Simultane Minimierung der Arsen Mobilisierung und N2O Emission in Reisfeldböden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kappler; Professorin Dr. Christiane Zarfl
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431072007

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Reis stellt eine wichtige Nahrungsquelle für Millionen von Menschen weltweit dar. Der Nassreisanbau schafft reduzierende Bedingungen, unter denen sich natürliches, giftiges Arsen in den Reiskörnern anreichern kann. Diese Anbaumethode hat Auswirkungen auf die Produktion von Treibhausgasen, da die Redoxbedingungen in Richtung Methanbildung verschoben werden. Unter Stickstoffdüngung allerdings, führt mikrobielle Denitrifikation zur Bildung von Nitrit als Zwischenprodukt, sowie zu N2 oder N2O als Endprodukte. Eisen(II) kann während der Chemodenitrifikation abiotisch mit Nitrit reagieren, was zur Produktion von N2O führt. Während der biotischen Eisenoxidation und der Chemodenitrifikation bilden sich Eisen(III) Minerale, die als hochreaktive Sorptionsflächen für Nährstoffe oder Schadstoffe, wie Arsen, dienen. Die Anwendung von wenig bis gar keinem Dünger verschiebt die Redoxbedingungen in Richtung Eisenreduktion, was zur Remobilisierung von Arsen führt. Ziel dieser Studie war es daher, Bedingungen zu finden, unter denen die geringste Arsenmobilisierung und niedrigsten Treibhausgasemissionen (d. h. N2O und Methan) auftreten, um Gesundheits- und klimarelevante Risiken zu minimieren. In einem 129-Tage Laborexperiment mit Reisboden aus Vercelli, Italien, haben wir Nitratdünger in unterschiedlichen Konzentrationen und zu verschiedenen Zeitpunkten zugegeben. Arsen wurde nach der Düngergabe schnell zurückgehalten, jedoch nach dem Nitratverbrauch ebenso schnell wieder mobilisiert. Nur die höchste Düngergabe konnte Arsen langfristig an Eisenminerale binden. Unabhängig der Düngerkonzentrationen, waren die N2O Emissionen ähnlich hoch. Dies zeigt, dass die Häufigkeit und Konzentration der Düngung entscheidend sind, um Arsenmobilität und N2O Emissionen zu kontrollieren. In derselben Studie waren Gallionellaceae unter Nitratdüngung stärker vertreten. Wir haben es außerdem geschafft, eine erste lithoautotrophe, nitrat-reduzierende, eisen-oxidierende Kultur aus einem Boden anzureichern, die von Gallionellaceae dominiert wird. Wir quantifizierten das Ausmaß der Nitratreduktion, der Eisenoxidation und identifizierten N2O als Hauptprodukt der Denitrifikation. Die Abbildung der experimentellen Daten mit einem prozessbasierten mathematischen Modell hat gezeigt, dass nicht das gesamte N2O biologischen Ursprungs war. 99,5 bis 98,6% des N2O und 99,8 bis 98,6% der Eisenoxidation konnten der Chemodenitrifikation unter autotrophen und mixotrophen Bedingungen zugeschrieben werden. Außerdem konnten wir zeigen, dass labile, bioverfügbare organische Kohlenstoffverbindungen (z.B. Acetat) die mikrobielle Zusammensetzung stark beeinflussten, wodurch heterotrophen Denitrifizierer (Dechloromonas sp., Acidovorax sp., Zoogloea sp., Parvibaculum sp.) in ihrer Abundanz stiegen. Die Datenanalyse mit Hilfe verschiedener Modellstrukturen, die unser Prozessverständnis und deren Quantifizierung widerspiegeln, verdeutlichen, dass die Eisenoxidation und N2O Produktion unter Acetat-Einfluss größtenteils biotisch bedingt war. Zusammenfassend konnten wir Dynamiken in der Arsenmobilität und den N2O Emissionen unter verschiedenen Nitratdüngungen untersuchen und Mikroorganismen identifizieren und anreichern, die für die nitratabhängige Eisenoxidation in Reisfeldern verantwortlich sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Arsen in Grundwasser und Reis — Ursachen und Konsequenzen. BIOspektrum, 26(6), 676-678.
  Joss, Hanna; Muehe, E. Marie & Kappler, Andreas
  
• Simultaneous minimization of arsenic mobilization and nitrous oxide emission under nitrogen fertilization in paddy soils. Goldschmidt2021 abstracts. European Association of Geochemistry.
  Joss, Hanna; Joshi, Prachi; Maisch, Markus; Zhu, Yong-Guan; Muehe, E. Marie; Zarfl, Christiane & Kappler, Andreas
  
• Microorganisms control greenhouse gas emissions and arsenic mobility in nitrogen-fertilized paddy soils. Microbiology and Infection Biology Day, CMFI Exzellenzcluster
  Grimm, H. & Kappler, A.
  
• Simultaneous minimization of arsenic mobilization and nitrous oxide emission under nitrogen fertilization in paddy soils. ACS Spring
  Joss, H., Joshi, P., Maisch, M., Zarfl, C., Muehe, E. M. & Kappler, A.
  
• Simultaneous minimization of arsenic mobilization and nitrous oxide emission under nitrogen fertilization in paddy soils. World Congress of Soil Sciences
  Grimm, H., Drabesch, S., Maisch, M., Joshi, P., Zarfl, C., Muehe, E. M. & Kappler, A.
  
• Arsenic immobilization and greenhouse gas emission depend on quantity and frequency of nitrogen fertilization in paddy soil. Heliyon, 10(16), e35706.
  Grimm, Hanna; Drabesch, Soeren; Nicol, Alan; Straub, Daniel; Joshi, Prachi; Zarfl, Christiane; Planer-Friedrich, Britta; Muehe, E. Marie & Kappler, Andreas
  
• Nitrous oxide is the main product during nitrate reduction by a novel lithoautotrophic iron(II)-oxidizing culture from an organic-rich paddy soil. Applied and Environmental Microbiology, 91(1).
  Grimm, Hanna; Lorenz, Jennifer; Straub, Daniel; Joshi, Prachi; Shuster, Jeremiah; Zarfl, Christiane; Muehe, E. Marie & Kappler, Andreas