Elemental stoichiometry constitutes an inherent link between biogeochemistry and the structure and processes within food webs, and thus is at the core of ecosystem functioning. Stoichiometry allows for spanning different levels of biological organization, from cellular metabolism to ecosystem structure and nutrient cycling, and is therefore particularly useful for establishing links between different ecosystem compartments. We review elemental carbon : nitrogen : phosphorus (C:N:P) ratios in terrestrial ecosystems (from vegetation, leaf litter, woody debris, and dead roots, to soil microbes and organic matter). While the stoichiometry of the plant, litter, and soil compartments of ecosystems is well understood, heterotrophic microbial communities, which dominate the soil food web and drive nutrient cycling, have received increasing interest in recent years. This review highlights the effects of resource stoichiometry on soil microorganisms and decomposition, specifically on the structure and function of heterotrophic microbial communities and suggests several general patterns. First, latitudinal gradients of soil and litter stoichiometry are reflected in microbial community structure and function. Second, resource stoichiometry may cause changes in microbial interactions and community dynamics that lead to feedbacks in nutrient availability. Third, global change alters the C:N, C:P, and N:P ratios of primary producers, with repercussions for microbial decomposer communities and critical ecosystem services such as soil fertility. We argue that ecological stoichiometry provides a framework to analyze and predict such global change effects at various scales.

Microbial nitrogen use efficiency (NUE) describes the partitioning of organic N taken up between growth and the release of inorganic N to the environment (that is, N mineralization), and is thus central to our understanding of N cycling. Here we report empirical evidence that microbial decomposer communities in soil and plant litter regulate their NUE. We find that microbes retain most immobilized organic N (high NUE), when they are N limited, resulting in low N mineralization. However, when the metabolic control of microbial decomposers switches from N to C limitation, they release an increasing fraction of organic N as ammonium (low NUE). We conclude that the regulation of NUE is an essential strategy of microbial communities to cope with resource imbalances, independent of the regulation of microbial carbon use efficiency, with significant effects on terrestrial N cycling.

Slurries are a significant source of CH4, NH3 and N2O emissions to the atmosphere. The research project aimed at quantifying CH4, NH3 and N2O emissions from liquid manure stores and after manure application under field conditions. The influence of the manure treatment options “no treatment”, “slurry separation”, “anaerobic digestion”, “slurry aeration” and “straw cover” on the emission level was investigated. Approximately 10 m3 of differently treated slurry were stored in pilot scale slurry tanks. Emissions were followed for c. 80 days. After the storage period, slurries were applied to permanent grassland. Greenhouse gas emissions from slurry were mainly caused by methane emissions during storage and by nitrous oxide emissions after field application of manures. Mitigation of GHG emissions can be achieved by a reduction in slurry dry matter and easily degradable organic matter content. Ammonia emissions mainly occurred after field application. Untreated slurry emitted 226.8 g NH3 m−3 and 92.4 kg CO2 eq. m−3 (storage and field application). Slurry separation (liquid fraction and composting of the solid fraction) resulted in NH3 losses of 402.9 g m−3 and GHG losses of 58.5 kg CO2 eq. m−3. Anaerobic digestion was a very effective means to reduce GHG emissions. 37.9 kg CO2 eq. m−3 were lost. NH3 emissions were similar to those from untreated slurry. Covering the slurry store with a layer of chopped straw instead of a wooden cover increased NH3 emissions to 320.4 g m−3 and GHG emissions to 119.7 kg CO2 eq. m−3. Slurry aeration nearly doubled NH3 emissions compared to untreated slurry. GHG emissions were reduced to 53.3 kg CO2 eq. m−3.

Abstract Leaf-litter decomposition is a central process in carbon cycling; however, our knowledge about the microbial regulation of this process is still scarce. Metaproteomics allows us to link the abundance and activity of enzymes during nutrient cycling to their phylogenetic origin based on proteins, the ‘active building blocks’ in the system. Moreover, we employed metaproteomics to investigate the influence of environmental factors and nutrients on the decomposer structure and function during beech litter decomposition. Litter was collected at forest sites in Austria with different litter nutrient content. Proteins were analyzed by 1-D-SDS-PAGE followed by liquid-chromatography and tandem mass-spectrometry. Mass spectra were assigned to phylogenetic and functional groups by a newly developed bioinformatics workflow, assignments being validated by complementary approaches. We provide evidence that the litter nutrient content and the stoichiometry of C:N:P affect the decomposer community structure and activity. Fungi were found to be the main producers of extracellular hydrolytic enzymes, with no bacterial hydrolases being detected by our metaproteomics approach. Detailed investigation of microbial succession suggests that it is influenced by litter nutrient content. Microbial activity was stimulated at higher litter nutrient contents via a higher abundance and activity of extracellular enzymes.

In order to estimate potential greenhouse gas flux rates from soils under different land use and climate, and to particularly assess the influence of soil temperature and soil moisture, we measured fluxes of nitrous oxide (N 2 O), nitric oxide (NO), carbon dioxide (CO 2 ) and methane (CH 4 ) from intact soil cores obtained from 13 European sites under controlled laboratory conditions. The soils covered the different climates of Europe and included four different land‐use types: croplands, forests, grasslands and wetlands. In a two‐factorial experimental design, the soil cores were incubated under four temperatures (5–20°C) and water contents (20–80% water‐filled pore space). We found a non‐linear increase of N 2 O, NO and CO 2 emissions with increasing temperature. Nitrous oxide emissions were positively correlated with soil moisture, while NO emission and CH 4 oxidation rates were negatively correlated with soil moisture. Maximum CO 2 emissions occurred at intermediate soil moisture. Different land‐use types strongly affected greenhouse gas fluxes. Nitrous oxide and CO 2 emissions were highest in grassland soils, while NO emissions were highest in forest soils. In grasslands, high soil microbial activity stimulated by high carbon (C) and nitrogen (N) contents, dense root systems and high C input from above‐ground decaying biomass was the most likely cause for high N 2 O and CO 2 emissions. High NO emissions from forest soils were mainly attributed to low pH and high soil porosity. Northern soils showed the greatest capacity to take up CH 4 under warmer and dryer soil conditions. Nitric oxide emissions were positively correlated with N input.

• Plant seasonal cycles alter carbon (C) and nitrogen (N) availability for soil microbes, which may affect microbial community composition and thus feed back on microbial decomposition of soil organic material and plant N availability. The temporal dynamics of these plant–soil interactions are, however, unclear. • Here, we experimentally manipulated the C and N availability in a beech forest through N fertilization or tree girdling and conducted a detailed analysis of the seasonal pattern of microbial community composition and decomposition processes over 2 yr. • We found a strong relationship between microbial community composition and enzyme activities over the seasonal course. Phenoloxidase and peroxidase activities were highest during late summer, whereas cellulase and protease peaked in late autumn. Girdling, and thus loss of mycorrhiza, resulted in an increase in soil organic matter-degrading enzymes and a decrease in cellulase and protease activity. • Temporal changes in enzyme activities suggest a switch of the main substrate for decomposition between summer (soil organic matter) and autumn (plant litter). Our results indicate that ectomycorrhizal fungi are possibly involved in autumn cellulase and protease activity. Our study shows that, through belowground C allocation, trees significantly alter soil microbial communities, which may affect seasonal patterns of decomposition processes.

Soil microbial communities mediate the decomposition of soil organic matter (SOM). The amount of carbon (C) that is respired leaves the soil as CO2 (soil respiration) and causes one of the greatest fluxes in the global carbon cycle. How soil microbial communities will respond to global warming, however, is not well understood. To elucidate the effect of warming on the microbial community we analyzed soil from the soil warming experiment Achenkirch, Austria. Soil of a mature spruce forest was warmed by 4 °C during snow-free seasons since 2004. Repeated soil sampling from control and warmed plots took place from 2008 until 2010. We monitored microbial biomass C and nitrogen (N). Microbial community composition was assessed by phospholipid fatty acid analysis (PLFA) and by quantitative real time polymerase chain reaction (qPCR) of ribosomal RNA genes. Microbial metabolic activity was estimated by soil respiration to biomass ratios and RNA to DNA ratios. Soil warming did not affect microbial biomass, nor did warming affect the abundances of most microbial groups. Warming significantly enhanced microbial metabolic activity in terms of soil respiration per amount of microbial biomass C. Microbial stress biomarkers were elevated in warmed plots. In summary, the 4 °C increase in soil temperature during the snow-free season had no influence on microbial community composition and biomass but strongly increased microbial metabolic activity and hence reduced carbon use efficiency.

Abstract It was hypothesized that seasonality and resource availability altered through tree girdling were major determinants of the phylogenetic composition of the archaeal and bacterial community in a temperate beech forest soil. During a 2-year field experiment, involving girdling of beech trees to intercept the transfer of easily available carbon (C) from the canopy to roots, members of the dominant phylogenetic microbial phyla residing in top soils under girdled versus untreated control trees were monitored at bimonthly intervals through 16S rRNA gene-based terminal restriction fragment length polymorphism profiling and quantitative PCR analysis. Effects on nitrifying and denitrifying groups were assessed by measuring the abundances of nirS and nosZ genes as well as bacterial and archaeal amoA genes. Seasonal dynamics displayed by key phylogenetic and nitrogen (N) cycling functional groups were found to be tightly coupled with seasonal alterations in labile C and N pools as well as with variation in soil temperature and soil moisture. In particular, archaea and acidobacteria were highly responsive to soil nutritional and soil climatic changes associated with seasonality, indicating their high metabolic versatility and capability to adapt to environmental changes. For these phyla, significant interrelations with soil chemical and microbial process data were found suggesting their potential, but poorly described contribution to nitrification or denitrification in temperate forest soils. In conclusion, our extensive approach allowed us to get novel insights into effects of seasonality and resource availability on the microbial community, in particular on hitherto poorly studied bacterial phyla and functional groups.

The carbon-use-efficiency (CUE) of microorganisms is an important parameter in determining ecosystem-level carbon (C) cycling; however, little is known about how variance in resources affects microbial CUE. To elucidate how resource quantity and resource stoichiometry affect microbial CUE, we cultured four microorganisms – two fungi (Aspergillus nidulans and Trichoderma harzianum) and two bacteria (Pectobacterium carotovorum and Verrucomicrobium spinosum) – under 12 unique C, nitrogen (N) and phosphorus (P) ratios. Whereas the CUE of A. nidulans was strongly affected by C, bacterial CUE was more strongly affected by mineral nutrients (N and P). Specifically, CUE in P. carotovorum was positively correlated with P, while CUE of V. spinosum primarily depended on N. This resulted in a positive relationship between fungal CUE and resource C : nutrient stoichiometry and a negative relationship between bacterial CUE and resource C : nutrient stoichiometry. The difference in the direction of the relationship between CUE and C : nutrient for fungi vs. bacteria was consistent with differences in biomass stoichiometry and suggested that fungi have a higher C demand than bacteria. These results suggest that the links between biomass stoichiometry, resource demand and CUE may provide a mechanism for commonly observed temporal and spatial patterns in microbial community structure and function in natural habitats.