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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 11 / Ökologische Agrarwissenschaften  → Boden- und Pflanzenbauwissenschaften  → Fachgebiet Bodenbiologie und Pflanzenernährung  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2008022720521

Title: Salinity-induced changes in the microbial use of sugarcane filter cake added to soil
Authors: Rasul, Ghulam
???metadata.dc.subject.swd???: BodenversalzungZuckerrohrFilterkuchen
???metadata.dc.subject.ddc???: 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 27-Feb-2008
Abstract: Five laboratory incubation experiments were carried out to assess the salinity-induced changes in the microbial use of sugarcane filter cake added to soil. The first laboratory experiment was carried out to prove the hypothesis that the lower content of fungal biomass in a saline soil reduces the decomposition of a complex organic substrate in comparison to a non-saline soil under acidic conditions. Three different rates (0.5, 1.0, and 2.0%) of sugarcane filter cake were added to both soils and incubated for 63 days at 30°C. In the saline control soil without amendment, cumulative CO2 production was 70% greater than in the corresponding non-saline control soil, but the formation of inorganic N did not differ between these two soils. However, nitrification was inhibited in the saline soil. The increase in cumulative CO2 production by adding filter cake was similar in both soils, corresponding to 29% of the filter cake C at all three addition rates. Also the increases in microbial biomass C and biomass N were linearly related to the amount of filter cake added, but this increase was slightly higher for both properties in the saline soil. In contrast to microbial biomass, the absolute increase in ergosterol content in the saline soil was on average only half that in the non-saline soil and it showed also strong temporal changes during the incubation: A strong initial increase after adding the filter cake was followed by a rapid decline. The addition of filter cake led to immobilisation of inorganic N in both soils. This immobilisation was not expected, because the total C-to-total N ratio of the filter cake was below 13 and the organic C-to-organic N ratio in the 0.5 M K2SO4 extract of this material was even lower at 9.2. The immobilisation was considerably higher in the saline soil than in the non-saline soil. The N immobilisation capacity of sugarcane filter cake should be considered when this material is applied to arable sites at high rations. The second incubation experiment was carried out to examine the N immobilizing effect of sugarcane filter cake (C/N ratio of 12.4) and to investigate whether mixing it with compost (C/N ratio of 10.5) has any synergistic effects on C and N mineralization after incorporation into the soil. Approximately 19% of the compost C added and 37% of the filter cake C were evolved as CO2, assuming that the amendments had no effects on the decomposition of soil organic C. However, only 28% of the added filter cake was lost according to the total C and d13C values. Filter cake and compost contained initially significant concentrations of inorganic N, which was nearly completely immobilized between day 7 and 14 of the incubation in most cases. After day 14, N re-mineralization occurred at an average rate of 0.73 µg N g-1 soil d-1 in most amendment treatments, paralleling the N mineralization rate of the non-amended control without significant difference. No significant net N mineralization from the amendment N occurred in any of the amendment treatments in comparison to the control. The addition of compost and filter cake resulted in a linear increase in microbial biomass C with increasing amounts of C added. This increase was not affected by differences in substrate quality, especially the three times larger content of K2SO4 extractable organic C in the sugarcane filter cake. In most amendment treatments, microbial biomass C and biomass N increased until the end of the incubation. No synergistic effects could be observed in the mixture treatments of compost and sugarcane filter cake. The third 42-day incubation experiment was conducted to answer the questions whether the decomposition of sugarcane filter cake also result in immobilization of nitrogen in a saline alkaline soil and whether the mixing of sugarcane filter cake with glucose (adjusted to a C/N ratio of 12.5 with (NH4)2SO4) change its decomposition. The relative percentage CO2 evolved increased from 35% of the added C in the pure 0.5% filter cake treatment to 41% in the 0.5% filter cake +0.25% glucose treatment to 48% in the 0.5% filter cake +0.5% glucose treatment. The three different amendment treatments led to immediate increases in microbial biomass C and biomass N within 6 h that persisted only in the pure filter cake treatment until the end of the incubation. The fungal cell-membrane component ergosterol showed initially an over-proportionate increase in relation to microbial biomass C that fully disappeared at the end of the incubation. The cellulase activity showed a 5-fold increase after filter cake addition, which was not further increased by the additional glucose amendment. The cellulase activity showed an exponential decline to values around 4% of the initial value in all treatments. The amount of inorganic N immobilized from day 0 to day 14 increased with increasing amount of C added in comparison to the control treatment. Since day 14, the immobilized N was re-mineralized at rates between 1.31 and 1.51 µg N g-1 soil d-1 in the amendment treatments and was thus more than doubled in comparison with the control treatment. This means that the re-mineralization rate is independent from the actual size of the microbial residues pool and also independent from the size of the soil microbial biomass. Other unknown soil properties seem to form a soil-specific gate for the release of inorganic N. The fourth incubation experiment was carried out with the objective of assessing the effects of salt additions containing different anions (Cl-, SO42-, HCO3-) on the microbial use of sugarcane filter cake and dhancha leaves amended to inoculated sterile quartz sand. In the subsequent fifth experiment, the objective was to assess the effects of inoculum and temperature on the decomposition of sugar cane filter cake. In the fourth experiment, sugarcane filter cake led to significantly lower respiration rates, lower contents of extractable C and N, and lower contents of microbial biomass C and N than dhancha leaves, but to a higher respiratory quotient RQ and to a higher content of the fungal biomarker ergosterol. The RQ was significantly increased after salt addition, when comparing the average of all salinity treatments with the control. Differences in anion composition had no clear effects on the RQ values. In experiment 2, the rise in temperature from 20 to 40°C increased the CO2 production rate by a factor of 1.6, the O2 consumption rate by a factor of 1.9 and the ergosterol content by 60%. In contrast, the contents of microbial biomass N decreased by 60% and the RQ by 13%. The effects of the inoculation with a saline soil were in most cases negative and did not indicate a better adaptation of these organisms to salinity. The general effects of anion composition on microbial biomass and activity indices were small and inconsistent. Only the fraction of 0.5 M K2SO4 extractable C and N in non-fumigated soil was consistently increased in the 1.2 M NaHCO3 treatment of both experiments. In contrast to the small salinity effects, the quality of the substrate has overwhelming effects on microbial biomass and activity indices, especially on the fungal part of the microbial community.Fünf Inkubationsexperimente wurden im Labor durchgeführt, um die versalzungs-induzierten Veränderungen in der mikrobiellen Nutzung von Zuckerrohr-Filterkuchen im Boden abzuschätzen. Das erste Laborexperiment wurde durchgeführte, um die Hypothese zu prüfen, dass der niedrigere Gehalt an Pilzbiomasse in einem salzhaltigen Boden die Zersetzung einer komplexen organischen Substanz reduziert im Vergleich zu einem nicht-salzhaltigen Boden unter sauren Bedingungen. Drei verschiedene Anteile (0.5, 1.0 and 2.0%) des Zuckerrohr-Filterkuchens wurden zu beiden Böden gegeben und für 63 Tage bei 30°C inkubiert. In dem salzhaltigen Kontrollboden ohne Zugabe war die kumulative CO2-Produktion um 70% höher als in dem entsprechenden nicht-salzhaltigen Kontrollboden, aber die Bildung von anorganischem N unterschied sich zwischen den beiden Böden nicht. Jedoch war die Nitrifikation in dem salzhaltigen Boden gehemmt. Die Zunahme der kumulativen CO2-Produktion durch die Zugabe des Filterkuchens war in beiden Böden ähnlich und entsprach 29% des Filterkuchen-Kohlenstoffs bei allen drei Zugabemengen. Auch die Zunahmen an C und N in mikrobieller Biomasse waren linear mit der Menge des zugegebenen Filterkuchens korreliert, aber diese Zunahme war für beide Eigenschaften etwas höher im salzhaltigen Boden. Im Gegensatz zur mikrobiellen Biomasse war die absolute Zunahme des Ergosterolgehalts im salzhaltigen Boden nur halb so hoch wie im nicht-salzhaltigen Boden und zeigte große zeitliche Veränderungen während der Inkubation. Einer starken anfänglichen Zunahme nach der Zugabe des Filterkuchens folgte eine rasche Abnahme. Die Zugabe von Filterkuchen führte zu einer Immobilisation von anorganischem N in beiden Böden. Diese Immobilisation war nicht erwartet worden, da das Ct/Nt-Verhältnis des Filterkuchens unter 13 lag und das Corg/Norg-Verhältnis im 0.5 M K2SO4-Extrakt dieses Materials war mit 9.2 sogar noch niedriger. Die N-Immobilisationskapazität von Zuckerrohr-Filterkuchen sollte berücksichtigt werden, wenn dieses Material in großen Mengen auf ackerbaulich genutzten Flächen ausgebracht wird. Der zweite Inkubationsversuch wurde durchgeführt, um den N-Immobilisationseffekt von Zuckerrohr-Filterkuchen (C/N-Verhältnis von 12.4) zu prüfen und um zu untersuchen, ob das Beimischen mit Kompost (C/N-Verhältnis von 10.5) synergistische Effekte auf die C- und N-Mineralisation nach der Inkorporation in den Boden hat. Ungefähr 19% des zugeführten Kompost-Kohlenstoffs und 37% des Filterkuchen-Kohlenstoffs wurden als CO2 abgegeben. Dabei wurde angenommen, dass die Zugabe keinen Einfluss auf den Abbau des organischen Kohlenstoffs im Boden hat. Allerdings wurden nur 28% des zugegebenen Filterkuchens auf der Basis der Ct- und d13C-Werte abgebaut. Filterkuchen und Kompost enthielten anfänglich signifikante Konzentrationen an anorganischem N, die zwischen dem 7. und 14. Tag der Inkubation in den meisten Fällen nahezu vollständig immobilisiert wurden. Nach 14 Tagen setzte in den meisten Zugabevarianten die N-Remineralisation mit einer durchschnittlichen Rate von 0.73 µg N g-1 Boden d-1 ein. Damit entsprach diese ohne signifikanten Unterschied der N-Mineralisationsrate in der zugabelosen Kontrolle. Eine signifikante Netto-N-Mineralisation von organischem N erfolgte in keiner der Zugabevarianten im Vergleich mit der Kontrolle. Die Zugabe von Kompost und Filterkuchen resultierte in einem linearen Anstieg von C in mikrobieller Biomasse mit steigender Menge an zugeführtem C. Diese Zunahme wurde nicht durch die unterschiedliche Substratqualität beeinflusst, z.B. dem dreifach höheren Gehalt an K2SO4-extrahierbarem organischen C des Zuckerrohr-Filterkuchens. In den meisten Zugabevarianten nahmen C und N in der mikrobiellen Biomasse bis ans Ende der Inkubation zu. Keine Synergieeffekte konnten in den Mischungsvarianten von Kompost und Zuckerrohr-Filterkuchen beobachtet werden. Der dritte, 42-tägige Inkubationsversuch wurde durchgeführt, um die Fragen zu beantworten, ob die Zersetzung von Zuckerrohr-Filterkuchen ebenfalls in einem salzhaltigen und alkalischen Boden zu einer Immobilisation von N führt und ob das Mischen von Zuckerrohr-Filterkuchen mit Glucose (eingestellt auf ein C/N-Verhältnis von 12.5 mit (NH4)2SO4) die Zersetzung beeinflusst. Der relative Anteil der CO2-Produktion nahm von 35% der zugegebenen C-Menge in der reinen 0.5% Filterkuchen-Variante über 41% in der 0.5% Filterkuchen +0.25% Glucose-Variante auf 48% in der 0.5% Filterkuchen +0.5% Glucose-Variante zu. In den drei Zugabevarianten kam es zu einer unmittelbaren Zunahme von C und N in mikrobieller Biomasse innerhalb von 6 h, die nur in der reinen Filterkuchen-Variante bis ans Ende der Inkubation anhielt. Die pilzliche Zellmembran-Komponente Ergosterol zeigte anfänglich einen überproportionalen Anstieg in Relation zum C in mikrobieller Biomasse, der vollständig bis zum Ende der Inkubation verschwand. Die Cellulase-Aktivität zeigte eine fünffache Zunahme nach Filterkuchen-Zugabe, die nicht durch eine weitere Glucosezugabe erhöht wurde. Die Cellulase-Aktivität zeigte eine exponentielle Abnahme auf ein Niveau um 4% des Ausgangswerts in allen Varianten. Die Menge an anorganischem N, die von Tag 0 bis Tag 14 immobilisiert wurde, nahm mit zunehmender Menge an C im Vergleich mit der Kontrollvariante zu. Ab dem Tag 14 wurde das immobilisierte N mit Raten zwischen 1.31 und 1.51 µg N g-1 Boden d-1 in den Zugabevarianten remineralisiert und war damit mehr als doppelt so hoch wie in der Kontrollvariante. Das bedeutet, dass die Remineralisationsrate unabhängig von der aktuellen Größe des Pools an mikrobiellen Residuen ist und damit ebenso unabhängig von der Größe der mikrobiellen Biomasse. Andere unbekannte Bodeneigenschaften scheinen einen boden-spezifischen Regulator für die Freigabe von anorganischem N zu bilden. Der vierte Inkubationsversuch wurde mit Absicht durchgeführt, die Auswirkungen von Salzzugaben mit unterschiedlicher Anionenzusammensetzung (Cl-, SO42-, HCO3-) auf die mikrobielle Nutzung von Zuckerrohr-Filterkuchen und Dhancha-Blättern, die zu inokuliertem sterilen Quarzsand zugegeben wurden, zu untersuchen. In dem fünften Versuch war die Absicht, die Auswirkungen von Inokulum und Temperatur auf die Zersetzung von Zuckerrohr-Filterkuchen abzuschätzen. In dem vierten Experiment führte der Zuckerrohr-Filterkuchen zu signifikant niedrigeren Respirationsraten, niedrigeren Gehalten an extrahierbarem C und N, und niedrigeren Gehalten an C und N in mikrobieller Biomasse als die Dhancha-Blätter, aber zu höheren respiratorischen Quotienten RQ und zu höheren Gehalten des pilzlichen Biomarkers Ergosterol. Der RQ war signifikant größer nach Salzzugabe, wenn der Mittelwert aller Salzzugabe-Varianten mit der Kontrolle verglichen wurde. Unterschiede in der Anionenzusammensetzung hatten keine klaren Auswirkungen auf die RQ-Werte. Im fünften Experiment, erhöhte die Zunahme der Temperatur von 20 auf 40°C die CO2-Produktionsrate mit einem Faktor von 1.6, O2-Verbrauchs mit einem Faktor von 1.9 und den Ergosterolgehalt um 60%. Im Gegensatz dazu nahm der Gehalt an N in mikrobieller Biomasse um 60% und der RQ um 13% ab. Das Inokulum mit salzhaltigem Boden hatten in den meisten Fällen negative Auswirkungen und zeigte keine bessere Anpassung dieser Organismen an Salinität. Die generellen Auswirkungen der Anionenzusammensetzung auf die Indizes für mikrobielle Biomasse und Aktivität waren gering und inkonsistent. Nur die Fraktion des 0,5 M K2SO4-extrahierbaren Kohlenstoffs und Stickstoffs in nicht-fumigierten Böden war beständig erhöht in der 1,2 M NaHCO3-Variante von beiden Experimenten. Im Gegensatz zu den geringen Salinitäts-Effekten hatte die Substratqualität überwältigenden Auswirkungen auf die Indizes für mikrobielle Biomasse und Aktivität, insbesondere auf den pilzlichen Anteil der mikrobiellen Gemeinschaft.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2008022720521
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