Können eisenmetabolisierende Bakterien das Schicksal des Kohlenstoffs beim Auftauen des Permafrosts kontrollieren?
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die weltweit steigenden Temperaturen führen zum Auftauen von Permafrostböden, wodurch organischer Kohlenstoff (OC) in Form von Treibhausgasen (THG) freigesetzt und der Klimawandel verstärkt wird. Genaue Vorhersagen über das Ausmaß von THG-Emissionen sind jedoch noch nicht möglich, da der Abbau von OC von mikrobiellen Abbauraten abhängt, über die nur wenig bekannt ist. Ein Faktor, der den mikrobiellen Abbau beeinflusst, ist die Bioverfügbarkeit von OC, die durch Adsorption an oder Kopräzipitation mit reaktiven Eisenmineralen unter oxischen Bedingungen im Vergleich zu ungebundenem, gelöstem OC sowohl unter oxischen, als auch anoxischen Bedingungen verringert ist. Wir haben vor kurzem gezeigt, dass das Auftauen des Permafrosts zu Staunässe und Anoxie führt, was eine mikrobielle Reduktion und Auflösung von Fe(III) Mineralen zur Folge hat, die das damit verbundene OC freisetzt und damit die Netto-THG-Emissionen und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflusst. In diesem Projekt wollten wir (i) die potenzielle (maximale) Menge und chemische Zusammensetzung von Fe-gebundenem OC, (ii) die Auswirkungen auf THG-Emissionen bei mikrobieller Reduktion von Fe-OC-Assoziationen und (iii) die wichtigsten mikrobiellen Akteure bei der Bildung und Auflösung von Fe-OC-Assoziationen verstehen. Wir untersuchten diese Prozesse über einen Permafrost-Taugradienten von intaktem Permafrost („Palsa“) über teilweise aufgetaute Hochmoore („Bog“) bis hin zu vollständig aufgetauten Niedermooren („Fen“). Unsere wichtigsten Ergebnisse sind: (i) Die potenzielle maximale Menge an gebundenem OC durch Adsorption nahm im Fen im Vergleich zu Palsa- und Bog-Böden um mehr als 50% ab. Dies war auf einen steigenden pH-Wert sowie auf eine Verschiebung der ursprünglichen OC-Zusammensetzung zurückzuführen. Außerdem haben gebildete Fe-Minerale selektiv mehr aromatisches und höhermolekulares OC gebunden, so dass mehr bioverfügbares OC in Lösung blieb. (ii) Fe-OC-Assoziationen wurden durch mikrobielle Reduktion im Palsa und Bog bei der Etablierung anoxischer Bedingungen aufgelöst, während sie im Fen nur teilweise gelöst wurden. Die Auswirkungen auf die sich daraus ergebenden Änderungen der THG hingen von dem Bodentyp ab, wobei die CO2-Emissionen im Palsa- und Bog aufgrund der anaeroben Atmung von OC zunahmen. Die Methan (CH4) Emissionen im Bog und Fen wurden durch die mikrobielle Fe(III) Reduktion unterdrückt. Daraus schließen wir, dass Fe Minerale unter zukünftigen Bedingungen in auftauenden Permafrostböden keine effektive OC-Senke darstellen. (iii) Fe(III)-reduzierende und Fe(II)-oxidierende Mikroorganismen wurden aus den verschiedenen Auftaustadien angereichert, incl. die ersten phototrophen Fe(II)-oxidierenden Mikroorganismen aus einem Boden. Dass es möglich war, diese an unterschiedliche Lichtverhältnisse angepassten Mikroben von verschiedenen Orten des Permafrostsystems anzureichern, macht ihre Bedeutung und ihre potenzielle Rolle im Eisen- und Kohlenstoffkreislauf deutlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Emerging investigator series: preferential adsorption and coprecipitation of permafrost organic matter with poorly crystalline iron minerals. Environmental Science: Processes & Impacts, 26(8), 1322-1335.
Voggenreiter, Eva; Schmitt-Kopplin, Philippe; ThomasArrigo, Laurel; Bryce, Casey; Kappler, Andreas & Joshi, Prachi
