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Projekt
Thermodynamische Modellierung der Umsätze von organischer Substanz und Energie im Boden auf einer aggregierten Systemperspektive (SysPer)
Antragsteller
Privatdozent Dr. Axel Kleidon; Dr. Thomas Wutzler
Fachliche Zuordnung
Bodenwissenschaften
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554808738
Eine große Stärke der Thermodynamik besteht darin, dass man mit ihrer Hilfe auf einem sehr hohen Aggregationsniveau beschreiben kann, wie Randbedingungen die Energieumsätze von Systemen unter Optimalitätsannahmen beeinflussen. Die Möglichkeiten, die diese aggregierende Perspektive bietet, wurden in der ersten Phase des Schwerpunktprogramms noch nicht ausreichend genutzt. Während die Untersuchung des gemessenen Wärmeaustauschs (Enthalpie) wichtige Einblicke in spezifische Prozesse gewährt hat, fehlen bislang eine konsistente Einbindung der Gibbs-Energie und der Entropie, sowie eine thermodynamische Beschreibung des Bodens, die über die mikrobielle Wachstumsreaktion hinaus geht und die Bildung von Nicht-Wachstumskomponenten (wie extrazellulären Enzymen) mit berücksichtigt. Daher wird dieses Projekt die Gesamtsystemperspektive nutzen um mit Hilfe von Modellentwicklung und thermodynamischen Optimalitätsprinzipien zu untersuchen, 1) wie sich die mikrobielle Allokation von Ressourcen in die Produktion extrazellulärer Enzyme auf den Fluss von Energie mit den Substraten zu den Mikroben auswirkt und 2) wie die Randbedingungen die mikrobielle Allokation von Ressourcen beeinflussen. Wir werden (i) die Entwicklung der Energienutzungseffizienz (EUE) und der Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE) unter verschiedenen Randbedingungen beschreiben und (ii) einfache Beziehungen und Modelle mit weniger Parametern ableiten. Anhand dieser aggregierten Modelle werden wir relevante Rückkopplungen erforschen, die die Optimalität des Gesamtsystems prägen, und Beziehungen für die maximal mögliche CUE und die Investition von Ressourcen in wachstumsunabhängige Komponenten von Mikroben ableiten. Diese Beziehungen zwischen Randbedingungen und Merkmalen der Mikroben sind auch für andere Arbeitsgruppen im Schwerpunkprogramm wichtig, die mit detaillierteren Modellen spezifische Prozesse im selben System studieren. Weiterhin werden diese abgeleiteten Beziehungen dazu beitragen, die Beobachtungen anderer Experimente im Schwerpunktprogramm zu interpretieren. Darüber hinaus ermöglicht die Systemperspektive Erkenntnisse auf einer allgemeineren Ebene und erlaubt dadurch Vorhersagen für andere Standorte und Experimente, für die nicht so viele detaillierte Beobachtungen zur Verfügung stehen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
