Effecten van termietengroei op nestdecompositie: een modelleringsbenadering

microbiële dynamica

met dit model gingen we ervan uit dat de opname van Nest (l) wordt geduwd door termieten. Zodra het strooisel zich in een van de compartimenten bevindt, kan de microbiële populatie het substraat behandelen. We gingen ervan uit dat de afbraak van substraat wordt gecontroleerd door de groei van bacteriële (b) gemeenschappen, vandaar:

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

we bestudeerden twee mogelijkheden: de eerste is dat bacteriën één substraat hebben verzameld om een composiet te vormen. De tweede mogelijkheid is het gebruik van het gecomplexeerde substraat om nieuwe biomassa te produceren.

een deel van het (de) complex (en) wordt (worden) door de bacteriën geabsorbeerd en gebruikt in het actieve metabolisme en de groei van de bacteriegemeenschap. De studie (Neill and Gignoux 2006) biedt een toepassing in dezelfde context, waarin zij veronderstelden dat het model biomassacrementen geeft door:

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

We gaan ervan uit dat x = B als biomassa genoeg substraat heeft gecomplexeerd en het exponentieel groeit met een specifieke snelheid \(\mu\). Omgekeerd, als alle substraat wordt gecomplexeerd door microbiële, dan x = (s / ν), met ν de stoichiometriecoëfficiënt. Dit substraat wordt uiteindelijk geconsumeerd door microbiële. In dit geval hebben we:

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

de vergelijking wordt geacht een zekere afhankelijkheid van b en s te hebben; als je ze kent, kan het worden uitgedrukt als in (Neill and Gignoux 2006) als:

$$(b – x)(l – \nu x) = x/k,$$
(3)

met k een affiniteit van een bepaalde termietenpopulatie voor een bepaald nest. Het complex (x) zal anders zijn, dienovereenkomstig wordt het gebruikt in de schimmel-kam kamer of in de bodem omgeving.

in de schimmel-kam Kamer: \(b \gg (l/\nu )\), biomassa is niet limiterend, maar het is de nestopname die de afbraak beperkt, de Eq. (3) leidt naar x = (Tl)/((1/k) + \(\nu T\)).

in de bodem, (l/\(\nu\)) ≫ T, biomassa is limiterend, de Eq. (3) leidt tot x = (Tl)/((1/k) +l). Dan kunnen we EQ uitdrukken. (1) as:

$${\text{d}}b_{f} /{\text{d}}t = \mu_{f} \;{\text{in the fungus – comb chamber;}}$$
(4)

$${\text{d}}b_{s} /{\text{d}}t = \mu_{s} \;{\text{in de aangetaste grond}}.$$
(5)

zoals wordt verondersteld, hebben we tijdens het lopen een snelle aanzienlijke groei van micro-organismen gedurende de eerste 1 maand in de schimmelkamkamer in vergelijking met de bodemomgeving (Fig. 3). De pic-snelheden van microbiële groei zijn 6 maanden later verkregen in de schimmel-kam kamer. Maar in de bodem, de pic is bijgewoond na 10 maanden.

Fig. 3
figure3

temporale microbiële groei

Schimmelkamers zijn bekend dat ze de groei bevorderen van een geselecteerde en mogelijk gespecialiseerde gemeenschap van commensale bacteriën en schimmels (artursson et al. 2006; Fallah et al. 2017; Vesala et al. 2017), wat op zijn beurt de afbraak van zwerfvuil kan beïnvloeden. In de schimmel-kam kamer, werd de ontbinding versterkt door 26.8%, wat goed is voor 81,7% van het totale proces. In tegenstelling tot de bodem nam de microbiële groei meer tijd in beslag dan in de schimmel-kamkamer. Het microklimaat dat in de kamer van de schimmel-kam wordt gecreëerd, kan de waargenomen verschillen in de afbraaksnelheid tussen de twee omgevingen verklaren. Zo zijn veranderingen in de ontbindingssnelheden gekoppeld aan het klimaat. Deze bevindingen suggereren dat een sneller verval een kenmerk kan zijn van de groei van micro-organismen. Dit resultaat is in overeenstemming met een gedetailleerde analyse door Poulsen et al. (2014) over de ontbinding van bladeren met een schimmelgemeenschap. Een andere verklaring is dat schimmels worden beschouwd als de meest actieve decomposers van complexe plantaardige biopolymeren vanwege hun vermogen om een breed scala aan extracellulaire enzymen te produceren, waardoor ze efficiënt de recalcitrante lignocellulose kunnen afbreken (Wietse et al. 2005; Frouz 2018). Bovendien maken de specifieke activiteiten van de microbiële populaties termiet uitstekende modelsystemen voor het bestuderen van functionele interacties binnen georganiseerde microbiële gemeenschappen.

Zwerfvuildynamiek

om verder te gaan dan microbiële compartimenten, moeten de fysiologische kenmerken van individuele populaties (groeisnelheid en ademhaling) worden gekoppeld aan het voedsel waarvoor zij concurreren. Dan, voor een microbiële gemeenschap B met onderhoud, moet een deel van de koolstof in het complex substraat worden toegewezen aan onderhoudskosten. Laten we \(y_{C}\) aanwijzen als de koolstofopbrengst van microbiële populatie B met betrekking tot nest l, \(M_{X}\) en \(m_{t}\) die respectievelijk de onderhoudscoëfficiënt en de omzettingscoëfficiënt van biomassa zijn.

De totale mate van verandering in actieve nest in de schimmel-kam kamer en in de bodem wordt gegeven door:

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

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

echter, om dit beter te begrijpen, willen we de geïnteresseerde lezer nauwkeuriger verwijzen naar het artikel van Neill and Gignoux (2006). De gebruikte waarden zijn secundaire gegevens uit de literatuurstudie: (Neill and Gignoux 2006; Dorado et al. 2008), die substraatkinetiek verving door microbiële kinetiek, die een modelgedrag produceerde, vergelijkbaar met deze studie.

microbiële populaties die groeien op vergelijkbare onoplosbare substraten bij verschillende temperaturen, moeten vergelijkbare specifieke groeisnelheden vertonen (\(\mu\)). In het algemeen, decompositiemodellen toewijzen aan elk substraat met een maximale specifieke vervalsnelheid. In de schimmel-kam kamer, het verval is op een maximale snelheid (kmax); terwijl het op een minimale snelheid in de bodem (Fig. 4).

Fig. 4
figure4

schattingen van de afbraaksnelheid van Nest

om te bepalen hoe micro-organisme varieert in de twee verbindingen, gegevens van continue culturen van aërobe en anaërobe stammen op cellulose werden onderzocht uit de studie van Lynd et al. (2002).

het meest fundamentele proces is het behoud van de actieve microbiële biomassa, wat betekent dat de belangrijkste behoefte aan microben hun voedingsstoffenbron is. Daardoor wordt de ontleding voornamelijk veroorzaakt door de koolstoftoegankelijkheid en in de tweede plaats door de beschikbaarheid van nutriënten. De secundaire beperking van ontbinding is bodem microklimaat (vochtigheid en temperatuur) (Moncrieff et al. 2013; Iriany et al. 2018). Figuur 4 onthulde zeer snelle ontbindingssnelheden in de kamer van de schimmelkam en zeer lage ontbindingssnelheden in de aangetaste grond.

Effecten van temperatuur en vocht op ontbinding

Wanneer we integreerden het verschil van het microklimaat in de twee compartimenten, de potentiële decompositie vergelijking voor een enkel substraat is:

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

waar \(k_{ \hbox{max} }\) is de constante rentevoet die de afbraak van SOM, \(T_{S}\) en \(w_{s}\) zijn de functies beschrijven van de effecten van temperatuur en vocht op ontbinding tarief.

$$f \ left ({T_{s} } \ right) = – 0. 009076T_{s}^{2} + 0.473431T_{s} – 1.634147 ,$$
(9)

het effect van temperatuur, \(T_{s}\), is een dimensieloos getal tussen 0 en 1 en berekend volgens de volgende functionele vorm \(T_{s} = \frac{{t – T_{ \hbox{min} } }}{{t_{ \HBox{max} } – T_{ \HBox{min}}}}) van Parton et al. (1987).

we hebben de bodemvochtvergelijking afgeleid uit een vergelijking tussen de gevoeligheid van schimmel-en bacteriële gemeenschappen voor bodemvochtvariaties in Kaisermann et al. (2015). \(W_{s}\) wordt ook berekend volgens Parton et al. (1987):

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

laat \(k_{s}\) De snelheid in het bodemcompartiment zijn. In de schimmel-kam kamer is het hoger vanwege het microklimaat (bodemtemperatuur blijft laag en hoog vochtgehalte) gecreëerd door termieten, in tegenstelling tot \(k_{s}\) de afgebroken bodemsamenstellingsdecompositiesnelheid (Tabel 1).

$$K_{F} = k_{ \HBox{max} } \cdot f(T_{s} )_{f} \cdot f(w_{s} )_{f} ,$$
$$K_{s} = k_{ \HBox{max} } \cdot f(T_{s} )_{s} \cdot f(w_{s} )_{s} .$$
Tabel 1 Afbraak van tarieven in de twee compartimenten (schimmel-kam kamer en bodem milieu)

Bodem koolstof en stikstof voorspellingen

Voorspelde koolstof-tarief

Stel dat biomassa pool groeit door , verliest \(D_{b}\) door verdunning en ook draait door \(m_{t} b\). Dan hebben we de volgende vergelijking:\({\text{d}}b/{\text{d}}t = I – \left( {m_{t} + d} \right)*b\). Uit deze vergelijking weten we dat de maximaal haalbare verdunningssnelheid Dmax gelijk is aan de maximale specifieke groeisnelheid minus de omzetsnelheid ervan, mt. Laten we aannemen dat de totale koolstofconsumptieflux gelijk is aan de som van de groei van de gerelateerde koolstofconsumptieflux en de onderhoudsademhaling. Dan hebben we de volgende vergelijking:

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

We gingen ervan uit dat deze fluxen alle andere fluxen zouden bepalen door middel van stoichiometrische relaties. Delen door µx de vergelijking door µx en we gingen ervan uit dat de bereikte specifieke groeisnelheid D + mt, gelijk is aan µxb bij de steady state. Het geeft:

$$\frac{{dy_{c} }}{dt} = \frac{1}{{y_{{C{ \HBox{max}}}}}}}} + \frac{{M_{c}}} {{d + m_{t}}}, $$
(12)

waarin \(y_{c}\) de koolstofopbrengst is.

de hoeveelheid koolstof in de bodem bij steady state (CSS) wordt beschreven door Eq. 12:

op de aangetaste plaatsen werd geschat dat het strooisel 2-10 keer langzamer werd afgebroken dan in de kamer van de schimmelkam (Fig. 5). De afbraak van strooisel was niet gerelateerd aan de vruchtbaarheid van de bodem.; terwijl, het was gerelateerd aan het bestaan van schimmel-kam kamer.

Fig. 5
figure5

voorspelde koolstofsnelheid

Er was een significante correlatie tussen voorspelde bodemkoolstof en groei van micro-organismen. Dit gaf aan dat de voorspelde koolstof relatief gevoelig was voor de groei van termieten. Poulsen et al. (2014) testte het potentieel van macrofauna om te worden gebruikt als bodemvruchtbaarheidsindex. Bovendien bieden indices of soorten bodemfauna die worden gebruikt om veranderingen in de bodemvruchtbaarheid aan te geven, een veelbelovend middel voor wetenschappers om de effectiviteit van het bevorderen van de groei van termieten te meten en een beter geïnformeerde reactie mogelijk te maken bij het aanpakken van nieuwe problemen als ze zich voordoen (Moorhead and Sinsabaugh 2006).

voorspelde stikstofvoorraad

De stikstofvoorraad wordt gevoed door een instroom \(Dn_{0}\) en uitgeput door respectievelijk een verdunningsefflux en een groeiconsumptieflux \(D_{n}\) en \(I / 4y_{n}\). Een deel van de stikstofconsumptie flux gaat naar het stikstof afval zwembad, en het komt neer op ((1 − \(y_{n}\))/4 \(y_{n}\)).I. Stikstofafvalvoorraden worden eveneens uitgeput door een verdunningsefflux D\(w_{n}\). Tenslotte groeit de biomassa pool met I, verliest \(D_{B}\) door verdunning en draait ook om met \(m_{t} b\). We behielden de volgende vergelijking:

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

na 4 maanden mulchen is de snelheid van N nul, vergelijkbaar in het afgebroken bodemcompartiment als in de schimmelkamerkamer, maar nam significant toe (12000 g cm-1) in de schimmelkamerkamer na 5-10 maanden (Fig. 6); terwijl het nog nul is in de aangetaste grond.

Fig. 6
figure6

voorspelde stikstofsnelheid

voorspelde stikstof is significant gecorreleerd met micro-organismen, ongeacht de periode. De waargenomen verschillen in klimaat zouden deze verschillen nog versterken. De termietactiviteit droeg waarschijnlijk bij aan de kloof tussen de schimmel-kamkamer en de bodemomgeving. Verscheidene studies hebben significante verhoging van microbiële biomassa door termieten getoond, terwijl anderen het tegenovergestelde effect hebben gevonden (Adair et al. 2008; Jouquet et al. 2018). Dit houdt in dat termieten de relatief inactieve microbiële gemeenschappen stimuleren en de recycling van bodemn versnellen (Frouz 2018).

De functies en directe effecten van de groei van termieten zijn belangrijker bij de afbraak van organisch materiaal (Jouquet et al. 2014; Dangles en Casas 2019). Om geïntegreerde veranderingen in koolstofvastlegging en bodemvruchtbaarheid te evalueren, moeten daarom termieten worden gebruikt in combinatie met micro-organismen.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.