Einfluss natürlicher organischer Substanz auf Wechselwirkungen zwischen Silikat und Eisenoxiden und die Pflanzenverfügbarkeit von Silizium

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Mikutta
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405548376

Über die letzten Jahre wurde zunehmend die Bedeutung des Siliziums (Si) für die Ernährung von Pflanzen, insbesondere Reis, erkannt. So erhöht die Aufnahme von Si bei Reis sowohl Ernteerträge als auch die Stresstoleranz gegenüber Pathogenen. Lösliches Silizium wird im Boden zunächst durch die Verwitterung primärer und sekundärer Minerale freigesetzt. Die ebenfalls aus der Verwitterung hervorgegangenen Eisenoxide binden freigesetzte Kieselsäure (H4SiO4) und sind somit eine potentiell wichtige Regelgröße für pflanzenverfügbares Silizium. Während die grundlegenden Mechanismen der H4SiO4-Bindung an Eisenoxide bereits recht gut verstanden sind, wurden mögliche Wechselwirkungen mit natürlicher organischer Substanz, trotz ihrer Allgegenwärtigkeit in Böden, bislang kaum beachtet. So besteht weitgehende Unkenntnis inwiefern die Bindung von H4SiO4 an Eisenoxide durch Sorptionskonkurrenz mit gelöster organischer Substanz oder durch organische Beläge auf Mineraloberflächen beeinflusst wird. Entsprechend ist die Bedeutung solcher Wechselwirkungen für die Si-Pflanzenverfügbarkeit weitgehend unverstanden. Speziell in Böden mit stark kontrastierenden Redoxbedingungen, wie sie im Anbau von Nassreis üblich sind, ist die Wechselwirkung zwischen Eisenoxiden, Si und organischer Substanz unzureichend erforscht. Das vorliegende Projekt strebt an, den Einfluss natürlicher organischer Substanz auf die Si-Retention durch Eisenoxide und die Konsequenzen für die Pflanzverfügbarkeit erstmalig experimentell zu prüfen. Auf Basis von Batchexperimenten sollen zunächst Adsorptions- und Desorptionsprozesse von H4SiO4 in Gegenwart gelöster als auch sorbierter organischer Substanz untersucht und der Einfluss der organischen Substanz auf Si-Oberflächenspezies (Monomere bis Polymere) unter Anwendung oberflächensensitiver Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) für verschiedene Umweltbedingungen ermittelt werden. Nachfolgend sollen in kontrollierten Mikro- und Mesokosmenversuchen die Folgen der Si-Bindung an Eisenoxide in Gegenwart organischer Substanz auf die Si-Aufnahme durch Reispflanzen untersucht werden. Mikrokosmen mit definierten Si-Eisenoxidphasen dienen speziell der Prüfung der Frage, ob und wieweit an pedogene Eisenoxide gebundenes Si durch Pflanzen erschlossen werden kann und welche Rolle hierbei natürliche organische Substanz und die vorherrschenden Si-Oberflächenspezies spielen. In Mesokosmenversuchen mit natürlichem Bodensubstrat werden diese Prozesse unter variierenden Redoxbedingungen untersucht und Freisetzung / Immobilisierung des Si, die Veränderung der Si-Oberflächenspezies als auch die Pflanzenaufnahme bestimmt. Insgesamt sollen mit unserem Projektvorhaben die wissenschaftlichen Grundlagen für ein besseres Verständnis zum Einfluss natürlicher organischer Substanz auf den Si-Kreislauf in Böden erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Klaus Kaiser; Dr. Thimo Klotzbücher; Dr. Anika Klotzbücher; Professor Dr. Christian Mikutta