Biogeochemistry of mineral-associated organic matter

Typically, 20-90% of the vast pool of soil organic compounds exists as mineral-associated organic matter
(MAOM) and these associations strongly influence the biogeochemistry of soil organic matter. The purpose of
current proposal is to investigate physicochemical properties and fungal decomposition of this abundant,
composite Earth material. We will study MAOM formed via the interactions between dissolved organic matter
(DOM) and minerals, and relate the physicochemical properties of MAOM to the stability against fungal
decomposition. The overall aims of the project are: 1) To determine how the chemical and colloidal properties of
DOM and the mineral surface chemistry control the chemical composition, lateral distribution and
adsorption/desorption behavior of MAOM; 2) To determine the extent and mechanisms of fungal decomposition of
MAOM during C , N or P acquisition. These aims will be reached by assessing tightly controlled abiotic and fungal
microcosm experiments with a range of spectroscopic and imaging methods. We will complement these studies
with analyses of MAOM formed under field conditions in order to make connections to real soil systems of higher
complexity. The project will focus on processes relevant in boreal forest soils and decomposition mechanisms
characteristic of fungi, but the fundamental molecular and mechanistic character of the research will generate
knowledge that contributes to a general understanding of the formation and stabilization of MAOM.

När växter dör faller blad, grenar och kvistar ner på marken. Växtmaterialet bryts ned av främst svampar och bakterier och den koldioxid som fixerats genom fotosyntes återförs till atmosfären. Nedbrytningen är dock inte fullständig, och delar av det nedbrutna organiska växtmaterialet ansamlas därför i marken. I en del ekosystem, exempelvis skogar på nordliga breddgrader, leder detta till bildning av tjocka humuslager. Uppskattningsvis är den totala mängden kol i markens organiska kolföreningar betydligt större än den totala kolmängd som finns i växters biomassa och i jordens atmosfär. Alltså är planetens tunna skal av jord inte bara en förutsättning för växtlighet utan också en central komponent i klimatsystemet då små förskjutningar i balansen mellan nedbrytning och inlagring av organiska kolföreningar kan få stora konsekvenser för mängden koldioxid i atmosfären.

De kolföreningar som blir kvar efter den initiala nedbrytningsprocessen vid markytan (bl.a. kolhydrater, ligninfragment, karboxylsyror, proteiner och mindre polypeptider) är delvis vattenlösliga och kommer därför transporteras ner genom markprofilen. Under denna vertikala transport reagerar de med mineralpartiklar och fastläggs på mineralytorna. På så vis bildas komplexa organiska-oorganiska material som begränsar vidare mikrobiell nedbrytning, och därför är denna fastläggningsprocess central för stabilisering av organiska föreningar i mark. Dessa mineralbundna organiska föreningar utgör en betydande del av allt markorganiskt kol och tidigare studier har visat att mellan 20-90% av alla organiska föreningar i mark är mineralbundna.

Vår forskning handlar om dessa mineralbundna organiska föreningar och de övergripande målen med det föreslagna projektet är att i ett första steg karakterisera grundläggande egenskaper såsom sammansättning, lateral fördelning samt med vilken reaktionshastighet markorganiska föreningar associeras till mineralytorna och hur snabbt de dissocierar. För att i nästa steg undersöka hur de mineralbundna organiska föreningarna bryts ner av marklevande svampar som är typiskt förekommande i boreala skogsjordar. Merparten av experimenten görs på lab i s.k. mikrokosmförsök. Där kan vi noggrant kontrollera försöksbetingelserna och med hjälp av en rad spektroskopiska och mikroskopiska tekniker få detaljerad information om de mineralbundna organiska föreningarnas egenskaper samt med vilka mikrobiella mekanismer de bryts ned. Vårt projekt kommer framförallt fokusera på processer som är relevanta i boreala skogsjordar samt några av de svampar som tidigare har visats spela en viktig roll i omsättning av markorganiska kolföreningar. Vidare kommer nedbrytningsprocesserna att studeras under C-, N- eller P-begränsade betingelser för att på så sätt relatera stabiliteten av de mineralbundna organiska föreningarna till specifika nedbrytningsmekanismer. Även om vi kommer fokusera på några väldefinierad system ger den här typen av molekylär och mekanistisk forskning en generell och grundläggande kunskap om bildning och stabilitet av dessa komplexa organiska-oorganiska material som är helt centrala för en större förståelse av markprocesser.