Temperaturreaktion der Zersetzungsraten organischer Substanz im Boden: Bau und Anwendung eines Temperaturgradientenblocks

Zusammenfassung

Wir führen einen Temperaturgradientenblock ein und erläutern dessen Bau und Nutzung. Der Block liefert 22 diskrete Temperaturen, die linear in einem vom Benutzer definierten Bereich von 0 bis 90 °C verteilt sind. Die aus diesem Aufbau gesammelten Daten ermöglichen das Testen und die Entwicklung neuer Theorien zur Temperaturreaktion der Zersetzungsraten organischer Substanz im Boden.

Zusammenfassung

Der Boden ist das größte Kohlenstoffreservoir (C) der Erde und hält fast doppelt so viel CO₂ wie die Atmosphäre. Durch den Klimawandel verursachte Temperaturanstiege könnten den Abbau organischer Substanz (SOM) im Boden fördern und potenziell Kohlendioxid (_CO2) in die Atmosphäre freisetzen und so eine positive Rückkopplung zum Klimawandel ermöglichen. Das wirft die Frage auf: Wie können wir die Reaktion der SOM-Zersetzungsraten auf kurzfristige Temperaturänderungen definieren? Können wir diese Daten nutzen, um mechanistisch definierte Gleichungen in Erdsystemmodelle für Klimavorhersagen anzupassen? Die meisten bisherigen Forschungen konzentrierten sich auf Laborinkubationen bei unterschiedlichen diskreten Temperaturen. Dies führt jedoch nicht zu einer detaillierten Temperaturantwortkurve, die erforderlich ist, um neuartige Hypothesen zu testen, die durch die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet aufgestellt wurden, wie etwa die makromolekulare Ratentheorie (MMRT). In diesem Artikel stellen wir einen Temperaturgradientenblock vor, der im Vergleich zu früheren Arbeiten modifiziert und verbessert wurde, erläutern dessen Bauprozess und geben eine detaillierte Erklärung zu seiner Nutzung. Der Temperaturgradientenblock ist ein Aluminiumblock mit vier Reihen von je 22 einzelnen Löchern, der die gleichzeitige Inkubation von 88 Mikrokosmosen (60-ml-Fläschchen) ermöglicht. Der Block wird an einem Ende gekühlt und am anderen erhitzt, wodurch eine lineare Temperaturverteilung entsteht. Es liefert 22 diskrete Temperaturpunkte entlang eines benutzerdefinierten Bereichs innerhalb von 0 bis 90 °C. Nach 3,5 Stunden Inkubation wird die CO2-Produktion_aus jedem der 88 Mikrokosmosen gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Block den benutzerdefinierten Temperaturgradienten erzeugt und den Aufbau von Temperaturantwortkurven der SOM-Zerlegung erleichtert. Darüber hinaus können die aus diesem Aufbau gewonnenen Daten genutzt werden, um neue Hypothesen und Theorien über die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf die Zersetzungsraten von SOM zu testen und zu entwickeln, ein Bereich von zunehmender Bedeutung im Kontext des Klimawandels.

Einleitung

Steigende Kohlendioxidkonzentrationen (_CO2) in der Atmosphäre führen zu höheren Temperaturen auf Erde¹. Dieses Phänomen wurde erstmals 1856 von Eunice Foote² berichtet, die ein einfaches, aber bahnbrechendes Experiment durchführte. Sie füllte einen Zylinder mit Umgebungsluft und einen anderen mit_CO2 und zeichnete die Temperaturen in beiden¹. Die Ergebnisse waren eindeutig: Zylinder mit höheren_{CO2-Konzentrationen} zeigten höhere Temperaturen, was den Erwärmungseffekt erhöhter atmosphärischer_CO21^zeigte. Diese Beobachtung hat erhebliche Auswirkungen auf den Klimawandel. Heute prägen Footes frühe Erkenntnisse weiterhin die zeitgenössische Klimawissenschaft und leiten die Forschung darüber, wie steigende_CO2-Werte die globale Erwärmung beeinflussen und verschiedene Ökosysteme beeinflussen.

Böden speichern im ersten Meter fast doppelt so viel Kohlenstoff (C) wie die Atmosphäre und spielen damit eine entscheidende Rolle im globalen C-Zyklus³. Ein zentraler Prozess, der die C-Bestände im Boden beeinflusst, ist die Zersetzung organischer Substanz (SOM), die die Geschwindigkeit bestimmt, mit der C wieder in^{die Atmosphäre} freigesetzt wird. ^4,5. Höhere durchschnittliche Jahrestemperaturen, verursacht durch den Klimawandel, haben das Potenzial, den Abbau organischer Substanz (SOM) im Boden anzuregen und die Freisetzung von_CO2 in die Atmosphäre^{um 6,7} zu beschleunigen. Dies stellt einen positiven Rückkopplungsmechanismus für den Klimawandel dar, insbesondere wenn höhere Temperaturen C-Verluste durch SOM-Zersetzung stärker beschleunigen, als sie photosynthetische C-Eingänge⁶ stimulieren. Trotz umfangreicher Forschung zu diesem Thema bleibt das Ausmaß und die Richtung des sogenannten Land-, Kohlenstoff-Klima-Rückkopplungs weithin umstritten 8,9,10,11. Diese Unsicherheit ist größtenteils auf grundlegende Wissenslücken bezüglich der Temperaturantwort der SOM-Zersetzungsraten zurückzuführen. Die Schließung dieser Lücken ist unerlässlich, um Erdsystemmodelle zu verfeinern und theoretisch fundierte Darstellungen der Temperaturantwort der SOM-Dekompositionsraten einzubeziehen.

Die Temperaturantwort der SOM-Dekompositionsraten wird üblicherweise durch den Wert Q₁₀ und die Arrhenius-Gleichung dargestellt. Der Wert Q₁₀ ist definiert als der Faktor, mit dem eine Rate multipliziert wird, wenn die Temperatur um 10 °C steigt. Trotz Anfechtungen seiner^Gültigkeit 12,13,14,15 ist Q 10 zum Standardansatz geworden, um die Temperaturreaktion verschiedener Behandlungen und Böden zu vergleichen. Die Arrhenius-Theorie schlägt einen exponentiellen Anstieg der Prozessraten vor, wie etwa bei der SOM-Zersetzung, bei steigender^{Temperatur um 16}. Die tatsächlichen Enzymaktivitäten folgen jedoch meist einer unimodalen Form mit einem ausgeprägten thermischen Optimum und nehmen bei höheren Temperaturen ab, 17,18,19. Arrhenius-basierte Gleichungen versuchen, diesen Rückgang zu erklären, indem sie eine Enzymdenaturierung jenseits des thermischen^{Optimum 6} vorschlagen. Die Denaturierung von Enzymen erfolgt jedoch bei höheren Temperaturen als üblich in Böden, was darauf hindeutet, dass Enzyme ein thermisches Optimum erreichen, bevor die Denaturierung^{19,20 erfolgt}. Außerdem erlaubt das einfache Hinzufügen einer zweiten Funktion zur Arrhenius-Gleichung, um den Zusammenbruch der Atemraten durch Denaturierung zu berücksichtigen, keine Schätzung der Wendepunkttemperatur – also der Temperatur, bei der die Änderungsrate der Atmung maximiert ist^{– 21,22}. Folglich gelingt es Arrhenius-basierten Gleichungen nicht, die häufig gemessene Form der Gesamttemperaturreaktion der SOM-Zersetzungsraten innerhalb des allgemein in Böden beobachteten Temperaturbereichs^14,23 vollständig zu erfassen.

Um die Einschränkungen der Arrhenius-Theorie zu adressieren, wurden mehrere Gleichungen entwickelt, um die Temperaturempfindlichkeit biologischer Prozesse darzustellen; allerdings sind nur wenige auf biologischer Theorie verankert oder wurden auf Böden^{angewandt 24,25}. Unter den biologisch basierten Ansätzen überwindet die makromolekulare Ratentheorie (MMRT) einige der Einschränkungen der Arrhenius-Gleichung, indem sie die thermodynamischen Eigenschaften biologischer Makromoleküle wie Enzyme²⁶ einbezieht. Ebenso berücksichtigt die Enzymunterstützte Arrhenius-Theorie (EAAR) die temperaturabhängige Rolle von Enzymen bei der Senkung der Aktivierungsenergie der^{Reaktion 24}. Beide Gleichungen wurden erfolgreich auf Untersuchungen der Temperaturreaktion biochemischer Reaktionen in Böden und Mikroorganismen^angewandt 17,24,27,28. Diese Gleichungen liefern wertvolle mechanistische Einblicke in die Temperaturantwort der SOM-Zerlegung und die zugrunde liegenden Reaktionsschritte. Ihre breite Akzeptanz und Parametrisierung werden jedoch oft durch experimentelle Herausforderungen behindert.

Sowohl Feld- als auch Laborstudien haben Vorteile und Einschränkungen, um die Temperaturreaktion der SOM-Zersetzungsraten zu verstehen. Feldexperimente liefern wertvolle Einblicke in die langfristige Temperaturantwort der SOM-Zersetzungsraten. Die Interpretation von CO-2-Flussmessungen im Feld kann jedoch aufgrund von störenden Variablen wie autotropher Atmung, Feuchtigkeitsvariabilität und Substratzugänglichkeit schwierig sein (29,30,31,32,33^. Obwohl diese Interaktionen für die Quantifizierung realer Prozesse unerlässlich sind, konzentrieren sich solche Studien im Allgemeinen auf langfristige Reaktionen von Ökosystemen und nicht auf Messungen kurzfristiger mechanistischer Prozesse. Das Verständnis der kurzfristigen Temperaturantwort ist entscheidend, um Gleichungen zu parametrisieren, die durch aktuelle Theorien wie MMRT und EAAR definiert sind, und dafür sind Laborstudien entscheidend. Viele Laborstudien leiden typischerweise unter störenden Effekten der Substraterschöpfung, die mit Inkubationszeit und Temperaturbehandlung^zunimmt 34,35,36. Außerdem verwenden die meisten Laborexperimente nur wenige Temperaturbehandlungen^{37, 38, 39, 40}, was dazu führt, dass einfache Exponentialgleichungen angepasst oder_{Q-10-Verhältnisse} berechnet werden, anstatt fortgeschrittenerer Gleichungen, die bei einer größeren Anzahl diskreter^Temperaturen gemessen werden müssen. Um diese Probleme anzugehen, ist es entscheidend, neue experimentelle Ansätze zu entwickeln, die genaue Messungen der SOM-Zersetzungsraten über einen breiteren Temperaturbereich ermöglichen und so die rigorose Prüfung und Entwicklung von SOM-Dekompositionstheorien in Bezug auf die Temperaturantwort unterstützen.

In diesem Artikel beschreiben wir den Bau und die Nutzung eines Temperaturgradientenblocks, der nicht nur aktuelle experimentelle Grenzen adressiert, sondern auch eine Stand-of-the-Art-Studie bietet, um die kurzfristige Reaktion der SOM-Zerlegung auf Temperatur zu demonstrieren. Das hier vorgestellte Design ist eine Anpassung der Methodik, die zuerst von Thomas et al. (1963)⁴² entwickelt und später von Robinson et al. (2017)⁴¹ modifiziert wurde. Die Hauptunterschiede umfassen 1) eine Verbesserung des Kühlsystems, 2) eine verkürzte Betriebszeit durch die Kopplung des Blocks an einen_{CO2-Analysator} zur direkten Messung der_{CO-2-Konzentrationen} und 3) die Beseitigung des Transports von Fläschchen während des Experiments. Während frühere Berichte^{21, 41, 43} eine umfassende Beschreibung des Temperaturblocks lieferten, waren das detaillierte Design, die Baumethoden und die Tests minimal, was die Möglichkeit anderer Forscher einschränkte, diesen Ansatz zu nutzen. Hier liefern wir vollständige Details sowohl zum Entwurf als auch zur Bauweise und präsentieren Ergebnisse mehrerer Tests, um die ordnungsgemäße Funktionalität der Einrichtung für verschiedene Bodenproben zu demonstrieren.

Protokoll

Hier präsentieren wir die detaillierte Konstruktion und die tiefgehende Nutzung des Temperaturgradientenblocks. Alle Materialien mit ihren jeweiligen Spezifikationen sind in der ergänzenden Tabelle 1 und der Materialtabelle zu finden. Die Kosten für Bau und Montage des Temperaturgradientenblocks betrugen etwa 20.000 €, ohne die Kosten für den Gasanalysator. Dieser Temperaturgradientenblock trägt den Namen 'Eunice' nach Eunice Foote.

1. Bau des Temperaturgradientenblocks

1. Siehe Abbildung 1 für das Karosseriedesign des Temperaturgradientenblocks.
2. Herstellung des Aluminiumblocks
   1. Positionieren und sichern Sie den rohen Aluminiumblock in einer Universalfräsmaschine. Gib die Maße und Positionen jedes Lochs in die Software der Maschine ein. Abbildung 2 gibt den Standort und Durchmesser jedes Lochs für die Anlage an.
   2. Löcher für Heizstangen bohren. An einem Ende des Blocks bohren Sie zwei Löcher mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Tiefe von 133 mm. Positioniere diese Löcher so, dass ihre Mittelpunkte 25 mm von der oberen Kante und 36,25 mm von den Seitenkanten entfernt liegen (Abbildung 2).
   3. Erstelle ein Schlossmuster für ein Kühlmittel. Am gegenüberliegenden Ende des Blocks wird ein Burgmuster über eine Länge von 180 mm gebohrt (Abbildung 3A). Stellen Sie sicher, dass das Burgmuster eine Dicke von 16 mm und eine Tiefe von 140 mm hat. Bohren Sie 12 zusätzliche Löcher innerhalb des Burgmusters, jedes mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Tiefe von 140 mm. Siehe Abbildung 3B für die genaue Lage und Verteilung dieser Löcher.
      HINWEIS: Das Schlossmuster wurde entwickelt, um den Kontakt des Kühlmittels mit dem Block zu erhöhen, und die 12 Löcher dienen dazu, Überlaufen zu verhindern.
   4. Erstelle eine Dichtung für das Schlossmuster. Schneide eine Aluminiumdichtung, um das Kühlmittel im Block einzuschließen, und lege es auf das Schlossmuster. Dies dient dazu, ein Auslaufen des Kühlmittels zu verhindern.
   5. Bohre Löcher für die Kühlerverbindung. An der Vorder- und Rückseite des Blocks bohren Sie Löcher mit einem Durchmesser von 15 mm für die Kühlerverbindung (Abbildung 4). Positioniere das Zentrum der Löcher auf 75 mm Tiefe. Stellen Sie sicher, dass das Loch auf der Vorderseite 18 mm vom Rand entfernt und das Loch auf der Rückseite 162 mm vom Rand entfernt ist. Stellen Sie sicher, dass diese beiden Löcher den Anfang und das Ende des Burgmusters verbinden.
   6. Bohre Löcher für Temperatursensoren. Bohren Sie 8 Löcher mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Tiefe von 150 mm. Diese Sensoren befinden sich in der Mitte des Blocks und sind gleichmäßig entlang seiner Länge verteilt. Stellen Sie sicher, dass das Zentrum des ersten Sensorlochs 940 mm vom Rand entfernt ist und das letzte Sensorloch 205 mm vom Rand entfernt.
   7. Bohre Löcher für die 60-mL-Fläschchen. Schaffen Sie 88 Löcher, jedes mit einem Durchmesser von 28 mm und einer Höhe von 144 mm. Diese Löcher sind gleichmäßig über den Block verteilt. Das Zentrum der ersten und letzten Röhrenlöcher richtet sich mit den Mittelpunkten des ersten und letzten Sensorlöchers aus.
3. Isolierungsvorbereitung
   HINWEIS: Das Dämmmaterial besteht aus Polyisocyanurat mit einer Dicke von 40 mm.
   1. Mit einer Kreissäge schneiden Sie das Isoliermaterial in eine trapezförmige Form in einem Winkel von 135°. Um die vier langen Seiten des Aluminiumblocks zu bedecken, schneiden Sie das Isoliermaterial in ein Rechteck von 1080 mm mal 230 mm. Schneiden Sie jede der vier Seiten dieses Rechtecks in einem Winkel von 135° zu, sodass sie eng um den Block passen. Eine dieser Seiten wird auf den Deckel des Blocks geklebt. Verwenden Sie Aluminiumband, um das Isoliermaterial für den Deckel des Blocks zu schützen.
   2. Für die beiden kurzen Seiten des Blocks schneiden Sie das Dämmmaterial in ein Quadrat von 230 mm mal 230 mm. Schneiden Sie erneut jede Seite des Quadrats in einem Winkel von 135° ab, um eine richtige Passung zu gewährleisten.
4. Anschluss des Kühlsystems (Abbildung 5)
   HINWEIS: Das in diesem System verwendete Kühlsystem ist kompakt und energieeffizient. Dieses Kühlsystem wird betrieben, indem ein natürliches Kühlmittel mit einer Kühlkapazität von bis zu -30 °C zirkuliert.
   1. Befestigen Sie die Kniekupplung und den Schlauchbarb am Block (Abbildung 5C). Schließen Sie dann den Schlauch an, der das Kühlmittel zum Kühler leitet.
   2. Decken Sie den Schlauch mit flexiblem Isolierungsmaterial ab, um den Schlauch vollständig abzudecken. Dadurch bleibt das Kühlmittel auf der gewünschten Temperatur. Schneide das flexible Dämmmaterial ab und befestige es fest am Schlauch, wobei du Klebemittel verwendest, um die Isolierung zu fixieren.
5. Setzen Sie die Heizstange und die Sensoren in den Block, um die Passgenauigkeit sicherzustellen (Abbildung 5D).
6. Siehe Abbildung 5 für einen Überblick über die oben erklärten Schritte.

Abbildung 1: Karosseriedesign und Teile des Temperaturgradientenblocks. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 2: Temperaturgradientenblock, der die Lage und den Durchmesser der für verschiedene Zwecke verwendeten Löcher anzeigt. Der Buchstabe "S" steht für den Sensor. Die Abmessungen sind in Millimetern (mm). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 3: Entwurf und Messungen des für das Kühlmittel verwendeten Burgmusters. (A) Messungen der Dicke, Länge und des Durchmessers des Burgmusters sowie (B) Abstand und Lage von 12 Löchern, die zur Verhinderung eines Überlaufs verwendet wurden. Die Abmessungen sind in Millimetern (mm). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 4: Seitenansicht des Temperaturgradientenblocks, der die Tiefe jedes Lochs und den Standort der kühleren Verbindungen anzeigt. Der Buchstabe "S" steht für den Sensor. Die Abmessungen sind in Millimetern (mm). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 5: Überblick über den Aufbau des Temperaturgradientenblocks. (A) Bohrlöcher zum Einsetzen der 60-mL-Fläschchen; (B) Bau des Dämmmaterials, das den Aluminiumblock bedeckt; (C) Anschluss und Gehäuse für das Kühlmittel; (D) Heizstange und Sensoren in den Block einsetzen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

2. Bau des Edelstahlgehäuses.

1. Schneiden Sie den Edelstahl für die langen Seiten mit den Maßen 1080 mm x 230 mm x 230 mm. Für die kurzen Seiten schneiden Sie Edelstahl mit den Maßen 230 mm x 230 mm. Achte darauf, Löcher für den Kühlschlauch, die Sensoren, Heizstäbe und Griffe zu machen.
   HINWEIS: Eine der langen Seiten dient als Deckel des Blocks.
2. Heize die Griffe, Scharniere für den Deckel und Verschlüsse mit dem Edelstahlgehäuse an.

3. Bau der Elektronikeinheit

HINWEIS: Nur ein qualifizierter Elektriker darf die elektronische Einheit errichten. Das hier dargelegte Protokoll wurde gemäß niederländischem und EU-Recht entwickelt. Nachfolgend eine kurze Übersicht der wichtigsten verwendeten Komponenten; detaillierte Verdrahtungsanweisungen sind in Supplementary File 1 bereitgestellt.

1. Entwurf des elektronischen Diagramms (Abbildung 6).
2. Montiere die Abzweigdosen.
   HINWEIS: Die Abzweigdosen sind zum Schutz der elektrischen Bauteile und der Verbindungen vor äußeren Objekten und Schäden installiert.
   1. Befestigen Sie die drei Abzweigdosen sicher am Edelstahlgehäuse mit den Befestigungsschrauben.
   2. Bereite Kabelanschlüsse vor. Im Hauptanschlusskasten sollten sechs Löcher für Kabelverschraubungen ausgearbeitet werden. In den beiden kleineren Boxen schneiden Sie zwei Löcher für Kabelverschraubungen aus. Eine Box beherbergt den 2-Wege-Schalter, die andere die Kabelverbindungen der Heizstange.
      HINWEIS: Der 2-Wege-Schalter wird verwendet, um das Gerät ein- und auszuschalten, was bedeutet, dass er Strom an den Mini-Leistungsschalter liefert.
   3. Im Hauptanschlusskasten bohren Sie oben ein Loch für die grüne LED.
      HINWEIS: Diese LED-Leuchte zeigt an, wenn das Gerät an ist und für jedes Bauteil Strom verfügbar ist.
   4. Schneide die DIN-Schiene durch und setze sie in die Hauptanschlussdose. Markiere dann drei Löcher für die Befestigungsschrauben, die die DIN-Schiene halten. Montiere die DIN-Schiene in die Hauptanschlussbox.
      HINWEIS: Die DIN-Schiene wird verwendet, um die Montage der elektrischen Bauteile zu erleichtern. Am besten platzieren Sie ihn ungefähr in der Mitte der Hauptverteilerdose.
3. Installation elektrischer Bauteile.
   HINWEIS: Verwenden Sie Abbildung 7 als Referenz und installieren Sie jedes elektrische Bauteil.
   1. Finde die Abzweigdose für den 2-Wege-Schalter. Entfernen Sie die obere Hälfte des Schalters, um den Teil zu finden, der durch die Abdeckplatte geleitet werden muss. Markiere und bohre ein Loch in die Abdeckplatte der Schalter-Abzweigdose, die fest sitzen und den Schalter an der Abdeckplatte befestigen muss. Verwenden Sie die Befestigungsanweisung für den Schalter.
   2. Im Hauptanschlusskasten wird das PE/GND-Terminal auf die DIN-Schiene gelegt. Dann setze den Mini-Leistungsschalter (MCB) auf die DIN-Schiene.
      HINWEIS: Die PE/GND-Anschlüsse werden als Enddeckel verwendet. Der MCB ist ein kleiner Leistungsschalter und der Hauptschutzschalter im Fall eines Fehlers oder Mangels. Wenn der MCB eingeschaltet ist, versorgt er das AC/DC-Netzteil.
   3. Setze zwei dreifache Durchführungsanschlüsse auf die DIN-Schiene. Zwei doppelte Brückenanschlüsse werden verwendet, um sie oben und unten an den Durchführungsanschlüssen zu verbinden.
      HINWEIS: Verwenden Sie Durchführungsklemmen, um mehr als zwei Drähte zu verbinden, und Brücken, um mehrere Durchführungsklemmen miteinander zu verbinden. Stellen Sie eine sichere und zuverlässige Verbindung durch die Verwendung der Ferrul-Steckverbinder sicher.
   4. Platziere das Gleichstromnetzteil wie abgebildet auf die DIN-Schiene.
      HINWEIS: Diese Studie verwendete ein 24 V, 2,5 A AC/DC-Netzteil. Diese nutzt die Wechselstromversorgung und wandelt sie für die Eingangsleistung der anderen Komponenten in 24 VDC um.
   5. Stelle das Thermostat wie abgebildet auf die DIN-Schiene. Achten Sie darauf, das Kabelverbindungsmodul nicht zu verlieren (grün in Abbildung 7).
      HINWEIS: Ein Thermostat wurde verwendet, um die Temperatur zu steuern und zu überwachen. Es handelt sich um ein Webbrowser-basiertes Softwaresystem, das die IP-Adresse des Geräts benötigt, um sich anzumelden, die Temperatur der Heizstäbe einzustellen und die Daten aufzuzeichnen. Dieser war mit dem lokalen Netzwerk (LAN) verbunden, um von jedem Computer auf dem Campus aus mit der Einheit verbunden werden zu können.
   6. Platziere sieben dreifache Durchführungsanschlüsse auf der DIN-Schiene, wie abgebildet. Mit drei fünffachen Brücken verbinden Sie die ersten fünf Feed-Thrus an den oberen, mittleren und unteren Feed-Thru-Endpunkten.
   7. Verwenden Sie zwei Fünffachbrücken, um die letzten beiden Feed-Thrus oben und unten zu verbinden.
   8. Platziere einen Sicherungshalter wie abgebildet auf die DIN-Schiene.
      HINWEIS: Eine 630-mA-Sicherung wurde verwendet, um die Bauteile der Einheit im Falle von Kurzschlüssen und Stromüberspannungen vor Schäden zu schützen.
   9. Setze zwei Einklemmen-Verbindungseinheiten auf die DIN-Schiene, wie abgebildet.
   10. Platziere das Festleiterrelais wie abgebildet auf die DIN-Schiene.
       HINWEIS: Das Transistorrelais wird verwendet, um die Heizstäbe ein- und auszuschalten.
   11. Platziere ein PE/GND-Terminal als Endstopp.
4. Für das Verfahren zur elektrischen Leitungsverbindung siehe ergänzende Abbildung 1.
5. Für einen Überblick über die elektronische Einheit siehe Abbildung 7.

Abbildung 6: Diagramm der elektronischen Einheit. Die Drahtfarben sind wie folgt: Braun = Spannungswechselstrom (VAC)-Leitung, Blau = VAC-Neutralleiter, Grün und Gelb = GND (Masse/Erde), Rot = Spannungsgleichstrom (VDC) positiv, Schwarz = VDC negativ. Die Datenkabel sind weiß, aber zur einfacheren Identifikation sind in dieser Abbildung grün dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 7: Hauptverteilerbox der elektronischen Einheit, die am Temperaturgradientenblock angeschlossen ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

4. Zusammenbau des Temperaturgradientenblocks

1. Verwenden Sie eine Klebedichtung, um das Dämmmaterial an das Edelstahlgehäuse zu kleben. Lass es über Nacht trocknen.
2. Setzen Sie die Sensoren und Heizstäbe in den Aluminiumblock ein.
3. Setze den Aluminiumblock in das Edelstahlgehäuse und führe die Kabel durch ihre jeweiligen Löcher, um sie mit der Elektronikeinheit zu verbinden.
4. Verwenden Sie die Scharniere, um den isolierten Edelstahldeckel am Block zu befestigen.
5. Befestige das Kühlsystem am Aluminiumblock.
6. Platzieren Sie den Temperaturgradientenblock im Labor und stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen sicher und funktionsfähig sind (Abbildung 8A). Stellen Sie sicher, dass das Labor einen stabilen Tisch von mindestens 2 m Länge hat. Bestätigen Sie, dass es Zugang zu Ethernet- und Stromanschlüssen gibt. Für einen optimalen Betrieb ist eine kontrollierte Umgebungstemperatur gewünscht.

5. Bau des Spülsystems

HINWEIS: Die Spülleitung wurde so konzipiert, dass die CO2-Konzentrationen in jedem Fläschchen zu Beginn der Inkubation standardisiert werden. Siehe Abbildung 8B, um das Spülsystem mit dem Temperaturgradientenblock darzustellen.

1. Schneiden Sie das flexible Rohr mit kleinerem Durchmesser in 10 Stücke, die jeweils 15 cm lang sind. Befestigen Sie eine Nadel an einem Ende jedes der 10 kleineren Schläuche.
2. Schneiden Sie das Rohr mit größerem Durchmesser in ein einziges Stück von 1 m Länge. Setze einen Stopper an ein Ende dieses Rohrs und verbinde das andere Ende mit dem Umgebungsluftleiter im Labor.
3. Messen und markieren Sie das größere Rohr in Abständen von 5 cm entlang seiner Länge. In jedem markierten Abstand wird eine Nadel an einem der kleineren Schläuche eingeführt.

Abbildung 8: Temperaturgradientenblock. (A) Temperaturgradientenblock, der im Labor mit geschlossenem und (B) geöffnetem Spülsystem installiert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

6. Beschreibung der Gasanalysator-Einspritzeinheit

HINWEIS: Der Gasanalysator dieses Setups ermöglicht die direkte Messung der CO2-Konzentration_in den 60-mL-Glasfläschchen. Der Bereich dieses Gasanalysators liegt zwischen 0 ppm und 10.000 ppm mit einer Genauigkeit von 0,04 ppm bei 400 ppm. Der Gasanalysator wird mit einem Durchflussreduzierungskit geliefert, das mit einer Geschwindigkeit von 1,17 mL/s misst.

1. Modifizieren Sie das Einspritzrohr des Gasanalysators, indem Sie einen externen 0,45-μm-Filter und eine Einspritznadel hinzufügen (Abbildung 9).
   HINWEIS: Der 0,45-μm-Filter wurde als zusätzliche Vorsichtsmaßnahme hinzugefügt, um zu verhindern, dass Wasser in den Gasanalysator gelangt. Die Nadel hat eine Größe von 18 G und die Maße 1,2 mm x 25 mm. Die Nadel wurde anhand des Durchmessers ausgewählt, um Schäden an den Gummisepten der 60-ml-Glasphiolen zu minimieren.
2. Verbinden Sie das Einspritzrohr des Gasanalysators mit dem Anschlusseinlass des Instruments.
3. Am Ende des Einspritzrohrs wird ein männlicher Luer-Lock-Anschluss angebracht. Mit einem flexiblen Schlauch mit einem Innendurchmesser von 1/4 befestigen Sie den Luer-Lock am Einspritzrohr. Dann befestigt man den 0,45-μm-Filter mit einem flexiblen Rohr, um alles luftdicht zusammenzuhalten.
4. Am Schraubenende des 0,45-μm-Filters verwenden Sie einen männlichen und weiblichen Steckverbinder, um die Nadel sicher zu befestigen.

Abbildung 9: Gasanalysator-Einspritzeinheit. (A) Das Einspritzrohr des Gasanalysators. (B) Ein externer 0,45 μm-Filter und eine Einspritznadel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

7. Entwicklung von Behandlungen für die Inkubation

1. Wählen Sie Bodenproben aus.
   HINWEIS: Die für dieses Manuskript ausgewählten Bodenproben demonstrieren die Funktionalität des Protokolls und zeigen die Art der Daten, die mit diesem Aufbau gesammelt werden können.
2. Wählen Sie einen Temperaturbereich für die Blockinkubation, also einen benutzerdefinierten Bereich von 0 °C bis 90 °C.
   HINWEIS: Der Temperaturbereich dieses Manuskripts betrug 4 °C bis 60 °C. Wenn das System über diesen Bereich hinaus verwendet wird, befolgen Sie die Laborsicherheitsprotokolle bei hohen oder unter dem Gefrierpunkt.
3. Plane die Randomisierung der Stichproben.
   HINWEIS: Für dieses Manuskript wurden die Proben innerhalb des Temperaturblocks (Positionen A-D) randomisiert. Obwohl diese Studie zunächst eine randomisierte Stichprobenlesung nach der Inkubation testete, führte dies während des Leseprozesses zu Kennzeichnungsfehlern. Daher wurde eine konsistente Messreihenfolge (d. h. von hohen zu niedrigen Temperaturen) priorisiert.

8. Proben für die Vorinkubation vorbereiten

HINWEIS: Um Veränderungen in mikrobiellen Bodengemeinschaften zu begrenzen, sollten Bodenproben vorzugsweise so bald wie möglich frisch nach der Probenahme inkubiert werden. Je nach experimentellen Einschränkungen und Logistik müssen Bodenproben jedoch möglicherweise vor der Inkubation an der Luft getrocknet werden, um sie zu transportieren und zu lagern. In diesem Manuskript wurde ein Lufttrocknungsverfahren für die Verarbeitung der Proben vor der Inkubation standardisiert.

1. Siebe den frischen Boden mit einem 2-mm-Sieb. Lassen Sie den gesiebten Boden 24 Stunden bei 40 °C trocknen. Dieser luftgetrocknete Boden kann bis zur weiteren Verarbeitung gelagert werden.
2. Geben Sie die Bodenprobe in eine Metalldose und mischen Sie sie gründlich. Verteilt den gemischten Boden in 22 vorbeschriftete 60-ml-Glasphiolen. Mit Wiegepapier geben Sie 3 ± 0,03 g Erde in jede 60-ml-Fläschchen.
3. Mit einer Pipette stellt man den Boden auf die gewünschte Wasserspeicherkapazität (WHC) basierend auf der Trichtermethode ein. Nachdem Sie den Wassergehalt auf den Ziel-%WHC angepasst haben, notieren Sie das genaue Gewicht jedes Fläschchens.
   HINWEIS: Die für dieses Manuskript ausgewählten Bodenproben wurden auf 60 % WHC angepasst.
4. Decken Sie die Fläschchen mit Watte ab, um einen Luftaustausch in der Umgebung zu ermöglichen.
5. Die Proben werden 10 Tage lang in einem temperaturkontrollierten Labor bei 20 °C vorinkubiert.

9. Anpassung des WHC während der Vorinkubation

1. Nach 7 Tagen Vorinkubation wird das Gewicht der Fläschchen erfasst und an das Ziel-WHC angepasst. Benutze präzise eine Pipette und gib bei Bedarf Wasser hinzu. Berechnen Sie das Wasser, das zu jedem Fläschchen hinzugefügt werden muss, mit Gleichung 1.
   Wasser hinzufügen = Gewicht_T0 (g) - Gewicht_T7 (g) (1)
   wobei Gewicht_T0 das Gewicht der Phiole zum Zeitpunkt Null und _{Gewicht T7} das Gewicht der Phiole nach 7 Tagen darstellt.

10. Initialisierung des Temperaturgradientenblocks

HINWEIS: Das Kühlsystem wird über das Panel an der Vorderseite des Instruments gesteuert. Das Heizsystem wird über den Schalter hinter dem Instrument und eine Online-Schnittstelle gesteuert.

1. Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers, um das Kühlsystem einzuschalten. Drücken Sie einmal den Power-Knopf (Punkt A, ergänzende Abbildung 2). Stellen Sie sicher, dass die Zahlen für die Temperatur °C und die Drehzahl mit der Meldung AUS blinken. Das deutet darauf hin, dass das System EINGESCHALTET, aber derzeit inaktiv ist.
2. Aktivieren Sie die Pumpe, indem Sie die OK/Pumpen-Taste drücken (Punkt E, ergänzende Abbildung 2) und die + - oder - Taste (Punkt G und F, ergänzende Abbildung 2), um die Drehzahl auf 3500 zu stellen. Bevor Sie das Kühlsystem aktivieren, prüfen Sie, ob der Flüssigkeitsstand grün leuchtet (Punkt L, ergänzende Abbildung 2). Wenn der Flüssigkeitsstand rot ist, bedeutet das, dass nicht genügend Kühlmittel vorhanden ist. Kontaktieren Sie den Laborleiter oder konsultieren Sie das Herstellerhandbuch.
3. Aktivieren Sie das Kühlsystem, indem Sie Temperatur (Punkt B, Abbildung S2) drücken und die + - oder - Tasten (Element D und C, ergänzende Abbildung 2) drücken, um die Temperatur °C auf -1,6 °C einzustellen. Der Sollwert (Punkt O, ergänzende Abbildung 2) sollte blinken. Das deutet darauf hin, dass das Kühlsystem den Sollwert noch nicht erreicht hat.
   HINWEIS: Die eingestellte Temperatur im Kühlsystem entspricht nicht der Temperatur im Inneren des Blocks.
4. Schalte den Schalter hinter dem Block AN (ergänzende Abbildung 3). Stellen Sie sicher, dass ein grünes Licht EINGESCHALTET wird. Dies zeigt an, dass das Heizsystem AN ist, aber die Temperaturregelung nicht aktiv ist.
5. Um die Temperaturregelung des Heizsystems zu aktivieren, öffnen Sie die Online-Schnittstelle des Temperaturgradientenblocks, indem Sie die IP-Adresse 10.75.117.227 in einem Browser eingeben. Melden Sie sich mit dem angegebenen Benutzernamen und Passwort an, um die Temperatur jedes Sensors einzusehen (ergänzende Abbildung 4). Diese Schnittstelle zeigt die Sensorwerte an, die alle 3 Sekunden aktualisiert werden.
6. Stellen Sie die eingestellte Heiztemperatur auf 60,00 °C ein, indem Sie die Auf-/Ab-Pfeile drücken. Drücken Sie den ON-Knopf , um das Heizsystem zu aktivieren.
   HINWEIS: Es dauert etwa eine Stunde, bis der Block einen stabilen linearen Temperaturgradienten erreicht.
7. Zehn Minuten nachdem der Block eingeschaltet wurde, überprüfen Sie die Heizungssteuerung, um sicherzugehen, dass sie funktioniert. Das Instrument funktioniert, wenn die Temperatur für jeden Sensor unterschiedlich ist.

11. Aufbau des Gasanalysators

1. Folgen Sie der Bedienungsanleitung des Herstellers und schalten Sie den Gasanalysator ein , indem Sie einmal den Einschaltknopf drücken. Warte 45 Minuten, bis das Instrument aufgewärmt ist.
2. Verbinden Sie den PC mit dem WLAN-Netzwerk des Gasanalysators, das durch den eindeutigen Hostnamen (TG15-XXXXX) identifiziert wird, und verwenden Sie das Passwort zur Verbindung.
3. Schreiben Sie den Hostnamen oder die IP-Adresse in einem Webbrowser ein und drücken Sie Enter, um zu verbinden. Öffne dann den Bereich Einstellungen und wähle die Durchflussrate reduzieren. Wenn die Option bereits ausgewählt ist, ändern Sie nichts in der Software.

12. Bereite das Laden der Proben vor

1. Passen Sie das WHC gemäß Abschnitt 6 des Protokolls 1 Stunde vor Beginn der Inkubation an.
2. Überprüfen Sie die Heizungssteuerung 10 Minuten, bevor Sie die Proben in den Block legen.
3. Schalte den Umgebungsleiter im Labor EIN.
4. Schließen Sie das Spülsystem an und verbinden Sie den Gasanalysator mit dem Computer.

13. Platzpatronen sammeln

1. Record-Blanks folgen diesen beiden Verfahren:
2. Verbinden Sie die Spülleitung mit dem Einspritzsystem des Gasanalysators und erfassen Sie den_CO2 (in ppm) der Spülleitung direkt.
3. Setze fünf 60-ml-Glasphiolen in einen leeren Halter. Für jedes Fläschchen wird eine Spülleitung eingesetzt. Nach 1 Minute nehmen Sie die Spülleitung heraus und schließen Sie das Fläschchen ab. Warte vier Stunden, bevor du den_CO2 in den Phiolen misst.

14. Laden von Proben im Temperaturgradientenblock

HINWEIS: Im Block haben Sie die Blockpositionen A, B, C, D. Platzieren Sie dieselbe Probe an derselben Blockposition quer über den Block (Abbildung 10). Zum Beispiel geht Stichprobe Nummer 175 in Blockposition A von 1 bis 22, Stichprobe Nummer 45 in Blockposition B von 1 bis 22 usw.

Abbildung 10: Die Positionen der Phiolen im Inneren des Blocks. Der Buchstabe "S" steht für den Sensor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

1. Öffnen Sie den Block, legen Sie den Computer und das Spülsystem auf den Blockdeckel (Abbildung 11). Auf einen beweglichen Tisch stellen Sie die Kisten mit den Proben auf.
   HINWEIS: Tragen Sie eine KN95-Maske, um die CO2-Variabilität in den Proben zu minimieren. Dies verhindert, dass_CO2 aus der Atmung die Fläschchen kontaminiert.
2. Bereite eine Tabelle vor, um die Abschlusszeit (Stunde: Minute) jeder einzelnen Phiole zu dokumentieren, und visualisiere parallel die Zeit des Gasanalysators.
   HINWEIS: Die Schließungszeit jedes Fläschchens wird während der Datenverarbeitung zur Geschwindigkeitsnormalisierung verwendet.
3. Beginne damit, die Proben im Temperaturgradientenblock zu laden. Arbeiten Sie in Chargen zu je acht Proben. Lege die unbedeckten Proben in den Block, beginnend am kühleren Ende. Das bedeutet, dass die ersten acht Proben A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, D2 sind.
4. Die Spülleitung in acht Phiolen legen und eine Minute warten. Nimm die Spülleitung heraus und schließe sofort die Fläschchen. In einer Tabelle notieren Sie den genauen Zeitpunkt, zu dem jedes Fläschchen verschlossen wurde.
   HINWEIS: Führen Sie die Spülleitung vorsichtig in jedes Fläschchen ein und achten Sie darauf, dass sie nicht mit der Erde in Kontakt kommt. Dies verhindert Kreuzkontamination und trägt zur Wahrung der Probenintegrität bei.
5. Während die ersten acht Phiolen gespült werden, laden Sie die nächste Probencharge in den Temperaturgradientenblock. Zum Beispiel sind die Spülproben: A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, D2. Die nächste Probengruppe, die hinzugefügt werden soll, sind: A3, B3, C3, D3, A4, B4, C4, D4.
6. Setzen Sie die Spülleitung in die nächste Probencharge.
7. Wiederholen Sie diese Schritte, bis der Block vollständig geladen ist.
8. Schließen Sie den Block und warten Sie 3,5 Stunden ab dem Moment, in dem die letzte Probe geschlossen wurde.
9. Stellen Sie den Gasanalysator in den Schlafmodus, indem Sie den Einschaltknopf innerhalb von 3 Sekunden zweimal drücken.
10. Schalten Sie das Spülsystem mit dem roten Ventil in der Wand AUS.

Abbildung 11: Aufbau des Ladetemperaturgradientenblocks. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

15. Beginnend mit_{CO2-Messungen}

1. Nehmen Sie den Gasanalysator aus dem Schlafmodus, indem Sie einmal 1 Stunde den Power-Knopf drücken, bevor Sie mit CO2-Messungen beginnen. Überprüfen Sie die Analysatoreinstellungen wie in Abschnitt 8 angegeben.
2. Schalten Sie das Spülsystem EIN und legen Sie den Gasanalysator auf den beweglichen Tisch (Abbildung 12).
   HINWEIS: Der bewegliche Tisch muss hoch genug sein, damit das Einspritzsystem des Gasanalysators alle Proben erreicht.
3. Überprüfen Sie den Diagnosebereich des Gasanalysators (ergänzende Abbildung 5). Stellen Sie sicher, dass der Status des Instruments für alle Komponenten grün ist. Hier gibt es zwei Möglichkeiten:
   1. Wenn alles grün ist, beginne mit der Analyse.
   2. Wenn rote oder gelbe Komponenten vorhanden sind, prüfen Sie das Handbuch des Gasanalysators und bitten Sie gegebenenfalls um technische Hilfe. Wenn der Fehler behoben ist, fahren Sie mit den CO2-Messungen fort. Wenn der Fehler nicht behoben ist, stoppen Sie das Experiment.
4. Öffnen Sie den Graphenbereich des Gasanalysators, um die Echtzeitmessungen zu visualisieren. Beachten Sie, dass das Instrument ständig_CO2 aus der Luft misst.
   HINWEIS: Die Messanzeige verzögert sich um ~3–5 Sekunden.
5. Nach 3,5 Stunden Inkubation beginnen Sie mit dem Messen der Proben. Angefangen bei den höheren Temperaturen. Zum Beispiel sind die ersten Beispiele, die gelesen werden: A22, B22, C22 und D22.
   HINWEIS: Tragen Sie die KN95-Maske beim Messen von Proben bei Temperaturen <15 °C. Dadurch wird das Rauschen in den Daten reduziert.
6. Verbinden Sie die Injektionsnadel des Analysators mit einer Spülleitung zwischen den Proben. Das erleichtert die Datenbereinigung.
7. Oben auf dem Bildschirm befindet sich eine REMARK-Funktion in der Gasanalysator-Software. Jedes Mal, wenn eine Probe gemessen wird, erstellen Sie eine EINZIGARTIGE und EINFACHE Bemerkung. Vergiss nicht, vor jedem Sample auf REMARK zu klicken.
   HINWEIS: Verwenden Sie eindeutige Nummern oder die eindeutige ID der Probe als BEMERKUNG. Wenn in der BEMERKUNG ein Fehler gemacht wird, notieren Sie sich den Zeitpunkt der Messung. Mach zum Beispiel Notizen zu späten Injektionen, ob der REMARK früh oder verspätet beendet wurde usw.
8. Führe die Nadel für 20 Sekunden in das 60-ml-Probefläschchen. Nachdem diese Sekunden vergangen sind, nehmen Sie die Nadel aus dem Fläschchen.
   HINWEIS: Der Gasanalysator hat Druckprobleme, wenn die Nadel länger als 38 Sekunden im 60-mL-Fläschchen bleibt. Vermeiden Sie das, denn der Gasanalysator wird für ein paar Minuten aufhören zu arbeiten, bis sich der Druck wieder stabilisiert.
9. Folgen Sie diesen Schritten zum Lesen der Proben und der fünf Rohlinge mit dem Gasanalysator:
   HINWEIS: Drücken Sie in der Online-Software des Gasanalysators den BEMERKUNGSKNOPF , um eine Bemerkung zu beginnen und zu beenden.
   1. Beginne RECOMMENT bei hh:mm:00.
   2. Führe die Nadel bei hh:mm:10 in das Fläschchen.
   3. Nimm die Nadel bei hh:mm:30 aus dem Fläschchen.
   4. Stopp BEMERKUNG bei: hh:mm:45.
10. Wechseln Sie den 0,45-μm-Filter, der an die Injektionsnadel des Analysators angeschlossen ist, alle 16 Proben. Dieser Filter soll Feuchtigkeit aufnehmen und Verstopfungen der Filter im Analysator verhindern.
11. Wiederholen Sie diese Schritte für alle Proben.

Abbildung 12: Legen Sie den Gasanalysator auf den beweglichen Tisch. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

16. Entladen von Proben aus dem Temperaturgradientenblock

1. Nehmen Sie eine nach dem anderen Proben aus dem Block und legen sie in eine Kiste. Folgen Sie einer dieser Optionen:
   1. Entladen während der Messung von_CO2.
   2. Entladen nach der Messung der letzten_CO2-Probe .
      HINWEIS: Wählen Sie eine der beiden Optionen basierend auf den Anforderungen für die zukünftige Probenanalyse nach der Blockinkubation oder dem Laborplan. Beispielsweise könnte Schritt 16.1.1 die Inkubationsdauer einiger Proben verändern, was die Ergebnisse nachfolgender Analysen beeinflussen könnte. Der Laborzeitplan (z. B. Öffnungs- und Schließungszeiten) könnte ebenfalls ein begrenzender Faktor sein.
2. Verarbeiten und lagern Sie Proben für zukünftige Analysen.
   HINWEIS: In diesem Fall wurden alle 88 Proben nach der Blockinkubation konserviert. Mit Hilfe eines Pfannenwenders wurde die gesamte Probe aus dem 60-ml-Glasfläschchen in vorbeschriftete Plastiktüten übertragen.

17. Herunterladen der Daten

1. Um die mit dem Gasanalysator gesammelten Daten zu extrahieren, gehen Sie in die Online-Software des Gasanalysators. Klicken Sie auf Einstellungen und klicken Sie dann auf das Download-Symbol .
2. Wählen Sie den genauen Zeitpunkt aus, zu dem die erste und letzte Probe gemessen wurden. Klicken Sie auf Herunterladen.
3. Öffne eine neue Tabelle und wähle Datei öffnen aus. Ändere die Dateisuche auf Alle Dateien (*.*) und suche nach dem im vorherigen Schritt gespeicherten Dokument. Ein neues Fenster öffnet sich, dann wählen Sie Beenden.

18. Instrumente ausschalten

1. Schalten Sie den Gasanalysator mit dem Einschaltknopf oder über die Softwareoberfläche aus. Um das Instrument mit dem Knopf auszuschalten, drücken Sie innerhalb von 5 Sekunden dreimal den Ausschaltknopf .
2. Schalte das Kühlsystem AUS. Drücken Sie Sperren (Punkt I, ergänzende Abbildung 2) und drücken Sie die OK/Pump-Taste (Punkt E, ergänzende Abbildung 2). Das weiße Rauschen sollte aufhören. Wenn das weiße Rauschen komplett weg ist, drücke unten auf AUS.
3. Schalte das Heizsystem AUS. Schalten Sie das Temperaturgradienten-Blocksteuerungssystem mit dem Schalter hinter dem Instrument aus. Stellen Sie sicher, dass das grüne Licht AUSGEHT (ergänzende Abbildung 3).

19. Umrechnung von CO2_ppm in Atemraten in μg C pro kg Boden und Stunde

1. Importieren Sie die Gasanalysatordaten in die Nachbearbeitungssoftware (wir haben R verwendet) und extrahieren Sie folgende Variablen: REMARK, TIME,_CO2 und H₂O.
2. Erstelle eine neue Spalte, um die interessierenden Sekunden zu extrahieren, speziell von >30 Sekunden bis <35 Sekunden.
3. Entfernen Sie alle Beobachtungen, die Druckabfallprobleme verursachen. Während des Experiments könnten Druckabfälle zu etwas niedrigeren CO2-Werten geführt haben als erwartet. Diese leichten Rückgänge (zwischen 3 % und 5 % unter dem vorherigen oder nächsten Wert) sind keine realen CO₂-Veränderungen, sondern vielmehr Artefakte (Fehler), die durch Druckabfall verursacht werden. Entfernen Sie daher_CO2-Werte, die im Vergleich zum vorherigen oder nächsten_CO2-Wert leicht gesunken sind (~3–5 %).
4. Berechnen Sie die durchschnittliche_{CO2-Konzentration} (ppm) für die verbleibenden Datenpunkte. Für jede Probe subtrahieren wir den Mittelwert der fünf gemessenen Blanks.
5. Importiere die Labordaten in Nachbearbeitungssoftware (z. B. R) und extrahiere folgende Variablen: BEMERKUNG, Trockenbodengewicht und Abschlusszeit.
6. Um das vom Analysator gemessene CO₂ ppm in μg C pro g Boden umzurechnen, wenden Sie Gleichung 2 an:
   
   wobei die vom Gasanalysator gemessene_{CO2-Konzentration} in ppm angegeben wird; Das CO2-Molekulargewicht entspricht 44,01 g·^mol-1; P ist der barometrische Druck, gleich 1 und ausgedrückt in atm; R ist die universelle Gaskonstante gleich 0,082058, ausgedrückt in atm·^mol-1· ^K-1; Kopfraum wird auf Basis des Kopfraums der 60-mL-Glasphiolen berechnet, die in mL angegeben sind; T ist die angenommene innere Temperatur des Instruments, gleich 293,15 und ausgedrückt in K; und das trockene Bodengewicht wird in g angegeben.
7. Dann teilen Sie durch die Inkubationszeit in Stunden und multiplizieren mit 1000, um Gramm in Kilogramm Boden umzurechnen.
8. Schließlich wird das μg CO₂ in μg Kohlenstoff unter Verwendung der Molekulargewichte von CO₂ und C umgewandelt. Dies führt zu Atmungsraten, ausgedrückt in μg C pro Kilogramm Boden und Stunde.
9. Speichere oder exportiere die verarbeiteten Daten für weitere Analysen.

Ergebnisse

Stabilität und Verteilung der Blocktemperatur
Während der Entwicklung dieses Protokolls testeten wir die Linearität und zeitliche Stabilität der Temperatur im Inneren des Blocks. Nach dem Einschalten des Kühlsystems und der Heizung beträgt die Initialisierungszeit des Blocks etwa eine Stunde, in der die meisten der acht gleichmäßig verteilten Temperatursensoren die Zieltemperatur erreichen und nach einem Überschießen konstant bleiben (Abbildung 13A). Nach diesem Zeitraum bestätigen die von den acht Sensoren aufgezeichneten Temperaturen eine perfekte lineare Verteilung der Temperatur entlang des Aluminiumblocks (Abbildung 13B).

Abbildung 13: Linearität und zeitliche Stabilität innerhalb des Temperaturgradientenblocks. (A) Zeitliche Stabilität der Temperaturen im Block während der Inkubationszeit und (B) Temperatur, die von den Sensoren zum Beginn der Inkubation aufgezeichnet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Blocktemperatur und Bodentemperatur
Wir haben die benötigte Zeit getestet, bis die Bodenprobe im Block die von den acht Sensoren erfasste Temperatur erreicht (Abbildung 14). In dieser Studie maßen wir die Temperatur von Bodenproben an acht verschiedenen Positionen innerhalb des Blocks, die sich in der Nähe der Sensoren befinden. Die Sensoren, die im Block positioniert waren, waren auf ihrer Zieltemperatur vorstabilisiert. Nach dem oben beschriebenen Protokoll wurden, sobald die Blocktemperaturen stabil waren, Bodenproben in den Block gelegt. Für diesen Test haben wir zusätzliche Sensoren verwendet, die vom Block getrennt sind. Wir verwendeten 15 g Erde, um sicherzustellen, dass die Sensorsonde in vollem Kontakt mit dem Boden war. Die Bodenproben wurden unbedeckt gelassen, und die Temperatur wurde jede Minute für insgesamt 30 Minuten gemessen. Während dieses Tests wurde der Block leicht geschlossen, um Temperaturschwankungen zu minimieren und möglichst viele reale Nutzungsbedingungen zu reproduzieren (vollständig geschlossen). Wir stellten fest, dass es etwa 12 Minuten dauert, bis sich die Bodenproben bei der Zieltemperatur stabilisieren. Wir hielten diese Stabilisierungszeit für akzeptabel, da die Inkubationen mindestens 3,5 Stunden dauern. Zusätzlich bewerteten wir die Linearität der Bodentemperatur nach 12 Minuten Blockinkubation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bodentemperaturen eine lineare Beziehung aufweisen, die eng mit der in den acht Sensoren beobachteten Linearität übereinstimmt (Abbildung 15).

Abbildung 14: Aufgezeichnete Bodentemperatur bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Proben A, B, C und D wurden in Phiolen in der Nähe der entsprechenden Sensoren inkubiert (siehe Abbildung 10 zur Referenz). Die Bodentemperatur wurde von einem Thermoelement erfasst, das direkt in die Bodenproben eingesetzt wurde. Die von jedem Sensor überwachten spezifischen Temperaturen sind wie folgt: (A) Sensor 1 (S1) bei 4,1 °C, (B) Sensor 2 (S2) bei 12,5 °C, (C) Sensor 3 (S3) bei 20,1 °C, (D) Sensor 4 (S4) bei 28,1 °C, (E) Sensor 5 (S5) bei 36,1 °C, (F) Sensor 6 (S6) bei 43,8 °C, (G) Sensor 7 (S7) bei 51,9 °C, und (H) Sensor 8 (S8) bei 60 °C. Nachdem die Bodenproben in den Block gelegt wurden, dauert es etwa 12 Minuten, bis die Zieltemperatur erreicht ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 15: Starke lineare Korrelation zwischen Bodentemperatur und Sensortemperatur. Vier Fläschchen mit Erde wurden in der Nähe der acht Sensoren in den Blockpositionen A, B, C und D platziert. Die Bodentemperatur wurde von einem Thermoelement erfasst, das direkt in die Bodenproben eingesetzt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Wechselwirkung zwischen Temperatur und Feuchtigkeit
Es gibt eine unvermeidliche Wechselwirkung zwischen Temperatur und Feuchtigkeit, die während der Inkubationszeit bewertet werden muss. Zum Beispiel können hohe Temperaturen die Verdunstung beschleunigen, während niedrige Temperaturen zu Wasserkondensation führen können. Für diesen Test verwendeten wir vier zufällig ausgewählte Bodenproben mit unterschiedlichen Texturen (ergänzende Tabelle 2). Laut dem Protokoll wurde jede Bodenprobe bei allen 22 Temperaturen in derselben Blockposition platziert. Die Ergebnisse zeigen, dass nach einer durchschnittlichen Inkubationszeit von 3,5 Stunden höhere Temperaturen zu einem größeren Feuchtigkeitsverlust im Vergleich zu niedrigeren Temperaturen führten, unabhängig von der Bodentextur (Abbildung 16). Böden, die bei 60 °C inkubiert wurden, verloren durchschnittlich 12 % des gesamten zugeführten Wassers, während bei 4,1 °C bebrütete Böden im Durchschnitt nur 1,88 % des gesamten zugeführten Wassers verloren gingen. Das bedeutet, dass während der 3,5 Stunden Blockinkubation die Böden unter optimalen Feuchtigkeitsbedingungen gehalten wurden, mit einer Wasserspeicherkapazität von 50 % bis 60 %, unabhängig von der^{Inkubationstemperatur von 44,45} (ergänzende Abbildung 6).

Abbildung 16: Relativer Verlust der Bodenfeuchte während der Blockinkubation in vier verschiedenen Proben. Der Feuchtigkeitsverlust wurde relativ zur Gesamtmenge des zugesetzten Wassers berechnet, um den WHC zu berücksichtigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

CO2-Konzentrationsmessungen
Um die Genauigkeit und Präzision des Gasanalysators zu testen, führten wir vier Messungen eines zertifizierten Referenzgases durch (413 ± 5 ppm CO2_{), für} die der Analysator 413,71 ± 0,60 (ppm_CO2, Mittelwert ± SD) aufzeichnete. Dies bestätigte die hohe Genauigkeit und Präzision der vom Gasanalysator aufgezeichneten_{CO2-Messungen} . Zusätzlich sollte zur Einhaltung der Herstellerspezifikationen jährlich ein Test mit einem zertifizierten Referenzgas durchgeführt werden.

Angesichts der Verzögerung, die durch die Einspritzleitung und das Durchflussreduzierungskit zum Gasanalysator verursacht wird, wurden mehrere Tests durchgeführt, um die optimale Messzeit zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Injektionsleitung eine Verzögerung von etwa fünf Sekunden verursacht. In dieser Anordnung beträgt die ideale Messzeit 20 s, was genügend Zeit bietet, um die CO2-Detektionseinheit zu füllen und ein Gleichgewicht für 5 s zu erreichen (Abbildung 17). Da das Durchflussreduzierungskit mit einer Rate von 1,17 mL/s misst, entspricht diese Messzeit der Probenahme von 39 % des Luftgehalts in den 60-mL-Fläschchen. Zusätzlich beobachteten wir, dass beim Einsatz des Gasanalysators als geschlossenes System ein Druckabfall auftritt. Dieser Tropfen tritt während des Ein-Sekunden-Intervalls auf, in dem keine Luftinjektion stattfindet, während die Nadel aus dem Fläschchen gezogen wird. Um diesen Druckabfall während der Datenverarbeitung auszugleichen, schlossen wir_CO2-Werte aus, die leicht niedriger sind (zwischen 3 % und 5 %) als der vorherige oder nächste Wert.

Abbildung 17: Optimale Messzeit für eine einzelne Bodenprobe, die bei drei verschiedenen Temperaturen inkubiert wurde. Dieses Diagramm zeigt die Injektions- und Extraktionszeit der Nadel, das Gleichgewicht von_CO2 für 5 Sekunden sowie den Druckabfall, der mit dem gewählten Zeitrahmen verbunden ist. Incubation_ID zeigt Blockposition (C) und Fläschchenpositionen (5, 10 und 15). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Test des vollständigen Protokolls
Um die Funktionalität und Reproduzierbarkeit des Protokolls zu evaluieren, inkubierten wir zwei verschiedene Proben, jeweils mit vier technischen Replikaten, über die 22 diskreten Temperaturen von 4 °C bis 60 °C. Diese Bodenproben wurden ausgewählt, um die Art der mit diesem Aufbau erzeugten Daten und dessen Leistung zu demonstrieren. Spezifische Stichprobenmerkmale finden Sie in Ergänzender Tabelle 2. Der Temperaturgradientenblock erfasste zuverlässig die Atmungsraten der verschiedenen Bodenproben an jedem Temperaturpunkt, sodass wir die Temperaturantwortkurve visualisieren können. Zusätzlich waren die resultierenden Temperaturanlaufkurven für alle Replikate nahezu identisch, was sich in der kleinen Standardabweichung um die mittleren Atmungsraten über alle Temperaturen widerspiegelt (Abbildung 18). Diese Ergebnisse zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit und bestätigen die Genauigkeit des Protokolls.

Abbildung 18: Repräsentative SOM-Zersetzungsraten (Rs) für zwei Böden, die jeweils mit vier technischen Replikaten gemessen werden, die über den gesamten Temperaturgradienten inkubiert werden. Punkte stellen den Mittelwert der Atemfrequenzen bei jeder Temperatur dar, und Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung zwischen technischen Replikaten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Ein zweiter Test wurde durchgeführt, um die wissenschaftliche Anwendbarkeit des Protokolls nachzuweisen. Wir maßen die Atmungsraten des Bodens über den gesamten Temperaturgradienten und passten die Daten mit dem Arrhenius- oder MMRT-Modell an (Abbildung 19). Diese Bodenproben wurden ausgewählt, um die Systemleistung für kontrastierende Temperaturantwortkurven zu demonstrieren (Probeneigenschaften sind in ergänzender Tabelle 2 aufgeführt). Die Ergebnisse zeigen, dass die mit dem Temperaturgradientenblock gesammelten Daten weiter analysiert werden können, indem verschiedene Theorien zur Temperatursensitivität der SOM-Dekompositionsraten getestet werden. Allerdings entstehen Herausforderungen bei der Arbeit mit frischem Boden in jedem Experiment. Während der 10-tägigen Vorinkubationsphase beobachteten wir Pilzgemeinschaften, die in einigen der Fläschchen in Bodenproben außerhalb der repräsentativen Proben wuchsen. Trotz unserer Bemühungen, die Pilzgemeinschaften sorgfältig zu entfernen, ohne den Boden zu stören, beeinflusste dieses Wachstum die Ergebnisse einiger Proben (Abbildung 20). Folglich entschieden wir uns, die betroffenen Proben zu entsorgen, indem wir die gesamte Probe entsorgten, nicht nur die einzelnen Fläschchen, die durch Pilzwachstum betroffen waren.

Abbildung 19: Repräsentative Ergebnisse und Atemraten (Rs) von vier verschiedenen Bodenproben, die im Temperaturgradientenblock inkubiert wurden. Die rote Linie steht für die (A,B) Arrhenius-Passung und die blaue Linie für die (C,D) MMRT-Passung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 20: Atemfrequenzmuster für einige Proben, die vom Pilzwachstum betroffen sind. Diese Ergebnisse sind Beispiele für (A,B) zwei kontaminierte Proben, die von weiterer Analyse ausgeschlossen wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Ergänzende Abbildung 1: Grundlegende NO/NC-Schaltung. " C" kann auch als "COM" für Common bezeichnet werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Bedienpult des Kühlsystems. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: Systemschalter und Lichtanzeige. (A) Schalter des Temperaturgradienten-Blocksteuerungssystems; und (B) grünes Licht, das anzeigt, dass die Sensoren und das Heizsystem AN sind. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: Temperaturgradienten-Blockheizungssteuerung in der Online-Schnittstelle. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: Diagnostischer Abschnitt des Gasanalysators. Alles ist grün und bedeutet, dass das Instrument für Messungen bereit ist. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 6: Wasserspeicherfähigkeit von Böden, die bei unterschiedlichen Temperaturen inkubiert wurden, Messungen wurden nach 3,5 Stunden Blockinkubation aufgenommen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Akte 1: Detaillierte Verdrahtungsanweisungen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 1: Liste der Materialien mit der erforderlichen Menge. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 2: Eigenschaften der Bodenproben, die für den Feuchtigkeitsverlusttest und das vollständige Protokoll verwendet werden. Diese Muster wurden ausgewählt, um die Funktionalität des Protokolls zu demonstrieren. Die Texturklassifikation folgt dem USDA-System, wobei Grob, Ton, Schlamm und Sand als Prozentsätze angegeben werden. OC bezeichnet den organischen Kohlenstoffgehalt (g C·^kg-1 Boden), der pH-Wert wurde in Wasser gemessen, und CaCO₃ steht für den Calciumcarbonatgehalt (g·^kg-1 Boden). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

Die Verwendung eines Temperaturgradientenblocks zur Messung der kurzfristigen Temperaturantwort der SOM-Zersetzungsraten stellt Herausforderungen dar, insbesondere bei der Erkennung der Atmungsraten bei niedrigen Temperaturen. Niedrige Temperaturen können direkt die katalytischen Aktivitäten intrazellulärer und extrazellulärer Enzyme^{hemmen 46,47}. Daher muss die Inkubationszeit lang genug sein, um sicherzustellen, dass die niedrigen Atmungsraten am unteren Ende des Temperaturbereichs eine ausreichende_{CO2-Ansammlung} in den Glasphiolen ermöglichen, um innerhalb des Nachweisbereichs des Gasanalysators zu liegen. In diesem experimentellen Aufbau lag die niedrigste Temperatur bei 4,1 °C; Diese Proben waren die ersten, die in den Block geladen und zuletzt analysiert wurden, was eine zusätzliche Inkubationszeit ermöglichte. Die ~3,5 Stunden Blockinkubationszeit erwiesen sich als ausreichend, um nachweisbare Veränderungen der_{CO2-Konzentration} in den Proben zu zeigen. Diese Inkubationsdauer hängt wahrscheinlich vom Bodentyp und insbesondere vom Gehalt organischer Substanz ab. Zum Beispiel kann es sein, dass sandige Böden mit geringem organischen Materialgehalt längere Brutzeiten benötigen als kohlenstoffreiche Böden. In den hier genannten Tests wurde jedoch festgestellt, dass die Inkubationszeit von 3,5 Stunden für die meisten Bodentypen und organischen Gehaltswerte im Allgemeinen ausreichend ist.

Neben der Optimierung der Inkubationszeit für die CO2-Detektion bei niedrigen Temperaturen ist es ebenso wichtig, den Feuchtigkeitsverlust am oberen Ende des Temperaturgradienten zu minimieren. Die Bodenfeuchtigkeit spielt eine entscheidende Rolle beim Transport, der Diffusion und Auflösung von Substraten zu mikrobiellen Gemeinschaften⁴⁸. So kann beispielsweise die Bodenfeuchtigkeit die Atmungsrate begrenzen, indem sie die Substratdiffusion bei niedrigen Feuchtigkeitswerten einschränkt und die Sauerstoffverfügbarkeit bei hohen Feuchtigkeitswerten^{reduziert (45,49}). Daher ist es wichtig, den Feuchtigkeitsverlust bei hohen Temperaturen zu minimieren, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit den mikrobiellen Zugang zu Substraten einschränkt. Obwohl die Fläschchen in diesem Protokoll vollständig versiegelt waren, kondensierte Wasser an den Kappen und Innenwänden der Fläschchen. Diese Kondensation wurde als Feuchtigkeit aus dem Boden betrachtet. Daher haben wir die Inkubationszeit von 4 Stunden reduziert, wie bei Robinson et al. 2017⁴¹, auf 3,5 Stunden. Obwohl es nicht möglich war, über alle Temperaturbehandlungen hinweg vollständig konstante Feuchtigkeitsniveaus aufrechtzuerhalten, wurden die Böden während der 3,5-stündigen Inkubationszeit auf optimalem Feuchtigkeitsniveau gehalten. Selbst bei hohen Temperaturen blieb der WHC des Bodens über 50 %, was sicherstellte, dass die Wasserverfügbarkeit den mikrobiellen Zugang zu^{Substraten 44,45} nicht einschränkte.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Temperaturbereich der Brutzeit. Während das Kühlsystem Temperaturen bis zu -30 °C erreichen kann und das Heizsystem bis zu 320 °C, hat das Isoliermaterial eine Temperaturtoleranz von -183 °C bis 148 °C. Die in diesem Aufbau verwendeten Glasphiolen können 500 °C aushalten. Obwohl diese Bereiche breit sind, birgt das Inkubieren von Proben über 100 °C ein Sicherheitsrisiko für den Bediener. Um Überhitzung zu verhindern, wurde ein Wärmewiderstand hinzugefügt, der sicherstellt, dass das Heizsystem automatisch abschaltet, wenn der Aluminiumblock 90 °C erreicht. Die Einbeziehung dieses thermischen Widerstands ist aufgrund des beobachteten Initialisierungsüberschusses entscheidend (Abbildung 13A). Wenn die Temperatur während der Initialisierung über 90 °C steigt, wird das System deaktiviert. Angesichts dieser Einschränkungen empfehlen wir, diese Anlage bis zu einer maximalen Temperatur von 60 °C zu betreiben, um eine sichere und zuverlässige Leistung zu gewährleisten. Zusätzliche Tests sind für die Inkubation von Bodenproben unter 0 °C erforderlich, um eine zuverlässige CO2-Detektion sicherzustellen, da Kondensation und damit verbundene Feuchtigkeitsvariabilität die Messungen bei unter null Grad Temperaturen beeinflussen können. Für dieses Protokoll wählten wir eine niedrigere Temperaturgrenze von 4 °C, bei der keine Kondensation beobachtet wurde. Wenn das System in größeren Temperaturbereichen eingesetzt wird, empfehlen wir, zusätzliche thermische Sicherheitsrichtlinien umzusetzen.

Eine weitere mögliche Einschränkung dieser Methode ist, dass die relativ kurze Inkubationszeit mikrobiellen Gemeinschaften keine Anpassung an Temperaturänderungen ermöglicht. Die Temperaturreaktion von Böden, die einer anhaltenden Erwärmung ausgesetzt sind, stand im Mittelpunkt vieler Studien, insbesondere mit dem Ziel, mikrobielle Anpassungstheorien zu testen 27,43,47,50,51. Mikrobielle Anpassung wurde vorgeschlagen, um die abnehmende Wirkung experimenteller Erwärmung auf die Bodenatmungsraten im Laufe der Zeit^{zu erklären 47}. Die hier vorgestellte Methodik wurde jedoch entwickelt, um die kurzfristige Temperaturantwort der SOM-Zersetzungsraten zu messen. Obwohl die mikrobielle Anpassung in kurzen Zeiträumen unwahrscheinlich ist⁴⁷, verwendete eine aktuelle Studie eine ähnliche Methodik, um die Rate der mikrobiellen Anpassung durch Inkubation von Böden aus einem geothermischen Gradienten zu quantifizieren. In dieser Studie wurde das MMRT angepasst, um wichtige Parameter zu schätzen, darunter die Temperaturoptima und die Wendepunkte. Beim Vergleich dieser Parameter über Böden aus dem geothermischen Gradienten hinweg zeigen die Ergebnisse, dass die Rate der mikrobiellen Anpassung deutlich niedriger ist als die Erwärmungsrate⁵². Diese Studie hebt die Bedeutung des Verständnisses der gesamten Temperaturantwortkurve hervor, insbesondere der Erfassung der Temperaturoptimum und Wendepunkte biologischer Bodenprozesse (Abbildung 19C,D). Angesichts dieser Ergebnisse empfehlen wir, mikrobielle Gemeinschaften während der Blockinkubation an mehreren Temperaturpunkten zu beproben, um zu bewerten, wie die Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaft mit Atmungsraten und Temperatursensitivitätsparametern korrelieren.

Der in diesem Artikel beschriebene Temperaturgradientenblock bietet erhebliche Vorteile gegenüber traditionellen Methoden. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass Forscher dadurch die SOM-Zersetzungsraten effizient und genau bei 22 diskreten Temperaturen mit kleinen Bodenmengen messen können. Dies stellt eine methodische Verbesserung im Vergleich zur Inkubation von Bodenproben bei wenigen diskreten Temperaturen dar, was Forscher dazu zwingt, den Q10-Temperaturkoeffizienten anzuwenden – eine Methode, die viele Studien^{12, 13, 15} infrage gestellt haben. Ein weiterer bedeutender Vorteil ist, dass dieses Setup Daten sammelt, die die Form und Steilheit der Temperaturantwortkurve klar erfassen. Die Anzahl der diskreten Temperaturbehandlungen entlang eines breiten Temperaturgradienten ermöglicht es uns, die Wendepunkttemperatur und das Optimum biologischer Prozesse zu identifizieren, was Vergleiche zwischen den Behandlungen ermöglicht. Die in diesem Manuskript präsentierten Beispiele zeigen zwei unterschiedliche Muster (Abbildung 19A,B vs. Abbildung 19C,D), die Forscher mit verschiedenen Temperatursensitivitätstheorien weiter analysieren können. Einige Beispiele unterstützen die Arrhenius-Theorie, bei der die Reaktionsraten mit der Temperatur exponentiell zunehmen (Abbildung 19A,B). Im Gegensatz dazu stimmen andere Beispiele mit der MMRT-Theorie überein und zeigen eine unimodale Antwort mit einem klaren Temperaturoptimum (Abbildung 19C,D). Diese beiden unterschiedlichen Muster deuten darauf hin, dass das vorgestellte Temperaturblock-Inkubationsprotokoll in der Lage ist, beide Arten von Antwortkurven zu reproduzieren, was verwendet werden kann, um Theorien zur Temperatursensitivität von SOM-Zersetzungsraten zu testen und so unser Verständnis von Thermodynamik, Biologie und Chemie zu vertiefen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
630 mA Glassicherung	RS	563-637	https://uk.rs-online.com/web /p/Cartridge-Sicherungen/0563637?gb=s
Klebstoffversiegelung	Innotec	01.2451.0000	https://www.innotec.nl /producten/adheseal
Aluminiumblock	Metaalketen	96082150.1	https://www.metaalketen .com/Aluminium/
Aluminiumband	Manutan	A159435	https://www.manutan.nl/nl/mnl/aluminiumtape -met-schutlaag-50565-50-m-x-50-mm-tesa -a159435?shoppingab=true& gad_source= 1& gclid=CjwKCAjw74e1Bh BnEiwAbqOAjE5Tw3-r3xiW 9FWALDZMlVUWpqJpQQ R_zwwXR8_R6Sb1Ce_8v x96jxoCtx4QAvD_BwE
Schwarzer Draht	RS	361-787	https://nl.rs-online.com/web /p/hook-up-wire/0361787
Blauer Draht	RS	724-4392	https://nl.rs-online.com/web /p/Hook-up-wire/7244392
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Kreissäge	Ryobitools	RWSL1801M	https://nl.ryobitools.eu/elektrisch-g ereedschap/zaagmachines/cirkelz agen/rwsl1801/rwsl1801m/?gad_so urce=1& gclid=Cj0KCQjw2ou2BhCC ARIsANAwM2Easx4PAZzvVYvFFUD ZKemTdqNDXsde_NDPSB8FAlGu7 8Hzy2j3TuoaAhTjEALw_wcB
Schließungen	Kramp	HS491976	https://www.kramp.com/shop-nl/nl/p /verstelbare-haakvergrendeling-118- 128-typ.3--HS491976
Kühler und natürlicher Kühlstoff	Dijkstra Vereenigde	L035004186	https://www.laboratorium-apparatuur .nl/ika-rc2-green-basic-koelthermo staat-30-c-bad-volume-4-liter-l035004186
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Doppelbrücken	RS	803-7530	https://nl.rs-online.com/web/p/din-rail -terminal-accessories/8037530?sear chId=11c9702f-3312-4bb0-a826-e9d 50bd91ee1& gb=s
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Gesichtsmaske	KN95	NA	https://www.bol.com/nl/nl/p/kn95- Disposable-Face-mask-FFP2-x-1-mask s-kn95-wegwerp-gezichtsmasker-ffp 2-x-1mondkapjes/930000000131403 0/? Referrer=NLGOOFS& utm_source =google& utm_medium=free_shopping
Weiblicher Stecker	Qosina	17642	https://www.qosina.com/female- an-weiblich-Luer-Lock-Steckverbinder-17642
Filter 0,45 & Mikro; m	Whatman	10462650	https://us.vwr.com/store/product/1394 3097/whatmantm-puradisc-aqua-30-m m-spritze-filter-0-45-m-whatman- products-cytiva
Flexible Dämmung (Schlauch)	Celsis	4600000198	https://www.celsisbv.nl/k-flex-plaati solatie-op-rol-st-10e-1x10mtr-10mm .-bl-s3-d0/4600000198?gad_source =1& gclid=Cj0KCQjw8MG1BhCoARI sAHxSiQknvLK3RcqgqXwR1Ma7V PznSz8IasKUGvLo0SySzLiff2o_kK Vjip0aAtATEALw_wcB
Flexible Röhre	Avantor	MFLX06491-14	https://www.avantorsciences.com /de/en/product/38670173/bev-a- line-v-transfer-pump-tubing
Durchflussreduzierungskit	LICOR	7800-113	https://www.licor.com/support /Spurengas-Analysatoren/topics/re duced-flow-rate-kit-7800-113.html
Sicherungshalter-Terminal	Elektramat	401144228	https://nl.mouser.com/ProductD etail/Phoenix-Contact/3270200? qs=zdVlZaK%252BC241RFTPi Xj4mA%3D%3D& mgh=1& utm_i d=20328035028& gad_source=1 & gclid=CjwKCAjw8fu1BhBsEiwA wDrsjBg9elAMYS9bWJ1Bd086J 7fGBWvcRWZ51okdr2qJgOlOTd BdrUZ_rBoCvuUQAvD_BwE
Gasanalysator	LICOR	LI-7815	https://www.licor.com/env/ Produkte/Spurengas/LI-7815
Glasphiolen mit Kappen 60 mL	Cole-Parmer	GZ-99535-25	https://www.coleparmer.com/i/ Cole-Parmer-vorgereinigt-EPA- Fläschchen-klares-Glas-60-ml-72-CS/9953525
Grüner/gelber Draht	RS	721-0636	https://nl.rs-online.com/web /p/Hook-up-wire/7210636
Griffe	RS	456-539	https://nl.rs-online.com/web/p/ Schublade-Griffe-Schrank-han DLES/0456539
Heizstäbe	RS	860-6984	https://www.reichelt.com/nl/nl/shop /produkt/verwarmingspatroon_hotr od_20_0x250_mm_1250_w_230_ v_-317248? PROVID=2809& gad_s ource=1& gad_campaignid=22415 164764& gbraid=0AAAAADwnxtY mY6n2NPja4HF_ftn_kJY-U& gcli d=CjwKCAjwiNXFBhBKEiwAPSa PCaYMjfVMKQazvkQk_deE2koc XA9SZ_ltbPIefniuRsmzBwN_oQ rfQhoCegUQAvD_BwE
Scharniere	RS	448-1497	https://benl.rs-online.com/ Web/P/Hinges/4481497
Schlauch	Wildkamp	750568	https://www.slangenboer.nl/wat erslang-cristal-al-961?channabl e=41cdee736b7500534230313 0353131333924& bg_source=ga & bg_campaign=21584331548& bg_kw=pla-293946777986-mi-1 09646330-pi-SB01051139-ppi- 293946777986& bg_source_id= 709628610149& gad_source=1 & gad_campaignid=215843315 48& gbraid=0AAAAADegGXwz 91MJFzGxBRxjCSRew10eG& gclid=CjwKCAjwiNXFBhBKEiw APSaPCZNCdBEfvnV2pYYPeV SQaiG_UKP0q_eknv0lC_N_0Y WIIZQvze8TEhoCzPUQAvD_BwE
Schlauchbarb	Wildkamp	11000357	https://www.wildkamp.nl/pro Duct/Slangtule-RVS-316L-Lost-W AX-Buitendraad-x-Slangtule-BS p-x-10-0-mm/11000357
Injektionsnadel	Merkala	303262	https://www.merkala.nl/bd-mic rolance-injectienaalden-18g-ro ze-1-2x40mm-100-stuks.html? gclid=CjwKCAjw_Na1BhAlEiw AM-dm7DrC9mGkmpNN8krYe CmkvpEeSv4CuH3I2Px71KJxY YSm-vjVu2LclRoCwuwQAvD_BwE
Einspritzrohr-Gasanalisator 1/4"	VWR	MFLX06491-12	https://us.vwr.com/store/pr Oduct/39537334/BEV-A-Line- V-Transfer-Pump-Tubing
Isoliermaterial	Technische Unie	3603842	https://www.technischeunie. nl/product/prd1899911190
Kniekupplungen	Kramp	MMI9006K	https://www.kramp.com/shop-nl/ nl/p/haakse-koppeling-instelbaa r-bu-bu-3-8-BSP--MMI9006K
Rohr mit großem Durchmesser 3/8"	Avantor	39213360	https://www.avantorsciences.co m/us/en/product/39213360/mast erflex-transfer-tubing-flexible- vinyl-avantor
M6-Schrauben, Hex	RS	281-120	https://nl.rs-online.com/web/p/so cket-screws/0281120?srsltid=Afm BOorVGq-ZyA2yrJG1kU7SHGiZ EblaRz0nDmX7MwhzIRjcc6P4YIYE
Hauptverteilerbox	RS	Schau dir Dia an.	https://nl.rs-online.com/w eb/p/general-purpose-enclo sures/2896320?gb=s
Männlicher Stecker	Qosina	12090	https://www.qosina.com/male- an-männlich-Luer-Lock-Steckverbinder-12090
Männlicher Luer	Walternedical	BPC04M	https://www.waltersmedical.co. uk/product/nibp-connector-male-luer-slip/
MCB - Siemens SENTRON	RS	3RF2320-1AA02	https://nl.rs-online.com/we B/P/MCBS/2383188?gb=s
PE/DND Feedtrhough	RS	687-9411	https://uk.rs-online.com/we b/p/din-rail-terminal-blocks/ 6879411?searchId=c9a9c1 b1-3def-40d0-8b14-b792f8269615& gb=s
LED der Stromanzeigenanzeige	RS	909-2437	https://uk.rs-online.com/ web/p/pilot-lights/9092437?gb=s
Stromversorgung	Antratek	X-2902992	https://nl.rs-online.com/web/ p/din-rail-power-supplies/054 0731?srsltid=AfmBOoqMPIO Av7bZd1Qu_Acy3KMFR0-x OD_Hkw3NeQCYyzKJLzEGXzxQ
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Roter Draht	RS	361-822	https://nl.rs-online.com/web /p/hook-up-wire/0361822
Ringanschluss 2,5 mm²	RS	534-569	https://uk.rs-online.com/ Web/P/Ring-Terminals/0534569
Sensoren	Antratek	X-DTS-S3C	https://www.antratek.nl/dig Ital-Temperatur-Sensor-1m-Kabel
Septa Red Butyl	HomeGreen	A255	https://www.homegreen.nl/la b-benodigdheden/septa-rood -butyl-20-mm?srsltid=AfmBO ooStonU5v9Q9j7i_RgQMJ9F m6ZVbPbIRU0cD1_47-BEVmb1r5I5
Einleiter-Einleiter-Einleitung	Elektramat	401167865	https://www.elektramat.nl/ katalogsuche/ergebnis/?q=401167865
Einphasen-Stromkabel	RS	626-6694	https://nl.rs-online.com/w eb/p/power-cables/6266694?gb=s
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Festkörperrelais	RS	467-4762	https://nl.rs-online.com/web/p /Festkörper-Relais/4674762
Spiralbohrer	Ericks	10471300	https://shop.eriks.nl/nl/gereed schappen-verspanende-geree dschappen-boren-hss-en-hsse -boren-cilindrische-schacht/spir aalboor-din340-hsse-geslepen- type-ti-5-80mm-12592599/?srslt id=AfmBOoopMLgX1mtyuUxkU KU7jW4fYY1bY5wSTvSGQUkO zTc6E2wdxUZQ
Edelstahlgehäuse und Deckel	247 Schneiderstahl		https://247tailorsteel.com/nl/?ut m_term=24%207%20steel& utm _campaign=B+-+NL+-+247tailo rsteel+-+NL+-+Doelvertonings percentage+%3E+Conv.+Waa rde+met+Doel-ROAS& utm_so urce=adwords& utm_medium= ppc& hsa_acc=2007690635& h sa_cam=783787418& hsa_grp =118504886580& hsa_ad=67 1662182959& hsa_src=g& has _tgt=kwd-374862287021& HS a_kw=24%207%20steel& has _mt=p& hsa_net=Adwords& has _ver=3& gad_source=1& gclid= Cj0KCQjw8MG1BhCoARIsAHx SiQnhmktBk_3c_wobSJobrTVp4 _nqiW26Zt7XzSkHdK-htW8medy NCcQaAjbrEALw_wcB
Schalter 2-Wege-Schalter	RS	746-9336	https://nl.rs-online.com/web/p /Nockenschalter-Griffe/7469336
Endbrücke	Elektramat	401043503	https://www.elektramat.nl/phoenix-c ontact-doorverbindingsbrug-voor-rijg klem-2-polig-5-2-mm-rood-fbs-2-5/?c hannable=0141ac6964003330383936 ec& utm_source=google-surfaces& utm _medium=organisch& bg_source=ga& bg_ campaign=19011971421& bg_kw=-mi-9 214030-pi-401043503-ppi-& bg_source _id=& gad_source=1& gclid=CjwKCAjw 8fu1BhBsEiwAwDrsjE2kRcDZUHPupfy haLoTzWLqM9v8HKaiI67st4UOmUXIN 9OaI25ALRoCvmUQAvD_BwE
Thermostat-DAQ	Antratek	X-300-I	Temperaturü Berwachung & Thermostat (+X-DTS-S3C) von ControlByWeb (antratek.nl)
Universalfräsmaschine	Mach4Metal	MACH-ID 7580	https://mach4metal.com/en /Fräsmaschinen/cnc/fehlm ann-picomax-p54-2
Wago-3-Leiter-Einspeisung	RS	803-6713	https://nl.rs-online.com/web/ p/din-rail-terminal-blocks/80 36713?cm_mmc=NL-PLA-D S3A-_-google-_-CSS_NL_N L_Pmax_0525-_--_-803671 3& Matchtype=& & gclsrc=aw.d s& gad_source=1& gad_campa ignid=22555696009& gbraid=0 AAAAADkeWNNXeREaDmJ5n yYqYMqp-c7A6& gclid=CjwKCAj wtfvEBhAmEiwA-DsKjilXxL8uO 4Jo6XyDesHGaQkoz6Ggi4ATI6 FUInWV9TxmIX519DGIZBoCh9 YQAvD_BwE
Wago-Steckverbinder	RS	883-7557	https://uk.rs-online.com/ web/p/standard-terminal-b locks/8837557?gb=s
Drahtendhüllen (100 Stück)	Elektramat	401173609	https://www.elektramat.nl/solar -adereindhuls-geisoleerd-2-5mm 2-hulslengte-8mm-blauw-per-100 -stuks-1505145/?channable=014 1ac6964003430344a4& utm_source =google-surfaces& utm_medium =organisch& bg_source=ga& bg_c ampaign=17673967332& bg_kw= -mi-9214030-pi-401173609-ppi-& bg _source_id=& gad_source=1& gclid= CjwKCAjw8fu1BhBsEiwAwDrsjNms VYTNZ5TuXEHtsF34hcY-T5kLFnhi zir1fUsR3UYcG9bxmugqJRoCp_Y QAvD_BwE