Jörg Gerke

The quantitative effect of chemical phosphate mobilization by carboxylate anions on P uptake by a single root. I. The basic concept and determination of soil parameters

Model calculations on the uptake of inorganic nutrients by single roots and root systems do not include chemical nutrient mobilization by root exudates. In this paper, a model description of Nye (1984) was applied to the case of a single root (cylindrical case) and chemical mobilization of phosphate (P) by carboxylates. Experimental results are reported which allow the quantification of soil parameters required for the model calculations. These include the solubilizing effect of carboxylates on P. The experiments showed a strong positive correlation between carboxylate adsorption to the soil solid phase and chemical P mobilization by the carboxylate. Below a concentration of adsorbed citrate and oxalate of 10 μmol g−1 soil no mobilization occurred in the 3 soils which were investigated. Differences in pH did not affect P solubility, but did, however, affect the quantity of adsorbed carboxylate and thereby the mobilization of P. Citrate and oxalate have a greater ability to mobilize soil P as compared with oxaloacetate and malate. Model calculations which are based on these experimental results are presented in a second paper. Der quantitative Effekt einer chemischen Phosphatmobilisierung durch Carboxylate auf die P-Aufnahme durch eine Einzelwurzel. I. Theoretische Grundlagen sowie die Bestimmung der Bodenparameter Mathematische Aufnahmemodelle zur Berechnung der Aufnahme von anorganischen Nahrstoffen durch eine Einzelwurzel und durch Wurzelsysteme berucksichtigen nicht die chemische Mobilisierung durch Wurzelausscheidungen. Fur die durchzufuhrenden Aufnahmeberechnungen wird ein Modell von Nye (1984) auf den Fall einer Einzelwurzel unter Einbeziehung der chemischen Mobilisierung von Phosphat durch Carboxylate modifiziert. Zusatzlich wird uber experimentelle Ergebnisse zur Mobilisierung von P durch Citrat und Oxalat in verschiedenen Boden berichtet. Sie dienen zur Ermittlung von Parametern, die fur die Aufnahmeberechnungen in einer nachfolgenden Publikation notwendig sind. Die Untersuchungen zeigten eine positive Beziehung zwischen Carboxylatadsorption an die Bodenfestphase und chemischer P-Mobilisierung. Unterhalb einer Konzentration an adsorbiertem Citrat oder Oxalat von 10 μmol g−1 Boden wurde kein P durch Citrat mobilisiert. Unterschiede in den pH-Werten hatten keinen direkten Einflus auf die P-Loslichkeit, wirkten aber indirekt uber die Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der Carboxylate. Der Vergleich der Effizienz verschiedener Carbonsaureanionen bezuglich der P-Mobilisierung zeigte, dass Citrat und in abgeschwachtem Mase Oxalat sehr viel effizienter als Malat und Oxalacetat waren.

The quantitative effect of chemical phosphate mobilization by carboxylate anions on P uptake by a single root. II. The importance of soil and plant parameters for uptake of mobilized P.

Model calculations were made in order to quantify the effect of carboxylate excretion on phosphate (P) uptake by a single root. The uptake of chemically mobilized P increased exponentially with increasing concentration of adsorbed citrate or oxalate in soil because of the exponential relationship between adsorbed carboxylate and the solubilizing effect of carboxylate on P. The effect of local citrate excretion compared with uniform citrate excretion along the whole root was also calculated. Local exudation increased the uptake of chemically mobilized P because the higher concentration of citrate increases the solubilization of P. Additionally the effect of citrate excretion by root clusters e.g. proteoid roots was evaluated. Uptake of chemically mobilized P by root clusters was much higher than that of single roots, especially if the ratio of P buffering to citrate buffering was high. This is often the case in P fixing soils where by definition P buffering is high and citrate buffering is low because of the short time of reaction between root excreted citrate and rhizosphere soil. The reason for the superiority of cluster roots lies in the fact that most of the mobilized P is transported away from a single root to be absorbed by neighbouring roots in the clusters. This phenomenon demonstrates the strong ecological significance of cluster roots in relation to nutrient mobilization. The calculations on the effect of oxalate excretion by sugar beet roots on the uptake of mobilized P show that under P fixing conditions the influx of mobilized P will exceed that of P transported by diffusion to the root surface by a factor of 1.5—6.0. Der quantitative Effekt einer chemischen Phosphatmobilisierung durch Carbonsaureanionen auf die P-Aufnahme durch eine Einzelwurzel. II. Die Bedeutung von Boden- und Pflanzenparametern fur die Aufnahme von mobilisiertem P Um die Bedeutung der Carboxylatausscheidung fur die Phosphataufnahme durch eine Einzelwurzel quantitativ zu erfassen, wurden Modellberechnungen durchgefuhrt. Die Aufnahme von chemisch mobilisiertem P stieg mit zunehmender Konzentration an adsorbiertem Citrat oder Oxalat im Rhizospharenboden exponentiell an. Dies ist auf die exponentielle Beziehung zwischen dem adsorbierten Carboxylat im Boden und dem Mobilisierungsfaktor von Carboxylat auf Phosphat zuruckzufuhren. Es wurde ferner der Effekt einer lokalen gegenuber einer gleichmasigen Ausscheidung von Citrat auf die Aufnahme von mobilisiertem P untersucht. Die lokale Ausscheidung erhohte die Aufnahme von mobilisiertem P aufgrund der Erhohung des Mobilisierungseffekts von Citrat auf Phosphat. Weiterhin wurde die Wirkung der Citratausscheidung von Wurzelclustern auf die Aufnahme von mobilisiertem P untersucht. Die P-Aufnahme war in den Wurzelclustern sehr viel hoher, als bei einer Einzelwurzel, besonders dann, wenn das Verhaltnis von Phosphatpufferung zu Citratpufferung hoch war. Dies ist haufig der Fall in P-fixierenden Boden, in denen definitionsgemas die Phosphatpufferung hoch und die Citratpufferung aufgrund der geringen Reaktionszeit zwischen Citrat und Rhizospharenboden gering ist. Der Grund fur die Uberlegenheit von Clusterwurzeln bezuglich der Aufnahme von mobilisiertem P liegt darin, dass das mobilisierte, von der Einzelwurzel wegdiffundierende P von benachbarten Clusterwurzeln aufgenommen wird, wahrend dies bei einer Einzelwurzel nicht der Fall ist. Diese Ergebnisse zeigen die grose okologische Bedeutung von Wurzelclustern in Bezug auf die Nahrstoffmobilisierung. Die Modellberechnungen zum Einfluss einer Oxalatausscheidung von Zuckerrubenwurzeln auf die Aufnahme von mobilisiertem P zeigen, das der Influx von mobilisiertem P um den Faktor 1,5—6,0 hoher ist als der Influx des diffusiv antransportierten P.

Phosphate aquisition by red clover and black mustard on a humic podzol

Recent investigations have shown that phosphate (P) mobilization by root exudates is an important feature of genotypes to acquire P even in soils of low‐P availability. We, therefore, investigated ...

The acquisition of cadmium by Lupinus albus L., Lupinus angustifolius L., and Lolium multiflorum Lam.

Several plant species mobilize soil phosphate and cations like Fe and Al by excreting organic acid anions and protons. We investigated the Cd acquisition of mobilizing plant species (L. albus and L. angustifolius cultivars) and Lolium multiflorum as a non-mobilizing plant species. Two contrasting soils were utilized: an acid humic podzol and a calcareous loess subsoil. The Cd uptake into the shoots was 5 — 10 times higher in Lolium multiflorum compared with the of L. albus and L. angustifolius. There are several reasons for this result: (i) The root length/shoot weight ratio was 2—3 times higher in ryegrass compared with the lupin cultivars, (ii) the translocation of Cd from the root into the shoot is higher in ryegrass compared with lupin, (iii) the Cd uptake is lower in lupin than in ryegrass in the humic podzol and at P deficiency also in the loess soil.  In the acid podzol, the Cd concentration of the soil solution under lupin was lower than the control (pots without plants), whereas in the calcareous soil, the reverse relation was found. In white and blue lupin the carboxylate efflux, mainly citrate and malate was by a factor of 10—100 higher than in ryegrass. This can lead to a high rate of complexation of Cd by citrate (˜ 85%) in the rhizosphere soil solution of lupin. These results seem to support the hypothesis that the Cd uptake of the root is restricted by the complexation of Cd by citrate.

Mathematical modelling of iron uptake by graminaceous species as affected by iron forms in soil and phytosiderophore efflux

Abstract Graminaceous species excrete nonproteoinogenic amino acids (phytosiderophores) as an adaptive mechanism to iron (Fe) deficiency. According to Marschner and Römheld, these organic molecules can mobilize Fe in soil and are taken up as Fe(III)‐ phytosiderophore complexes with a high rate. The quantitative effect of the efflux of mugineic acid (MA) as a representative of the phytosiderophores on the influx of chemically mobilized Fe into the roots was calculated depending on different Fe forms in soil, such as goethite, ferrihydrite and humic‐Fe complexes. The calculations show that MA mobilizes Fe from goethite at a low rate. As a consequence, the calculated influx of mobilized Fe from soil with goethite as the only Fe form was very low compared to the demand of the plants. If ferrihydrite was the principal Fe form in soil, the influx of chemically mobilized Fe was much higher and met the required demand of the plants if the MA efflux was medium to high, according to the data of Römheld and Marschner (1990). With humic‐Fe complexes as the only Fe form in soil, the influx of chemically mobilized Fe was much higher compared to soil with inorganic Fe forms. The reason for this result is that Fe from humic‐Fe complexes is easily mobilized by MA even if the efflux of the phytosiderophore is low. The calculations show the strong importance of Fe bound by humic substances for the Fe acquisition by strategy II plants.

Photodegradation of the surfactants Na-dodecylbenzenesulfonate and dodecylpyridinium-chloride as affected by humic substances

Surfactants account for a great proportion of organic xenobiotica released into the environment by anthropogenic action. In natural waters and sewage sludge they can be removed from solution by different reactions, including adsorption to solid phases, biodegradation and abiotic photolytic degradation. In the present investigation we found that photodegradation of Na- dodecylbenzenesulfonate (LAS) was reduced by humic substances by a factor of 2 or more. In contrast, photodegradation of dodecylpyridinium-chloride (LPC) was increased in the presence of humic substances by a factor of 1.16–1.43. These differences were explained by the strong bonding of LPC but not of LAS to the humics. Photolytic degradation of LAS begins at the aliphatic side chains followed by aromatic ring cleavage. Photodegradation of LPC mainly associated with the humics showed similarity to that of pyridine.The experimental data demonstrate strong effects of photodegradation on the persistence of surfactants and the relevance of humic-surfactants associations for photolytic processes.

Einfluß von Citrat auf die Mobilisierung und Aufnahme von Zn und Cu bei Weidelgras und Weißer Lupine

Als Reaktion auf ein niedriges P-Angebot fuhrt die Ausscheidung von mehrbasigen organischen Sauren bei einigen Pflanzenarten (z.B. Weise Lupine, Rotklee) zu einer erhohten P-Loslichkeit und P-Aufnahme. Dieser Mechanismus ist oft begleitet von einer hoheren Eisen- und Aluminiumloslichkeit. Auf schwermetallbelasteten Boden konnte die Ausscheidung ` von organischen Sauren auch diese Metalle mobilisieren und zur gesteigerten Aufnahme in die Pflanze fuhren. In zwei Gefasversuchen wurde der Einflus von Citrat, zum einen durch die kunstliche Zugabe von Citrat (Weidelgras), zum anderen durch den induzierten Citrat-Efflux bei P-Mangel (Weise Lupine), auf die Mobilisierung und Aufnahme von Cu und Zn untersucht.