Multiscale modeling of colloidal dynamics in porous media : capturing aggregation and deposition effects

We investigate the influence of multiscale aggregation and deposition on the colloidal dynamics in a saturated porous medium. At the pore scale, the aggregation of colloids is modeled by the Smoluchowski equation. Essentially, the colloidal mass is distributed between different size clusters. We treat these clusters as different species involved in a diffusion-advection-reaction mechanism. This modeling procedure allows for different material properties to be varied between the different species, specifically the rates of diffusion, aggregation, deposition as well as the advection velocities. We apply the periodic homogenization procedure to give insight into the effective coefficients of the upscaled model equations. Benefiting from direct access to microstructural information, we capture by means of 2D numerical simulations the effect of aggregation on the deposition rates recovering this way both the blocking and ripening regimes reported in the literature

Organische Bodensubstanz in sulfatsauren Böden

Sulfatsaure Böden sind Böden und Sedimente, die Eisensulfide enthalten und verbreitet in Küstenregionen und Binnenländern vorkommen. Unter wassergesättigten Bedingungen sind sie produktive Böden der Feuchtgebiete. Eine Austrocknung dieser Böden (durch Entwässerung oder Dürreperioden) führt zur Oxidation der Eisensulfide und damit zu einer starken Versauerung aufgrund der Freisetzung von Schwefelsäure. Nach Wiedervernässung und Wiedereinsetzen reduzierender Bedingungen führt die Aktivität sulfatreduzierender Bakterien zur Bildung von Pyrit und damit zur pH-Erhöhung. Sulfatreduzierende Bakterien sind heterotroph und benötigen ausreichend verfügbares organisches Material. In vielen Regionen kommt es jedoch nach Wiedervernässung solcher Standorte nicht zum erwarteten pH-Anstieg. Dies weist auf eine geringe Aktivität sulfatreduzierender Bakterien hin, obwohl die Gesamtmenge an organischer Bodensubstanz (OBS) in diesen Böden oft hoch ist. Wir vermuten daher, dass eine geringe Verfügbarkeit von OBS die Aktivität der Sulfatreduzierer in wiedervernässten sulfatsauren Böden limitiert. In unserer Studie wurden Menge und Zusammensetzung der OBS in Bodenprofilen zweier wiedervernässter sulfatsaurer Böden in Südaustralien untersucht. Hierbei wurde das Augenmerk besonders auf die verfügbare, nicht-mineralassoziierte OBS gelegt. Bei beiden Standorten handelte es sich um Flußsedimente, die während einer extremen Dürreperiode zwischen 2008 und 2010 tiefgründig austrockneten und stark versauerten (pH <4). Seit dem Ende der Dürreperiode sind beide Standorte wieder vollständig vernässt. In einem Standort erholte sich der pH-Wert vollständig und zeigte 2015 neutrale pH-Werte, während der andere Standort im Unterboden noch immer deutlich versauert war. In den Bodenproben wurde die Menge der OBS bestimmt und mittels Dichtefraktionierung der Anteil der nicht-mineralassoziierten OBS analysiert. Die chemische Zusammensetzung der OBS wurde mittels Festkörper 13C NMR Spektroskopie und Neutralzuckeranalytik untersucht. Es zeigte sich, dass die sulfatsauren Böden zwar hohe OBS-Mengen, jedoch niedrige Anteile an leicht abbaubaren Kohlenhydraten und Proteinen und hohe Anteile an schwer abbaubaren Lipiden und Lignin enthalten. Die geringsten Gehalte an Kohlenhydraten und Proteinen fanden sich im immer noch stark versauerten Boden. Schwer abbaubare OBS ist kaum als Substrat für Sulfatreduzierer geeignet und erschwert somit die pH-Erhöhung in wiedervernässten sulfatsauren Böden

Projected loss of soil organic carbon in temperate agricultural soils in the 21^stcentury: effects of climate change and carbon input trends

Climate change and stagnating crop yields may cause a decline of SOC stocks in agricultural soils leading to considerable CO2 emissions and reduced agricultural productivity. Regional model-based SOC projections are needed to evaluate these potential risks. In this study, we simulated the future SOC development in cropland and grassland soils of Bavaria in the 21st century. Soils from 51 study sites representing the most important soil classes of Central Europe were fractionated and derived SOC pools were used to initialize the RothC soil carbon model. For each site, long-term C inputs were determined using the C allocation method. Model runs were performed for three different C input scenarios as a realistic range of projected yield development. Our modelling approach revealed substantial SOC decreases of 11–16% under an expected mean temperature increase of 3.3 °C assuming unchanged C inputs. For the scenario of 20% reduced C inputs, agricultural SOC stocks are projected to decline by 19–24%. Remarkably, even the optimistic scenario of 20% increased C inputs led to SOC decreases of 3–8%. Projected SOC changes largely differed among investigated soil classes. Our results indicated that C inputs have to increase by 29% to maintain present SOC stocks in agricultural soils

Assoziation organischer Bodensubstanz mit mineralischen Oberflächen in einem ackerbaulich genutzten Oberboden mit unterschiedlicher Bodentextur

Die Menge und mikroskalige Verteilung mineralassoziierter organischer Bodensubstanz (engl. mineral-associated organic matter, MOM) hängt von der Verfügbarkeit und Zugänglichkeit adsorptiver Mineraloberflächen ab. In tonarmen Böden mit wenig Mineraloberfläche müsste der Bedeckungsgrad an organischer Substanz entsprechend höher sein als in tonreichen Böden bei gleicher MOM Konzentration. In dieser Arbeit wurde MOM im Oberboden (0-20 cm) einer ackerbaulich genutzten (Para-)Braunerde mit unterschiedlicher Bodentextur untersucht. Die beprobte Fläche in Scheyern (Bayern, Deutschland) wurde einheitlich bewirtschaftet und mit gleichen Mengen organischen Materials versorgt. Der Texturgradient (6-37 % Partikel in der Tonfraktion) lässt sich wahrscheinlich auf unterschiedliche Lössanteile in den grobkörnigeren Tertiärsedimenten zurückführen. Um die MOM zu untersuchen, wurde aus der schweren Dichtefraktion >1,6 g cm‑3 die Feinschluff- (2‑6,3 µm) und Tonfraktion (0,2‑2 µm) gewonnen. Neben der Konzentration mineralassoziierten Kohlenstoffs wurde die chemische Zusammensetzung der MOM durch 13C-Festkörper-Kernresonanzspektroskopie bestimmt. In der Tonfraktion wurde durch Nano Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) die räumliche Verteilung der Ionen 16O‑, 12C‑ und 12C14N‑ bestimmt, welche mittels Bildbearbeitung als Indikator des räumlichen organischen Bedeckungsgrads herangezogen wurde. Röntgenbeugungsanalysen haben gezeigt, dass die mineralogische Zusammensetzung ähnlich ist, wobei die Auswirkungen eines schwankenden Vermiculitgehalts noch durch Bestimmung der Kationenaustauschkapazität näher überprüft werden. Die Konzentration mineralassoziierten Kohlenstoffs in der Feinschluff und Tonfraktion war bei 6 % Tongehalt mit 80 mg g‑1 höher als bei 15 % Tongehalt mit 40 mg g‑1. In den Böden mit Tongehalt zwischen 15 und 30 % war die Konzentration mineralassoziierten Kohlenstoffs dagegen konstant bei etwa 40 mg g‑1. Zusätzlich zeigten die NanoSIMS-Messungen einen höheren organischen Bedeckungsgrad in den tonarmen Böden als in den tonreichen Böden. Unsere Daten besagen, dass in den untersuchten tonarmen Böden unter 15 % Tongehalt die MOM Konzentration als auch der Bedeckungsgrad höher ist je niedriger der Tongehalt. In den untersuchten tonreichen Böden über 15 % Tongehalt war die MOM Konzentration und der organische Bedeckungsgrad konstant niedrig, was auf ausreichende Verfügbarkeit und Zugänglichkeit adsorptiver Mineraloberflächen ab dieser Bodentextur schließen lässt

Flux-splitting schemes for parabolic problems

To solve numerically boundary value problems for parabolic equations with mixed derivatives, the construction of difference schemes with prescribed quality faces essential difficulties. In parabolic problems, some possibilities are associated with the transition to a new formulation of the problem, where the fluxes (derivatives with respect to a spatial direction) are treated as unknown quantities. In this case, the original problem is rewritten in the form of a boundary value problem for the system of equations in the fluxes. This work deals with studying schemes with weights for parabolic equations written in the flux coordinates. Unconditionally stable flux locally one-dimensional schemes of the first and second order of approximation in time are constructed for parabolic equations without mixed derivatives. A peculiarity of the system of equations written in flux variables for equations with mixed derivatives is that there do exist coupled terms with time derivatives

Sorptive stabilization of organic matter by amorphous Al hydroxide

Amorphous Al hydroxides (am-Al(OH)3) strongly sorb and by this means likely protect dissolved organic matter (OM) against microbial decay in soils. We carried out batch sorption experiments (pH 4.5; 40 mg organic C L-1) with OM extracted from organic horizons under a Norway spruce and a European beech forest. The stabilization of OM by sorption was analyzed by comparing the CO2 mineralized during the incubation of sorbed and non-sorbed OM. The mineralization of OM was evaluated based in terms of (i) the availability of the am-Al(OH)3, thus surface OM loadings, (ii) spectral properties of OM, and (iii) the presence of phosphate as a competitor for OM. This was done by varying the solid-to-solution ratio (SSR = 0.02-1.2 g L-1) during sorption. At low SSRs, hence limited am-Al(OH)3 availability, only small portions of dissolved OM were sorbed; for OM from Oa horizons, the mineralization of the sorbed fraction exceeded that of the original dissolved OM. The likely reason is competition with phosphate for sorption sites favouring the formation of weak mineral-organic bindings and the surface accumulation of N-rich, less aromatic and less complex OM. This small fraction controlled the mineralization of sorbed OM even at higher SSRs. At higher SSRs, i.e., with am-Al(OH)3 more available, competition of phosphate decreased and aromatic compounds were sorbed selectively, which resulted in pronounced resistance of sorbed OM against decay. The combined OC mineralization of sorbed and non-sorbed OM was 12-65% less than that of the original DOM. Sorbed OM contributed only little to the overall OC mineralization. Stabilization of OC increased in direct proportion to am-Al(OH)3 availability, despite constant aromatic C (~30%). The strong stabilization at higher mineral availability is primarily governed by strong Al-OM bonds formed under less competitive conditions. Due to these strong bonds and the resulting strong stabilization, the surface loading, a proxy for the mineral's occupation by OM, was not a factor in the mineralization of sorbed OM over a wide range of C sorption (0.2-1.1 mg C m-2). This study demonstrates that sorption to am-Al(OH)3 results in stabilization of OM. The mineral availability as well as the inorganic solution chemistry control sorptive interactions, thereby the properties of sorbed OM, and the stability of OM against microbial decay

Fungi Unearthed: Transcripts Encoding Lignocellulolytic and Chitinolytic Enzymes in Forest Soil

BACKGROUND: Fungi are the main organisms responsible for the degradation of biopolymers such as lignin, cellulose, hemicellulose, and chitin in forest ecosystems. Soil surveys largely target fungal diversity, paying less attention to fungal activity. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Here we have focused on the organic horizon of a hardwood forest dominated by sugar maple that spreads widely across Eastern North America. The sampling site included three plots receiving normal atmospheric nitrogen deposition and three that received an extra 3 g nitrogen m(2) y(1) in form of sodium nitrate pellets since 1994, which led to increased accumulation of organic matter in the soil. Our aim was to assess, in samples taken from all six plots, transcript-level expression of fungal genes encoding lignocellulolytic and chitinolytic enzymes. For this we collected RNA from the forest soil, reverse-transcribed it, and amplified cDNAs of interest, using both published primer pairs as well as 23 newly developed ones. We thus detected transcript-level expression of 234 genes putatively encoding 26 different groups of fungal enzymes, notably major ligninolytic and diverse aromatic-oxidizing enzymes, various cellulose- and hemicellulose-degrading glycoside hydrolases and carbohydrate esterases, enzymes involved in chitin breakdown, N-acetylglucosamine metabolism, and cell wall degradation. Among the genes identified, 125 are homologous to known ascomycete genes and 105 to basidiomycete genes. Transcripts corresponding to all 26 enzyme groups were detected in both control and nitrogen-supplemented plots. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Many of these enzyme groups are known to be important in soil turnover processes, but the contribution of some is probably underestimated. Our data highlight the importance of ascomycetes, as well as basidiomycetes, in important biogeochemical cycles. In the nitrogen-supplemented plots, we have detected no transcript-level gap likely to explain the observed increased carbon storage, which is more likely due to community changes and perhaps transcriptional and/or post-transcriptional down-regulation of relevant genes