Räumliche Muster der Bildung organischer Bodensubstanz in Unterböden: Hierarchische präferenzielle Fließwege

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jörg Bachmann; Dr. Stefanie Heinze, seit 5/2024; Professor Dr. Markus Weiler
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452510514

Die Ergebnisse der Forschergruppe deuten an, dass die Entkopplung biologischer und physikalischer Prozesse durch räumliche Separierung von organischer Substanz (OS), Mikroorganismen und Exoenzymaktivität ein wichtiger Mechanismus ist, der zur Stabilisierung von gelöster OS im Unterboden führt. In diesem Zusammenhang kann das Auftreten präferenzieller Fließwege als wichtiger Faktor für die Bildung mikrobieller Hotspots und die Transformation von OS im Unterboden gesehen werden. Auf Grundlage der weltweit einzigartigen Unterboden-Observatorien im Grinderwald zielt unsere neue Forschungsinitiative darauf ab, die räumlichen Muster der Bildung von OS im Unterboden genauer zu untersuchen.Hierbei werden die folgenden Aspekte erfasst:- Hierarchische präferenzielle Fließwege - Mikrobielle Kohlenstoffretention und Kohlenstoffumsatz - Einfluss der Nährstoffverfügbarkeit auf die Bildung und Dynamik mikrobieller Hotspots Bildung von mineral-assoziierter organischer Substanz Unser Projekt versucht über einen Multiskalen-Ansatz aktive und weniger aktive Transportzonen im Boden zu erfassen. Die Ergebnisse zeigen bereits, dass über einen längeren Zeitraum ein stabiles Netzwerk präferenzieller Fließwege auf der cm- bis dm-Skala existiert. Durch Beregnungsexperimente mit einem Fluoreszenzfarbstoff soll diese mesoskalige Fließheterogenität erfasst werden und damit eine gezielte Beprobung aktiver und weniger aktiver Fließbereiche ermöglichen. Die neu entwickelte Methodik zur Entnahme ungestörter Fließzellen ermöglicht eine räumlich hochaufgelöste (mm-cm-Skala) in situ Analyse physikochemischer und mikrobiologischer Oberflächeneigenschaften (z.B. Benetzbarkeit, funktionelle Gruppen, Exoenzymaktivität). Damit wird es möglich, hierarchisch geschachtelte präferenzielle Fließstrukturen zu erfassen.Um den Transport und die Transformation von gelöster OS zu erfassen, werden Perkolationsexperimente mit 13C-markierter OS durchgeführt. Diese Experimente werden mit zwei seriellen Fließzellen unter realistischen Bedingungen hinsichtlich Bodenfeuchte, Konzentration von gelöster OS, Fließrate und Temperatur durchgeführt. In Kooperation mit der AG Kandeler et al. wird der mikrobielle Status der Böden aus aktiven und weniger aktiven Transportzonen analysiert, um Unterschiede in der räumlichen Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaft zu erfassen. Im Rahmen des Perkolationsexperiments streben wir an, eine vollständige 13C-Massenbilanz zu erfassen, indem wir 13C in unterschiedlichen Fraktionen analysieren: (i) adsorbiert an der Festphase, (ii) inkorporiert in mikrobieller Biomasse, (iii) freigesetzt als CO2 und (iv) transportiert als gelöste OS. Dieser Ansatz (in Kooperation mit allen Projekten) wird es letztlich ermöglichen, die Bedeutung mikropräferenzieller Fließmuster im Vergleich zu mesoskaligen präferenziellen Fließwegen für die räumliche Verteilung mikrobieller Hotspots zu beurteilen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Bernd Marschner, bis 4/2024