FeIII-FeII getriebene biogeochemische Mechanismen des C und P Kreislaufs in Nassreisböden unter dynamischen Redox-Bedingungen

• Antragsteller: Dr. Maxim Dorodnikov; Professor Dr. Georg Guggenberger; Professor Dr. Marcus A. Horn
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391629164

Nassreisanbaufelder werden periodisch geflutet, wodurch in den Böden stark fluktuierende Redoxbedingungen herrschen. Unter reduzierenden Bedingungen werden Eisen(III)-Minerale im Boden durch mikrobielle Eisenreduktion aufgelöst, während sich um Sauerstoff-transportierende Reiswurzeln herum Eisenoxidierer-abhängig Eisen(III)-Plaques bilden. Diese Eisenphasen stehen in komplexen Wechselwirkungen mit P- und C- Verbindungen, welche die Stoffkreisläufe dieser beiden wichtigen Elemente kontrollieren. Daher ist das Ziel des beantragten Projektes, tiefere Kenntnisse über die Prozesse und Mechanismen, welche die Bildung von Assoziationen zwischen redox-sensitiven Eisenmineralen sowie P und C steuern, zu erlangen. Der Antrag basiert auf drei zentralen Hypothesen: (1) Die Konzentration von gelöstem P in der Bodenlösung bestimmt, ob Eisen(II) in Eisen(III)-Plaques an Wurzeln oder in das Eisen(II)-Phosphat-Mineral Vivianit eingebaut wird. Jede dieser Eisenphasen stellt einen Hot Spot für eisenreduzierende und -oxidierende Bakterien dar. (2) Die mikrobielle Auflösung von Eisen(III)/P-Komplexen führt zur Bildung von Vivianit, so dass ein bedeutender Anteil des freigesetzten P nicht pflanzenverfügbar ist. Niedrige P-Verfügbarkeit durch Eisen(III)/P-Komplexe oder Vivianitbildung stimuliert die Aktivität von P-lösenden und P-mineralisierenden Mikroorganismen. (3) Von Wurzeln freigesetzter organischer C ist direkt mit Eisen(III)-Plaques und Vivianitmineralen assoziiert. Der von Wurzeln freigesetzte organische C zusammen und der steile Sauerstoffgradient an Plaques bieten ideale Lebensbedingungen für aktive Eisen- und Methankreislauf-assoziierte Mikroorganismen. Die spezifischen Prozesse werden von einem chinesisch-deutschen Konsortium mit Isotopen-markiertem Fe, P und C für die Hypothesen (1), (2) bzw. (3) bestimmt, um biogeochemisch Interaktionen aus einer boden-mineralogischen und (mikro )biologischen Perspektive aufzuklären. Während Gewächshausversuche zur Untersuchung der Hypothesen (1) und (2) in Deutschland durchgeführt werden, finden die Experimente für (3) in China statt, und zwar sowohl in Gewächshaus- als auch im Freiland. Um die Mechanismen hinsichtlich der Bildung und Umwandlung von Mineralphasen inklusive des assoziierten P und C zu ermitteln, werden MC-ICP-MS, XPS, NanoSIMS, 33P Radioimaging, Mössbauer-Spektroskopie, XRD, und ICP-OES eingesetzt. Mikrobielle Prozesse, Schlüsselorganismen werden mit Amplikon Hochdurchsatz-Sequenzierung von 16S RNA, 16S rRNA Genen und funktioneller P-Kreislauf-assoziierter Genmarker, MPN Anreicherungen und Isolierung, Taxon-spezifischer quantitativer PCR, Genexpressionsanalysen, sowie in-situ naher stabiler RNA- und PLFA-basierter Stabil- Isotopenbeprobung untersucht. Das chinesisch-deutsche Projekt strebt ein besseres Verständnis über den Einfluss von Redoxprozessen, assoziierten Eisen(III)- und Eisen(II)-Mineralen, sowie mikrobiellen Schlüsseltaxa auf C-Akkumulation und P-Verfügbarkeit in Nassreisböden an.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Dr. Jannis Florian Carstens
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tida Ge; Professor Dr. Jinshui Wu