Substrat-induzierte Respiration

Im Jahr 1973 publizierten J.P.E. Anderson und K.H. Domsch zunächst eine Arbeit über eine Methode, die es ermöglichte, das Verhältnis zwischen Pilzen und Bakterien in einer Bodenprobe zu berechnen. Dazu wurden zunächst ein Inhibitor, der selektiv auf den anabolen Stoffwechsel von Bakterien und ein Inhibitor, der selektiv auf den anabolen Stoffwechsel von Pilzen reagiert, experimentell ausgewählt. Außerdem wurde Glucose als geeignete Kohlenstoffquelle zum Anregen des anabolen Stoffwechsels von Bakterien und Pilzen gewählt. Durch weitere Experimente wurde die optimale Konzentration an Inhibitor und Substrat herausgefunden. Schließlich war es möglich, gezielt nur den CO₂-Ausstoß der Pilze oder Bakterien über einen Zeitraum von sechs Stunden zu messen. Über die Gleichungen

${\displaystyle {\text{Prozentualer Anteil Bakterien}}={\frac {\text{CO2 ohne Inhibitor − CO2 mit Pilz-Inhibitor}}{\text{CO2 ohne Inhibitor − CO2 mit beiden Inhibitoren}}}}$

${\displaystyle {\text{Prozentualer Anteil Pilze}}={\frac {\text{CO2 ohne Inhibitor − CO2 mit Bakterien-Inhibitor}}{\text{CO2 ohne Inhibitor − CO2 mit beiden Inhibitoren}}}}$

lässt sich der prozentuale Anteil der lebenden Zellen von Bakterien und Pilzen in einer Bodenprobe genau angeben.[1]

Drei Jahre später publizierten D. S. Jenkinson und D. S. Powlson eine Methode, um die Biomasse von Mikroorganismen in einer Bodenprobe zu bestimmen[2]. Dazu wird eine Probe in zwei gleiche Gefäße aufgeteilt. Eines der Gefäße wird 24 Stunden lang mit Chloroform begast, das andere bleibt unbehandelt im dunklen Schrank bei 25 Grad Celsius. Aus dem unbehandelten Gefäß wird ein Gramm in das behandelte gegeben. Nach zehn Tagen wird in beiden Gefäßen die entstandene Menge an CO₂ über ein Titrationsverfahren gemessen. Die CO₂-Messung wird beim unbehandelten Glas nach 20 Tagen wiederholt. Über die Gleichung

${\displaystyle B={\frac {X-y}{k}}}$

Biomasse in mg C pro 100 g Boden = B

Menge CO₂ entstanden in behandeltem Boden (zwischen Tag 0 bis 10) = X

Menge CO₂ entstanden in unbehandeltem Boden (zwischen Tag 10 bis 20) = y

Anteil des Kohlenstoffs der getöteten Mikroorganismen, der in CO₂ umgewandelt werden kann = k = 0,5

kann die Biomasse der Mikroorganismen in einer Bodenprobe bestimmt werden.[2] Der im Boden enthaltende Kohlenstoff von abgestorbenen Organismen kann als Kohlenstoffquelle genutzt werden. Die Menge an nutzbarem Kohlenstoff ist in der CO₂-Konzentration messbar. Notwendig ist eine Konstante k, um das CO₂ von dem abgetöten, aber in zehn Tagen nicht genutzten Material herauszurechnen. Diese Konstante ist von der Aktivität der Mikroorganismen und somit von der Umgebungstemperatur abhängig.

Schließlich nutzten J.P.E. Anderson und K.H. Domsch im Jahr 1978 eine Weiterentwicklung der Methode von Jenkinson und kombinierten diese mit der von ihnen selbst entwickelten Methode aus dem Jahr 1973. Sie präzisierten das Verfahren von Jenkinson, indem kleinere Proben genommen wurden. Anstelle der Messung über Titration nach 10 bzw. 20 Tagen wurde die CO₂-Konzentration in den Probengefäßen jede Stunde über einen Gaschromatographen gemessen. Außerdem wurden Gefäße mit einer CO₂-freien Durchlüftung anstelle der gasdicht verschlossenen Gefäße benutzt. Da Anderson bei einer drei Grad geringeren Temperatur arbeitete, wurde der k-Faktor von 0,5 durch erneute Experimente auf 0,411 angepasst.

Für die Messung der Bodenatmung wurden die Bodenproben (nach zehntägiger Lagerung) mit verschiedenen Konzentrationen verschiedener Kohlenstoffquellen versetzt. Es wurde jeweils 20 Minuten CO₂-freie Luft durch das Probenrohr geblasen und anschließend zehn Minuten lang die CO₂-Konzentration mit einem Gaschromatographen gemessen. Dabei zeigte sich wiederholt Glucose als Kohlenstoffquelle, die den Stoffwechsel am stärksten anregt. Die maximale Atmungsrate wurde für jede Bodenprobe bestimmt. Gleichzeitig wurde die maximale Atmungsrate von reinen Laborproben mit bekannter Masse und Alter bestimmt.

Für die Messung des Kohlenstoffgehalts der Biomasse wurde die Methode von Jerkinson angewandt, inklusive der oben beschriebenen Modifikationen. Aus den gewonnenen Daten könnte eine lineare Korrelation erstellt werden.

${\displaystyle X={\text{absolute Biomasse}}={\dfrac {\text{mg Biomasse C}}{\text{100 g Boden}}}}$

${\displaystyle Y={\text{maximale Atmung}}={\dfrac {\text{ml CO2}}{{\text{Zeit}}\cdot {\text{100g Boden}}}}}$

Die Regressionsgerade hat die Gleichung:

${\displaystyle X=40{,}04\cdot Y+0{,}37}$

Stellt man Gleichung zur Biomasse um und beachtet den k-Wert, ergibt sich folgende Gleichung:

${\displaystyle {\text{Biomasse}}={\dfrac {40{,}04\cdot {\dfrac {\text{V(CO2)}}{{\text{g Boden}}\cdot {\text{Zeit}}}}+0{,}37}{0{,}45}}}$

Bei Anwendung der Formel ist zu beachten, dass diese nur für eine Inkubationstemperatur von 22 Grad Celsius anwendbar ist. Bei einer anderen Temperatur muss gegebenenfalls der k-Faktor verändert werden.[3] Es können Böden aus verschiedenen Klimazonen miteinander verglichen werden.[5]