Schwerpunktprogramm (SPP) 2322: Systemökologie von Böden - das Mikrobiom und die Randbedingungen modulieren die Energieentladung, Teilprojekt: Sorptionsthermodynamik und Aggregation als Kontrollen der Substratnutzung und Mineralisierung 2: Reaktion auf komplexe Randbedingungen

Description: Die Sorptionsstärke organischer Moleküle an Mineralien und die Stabilität von Aggregaten, die organische Substrate schützen, gehören zu den Randbedingungen, die „die Energie- und Stoffdynamik der Bodenbiota prägen“ (Gesamthypothese C des SPP 2322). Obwohl die Stabilisierung organischer Substanz gegen mikrobielle Nutzung und Mineralisierung im Boden mit Sorption in Verbindung gebracht wurde, ist ihr Zusammenhang mit der Thermodynamik von Sorptionsprozessen weiterhin Gegenstand laufender Forschung. In der ersten Förderphase fanden wir heraus, dass die Sorptionsenergie von Carbonsäuren an Eisenoxidoberflächen wahrscheinlich ein dominierender Faktor für die mikrobielle Verarbeitung und damit die Bindung von Kohlenstoff ist. Bei Zuckern und Aminosäuren überlagerten biochemische Kreisläufe und andere Randbedingungen wie Nährstoffverfügbarkeit, Feuchtigkeitsgehalt oder pH-Wert die Effekte der Sorption und beeinflussten das Verhältnis mineralisierter/assimilierter Substrate (Kohlenstoffnutzungseffizienz). Um die Reaktion auf komplexe Randbedingungen zu analysieren, die die Energie- und Stoffnutzung beeinflussen, da sie von der Sorptionsthermodynamik abhängen, werden wir die folgenden Hypothesen testen: (HI) Die Gibbs-Freienergie der Sorption kleiner organischer Säuren und die thermodynamische Hysterese steigen mit der Nichtkristallinität des Minerals und den Hydroxylgruppen an der Oberfläche der sorbierenden Oxidmineralien. (HII) Die Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE) wird hauptsächlich durch Assimilation bestimmt und durch eine komplexe Kombination von Randbedingungen (Desorbierbarkeit, Nährstoffverfügbarkeit, Feuchtigkeit und pH-Wert) und nicht durch die Sorptionsstärke allein gesteuert. (HIII) Die mikrobielle Nutzung sorbierter Substrate steigt mit zunehmender funktioneller Vielfalt und Komplexität der mikrobiellen Gemeinschaft des Bodens bei konstanter N-, P- und Energieverfügbarkeit. Und (HIV) die Stabilität mineralischer Aggregate steigt mit sinkendem osmotischem Potenzial und Mikroben produzieren extrazelluläre polymere Substanzen, wodurch die Zugänglichkeit von Substanzen zur mikrobiellen Verarbeitung in wasserstabilen Aggregaten sinkt. Wir werden diese Hypothesen in sechs Arbeitspaketen (AP) anhand gespiegelter mineral- und aggregatbasierter Ansätze in Bochum/Gießen und Freiburg testen. Der mineralbasierte Ansatz skaliert von Oberflächen-Molekül-Interaktionen bis hin zur mikrobiellen Nutzung von an Mineralen sorbierten Substraten mit zunehmender Komplexität der Mineraloberflächen (Anzahl der OH-Gruppen, Kristallinität). Der aggregatbasierte Ansatz skaliert vom Wasserpotenzial von Bodensäulen bis hin zu einzelnen wasserstabilen Aggregaten, die aus komplexen Wechselwirkungen zwischen Wasser, Wärme und Mikroorganismen entstehen. Beide verwenden einen gemeinsamen Satz von Mineralen und Substraten: Goethit, Gibbsit, Kaolinit, Glucose*, Zitronensäure und teilweise Phenol* (*C6-Verbindungen aus dem Kernexperiment). Das Bodenmaterial stammt aus Thyrow (Projektstandard) sowie einer Auswahl der Zeitschritte und aller Bodenmischungen aus den jeweiligen gemeinsamen Batterie- und Komplexitätsexperimenten des SPP. Durch die Kombination der erwarteten Ergebnisse aus komplexen Randbedingungen wird unser Projekt wesentliche Erkenntnisse für die Integration thermodynamischer Konzepte in die Funktionsweise von Bodenökosystemen liefern.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Freiburg ? Glukose ? Phenol ? Aminosäure ? Zitronensäure ? Zucker ? Carbonsäure ? Kohlenstoff ? Kombinationswirkung ? Bodenkunde ? Bodenmikroorganismen ? Organische Säure ? Pflanzenverfügbarkeit ? Assimilation ? Bodenökosystem ? Bodenorganismen ? Sorption ? Testsubstanz ? Mikroorganismen ? Bodenbiodiversität ? Mineral ? Soil Sciences ?

Region: Baden-Württemberg Hessen Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 48.5° .. 48.5° 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55° 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (Projektverantwortung)
• Justus-Liebig-Universität Gießen (Projektverantwortung)
• Ruhr-Universität Bochum (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2021-01-01 - 2025-12-11

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Sub project: Sorption thermodynamics and aggregation as controls of substrate use and mineralization 2: Response to complex boundary conditions
  Description: Sorption strength of organic molecules to minerals and the stability of aggregates protecting organic substrates are among the boundary conditions that “shape the energy and matter dynamics of soil biota.” (overall Hypothesis C of SPP 2322). Although the stabilization of organic matter against microbial use and mineralization in soil has been linked to sorption, its relationship to the thermodynamics of sorption processes are still the subject of ongoing research. In the first funding phase, we found that the sorption energy of carboxylic acids to iron oxide surfaces is likely a dominating control on microbial processing and thus sequestration of C. For sugars and amino acids, biochemical cycling and other boundary conditions such as nutrient availability, moisture content or pH overwrote the effects of sorption and influenced the mineralized/assimilated substrate ratio (carbon use efficiency). To analyze the response to complex boundary conditions shaping energy and matter use, as depending on sorption thermodynamics we will test the following hypotheses: (HI) Gibbs free energy of sorption of small organic acids and thermodynamic hysteresis increases with mineral non-crystallinity and surface hydroxyl groups of the sorbent oxide minerals. (HII) Carbon use efficiency (CUE) is mainly determined by assimilation and controlled by a complex combination of boundary conditions (desorbability, nutrient availability, moisture and pH) rather than sorption strength alone. (HIII) Microbial use of sorbed substrates increases with greater functional diversity and complexity of the soil microbial community at constant N, P and energy availability. And (HIV) stability of mineral aggregates increases as osmotic potential decreases, and microbes produce extracellular polymeric substances, thus lowering the accessibility of substances to microbial processing in water stable aggeregates. We will test these hypotheses in six work packages (WP) through mirrored mineral- and aggregate-based approaches at Bochum/Giessen and Freiburg. The mineral-based approach scales from surface-molecule interactions to microbial use of substrates sorbed to minerals with increasing complexity of mineral surfaces (number of OH-groups, crystallinity). The aggregate-based approach scales from water potential of soil columns to individual water-stable aggregates resulting from complex interactions between water, heat and microorganisms. Both will use a common set of minerals and substrates: goethite, gibbsite, kaolinite, glucose*, citric acid and partly phenol* (*C6 compounds from core experiment). Soil material will come from Thyrow (project standard) and a selection of the time steps and all soil mixtures in the respective Battery and Complexity joint experiments of the SPP. Combining the expected results from complex boundary conditions, our project will deliver essential insights for the integration of thermodynamic concepts in soil ecosystem functioning. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140492

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/465123895 (Webseite)

Status

Aktiv

Quality score

• Overall: 0.49
• Findability: 0.63

  • Title: 0.80
  • Description: 0.02
  • Identifier: false
  • Keywords: 0.95
  • Spatial: RegionIdentified (1.00)
  • Temporal: true
• Accessibility: 0.67

  • Landing page: Specific (1.00)
  • Direct access: false
  • Publicly accessible: true
• Interoperability: 0.00

  • Open file format: false
  • Media type: false
  • Machine-readable metadata: false
  • Machine-readable data: false
• Reusability: 0.67

  • License: ClearlySpecifiedAndFree (1.00)
  • Contact info: false
  • Publisher info: true

Accessed 2 times.