Ist der Kohlenstoffabbau in Unterböden limitiert auf Hotspots? - Räumliche Erfassung des Substratabbaus und der Enzymaktivitäten mittels Radiographie und Zymographie

Durch die größere Relevanz von präferentiellen Fließwegen und Wurzeln für den Kohlenstoffinput in den Unterboden (< 30 cm) ergibt sich eine höhere räumliche Heterogenität der Kohlenstoffverteilung und -flüsse als im Oberboden. Eine mögliche räumliche Segregation zwischen Konsumenten und Kohlenstoff im Unterboden ist eine Theorie, weshalb der dortige Kohlenstoff nur langsam abgebaut wird. Dies lässt vermuten, dass im Unterboden der Kohlenstoffumsatz hauptsächlich in mikrobiellen „Hot Spots“ stattfindet. Bisherige methodische Ansätze können diese Theorie nicht untersuchen, da z.B. bei Substratmineralisierungsstudien nur gestörte Proben verwendet werden können. Die Kombination aus Radiographie und Zymographie kann ein neuer Ansatz sein, um die räumliche Aktivität von Enzymen und den Abbau von C14-markierten Substraten an ungestörten (Unter)Bodenproben zu untersuchen. An der Probe (11 x 7 cm) wird zunächst die räumliche Aktivität von Enzymen aus verschieden Nährstoffkreisläufen mittels Zymographie (1) erfasst. Anschließend wird die Bodenoberfläche mit einem C14-markierten Substrat (z.B. Glukose) besprüht (100 Bq cm-2). Hierfür wird ein hochpräziser Sprühroboter (iMatrix Spray) verwendet, der ein sehr kleines Volumen von 1 µl cm-2 auf die Probe bringt. Die Probe wird für 2 Wochen inkubiert und das mineralisierte C14 in einer KOH-Lösung gefangen und nach ausgesuchten Zeiträumen mittels b-Counter analysiert. Der räumliche Abbau des Substrats wird zu denselben Zeitpunkten mit Hilfe der Radiographie (Bestimmung der Verteilung der Radioaktivität) erfasst. Die Kombination der zwei verschiedenen Methoden wird zeigen, ob das Substrat hauptsächlich in den mikrobiellen „Hot Spots“ abgebaut wird. Nach Beendigung der Inkubation wird die Zymographie wiederholt, um zu untersuchen, ob durch die C-Zugabe neue „Hotspots“ im Laufe der Inkubation entstanden sind. Dieser Beitrag wird die ersten Ergebnisse für Oberboden vs. Unterboden behandeln

Hochauflösende Bestimmung der konzentrationsabhängigen Substrataffinität von Enzymen im Tiefenverlauf eines Dystric Cambisols

Enzyme sind für die Umsetzung und Speicherung von Nährstoffen im Boden von großer Bedeutung. Im Gegensatz zum Oberboden sind die Prozesse und Mechanismen der Kohlenstoff- und Nährstoffflüsse im Unterboden jedoch weitaus weniger erforscht und deren Wichtigkeit im globalen Stoffkreislauf weitestgehend unterschätzt. Für die Untersuchungen wurden auf der Langzeitmessfläche "Grinderwald" der SUBSOM Forschergruppe 40 km nord-westlich von Hannover aus einem Dystric Cambisol (FAO-WRB 2014) unter Buchenwald Bodenproben aus 15 Tiefenstufen (0-1 m alle 10 cm und 1-2 m alle 20 cm) an drei fest installierten Observatorien bis zu einer Tiefe von 2 m mit Rammkernsonden entnommen. Je Observatorium wurden zwei Teilflächen mit je drei Bohrungen beprobt, die für die weitere Analyse zu tiefenbezogenen Mischproben vereint wurden. Insgesamt wurden daher sechs Tiefenprofile analysiert. Stellvertretend für den C-, C/N-, N-, P- und S-Kreislauf wurde die Enzymaktivität von β-Glucosidase (C), Chitinase (C/N), Arginin-Aminopeptidase (N), saure-Phosphatase (P) und Sulfatase (S) mit dem von Marx et al. (2001) entwickelten Mikrotiterplattensystems bestimmt. Zur Ermittlung der Michaelis-Menten Kinetik wurde dabei die Reaktionsraten der Enzyme bei steigenden Substratkonzentrationen bestimmt, um somit die maximale Substrataffinität abbilden zu können. Für jedes Enzym wurde die Reaktionsrate bei den Substratkonzentrationen 0, 25, 50, 75, 100 und 200 µmol pro g Boden bestimmt. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Untersuchung Aufschluss über die spezifischen Reaktionsraten von Enzymen entlang des Tiefengradienten liefern, um somit das Verständnis von dem Einfluss von Enzymen auf die Stoffumsätze im Boden weiter verbessern zu können

Erfassung der mikrobiellen Dynamik im Boden unter Verwendung von aktiver und passiver Infrarot-Thermographie sowie Radiographie

Die mikrobielle Aktivität in Böden ist bei der Bewertung der Fruchtbarkeit, des Kohlenstoffverlusts und der Kontamination von Böden von großen Interesse. Bisher war eine hochauflösende räumliche und zeitliche Analyse der mikrobiellen Aktivität aufgrund methodischer, instrumenteller und analytischer Herausforderungen nicht möglich. Daher werden neue Techniken wie aktive und passive Infrarot-Thermographie (IRT) in Kombination mit Radiographie eingesetzt, um ein Verfahren zur Überwachung der räumlichen mikrobiellen Dynamik ungestörter Bodenproben zu entwickeln. In dieser Studie wurden Bodenproben dreier Äcker und eines Waldes verwendet, deren bodenbiologischen Eigenschaften sich signifikant unterscheiden. Diese wurden auf 50% der maximalen Wasserhaltekapazität befeuchtet und in einer luftdichten Handschuhbox mit kontrollierter relativer Luftfeuchtigkeit von 92% in Mikroplatten vorinkubiert. Anschließend wurde 14C-Glukose tröpfchenweise pipettiert oder flächenhaft mit einem Robotersprühsystem aufgetragen. Dadurch wird die mikrobielle Aktivität, die durch die Wärmeerzeugung der Bodenatmung messbar ist, auf eine für die IRT nachweisbare Grenze erhöht. Nach Glukoseapplikation wurde die mikrobielle Aktivität mit einer IRT-Kamera durch minütliche Aufnahmen der Oberflächentemperatur (passive IRT) überwacht. Darüber hinaus wurden die Raten der 14C-Glukose-Mineralisierung mittels Radiographie analysiert. Da Unterschiede der Bodenfeuchtigkeit und der Oberflächenstruktur die gemessenen Temperaturen potenziell beeinflussen können, wird die Veränderung des flächigen Bodenwassergehaltes und -struktur mittels aktiver IRT überwacht. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass sowohl die IRT als auch die Radiographie die mikrobielle Dynamik nach Glukoseapplikation abbilden können. Alle Bodenproben verzeichnen eine Erhöhung der Oberflächentemperatur und eine erhöhte 14C-Mineralisierung zwei Tage nach Glukoseapplikation, die charakteristisch für mikrobielle Mineralisierungsprozesse der substratinduzierten Respiration sind

Fließzellen-Technik: Neue Möglichkeit zur Untersuchung von bodenphysikalischen Parametern und Oberflächeneigenschaften von Bodenpartikeln an einer intakten Bodenstruktur?

Transport von Wasser- und Nährstoffen im Boden wird wesentlich durch physikalische und physikochemische Bodeneigenschaften beeinflußt. Die Porenraumstruktur (Porengröße, Tortuosität, Konnektivität) und ihre Oberflächeneigenschaften (Oberflächenladung und Oberflächenenergie) beeinflussen die Wasseradsorption und –verteilung im Boden. Organische Coatings können die Ausbildung heterogener Strukturen im Boden begünstigen, die lokale Bodenfeuchte beeinflussen oder zu „hotspots“ mit erhöhter biologischer Aktivität führen. Diese Prozesse können mit konventionellen Säulenversuchen nur unzureichend untersucht werden. Ziel war es daher, hydraulische Bodenprozesse in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften von Bodenpartikeln unter kontrollierten Laborbedingungen zu untersuchen. Mit einer neu entwickelten Probenahmetechnik (quaderförmige Fließzellen aus Acrylglas) wurden an intakten Bodenproben, neben Infiltrationsversuchen, die kleinräumige Verteilung (cm bis mm) von Bodeneigenschaften untersucht. Vorteil gegenüber Bodensäulen oder anderen Fließzellen ist der Zuschnitt von bis zu 7 parallelen dünnen Scheiben variabler Dicke (Minimum 0,5 cm, quasi-Replikate) aus einer intakten Bodenprobe (Dicke 3,5 cm) mit einer maximalen Untersuchungsfläche von 150 cm2 (20x7,5 cm). Validiert wurde die Fließzellen-Technik mit Modellböden (Sandmatrix mit Lehmbändern). Zur Charakterisierung der physikalischen, physikochemischen und biologischen Bodeneigenschaften wurden folgende Analysen an parallelen, intakten Proben einer podsolierten Braunerde (Tiefe 70-90 cm) durchgeführt: i) Räumliche Verteilung der Benetzungseigenschaften über Kontaktwinkelmessungen ii) 2D-Mapping der räumlichen Verteilung von funktionellen Gruppen der organischen Substanz mit diffuser Reflexions-Fourier-Transformations Infrarotspektroskopie (DRIFT), iii) räumliche Verteilung der biologischen Aktivität über Zymografie und iv) radiografische Untersuchung der Wasserverteilung während eines Infiltrationsexperimentes. Die neu entwickelte Fließzellen-Technik bietet die Möglichkeit, bodenphysikalische Parameter in Kombination mit Oberflächeneigenschaften von Bodenpartikeln zu untersuchen und kann Aufschluss über Ursachen und Relevanz von kleinräumigen Heterogenitäten in Unterböden liefern. Limitiert wird die Fließzellen-Technik durch dickere Wurzeln und Partikel > 2mm

Carbon sequestration potential and physicochemical properties differ between wildfire charcoals and slow-pyrolysis biochars

Pyrogenic carbon (PyC), produced naturally (wildfire charcoal) and anthropogenically (biochar), is extensively studied due to its importance in several disciplines, including global climate dynamics, agronomy and paleosciences. Charcoal and biochar are commonly used as analogues for each other to infer respective carbon sequestration potentials, production conditions, and environmental roles and fates. The direct comparability of corresponding natural and anthropogenic PyC, however, has never been tested. Here we compared key physicochemical properties (elemental composition, δ13C and PAHs signatures, chemical recalcitrance, density and porosity) and carbon sequestration potentials of PyC materials formed from two identical feedstocks (pine forest floor and wood) under wildfire charring- and slow-pyrolysis conditions. Wildfire charcoals were formed under higher maximum temperatures and oxygen availabilities, but much shorter heating durations than slow-pyrolysis biochars, resulting in differing physicochemical properties. These differences are particularly relevant regarding their respective roles as carbon sinks, as even the wildfire charcoals formed at the highest temperatures had lower carbon sequestration potentials than most slow-pyrolysis biochars. Our results challenge the common notion that natural charcoal and biochar are well suited as proxies for each other, and suggest that biochar’s environmental residence time may be underestimated when based on natural charcoal as a proxy, and vice versa

The Prognostic PDE4D7 Score in a Diagnostic Biopsy Prostate Cancer Patient Cohort with Longitudinal Biological Outcomes

Purpose. To further validate the prognostic power of the biomarker PDE4D7, we investigated the correlation of PDE4D7 scores adjusted for presurgical clinical variables with longitudinal postsurgical biological outcomes. Methods. RNA was extracted from biopsy punches of resected tumors (550 patients; RP cohort) and diagnostic needle biopsies (168 patients; DB cohort). Cox regression and survival were applied to correlate PDE4D7 scores with patient outcomes. Logistic regression was used to combine the clinical CAPRA score with PDE4D7. Results. In univariate analysis, the PDE4D7 score was significantly associated with PSA recurrence after prostatectomy in both studied patient cohorts' analysis (HR 0.53; 95% CI 0.41-0.67; p<1.0E-04 and HR 0.47; 95% CI 0.33-0.65; p<1.0E-04, respectively). After adjustment for the presurgical clinical variables preoperative PSA, PSA density, biopsy Gleason, clinical stage, percentage tumor in the biopsy (data only available for RP cohort), and percentage of positive biopsies, the HR was 0.49 (95% CI 0.38-0.64; p<1.0E-04) and 0.43 (95% CI 0.29-0.63; p<1.0E-04), respectively. The addition of the PDE4D7 to the clinical CAPRA score increased the AUC by 5% over the CAPRA score alone (0.82 versus 0.77; p=0.004). This combination model stratified 14.6% patients of the DB cohort to no risk of biochemical relapse (NPV 100%) over a follow-up period of up to 15 years. Conclusions. The PDE4D7 score provides independent risk information for pretreatment risk stratification. Combining CAPRA with PDE4D7 scores significantly improved the clinical risk stratification before surgery

Biochar: pyrogenic carbon for agricultural use: a critical review.

O biocarvão (biomassa carbonizada para uso agrícola) tem sido usado como condicionador do solo em todo o mundo, e essa tecnologia é de especial interesse para o Brasil, uma vez que tanto a ?inspiração?, que veio das Terras Pretas de Índios da Amazônia, como o fato de o Brasil ser o maior produtor mundial de carvão vegetal, com a geração de importante quantidade de resíduos na forma de finos de carvão e diversas biomassas residuais, principalmente da agroindústria, como bagaço de cana, resíduos das indústrias de madeira, papel e celulose, biocombustíveis, lodo de esgoto etc. Na última década, diversos estudos com biocarvão têm sido realizados e atualmente uma vasta literatura e excelentes revisões estão disponíveis. Objetivou-se aqui não fazer uma revisão bibliográfica exaustiva, mas sim uma revisão crítica para apontar alguns destaques na pesquisa sobre biochar. Para isso, foram selecionados alguns temaschave considerados críticos e relevantes e fez-se um ?condensado? da literatura pertinente, mais para orientar as pesquisas e tendências do que um mero olhar para o passad

Root-induced fungal growth triggers macroaggregation in forest subsoils.

Subsoils are characterized by low concentrations of organic carbon (OC). Nevertheless, they contain more than half of the global soil OC because of their large volume. This discrepancy suggests that subsoils might further sequester carbon (C), thus acting as potential sinks for atmospheric C. Plant roots and associated rhizodeposits are a major OC input source to subsoils. However, whether and how increased OC inputs via plant roots to subsoils affect soil C sequestration mechanisms remains unclear. Here we set up a pot experiment with European Beech (Fagus sylvatica L.) seedlings to investigate the effect of tree roots and associated rhizosphere development on soil aggregation and C allocation in topsoil vs. subsoil material collected from three forest sites of different parent materials. Over a 5-month growth period, the seedlings developed a dense root system transforming the whole soil volume into root-affected (i.e., rhizosphere) soil. We found that roots and the associated rhizosphere development increased the amount of macroaggregates in the two finest-textured subsoils. The most C-poor and fine-textured subsoil had a 15% increase in bulk OC concentration, indicating a potential for C sequestration in subsoils by enhanced macroaggregation. Across subsoils, rooting strongly enhanced microbial abundance and was especially correlated with fungal abundance and a shift in the fungal-to-bacterial- ratio. The strong fungal growth was likely the cause for the enhanced macroaggregation in these subsoils. In topsoils, however, rooting treatment decreased macroaggregate abundance, potentially through the disruption of preexisting aggregates, as indicated by the concomitant increase in microaggregates. Our study supports the growing awareness that OC dynamics may be governed by different mechanisms in top- and subsoils, respectively. It demonstrates that the enhanced addition of OM via plant roots to subsoils boosts fungal growth and thereby increases macroaggregate formation, potentially facilitating C sequestration by occlusion