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Ammonia-oxidizing archaea (AOA) play a key role in the aquatic nitrogen cycle. Their genetic diversity is viewed as the outcome of evolutionary processes that shaped ancestral transition from terrestrial to marine habitats. However, current genome-wide insights into AOA evolution rarely consider brackish and freshwater representatives or provide their divergence timeline in lacustrine systems. An unbiased global assessment of lacustrine AOA diversity is critical for understanding their origins, dispersal mechanisms, and ecosystem roles. Here, we leveraged continental-scale metagenomics to document that AOA species diversity in freshwater systems is remarkably low compared to marine environments. We show that the uncultured freshwater AOA, “ Candidatus Nitrosopumilus limneticus,” is ubiquitous and genotypically static in various large European lakes where it evolved 13 million years ago. We find that extensive proteome remodeling was a key innovation for freshwater colonization of AOA. These findings reveal the genetic diversity and adaptive mechanisms of a keystone species that has survived clonally in lakes for millennia.

This thesis consists of several studies that focused on the role of soil-feeding termites and termite gut microbiota in the transformation and mineralization of nitrogenous soil components. The results can be summarized into four subject matters, namely: 1. N mineralization and transformation during soil gut passage In order to better understand the role of soil-feeding termites in the dynamics of N in tropical soils, soil microcosms that received 15N tracers were incubated with termites. Here, our results demonstrated the importance of nitrogenous soil components (peptides) in the diet of soilfeeding termites, providing close to 50% of the termite’s carbon flux. The mineralization process, also results in the formation of enormous amounts of ammonia both in the gut (~150 mM) and the nest material. Additionally, we provided the first evidence for a termite-associated nitrification activity during the feeding activities of termites, which is coupled to denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonia. At the ecosystem level, soil-feeding termites are estimated to contribute more towards N retention than to N loss in tropical soils. 2. Roles of termite gut microbiota in peptide breakdown and amino acids turnover Using gut homogenates, our studies revealed that termite gut microbiota play major roles in the hydrolysis and mineralization of peptidic components of soil organic matter. Both proteolytic and lysozyme activities were associated with termite tissues (i.e., salivary glands) and also the particulate fraction of the gut content. Together with the high alkalinity of the gut, soil peptides and microbial biomass are sequentially subjected to hydrolysis, solubilization, and extraction in the intestinal tract. Amino acids, which accumulate, are either directly absorbed by the insect or turned over by the dense hindgut microbiota, preferably by anaerobic amino-acid-fermenting bacteria. This underscores theimportant role of termite gut microbiota and the in situ physiological gut conditions, in enhancing the mineralization and utilization of peptidic components of soil organic matter by the termite. 3. Intestinal nitrate reduction leads to N2O and N2 emission Nitrate, a product of the nitrification activities in the gut, is reduced by the intestinal microbiota either to N2O and N2, or to ammonia. The reduction of nitrate to ammonia takes place mainly in the anterior gut region whereas denitrification occurs in the posterior hindgut. Virtually, no nitrate-reducing activities were present in the alkaline gut sections. Living termites emit both N2O and N2, but the emission of N2 rather than N2O seems to be the prevalent nitrogenous gas produced by soil-feeding termites. Nitrate reduction via denitrification represents ~26% of the total electrons flowing through methanogenesis in the intestinal tracts of soil-feeding termites. This study documents the first report on intestinal nitrate reduction to N2 and also provides the first evidence of soilfeeding termites as a source of the greenhouse gas N2O. 4. Excretion of ammonia via an “acid-trap” mechanism Soil-feeding termites preferentially utilize the peptidic components of soil organic matter. Consequently, ammonia levels in the hemolymph (~300 μM) and in the gut fluid accumulate to enormous concentrations. Using 15N tracers, we demonstrate that the alkalinity of the gut plays an important role removing ammonia by volatilizing NH4 + to NH3, which then diffuses into the hemolymph. Subsequently, NH3 is entrapped in the posterior hindgut with a circumneutral pH, most likely via an active transport mechanism. Finally, ammonia is egested through feces into the nest material. Also, preliminary evidence alludes to the role of Malpighian tubules in the excretion of ammonia as uric acid, a hitherto unknown function in soil-feeding termites., Diese Dissertation umfasst Studien, die sich mit der Rolle bodenfressender Termiten und deren Darmmikrobiota bezüglich der Umwandlung und Mineralisierung stickstoffhaltiger Bodenbestandteile beschäftigt. Die Ergebnisse, dieser Arbeit, können in vier Themen zusammengefasst werden: 1. Stickstoffmineralisierung und Umwandlung des Bodens während der Darmpassage. Um die Rolle bodenfressender Termiten im Stickstoffkreislauf tropischer Böden besser zu verstehen, wurden Bodenproben mit 15N-Isotopen versetzt und zusammen mit Termiten in Mikrokosmen inkubiert. Die Experimente bestätigten die Relevanz von Stickstoffverbindungen des Bodens (z.B. Peptide) als Nahrung bodenfressender Termiten. Diese Stickstoffverbindungen können mehr als 50% des gesamten Kohlenstoffhaushaltes der Termiten ausmachen. Der Mineralisierungsprozess führt zudem zur Akkumulation enormer Mengen Ammoniaks sowohl im Termitendarm (~150 mM) als auch im Nestmaterial. Zusätzlich zeigten wir zum ersten Mal die Nitrifizierung während des Verdauungsprozesses in Termiten. Die Denitrifikation und dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammoniak ist an diese Nitrifizierung gekoppelt. Man vermutet daher, dass bodenfressende Termiten auf Ökosystemebene vielmehr zur Erhaltung als zum Verlust von Stickstoff in tropischen Böden beitragen. 2. Die Funktion der Termitendarm-Mikrobiota bei der Aufspaltung von Peptiden und anschließenden Verwertung der Aminosäuren. Unsere Studien mit Darmhomogenaten zeigten, dass die Mikrobiota im Termitendarm eine wichtige Rolle bei der Hydrolyse und Mineralisierung von Peptidverbindungen im Humus darstellt. Die proteolytische und lysosomale Aktivität steht sowohl mit dem Gewebe der Termiten (z.B. Speicheldrüsen) als auch mit der partikulären Fraktion (insbesondere der Mikrobiota) des Termitendarms in Verbindung. Zusammen mit dem alkalischen pH-Wert des Termitendarms werden Peptidverbindungen und Mikroorganismen hydrolisiert, gelöst und im Darm freigesetzt. Anschließend werden die Aminosäuren entweder durch die Termite absorbiert oder von der Mikrobiota des Termitendarms verwertet. Die Aktivität der Aminosäure-verwertenden Bakterien scheint durch die Abwesenheit von Sauerstoff verstärkt zu werden. Dies soll die Relevanz der Mikrobiota und der physiologischen Bedingungen im Termitendarm zeigen, die bei der Mineralisierung und Verwertung von Bodenpeptiden eine wichtige Rolle spielen. 3. Die Nitratreduktion im Darm führt zu Emissionen von Stickstoff-Monoxid (N2O) und Stickstoff (N2) Nitrat, als Produkt der Nitrifikation im Termitendarm, wird durch die Darmmikrobiota zu N2O und N2 oder zu Ammoniak reduziert. Die Reduktion von Nitrat zu Ammoniak findet im vorderen Bereich des Darmes statt, wohingegen die Denitrifikation im hinteren Teil erfolgt. Im Gegensatz dazu wird in den alkalischen Darmsektionen fast kein Nitrat reduziert. Bodenfressende Termiten emittieren N2O und N2, dabei scheint allerdings die N2-Produktion die von N2O zu übertreffen. Ein Vergleich von Elektronenbilanzen zeigte, dass die Nitratreduktion durch Denitrifikation für ~26% des gesamten Elektronenflusses in der Methanogenese im Darm bodenfressender Termiten verantwortlich ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen somit zum weiteren Verständnis der intestinalen Nitratreduktion zu N2 bei. Insbesondere wurden hier zum ersten Mal bodenfressende Termiten als eine weitere Quelle des Treibhausgases N2O nachgewiesen. 4. Exkretion von Ammoniak durch den „acid-trap“-Mechanismus Bodenfressende Termiten verwerten vorzugsweise Peptidverbindungen aus Humus. Aus diesem Grund befinden sich hohe Konzentrationen von Ammoniak (~300 μM) in der Hämolymphe der Termiten. In der Darmflüssigkeit kann Ammoniak sogar bis zu toxischen Konzentrationen akkumulieren. Bei der Lösung dieses Problems spielen die alkalischen Bedingungen im Termitendarm eine wichtige Rolle, da diese für die Freisetzung von Ammoniak in die Hämolymphe verantwortlich sind. Der Ammoniak wird anschließend vermutlich durch aktiven Transport im hinteren Bereich des Enddarms angereichert und ausgeschieden. Dies konnte an Hand von stabilen 15N-Isotopen nachgewiesen werden. Weitere Ergebnisse deuten auf die wichtige Funktion der Malpighischen Gefäße bei der Exkretion von Ammoniak in Form von Harnsäure hin. Dies wurde bei bodenfressenden Termiten bislang noch nicht beschrieben.