Description: Organische Bodensubstanz (SOM) ist nicht passiv, sondern ein ständiger Fluss von Materie (oder Kohlenstoff - C) und Energie (E). Diesen Fluss treiben von Boden(mikro)biota erzeugte Gradienten an, was sie zu einem integralen Bestandteil desselben macht. Er ermöglicht den Mikrobiota sich durch Selbstorganisation einem Fließgleichgewicht anzunähern und es entstehen zeitlich und räumlich geordnete, dissipative Prozesse und/oder Strukturen (DS). Vermutlich nähern sich die Flüsse und Transferraten einem thermodynamischen Optimum, wie es z. B. das Maximum-Power-Prinzip (MPP) formuliert. Durch diese Prozesse wird E in qualitativ (Entropie vs. Enthalpie) unterschiedliche Pools verteilt: a) Wärme, b) sequestrierte SOM, c) bioverfügbare SOM, d) Biomasse. Die Organismen nutzen jedoch nur einen Teil der E des Substrates. Diese bioverfügbare E hängt von dessen energetischen Eigenschaften, seinem Status im Boden (z. B. Sorption) und der Nutzung zusätzlicher SOM-Komponenten (Priming) ab. Unser Ziel ist es zu verstehen, wie eine E-Zugabe das Auftreten von und/oder den Wechsel zwischen DS (Prozesszuständen) im Boden steuert. Dazu werden die DS durch Experimente mit unterschiedlichen Substratzugaben untersucht. Dies sind 1) einmalige, 2) wiederholte, 3) kontinuierliche Zugaben. Während 1) die Umwandlungsphasen zwischen DS zeigt, führt 2) zu oszillierenden Strukturen, welche die Resilienz der DS zeigen und 3) ermöglicht, die DS in ihren Eigenschaften nahe dem stationären Zustand zu untersuchen. Stationäre Zustände erleichtern die Prüfung thermodynamischer Optimierungsprinzipien (z. B. MPP) und lassen sich besser mit Modellen der irreversiblen Thermodynamik beschreiben. Die Kombination von Stoff- und E-Bilanzen mit kalorimetrischen Messungen ist das geeignete Instrument zur Untersuchung DS, da diese als dynamische Stoff- und E-Flüsse zu verstehen sind. Die bioverfügbare E ist ein entscheidender Faktor für die Aufrechterhaltung bestehender oder die Etablierung neuer DS. Sie hängt von thermodynamischen molekularen Substrateigenschaften und der Nutzung von OBS-Komponenten (Priming) ab und wird durch Wechselwirkungen zwischen Substrat und Boden modifiziert Dies wird mit den o.a. Ansätzen 1-3 in Mikrokosmos-, Kalorespirometer- und kontinuierlichen Röhrenreaktorversuchen untersucht. Zum Erhalt vollständiger Bilanzen werden z.T. werden 13C-markierte Substrate verwendet. Aus den Ergebnissen werden QSAR-Modelle abgeleitet (weitere Parameter aus quantenchemischer Modellierung), um die bioverfügbare E zu schätzen. Durch thermokinetische Modellierung aller Ergebnisse werden Gibbs-E und Entropieänderungen der Substratumsätze berechnet. Es wird erwartet, dass eine modellgestützte Abschätzung der C- und E-Retention durch die Bodenbiota, die Bestimmung der Nutzungseffizienz von C und E und die Abschätzung der Speicherung von OM im Boden erreicht werden kann. Insgesamt trägt dies zu einem besseren Verständnis und Management des C-Budgets von Böden bei.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Fluss
?
Humus
?
Kohlenstoff
?
Resilienz
?
Bodenkunde
?
Bodenstruktur
?
Bodenorganismen
?
Sorption
?
QSAR-Modell
?
Modellierung
?
REACH
?
Biomasse
?
Lebewesen
?
Fluss
?
Soil Sciences
?
Region:
Rheinland-Pfalz
Saxony
Bounding boxes:
7.5° .. 7.5° x 49.66667° .. 49.66667°
13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
Time ranges:
2021-01-01 - 2025-12-01
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Sub project: Energy Structures - Energy sustains dissipative structures in soil systems
Description: Soil organic matter (SOM) is not locked away in soil but a constant flow of matter (or carbon - C) and energy (E). This flow is driven by gradients generated by soil (micro)biota making them an integral part of it. It enables the microbiota to self-organise and approach steady states, so that temporally and spatially ordered, dissipative processes and/or structures emerge. Characteristic flows and maximum transfer rates are assumed to approach towards a thermodynamic optimum, as e.g. formulated by the maximum power principle (MPP). Through these processes, E is distributed into qualitatively (entropy vs. enthalpy) different pools: a) heat, b) sequestered SOM, c) bioavailable SOM, d) biomass. However, the organisms use only a proportion of the E provided by the substrate. This bioavailable E depends on the energetic properties of the substrate, its status in the soil (e.g. sorption), and the co-utilization of SOM components (priming). Our aim is to understand how E input controls the occurrence of and/or the change between dissipative structures (process states) in soil. We aim to investigate this based on the following knowledge and assumptions. Dissipative structures can be recognized in experiments with different substrate additions, i.e. 1) a single pulse, 2) repeated additions and 3) a quasi-steady state. While 1) shows the transformation between dissipative structures, 2) leads to oscillations showing the resilience of the dissipative structure and 3) allows to identify properties of the dissipative structure in its near steady state. Steady states facilitate the testing of thermodynamic optimization principles (e.g. MPP) and are more readily described by irreversible thermodynamics models. The combination of matter balances and E measurements (calo(respiro)metry) is the appropriate tool, since dissipative structures are to be understood as dynamic flows of matter and E. The bioavailable E is decisive for the maintenance of existing or the establishment of new (possibly temporary) dissipative structures. It depends on thermodynamic molecular substrate properties and the soil reserves (priming), being modified by soil-substrate interaction. This will be investigated using the aforementioned approaches 1-3 in microcosm, calorespirometer and continuous tubular reactor experiments. In part, 13C labelled selected chemicals will be used as substrates to obtain full balances. Experimental results will be used to derive QSAR models (additional parameters determined by quantum chemical modelling) to estimate the bioavailable E. Thermokinetic modeling will be applied to all experimental results to calculate Gibbs E and entropy changes of SOM reactions. It is expected to reach a model based estimation of C and E retention by the soil biota, to determine utilization efficiencies of C and E, and to estimate the stabilization/storage of OM in soil. Overall, this contributes to a better understanding, estimation and management of the C budget of soils.
https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140486
Resources
Status
Quality score
- Overall: 0.50
-
Findability: 0.68
- Title: 0.80
- Description: 0.37
- Identifier: false
- Keywords: 0.93
- 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 1 times.