Transformation and Mineralization of Organic Matter by the Humivorous Larva of Pachnoda ephippiata (Coleoptera: Scarabaeidae)

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2004
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Li, Xiangzhen
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Transformation und Mineralisierung organischer Substanz durch die humivoren Larven von Pachnoda ephippiata (Coleoptera: Scarabaeidae)
Forschungsvorhaben
Organisationseinheiten
Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Scarabaeidae beetle larvae are widely distributed in various ecosystems, which numerous species that either co-operate in soil processes or at least live in soil at some stage in their development, and play important roles in organic matter transformation and soil development. The larvae of Scarabaeidae have been mainly considered in the context of fiber degradation, e.g., the digestion of plant biomass in various stages of decomposition. However, their food spectrum is apparently much broader than generally assumed. In this study, the transformation and mineralization of organic matter during gut passage were investigated using the larva of the cetoniid beetle Pachnoda ephippiata (Coleoptera: Scarabaeidae) as a humus-feeding model organism with a highly alkaline gut.
In order to investigate whether microbial biomass and its residues and humic substances are nutrient and energy sources for humivorous beetle larvae, we carried out feeding trials using soil supplemented with 14C-labeled fungal biomass (Penicillium chrysogenum), bacterial biomass (Bacillus megaterium), fungal or bacterial structural polysaccharides (chitin, peptidoglycan), bacterial protein, or cellulose, and specifically 14C-labeled model humic acids synthesized by peroxidase-initiated radical polymerization.
The results showed that gut passage strongly stimulated the mineralization of the structural polymers. The amount of radiolabel recovered from the body and hemolymph of the larvae indicated that microbial biomass and its structural components were assimilated more efficiently than cellulose. Larvae significantly increased the mineralization of humic acids labeled in their peptide or polysaccharide components, whereas the mineralization of humic acids labeled in the aromatic components did not increase significantly. The degradation of these materials mainly occurred in the alkaline midgut. The potential degradation rate of peptides to TCA-soluble products in the midgut homogenate was about 24-fold higher than that of humic-acid-stabilized peptide. Degradation rates of peptidoglycan and chitin were lower than that of peptide. Midgut contains high concentrations of soluble protein and amino acids. Incubation of midgut homogenates with soil released amino acids at a considerable rate, which explains the high in vivo concentrations of amino acids observed in the midgut.
Microbial dissimilatory iron reduction occurred during gut passage. One of dominant (hemi)cellulose-degrading bacterial species isolated from the hindgut of the larva, Promicromonospora pachnodae, was capable of reducing iron, providing a strong indication that dissimilatory iron reduction may involve in the processes of organic matter degradation in the intestinal tract.
This study presents the first direct evidence that microbial biomass and nitrogenous and polysaccharide components of humic acids are preferentially degraded in the intestinal tract and constitute potential food sources for humivorous beetle larvae. In contrast, aromatic components of humic acid were not an important food source. The combined evidence proved that alkaline extraction of recalcitrant organic matter, host enzymes, and microbial fermentations during gut passage are keys for the transformation and mineralization of organic matter.
During gut passage, ingested organic matter underwent selective digestion and humification, which enhanced the stability of the organic residues in the feces. Gut passage would significantly alter the nitrogen cycling rate, and the forms and the distribution of nitrogen in the soil.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Scarabaeidenlarven spielen in vielen tropischen und subtropischen Ökosystemen eine wichtige Rolle im Abbau pflanzlicher Biomasse. Das Nahrungsspektrum dieser Käferlarven ist jedoch nicht nur auf faserige Pflanzenbestandteile begrenzt, sondern umfasst auch an das Bodenmaterial gebundenes organisches Material. In dieser Studie wurde daher an bodenfressenden Rosenkäferlarven (Pachnoda ephippiata, Coleoptera: Scarabaeidae), welche als besonderes Charakteristikum einen stark alkalischen Mitteldarm besitzen, die Transformation und Mineralisierung organischer Substanz während der Darmpassage untersucht.
Um zu untersuchen, ob mikrobielle Biomasse und ihre Bestandteile, sowie Huminstoffe eine wichtige Nährstoff- und Energiequelle für bodenfressende Käferlarven darstellen, wurden Frassversuche mit 14C-markierten Modelsubstanzen durchgeführt. Dabei wurden dem Boden 14C-markierte pilzliche Biomasse (Penicillium chrysogenum), bakterielle Biomasse (Bacillus megaterium), pilzliche oder pflanzliche Strukturpolysaccharide (Chitin, Peptidoglycan), bakterielles Protein, Zellulose, und spezifisch markierte Modelhuminstoffe, welche durch einen Peroxidase-eingeleiteten Radikalmechanismus hergestellt wurden, zugefügt.
Die Ergebnisse dieser Studien zeigen, dass die Darmpassage die Mineralisierung der Strukturpolymere stark stimuliert. Der Einbau von Radioaktivität in Körper von Hämolymphe der Larven deutet darauf hin, dass mikrobielle Biomasse und ihre Strukturpolymere effizienter assimiliert wurden als Zellulose.
Die Aufnahme des Bodens durch die Larven erhöhte die Mineralisierung von Huminstoffen, welche 14C-markierte Proteine und Peptide eingebaut hatten, während die Mineralisierung von Huminstoffen, welche in den aromatischen Bestandteilen markiert waren, nicht signifikant erhöht war. Weitere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass der Abbau dieser Materialien vorwiegend im alkalischen Mitteldarm abläuft. Die potenzielle Abbaurate von Peptiden zu TCA-löslichen Produkten war ca. 24mal höher als die der Peptide, die mit Huminsäuren stabilisiert waren. Die Abbauraten von Peptidoglycan und Chitin waren niedriger als die der Peptide. Bei Inkubationen von Mitteldarmhomogenaten mit Boden wurden Aminosäuren mit einer hohen Rate freigesetzt. Dies erklärt die hohen Konzentrationen an Aminosäuren in vivo.
Während der Darmpassage erfolgte mikrobielle dissimilatorische Eisenreduktion. Eine der dominanten, aus dem Enddarm der Larve isolierten (Hemi-)Zellulose-abbauenden Bakterienarten, Promicromonospora pachnodae, konnte Eisen reduzieren. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass dissimilatorische Eisenreduktion beim Abbau organischer Substanz im Intestinaltrakt eine Rolle spielen kann.
In dieser Studie wurde zum ersten Mal gezeigt, dass präferenziell mikrobielle Biomasse sowie Stickstoff- und Polysaccharid-haltige Bestandteile von Huminsäuren im Intestinaltrakt von Käferlarven abgebaut werden und daher eine potenzielle Nahrungsquelle darstellen. Im Gegensatz dazu, stellten aromatische Bestandteile von Huminsäuren keine wichtige Nahrungsquelle dar.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die alkalische Extraktion der organischen Substanz, Wirtsenzyme, und mikrobielle Gärungen während der Darmpassage Schlüsselrollen bei der Transformation und Mineralisierung organischer Substanz einnehmen.
Während der Darmpassage wurde die aufgenommene organische Substanz selektiv verdaut und humifiziert, woraufhin die Stabilität der restlichen organischen Bestandteile in den Fäces erhöht wurde. Die Darmpassage ändert daher die Rate, mit der Stickstoffverbindungen umgesetzt werden, sowie die Arten der Stickstoffverbindungen und Verteilung dieser im Boden.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
Transformation, mineralization, organic matter, humivorous, larva, Pachnoda ephippiata
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690LI, Xiangzhen, 2004. Transformation and Mineralization of Organic Matter by the Humivorous Larva of Pachnoda ephippiata (Coleoptera: Scarabaeidae) [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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December 10, 2004
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