonmuutoksen myötä nousevat lämpötilat lisäävät mikrobihajotuksen seurauksena vapautuvan hiilen määrää, kun taas akvaattiseen ekosysteemiin jäävän hiilen osuus pienenee.

Avainsanat: Hajottajamikrobi; järvi; mikromuovi; mineralisaatio; polymeeri; terrestrinen orgaaninen aines; vakaa isotooppi