Diffusivity and enzymatic activity control the exchange of carbonyl sulfide (COS) between soils and the atmosphere [Elektronische Ressource] / Heidi Van Diest

Vandiest

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• Publié le: 01 janvier 2007
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Extrait

Diffusivity and enzymatic activity control
the exchange of Carbonyl Sulfide (COS)
between soils and the atmosphere


Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften

am Fachbereich Biologie
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz


Heidi Van Diest
geboren am 21.11.1980 in Diest, Belgien





Mainz, 2007


















Dekan:
1. Berichterstatter:
2. tatter:
Tag der mündlichen Prüfung: 21. Juni 2007
Zusammenfassung

Carbonylsulfid (COS) ist eines der stabilsten reduzierten schwefelhaltigen Spurengase in der
Atmosphäre. In der gut durchmischten Troposphäre bewegt sich seine Konzentration um 500
ppt. COS spielt eine wichtige Rolle in der Produktion von stratosphärischem Aerosol und im
Ozon Zyklus. Dieses Spurengas hat eine Vielfalt an natürlichen und anthropogenen Quellen,
denen gleichstarke Senken, darunter die dominanten wie Vegetation und Boden, gegenüber
stehen. Die Stärke der Senken ist trotz langjähriger Forschungen immer noch Gegenstand der
Diskussionen. Daher ist es wichtig die kontrollierenden Parameter zu charakterisieren. Alle
Austauschmessungen vor 1990 vermuteten Böden als Quelle von COS, was aber durch
Castro and Galloway (1991) klar widerlegt wurde. Heute werden Böden in Ergänzung zur
Vegetation grundsätzlich als Senke betrachtet.

Vor diesem Hintergrund wurden Bodenproben auf den Austausch von Carbonylsulfid mit der
Atmosphäre unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersucht. Drei Ackerböden aus
Deutschland, China und Finnland und zwei Waldböden aus Sibirien und Surinam konnten
parametrisiert werden in Relation zur atmosphärischen Umgebungskonzentration, Temperatur
und Bodenfeuchte (WC). Neben Umgebungskonzentration und Bodenfeuchte, scheinen
Bodenstruktur und enzymatische Aktivität die Richtung und Größe des Austauschflusses zu
kontrollieren. Die übereinstimmenden Optima für boreale Böden in Relation zum
wassergefüllten Porenvolumen des Bodens (WFPS) und die Linearität zwischen
Depositionsgeschwindigkeit (V) und Bulk density lassen auf eine Dominanz der d
Abhängigkeit der COS-Aufnahme von der durch WFPS bestimmten Diffusionsfähigkeit
schließen. WFPS ist abhängig von WC, Bodenstruktur und Bodenporosität. In Ergänzung zu
diesen eher physikalischen Parametern konnte die Carboanhydrase (CA) als kontrollierendes
Enzym in Böden identifiziert werden. Erste Versuche zur direkten Bestimmung der CA in den
untersuchten Böden erlaubten eine erste, aber noch sehr ungenaue Abschätzung der
Enzymaktivität.

















Carpe Diem!

Voor mijn ouders:
Dank u!Table of Contents 1
Table of Contents
1. Introduction ..................................................................................5
1.1. Biosphere exchanges: Biogeochemical cycle of sulfur .......................................... 5
1.2. The importance of Carbonyl Sulfide (COS) in the atmosphere........................... 7
1.3. Global budget: sources and sinks ........................................................................... 9
1.3.1. Overview.......................................................................................................... 11
1.3.2. Atmosphere – ocean......................................................................................... 14
1.3.3. Atmosphere – vegetation.................................................................................. 15
1.3.4. Atmosphere – soil............................................................................................. 18
1.4. Soils.......................................................................................................................... 20
1.4.1. Dominant soils.................................................................................................. 20
1.4.2. Topsoils............................................................................................................ 25
1.4.3. Soil characteristics............................................................................................ 25
1.4.4. Soil microorganisms......................................................................................... 30
1.5. The carboxylating enzymes and carbonic anhydrase (CA)................................ 31
1.5.1. Carbonic anhydrase (CA)................................................................................. 31
1.6. Aim........................................................................................................................... 35
2. Materials and Methods ..............................................................36
2.1. Soil material: origin ............................................................................................... 36
2.1.1. German soil...................................................................................................... 36
2.1.2. Chinese soil 37
2.1.3. Finnish soil....................................................................................................... 37
2.1.4. Siberian soil 37
2.1.5. Surinam soil 37
2.2. Method of sample taking ....................................................................................... 38
2.2.1. Calculation of Water-filled pore space (WFPS) .............................................. 38
2.3. Construction and performance of soil enclosures ............................................... 39
2.3.1. Purification system........................................................................................... 39
2.3.2. Addition of COS............................................................................................... 40 Table of Contents 2
2.3.3. Enclosure system: cuvettes............................................................................... 41
2.3.4. Sampling and analysis...................................................................................... 42
2.3.5. Calibration and reproducibility........................................................................ 45
2.3.6. Error estimation of carbonyl sulfide................................................................. 48
2.3.7. Instrumental details.......................................................................................... 48
2.4. Exchange calculations............................................................................................ 49
2.4.1. COS uptake (F) and deposition velocities (V )................................................ 49 d
2.4.2. Algorithmic description of the COS uptake..................................................... 50
2.5. Determination of the enzymatic activity of Carbonic anhydrase (CA)............. 51
2.5.1. The Bicine Buffer............................................................................................. 51
2.5.2. CO -saturated solution ..................................................................................... 52 2
2.5.3. Preparation of the soil sample .......................................................................... 53
2.5.4. Electrometric determination of CA-activity..................................................... 53
2.6. pH screening ........................................................................................................... 54
3. Results..........................................................................................55
3.1. German soil............................................................................................................. 55
3.1.1. COS exchange in relation to soil WC at different temperatures ...................... 56
3.1.2. The importance of water-filled pore space....................................................... 58
3.1.3. Temperature dependence.................................................................................. 59
3.2. Chinese soil.............................................................................................................. 59
3.2.1. COS V versus WC and WFPS at different temperatures................................ 59 d
3.2.2. Temperature dependence 61
3.3. Finnish soil .............................................................................................................. 62
3.3.1. COS Vperatures................................ 63 d
3.3.2. Comparison of the Finnish and Chinese arable soil......................................... 64
3.3.3. Temperature dependence.................................................................................. 65
3.4. Siberian soil............................................................................................................. 66
3.4.1. COS V versus WC and WFPS at different temperatures................................ 67 d
3.4.2. Comparison of the Siberian and Chinese soil .................................................. 68
3.4.3. Temperature dependence 69
3.5. Surinam soil ............................................................................................................ 69 Table of Contents 3
3.5.1. COS V versus WC, WF