Sorptionsthermodynamik und Aggregierung als Kontrollfaktoren für mikrobielle Substratverwertung und Mineralisierung
Verantwortlich: Dr. Kenton Stutz
Projektleitung: Dr. Ines Mulder, Prof. Dr. Jan Siemens, Dr. Kenton Stutz, Prof. Dr. F. Lang
Projektträger: DFG Bonn
Laufzeit: 01.10.2021 - 30.09.2024
Bemerkung:Teilprojekt des SPP 2322: Systems ecology of soils - energy discharge modulated by microbiome and boundary conditions
Zusammenfassung
Die Stärke der Bindung organischer Moleküle an Minerale und die Stabilität von Aggregaten, die organische Substanz schützen, gehören zu den Randbedingungen, welche den Kanal für die Energieund Substratnutzung durch die mikrobielle Gemeinschaft in Bodenökosystemen bestimmen (Hypothese C des SPP 2223). Obwohl die Stabilisierung von organischer Substanz durch Bindung an Minerale gezeigt wurde, fehlen quantitative Informationen zum Zusammenhang mit der Thermodynamik von Sorptionsreaktionen. Weiterhin fehlen Kenntnisse zur Auswirkung von Aggregierung und von mikrobieller Diversität auf den Zusammenhang zwischen thermodynamischen Parametern der (De)Sorption und mikrobiellen Verwertung von Substraten. Um die Randbedingungen zu analysieren, welche den Kanal für die mikrobielle Nutzung von Energie und Substraten bestimmen, prüfen wir folgende Hypothesen:
(H I) Sorptions- und Desorptionsenergien steigen mit steigender Polarität und steigendem Oxidationsgrad der Sorbate und steigender Anzahl von Hydroxylgruppen der Sorbenten,
(H II) die mikrobielle Nutzung von sorbierten Substraten sinkt mit sinkendem deltaG sowie steigender thermodynamischer Sorptionshysterese und Aktivierungsenergie der Desorption, es existiert eine thermodynamischer Schwellenwert für die Nutzung sorbierter Substrate,
(H III) die thermodynamischen Schwellenwerte für die Nutzung sorbierter Substrate erhöhen sich mit steigender funktioneller Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft und
(H IV) ein starker physikalischer Schutz in Aggregaten reduziert die Bedeutung der Sorptionsthermodynamik für die mikrobielle Substratnutzung. Wir werden diese Hypothesen in vier Arbeitspakten (AP) testen.
In AP 1 werden wir die Gibbs´schen freien Enthalpien deltaG, die Enthalpien deltaH, und die Entropien deltaS, Aktivierungsenergien Ea und und die Verminderungen der freien Energien durch Sorptionshysterese (Tii) für 6 Modellsubstrate und 3 Minerale mithilfe von Sorptions-Desorptionsexperimenten bei verschiedenen Temperaturen, Arrheniusplots und mikrokalorimetrischen Experimenten ermitteln. AP2 nutzt miniaturisierte Inkubationsexperimente zur Quantifizierung der Nutzung und Mineralisierung sorbierter 14C-markierter Substrate in vier SPP Böden. Die Rolle der funktionalen Diversität für die Mineralisierung wird in AP 3 durch Manipulation der mikrobiellen Diversität mittels gezielter Inokulation und Verwendung von Ecoplates getestet. Abschließend wird in AP 4 die Mineralisierung in aggregierten und dispergierten SPP Böden untersucht, deren Aggregate morphologisch und physikalisch charakterisiert werden. Durch Zusammenführung der Ergebnisse der AP wird unser Projekt entscheidende Erkenntnisse zur Integration von Sorptionsprozessen und Aggregierung in thermodynamische Konzepte des Funktionierens und der Entwicklung von Bödenökosystemen liefern.