Pulse crops included in a crop rotation can reduce nitrogen (N) requirements via biological N2 fixation (BNF) and provide greater carbon (C) inputs to soil than non-pulse crops in rotation. The goal of this research was to estimate the BNF and C input to soil by various pulse crops (chickpea, lentil and field pea) grown in rotation with pulse crops and non-pulse crops. Soil cores from three crop rotations (chickpea-wheat, lentil-wheat and pea-wheat) were collected from Swift Current, SK. Additional soil cores from two rotations (canola-wheat and wheat-canola) were extracted from a field used for commercial cropping in Central Butte, SK. The 15N dilution method and continuous labelling with depleted 13CO2 were used to estimate BNF and 13C input to soil by pulse crops grown in a greenhouse. The continuous labelling with depleted 13CO2 was effective in depleting 13C in plants. The movement of 13C from plant to soil C pools via rhizodeposition was also observed. However, an accurate amount of 13C transferred was not measurable. Different pulse crop performed differently in rotation. Pea had the greatest amount of BNF and produced the most residue-C (pods, stems, leaves and roots) compared to chickpea and lentil. The crop grown in the first year of the three-year rotation also influenced the pulse crops grown in the third year of the rotation. Cropping the same first year and third year pulse crop in rotation (chickpea-wheat-chickpea and lentil-wheat-lentil) performed better than growing different first year and third year pulse crops in rotation (pea-wheat-chickpea and pea-wheat-lentil). Pulse crops grown immediately after wheat yielded better and fixed more N than those after canola. Growing a pulse crop after canola is not recommended in this soil zone.

Mikrobielle Hotspots zeichnen sich durch erhöhte mikrobielle Biomasse und Aktivität im Vergleich zum Gesamtboden aus. Sie umfassen nur einen sehr kleinen Teil des Bodenvolumens, indem jedoch die meisten für Stoffkreisläufe relevanten mikrobiellen biogeochemischen Prozesse ablaufen. In mikrobielle Hotspots sind Prozessraten erhöht, wie beispielsweise verkürzte Umsatzzeiten der organischen Substanz und eine erhöhte Nährstoffmobilisierung im Vergleich zum Gesamtboden. Eine verbesserte Verfügbarkeit von niedermolekularen organischen Substanzen im Vergleich zum Gesamtboden stimuliert das Wachstum und die Aktivität von Bodenmikroorganismen. Mikrobielle Hotspots entstehen in Bodenkompartimenten, die durch Rhizodeposition, den Eintrag von Wurzelstreu, den Eintrag von nährstoffreichem Material von der Bodenfauna und die Auswaschung von organischen Verbindungen aus dem Oberboden einen erhöhten Substrateintrag aufweisen. Im Boden stellen die Rhizosphäre sowie Bioporen wichtige mikrobielle Hotspots dar. Speziell im nährstoffarmen Unterboden sind mikrobielle Hotspots wichtig, da die Nährstoffe in den Hotspots im Vergleich zum Gesamtboden für Pflanzen besser verfügbar sind. Im Rahmen dieser Dissertation wurden 1) mikrobielle Hotspots anhand molekularer Proxies unterschieden; und 2) das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung von mikrobiellen Hotspots im Unterboden untersucht; darüber hinaus wurde 3) die mikrobielle Umsetzung des wurzelbürtigen Kohlenstoffs entlag eines Teifengradienten bis in 105 cm Tiefe bestimmt; und 4) die räumliche Ausdehnung der mikrobiellen Hotspots im Ober- und Unterboden anhand der Verteilung und anhand des Umsatzes von wurzelbürtigem Kohlenstoff, sowie anhand von sich ausbildenden pH, Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten von der Wurzeloberfläche in den Gesamtboden bestimmt. Im Rahmen eines Feldexperimentes wurde Luzerne (Medicago sativa L.) zwei Jahre lang auf einem Haplic Luvisol angebaut. Drilsophäre, Rhizosphäre und der Gesamtboden wurden in 15 cm Intervallen bis in eine Tiefe von 105 cm beprobt, um mikrobielle Hotspots anhand von molekularen Proxies zur unterscheiden. Die Proben wurden auf ihre Gehalte an freien extrahierbaren Fettsäuren untersucht. Dafür wurden aus dem Gesamtlipidextrakt die Fettsäuren durch Festphasenextraktion abgetrennt. Die Differenzierung des organischen Materials aus der Drilosphäre, der Rhizosphäre und dem Gesamtboden wurde mittels einer linearen Diskriminanzanalyse durchgeführt. Desweiteren wurde auf der Versuchsfläche neben Luzerne auch Wegwarte (Cichorium intybus L.) angebaut. Um den Kohlenstoffeintrag von Luzerne und Wegwarte in den Boden entlag eines Tiefengradientens zu vergleichen, wurden je drei Luzerne und drei Wegwarteparzellen nach 110 Tage Wachstum in situ mittels 13CO2 pulsmarkiert. Die Verteilung des assimilierten 13C in Spross, Wurzeln und Bodenkohlenstoffpools sowie die Bestimmungen der jeweiligen Kohlenstoffpoolgrößen ermöglichte es, den Kohlenstoffeintrag bis in eine Bodentiefe von 105 cm zu quantifizieren. In einer Laborstudie wurde die räumliche Ausdehnung mikrobieller Hotspots untersucht. Zu diesem Zweck wurde Luzerne in T-förmigen Gefäßen mit drei Kompartimenten zwei Monate lang kultiviert. Die Gefäße waren entweder mit Ober- oder Unterboden gefüllt. Die Wurzeln konnten nur im mittleren Teil der Gefäße wachsen, da eine Nylongaze sie daran hinderte in die seitlichen Rhizosphärenkompartimente vorzudringen. Unterschiedliche Maschenweiten der Gaze verhinderten entweder nur das Wurzelwachstum oder sowohl das Wurzelwachstum als auch das Eindringen der Hyphen von arbuskulären Mykorrhizapilzen in die Rhizosphärenkompartimente. Die Dynamik und Verteilung von wurzelbürtigem Kohlenstoff in der Rhizosphäre, wurde durch die Markierung der Luzerne mit 14CO2 und anschließende Messung der 14C-Aktivität im gelösten organischen Kohlenstoff und im gesamten organischen Kohlenstoff ermittelt. Um Unterschiede im mikrobiellen Abbau der abgegebenen Substanzen in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre zu bestimmen, wurden die Aktivitäten extrazellulärer Enzyme gemessen. Zur Messung von Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten bei unterschiedlichem Matrixpotenzial in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre wurden ein Sauerstoffmikrosensor und Platinelektroden verwendet. Während die relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren von Drilosphäre, über Rhizosphäre bis zum Gesamtboden abnahmen, verhielten sich die Dicarbonfettsäuren genau umgekehrt. Da diese Unterschiede unabhängig von der Bodentiefe waren, konnten diese Proxies zur Unterscheidung der Herkunft des organischen Materials verwendet werden. Mittels einer linearen Diskriminanzanalyse konnte so das organsiche Material mikrobieller Hotspots von dem des Gesamtbodens durch eine lineare Kombination der relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren und Dicarbonsäuren unterschieden werden. Die unterschiedlichen Quellen des organischen Materials und dessen intensive mikrobielle Überformung veranschaulichen die Komplexität der Prozessse, die zur Entstehung von mikrobiellen Hotspots beitragen. Um diese Prozesse zu untersuchen, wurde das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung mikrobieller Hotspots im Unterboden analysiert. Dafür wurde der Kohlenstoffeintrag über die Wurzelbiomasse und durch Rhizodeposition sowie die mikrobielle Aufnahme bis in eine Tiefe von 105 cm quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausbildung mikrobieller Hotspots im Unterboden während der ersten Vegetationsperiode durch Luzerne stärker ist als durch Wegwarte. Die Gründe hierfür waren: 1) Ein höherer Biomassezuwachs von Luzerne und 2) eine 8 fach höherere Verlagerung des assimilierten Kohlenstoffs in das Wurzelwachstum sowie in Rhizodeposite im Unterboden durch Luzerne. Unter Luzerne wurde durch den erhöhten Eintrag von leichtverfügbarem Kohlenstoff das mikrobielle Wachstum und der Umsatz an mikrobiellem C im Unterboden erhöht. Dies weist auf höhere Nährstoffumsatzraten und damit auf deren höhere Pflanzenverfügbarkeit hin. Das könnte zu einer verbesserten Nährstoffversorgung der Hauptfrüchte beitragen, wenn deren Wurzeln durch die ehemaligen Luzernewurzelporen im Unterboden wachsen. Im Gegensatz zur Luzerne bildete die Wegwarte den größten Teil ihrer Wurzelbiomasse im Oberboden aus wohin sie auch den größten Teil ihrer Rhizodeposite exsudierte. Aus diesem Grund ist die Wegwarte zumindest in der ersten Vegetationsperiode nicht als Vorfrucht zu empfehlen, um die Nährstoffverfügbarkeit im Unterboden zu verbessern. Um die Relevanz von mikrobiellen Hotspots für Nährstoffkreisläufe besser zu verstehen, ist es notwendig die Ausdehnung des Bodenvolumens mit erhöhten Prozessraten und die Gradienten mit denen diese Prozessraten zum Gesamtboden hin abnehmen zu untersuchen. Dies ermöglichte das oben beschriebene Experiment, bei dem Luzerne in den kompartimentierten Wachstumsgefäßen angezogen wurde. Hierbei zeigte sich, dass die Wurzelexsudation in die Oberbodenrhizosphäre verglichen mit der Exsudation in die Unterbodenrhizosphäre deutlich höher war. Allerdings waren die Gradienten der 14C markierten Wurzelexsudate im gelösten organischen Kohlenstoff von der Wurzeloberfläche in Richtung Gesamtboden steiler als im Unterboden. Da zusätzlich zu dem erhöhten Eintrag und den steileren Gradienten auch die Enzymaktivitäten im Oberboden höher waren, kann von einem erhöhtem mikrobiellem Abbau der Wurzelexsudate im Vergleich zur Unterbodenrhizosphäre ausgegeangen werden. Obwohl erwartet wurde, dass erhöhter mikrobieller Abbau zu einer geringeren diffusiven Ausdehnung der Wurzelexsudate in der Oberbodenrhizosphäre führen würde, war dies nicht der Fall. Sowohl in der Oberboden- als auch in der Unterbodenrhizosphäre wurde 14C aus Exsudaten bis in eine Entfernung von 28 mm im DOC und 20 mm im TOC zur Wurzeloberfläche nachgewiesen. Die Sauerstoffkonzentration nahm in Richtung zur Wurzeloberfläche ab, wobei der Gradient in Ober- und Unterbodenrhizosphäre identisch war. Ein Rhizosphäreneffekt auf die Sauerstoffkonzentration konnte bis in 20 mm Entfernung zur Wurzeloberfläche gemessen werden. Das Matrixpotenzial war ausschlaggebend für die diffusive Nachlieferung von Sauerstoff, und damit für die Aufrechterhaltung der aeroben Respiration in der Rhizosphäre. Bei einem Matrixpotenzial von -200 hPa oder weniger fand keine Hemmung der Respirationsprozesse durch mangelnde O2 Nachlieferung zur Wurzeloberfläche statt. Die auf der Sauerstoffkonzentration beruhenden Veränderungen des Redoxpotentials konnten bis in eine Entfernung von 2 mm zur Wurzeloberfläche erfasst werden. Nur unter ständiger Wassersättigung wurden in der Rhizosphäre schwach reduzierende Bedingungen erreicht. Im Rahmen dieses Dissertation konnte gezeigt werden, dass mikrobielle Hotspots im Boden eine größere laterale Ausdehnung erreichen als bislang angenommen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diese Hotspots eine Schlüsselfunktion bei der Erhöhung von Kohlenstoff- und Nährstoffumsätzen besitzen. Daher empfiehlt sich der Anbau von tiefwurzelnden Vorfrüchten mit ausgeprägter C-Verlagerung in den Unterboden, wie beispielsweise Luzerne, um die Nährstoffverfügbarkeit aus dem Unterboden in Agrarökosystemen zu verbessern.

This thesis falls within the field of high resolution Fourier transform spectroscopy of gas phase molecules in the far to near infrared ranges. It is focused on quantitative aspects of gas phase spectroscopy: absolute line intensity measurements. Both stable and unstable molecules, of atmospheric interest, are investigated. With this work, we aim to provide the reference spectroscopic information needed to analyze spectra of planetary atmospheres and improve our understanding of the physical chemistry of these environments. We studied two molecules of atmospheric interest: the 13C16O2 isotopologue of carbon dioxide, which is a stable molecule, and the H16O79Br and H16O81Br isotopologues of hypobromous acid which are short-lived unstable molecules. The work carried out in the 2 and 1.6 µm regions of 13C16O2 falls in the framework of highly precise remote sensing of carbon dioxide in the Earth’s atmosphere, needing more and more accurate reference spectroscopic information. We measured 872 absolute line intensities corresponding to 317 different lines in seven vibration-rotation bands of 13C16O2. These measurements, together with measurements performed in the Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) led to the improvement of the theoretical description of the spectrum of carbon dioxide, performed in the Laboratory of Theoretical Spectroscopy, (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russia). This study is preceeded by a preliminary work on the main isotopologue of carbon dioxide, 12C16O2 in the same spectral regions, aimed to determine the best suited line profile to model the observed line shapes of 13C16O2. HOBr exists only in equilibrium with its decomposition products, like Br2O and H2O. Quantitative spectroscopy on such an unstable molecule therefore implied the use of a specific method to determine the concentration of HOBr in the studied gas sample. Simultaneously, Tunable Diode Laser (TDL) infrared spectra of some lines of the nu2 band and a far infrared Fourier transform spectrum of pure rotation lines of HOBr were recorded. The measured intensities of pure rotation lines together with the permanent electric dipole moment of the molecule were used to determine the partial pressure of HOBr, thus allowing absolute intensities of the lines probed by the TDL to be determined. These infrared absolute line intensities were then used to “calibrate” the relative line intensities in the nu2 band, measured in a Fourier transform spectrum recorded separately. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la spectroscopie è haute résolution de molécules en phase gazeuse dans l’infrarouge proche à lointain. Ce travail se concentre sur les aspects quantitatifs de la spectroscopie en phase gazeuse: la mesure d’intensités absolues. Des molécules d’interêt atmosphérique stables et instables ont été étudiées. Le but de ce travail est de fournir des informations spectroscopiques de référence utiles à l’analyse de spectres d’atmosphères planétaires et, ainsi, améliorer notre compréhension de la physico-chimie de ces environnements. Nous avons étudié deux molécules d’interêt atmosphérique: l’isotopologue 13C16O2 du dioxyde de carbone, qui est une molécule stable, et les isotopologues H16O79Br et H16O81Br de l’acide hypobromeux qui sont des molécules instables. Le travail effectué sur les régions spectrales à 2 et 1.6 µm de 13C16O2 s’inscrit dans le cadre des mesures à distance à très haute précision du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère terrestre. Nous avons mesuré 872 intensités absolues correspondant à 317 raies d’absorption dans sept bandes de vibration-rotation de 13C16O2. Ces mesures, ainsi que celles réalisées au Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) ont abouti à l’amélioration de la description théorique du spectre du dioxyde de carbone, réalisée au Laboratory of Theoretical Spectroscopy (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russie). Cette étude est précédée par un travail préliminaire sur l’isotopologue principal du dioxyde de carbone, 12C16O2 dans les mêmes régions spectrales, visant à déterminer le profil de raie le plus adapté pour modéliser les profils observés de 13C16O2. HOBr existe uniquement en équilibre avec ses produits de décomposition tels que Br2O and H2O. Effectuer des mesures quantitatives pour ce type de molécule instable implique dès lors l’utilisation d’une technique spécifique afin de déterminer la pression partielle de HOBr. Un spectre infrarouge en Diode Laser Accordable (DLA) de quelques raies de la bande nu2 de HOBr et un spectre infrarouge lointain en transformée de Fourier d’un même échantillon gazeux ont été enregistrés simultanément. Les intensités mesurées de raies de rotation pure combinées au moment dipolaire électrique permanent de la molécule ont été utilisées pour déterminer la pression partielle de HOBr, nous permettant ainsi de déterminer les intensités absolues des raies mesurées à l’aide de la DLA. Ces intensit´es absolues ont ensuite été utilisées pour “calibrer” les intensités relatives des raies de la bande nu2, mesurées dans un spectre à transformée de Fourier enregistré séparément.

Pelagic aggregates function as biological carbon pumps for transporting fixed organic carbon to sediments. In iron-rich (ferruginous) lakes, photoferrotrophic and chemolithoautotrophic bacteria contribute to CO2 fixation by oxidizing reduced iron, leading to the formation of iron-rich pelagic aggregates (iron snow). The significance of iron oxidizers in carbon fixation, their general role in iron snow functioning and the flow of carbon within iron snow is still unclear. Here, we combined a two-year metatranscriptome analysis of iron snow collected from an acidic lake with protein-based stable isotope probing to determine general metabolic activities and to trace 13CO2 incorporation in iron snow over time under oxic and anoxic conditions. mRNA-derived metatranscriptome of iron snow identified four key players (Leptospirillum, Ferrovum, Acidithrix, Acidiphilium) with relative abundances (59.6–85.7%) encoding ecologically relevant pathways, including carbon fixation and polysaccharide biosynthesis. No transcriptional activity for carbon fixation from archaea or eukaryotes was detected. 13CO2 incorporation studies identified active chemolithoautotroph Ferrovum under both conditions. Only 1.0–5.3% relative 13C abundances were found in heterotrophic Acidiphilium and Acidocella under oxic conditions. These data show that iron oxidizers play an important role in CO2 fixation, but the majority of fixed C will be directly transported to the sediment without feeding heterotrophs in the water column in acidic ferruginous lakes.

This thesis falls within the field of high resolution Fourier transform spectroscopy of gas phase molecules in the far to near infrared ranges. It is focused on quantitative aspects of gas phase spectroscopy: absolute line intensity measurements. Both stable and unstable molecules, of atmospheric interest, are investigated. With this work, we aim to provide the reference spectroscopic information needed to analyze spectra of planetary atmospheres and improve our understanding of the physical chemistry of these environments.<p><p>We studied two molecules of atmospheric interest: the 13C16O2 isotopologue of carbon dioxide, which is a stable molecule, and the H16O79Br and H16O81Br isotopologues of hypobromous acid<p>which are short-lived unstable molecules.<p><p>The work carried out in the 2 and 1.6 µm regions of 13C16O2 falls in the framework of highly<p>precise remote sensing of carbon dioxide in the Earth’s atmosphere, needing more and more accurate<p>reference spectroscopic information. We measured 872 absolute line intensities corresponding<p>to 317 different lines in seven vibration-rotation bands of 13C16O2. These measurements, together with measurements performed in the Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) led to the improvement of the theoretical description of the spectrum of carbon dioxide, performed in the Laboratory of Theoretical Spectroscopy, (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russia). This study is preceeded by a preliminary work on the main isotopologue of carbon dioxide, 12C16O2 in the same spectral regions, aimed to determine the best suited line profile to model the observed line shapes of 13C16O2.<p><p>HOBr exists only in equilibrium with its decomposition products, like Br2O and H2O. Quantitative spectroscopy on such an unstable molecule therefore implied the use of a specific method to determine the concentration of HOBr in the studied gas sample. Simultaneously, Tunable Diode Laser (TDL) infrared spectra of some lines of the nu2 band and a far infrared Fourier transform spectrum of pure rotation lines of HOBr were recorded. The measured intensities of pure rotation lines together with the permanent electric dipole moment of the molecule were used to determine the partial pressure of HOBr, thus allowing absolute intensities of the lines probed by the TDL to be determined. These infrared absolute line intensities were then used to “calibrate” the relative line intensities in the nu2 band, measured in a Fourier transform spectrum recorded separately.<p><p><p>Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la spectroscopie è haute résolution de molécules en phase gazeuse dans l’infrarouge proche à lointain. Ce travail se concentre sur les aspects quantitatifs de la spectroscopie en phase gazeuse: la mesure d’intensités absolues. Des molécules d’interêt atmosphérique stables et instables ont été étudiées. Le but de ce travail est de fournir des informations spectroscopiques de référence utiles à l’analyse de spectres d’atmosphères planétaires et, ainsi, améliorer notre compréhension de la physico-chimie de ces environnements.<p><p>Nous avons étudié deux molécules d’interêt atmosphérique: l’isotopologue 13C16O2 du dioxyde<p>de carbone, qui est une molécule stable, et les isotopologues H16O79Br et H16O81Br de l’acide hypobromeux qui sont des molécules instables.<p>Le travail effectué sur les régions spectrales à 2 et 1.6 µm de 13C16O2 s’inscrit dans le cadre<p>des mesures à distance à très haute précision du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère terrestre. Nous avons mesuré 872 intensités absolues correspondant à 317 raies d’absorption dans sept bandes de vibration-rotation de 13C16O2. Ces mesures, ainsi que celles réalisées au Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) ont abouti à l’amélioration de la description théorique du spectre du dioxyde de carbone, réalisée au Laboratory of Theoretical<p>Spectroscopy (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russie). Cette étude est précédée par un<p>travail préliminaire sur l’isotopologue principal du dioxyde de carbone, 12C16O2 dans les mêmes<p>régions spectrales, visant à déterminer le profil de raie le plus adapté pour modéliser les profils<p>observés de 13C16O2.<p><p>HOBr existe uniquement en équilibre avec ses produits de décomposition tels que Br2O and H2O.<p>Effectuer des mesures quantitatives pour ce type de molécule instable implique dès lors l’utilisation d’une technique spécifique afin de déterminer la pression partielle de HOBr. Un spectre infrarouge en Diode Laser Accordable (DLA) de quelques raies de la bande nu2 de HOBr et un spectre infrarouge lointain en transformée de Fourier d’un même échantillon gazeux ont été enregistrés simultanément. Les intensités mesurées de raies de rotation pure combinées au moment dipolaire électrique permanent de la molécule ont été utilisées pour déterminer la pression partielle de HOBr, nous permettant<p>ainsi de déterminer les intensités absolues des raies mesurées à l’aide de la DLA. Ces intensit´es absolues ont ensuite été utilisées pour “calibrer” les intensités relatives des raies de la bande nu2, mesurées dans un spectre à transformée de Fourier enregistré séparément. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished