Description: Organische Bodensubstanz (SOM) ist entscheidend für den Erhalt von Bodenfunktionen. Kohlenstoff (C)- und Energie (E)-Bilanzen beim Abbau von SOM sind eng verknüpft und abhängig von Umweltbedingungen und Ressourcenverfügbarkeit. Neben präzisen Massenbilanzen brauchen wir valide theoretische Grundlagen für die thermodynamische Betrachtung von Bodenprozessen. Die Gibbs-Energie der Mineralisierung wird durch die Reduktionshalbreaktion, d.h. durch den terminalen Elektronenakzeptor (TEA), dominiert, aber oft werden oxische Verhältnisse oder die Verbrennungsenthalpie angenommen. Die Verfügbarkeit von mikrobiellen Biomasse-Bausteinen (BB) kann die C- und E-Bilanz des Wachstums verändern, weil E für Biosynthese gespart wird. Schließlich verändert die Abundanz aktiver mikrobieller Biomasse (relativ zum Substrat) die Abbaukinetik, aber ihr Einfluss auf C- und E-Bilanzen ist unbekannt. TherMic-II wird daher (1) C- und E-Flüsse bei unterschiedlichen Redoxregimes (oxisch, anoxisch, alternierend) quantifizieren und die Rolle der TEA-Verfügbarkeit klären, (2) die Änderungen der C- und E-Flüsse durch die Verfügbarkeit von BB ermitteln, (3) den Effekt der Abundanz der Biokatalysatoren auf C- und E-Bilanzen des Substratabbaus analysieren, und (4) ein Konzept zum Übergang von Enthalpie zu Gibbs-Energie entwickeln. TherMic-II umfasst Experimente zum Effekt der Ressourcenverfügbarkeit (TEA, BB, Biokatalysator/Substrat) auf C- und E-Bilanz des Substratabbaus sowie die Weiterentwicklung von thermodynamischen Konzepten. Der Effekt der TEA-Verfügbarkeit wird in Bodeninkubationen erfasst, die das Schicksal von Cellobiose unter oxischen, anoxischen und alternierenden Redoxbedingungen verfolgen und die C- und E-Bilanzen in Bezug zu den TEAs setzen. Weitere Experimente untersuchen, wie die Verfügbarkeit von BB (z.B. Tryptophan) relativ zu Cellobiose die C- und E-Bilanz des Cellobioseabbaus beeinflusst. Inkubationen mit unterschiedlichen Cellobiosegaben untersuchen den Effekt des Verhältnisses Biokatalysator/Substrat auf C- und E-Bilanzen. Alle experimentellen Daten werden für thermodynamische Berechnungen und Modellierung genutzt. Zusätzlich erkunden wir Möglichkeiten, von der kalorimetrisch gemessenen Enthalpie zur Gibbs-Energie und damit zur treibenden Kraft der Prozesse zu gelangen. TherMic-II leitet einen Ringversuch zur Variabilität kalorimetrischer Daten, um den Weg zur Synthese von kalorimetrischen Daten aus mehreren Arbeitsgruppen zu ebnen. TherMic-II trägt zu gemeinsamen Experimenten bei: In E-ComPLEX wird das verbleibende Substrat und die Bildung von Biomasse/Nekromasse während des Abbaus von vier ausgewählten Substraten mit unterschiedlicher Verbrennungsenthalpie und metabolischen Funktionen quantifiziert, und in SOM Battery werden PLFA analysiert. TherMic-II-Ergebnisse werden zu einer besseren Vorhersage des Umsatzes von organischen Substanzen im Boden bei unterschiedlichen Umweltbedingungen beitragen.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Humus
?
Kohlenstoff
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Ringversuch
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Bodenkunde
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Biosynthese
?
Bodenfunktion
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Populationsdichte
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Modellierung
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Bodenprozess
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Biomasse
?
Standortbedingung
?
Ressourcenverfügbarkeit
?
Soil Sciences
?
Region:
Saxony
Bounding boxes:
13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
Time ranges:
2021-01-01 - 2026-01-25
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Sub project: Thermodynamics of microbial turnover of organic compounds in soil - matter and energy fluxes under varying redox conditions, biomass-substrate ratios, and availability of biomass building blocks
Description: Soil organic matter (SOM) and is crucial for maintaining soil functionality. Carbon (C) and energy (E) fluxes during turnover of SOM are closely related, and they depend on environmental conditions and resource availability. However, we still need a solid theoretical framework for thermodynamic assessment, combined with accurate mass balances, of soil processes. The Gibbs energy release of a mineralization reaction is dominated by the reduction half reaction and thus by the terminal electron acceptor (TEA), but often only aerobic conditions (or combustion enthalpy) are considered. The availability of microbial biomass building blocks (BB) may alter the C and E balance of microbial turnover because their use will save E for biosynthesis. Finally, the abundance of active microorganisms (relative to substrate) alters substrate degradation kinetics, but little is known about its effect on C and E balances. TherMic-II aims to (1) analyse C and E fluxes under different redox regimes (oxic, anoxic, and alternating) and the effect of TEA availability on the link between C and E flux, (2) elucidate how the availability of biomass BB changes C and E fluxes, (3) study the effect of biocatalyst abundance relative to substrate availability on the C and E balances of substrate degradation, and (4) develop a concept to proceed from enthalpy to Gibbs energy.TherMic-II comprises experiments studying the effect of resource availability (TEA, biomass BB, biocatalysts/substrate) on E and C balances of substrate degradation and refinement of thermodynamic concepts for soils. The effect of TEA availability will be studied by soil incubations tracing the fate of cellobiose at oxic, anoxic and alternating redox conditions. The resulting C and E balances will be assessed with respect to different TEAs. We will study how the availability of biomass BB (e.g tryptophan) relative to cellobiose changes the C and E balances of cellobiose degradation. Incubations of soil amended with different concentrations of cellobiose will reveal the effect of the biocatalyst-to-substrate ratio on C and E balances of degradation. All experimental data will be used for thermodynamic calculations and modelling. We will also explore how we can proceed from enthalpy measured by calorimetry to Gibbs energy, the driving force of processes. TherMic-II will additionally lead an interlaboratory comparison for testing the variability of calorimetric data and thus pave the way towards synthesis of calorimetric data from different research groups. TherMic-II will also significantly contribute to the joint experiment E-ComPLEX by analysing remaining substrate and biomass/necromass formation during degradation of four selected substrates with different combustion enthalpies and metabolic functions, and to SOM Battery with PLFA analyses. The results from TherMic-II will contribute to improved prediction of organic compound turnover in soil at different environmental conditions.
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