Die Stabilisierung von organischer Sustanz (OM) und von Nährstoffen im Boden ist an ihre Bindung an Minerale gekoppelt. Mineraloberflächen, im weiteren auch Mineralosphäre genannt, sind Zonen, in denen das Aufeinandertreffen von reaktiven Oberflächen und Bodenmikroorganismen zu komplexen biogeochemische Prozessen und Wechselwirkungen führt. Das Wechselspiel von mikrobieller Besiedlung sowie Sorption bzw. Freisetzung von organischer Substanz und Nährstoffen hat unmittelbare Auswirkungen auf die Speicherung und Verfügbarkeit von Kohlenstoff und Nährstoffen. Die Richtungen und Rückkopplungen der aufgrund von Umwelteinflüssen und Ökosystemfaktoren ablaufenden Entwicklungen sind nur unzureichend verstanden. Mit dem vorgeschlagenen Projekt nutzen wir die einmalige Gelegenheit, dass auf allen Versuchsflächen der Biodiversitäts-Exploratorien frische, unverwitterte Minerale (Illit, ein Tonmineral, und Goethit, ein Eisenoxid) seit 2015 den natürlichen Bodenbedingungen ausgesetzt sind. Auf diesen, durch unterschiedliche Eigenschaften gekennzeichneten Mineraloberflächen, planen wir eine koordinierte, interdisziplinäre Untersuchung der Auswirkungen von Landnutzung und Biodiversität auf die Veränderungen von mikrobiellen Gemeinschaften, der organischen Substanz und von Nährstoffen. Wir vermuten, dass sowohl Art und Intensität der Landnutzung als auch die Biodiversität Einfluss nehmen auf: (1) die Akkumulation und Zusammensetzung mineral-assoziierter organischer Substanz, (2) den Beitrag von Pflanzen und Mikroorganismen zur mineral-assoziierten organischen Substanz, (3) die Zusammensetzung der sich etablierenden mikrobiellen Gemeinschaften, (4) die Stabilität der mineral-assoziierten organischen Substanz, (5) die Nährstoffakkumulation in der Mineralosphäre sowie (6) die Eigenschaften der Mineralosphäre als Funktion der Bodentiefe. Diese Aspekte werden an den exponierten Mineralen sowie in dem sie umgebenden Boden untersucht. Dazu nutzen wir eine Reihe komplementärer, moderner Methoden aus den Bereichen Mineralogie, Biogeochemie, Mikrobiologie und Mikrobieller Ökologie. Folgende Eigenschaften sollen an den Mineralen zu untersucht werden: Oberflächeneigenschaften und der Nährstoffakkumulation, Radiokohlenstoffalter, chemische Zusammensetzung und Stabilität der mineral-assoziierten organischer Substanz, Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft, und Enzymaktivitäten. Unser gemeinschaftlicher Forschungsansatz wird erstmalig detaillierte und umfassende Einblicke in die sich unter unterschiedlichen Umweltbedingungen unter Grünland und Wald entwickelnden Mineralosphären ermöglichen.
Subsoils are an often neglected nutrient source for crops. The mobilisation and use of this potential nutrient source is an important factor in sustainable land use. Nutrient accessibility, release, and transport are strongly dependent on soil structure and its dynamics controlled by spatiotemporally variable physical functions of the pore network. A well structured soil, for example, with numerous interconnected continuous biopores will enhance root growth and oxygen availability and hence nutrient acquisition. In contrast to soils with a poorly developed structure nutrient acquisition is limited by restricted root growth and reduced aeration. The goal of this research project is to investigate different preceding crops and crop sequences in developing characteristic biopore systems in the subsoil and to elaborate their effect on the functional performance of pore networks with respect to nutrient acquisition. The main research question in this context is how soil structure evolves during cultivation of different plant species and how structure formation influences the interaction of physical (water and oxygen transport, shrinking-swelling) biological (microbial activity, root growth) and geochemical processes (e.g. by creating new accessible reaction interfaces). In order to study and quantify pore network architectures non-invasively and in three dimensions X-ray computed microtomography and 3D image analysis algorithms will be employed. The results will be correlated with small- and mesoscale physical/chemical properties obtained from in situ microsensor (oxygen partial pressure, redox potential, oxygen diffusion rate) and bulk soil measurements (transport functions, stress-strain relationships) of the same samples. This will further our process understanding regarding the ability of various crop sequences to form biopore systems which enhance nutrient acquisition from the subsoil by generating pore network architectures with an efficient interaction of physical, biological and geochemical processes.
Arsenic-contaminated ground- and drinking water is a global environmental problem with about 1-2Prozent of the world's population being affected. The upper drinking water limit for arsenic (10 Micro g/l) recommended by the WHO is often exceeded, even in industrial nations in Europe and the USA. Chronic intake of arsenic causes severe health problems like skin diseases (e.g. blackfoot disease) and cancer. In addition to drinking water, seafood and rice are the main reservoirs for arsenic uptake. Arsenic is oftentimes of geogenic origin and in the environment it is mainly bound to iron(III) minerals. Iron(III)-reducing bacteria are able to dissolve these iron minerals and therefore release the arsenic to the environment. In turn, iron(II)-oxidizing bacteria have the potential to co-precipitate or sorb arsenic during iron(II)- oxidation at neutral pH followed by iron(III) mineral precipitation. This process may reduce arsenic concentrations in the environment drastically, lowering the potential risk for humans dramatically.The main goal of this study therefore is to quantify, identify and isolate anaerobic and aerobic Fe(II)-oxidizing microorganisms in arsenic-containing paddy soil. The co-precipitation and thus removal of arsenic by iron mineral producing bacteria will be determined in batch and microcosm experiments. Finally the influence of rhizosphere redox status on microbial Fe oxidation and arsenic uptake into rice plants will be evaluated in microcosm experiments. The long-term goal of this research is to better understand arsenic-co-precipitation and thus arsenic-immobilization by iron(II)-oxidizing bacteria in rice paddy soil. Potentially these results can lead to an improvement of living conditions in affected countries, e.g. in China or Bangladesh.
Die Behandlung der insbesondere mit PCB-verunreinigten Boeden erfolgt in einer zentralen biologischen Behandlungsanlage. Nach Einlagerung des zu behandelnden Bodens in drei Behandlungsfelder in geschlossener Leichtbauweise mit einer Gesamtkapazitaet von 7 125 m3 wird der Boden mit Klaeranlagenwasser, das mit Mikroorganismen angereichert ist (Patent BASF Lacke + Farben AG) berieselt. Um die hoechste Abbauaktivitaet der Mikroorganismen zu erreichen, wird die Raumluft auf 20 bis 42 Grad Celsius erwaermt. Gleichzeitig wird erwaermte Luft von unten in den Boden gepresst. Die abgesaugte Hallenluft wird ueber einen Aktivkohlefilter abgeleitet. Fuer die Verrieselung wird Brauchwasser (Klaeranlagenwasser oder Oberflaechenwasser) verwendet, das im Bedarfsfall in einem Vorlagetank mit Naehrstoffen versetzt wird. Der gereinigte Boden wird einer Wiederverwertung (Strassen- und Kanalbau, Laermschutzwaelle) zugefuehrt.
Mikroorganismen sind im Boden, in kryptogamen Gemeinschaften und in der Atmosphäre von zentraler Bedeutung. Verschiedene Spezies von Bakterien, Pilzen, Flechten und Pollen wurden bereits als Eiskeime, welche eine Eisbildung bei relativ hohen Temperaturen initiieren können, identifiziert, und besonders biologische Bestandteile aus dem Boden sind eine vermutlich bedeutsame Quelle atmosphärischer Eiskeime. Die genauen Quellen biologischer Eiskeime in der Atmosphäre sind jedoch kaum bekannt, obwohl ein potentieller Beitrag dieser, zur Eis- und Niederschlagsbildung mittlerweile von verschiedenen Studien untermauert wird. Aktuelle Untersuchungen verschiedener Boden- und Luftproben zeigen Hinweise, dass verschiedene eisaktive Pilze unterschiedlicher Phyla nicht nur im Boden und in der Luft vorhanden sind, sondern auch häufig in der kultivierbaren Fraktion vorkommen können. Aus diesem Grund befasst sich das vorgeschlagene Projekt mit der Suche nach weiteren bisher unbekannten eisaktiven Mikroorganismen und Bestandteilen aus dem Boden, von Pflanzen und kryptogamen Gemeinschaften und mit der Erforschung ihres Einflusses auf die Eiskeimaktivität des Bodens. Die nötigen Methoden für ein Screening verschiedenster Kulturen z.B. von Cyanobakterien sind in unserem Labor gut etabliert. Zudem sollen die jeweiligen Eiskeime der neu gefundenen eisaktiven Organismen auf molekularer Ebene charakterisiert werden.
Im musterhaften Kontext der ehemaligen Uranmine Wismut SDAG in Ostthüringen soll das Projekt einen Beitrag zur Erfassung der Rolle von Bodenmikroben für Mobilisierung und Transfer von Schwermetallen unter Berücksichtigung von Radionukliden im aeroben Bereich leisten. Die Untersuchungen werden an den bodentypischen Leitorganismen Streptomyceten und Mykorrhizapilzen erfolgen. Dabei nimmt Nickel zunächst eine zentrale Stellung ein, da dieses Begleitelement des Urans für die Wismut-Region standorttypisch ist und für biologische Systeme als Schadstoff und gleichzeitig als Spurenelement von Bedeutung ist. An nickelresistenten Isolaten der Gattung Streptomyces aus dem Gelände soll insbesondere die intrazelluläre Nickelhomöostase durch Identifizierung hochaffiner Nickeltransportgene studiert sowie die Auswirkungen auf Regulationsprinzipien betrachtet werden. In Mykorrhiza, den symbiontischen Assoziationen von Pilzen mit Pflanzenwurzeln, kann der Pilzpartner als Biofilter wirken. Gleichzeitig mit der Charakterisierung und Identifizierung standorttypischer Pilzpartner werden daher der Transport und die Verteilungsmuster relevanter Schwermetalle in mykorrhizalen Pflanzen des Freilands sowie aus Gefäßversuchen analysiert.
When organic material is available, soil microorganisms may either take up simple organic molecules directly and release the surplus nitrogen (N) into the soil in the form of ammonium (NH4+), or they may mineralize organic N first and take it up in the form of NH4+. The route of N uptake has implications for the competition for N between microorganisms and plants and therefore for the N nutrition of crops. The objective of the proposed study is to gain a better understanding of the factors controlling the relative importance of the two N utilization routes by soil microorganisms. In a first step, an assay to determine the extent of the extracellular deamination of amino acids in soil shall be developed and tested. In a second step, the new assay shall be applied in laboratory incubations in combination with other methods, namely gross N mineralization, mineralization of amino acid-N, and natural 15N abundance of the microbial biomass, to determine the factors affecting the relative importance of the two N uptake routes. In a third step, the same methods shall be applied in a field study, which will focus of the temporal effects of fertilization management, including organic and mineral fertilizers, and the interactions with crops.
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|---|---|
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