A termeszek növekedésének hatása az alom bomlására: modellezési megközelítés

mikrobiális dinamika
Alomdinamika
A hőmérséklet és a nedvesség hatása a bomlásra
talaj szén és nitrogén előrejelzések
várható szén aránya
várható nitrogénkészlet

mikrobiális dinamika

ezzel a modellel azt feltételeztük, hogy az alom beépülését (l) a termeszek tolják. Amint az alom az egyik rekeszben van, a mikrobiális populáció foglalkozhat a szubsztráttal. Feltételeztük, hogy a szubsztrát bomlását a bakteriális (b) közösségek növekedése szabályozza, ezért:

$$- \frac{{{\text{d}}l}}{{{\text{d}}t}} \propto \frac{{{\text{d}}T}}{{{\text{d}}t}} {{{\text {d}} t}} {{{\text {d}} t}} {{{\text {d}} t}}.$$

két lehetőséget vizsgáltunk: az első az, hogy a baktériumok összegyűjtöttek egy szubsztrátot, hogy kompozitot képezzenek. A második lehetőség a komplex szubsztrátum felhasználása új biomassza előállítására.

a komplex (ek) egy része a baktériumokon keresztül felszívódik, és a baktériumközösség aktív metabolizmusában és növekedésében használatos. A tanulmány (Neill and Gignoux 2006) ugyanabban a kontextusban nyújt alkalmazást, amelyben feltételezték, hogy a modell biomassza-növekményeket ad:

$$\frac{{{\text{d}}b}}{{{\text{d}}t}} = \mu x.$$

(1)

feltételezzük, hogy x = b, ha a biomassza elég komplex szubsztrátot tartalmaz, és exponenciálisan növekszik meghatározott sebességgel $\mu$. Fordítva, ha az összes szubsztrátot mikrobiális komplexek komplexálják, akkor x = (s / ONS), a sztöchiometria együtthatója pedig a sztöchiometriai együttható. Ezt a szubsztrátot végül a mikrobák fogyasztják. Ebben az esetben:

$$\frac{{{\text{d}}s}}{{{\text{d}}t}} = – \mu \nu x = – \mu \nu s .$$

(2)

az egyenlet bizonyos mértékben függ b-től és s-től; ismerve őket, akkor lehet kifejezni, mint a (Neill and Gignoux 2006), mint:

$$(b – x) (l – \nu x) = x/k,$$

(3)

a k affinitása egy adott termeszek populáció egy adott alom. A komplex (x) eltérő lesz, ennek megfelelően a gomba-fésű kamrában vagy a talaj környezetében használják.

a gomba-fésű kamrában: $b \ gg (l/\nu )$, a biomassza nem korlátozza, de az alombevitel korlátozza a bomlást, az Eq. (3) vezet x = (Tl)/((1/k) + $\nu T$).

a talajban, (l / $\nu$), t, biomassza korlátozó, az Eq. (3) vezet x = (Tl)/((1/k) +l). Ezután kifejezhetjük az Eq-t. (1) as:

$${\text{d}}b_{f} /{\text{d}}t = \mu_{f} \;{\text{a gomba – fésű kamrában;}}$$

(4)

$${\text{d}}b_{s} /{\text{d}}t = \mu_{s} \;{\text{a degradált talajban}}.$$

(5)

mint feltételezték, amikor futunk, van egy gyors jelentős növekedés a mikroorganizmusok az első 1 hónapban a gomba-fésű kamrában, mint a talaj környezet (ábra. 3). A mikrobiális növekedés pic sebességét 6 hónappal később kapták meg a gomba-fésű kamrában. De a talajban, a pic után részt vettek 10 Hónapok.

a gomba-fésű kamrák köztudottan elősegítik a kommenzális baktériumok és gombák kiválasztott és esetleg specializált közösségének növekedését (artursson et al. 2006; Fallah et al. 2017; Vesala et al. 2017), amely viszont befolyásolhatja az alom bomlását. A gomba-fésű kamrában a bomlást 26 fokozta.8%, ami a teljes folyamat 81,7% – át tette ki. A talajjal ellentétben a mikrobiális növekedés több időt vett igénybe, mint a gomba-fésű kamrában. A gomba-fésű kamrában kialakult mikroklíma magyarázhatja a két környezet közötti bomlási sebesség megfigyelt különbségeit. Így a bomlási sebesség változásai az éghajlathoz kapcsolódnak. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a gyorsabb bomlás jellemző lehet a mikroorganizmusok növekedésére. Ez az eredmény összhangban van Poulsen et al. (2014) a levelek bomlásáról egy gombás közösséggel. Egy másik magyarázat az, hogy a gombákat a komplex növényi biopolimerek legaktívabb lebontóinak tekintik, mivel képesek extracelluláris enzimek széles skáláját előállítani, lehetővé téve számukra az ellenszenves lignocellulózok hatékony lebontását (Wietse et al. 2005; Frouz 2018). Ezenkívül a mikrobiális populációk specifikus tevékenysége a termeszeket kiváló modellrendszerekké teszi a szervezett mikrobiális közösségeken belüli funkcionális kölcsönhatások tanulmányozására.

Alomdinamika

ahhoz, hogy a mikrobiális kompartmenteken túljussunk, az egyes populációk élettani jellemzőit (növekedési ütem és légzés) össze kell kapcsolni azzal a táplálékkal, amelyért versengenek. Ezután egy Karbantartó B mikrobaközösséghez a komplex szubsztrátumban lévő szén egy részét karbantartási töltésekhez kell hozzárendelni. Jelöljük meg $Y_{c}$ A B mikrobiális populáció szénhozamát az L, $m_{x}$ és $m_{t}$ alom tekintetében, amelyek rendre a biomassza fenntartási együtthatója, illetve forgási együtthatója.

az aktív alom változásának általános sebességét a gomba-fésű kamrában és a talajban a következők adják meg:

$${\text{d}}l_{F} /{\text{d}}t = – \mu_{F} \frac{{x_{f} }}{{y_{C} }} + \left( {1 – m_{x} } \right)m_{tf} b_{F} ;$$

(6)

$${\text{d}}l_{s} /{\text{d}}t = – \mu_{s} \FRAC{{x_{s} }}{{Y_{C} }} + \balra( {1 – M_{x} } \jobbra)m_{ts} b_{s} .$$

(7)

ennek jobb megértése érdekében azonban az érdeklődő olvasót pontosabban a Neill and Gignoux (2006) cikkére szeretnénk utalni. A felhasznált értékek az irodalom áttekintésének másodlagos adatai: (Neill and Gignoux 2006; Dorado et al. 2008), aki a szubsztrát kinetikáját helyettesítette a mikrobiális kinetikával, amely modell viselkedést eredményezett, nagyon hasonló ehhez a tanulmányhoz.

a hasonló oldhatatlan szubsztrátumokon különböző hőmérsékleteken növekvő mikrobiális populációknak hasonló, eltérő fajlagos növekedési sebességet kell mutatniuk ($\mu$). Általában a bomlási modellek bármely szubsztrátumhoz maximális fajlagos bomlási sebességgel rendelhetők. A gomba-fésű kamrában a bomlás maximális sebességgel (kmax) történik; míg a talajban minimális sebességgel van (ábra. 4).

annak meghatározásához, hogy a mikroorganizmus hogyan változik a két vegyületben, a cellulózon lévő aerob és anaerob törzsek folyamatos tenyészeteiből származó adatok A Lynd et al. (2002).

úgy véljük, hogy a legalapvetőbb folyamat az aktív mikrobiális biomassza fenntartása, ami azt jelenti, hogy a mikrobák legfontosabb követelménye a tápanyagforrás. Ennek eredményeként a bomlást elsősorban a szén hozzáférhetősége, másodsorban a tápanyagok elérhetősége vezérli. A bomlás másodlagos korlátja a talaj mikroklímája (páratartalom és hőmérséklet) (Moncrieff et al. 2013; Iriany et al. 2018). A 4.ábra a gomba-fésű kamrában rendkívül gyors bomlási sebességet, a leromlott talajban pedig nagyon alacsony bomlási sebességet mutatott.

A hőmérséklet és a nedvesség hatása a bomlásra

amikor a mikroklíma különbségét integráltuk a két rekeszbe, egyetlen szubsztrátum potenciális bomlási egyenlete:

$$k = k_{ \hbox{max} } \cdot F\left( {T_{s} } \right) \cdot F(w_{s} ),$$

(8)

ahol $k_{ \hbox{Max} }$ A Som bomlására alkalmazott állandó sebesség, $T_{s}$ és $w_{s}$ a hőmérséklet és a nedvesség bomlási sebességre gyakorolt hatását leíró függvények.

$$f\bal( {T_{s} } \jobb) = – 0.009076T_{s}^{2} + 0.473431T_{s} – 1.634147 ,$$

(9)

a hőmérséklet hatása, $t_{s}$, egy dimenzió nélküli szám 0 és 1 között, a következő funkcionális forma szerint számítva $T_{s} = \frac{{T – T_{ \hbox{min} } }}{{t_{ \hbox{max} } – t_{ \hbox{min} } }}$ of parton et al. (1987).

a talajnedvesség-egyenletet a gomba-és baktériumközösségek talajnedvesség-változásokra való érzékenységének összehasonlításából származtattuk Kaisermann et al. (2015). $W_{s}$ szintén Parton et al. (1987):

$$f\bal( {W_{s} } \jobb) = – 4.4566W_{s}^{2} + 5. 0350w_{s} – 4,4566.$$

(10)

legyen $k_{s}$ a talajrekesz sebessége. A gomba-fésű kamrában magasabb a termeszek által létrehozott mikroklíma (a talaj hőmérséklete alacsony és magas nedvességtartalom) miatt, ellentétben a $k_{s}$ lebontott talajvegyület bomlási sebességével (1.táblázat).

$$k_{f} = k_{ \hbox{max} } \cdot f(T_{s} )_{f}, $$

$$k_{s} = k_ {\hbox{max}} \cdot f(w_ {s}) _{s } \cdot f(w_{s} )_{s}.$$

1.táblázat bomlási sebességek a két rekesz (gomba-fésű kamra és a talaj környezet)

talaj szén és nitrogén előrejelzések

várható szén aránya

tegyük fel , hogy a biomassza-medence növekszik, hígítással elveszíti $D_{B}$, és $M_{t} b$ által is megfordul. Ezután a következő egyenlet van:${\text{d}}b / {\text{d}}t = i – \ bal( {m_{t} + D} \ jobb) * b$. Ebből az egyenletből tudjuk, hogy a Dmax maximális elérhető hígítási sebessége megegyezik a maximális fajlagos növekedési rátával, mínusz a forgalmi rátával, mt. Tegyük fel, hogy a teljes szénfogyasztási fluxus megegyezik a kapcsolódó szénfogyasztási fluxus növekedésének és a fenntartó légzésnek az összegével. Ezután a következő egyenletet kapjuk:

$$\mu \ frac{x}{{Y_{C} }} = \mu \ frac{x}{{Y_ {C {\hbox{max} }} }}} + m_{c} b.$$

(11)

feltételeztük, hogy ezek a fluxusok meghatározzák az összes többi fluxust sztöchiometrikus kapcsolatok révén. Ha az egyenletet elosztjuk 6x-szel, akkor feltételezzük, hogy az elért fajlagos növekedési ütem d + mt, egyenlő az állandósult állapotban lévő 6XB-vel. Ez adja:

$$ \ frac{{dy_{C} }} {dt} = \ frac{1}{{Y_{{C {\hbox{max} }}} }}} + \ frac{{m_{C} }} {{D + m_{t} }}, $$

(12)

ahol $y_{C}$ a szénhozam.

a talajszén mennyiségét egyensúlyi állapotban (Css) az Eq írja le. 12:

a lebomlott helyeken az alom becslések szerint 2-10-szer lassabban bomlik le, mint a gomba-fésű kamrában (ábra. 5). Az alom bomlása nem volt összefüggésben a talaj termékenységével; míg a gomba-fésű kamra létezéséhez kapcsolódott.

szignifikáns összefüggés volt a talaj várható széntartalma és a mikroorganizmusok szaporodása között. Ez azt jelezte, hogy az előrejelzett szén viszonylag érzékeny a termeszek növekedésére. Poulsen et al. (2014) tesztelte a makro-fauna potenciálját a talaj termékenységi indexeként. Ezenkívül a talaj termékenységének változásainak jelzésére használt indexek vagy talajfauna-Fajok ígéretes eszközt kínálnak a tudósok számára a termeszek növekedésének előmozdításának hatékonyságának felmérésére, és lehetővé teszik a tájékozottabb választ az új kérdések kezelésében (Moorhead and Sinsabaugh 2006).

várható nitrogénkészlet

a nitrogénkészletet $dn_{0}$ beáramlás táplálja, majd hígítási efflux, illetve növekedési fogyasztási fluxus, $d_{n}$ és $I/4y_{n}$ kimeríti. A nitrogénfogyasztási fluxus egy része a nitrogénhulladék − medencébe kerül, amelynek összege ((1 – $y_{n}$)/4 $y_{n}$).I. A Nitrogénhulladék-készleteket d$w_{n}$ hígító efflux is kimeríti. Végül a biomassza-medence I-vel növekszik, hígítással veszít $d_{b}$, és $m_{t} b$ – vel is megfordul. Megtartottuk a következő egyenletet:

$$ \ frac {{{\text{d}}y_{n} }} {{{\text{d}}t}} = \ frac{{(1 – w_{n} )}}{{4w_{n} }}i + m_{t} \frac{b}{4} – Dw_{n} .$$

(13)

4 hónapos talajtakarás után az N aránya nulla, hasonló a leromlott talajrekeszben, mint a gomba-fésű kamrában, de jelentősen megnőtt (12000 g cm−1) a gomba-fésű kamrában az 5-10. 6); míg a leromlott talajban még mindig nulla.

az előrejelzett nitrogén szignifikánsan korrelált a mikroorganizmusokkal, függetlenül az időtartamtól. A megfigyelt éghajlati különbségek tovább erősítik ezeket a különbségeket. A termeszek aktivitása valószínűleg további szerepet játszott a gomba-fésű kamra és a talaj környezete közötti résben. Számos tanulmány kimutatta, hogy a termeszek jelentősen javítják a mikrobiális biomasszát ,míg mások ellenkező hatást találtak (Adair et al. 2008; Jouquet et al. 2018). Ez azt jelenti, hogy a termeszek stimulálják a viszonylag inaktív mikrobiális közösségeket és felgyorsítják a talaj n újrahasznosítását (Frouz 2018).

a termeszek növekedésének funkciói és közvetlen hatásai fontosabbak a szerves anyagok bomlásában (Jouquet et al. 2014; Dangles and Casas 2019). Ezért a szénmegkötés és a talaj termékenységének integrált változásainak értékeléséhez a termeszeket mikroorganizmusokkal kombinálva kell használni.