Title (eng)
Effect of pore network geometry on the efficiency of microbial soil organic matter decomposition
Parallel title (deu)
Auswirkungen der Geometrie des Porennetzwerkes auf die Effizienz der mikrobiellen Zersetzung organischer Stoffe im Boden
Author
Magdalena Rath
Advisor
Christina Kaiser
Co-Advisor
Ksenia Guseva
Assessor
Christina Kaiser
Abstract (deu)
Die Zersetzung organischen Materials durch Mikroorganismen im Boden ist die Grundlage des Nährstoff- und Kohlenstoffkreislaufs in terrestrischen Ökosystemen. Ein beträchtlicher Teil der Forschung ist dem Verst¨andnis der miteinander verbundenen physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse im Zusammenhang mit der mikrobiellen Aktivität des Bodens gewidmet, die für einige der dringlichsten gesellschaftlichen Probleme von heute, wie die Emission von Treibhausgasen oder die primäre Pflanzenproduktion, von entscheidender Bedeutung sind. Böden sind aufgrund ihres hierarchischen Aufbaus aus Bodenaggregaten, die ein komplexes Porensystem bilden, sehr heterogene Lebensräume. Eine große Vielfalt von Mikroorganismen besiedelt diesen physikalisch und chemisch heterogenen Porenraum. Obwohl schon seit einigen Jahrzehnten weitestgehender Konsns darüber besteht, dass mikrobielle Prozesse stark von der räumlich heterogenen Architektur des Bodenporenraums und der ungleichmäßigen Verteilung des Substrats beeinflusst werden, werden die Eigenschaften des Porennetzes nur selten in Modellen des mikrobiellen Abbaus von organischen Material berücksichtigt. Wir verwenden einen agentenbasierten Modellierungsansatz, um die folgenden Fragen zu beantworten: 1. Wie beeinflusst die Netzwerkarchitektur die Effizienz des Abbaus organischen Materials? 2. Wie wirken sich Netzwerkeigenschaften wie ’average node degree’, ’shortest path length’ und ’clustering coefficient’ auf die Effizienz des Abbaus organischen Materials aus? 3. Kann zuäatzliche Heterogenität hinsichtlich der Poreneigenschaften die Effizienz des Abbaus beeinflussen? Um die räumliche Heterogenität des Porenraums darzustellen, werden die Bodenporen als Knoten (’nodes’) eines über Kanten (’links’) verbundenen Netzwerks modelliert. Den Knoten werden spezifische Attribute zugewiesen, um ihre physikalischen und chemischen Bedingungen zu beschreiben. Mikroorganismen bewohnen Teile des Netzwerks und bauen organisches Material ab, das ihnen zur Verfügung steht. Abhängig vom mikrobiellen Wachstum können benachbarte Poren über die verbindenden Kanten erreicht werden. Wir konnten eine Reihe von Netzwerkeigenschaften bestimmen, die sich auf die Effizienz des Abbaus durch Bodenmikroorganismen auswirken. Während eine starke Clusterbildung der Knoten eine nahezu vollständige Zersetzung des Substrats ermöglicht, kann das Vorhandensein weniger, sehr vernetzter Knoten (’hubs’) die Effizienz des Abbaus verringern und dazu führen, dass ein größerer Anteil des Substrats unzersetzt bleibt. Während das Vorhandensein von hubs im Allgemeinen keinen Einfluss auf die Dauer des Abbaus hat, verlangsamt eine starke Clusterbildung den Abbau. Die Auswirkungen der Clusterbildung werden durch die anfängliche Substratkonzentration nicht beeinflusst, während das Vorhandensein von hubs insbesondere bei niedrigen Substratkonzentrationen dazu führt, dass große Mengen des anfänglichen Substrats unzersetzt bleiben. Was die mikrobiellen Wachstumsparameter betrifft, so zeigt das System ein Schwellenverhalten. Bei zu geringem mikrobiellen Wachstum leben die Mikroorganismen nur in den ursprünglich besetzten Poren und sind nicht in der Lage, in neue Poren vorzudringen. Wenn die Substratkonzentration oder die Wachstumsrate einen Schwellenwert erreicht, kommt es zu einem sprunghaften Anstieg der Invasion in alle erreichbaren Poren des Netzwerks und zu einer wesentlich höheren Effizienz bei der Zersetzung. Außerdem führt zusätzliche Heterogenität in anderen Poreneigenschaften zu einer geringeren Invasionseffizienz, einer geringeren Zersetzungsrate und einer größeren Menge an Substrat, die am Ende übrig bleibt. Diese Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis des Einflusses der Architektur des Bodenporennetzes auf mikrobielle Abbau-Prozesse und darüber hinaus eine bessere Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf mikrobielle Prozesse im Boden.
Abstract (eng)
Microbial decomposition of soil organic matter is the foundation of nutrient and carbon cycling in terrestrial ecosystems. A substantial body of research has been devoted to understanding the interconnected physical, chemical and biological processes related to soil microbial activity, that are crucial for some of the most urgent societal issues of today, like greenhouse gas emission or primary plant production. Soils are highly heterogeneous habitats built up hierarchically from soil aggregates that provide a complex pore system. An enormous diversity of microbes occupies the physically and chemically heterogeneous pore space. Although, in recent decades the consensus has largely been established, that microbial processes are strongly affected by the spatially heterogeneous architecture of the soil pore space and the patchy distribution of substrate, still, the integration of pore network characteristics in models of microbial activity is scarce. We use an Agent-based modelling approach to address the question how the architecture of the soil pore network impacts the efficiency in soil microbial organic matter decomposition. 1. How does network structure affect the efficiency of organic matter decomposition? 2. How do network properties like average node degree, shortest path length, and clustering coefficient affect the efficiency of organic matter decomposition? 3. Can additional heterogeneity regarding pore properties affect microbial efficiency? To acknowledge the spatial heterogeneity of the pore space the soil pores are modelled as nodes of a network connected via links. Specific attributes are assigned to the nodes to describe their physical and chemical conditions. Microbes occupy parts of the network and degrade organic matter that is available to them. Depending on microbial growth new pores can be invaded through the connecting links. We were able to determine a number of network properties that affect the decomposition efficiency of soil microbes. While high clustering of nodes enables nearly complete decomposition of substrate, the presence of highly connected nodes (hubs) can decrease the efficiency of decomposition and lead to higher amount of substrate that remains undegraded. While the presence of hubs generally does not impact the time needed for decomposition, high clustering slows down decomposition. The impact of the clustering is not affected by the initial substrate concentration, whereas the presence of hubs particularly in low substrate regimes leads to large amounts of initial substrate remaining undegraded.Regarding microbial growth parameters, the system showes a threshold behaviour. For too low microbial growth, microbes live only in the initially occupied pores and are not able to invade new pores. When the substrate concentration or the growth rate reaches a threshold value, there is a jump to large-scale invasion of all reachable pores in the network and much higher efficiency in the decomposition. In addition, high heterogeneity in pore properties lead to lower invasion efficiency, lower decomposition rate and a higher amount of substrate that is left at the end. These findings allow for better understanding of the impact of soil pore network architecture on microbial processes and further for more accurate assessment of the impact of climate change on soil microbial processes.
Keywords (deu)
Abbau organischen MaterialsBodenporennetzwerkIndividuen-basiertes Modell
Keywords (eng)
organic matter decompositionsoil pore networkindividual-based model
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1649375
rdau:P60550 (deu)
92 Seiten : Illustrationen
Number of pages
93
Association (deu)
Title (eng)
Effect of pore network geometry on the efficiency of microbial soil organic matter decomposition
Parallel title (deu)
Auswirkungen der Geometrie des Porennetzwerkes auf die Effizienz der mikrobiellen Zersetzung organischer Stoffe im Boden
Author
Magdalena Rath
Abstract (deu)
Die Zersetzung organischen Materials durch Mikroorganismen im Boden ist die Grundlage des Nährstoff- und Kohlenstoffkreislaufs in terrestrischen Ökosystemen. Ein beträchtlicher Teil der Forschung ist dem Verst¨andnis der miteinander verbundenen physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse im Zusammenhang mit der mikrobiellen Aktivität des Bodens gewidmet, die für einige der dringlichsten gesellschaftlichen Probleme von heute, wie die Emission von Treibhausgasen oder die primäre Pflanzenproduktion, von entscheidender Bedeutung sind. Böden sind aufgrund ihres hierarchischen Aufbaus aus Bodenaggregaten, die ein komplexes Porensystem bilden, sehr heterogene Lebensräume. Eine große Vielfalt von Mikroorganismen besiedelt diesen physikalisch und chemisch heterogenen Porenraum. Obwohl schon seit einigen Jahrzehnten weitestgehender Konsns darüber besteht, dass mikrobielle Prozesse stark von der räumlich heterogenen Architektur des Bodenporenraums und der ungleichmäßigen Verteilung des Substrats beeinflusst werden, werden die Eigenschaften des Porennetzes nur selten in Modellen des mikrobiellen Abbaus von organischen Material berücksichtigt. Wir verwenden einen agentenbasierten Modellierungsansatz, um die folgenden Fragen zu beantworten: 1. Wie beeinflusst die Netzwerkarchitektur die Effizienz des Abbaus organischen Materials? 2. Wie wirken sich Netzwerkeigenschaften wie ’average node degree’, ’shortest path length’ und ’clustering coefficient’ auf die Effizienz des Abbaus organischen Materials aus? 3. Kann zuäatzliche Heterogenität hinsichtlich der Poreneigenschaften die Effizienz des Abbaus beeinflussen? Um die räumliche Heterogenität des Porenraums darzustellen, werden die Bodenporen als Knoten (’nodes’) eines über Kanten (’links’) verbundenen Netzwerks modelliert. Den Knoten werden spezifische Attribute zugewiesen, um ihre physikalischen und chemischen Bedingungen zu beschreiben. Mikroorganismen bewohnen Teile des Netzwerks und bauen organisches Material ab, das ihnen zur Verfügung steht. Abhängig vom mikrobiellen Wachstum können benachbarte Poren über die verbindenden Kanten erreicht werden. Wir konnten eine Reihe von Netzwerkeigenschaften bestimmen, die sich auf die Effizienz des Abbaus durch Bodenmikroorganismen auswirken. Während eine starke Clusterbildung der Knoten eine nahezu vollständige Zersetzung des Substrats ermöglicht, kann das Vorhandensein weniger, sehr vernetzter Knoten (’hubs’) die Effizienz des Abbaus verringern und dazu führen, dass ein größerer Anteil des Substrats unzersetzt bleibt. Während das Vorhandensein von hubs im Allgemeinen keinen Einfluss auf die Dauer des Abbaus hat, verlangsamt eine starke Clusterbildung den Abbau. Die Auswirkungen der Clusterbildung werden durch die anfängliche Substratkonzentration nicht beeinflusst, während das Vorhandensein von hubs insbesondere bei niedrigen Substratkonzentrationen dazu führt, dass große Mengen des anfänglichen Substrats unzersetzt bleiben. Was die mikrobiellen Wachstumsparameter betrifft, so zeigt das System ein Schwellenverhalten. Bei zu geringem mikrobiellen Wachstum leben die Mikroorganismen nur in den ursprünglich besetzten Poren und sind nicht in der Lage, in neue Poren vorzudringen. Wenn die Substratkonzentration oder die Wachstumsrate einen Schwellenwert erreicht, kommt es zu einem sprunghaften Anstieg der Invasion in alle erreichbaren Poren des Netzwerks und zu einer wesentlich höheren Effizienz bei der Zersetzung. Außerdem führt zusätzliche Heterogenität in anderen Poreneigenschaften zu einer geringeren Invasionseffizienz, einer geringeren Zersetzungsrate und einer größeren Menge an Substrat, die am Ende übrig bleibt. Diese Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis des Einflusses der Architektur des Bodenporennetzes auf mikrobielle Abbau-Prozesse und darüber hinaus eine bessere Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf mikrobielle Prozesse im Boden.
Abstract (eng)
Microbial decomposition of soil organic matter is the foundation of nutrient and carbon cycling in terrestrial ecosystems. A substantial body of research has been devoted to understanding the interconnected physical, chemical and biological processes related to soil microbial activity, that are crucial for some of the most urgent societal issues of today, like greenhouse gas emission or primary plant production. Soils are highly heterogeneous habitats built up hierarchically from soil aggregates that provide a complex pore system. An enormous diversity of microbes occupies the physically and chemically heterogeneous pore space. Although, in recent decades the consensus has largely been established, that microbial processes are strongly affected by the spatially heterogeneous architecture of the soil pore space and the patchy distribution of substrate, still, the integration of pore network characteristics in models of microbial activity is scarce. We use an Agent-based modelling approach to address the question how the architecture of the soil pore network impacts the efficiency in soil microbial organic matter decomposition. 1. How does network structure affect the efficiency of organic matter decomposition? 2. How do network properties like average node degree, shortest path length, and clustering coefficient affect the efficiency of organic matter decomposition? 3. Can additional heterogeneity regarding pore properties affect microbial efficiency? To acknowledge the spatial heterogeneity of the pore space the soil pores are modelled as nodes of a network connected via links. Specific attributes are assigned to the nodes to describe their physical and chemical conditions. Microbes occupy parts of the network and degrade organic matter that is available to them. Depending on microbial growth new pores can be invaded through the connecting links. We were able to determine a number of network properties that affect the decomposition efficiency of soil microbes. While high clustering of nodes enables nearly complete decomposition of substrate, the presence of highly connected nodes (hubs) can decrease the efficiency of decomposition and lead to higher amount of substrate that remains undegraded. While the presence of hubs generally does not impact the time needed for decomposition, high clustering slows down decomposition. The impact of the clustering is not affected by the initial substrate concentration, whereas the presence of hubs particularly in low substrate regimes leads to large amounts of initial substrate remaining undegraded.Regarding microbial growth parameters, the system showes a threshold behaviour. For too low microbial growth, microbes live only in the initially occupied pores and are not able to invade new pores. When the substrate concentration or the growth rate reaches a threshold value, there is a jump to large-scale invasion of all reachable pores in the network and much higher efficiency in the decomposition. In addition, high heterogeneity in pore properties lead to lower invasion efficiency, lower decomposition rate and a higher amount of substrate that is left at the end. These findings allow for better understanding of the impact of soil pore network architecture on microbial processes and further for more accurate assessment of the impact of climate change on soil microbial processes.
Keywords (deu)
Abbau organischen MaterialsBodenporennetzwerkIndividuen-basiertes Modell
Keywords (eng)
organic matter decompositionsoil pore networkindividual-based model
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1652753
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93
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