Identifikation von metabolischen und enzymatischen mechanismen im Phosphatkreislauf anhand der Drei-Sauerstoff-Isotopen Systematik

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Daniel Herwartz
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Paläontologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501986846

Phosphor (P) ist oft der limitierende Nährstoff für Pflanzen. Dies reduziert die Produktion von Lebensmitteln und das Potenzial der terrestrischen Kohlenstoffsenke. Um zu verstehen wie das bioverfügbare P-Reservoir im Boden regeneriert wird und wie Ökosysteme auf Eingriffe des Menschen reagieren brauchen wir ein tiefes Verständnis des P Kreislaufs in Böden, inklusiver aller Prozesse, Reaktionspfade, Zeitskalen und Faktoren. Die Analyse von Isotopen trägt grundsätzlich zum Verständnis von Elementkreisläufen bei, P ist jedoch mono-isotopisch. Daher werden Sauerstoffisotope von PO4 eingesetzt um chemische oder physikalische Prozesse im P-Kreislauf zu identifizieren. Ich schlage vor, diesen Proxy zu erweitern und möchte nicht nur die gängigen 18O/16O Verhältnisse von PO4 messen, sondern zudem 17O/16O. Diese Analysen sind aus zwei Gründen wichtig. 1) Luft O2 hat eine 17O Anomalie, welche von massenunabhängigen Prozessen bei der Genese von Ozon stammt. Diese Anomalie kann sich über die metabolische Verstoffwechselung von O2 in Organismen auf PO4 in Böden übertragen. Es ist lange bekannt, dass das Körperwasser von Tieren eine negative 17O Anomalie aufweist. Ich erwarte, dass diese Anomalie auch in tierischem Kot zu finden ist. Dünger aus Guano, zum Beispiel, sollte daher PO4 mit einer negativen 17O Anomalie in den Boden einbringen und so als natürlicher Tracer dienen. Unsere Vorläufigen Daten zeigen, dass auch metabolische aktive Mikroorganismen PO4 mit negativen 17O Anomalie generieren können. Zudem wird die 17O Anomalie aus der Luft bei Waldbränden auch direkt auf das PO4 aus Pflanzen übertragen, was bei Feuersequenzen ebenfalls als Tracer dienen kann. Ich möchte diese Anwendungen testen. 2) Phosphor ist ein essenzieller Nährstoff, weil Organismen daraus DNA, RNA, ATP und Phospholipide synthetisieren. Dieses organische Phosphat (Porg) ist jedoch nicht Pflanzenverfügbar. Unter P limitierenden Bedingungen geben Pflanzen sogenannte Phosphatasen in den Boden ab. Diese extrazellulären Enzyme mineralisieren das Porg und regenerieren so das Pflanzenverfügbare PO4 im Boden. Der vorläufige Datensatz zeigt, dass verschieden extrazelluläre Enzyme charakteristische kinetische Isotopeneffekte auf das PO4 übertragen. Dieser Fingerabdruck soll dazu verwendet werden um Enzymaktivitäten in Böden zu quantifizieren. Dafür sollen die Fingerabdrücke selbst experimentell genau charakterisiert werden.Der Drei-Sauerstoff-Isotopen Ansatz ist ein vielversprechendes Werkzeug um die verschiedenen Prozesse des Phosphatkreislaufs in Böden zu rekonstruieren. Bei Erfolg, kann dieser Ansatz auch in anderen Umgebungen, wie etwa dem marinen Milieu eingesetzt werden. Dieser Antrag ist Teil eines größeren ‚Heisenberg‘ Antrags, in dem ich diese 17O Systematik in Paläoanwendungen einsetzen möchte. Zu diesem Zweck ist es unbedingt erforderlich ein solides Verständnis für die heutige Drei-Sauerstoff-Isotopen Systematik zu erarbeiten, was mit diesem Sachbeihilfeantrag gelingen soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Andreas Pack
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christian von Sperber