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Der Gehalt an organischem Kohlenstoff ist in der physischen Geographie ein Parameter für die Bodenqualität. Die Erkenntnisse dienen dazu, Biodiversität zu erhalten und Ernteerträge zu sichern. Um Bodenproben für die Analyse zu gewinnen, gibt es mehrere Verfahren.Der Eingriff des Menschen in Ökosysteme betrifft auch den globalen Kohlenstoffkreislauf. Daher befasst sich physische Geographie, ein naturwissenschaftlich ausgerichteter Zweig der Umweltforschung (Kasten), mit organischem Kohlenstoff im Boden.<h2 type="main">Bodenfunktionen</h2>Böden sind Gemische aus Wasser, anorganischen Bestandteilen wie Silikaten und Tonmineralen sowie organischen Bestandteilen, etwa aus abgestorbenem Biomaterial wie Blätter, Wurzeln und Bodentiere (<link href="#nadc20234134836-fig-0001">Abbildung links). Außerdem leben in Böden Mikroorganismen, die organische Substanz ab- und umbauen und damit den Nährstoffkreislauf im Boden schließen. Der meiste Kohlenstoff befindet sich in der Biomasse. Daher ist die organische Substanz – die gesamte ebenso wie die lösliche – wichtig für biologische Bodenfunktionen.<figure xml:id="nadc20234134836-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/fh5Svap0QvGq2wQuxShv"><figcaption><label>Abb.1: </label>Aufbau des Bodens. Neben anorganischen Bestandteilen finden sich hier organische Bestandteile sowie Mikroorganismen. Foto: RUB</figcaption></figure></figure>Der Summenparameter TOC (total organic carbon) gibt die Menge an Kohlenstoff an, die aus organischen Verbindungen stammt. Er gilt unter anderem als Indikator für die Bodenfruchtbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist der Wert daher für die Integration von organischem Abfall, um Böden zu verbessern, und die Ernährungssicherung. Zudem sind über den TOC Aussagen über die Veränderung des Kohlenstoffzyklus im Unterboden als Folge des Klimawandels möglich. Das Kohlenstoffreservoir des Bodens ist wesentlich höher als das atmosphärische.<h2 type="main">Direktmethode</h2>In der physischen Geographie wird zumeist der lösliche TOC-Teil im Boden bestimmt. Dafür wird am häufigsten die Non-Purgeable-Organic-Carbon(NPOC)-Methode angewendet (nicht ausblasbarer organischer Kohlenstoff, auch als Direktverfahren bezeichnet).Bei der NPOC-Methode wird eine Teilprobe des Eluats oder Extrakts zunächst mit einer Mineralsäure, meistens Salzsäure, versetzt, um anorganische Kohlenstoffverbindungen wie Carbonate oder Hydrogencarbonate zu eliminieren. Die angesäuerte Probe wird mit einem Spülgas gestrippt, um das entstandene Kohlenstoffdioxid zu entfernen. Anschließend wird ein Aliquot (beispielsweise 10 μL bis 2 mL) auf einen heißen Katalysator injiziert und im sauerstoffhaltigen Gasstrom verbrannt. Die organischen Verbindungen werden zu CO2 oxidiert, mit einem Trägergas zu einem nichtdispersvem Infrarotdetektor (NDIR-Detektor) transportiert und dort erfasst.Moderne Analysatoren wie die der Serie TOC-L von Shimadzu übernehmen vollautomatisch die Probenvorbereitung, also Ansäuern und Ausgasen. Die Systeme arbeiten mit einem Platinkatalysator bei einer Verbrennungstemperatur von 680 °C. Die Geräte verfügen über eine spezielle Spritzeneinheit, die Proben automatisch verdünnt, wenn die Proben den Kalibrierbereich überschreiten. Zudem verdünnt diese Spritzeneinheit automatisch Standards für Kalibrierkurven auch in äquidistanten Konzentrationsabständen.Neben der Bestimmung von wässrigen Bodenauszügen kann es auch sinnvoll sein, den TOC im Boden direkt im Feststoff zu bestimmen. Dafür kann ein separates Verbrennungsmodul an den TOC-L angeschlossen werden, in dem der Boden verbrannt wird.<h2 type="main">Messwerte aus dem gelösten Kohlenstoff</h2>Mit Gewinnung und Extraktion des löslichen TOC aus dem Boden lassen sich organische Schadstoffe, die Mineralisation sowie die Bodenfruchtbarkeit bestimmen. Zudem kann der Wert als Parameter für eine weitere Charakterisierung des TOC dienen.Nach Gewinnung von DOC-Lösung (dissolved organic carbon, gelöster organischer Kohlenstoff) werden oft der spektrale Absorptionskoeffizient (SAK) und die spezifische UV-Absorption (SUVA) gemessen, um den Gehalt an aromatischen oder ungesättigten Kohlenstoffverbindungen zu analysieren.Zudem kann die lösliche TOC-Probe in verschiedene Molekülgrößen oder hydrophile und hydrophobe Bestandteile fraktioniert werden.<h2 type="main">Proben für die TOC-Bestimmung gewinnen</h2>Um aus feldfrischen Bodenproben die direkte Bodenlösung für die TOC-Analytik zu gewinnen, gibt es mehrere Verfahren (<link href="#nadc20234134836-fig-0002">Abbildung oben). Dazu zählen die Beregnung, die Gewinnung mit Saugkerzen oder der Einsatz von Lysimetern.<figure xml:id="nadc20234134836-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/vm0PSHxTxmatLyvqXCow"><figcaption><label>Abb.2: </label>Installation von zwei Meter tiefen Bodenobservatorien (UGT) und Saugkerzen zur Sickerwassergewinnung (Subsom) in einen Waldboden. Foto: RUB/ Wordell-Dietrich</figcaption></figure></figure>Bei der Beregnung wird die frische Bodenprobe mit Stechzylindern entnommen und dann mit einer gering konzentrierten Salzlösung beregnet. Mit leichtem Unterdruck wird die Bodenlösung in Flaschen aufgefangen.Um mit Saugkerzen Bodenlösung zu gewinnen, werden diese in verschiedenen Tiefen in den Boden eingebracht, und die Bodenlösung wird durch Unterdruck aus dem Boden gesaugt.Lysimeter sind mit Boden befüllte Zylinder, an deren unterem Ende eine Vorrichtung für Sickerwasser sitzt, das mit Pumpen an die Oberfläche gefördert wird. Die Lysimeter enthalten einen ungestörten Ausschnitt eines Bodens, und die Größe bei landwirtschaftlichen Kulturen beträgt ein bis zwei Quadratmeter.<h2 type="main">Elutions- und Extraktionsverfahren für Bodenfeststoff</h2>Je nach Ziel der Untersuchung werden im Labor unterschiedliche Elutions- und Extraktionsverfahren angewendet, um den löslichen TOC aus Bodenfeststoff zu gewinnen. Dazu zählen das Bodensättigungsextrakt-Verfahren (BoSE/BBodSchV) oder das S4-Schüttelverfahren (DIN EN 12457). Ersteres ist aufwendig, letzteres führt zu Minderbefunden gegenüber dem Bodensättigungsextrakt. Daher wird zunehmend wird dafür der Zwei-zu-eins-Schüttelversuch (DIN 19529) eingesetzt (Verhältnis Wasser zu Feststoff ist 2:1).Die wasserlöslichen organischen Substanzen sind die labilste Fraktion des TOC im Boden. Aufgrund der hohen biologischen Abbaugeschwindigkeit sind sie eine wichtige Quelle für die Kohlendioxidproduktion, denn sie sind das direkte Substrat für die Mikroorganismen im Boden.Die Löslichkeit dieser organischen Verbindungen hängt von der Temperatur ab. Daher werden in der Regel zwei funktionelle Pools der löslichen organischen Bodensubstanz untersucht: in kaltem und in heißem Wasser extrahierbarer organischer Kohlenstoff. Der zweite besteht aus stabileren Komponenten, die Reserve an Nährstoffen und Energie für Pflanzen und Mikroorganismen bilden.<h2 type="main">Mikrobielle Biomasse extrahieren</h2>Die mikrobielle Biomasse von Böden wird untersucht, um die Bodenfruchtbarkeit einzuschätzen sowie das Potenzial, organische Stoffe abzubauen. Zudem liefern die Ergebnisse Informationen über die Einflüsse von Zusatzstoffen auf die natürliche mikrobielle Population des Bodens. Die mikrobielle Biomasse reagiert auf Umweltveränderungen schneller als bodenchemische Messgrößen und dient deshalb als Indikator für sich ändernde Umweltbedingungen.Mit der Chloroform-Fumigations-Extraktions-Methode (DIN ISO 14240–2) lässt sich die mikrobielle Gemeinschaft quantitativ bestimmen, indem die Methode die Kohlenstoffverbindungen aus den Zellen der Mikroorganismen freisetzt. Bei der Behandlung der Böden mit gasförmigem Chloroform werden die Zellwände der Mikroorganismen aufgeschlossen, und der Kohlenstoff darin lässt sich dann mit einer 0,5-molaren K2SO4-Lösung extrahieren.Der Kohlenstoffanteil im Extrakt der mit Chloroform behandelten Proben ist demnach höher als im Extrakt von Proben, die nicht mit Chloroform behandelt wurden. Diese höhere Kohlenstoffmenge ist proportional zur mikrobiellen Biomasse im Boden. Die Menge mikrobieller Biomasse lässt dann auf das Mineralisationspotenzial und die Bodenfruchtbarkeit eines Standorts schließen.Diesen Beitrag haben Heidrun Kerkhoff und Sascha Hupach verfasst. Heidrun Kerkhoff ist Mitarbeiterin des Labors am Geographischen Institut der Universität Bochum. Sascha Hupach ist Applikationsspezialist für Summenparameter bei Shimadzu Deutschland in Duisburg.<h2 type="main">INFO: Physische Geographie und das Geographische Institut der Universität Bochum</h2>Die Fakultät für Geowissenschaften der Universität Bochum erforscht die Prozesse, die in und auf unserem Planeten ablaufen, sowie seine Wechselwirkung mit dem Menschen. Zur Fakultät gehören das Geographische Institut und das Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik. Im Geographischen Institut arbeiten über 70 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der physischen Geographie, Humangeographie, Geomatik und Didaktik. Die zirka 1400 Studierenden werden berufsfeldorientiert ausgebildet.Zur physischen Geographie gehören mehrere naturwissenschaftliche Teilbereiche, die eng miteinander verbunden sind: Bodenkunde und Bodenökologie beschäftigen sich mit den chemischen, physikalischen und biologischen Prozessen im Boden, die die Funktionen im Wasser- und Stoffhaushalt von Ökosystemen erhalten. Landschaftsökologie und Biogeographie konzentrieren sich auf die ökologischen und planerischen Fragen des Landschaftswandels und der Biodiversität. Weitere Teilbereiche sind Geomorphologie und Hydrogeographie. Die Geomorphologie ist die Lehre von den Formen der Erdoberfläche, ihrer Entstehung und Veränderung, und die Hydrogeographie ist die geographische Wasser- und Gewässerkunde mit Bezug zur Landschaft. Die Klimatologie in der physischen Geographie untersucht das Klimasystem der Erde.Zur Lehre in der physischen Geographie gehört die experimentelle Arbeit im Labor, in dem die Studierenden die jeweils aktuellen analytischen Techniken erlernen.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Der Gehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) in einem Boden erlaubt Rückschlüsse auf organische Schadstoffe, die Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern und die Bodenfruchtbarkeit.Für die TOC-Analyik in der physischen Geographie haben sich mehrere Extraktionsverfahren etabliert, wovon jedes andere Informationen über die Bodenbegebenheiten gibt.TOC-Analysatoren wie der TOC-L von Shimadzu erledigen die TOC-Analyse nach Extraktherstellung automatisch.

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Organische Kohlenstoff im Boden

Der Gehalt an organischem Kohlenstoff ist in der physischen Geographie ein Parameter für die Bodenqualität. Die Erkenntnisse dienen dazu, Biodiversität zu erhalten und Ernteerträge zu sichern. Um Bodenproben für die Analyse zu gewinnen, gibt es mehrere Verfahren.Der Eingriff des Menschen in Ökosy...

Fettsäuren gewinnen | Taisei Corporation aus Tokio hat das Genom des Triglycerid-akkumulierenden Cyanobakteriums Synechococcus elongatus PCC 7942 so verändert, dass es Fettsäuren außerhalb der Zellen liefert. Dazu entfernte man ein Acylcarrierprotein und verbesserte den Export durch die Membran. Pro Gramm Trockengewicht entstehen zwar nur etwa 31 mg pro Tag, extrazelluläre Fettsäure lässt sich jedoch abtrennen und der Prozess kontinuierlich führen.Benzoesäurederivate | Das japanische Unternehmen Kao besitzt nun Stämme von Corynebacterium glutamicum, die Gallussäure (3,4,5-Trihydroxybenzoesäure) oder 4-Amino-3-Hydroxybenzoesäure bilden. Dazu wurden Stoffwechselwege entworfen und Enzyme durch Proteindesign optimiert. Kao will Synthesewege erschließen, die es in der Natur nicht gibt.Spezifische Pestizide | Dass RNA-Pestizide auf Schädlinge wachstumshemmend wirken, hat der japanische Aromahersteller Ajinomoto gemeinsam mit dem National Institute for Basic Biology gezeigt. Sie haben ein Verfahren für die großtechnische Produktion dieser Pestizide entwickelt. RNA-Pestizide bestehen aus doppelsträngiger RNA, die RNA-Interferenz induziert und so die Produktion essenzieller Proteine blockiert. RNA-Pestizide lassen sich schädlingsspezifisch entwerfen, an resistente Schädlinge anpassen und sind biologisch abbaubar.Öl aus Algen | In Kuching auf Borneo vermehrt die japanische Chitose-Gruppe Chlamydomonas-Algen. Sie wachsen in Photobioreaktoren auf etwa 4,5 Hektar mit emittiertem CO2 eines benachbarten Kraftwerks. Das Algenöl lässt sich zu Flugtreibstoff verarbeiten. Der Konzern will die Anlage bis zum Jahr 2030 auf 2000 Hektar vergrößern.Rolf Schmid, <a href="https://www.bio4business.eu" target="_blank">www.bio4business.eu</a>

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