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Redox-Biogeochemie auf der Mikroskala - Biofilme und Modellsysteme

Fachliche Zuordnung Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Förderung Förderung von 2017 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323566027
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Nähr- und Schadstoffkreisläufe in der Umwelt werden durch Redoxreaktionen gesteuert. Nach traditioneller Auffassung wird der Ablauf bestimmter biogeochemischer Reaktionen durch die Verfügbarkeit von Elektronendonatoren wie S2-, Fe(II), organischem C und Akzeptoren wie O2, NO3-, Fe(III), or SO42- gesteuert. Dieses Konzept beschreibt jedoch nicht alle Umweltbeobachtungen adäquat. In den letzten zehn Jahren wurden solche Phänomene als kryptische oder verborgene biogeochemische Zyklen beschrieben, und man ist sich zunehmend des Einflusses der räumlichen und zeitlichen Heterogenität in der Zusammensetzung und Funktion von Sedimenten, Böden oder Umwelt-Biofilmen an der Schnittstelle zwischen aquatischer Umwelt und Geosphäre bewusst. Räumlich aufgelöste Analytik wie die Rasterröntgenmikroskopie (STXM), die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) und die Raman-Mikrospektroskopie ermöglichten es uns, zu Grunde liegende Reaktionsmechanismen zu identifizieren. In diesem Projekt konzentrierten wir uns auf die Wechselwirkungen zwischen organischen Stoffen, z. B. mikrobiell gebildeten extrazellulären Polymeren (EPS), und mineralischen Phasen wie Fe- oder Mn-Mineralen in aquatischen Umgebungen. Es wurde ein theoretisches Konzept zum Einfluss hochreaktiver, metastabiler Phasen auf Umweltprozessen entwickelt. Nach dem Nachweis der Eignung Lektin-basierter Färbeverfahren in der Umweltforschung in redoxaktiven Umgebungen wurde der Einfluss der räumlichen Heterogenität in aquatischen Biofilmen auf die mikrobielle Eisenoxidation durch eine Kombination von CLSM mit pH-sensitiven Sonden demonstriert. Auf Mikrometer-Maßstab wurden Redox-Wechselwirkungen zwischen EPS von mikroaerophilen Fe(II)-oxidierenden Bakterien und gelösten, adsorbierten und ausgefällten Fe- Spezies untersucht, welche den Fe- und C-Zyklus in der aquatischen Umwelt beeinflussen. Durch die von uns entwickelte Kombination von mikrofluidischer In-situ-Elektrochemie mit STXM konnten wir grundlegende Unterschiede in der Funktion verschiedener mikrobieller Strukturen wie Twisted Stalks und Sheaths entschlüsseln. Dieser analytische Ansatz ist auch für andere Wissenschaftsbereiche wie die Katalysatorforschung von großem Interesse und führte zu mehreren Kooperationsprojekten. In einem Kollaborationsprojekt wurde erstmals auch die Auflösung von Goethit durch Pilz-EPS - ein Prozess, der aus dem Massenmaßstab bekannt ist - an einzelnen Zell-Mineral-Grenzflächen gezeigt. Auf Grund vielversprechender Vorversuche untersuchten wir auch auf Redoxreaktionen, die die Nährstoffverfügbarkeit im Boden steuern. Eine Studie erweiterte unser Verständnis der Vivianit-Oxidation, während andere Projekte die Wechselwirkungen von Kieselsäure mit Bodenmineralien untersuchten. Hier konnten wir Redox-Reaktionen auf den Fe-Mineraloberflächen in Reisböden identifizieren, die bei Kieselsäure-Düngung zur Phosphatfreisetzung führen. STXM-Analysen arktischer Böden zeigte die Kontrolle der Fe- und Al- Mobilität durch Si und Ca.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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