Metabolic heterogeneity (MH) occurs when isogenic microbial populations display cell-to-cell differences in metabolic traits, albeit exposed to homogeneous conditions. Despite the increasing focus on MH, its triggering factors remain largely unknown. In the present thesis, I used stable isotope probing and chemical imaging with nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry (nanoSIMS) to study MH at single-cell level, in model organisms, synthetic and natural communities, to understand i) how abiotic factors, biotic interactions and antibiotics exposure influence MH and ii) its potential ecological role. Moreover, I optimized sample preparation for chemical and high-resolution imaging and suggested two different indices as ‘unit measure’ of MH. As results, I have shown for the first time that MH is displayed by microorganisms under favorable growth conditions, although none of the tested abiotic factors prevailed as the main trigger of MH. I brought insights on how biotic interactions play a role in the functional heterogeneity using bacteria pseudo-fungi co-cultures. I found that antibiotics reduce Carbon and Nitrogen assimilation rates of targeted phylogenetic groups in river-water communities, while increasing their MH, pointing to its ecological importance in natural environments. To conclude, I provided novel insights on the phenomenon of MH and its dynamics at different ecological scales.:Abbreviation list Summary Introduction Knowledge gaps Results and discussion - Optimization of sample preparation - Validation of quantitation methods - Abiotic factors shaping metabolic heterogeneity in bacterial populations - Influence of biotic factors in shaping heterogeneity - Metabolic Heterogeneity and ecophysiology of natural microbial populations influenced by emerging contaminants Conclusions Outlook Bibliography Appendix Acknowledgments Curriculum Vitae List of publications

Diese Arbeit leistet einen methodischen Beitrag zur Identifizierung von Umsetzungsprozessen der Stickstoffverbindungen Ammonium und Nitrat in belasteten Grundwasserleitern mittels der Analytik der Isotopenverhältnisse N-15 bzw. O-18. Es existieren bereits verschiedene Präparationsmethoden, jedoch sind diese teilweise arbeits- oder zeitaufwändig und damit mit erheblichen Kosten verbunden. Für eine breitere Anwendbarkeit in den Umweltwissenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei vereinfachte Methoden für die N-15 bzw. O-18 Stabilisotopenanalytik von Ammonium und Nitrat in Wässern erarbeitet. Zum einen wurde eine Fällungsmethode mit Natriumtetraphenylborat für die Probenvorbereitung der N-15 Isotopenanalyse für Ammonium weiterentwickelt, getestet und validiert. Bisher existierten keine Studien zur Anwendbarkeit dieser Methode auf die Analyse ammoniumhaltiger Wasserproben. Daher wurde die Methode in dieser Arbeit für die Anwendbarkeit auf Wasserproben optimiert, insbesondere auf natürliche Grundwasserproben. Zum anderen wurde eine gängige Aufbereitungsmethode für gelöstes Nitrat weiterentwickelt. Dabei wurden die Vorbereitungs- und Arbeitszeit der Denitrifizierermethode verkürzt, ohne die Genauigkeit der Messung negativ zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wurden zwei bestehende Varianten der Methode miteinander kombiniert und modifiziert. Als Eignungsprüfung der Methoden zur Prozessidentifikation erfolgte eine exemplarische Feldstudie. Als Modellstandort diente ein Untersuchungsgebiet im Südosten Berlins. Der Grundwasserleiter des Standortes ist u. a. durch eine massive Kontamination von Ammonium gekennzeichnet. Im Untersuchungsgebiet wurde das sogenannte BIOXWAND-Verfahren entwickelt und zur Sanierung auf den Grundwasserleiter angewandt. Dabei handelt es sich um ein in-situ-Verfahren, wobei eine direkte Injektion von Sauerstoff in den Grundwasserleiter erfolgt um Nitrifikation zu begünstigen. Für die isotopengestützte Prozessidentifikation wurden im Rahmen dieser Arbeit von 2016 bis 2019 zweimal jährlich Grundwasserproben aus dem BIOXWAND-Anstrom und dem BIOXWAND-Abstrom entnommen und mit den erarbeiteten Präparationsmethoden aufbereitet und analysiert. Zur Prozessidentifikation wurde ein analytisches Modell erstellt. Bei der vorliegenden kumulativen Dissertation handelt es sich um eine verkürzte Darstellung der Forschungsergebnisse. Die ausführlichen Ergebnisse wurden bereits in der Fachzeitschrift 'Rapid Communications in Mass Spectrometry' veröffentlicht.:VERZEICHNIS DER TABELLEN ................................................................................ 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN ....................................................................... 10 VERZEICHNIS DER ANHÄNGE .............................................................................. 11 VERZEICHNIS DER SYMBOLE UND ABKÜRZUNGEN ............................................. 12 1 EINLEITUNG UND MOTIVATION ....................................................................... 14 2 ZIELSETZUNG UND KONZEPT ............................................................................ 16 3 THEORETISCHE EINFÜHRUNG .......................................................................... 18 3.1 Stickstoff in der Umwelt ........................................................................................ 18 3.2 Ammonium und Nitrat im Stickstoffkreislauf ........................................................... 18 3.3 Einflussfaktoren auf die Prozesse des Stickstoffkreislaufs ....................................... 21 3.4 Isotopenanalytik in den Umweltwissenschaften ...................................................... 22 3.4.1 Definition stabiler Isotope ................................................................................................... 22 3.4.2 Isotopieeffekte und Fraktionierung .................................................................................... 24 3.4.3 Delta-Notation ....................................................................................................................... 25 3.4.4 Fraktionierungs- und Anreicherungsfaktor ....................................................................... 28 3.5 Analyse stabiler Isotope mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie ................. 29 3.5.1 Allgemeine Informationen ................................................................................................... 29 3.5.2 Massenspektrometer ............................................................................................................ 29 3.5.3 Analyse stabiler Isotope mittels Elementaranalysator-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Kopplung (EA-IRMS) ...................................................................... 31 3.5.4 Analyse stabiler Isotope mittels GasBench II – IRMS ..................................................... 33 3.6 Ammonium und Nitrat im Kontext stabiler Isotope .................................................. 34 4 PROBENAUFBEREITUNGSMETHODEN ............................................................... 37 4.1 Bedeutung der Probenaufbereitung ....................................................................... 37 4.2 Probenaufbereitung für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ....................... 37 4.2.1 Destillationsmethode ............................................................................................................ 37 4.2.2 Quecksilberfällung ................................................................................................................ 37 4.2.3 Diffusionsmethode ................................................................................................................ 38 4.2.4 Kationenaustausch................................................................................................................ 39 4.2.5 Fällung von Ammonium mittels Tetraphenylborat ........................................................... 39 4.2.6 Weitere Methoden ................................................................................................................ 40 4.3 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ............................................................................................... 40 4.4 Probenaufbereitung für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3− ........ 41 4.4.1 Reduktionsmethoden ........................................................................................................... 41 4.4.2 Denitrifizierermethode ......................................................................................................... 41 4.4.3 Silbernitratfällung.................................................................................................................. 42 4.4.4 Bariumnitratfällung ............................................................................................................... 43 4.5 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3- ....................................................................... 43 5 ÜBERBLICK DER DURCHGEFÜHRTEN STUDIEN ................................................ 44 5.1 δ15N-Analyse von Ammonium in gefriergetrockneten, natürlichen Grundwasserproben durch Fällung mit Natriumtetraphenylborat ............................................................ 44 5.2 Weiterführende Optimierung der Denitrifizierermethode für die schnelle 15N und 18O-Analyse von Nitrat in natürlichen Wasserproben ..................................................... 44 5.3 Beispielhafte Identifizierung von Nitrifikation und Sorptionsprozessen von Ammonium als Feldstudie ...................................................................................................... 45 6 DISKUSSION UND AUSBLICK ............................................................................ 47 7 DANKSAGUNG ................................................................................................... 50 8 LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................. 51 ANHANG ............................................................................................................... 61 / This thesis provides a method to identify the transformation of the nitrogen species ammonium and nitrate in polluted aquifers by analyzing the isotope ratios N-15 and O-18. Various preparation methods already exist, but are either labor intensive or time consuming and are therefore related with considerable costs. To achieve a broader applicability in environmental sciences, two simplified methods for the N-15 and O-18 stable isotope analysis of ammonium and nitrate in water were developed in this thesis. On the one hand, a precipitation method using sodium tetraphenylborate for the sample preparation of the N-15 isotope analysis for ammonium was modified, tested and validated. So far no studies could verify the applicability of this method for analysis of water samples containing ammonium. Therefore, the method was optimized for applicability to water samples, especially natural groundwater samples within this thesis. On the other hand, a common processing method for dissolved nitrate was optimized. The preparation and working time of the denitrification method was shortened without negatively affecting the accuracy of the measurement. For this purpose, two existing variants of the method were combined and modified. Furthermore, an exemplary field study was carried out to test the suitability of the preparation methods for process identification. A study area southeast of Berlin (Germany) containing an aquifer massively contaminated with ammonium served as a model location. Inside the area, the so-called BIOXWAND process, an in-situ process whereby oxygen is injected directly into the aquifer to promote nitrification, was developed and applied to the aquifer in terms of remediation. For isotope-based process identification, groundwater samples were taken twice a year from 2016 to 2019 from the BIOXWAND inflow and outflow and analyzed using the preparation methods developed. An analytical model was created for process identification.:VERZEICHNIS DER TABELLEN ................................................................................ 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN ....................................................................... 10 VERZEICHNIS DER ANHÄNGE .............................................................................. 11 VERZEICHNIS DER SYMBOLE UND ABKÜRZUNGEN ............................................. 12 1 EINLEITUNG UND MOTIVATION ....................................................................... 14 2 ZIELSETZUNG UND KONZEPT ............................................................................ 16 3 THEORETISCHE EINFÜHRUNG .......................................................................... 18 3.1 Stickstoff in der Umwelt ........................................................................................ 18 3.2 Ammonium und Nitrat im Stickstoffkreislauf ........................................................... 18 3.3 Einflussfaktoren auf die Prozesse des Stickstoffkreislaufs ....................................... 21 3.4 Isotopenanalytik in den Umweltwissenschaften ...................................................... 22 3.4.1 Definition stabiler Isotope ................................................................................................... 22 3.4.2 Isotopieeffekte und Fraktionierung .................................................................................... 24 3.4.3 Delta-Notation ....................................................................................................................... 25 3.4.4 Fraktionierungs- und Anreicherungsfaktor ....................................................................... 28 3.5 Analyse stabiler Isotope mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie ................. 29 3.5.1 Allgemeine Informationen ................................................................................................... 29 3.5.2 Massenspektrometer ............................................................................................................ 29 3.5.3 Analyse stabiler Isotope mittels Elementaranalysator-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Kopplung (EA-IRMS) ...................................................................... 31 3.5.4 Analyse stabiler Isotope mittels GasBench II – IRMS ..................................................... 33 3.6 Ammonium und Nitrat im Kontext stabiler Isotope .................................................. 34 4 PROBENAUFBEREITUNGSMETHODEN ............................................................... 37 4.1 Bedeutung der Probenaufbereitung ....................................................................... 37 4.2 Probenaufbereitung für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ....................... 37 4.2.1 Destillationsmethode ............................................................................................................ 37 4.2.2 Quecksilberfällung ................................................................................................................ 37 4.2.3 Diffusionsmethode ................................................................................................................ 38 4.2.4 Kationenaustausch................................................................................................................ 39 4.2.5 Fällung von Ammonium mittels Tetraphenylborat ........................................................... 39 4.2.6 Weitere Methoden ................................................................................................................ 40 4.3 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ............................................................................................... 40 4.4 Probenaufbereitung für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3− ........ 41 4.4.1 Reduktionsmethoden ........................................................................................................... 41 4.4.2 Denitrifizierermethode ......................................................................................................... 41 4.4.3 Silbernitratfällung.................................................................................................................. 42 4.4.4 Bariumnitratfällung ............................................................................................................... 43 4.5 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3- ....................................................................... 43 5 ÜBERBLICK DER DURCHGEFÜHRTEN STUDIEN ................................................ 44 5.1 δ15N-Analyse von Ammonium in gefriergetrockneten, natürlichen Grundwasserproben durch Fällung mit Natriumtetraphenylborat ............................................................ 44 5.2 Weiterführende Optimierung der Denitrifizierermethode für die schnelle 15N und 18O-Analyse von Nitrat in natürlichen Wasserproben ..................................................... 44 5.3 Beispielhafte Identifizierung von Nitrifikation und Sorptionsprozessen von Ammonium als Feldstudie ...................................................................................................... 45 6 DISKUSSION UND AUSBLICK ............................................................................ 47 7 DANKSAGUNG ................................................................................................... 50 8 LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................. 51 ANHANG ............................................................................................................... 61

In dieser Studie wurden stabile Isotopenverhältnisse genutzt um die Mechanismen der aquatisch-terrestrischen C – und N-Dynamiken über verschiedene Skalenebenen hinweg in der Moränenlandschaft von Nordostdeutschland zu identifizieren; einer Landschaft, die stark landwirtschaftlich genutzt wird und in der es eine Vielzahl von kleinen Wasserkörpern (Sölle) gibt. Auf der regionalen Landschaftsskala spiegeln d13C-Isotopenkarten des org. Materials in Oberböden und von Pflanzenblättern eines 38.2 km2 großen Gebietes den Eintrag von org. Material von C3-Pflanzen, deren Wassernutzungseffizienz im org. Material des Bodens eingeprägt wurde, sowie den Eintrag von Mais (C4-Pflanze), wider. Die d15N-Isotopenkarte des org. Materials in Böden weist verschiedene Düngepraktiken hin. Auf der regionalen Sollskala deuten die d13C- und d15N-Isotopenwerte von Oberflächensedimenten von 51 Söllen auf kürzliche Einträge des org. Materials und Bewirtschaftungseffekte im Einzugsgebiet hin. Tiefere Sedimente sind durch die Ablagerung org. Materials von terrestrischen Pflanzen sowie dessen Umsetzungsgrad geprägt in Abhängigkeit von der Wasserführung. Auf der Transekt-Skala, d.h. entlang von Transekten von Erosions- zu Depositionsgebieten im Einzugsgebiet eines Solls, beeinflussen Erosion, Pflanzenproduktion, mikrobielle Umsetzung und Gülledüngung verschiedene Fraktionen des org. Materials. Auf der Aggregat-Skalenebene sind die Art und der Anteil spezifischer organo-mineral Assoziationen entlang des Transekts variabel. Bodenpartikel vom Feld und hereinwachsende Makrophyten sind die Quellen des org. Materials in Sedimenten. Diese Studie hat erfolgreich stabile Isotopenverhältnisse zur Identifikation von Mechanismen der C- und N-Dynamik auf individuellen Skalenebenen angewendet. Kleine Inlandwasserkörper sind Schlüsselelemente für die C- und N-Dynamik in landwirtschaftlich genutzten Moränenlandschaften. / In moraine landscapes, carbon (C) and nitrogen (N) dynamics can vary greatly across landscape structures and soil types especially when small water bodies are interspersed in the landscape. This study used stable isotope ratios to identify the mechanisms regulating the aquatic-terrestrial C and N dynamics across different scales in the young moraine landscape of NE Germany – a landscape intensively used for agriculture and interspersed with countless of small water bodies, the so-called kettle holes. At the regional landscape scale, d13C isoscapes of topsoil bulk soil organic matter (SOM) and plant leaves collected from a 38.2 km2 area revealed long-term inputs OM from C3 crops, which imprinted their water use efficiency status onto the soil, as well as short-term inputs from corn. The d15N SOM isoscape identified fertilization-induced impacts on the N dynamics of agricultural fields and grasslands. At the regional kettle hole scale, d13C and d15N of surface sediments of 51 kettle holes reflected recent OM inputs and management practices in the catchment. Deeper sediments recorded the degree to which the OM has been processed within the kettle hole depending on the water-logging period. At the transect scale, erosion, plant productivity, microbial decomposition and slurry fertilization affected OM fractions in topsoil along transects spanning erosional to depositional areas in the catchment of one arable kettle hole. At the aggregate scale, the pathway and magnitude of OM-mineral associations changed along the transect. OM in sediments was derived from clay- and silt-sized particles from the field, together with emergent macrophyte contributions. By means of stable isotopes techniques, different mechanisms were identified at the individual scales. Consideration of the spatial heterogeneity of all scales is essential to understand landscape C and N dynamics. Small inland water bodies are key constituents of C and N dynamics in moraine agricultural landscapes.

Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Dissertation sind biomassebasierte Kohlen (Biokohlen, biochar), welche für eine langfristige Kohlenstoffspeicherung in Böden mit dem gleichzeitigen Ziel der zusätzlichen Bodenverbesserung hergestellt werden. Die Auswahl der Kohlen umfasste Kohlen aus Pyrolyse- und hydrothermale Carbonisierung (HTC). In dieser Arbeit werden einige zentrale Phänomene, die bei deren Ausbringung in einem bestehenden Bodenökosystem auftreten können, nähergehend untersucht. Einerseits beeinflusst das fremde Material den Stoffwechsel und die Abundanz und Vielfalt innerhalb der mirkobiellen Gemeinschaft im Boden; im Gegenzug spielen die Mikroorganismen eine aktive Rolle beim Abbau des neuen Substrats. Diese beiden Aspekte sind größer Bedeutung, um bewerten zu können, wie erfolgsversprechend der Einsatz einer bestimmten Kohle im Boden hinsichtlich der Langlebigkeit, der gewünschten Ertragseffekte sowie möglicher Nebenwirkungen ist. Daraus ergeben sich die beiden folgenden zwei Fragestellungen, auf die diese Arbeit fokusiert ist: • Welche Faktoren beeinflussen die Abbaubarkeit der Kohlen im Boden? • Welche Wirkungen haben die Kohlen auf die Bodenatmung, auf den Boden-C-Gehalt, auf die mikrobielle Abundanz und auf die Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft? Als mögliche Einflussgrößen für die Abbaubarkeit der Kohlen wurden die Art der Kohlenherstellung, eine mögliche Nachbehandlung, der Alterungsprozess sowie die Zugabe einer Nährstoff- und einer labilen Kohlenstoffquelle getestet. Für diese Studie wurden Pyrolyse- und HTC-Kohlen aus Mais-Silage in einen Sandboden ausgebracht. Grundlage aller Versuche war die Untersuchung der Respirationsdynamik in unterschiedlichen Boden-Kohle-Gemischen, die durch Infrarotspektrometrie ermittelt wurde. Sie diente als Indikator für die mikrobielle Aktivität und dem daraus resultierenden Abbau der Substrate. Ergänzend wurde am Anfang und am Ende jedes Versuchs der Boden-Kohlenstoffgehalt gemessen. Die Versuche erfolgten auf verschiedenen Skalen: • Kurzzeit-Laborinkubationen (10 Tage) unter konstanten klimatischen Bedingungen in einem automatisch gesteuerten Durchflusssystem, an das das Messgerät direkt angeschlossen wurde. • Parzellenversuch (2 Jahre) im Freiland im Nordwesten Brandenburgs, bei dem die Bestimmung der Bodenatmung mittels wiederholter Beprobung aus auf der Ackerfläche gestellten geschlossenen Hauben erfolgte. In einer Laborinkubation wurde zusätzlich eine qPCR (quantitative Echtzeit Polymerase Kettenreaktion) zur Bestimmung der Abundanz ausgewählter mikrobieller Gruppen eingesetzt. Im Feldversuch wurde außerdem die Abundanz der stabilen Kohlenstoff-Isotopen (12C und 13C) im Boden und im freigesetzten CO2 ermittelt, um den Abbau der Kohlen vom Abbau des bodenorganischen Kohlenstoffs, der durch die Kohlen beeinflusst sein kann (priming), zu unterscheiden. Die Ergebnisse bestätigen die erhöhte Stabilität beider Kohlen im Vergleich zum Ausgangsmaterial, vor allem für die Pyrolyse-Kohle, deren Abbau sowohl im Labor als auch im Freiland am langsamsten erfolgte. Bei beiden Kohlen sank die Abbaubarkeit mit ihrer Alterung. Anhand der Abbauraten im zweiten Jahr des Feldversuchs wurden für die Pyrolyse- und HTC-Kohle Halbwertszeiten von 81 bzw. 60 Jahren ermittelt. Im Gegensatz zur Pyrolyse-Kohle wies der Abbau der HTC-Kohle eine komplexere Dynamik auf, was im Lauf der 10-tägigen Inkubationsversuche mit einer Verschiebung der mikrobiellen Gemeinschaft einherging. Im ersten Jahr des Freilandversuchs kam es bei der HTC-Kohle zur Ausgasung flüchtiger und leicht abbaubarer Kohlenstoffverbindungen, wodurch die Stabilität im Folgejahr deutlich erhöht wurde. Eine Nachbehandlung der Kohlen durch anaerobe Fermentierung führte zu einer deutlichen Verminderung der kurzzeitigen Ausgasung bei HTC-Kohle, sowohl im Freiland als auch im Labor, jedoch zu einer langfristigen Reduktion der Stabilität beider Kohlen: die ermittelten Halbwertszeiten für die fermentierte Pyrolyse- und HTC-Kohle nach dem zweiten Jahr des Feldversuchs betrugen 14 bzw. 13 Jahren. Die Wirkung der unbehandelten Kohlen auf die Abundanz der untersuchten mikrobiellen Gruppen im C-armen Boden war stark reduziert im Vergleich zum Ausgangsmaterial, und unter C-reichen Bedingungen kam es zu einer Hemmung der Aktivitätssteigerung. Die Zugabe leicht verfügbaren Kohlenstoffs wie Glukose zum reinen Boden in einem Inkubationsversuch steigerte die Bodenatmung erheblich und erhöhte die Variationsbreite der mikrobiellen Gemeinschaft. In Gegenwart der Kohlen war dies allerdings weniger stark ausgeprägt. Bei Zugabe mineralischen Stickstoffs in Gegenwart von Kohlen wurde hingegen keine signifikante Veränderung der Bodenatmung nachgewiesen. Die Inkubationsversuche haben es ermöglicht, die Kurzzeitdynamik der Bodenatmung und die Anpassung der mikrobiellen Gemeinschaft nach Zugabe der Kohlen und zusätzlicher C- und N-Quellen nachzuweisen. Im Freilandversuch konnte die Abbaudynamik von Kohlenstoffverbindungen unter Praxisbedingungen untersucht werden und durch die Messung der stabilen Isotope differenzierte Aussagen über die langfristige Stabilität von zugesetzten Kohlen und der bodenorganischen Substanz getroffen werden. Eine langfristige Festlegung von Kohlenstoff ist im Boden in Form von Biokohlen ist möglich. Allerdings hängt die Dauer der Festlegung von einer Vielzahl von Faktoren wie der Art der Ausgangsstoffe, den Prozessbedingungen, den Interaktionen zwischen Kohlepartikeln und Bodenorganismen und nicht zuletzt der Versuchsdauer ab. Während Kurzzeitversuche eine gute Möglichkeit darstellen, um die Effekte veränderter Bedingungen im Boden aufzuzeigen, kann die Kohlestabilität im Boden und damit das C-Sequestrierungspotenzial am zuverlässigsten nur in Langzeitstudien im Freiland abgeschätzt werden. / Oggetto della presente tesi sono i carboni prodotti da biomasse (biochar) e utilizzati per lo stoccaggio del carbonio nel suolo e allo stesso tempo come ammendanti per terreni agricoli. I carboni considerati sono derivati da pirolisi o carbonizzazione idrotermale (HTC). Nel presente lavoro vengono esaminati in dettaglio alcuni importanti fenomeni che si possono manifestare in seguito all’applicazione su un ecosistema preesistente nel terreno: da un lato il materiale estraneo influenza il metabolismo della materia organica, l’abbondanza e la varietà all’interno della comunità microbica nel suolo, dall’altro i microorganismi giocano un ruolo fondamentale nella degradazione del nuovo substrato. Questi due aspetti sono essenziali per valutare quanto sia opportuno l’utilizzo di un determinato carbone dal punto di vista della sua longevità, degli effetti attesi sulla resa agricola e di eventuali effetti collaterali sull’ecosistema. Da queste premesse sono emerse le seguenti domande, su cui è focalizzato il presente lavoro: • Quali fattori determinano la degradabilità dei carboni nel suolo? • Che effetti possono avere i carboni sulla respirazione del terreno, sul suo contenuto di carbonio, sull’abbondanza dei microorganismi e sulla dinamica della comunità microbica? Come possibili variabili indipendenti per la degradabilità dei carboni sono state considerate: il processo di produzione, un possibile posttrattamento, l’invecchiamento dei substrati, l’aggiunta di nutrienti e di carbonio biodisponibile. Per questo studio sono stati applicati carboni derivati da pirolisi e da HTC di insilato di mais in un terreno sabbioso. Il fondamento di tutti gli esperimenti riportati è lo studio della dinamica della respirazione microbica in diverse miscele terreno/carbone, misurata tramite spettroscopia a infrarossi, che vale come tracciante per l’attività microbica e per la degradazione del substrato. In aggiunta è stato periodicamente misurato il contenuto di carbonio nel terreno. Gli esperimenti sono stati condotti su due diverse scale: • Incubazioni in laboratorio (10 giorni) in condizioni climatiche controllate, all’interno di un apparato per la ventilazione a flusso continuo, con presa diretta per lo strumento di misura. • Esperimento in campo parcellizzato (2 anni) nel Brandeburgo nordoccidentale, dove la misura della respirazione è avvenuta per campionamento ripetuto da camere opache poggianti ermeticamente sul suolo. Per una delle incubazioni è stata anche eseguita una qPCR (reazione a catena della polimerasi quantitativa in tempo reale) per quantificare l’abbondanza di determinati gruppi tassonomici di microorganismi. Nel campo è stata inoltre misurata l’abbondanza degli isotopi stabili del carbonio (12C e 13C), sia nel terreno sia nella CO2 liberata, per differenziare la degradazione dei carboni da quella del carbonio organico nel suolo, che in principio può essere influenzata dalla presenza dei carboni (priming). I risultati confermano l’aumentata stabilità di entrambi i carboni in confronto al materiale di partenza, in particolare del carbone pirolitico che si è degradato piú lentamente, sia in laboratorio sia in campo. La degradabilità di entrambi i carboni si è in ogni caso ridotta con l’invecchiamento. Basandosi sulle emissioni del secondo anno della sperimentazione in campo, sono stati calcolati dei tempi di dimezzamento di 81 anni e 60 anni, rispettivamente per il carbone pirolitico e per il carbone da HTC. La degradazione del carbone da HTC ha rivelato una dinamica piú complessa, che testimonia un adattamento della comunità microbica nell’arco dei 10 giorni di incubazione. Nel primo anno in campo è stata rilevata un’elevata emissione di composti volatili e labili, che ha portato a un incremento della stabilità nell’anno seguente. Il posttrattamento dei carboni tramite fermentazione anaerobica ha comportato una notevole riduzione dell’iniziale mineralizzazione del carbone da HTC, ma una diminuzione della stabilità di entrambi i carboni sul lungo periodo: i tempi di dimezzamento calcolati per il carbone pirolitico fermentato e per il carbone da HTC fermentato nel secondo anno dell’esperimento sul campo valgono rispettivamente 14 anni e 13 anni. Nel terreno usato, povero di carbonio, gli effetti dei carboni sull’abbondanza dei gruppi microbici selezionati è stata nettamente ridotta rispetto al materiale non carbonizzato, mentre la reazione all’aggiunta di carbonio labile è stata tendenzialmente inibitoria. Infatti, se l’aggiunta di glucosio ha incrementato considerevolmente la respirazione e l’ampiezza delle variazioni nella comunità microbica, in presenza dei carboni le variazioni sono state fortemente ridotte. L’aggiunta di azoto inorganico non ha invece portato a variazioni apprezzabili nella respirazione. Gli esperimenti basati su incubazioni hanno consentito di determinare la dinamica a breve termine della respirazione e l’adattamento della comunità microbica in seguito ad aggiunta dei carboni e di altre sorgenti di carbonio e azoto. Nell’esperimento su campo si è potuta osservare la dinamica di degradazione dei composti carboniosi in condizioni di prassi agricola e grazie alla misura degli isotopi stabili si sono potuti ottenere risultati differenziati sulla stabilità a lungo termine dei carboni e della sostanza organica del suolo. È quindi possibile immagazzinare il carbonio in modo duraturo nel suolo sotto forma di carbone. La durata stimabile di questo immagazzinamento dipende però da molteplici fattori tra cui la materia prima, il processo di carbonizzazione, le interazioni tra particelle carboniose e microorganismi del suolo e non da ultimo la durata della sperimentazione. Gli esperimenti a breve termine sono un mezzo efficace per rilevare le conseguenze immediate di modifiche del terreno; la stabilità dei carboni e quindi il loro potenziale per il sequestro del carbonio può essere determinata nel modo piú affidabile solo in studi a lungo termine sul campo. / The object of the present thesis is charred biomass (biochar) produced for double aim of carbon storage in soil and improvement of soil properties. The chosen chars included chars from pyrolysis and hydrothermal carbonisation (HTC). The present work investigates closely some basic phenomena which can occur upon application of chars into an existing soil ecosystem: on the one hand, the allochthonous material affects the metabolism and the relative abundance of different microbial groups; on the other hand the microorganisms play an active role in the degradation of the new substrate. These two aspects are crucial to evaluate the suitability of the application of a specific char in the soil, particularly as concerns its stability, the length of time the char remains in the soil, the expected effects on crop yields, as well as possible side effects on the soil ecosystem. Based on this, two research questions arise which have been investigated in this thesis: • What factors affect the degradability of chars in soil? • How do the chars influence soil respiration, soil carbon content, microbial abundance and the dynamics of the microbial community? The production process, a post-treatment, the ageing process as well as the addition of a source of nutrients and a source of labile carbon were assessed as possible factors in determining the degradability of chars. For the present study, pyrolysis char and HTC char from maize silage were applied to a sandy soil. The basis of all experiments was an investigation of the respiration dynamics in different soil/char mixtures, measured through an infrared spectrometer, which was used to track the microbial activity and the substrate degradation. As a complement, soil carbon was also measured at the beginning and at the end of each experiment. The investigations were performed at different scales: • Short-term laboratory incubations (10 days) under constant climatic conditions in an automatic multi-channel flowthrough system, with direct plug-in for the measurement instrument. • A plot-wise investigation (2 years) in an agricultural field in North-West Brandenburg, where the soil respiration was measured by a repeated sampling from static chambers placed hermetically on the field. For one incubation study, qPCR (qunatitative real time polymerase chain reaction) was additionally applied to determine the abundance of selected microbial groups. Moreover, for the field investigation the abundance of stable carbon isotopes (12C und 13C) in the soil and in the released CO2 was recorded, to differentiate between the degradation of the chars and the degradation of soil organic carbon, which might be affected by the presence of chars (priming). The results confirm the higher stability of both chars in comparison to the feedstock, in particular for pyrolysis char, whose decay was the slowest both in the laboratory and in the field. The degradability of both chars decreased with their ageing. Based on the decay rates in the second year of the field investigation, decay half-lives for pyrolysis char and HTC char amounted respectively to 81 years and 60 years. Other than pyrolysis char, the degradation of HTC char revealed a more complex dynamics, which was accompanied by a shift of the microbial community within the 10 days incubation. During the first year of the field experiment, an intensive release of volatile and labile compounds took place, which led to an increased stability during the following year. A post-treatment of the chars via anaerobic fermentation led to a reduction in the initial degasing of the HTC char, both in the laboratory and in the field, but also to a decrease in stability for both chars: the calculated half-lives for fermented pyrolysis char and fermented HTC char on the basis of the second year of the field investigation were respectively 14 years and 13 years. The effects of the untreated chars on the abundance of the selected microbial groups in the carbon-poor soil used was also strongly reduced in comparison to the feedstock, while in a situation of carbon abundance a inhibition of the activity increase took place. Addition of readily available carbon in the form of glucose increased soil respiration tremendously and magnified the variation amplitude of the microbial community, which was however much reduced in the presence of chars. Instead, after addition of mineral nitrogen in presence of chars, no significant variation in the soil respiration could be observed. The incubation experiments made it possible to report the short-term dynamics of the soil respiration and the adaptation of the microbial community after application of char and additional carbon and nitrogen sources. In the field experiment the decay dynamics of char compounds could be investigated in a situation of common agricultural practice and the measurement of stable isotopes has given differentiated outcomes about the long-term stability of the added chars and of the soil organic matter. Storage of carbon in the soil in the form of char for a long period is possible. How long carbon can actually be stored depends on a number of factors such as the feedstock, the carbonisation process parameters, the interactions between char particles and soil microorganisms and the duration of the investigation itself. Short-term experiments represent a good possibility to highlight the effects of modified soil conditions, while the stability of char in soil and thus the potential carbon sequestration can be estimate in the most reliable way only through long-term studies in field.