Release of soil born nitrous oxide by plants

Ziel der Arbeit war es, die möglichen Transportwege und -formen (über den Transpirationsstrom gelöst im Transpirationswasser oder gasförmig durch Aerenchyme) von N2O durch Pflanzen zu untersuchen und zu bewerten. Methodisch wurde das Ziel wie folgt realisiert: Entwicklung eines Versuchsaufbaus, der es zuließ, die mögliche N2O-Abgabe durch Pflanzen zu quantifizieren; unterschiedliche Transportwege für die N2O-Abgabe durch Pflanzen zu differenzieren; und Realisierung eines Versuchsaufbaus, mit dem es möglich war, unterschiedliche Einflussfaktoren für die N2O-Abgabe zu untersuchen. Zu Beginn wurden Versuche mit geschlossenen (ohne Luftaustausch mit der Umgebung) und kontrolliert offenen Systemen (mit Luftaustausch mit der Umgebung als Zwangsbelüftung durch Pumpen) vergleichend durchgeführt. Im geschlossenen System wurden Proben über Molekularsiebe und Vakutainer gewonnen. In diesen Proben wurde mit einem ECD (Elektroneneinfangdetektor) die Lachgaskonzentration gaschromatographisch (HP 5890) bestimmt. Zur Erfassung der Lachgasflüsse im kontrolliert offenen System wurde zusätzlich zu den oben angeführten Methoden noch eine Onlinemessung mit einem photoakustischen Messgerät (Multigas Monitor von Innova AirTech) durchgeführt. Die Messgenauigkeit des Onlinemessgerätes wurde mit einem Gaschromatographen evaluiert (HP 5890). Zur Bestimmung der N2O Konzentrationen war die Onlinemessung am geeignetsten, da es nur bei einer hohen zeitlichen Auflösung möglich war, Unterschiede zwischen Behandlung und Kontrolle sicher zu erfassen. Zur Durchführung der relevanten Versuche wurde ein kontrolliert offenes System verwendet, da im geschlossenen System binnen kürzester Zeit der CO2-Vorrat aufgebraucht war. Zusätzlich war die Luft in den geschlossenen Systemen nach wenigen Minuten wassergesättigt. Dies führte zu Wachstumshemmungen bei den Pflanzen sowie zu Störungen bei der N2O-Messung. Das kontrolliert offene System bestand aus einem jeweils wasser- und gasdichten Wurzel- und Sprosskompartiment. In das Wurzelkompartiment wurden definierte Lachgasmengen eingespritzt. Die im Sprosskompartiment gemessenen N2O-Konzentrationen wurden Kontrollen (ohne N2O-Anreicherung in der Nährlösung) und der zur Belüftung eingesetzten Luft gegenübergestellt. Für eine sichere Bestimmung der Lachgasabgabe durch Pflanzen war es unerlässlich, den Wurzelraum gasdicht vom Sprosskompartiment abzutrennen. Mit einer Mischung aus einer Abdruckmasse aus der Dentaltechnik (Optosil, Fa. Haereus) und einer weiteren Dichtungsmasse (Prestik AE hellgrau, Bostik GmbH) konnte dies erreicht werden. Um mögliche Einflussfaktoren auf die N2O-Abgabe mit größtmöglicher Sicherheit zu erfassen, wurde ein Nährlösungssystem etabliert. Bei der Pflanzenkultur in Nährlösung konnten folgende Parameter genau kontrolliert werden: Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Konzentration unterschiedlicher in Wasser löslicher Gase (z.B. N2O, CO2), das Verhältnis Luftvolumen im Wurzelraum zu Volumen des Nährmediums im Wurzelraum. Als Versuchspflanzen dienten: Sonnenblume (Helianthus annuus cv. Frankasol), Gerste (Hordeum vulgare cv. Scarlet), Reis (Oryza sativa cv. 94D-22), Mais (Zea mays cv. Helix). Die Versuche mit Sonnenblume (keine Aerenchyme, N2O nur in Wasser gelöst angeboten) ergaben einen deutlichen Zusammenhang zwischen der N2O-Angebotskonzentration in der Nährlösung, der Transpirationsrate und der N2O-Emission in Form eines ausgeprägten Tag - Nachtrhythmuses. Bei gasförmigem N2O-Angebot im Wurzelraum lagen die Emissionsraten höher als bei einem ausschließlich in Wasser gelösten Angebot. Daraus könnte gefolgert werden, dass gasförmiges N2O besser pflanzenverfügbar ist als in Wasser gelöstes. Annähernd ähnliche Ergebnisse wurden auch innerhalb der Versuche mit Gerste erzielt, wobei die höchsten Lachgasemissionen bei rein wässrigem Lachgasangebot gemessen wurden. Die Überprüfung der möglichen Abgabe von N2O gasförmig über Aerenchyme, wurde mit Reis durchgeführt. Auch bei Reis wurde ein ausgeprägter Tag - Nachtrhythmus bei der N2O-Emission gefunden. Dies führte zu dem Schluss, dass Aerenchyme nur einen geringen Beitrag zur N2O-Emission aus dem Wurzelraum leisten. Da die N2O-Abgabe bei den drei oben aufgeführten Pflanzenarten nachts deutlich geringer war als tags, konnte geschlossen werden, dass das N2O über den Transpirationsstrom aus dem Wurzelraum in das Sprosskompartiment transportiert wurde. Die Untersuchungen mit Mais ergaben sowohl in den mit N2O angereicherten Varianten als auch in den Kontrollvarianten unabhängig vom Angebot (in wässriger Lösung oder gasförmig) überraschenderweise eine Netto-N2O-Aufnahme. Dies führte zu der Annahme, dass das N2O als Stickstoffquelle metabolisiert werden kann. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass der wesentliche Transportweg für N2O offensichtlich der Transpirationsstrom und nicht das ?Ausgasen? (über Aerenchyme) ist.The aim of this work was to explore and to rank the different ways and forms of transition of N2O through plants (dissolved in water and transported with the transpiration or gaseous through aerenchyma). To achieve this goal an experimental set-up had to be realized that allowed the determination of possible N2O emissions by plants, the determination of different ways of transition of N2O through the plant and the determination of different influencing factors (e.g. N2O concentration) on the N2O emissions. In the beginning experiments with closed chambers and with ?controlled opened chambers? were conducted in comparison to each other. In the experiments with closed chambers samples were drawn by means of molecular sieves and vacutainers. N2O concentrations of the samples were measured with a GC (gas chromatograph type HP 5890) equipped with an ECD (electron capture detector). Besides the two methods mentioned above in order to determine the N2O concentrations within the experiments with the ?controlled opened chambers? a third method was used for N2O measurement by means of a photo acoustic online measuring machine. The accuracy of the photo acoustic measurement was evaluated with the GC. For the questions of interest the photo acoustic measurement showed to be the best to determine differences of N2O emissions between different experimental treatments. The experiments that were taken in consideration were conducted in a ?controlled opened system? because in closed chambers CO2 concentration decreased rapidly. Additionally, the air in the closed chambers became saturated in water vapour within a few minutes. These two factors lead to inhibited growth of the plants and to undesired influences on the N2O measurements. The ?controlled opened system? consisted of a root and a shoot compartment. Both compartments were separated airtight from each other and from the surroundings. The root compartments were enriched with a definite amount of N2O. The N2O concentrations measured in the shoot compartments of the systems with N2O enrichment in the root compartment were compared with measurements of systems without N2O enrichment and measurements of ambient air. The necessity to divide the root compartment from the shoot compartment airtight was realised with a material on the basis of silicone that is usually used to make prints of teeth (Optosil, from Haereus) and a sealing mass (Prestik AE hellgrau, from Bostik GmbH). To determine the different factors potentially influencing the N2O emission through plants a hydroponical culture system was established that allowed controlling the following factors: concentration of nutrients, pH-factor, concentration of different water soluble gases (e. g. N2O, CO2) and the ratio between water and gas filled space in the root compartment. As experimental plants sunflower (Helianthus annuus cv. Frankasol), barley (Hordeum vulgare cv. Scarlet), rice (Oryza sativa cv. 94D-22) and corn (Zea mays cv. Helix) were used. For the experiment with sunflower (no aerenchyma, N2O dissolved in water available only) a relationship between N2O concentration in the root compartment, the emitted amount of N2O by the shoots and the intensity of transpiration in a diurnal pattern was found. In systems with gaseous availability of N2O in the root compartment the observed emissions were higher than in systems with availability of N2O dissolved only in water. From this it could be concluded, that gaseous N2O is better available for plants than N2O dissolved in water. Similar results were obtained from experiments with barley. The only difference was that the highest N2O emissions were observed in systems with availability of N2O dissolved in water only. The possible N2O emission through aerenchyma was checked with rice plants. In these experiments a pronounced diurnal pattern of the N2O emissions was also found. This lead to the conclusion that aerenchyma only have a small influence on the N2O emissions out of the root compartment through rice plants. Because the N2O emission in the three experiments described above followed the diurnal pattern of the transpiration, it was concluded that N2O was transported with the transpiration water flow from the root (compartment) to the shoot (compartment). The experiments with corn showed for all treatments (control and availability of N2O in gaseous form or dissolved in water) a net N2O depletion in the shoot compartment for night (darkness) and day (light) respectively, thus leading to the conclusion that N2O can be metabolised and used as a nitrogen source. All in all the experiments showed that the main way of transition of N2O through plants is water dissolved with the transpiration water flow and not gaseous (through aerenchyma)