Effekter av termitter vekst på kull dekomponering: en modelleringsmetode

Mikrobiell dynamikk

med denne modellen antok vi at kullet inkorporering (l) er presset av termitter. Når kullet er i et av rommene, kan mikrobiell befolkning håndtere substratet. Vi antok at dekomponering av substrat styres av bakteriell (b) samfunns vekst, derfor:

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

vi studerte to muligheter: den første er bakterier har samlet ett substrat for å danne et kompositt. Den andre muligheten er bruken av det komplekse substratet for å produsere ny biomasse.

en del av komplekset (e) absorberes over bakteriene og brukes i aktiv metabolisme og vekst av bakteriesamfunnet. Studien (Neill and Gignoux 2006) gir en søknad i samme sammenheng, der de antok at modellen gir biomasseinkrementer gjennom:

$$\frac {{{\text{d}}b}} {{{\text{d}} t}} = \mu x.$ $
(1)

vi antar at x = b når biomasse har kompleksisert nok substrat og det vokser eksponentielt med spesifikk hastighet \(\mu\). I omvendt, hvis hele substratet blir kompleksert av mikrobiell, så x = (s/ν), med ν støkiometrisk koeffisienten. Dette substratet blir til slutt konsumert av mikrobiell. I dette tilfellet har vi:

$$\frac{{{\text{d}}s}}{{{\text{d}}t}} = – \mu \nu x = – \mu \nu s .$ $
(2)

ligningen anses å ha en viss avhengighet av b og s; å kjenne dem, kan det uttrykkes som I (Neill and Gignoux 2006) som:

$$(b – x)(l – \nu x) = x/k,$$
(3)

med k en affinitet av en gitt termittpopulasjon for et gitt kull. Komplekset (x) vil være forskjellig, derfor brukes det i soppkammerkammeret eller i jordmiljøet.

i sopp-kam kammer: \(b \gg (l / \nu )\), biomasse er ikke begrensende, men det er søppel inntak som begrenser dekomponering, Eq. (3) fører til x = (Tl)/((1 / k) + \(\nu T\)).

i jorda, (l / \(\nu\)) ≫ T, biomasse er begrensende, Eq. (3) fører til x = (Tl)/((1 / k) +l). Deretter kan vi uttrykke Eq. (1) som:

$${\text{d}}b_{f} /{\text{d}}t = \mu_{f} \;{\text{d}} t = \mu_ {f}\;}}$$
(4)
$${\text{d}}b_ {s} /{\text{d}} t = \mu_ {s}\; {\text {i degradert jord}}.$$
(5)

som hypotese, når vi kjører, har vi en rask betydelig vekst av mikroorganismer i løpet av den første 1 måned i sopp-kam kammer i forhold til jordmiljøet (Fig. 3). Pic-satsene for mikrobiell vekst er oppnådd 6 måneder senere i soppkammerkammeret. Men i jorda har bildet blitt deltatt etter 10 måneder.

Fig. 3
figure3

Temporal mikrobiell vekst

Sopp-kam kamre er kjent for å fremme veksten av et utvalgt og muligens spesialisert fellesskap av kommensale bakterier og sopp (Artursson et al. 2006; Fallah et al. 2017; Vesala et al. 2017) som igjen kan påvirke nedbrytningen av søppel. I soppkammerkammeret ble dekomponeringen forbedret med 26.8%, som utgjorde 81,7% av den totale prosessen. I motsetning til jord tok den mikrobielle veksten mer tid enn i soppkammerkammeret. Mikroklimaet opprettet i sopp-kamkammeret kan forklare de observerte forskjellene i dekomponeringshastigheten mellom de to miljøene. Dermed er endringer i dekomponeringshastigheter knyttet til klimaet. Disse funnene tyder på at et raskere forfall kan være et karakteristisk for mikroorganismernes vekst. Dette resultatet er i samsvar med en detaljert analyse Av Poulsen et al. (2014) om dekomponering av blader med soppsamfunn. En annen forklaring er at sopp anses som de mest aktive dekomponere av komplekse plantebiopolymerer på grunn av deres evne til å produsere et bredt spekter av ekstracellulære enzymer, slik at de effektivt kan bryte ned de tilbakevendende lignocellulosene (Wietse et al. 2005; Frouz 2018). I tillegg gjør de spesifikke aktivitetene til de mikrobielle populasjonene termitt gode modellsystemer for å studere funksjonelle interaksjoner innenfor organiserte mikrobielle samfunn.

Kulldynamikk

for å bevege seg utover mikrobielle rom må de fysiologiske egenskapene til individuelle populasjoner (vekst og respirasjon) knyttes til maten de konkurrerer om. Så, for et mikrobielt samfunn B med vedlikehold, må noe av karbonet i det komplekse substratet tildeles vedlikeholdskostnader. La oss betegne \(y_{c}\) som karbonutbyttet av mikrobiell populasjon B med hensyn til kull l, \(m_{x}\) og \(m_{t}\) som er henholdsvis vedlikeholdskoeffisienten og omsetningshastighetskoeffisienten av biomasse.

den totale endringshastigheten i aktivt kull i soppkammerkammeret og i jorda er gitt av:

$${\text{d}}l_{f} /{\text{d}}t = -\mu_{f} \frac{{x_{f} }}{{y_{c} }} + \venstre( {1 – m_{x} } \høyre)m_{tf} b_{f} ;$$
(6)

$${\text{d}}l_{s} /{\text{d}}t = – \mu_{s} \frac{{x_{s}} {{y_{c}}} + \venstre( {1 – m_{x}} \høyre)m_{ts} b_{s}.$$
(7)

men For å få bedre poeng av dette, vil vi gjerne henvise den interesserte leseren mer nøyaktig Til Neill and Gignoux ‘ s (2006) papir. Verdier som brukes er sekundære data fra gjennomgang av litteratur: (Neill and Gignoux 2006; Dorado et al . 2008), som erstatter substratkinetikk for mikrobiell kinetikk, som produserte en modelladferd, som ligner på denne studien.

Mikrobielle populasjoner som vokser på lignende uoppløselige substrater ved forskjellige temperaturer, bør vise lignende forskjellige spesifikke vekstrater (\(\mu\)). Generelt tilordner dekomponeringsmodeller ethvert substrat med en maksimal spesifikk forfallshastighet. I soppkammerkammeret er forfallet i maksimal hastighet( kmax); mens det er en minimumshastighet i jorda(Fig. 4).

Fig. 4
figure4

Estimater av dekomponeringshastigheten av søppel

for å bestemme hvordan mikroorganismen varierer i de to forbindelsene, data fra kontinuerlige kulturer av aerobe og anaerobe stammer på cellulose ble undersøkt fra studiet av lynd et al. (2002).Vi anser at den mest grunnleggende prosessen er vedlikehold av den aktive mikrobielle biomassen, noe som betyr at det viktigste kravet til mikrober er deres næringskilde. Som et resultat er dekomponering primært drevet av karbon tilgjengelighet og sekundært av næringsstoff tilgjengelighet. Den sekundære begrensningen av dekomponering er jordmikroklima (fuktighet og temperatur) (Moncrieff et al. 2013; Iriany et al. 2018). Figur 4 viste svært raske dekomponeringshastigheter i soppkammerkammeret og svært lave dekomponeringshastigheter i den degraderte jorda.

Effekter av temperatur og fuktighet på dekomponering

når vi integrerte forskjellen på mikroklima I de to rommene, er den potensielle dekomponeringsligningen for et enkelt substrat:

$$k = k_{ \hbox{max} } \cdot f\left( {t_{s} } \right) \cdot f(w_{s}), $$
(8)

hvor \(k_{ \hbox{max} }\) er den konstante hastigheten som Brukes På Dekomponering av som, \(t_{s}\) og \(w_{s}\) er funksjoner som beskriver effekten av temperatur og fuktighet på dekomponeringshastighet.

$ $ f \ venstre ({T_{s}} \ høyre) = – 0.009076t_{s}^{2} + 0.473431T_{s} – 1.634147 ,$$
(9)

effekten av temperatur, \(t_{s}\), er et dimensjonsløst tall mellom 0 og 1 og beregnet i henhold til følgende funksjonelle form \(t_{s} = \frac{{t – t_{ \hbox{min}}} {{T_{ \hbox{max}} – t_{ \HBOX{MIN}}}}\) av parton et al. (1987).Vi avledet jordfuktighetsligningen fra en sammenligning mellom følsomheten til sopp-og bakteriesamfunn til jordfuktighetsvariasjoner I Kaisermann et al. (2015). \(W_{s}\) beregnes også I Henhold Til Parton et al. (1987):

$$f\venstre( {W_{s} } \høyre) = – 4.4566W_{s}^{2} + 5. 0350w_{s} – 4.4566.$$
(10)

La \(k_{s}\) være frekvensen i jordkammeret. I sopp-kamkammeret er det høyere på grunn av mikroklimaet (jordtemperaturen forblir lav og høy fuktighet) skapt av termitter, i motsetning til \(k_{s}\) den degraderte jordforbindelses dekomponeringshastigheten (Tabell 1).

$$k_ {\hbox {max}} \cdot f(t_{s}) _{s} \cdot f(w_{s}) _{s} \cdot f(w_{s}) _{s} \cdot f(w_ {s}) _{s} \cdot f (w_{s}) _ {s} \ cdot f (w_{s}) _ {s} .$$
Tabell 1 Dekomponeringshastigheter i de to avdelinger (sopp-kam kammer og jord miljø)

Jord karbon og nitrogen spådommer

Spådd karbon rate

Anta at biomasse basseng vokser ved , mister \(d_{b}\) ved fortynning og vender også over \(m_{t} b\). Deretter har vi følgende ligning:\({\text{d}}b / {\text{d}}t = i – \ venstre ({m_{t} + D} \høyre)*b\). Fra denne ligningen vet vi at maksimal oppnåelig fortynningshastighet Dmax er lik den maksimale spesifikke vekstraten minus omsetningsgraden, mt. La oss anta at total karbonforbruk flux er lik summen av veksten av relatert karbonforbruk flux og vedlikehold respirasjon. Da har vi følgende ligning:

$$\mu \frac{x}{{y_{c} }} = \mu \frac{x}{{y_{{c{ \hbox{max}}}} + m_{c} b.$$
(11)

vi antok at disse fluxene ville bestemme alle de andre fluxene gjennom støkiometriske relasjoner. Dividere med hryvnx ligningen med µ og vi antok at den oppnådde spesifikke vekstraten D + mt, tilsvarer µ xb ved steady state. Det gir:

$$\frac{{dy_{c} }}{dt} = \frac{1}{{y_{{c{ \hbox{max}}}} + \frac{{m_{c}}} {{D + m_{t}}}, $$
(12)

hvor \(y_{c}\) er karbonutbyttet.

mengden jord karbon ved steady state (Css) er beskrevet Av Eq. 12:

i de degraderte områdene ble søppel anslått å bli dekomponert 2-10 ganger langsommere enn i soppkammerkammeret (Fig. 5). Dekomponeringen av søppel var ikke relatert til jordens fruktbarhet; mens det var relatert til eksistensen av sopp-kamkammer.

Fig. 5
figure5

Spådd karbonrate

det var en signifikant korrelasjon mellom spådd jord karbon og vekst av mikroorganismer. Dette indikerte at det forutsagte karbonet var relativt følsomt for termittenes vekst. Poulsen et al. (2014) testet potensialet for makro-fauna som skal brukes som en jordfruktbarhetsindeks. Videre gir indekser eller arter av jordfauna som brukes til å indikere endringer i jordfruktbarhet, et lovende middel for forskere å måle effektiviteten av å fremme termittvekst og gi et bedre informert svar på å ta opp nye problemer når de oppstår (Moorhead and Sinsabaugh 2006).

Spådd nitrogenbestand

nitrogenbestanden mates av en tilstrømning \(Dn_{0}\) og utarmes av henholdsvis en fortynningsutstrømning og en vekstforbruksfluss, \(D_{n}\) og \(i/4y_{n}\). En del av nitrogenforbruket flux går inn i nitrogenavfallsbassenget, og det utgjør ((1 – \(y_{n}\)) / 4 \ (y_{n}\)).I. Nitrogen avfall aksjer er oppbrukt av en fortynning efflux D\(w_{n}\) også. Til slutt vokser biomassebassenget med I, mister \(D_{b}\) ved fortynning og vender også over \(m_{t} b\). Vi beholdt følgende ligning:

$ $ \frac {{{\text{d}}y_{n} }} {{{\text{d}} t}} = \frac {{(1-w_{n})}} {{4w_{n} }} I + m_{t} \ frac{b}{4} – Dw_{n} .$$
(13)

etter 4 måneder med bioklipp, frekvensen Av N er null, lik i degradert jord rommet som i sopp-kam kammer, men økt betydelig (12000 g cm-1)i sopp-kam kammer i måneder 5-10 (Fig . 6); mens det fortsatt er null i degradert jord.

Fig. 6
figure6

Spådd nitrogen rate

Spådd nitrogen signifikant korrelert med mikroorganismer, uavhengig av tidsperiode. De observerte forskjellene i klima vil ytterligere fremheve disse forskjellene. Termittaktivitet var trolig en ekstra bidragsyter til gapet mellom soppkammerkammeret og jordmiljøet. Flere studier har vist betydelig forbedring av mikrobiell biomasse av termitter, mens andre har funnet motsatt effekt (Adair et al. 2008; Jouquet et al. 2018). Dette innebærer at termitter stimulerer de relativt inaktive mikrobielle samfunnene og akselererer jord n resirkulering (Frouz 2018).

funksjonene og direkte virkninger av termitter vekst er viktigere i organisk materiale nedbrytning (Jouquet et al. 2014; Dangles og Casas 2019). For å evaluere integrerte endringer i karbonbinding og jordfruktbarhet, bør termitter derfor brukes kombinert med mikroorganismer.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.