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Measuring soil enzyme activity in situ through reverse microdialysis
Helene Annette Peter
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Environmental Systems: Processes - Pollution - Solutions
Betreuer*in
Christina Kaiser
Mitbetreuer*in
Ksenia Guseva
DOI
10.25365/thesis.80124
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22498.29929.928332-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Bodenmikroorganismen produzieren extrazelluläre Enzyme, die pflanzliche und mikrobielle organische Substanzen depolymerisieren und dadurch Produkte freisetzen, die sie assimilieren können. Diese Enzyme haben einen entscheidenden Einfluss darauf, ob und in welchem Tempo organische Substanzen im Boden zersetzt oder stabilisiert werden. Da der Boden eine hochkomplexe und heterogene Umgebung darstellt, kann die Exoenzymaktivität auf sehr kleinen räumlichen Skalen variieren, manchmal nur über wenige Millimeter hinweg. Die Aktivitätsniveaus hängen von mehreren Faktoren ab, wie etwa der Nährstoffverfügbarkeit und der Substratqualität, und spiegeln die mikrobielle Regulation der Enzymproduktion wider. In-situ-Messungen ermöglichen es, die räumliche und zeitliche Dynamik der mikrobiellen Enzymaktivität zu erfassen. Die reverse Microdialysis ist ein minimal-invasives Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung und Einführung diffusibler, wasserlöslicher Substanzen aus der Umgebung entlang eines Konzentrationsgradienten. Durch die Anwendung der Mikrodialyse in intakten Bodenproben können Substrate eingebracht und Reaktionsprodukte gewonnen werden, ohne den umgebenden Boden wesentlich zu stören. Hier wird ein neuer In-situ-Ansatz zur Messung der Enzymaktivität im Boden vorgestellt, bei dem ein fluoreszierendes Substrat, 4-Methylumbelliferyl-N-acetyl-β-D-glucosaminid (MUF–NAG), verwendet wird. Dieses wird in den Boden eingebracht und anschließend enzymatisch gespalten, sodass das fluoreszierende Produkt (MUF) mittels Mikrodialyse entnommen werden kann. Parallel zu den Experimenten wurde ein Modell entwickelt, um die Mikrodialyse-Sonde und die damit verbundenen Stoffflüsse zu simulieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bodenenzymtests und Modellsimulationen reproduzierte die Mikrodialyse nicht die typische Michaelis-Menten-Kinetik. Jedoch wurde eine neue Kalibrierungsmethode entwickelt, die eine Abschätzung der Enzymproduktionsraten unter In-situ-Bedingungen ermöglicht. In einem zweiten Experiment wurde gezeigt, dass die Zugabe von Acetat, einer labilen Kohlenstoffquelle, die Exoenzymaktivität im Vergleich zur Kontrolle erhöhte. Im Gegensatz dazu hatte die Zugabe von N-Acetylglucosamin (NAG), einem Produkt der enzymatischen Spaltung, eine variablere Wirkung. Zusammenfassend wird gezeigt, dass die umgekehrte Mikrodialyse verwendet werden kann, um Exoenzymaktivitäten nach der Zugabe von labilen Kohlenstoffquellen in demselben intakten Boden zu vergleichen. Dieser Ansatz kann Einblicke in enzymatische Reaktionen auf Ereignisse wie Wurzelausscheidungen liefern. In dieser Studie führte die Zugabe von Acetat zu einer erhöhten extrazellulären Enzymaktivität, möglicherweise infolge der Freisetzung gebundener Mineralstoffe durch Ionenaustauschprozesse. Die Assimilation dieser freigesetzten Nährstoffe oder des Acetats selbst durch Mikroorganismen kann das Wachstum stimulieren oder ruhende Zellen aktivieren und dadurch die Enzymaktivität verstärken.
Abstract
(Englisch)
Soil microorganisms secrete extracellular enzymes that depolymerize plant- and microbe-derived organic matter, producing compounds they can assimilate. These enzymes strongly influence whether soil organic matter is decomposed or stabilized, and at what rate. As soil is a highly complex and heterogeneous environment, exoenzyme activity can vary at very small spatial scales, sometimes just millimeters apart. Activity levels depend on multiple factors, such as nutrient availability and substrate quality, and reflect microbial regulation of exoenzyme production. Therefore, in situ measurements are essential to capture the spatial and temporal dynamics of microbial enzyme activity. Reverse microdialysis is a passive method that enables the introduction and collection of low-molecular-weight compounds based on concentration gradients. By applying microdialysis tubing in intact soil cores, substrates can be introduced and reaction products can be recovered with minimal disturbance to the surrounding soil. Here, a new in situ approach is presented for measuring enzyme activity in soil, using the fluorescent substrate 4-Methylumbelliferyl N-acetyl-β-D-glucosaminide (MUF-NAG), which is introduced into the soil and then enzymatically cleave d, allowing the fluorescent product (MUF) to be sampled via microdialysis. In addition to the experimental work, a model has been developed to simulate the microdialysis probe and the associated fluxes. Unlike conventional soil enzyme assays and model simulations, microdialysis did not reproduce typical Michaelis–Menten kinetics. However, I introduce a new calibration method that enables estimation of enzyme production rates under in situ conditions. In a second experiment, I show that introducing acetate, a labile carbon source, increased exoenzyme activity relative to the control. In contrast, pulsing N-acetylglucosamine (NAG), a product of enzymatic cleavage, had a more variable effect. In conclusion, I demonstrate that reverse microdialysis can be used to compare exoenzyme activities following the addition of labile carbon inputs to the same intact soil. This approach could provide insight into enzymatic responses to events such as root exudation. In this study, acetate addition led to increased extracellular enzyme activity, potentially due to the release of bound mineral nutrients through mineral exchange. The assimilation of these released nutrients, or of the acetate itself, by microorganisms may stimulate growth or activate dormant cells, thereby enhancing enzyme activity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Extracelluläre Enzymaktivität im Boden
Schlagwörter
(Englisch)
Extracellular enzyme activity in soil
Autor*innen
Helene Annette Peter
Haupttitel (Englisch)
Measuring soil enzyme activity in situ through reverse microdialysis
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
74 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christina Kaiser
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC17756082
Utheses ID
78891
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |