Energiestrukturen - Energie hält dissipative Strukturen in Bodensystemen aufrecht

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Maskow; Professorin Dr. Gabriele Schaumann; Professor Dr. Sören Thiele-Bruhn
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465122757

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.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2322: Systemökologie von Böden – das Mikrobiom und die Randbedingungen modulieren die Energieentladung
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Daniel Tunega