Einsatz substanzspezifischer Stabilitätshäufigkeiten zum Nachweis des Umsatzes und der Herkunft organischer Substanzen im Boden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Stabilisotopentechniken helfen, Herkunft und Umsatzraten organischer Stoffe in situ zu bestimmen. Ihr Vorteil gegenüber konventionellen biomarker-basierten Methoden liegt darin, dass die Isotopenmarkierung eine eindeutige Differenzierung zwischen bodenbürtigen (alten) und neusynthetisierten Molekülen erlaubt. Dieser Vorteil wurde in einer Reihe von Studien ausgenutzt. Gesamtziel des Projektes war die Bestimmung von Umsatzraten sowie der Herkunft der organischen Bodensubstanz mit Hilfe substanzspezifischer Isotopenhäufigkeiten (d13C, d15N und d18O) analysiert mittels Gaschromatographie-Verbrennungs-Isotopenverhältnismassenspektrometrie (GC-C-IRMS) bzw. GC-Pyrolyse-IRMS (GC-Py-IRMS). Hierzu mussten zunächst Methoden zur routinemäßigen substanzspezifischen Isotopenanalyse (CSIA) in der organischen Bodensubstanz entwickelt und optimiert werden. Schwerpunkt waren dabei Biomarker für mikrobielle Rückstände im Boden wie z.B. Phospholipidfettsäuren und Aminozucker, pflanzliche und mikrobielle Neutralzucker sowie Black Carbon und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Die Ergebnisse zeigen, dass richtige und präzise Werte nur erhalten werden, wenn ständig Signaldrift, Mengenabhängigkeit und Derivatisierung korrigiert werden. Zur Quantifizierung des Umsatzes und zum Nachweis der Herkunft von organischen Substanzen im Boden wurde eine Reihe von Studien durchgeführt. Bei allen durchgeführten Studien ergaben sich Umsatzzeiten von pflanzlichen und mikrobiellen Rückständen im Boden im Bereich von Dekaden, während die einzige effektive C-Senke Black Carbon mit Umsatzzeiten von ca 2000 Jahren zu sein scheint. Isotopenmarkierungs-Studien zur Herkunft von Black Carbon im Boden zeigten eindeutig, dass diese Verbindung nicht nur pyrogene Quellen, sondern auch biologisch im Boden gebildet wird. Ein eindeutiger Zusammenhang zu Klima und Zeit konnte hergestellt werden. Die biologische Black Carbon-Produktion in temperaten und tropischen Ökosystemen betrug dabei 1-3% bzw. 9% pro Jahr vom gesamten im Boden vorhandenen Black Carbon-Pool. In einer Reihe von Ökosystemen und Bodentypen wurde die pflanzliche Aufnahme intakter Aminosäuren als alternative Stickstoffquelle nachgewiesen. Mit Hilfe der sequenziellen d13C und d15N-Analyse individueller Aminosäuren konnten wir nachweisen, dass bisherige Methoden die Aufnahme intakter Aminosäuren in Pflanzen um das bis zu Sechsfache überschätzt. Im Jena-Biodiversitätsexperiment betrug die intakte Aminosäureaufnahme zur gesamten N-Aufnahme 1,5 bis 7,0%. Im Einzelnen stieg die Aminosäureaufnahme bei niedrigeren pflanzlichen N-Konzentrationen an, während die Nmin-Aufnahme mit größer werdender mikrobieller Abundanz und N-Aufnahme abnahm. Damit kann die verstärkte Aminosäureaufnahme als Reaktion auf eine verstärkte Konkurrenz um N bei größerer pflanzlicher Diversität interpretiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2005) Compound-specific d13C analysis of individual amino sugars - a tool to quantify timing and amount of soil microbial residue stabilization. Rapid Communication in Mass Spectrometry 19: 1409-1416
Glaser B, Gross S
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(2005) Compound-specific stable-isotope (d13C) analysis in soil science. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 168: 633-648
Glaser B
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(2005) Reconstruction of climate and landscape Changes of a High Mountain Lake Catchment in the Gorkha Himal, Nepal, during the Late Glacial and Holocene Deduced from Radiocarbon and Compound-Specific Stable Isotope Analyses of Terrestrial, Aquatic, and Microbial Biomarkers. Organic Geochemistry 36: 1086-1098
Glaser B, Zech W
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(2005) Short-term dynamics of slurry-derived plant and microbial sugars in a temperate grassland soil as assessed by compound-specific d13C-analyses. Rapid Communication in Mass Spectrometry 19: 1437-1446
Sauheitl L, Glaser B, Bol R
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(2005) Source apportionment of organic pollutants of a highway traffic-influenced urban area in Bayreuth (Germany) using biomarker and stable carbon isotope signatures. Environmental Science & Technology 39: 3911-1917
Glaser B, Dreyer A, Bock M, Fiedler S, Heitmann T
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(2006) Sequestration and turnover of bacterial and fungal-derived carbon in a temperate grassland soil under long-term elevated atmospheric pCO2. Global Change Biology 12: 1521-1531
Glaser B, Millar N, Blum H
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(2007) A 240,000-year stable carbon and nitrogen isotope record from a loess-like palaeosol sequence in the Tumara Valley, Northeast Siberia. Chemical Geology 242(3-4): 307-318
Zech M, Zech R, Glaser B
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(2007) Sequestration and turnover of plant- and microbial-derived sugars in a temperate grassland soil under tong-term elevated atmospheric pCO2. Global Change Biology 13: 478-490
Bock M, Glaser B, Millar N
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(2008) Fluxes and 13C isotopic composition of dissolved carbon and pathways of methanogenesis in a fen soil exposed to experimental drought. Biogeosciences Dicussion 5: 1319-1360
Knorr K-H, Glaser B, Blodau C
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(2008) Improved compound-specific d13C analysis of n-alkanes for application in palaeoevironmental studies. Rapid Communication in Mass Spectrometry 22: 135-142
Zech M, Glaser B
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(2008) Isotopic evidence for condensed aromatics from non-pyrogenic sources in soils - implications for current methods for quantifying soil black carbon. Rapid Communication in Mass Spectrometry 22: 935-942
Glaser B, Knorr K-H
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Zech W, Zech M, Zech, R, Peinemann N, Morras H, Moretti L, Ogle N, Kalim RM, Fuchs M, Schad P, Glaser B
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(2008) Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered Ferralsol amended with compost and charcoal. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 171: 893-899
Steiner C, Glaser B, Teixeira WG, Lehmann J, Blum W, Zech W
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(2009) Compound-specific d18O analyses of neutral sugars in soils using gas chromatography–pyrolysis–isotope ratio mass spectrometry: problems, possible solutions and a first application. Rapid Communications in Mass Spectrometry 23, 2522-2532
Zech M, Glaser B
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(2009) Late Quaternary environmental changes in Misiones, subtropical NE Argentina, deduced from multi-proxy geochemical analyses in a palaeosol sediment sequence. Quaternary International 196: 121-136
Zech M, Zech R, Glaser B, Morras H, Moretti L
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(2009) Late Quaternary palaeosol records from subtropical (38º S) to tropical (16º S) South America and palaeoclimatic implications. Quaternary International 196: 107-120
Zech W, Zech M, Zech R, Peinemann N, Morras H, Moretti L, Ogle N, Kalim R, Fuchs M, Schad P, Glaser B
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(2009) Uptake of intact amino acids by plants depends on soil amino acid concentrations. Environmental and Experimental Botany 66: 145-152
Sauheitl L, Glaser B, Weigelt A
