title: The potential of passive infrared thermography for the detection of microbial hot spots and hot moments at high spatial and temporal resolution
Creators: name: Schwarz, Melanie Katharina
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2022

description: The detection of soil surface temperatures allows various statements to be made about soil microbial activity. Such activity can be expressed as catabolic activity in form of heat generation, which is already used as an equivalent to microbial growth rates in established measurement methods (e.g., microcalorimetry). Accordingly, passive infrared thermography (IRT) that measures heat from measurement object surfaces is a promising technique for the non-contact and non-invasive detection of soil microbial activity. Passive IRT records the heat generation on surfaces in temporal and spatial high resolution. Therefore, high-resolution thermal imaging can be used to map the dynamics of microbial growth rates.<br> The goal of the present thesis is the development of a non-invasive measurement approach of microbial heat production in soils. Accordingly, the systematic development of a laboratory analytical and data processing procedure to capture spatial and temporal variability of catabolic heat generation on soil surfaces is addressed. A component of the method development includes undisturbed soil samples in addition to the conventionally used disturbed samples. The results show that passive IRT has great potential and multiple possibilities of application in microbiological soil research, hence, it can be used to predict energy and metabolic turnover, especially of carbon. After substrate application, a temperature increase of more than 1 K was detected, which can be attributed to hot spots and hot moments of microbial activity, in so-called hot movements. Furthermore, IRT offers the possibility to approximate soil surface moisture and its change over time in an active measurement procedure so that soil physical properties can be considered in addition to the microbiological component. The simultaneous detection of moisture and other soil surface properties using established measurement methods is used to evaluate and explain passive IRT derived data.<br> The results of this thesis make a decisive contribution to the research of microbial dynamics in soil and provide future studies with a technical basis to map microbiological and physical energy fluxes in soil. The thesis contributes to obtaining deeper insights into metabolic processes in soils.
description: Die Erfassung der Bodenoberflächentemperatur ermöglicht es eine Vielzahl an Aussagen über mikrobielle Aktivität im Boden zu treffen. Diese Aktivität kann als katabolische Aktivität in Form von Wärmeentwicklung ausgedrückt werden, die in etablierten Messverfahren (z.B. Mikrokalorimetrie) bereits als Äquivalent zur mikrobiellen Wachstumsrate verwendet wird. Daher ist die passive Infrarot-Thermografie (IRT), die die Wärme von Messobjektoberflächen misst, eine vielversprechende Technik für die berührungslose und nicht-invasive Erfassung der mikrobiellen Aktivität im Boden. Die passive IRT erfasst die Wärmeentwicklung von Oberflächen in zeitlich und räumlich hoher Auflösung. Daher kann die hochauflösende Wärmebildtechnik genutzt werden, um die Dynamik der mikrobiellen Wachstumsraten abzubilden. <br> Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer nicht-invasiven Messmethodik der mikrobiellen Wärmeproduktion in Böden. Dementsprechend wird die systematische Entwicklung eines laboranalytischen und datenverarbeitenden Verfahrens zur Erfassung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der katabolischen Wärmeentwicklung auf Bodenoberflächen angestrebt. Ein Bestandteil der Verfahrensentwicklung ist neben den konventionell verwendeten gestörten Proben auch ungestörte Bodenproben. Die Ergebnisse zeigen, dass die passive IRT ein großes Potential und zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der mikrobiologischen Bodenforschung zur Vorhersage von Energie- und Stoffumsätzen, insbesondere von Kohlenstoff, bietet. Nach der Substratapplikation wurde ein Temperaturanstieg von mehr als 1 K erfasst, der auf hot spots und hot moments der mikrobiellen Aktivität, in sogenannten hot movements, zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus bietet die IRT die Möglichkeit, die Feuchtigkeit der Bodenoberflächen und deren zeitliche Veränderung in einem aktiven Messverfahren anzunähern, so dass neben der mikrobiologischen Komponente auch bodenphysikalische Eigenschaften berücksichtigt werden können. Die gleichzeitige Erfassung der Bodenfeuchtigkeit und weiterer Bodenoberflächeneigenschaften mittels etablierter Messverfahren werden zur Auswertung und Erklärung der Messdaten der passiven IRT herangezogen. <br> Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen entscheidenden Beitrag zur Erforschung der mikrobiellen Dynamik im Boden und bieten zukünftigen Studien eine technische Grundlage, um mikrobiologische und physikalische Energieflüsse im Boden abzubilden. Die Arbeit trägt dazu bei, tiefere Einblicke in Stoffwechselvorgänge in Böden zu erhalten.