Driver Pool

Böden sind dynamische und vielfältige Systeme, die ständige Veränderungen in Form von Energie- und Stoffflüssen erfahren. Durch den Eintrag von organischer Substanz in den Boden wird die mikrobielle Aktivität stimuliert und dabei Umwandlungsprozesse von Energie und Materie durch den mikrobiellen Stoffwechsel initiiert. Die in den Boden eingebrachte organische Substanz (z. B. Pflanzenstreu, Ausscheidungen, Rückstände von Organismen) liefert Bausteine und Energie für die Bodenmikroben und spielt daher eine Schlüsselrolle bei deren Wachstums- und Erhaltungsprozessen (Anabolismus) als auch bei der Atmung (Katabolismus). Der Oberbegriff organische Substanz umfasst eine Vielzahl von Substraten wie Kohlenhydrate (z. B. Zellulose, Chitin, Stärke und Glukose), Lignin, Proteine und Lipide. Die Substrate können sich hinsichtlich ihrer (Bio-)Verfügbarkeit, ihres Energiegehalts und ihrer elementaren Zusammensetzung unterscheiden und werden daher von der mikrobiellen Bodengemeinschaft mit unterschiedlicher Effizienz verstoffwechselt. Um den Grad der Substratumwandlung zu quantifizieren, kann die Kohlenstoffnutzungs- sowie die Elektronen-nutzungseffizienz herangezogen werden. Darüber hinaus tragen die Bodenmikroben durch die Produktion von Biomasse und deren Umwandlung in Nekromasse zu den Pools der organischen Bodensubstanz (OBS) bei. Die verschiedenen OBS-Pools dienen als Energie- und Stoffspeicher und werden durch Stabilisierungsprozesse im Zusammenhang mit dem mikrobiellen Stoffwechsel und der Verfügbarkeit der natürlichen organischen Materie (mikrobielle Kohlenstoffpumpe) beeinflusst.

Bis heute ist unklar, welches die treibenden Kräfte sind, die die OBS-Umwandlungsprozesse unter bestimmten Bodenbedingungen steuern und die Verteilung der natürlichen organischen Materie zwischen den verschiedenen funktionalen OBS-Pools lenken. Obwohl die Thermodynamik die Grundlage für die Energieflüsse im Boden bildet, wurde sie bisher kaum auf den Kohlenstoffkreislauf in den Böden angewandt. Um das Zusammenspiel zwischen Energieflüssen und Umsätzen der natürlichen organischen Materie in Böden besser zu verstehen, zielt das DriverPool-Projekt darauf ab, einen neuartigen, auf der Thermodynamik basierenden Ansatz zu entwickeln, der hilft, die OBS-Dynamik durch bekannte thermodynamische Zustandsfunktionen wie die freie Gibbs-Energie (G), Enthalpie (H) und Entropie (S) zu beschreiben und zu modellieren.

Im Einzelnen wollen wir verstehen, wie der mikrobielle Abbau von Substraten die Energie- und Massenbilanz zwischen verschiedenen Kohlenstoffpools beeinflusst und welches die wichtigsten thermodynamischen Faktoren sind. Um diese Umwandlungs- und Verteilungsprozesse zu untersuchen, werden sieben Substrate mit genau definierten Eigenschaften in den Boden eingebracht und mit modernsten thermischen Analysen unter Laborbedingungen untersucht. Diese Untersuchungen umfassen drei wesentliche Punkte: (i) Aufstellung vollständiger Energie- und Stoffbilanzen für den Substratumsatz, (ii) Messung der Kinetik dieser mikrobiell angetriebenen Prozesse und (iii) Bestimmung der Substratverteilung auf die verschiedenen Pools. Daraus lassen sich substratspezifische Größen wie die Kohlenstoffnutzungs-, Elektronnutzungseffizienz und Wärmeströme ableiten. Schließlich wird auf der Grundlage der Ergebnisse aus i-iii) ein thermokinetisches Modell entwickelt, das dann erstmals Energie- und Stoffflüsse kombiniert.

DriverPool ist ein gemeinsames Projekt der Universität Trier, des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig und der Universität Koblenz-Landau.