Mikrobielle Speicherstoffe: Unterschätzte Komponenten des Bodenkohlenstoffkreislaufes?

• Antragsteller: Dr. Callum Banfield
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434040903

Die mikrobielle Transformation organischer Bodensubstanz ist von zentraler Bedeutung für Boden-Klima-Interaktion, Pflanzenernährung und Ökosystemgesundheit. Generell wird angenommen, dass Mikroorganismen Kohlenstoff (C) aufnehmen, um diesen als Energiequelle zu veratmen oder für Zellwachstum zu nutzen, was oft der Zellreplikation gleichgesetzt wird. Auf dieser Annahme basieren stöchiometrisch-ökosystemare Konzepte, welche mikrobielle C-Transformationen mit Nährstoffverfügbarkeiten koppeln. Jedoch lassen Studien an Reinkulturen Zweifel an diesem engen Konzept aufkommen, da verschiedenste Archaeen, Bakterien und Pilze Energie und Kohlenstoff in Form intrazellulärer Speicherstoffe speichern können. Obwohl diese Speicherstoffe äußerst bedeutsam für die mikrobielle Aktivität unter sich ändernden Umweltbedingungen sein können, sind sie bislang wenig untersucht. Erste Arbeiten zeigten, dass Speicherstoffe nativ im Boden vorkommen, unter hoher C-Verfügbarkeit gebildet werden aber ihre Bildung unter hoher Nährstoffverfügbarkeit unterdrückt wird. Saisonale Fluktuationen von Speicherstoffen wurden nachgewiesen und könnten die Basis anhaltender mikrobieller Aktivität im Winter sein. Eine systematische Untersuchung der quantitativen und funktionellen Relevanz mikrobieller Speicherstoffe in Böden steht jedoch bisher noch aus. Dieses Projekt wird vier zentrale Speicherstoffe (Triacylglyceride, Polyhydroxyalkanoate, Glykogen, Trehalose) unter Dauergrünland mithilfe der Kombination komponentenspezifischer Analytik, deren Kopplung mit 13C-Isotopenmarkierung und der Bestimmung mikrobieller Biomasse sowie der Zusammensetzung und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft untersuchen. Das Projekt beinhaltet fünf Arbeitspakete (WP): WP 1 überträgt Analysemethoden zur Glykogen- und Trehalosequantifikation auf Böden und erweitert sie um deren 13C-Messung zum Nachweis ihrer Neusynthese. WP 2 quantifiziert die C-Allokation in die vier Speicherstoffe unter verschiedenen Nährstoffverfügbarkeiten und wird zeigen, wie sich akkumulierte Speicherstoffe auf die Nutzung nachfolgend eingebrachter C-Quellen auswirken. WP 3 erweitert diese Erkenntnisse auf ein Boden-Pflanzen-System mittels 13CO2-Begasung um erstmalig die Synthese von Speicherstoffen aus Photoassimilaten zu bestimmen. WP 4 hat zum Ziel die Erkenntnisse auf der Feldebene um den Aspekt der Saisonalität von Speicherstoffvorräten zu erweitern. Letztlich vereinigt WP 5 alle Ergebnisse dieser WP mittels Modellierung durch Erweiterung des bestehenden SMMARTS-Models um Speicherstoffe. Dies erlaubt erweiternd die Simulationen der mikrobiellen Variabilität und Dynamik. Dieses Projekt betrachtet zentrale Speicherstoffe auf verschiedensten Skalen (Labor, Feld, Modellierung), um deren Relevanz für C- und N-Kreis zu eruieren. Dabei wird dieses Projekt nicht nur die Methoden sondern auch neue Erkenntnisse zur Integration mikrobieller Speicherstoffe in der Bodenökologie und -biogeochemie liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen