Enzyme in Bewegung ? - Verlagerung von extrazellulären Enzymen mit dem Sickerwasser

Extrazelluläre Enzyme tragen wesentlich zum Umsatz organischen Materials im Boden bei. Durch die Bestimmung Ihrer Aktivität können Aussagen zum Nährstoffstatus und Umsatzbedingungen im Boden getroffen werden. Die meisten Studien, die sich bisher mit Aktivitäten von extrazellulären Enzymen beschäftigt haben, legten ihren Fokus auf die Rolle und Funktion der Enzyme im Nährstoffumsatz, wohingegen nur wenige Studien Verlagerungen von Enzymen, zum Beispiel mit dem Sickerwasserstrom untersuchten. Durch eine mögliche Verlagerung können extrazelluläre Enzyme in tiefere Horizonte des Bodens eingetragen werden und hier zum Abbau der nur in geringen Mengen vorhandenen organischen Substanz beitragen. Um diesen möglichen Eintrag abschätzen zu können, werden im Rahmen der SUBSOM-Forschergruppe Sickerwasserproben aus drei unterschiedlichen Tiefen (10, 50, 150cm) einer Braunerde unter Buchenwald (40km nordwestlich von Hannover, Niedersachsen) entnommen. Die Sickerwasserproben wurden mit Hilfe von Saugplatten aus drei am Standort eingebauten Lysimetern (Durchmesser: 1,5m; Tiefe: 2,00m) gewonnen und anschließend im Hinblick auf die Aktivität unterschiedlicher extrazellulärer Enzyme aus dem C-, N-, und P-Kreislauf im Labor analysiert. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die Gesamtaktivität der extrazellulären Enzyme im Sickerwasser in allen Tiefen mit 0,59-371 pmol ml h-1 im Vergleich zum Boden sehr gering ist. Die Aktivitäten von β-Xylosidase und Leucine-Aminopeptidase konnten in allen Tiefen nachgewiesen werden, während Phosphatase nur in Tiefe 10 und 50cm aktiv war. Im oberen Unterboden (10cm) konnten keine Aktivitäten von Sulfatase, α-Glucosidase, β-Cellobiosidase, Arginin-Aminopeptidase and Tyrosin-Aminopeptidase gemessen werden, obwohl sie in der Tiefe 50 und 150cm wieder auftraten. Generell zeigte sich, dass extrazelluläre Enzyme im Sickerwasser aktiv sind und somit in tiefere Bodenhorizonte verlagert werden können und dort zum Nährstoffumsatz beitragen könnten

Interaktionen von gelöstem organischem Kohlenstoff mit adsorbierter organischer Substanz in ungestörten Bodensäulen

In der organischen Auflage von Waldböden werden große Mengen gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) gebildet. Die DOC-Konzentrationen im Sickerwasser nehmen allerdings im Mineralboden mit zunehmender Tiefe auf Grund von Adsorption an reaktiven Mineraloberflächen stark ab und die Zusammensetzung der gelösten organischen Substanz (DOM) ändert sich von vorwiegend pflanzenbürtigen Stoffen zu Stoffen mikrobieller Herkunft. Damit einhergehend nimmt der Anteil aromatischer Verbindungen ab. Der Transport von DOM wird daher als Resultat einer Kaskade von Adsorption und Rücklösung bzw. Desorption organischer Stoffe betrachtet, bei der die weniger bindungsaffinen Substanzen von jüngerer organischer Substanz von den Bindungsplätzen verdrängt und mit dem Sickerwasser in größere Tiefe verlagert werden. Um diese komplexen Prozesse nachzuvollziehen, wurde ein Säulenexperiment durchgeführt, in dem ungestörte Bodensäulen mit zunehmender Entnahmetiefe nacheinander mit der jeweils aus der darüber liegenden Säule austretenden Bodenlösung perkoliert wurden. In jede dieser Säulen wurde Goethit integriert, der mit C-13 markierter natürlicher organischer Substanz belegt war. Dies ermöglichte, die Austauschprozesse an der Mineraloberfläche zu quantifizieren und den Transport des ausgetauschten Kohlenstoffs (angereichert mit C-13) mit der Tiefe zu verfolgen. Die Belegung der Oberfläche des Goethites wurde anhand von NanoSIMS Messungen quantifiziert, die eine ungleichmäßige, punktuelle Anlagerung des Kohlenstoffs zeigten. Die einzelnen Bereiche unterschieden sich in ihrer Abundanz von C-13, und es konnten so Flächen mit unterschiedlich intensiven Interaktionen mit der Bodenlösung identifiziert werden. Die Ergebnisse dieses Experiments bestätigen das Kaskaden-Modell. Zum einen hat sich die Bodenlösung vergleichbar mit Feldexperimenten in ihrer Aromatizität verringert und zum anderen wurde in jeder der drei Tiefenstufen ein größerer Gehalt an C-13 in den Lösungen gemessen. Folglich fungierte der Goethit in allen drei Tiefen gleichzeitig als C-Senke (Adsorption von DOC) und C-Quelle, was ohne den Einsatz stabiler Isotope nicht hätte nachgewiesen werden können. Selbst in diesem stark verkürzten Tiefenprofil (27 cm kumulierte Säulenlänge simulierten 100cm Bodenprofil) kam es zu einer deutlichen Mobilisierung von zuvor an Fe-Oxiden adsorptiv gebundener organischer Substanz, die von einer starken Veränderung in der DOM Zusammensetzung begleitet wurde

Persistence of dissolved organic matter explained by molecular changes during its passage through soil

Dissolved organic matter affects fundamental biogeochemical processes in the soil such as nutrient cycling and organic matter storage. The current paradigm is that processing of dissolved organic matter converges to recalcitrant molecules (those that resist degradation) of low molecular mass and high molecular diversity through biotic and abiotic processes. Here we demonstrate that the molecular composition and properties of dissolved organic matter continuously change during soil passage and propose that this reflects a continual shifting of its sources. Using ultrahigh-resolution mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy, we studied the molecular changes of dissolved organic matter from the soil surface to 60 cm depth in 20 temperate grassland communities in soil type Eutric Fluvisol. Applying a semi-quantitative approach, we observed that plant-derived molecules were first broken down into molecules containing a large proportion of low-molecular-mass compounds. These low-molecular-mass compounds became less abundant during soil passage, whereas larger molecules, depleted in plant-related ligno-cellulosic structures, became more abundant. These findings indicate that the small plant-derived molecules were preferentially consumed by microorganisms and transformed into larger microbial-derived molecules. This suggests that dissolved organic matter is not intrinsically recalcitrant but instead persists in soil as a result of simultaneous consumption, transformation and formation