Universität zu Köln

Endress, Martin-Georg Alexander ORCID: 0000-0001-5017-8868 (2025). Carbon and energy use efficiency of soil microorganisms unfolding over time. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

We live in a time of unprecedented global change. Understanding its causes and predicting its consequences are challenges of utmost urgency. In a clash of scales, the future of the global climate system depends in no small part on the activity of the microscopic organisms that inhabit the soils beneath us. They mediate the future of the world's soil organic matter stocks, the single largest terrestrial pool of organic carbon on the planet. Consequently, enormous scientific effort has been invested to unravel the details of soil microbial carbon cycling and carbon use efficiency. Yet, the spatial and temporal heterogeneity of the soil environment and the interactions of many physical, chemical, and biological processes across scales continue to limit our mechanistic understanding of the system. This thesis contributed to the recent endeavor of establishing a bioenergetic framework for the description of microbial carbon cycling in soil based on thermodynamic principles. Specifically, microbial-explicit process-based models were employed to investigate the coupling between carbon and energy fluxes during soil microbial growth. This involved the theoretical analysis of dynamic model behavior as well as model calibration using specific datasets to facilitate the interpretation of experimental observations. The results revealed a close correspondence between microbial carbon and energy use efficiency in accordance with thermodynamic predictions. In particular, the models accurately captured the complex temporal patterns in microbial efficiency after the addition of labile substrates. Based on these simulations, the effects of oxygen and nutrient limitation, soil organic matter utilization, and microbial maintenance on the dynamics of microbial growth in several experiments could be disentangled and quantified. The calorespirometric ratio of heat to CO2 release proved to be a particularly valuable tool for such analyses of experimental data and for the generation of falsifiable hypotheses. In terms of process-based modeling, the explicit incorporation of heat dynamics presented the most important novelty. It was instrumental to both the model calibration and the analytical utility of the models. The strengths, weaknesses, and possible extensions of the approaches presented in this thesis are discussed to highlight promising options for future research. Overall, the thesis demonstrated the feasibility and utility of microbial-explicit process-based modeling for the analysis of coupled carbon and energy flows in the soil system.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Wir leben in einer Zeit nie dagewesenen globalen Wandels. Das Verständnis seiner Ursachen und die Vorhersage seiner Folgen sind Herausforderungen von höchster Dringlichkeit. Die Zukunft des globalen Klimasystems hängt zu einem nicht geringen Teil von der Aktivität mikroskopisch kleiner Organismen ab, die die Böden unter uns bewohnen. Sie entscheiden über die Zukunft des weltweiten Bestands an organischer Substanz im Boden, dem größten terrestrischen Reservoir an organischem Kohlenstoff auf unserem Planeten. Daher wurden enorme wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um die Einzelheiten des mikrobiellen Kohlenstoffkreislaufs und der Effizienz mikrobieller Kohlenstoffnutzung im Boden zu entschlüsseln. Die räumliche und zeitliche Heterogenität natürlicher Böden und die Wechselwirkungen zahlreicher physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse über verschiedene Skalen hinweg begrenzen jedoch weiterhin unser mechanistisches Verständnis dieses Systems. Diese Arbeit leistete einen Beitrag zu aktuellen Bemühungen, eine bioenergetische Beschreibung des mikrobiellen Kohlenstoffkreislaufs im Boden auf der Grundlage thermodynamischer Prinzipien zu schaffen. Insbesondere wurden prozessbasierte Modelle mikrobieller Aktivität eingesetzt, um die Kopplung zwischen Kohlenstoff- und Energieflüssen während des mikrobiellen Wachstums im Boden zu untersuchen. Dazu gehörte die theoretische Analyse des dynamischen Modellverhaltens sowie die Modellkalibrierung anhand spezifischer Datensätze, um die Interpretation experimenteller Beobachtungen zu ermöglichen. Die Ergebnisse zeigten eine enge Verbindung zwischen der Effizienz mikrobieller Kohlenstoff- und Energienutzung in Übereinstimmung mit den thermodynamischen Vorhersagen. Insbesondere konnten die Modelle die komplexen zeitlichen Muster der mikrobiellen Effizienz nach der Zugabe von labilen Substraten genau erfassen. Auf Basis dieser Simulationen konnten die Auswirkungen der Sauerstoff- und Nährstofflimitierung, der Nutzung organischer Bodensubstanz und des mikrobiellen Basalstoffwechsels auf die Dynamik des mikrobiellen Wachstums in mehreren Experimenten aufgeschlüsselt und quantifiziert werden. Das kalorespirometrische Verhältnis von Wärme- zu CO2-Freisetzung erwies sich als besonders wertvolles Instrument für derartige Analysen und für die Formulierung falsifizierbarer Hypothesen. Im Hinblick auf die prozessbasierte Modellierung stellte die explizite Einbeziehung der Wärmedynamik die zentrale Neuerung dar. Diese war sowohl für die Modellkalibrierung als auch für den analytischen Nutzen der Modelle von entscheidender Bedeutung. Die Stärken, Schwächen und möglichen Erweiterungen der in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze wurden diskutiert, um vielversprechende Optionen für die zukünftige Forschung aufzuzeigen. Insgesamt demonstrierte diese Arbeit die Machbarkeit und den Nutzen einer prozessbasierten mikrobiellen Modellierung für die Analyse gekoppelter Kohlenstoff- und Energieflüsse im Bodensystem. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Endress, Martin-Georg Alexander endressmg@gmail.com orcid.org/0000-0001-5017-8868 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-755769
Date:	13 January 2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Carbon use efficiency English Energy use efficiency English Calorespirometry English Process-based modeling English Soil microbial activity English
Date of oral exam:	11 March 2025
Referee:	Name Academic Title Bonkowski, Michael Prof. Dr. Fink, Patrick Prof. Dr. Dippold, Michaela Prof. Dr. Bogner, Christina Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/75576