Position-specific transformation of low molecular weight organic substances in soil
Final Report Abstract
Die Transformation niedermolekularer organischer Substanzen (LMWOS) ist ein zentraler Schritt in biogeochemischen Kreisläufen, da alle hochmolekularen Substanzen beim Abbau den LMWOS Pool passieren. Während bisherige Studien meist Flüsse durch den LMWOS Pool quantifizierten, sollte in diesem Projektes die positionsspezifische Isotopenmarkierung als neue Methode zur Aufklärung von LMWOS-Transformationswegen im Boden etabliert werden. In einem Feldexperiment wurden sechs positionsspezifisch 13C markierte LMWOS der drei wichtigsten Substanzklassen appliziert: zwei Aminosäuren (Alanine und Glutamate), zwei Monosaccharide (Glucose und Ribose) und zwei organische Säuren (Acetat und Palmitat). Die Analyse von verbleibendem 13C im Boden, 13C in der mikrobiellen Biomasse und in spezifischen Zellbausteinen (Phospholipidfettsäuren (PLFA) und Aminozucker) erfolgte durch gesamt- und komponentenspezifischen 13C Methoden. Hierfür wurde eine neue Instrumentenkopplung – ein Ionenchromatograph mit einem Isotopenmassenspektrometer (IC-O-IRMS) – etabliert und die darauf abgestimmte Aminozucker-Aufreiningungsmethode eingearbeitet. Der Effekt sich ändernder Umweltfaktoren sowie die Relevanz weiterer LMWOS-Senken (Sorption und Pflanzenaufnahme) wurden anhand mehrerer zusätzlicher Laborexperimente mit positionsspezifischer 14C Markierung evaluiert. Mikroorganismen waren die dominante Senke für LMWOS und weder Pflanzenaufnahme noch Sorption konnten mit mikrobiellen Aufnahmesystemen konkurrieren. Der Einbau einzelner Molekülpositionen in Boden, mikrobielle Biomasse und bestimmte Substanzklassen war durch den mikrobiellen Metabolismus charakterisiert (v. a. Glykolyse, Decarboxylierung von Pyruvat und Citratzyklus). Allerdings liefen parallel zu diesen katabolen Stoffwechselwegen auch anabole Reaktionen, d. h. der Aufbau neuer Zellkomponenten, ab. Dies führte zu einem starken C-Umsatz und Recycling in verschiedenen Zellkompartimenten. Intensive Umsätze innerhalb metaboler Seitenäste, wie der Fettsäurebiosynthese, wurden identifiziert. Diese Ergebnisse sind wesentlich für die Anwendung von Fettsäuren als pflanzliche Biomarker in Paläoumweltstudien. Die Kombination positionsspezifischer 13C Markierung mit komponentenspezifischer Isotopenanalytik mikrobieller Biomarker erlaubte des Weiteren die Identifikation spezifischer Stoffwechselwege einzelner mikrobieller Gruppen. Pilze zeigten einen langsameren intrazellulären C-Umsatz als Bakterien, was die metabole Grundlage für den langsamzyklierenden, pilzbasierten und den schnell-zyklierenden, bakterienbasierten Zweig des Bodennahrungsnetzes liefert. veränderungen von Stoffwechselwege in Abhängigkeit von Umweltfaktoren konnten identifiziert werden: Mit Zunahme der Substratkonzentration konnte ein Gradient von C-Mangel-Stoffwechselwegen über den Erhaltungsmetabolismus hin zu charakteristischen Wachstums-Stoffwechselwegen beobachtet werden. Eine Verringerung der Substratverfügbarkeit durch Sorption verursachte eine ähnliche Veränderung: Je niedriger die Verfügbarkeit, desto mehr C wird in Biosynthesewege also mikrobielle Produkte, verlagert. Diese Studien konnten zeigen, dass positionsspezifische Markierung die Aufklärung der Verstoffwechslung von LMWOS durch diverse mikrobielle Gemeinschaften in komplexen Medien wie dem Boden ermöglicht. Parallel ablaufende Prozesse wie z. B. 1) der Rückfluss durch reversible Stoffwechselwege, 2) Umsätze in verschiedenen mikrobiellen Gruppen oder 3) Umsätze in spezifischen Mikrohabitaten (an Mineraloberflächen, am Boden-Pflanze-Interface oder an Hot-Spots versus dem Gesamtboden) können mittels positionspezifischer Markierung im Boden in situ verfolgt werden. Das Verständnis für diese Stoffwechselwege und ihre Regulationsfaktoren ist entscheidend für die Beurteilung von C-Flüssen zwischen Mineralisation und dem Aufbau mikrobieller Biomasse – der Voraussetzung zur Bildung mikrobieller, organischer Bodensubstanz. Das Wissen über Transformationsschritte und ihre regulierenden Faktoren ist essentiell für die Vorhersage (z. B. mittels prozessbasierter Modellierung), aber auch für die Manipulation der C-Sequestrierung und Stabilisierung in Böden.
Publications
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2013. Biochemical pathways of amino acids in soil: Assessment of position-specific labeling and C-13-PLFA analysis. Soil Biology & Biochemistry 67, 31-40
Apostel C., Dippold M., Glaser B., Kuzyakov Y.
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2013. Biogeochemical transformations of amino acids in soil assessed by position-specific labeling. Plant and Soil 373, 385-401
Dippold M., Kuzyakov Y.
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2014. Sorption affects amino acid pathways in soil: Implications from position-specific labeling of alanine. Soil Biology and Biochemistry 72, 180-192
Dippold M., Biryukov M., Kuzyakov Y.
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2014: Improved δ13C analysis of amino sugars in soil by ion chromatography-oxidation-isotope ratio mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 28, 569-576
Dippold M., Boesel S., Gunina A. Kuzyakov Y. Glaser B.
