Bodenporen beeinflussen die Kohlenstoffmineralisierung auf der Nanoskala (SoilPACMAN) – Untersuchung inwiefern die organische Bodenkohlenstoffdynamik lokal durch die organo-mineralische Mikroumgebung von Mikroben im Porenraum gesteuert wird

• Antragsteller: Dr. Steffen Schweizer
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505667051

Das Zusammenspiel organischer Substanz (OS) und mikrobiellen Zersetzern ist von grundlegender Bedeutung für die Dynamik und Persistenz organischen Kohlenstoffs in Böden. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass die räumliche Verteilung der organischen Substanz und ihre Zugänglichkeit für mikrobielle Zersetzung über verschiedene Porengrößen hinweg tiefgreifende Auswirkungen auf den Umsatz von Kohlenstoff im Boden haben. Eine Integration der Auswirkungen, die die biogeochemisch heterogene organisch-mineralische Mikroumgebung auf die Aktivität mikrobieller Bewohner haben kann, steht jedoch noch aus. Hier beantragen wir ein deutsch-französisches Gemeinschaftsprojekt, das komplementäres Fachwissen über physikalisch-chemische Kohlenstoffspeicherungsmechanismen und mikrobielle Kohlenstoffflüsse im Boden zusammenführt. Ein neuartiger Ansatz mittels Keramik mit eingestellter Porosität und mineralischer Beschichtung, der zu stabilen und kontrollierten physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mikroumgebung führt, wird verwendet, um dynamische mikrobielle Interaktionen auf biologisch relevanter Skala zu entschlüsseln. Dieser Ansatz wird es uns ermöglichen, den Einfluss reaktiver mineralischer Oberflächen und der Verteilung 13C-markierter OS in bestimmten Porengrößenklassen (<1, 5-10 vs. 20-30 µm) auf die mikrobielle Kohlenstoffdynamik durch Laborinkubationen zu testen. Unser korrelativ spektromikroskopischer Workflow, einschließlich NanoSIMS, wird die biogeochemische Charakterisierung lokaler Mikroumgebungen mit potenziell gegensätzlichen Auswirkungen auf die Kohlenstoffspeicherung ermöglichen. Es werden auch Inkubationsexperimente durchgeführt, um die Kohlenstoffdynamik unter mit dem Klimawandel verbundenen Störungen durch erhöhte Temperatur und ausgetrocknete und wiederbefeuchtete poröse Systeme zu analysieren. Wir erwarten damit aufzuklären, wie solche Störungen das lokale Zusammenspiel zwischen der organisch-mineralischen Mikroumgebung und der mikrobiellen Aktivität beeinflusst. Die gewonnenen Daten werden in eine ganzheitliche Modellbeschreibung integriert, die es ermöglicht, die Bedeutung verschiedener Merkmale der Mikroumgebung für die lokal unterschiedliche Dynamik des organischen Kohlenstoffs zu bewerten. Das Modellierungswerkzeug wird dazu beitragen, die Auswirkungen der räumlichen Mikrobenverteilung und ihrer lokalen Wechselwirkungen mit heterogenen Eigenschaften ihrer organisch-mineralischen Mikroumgebung besser zu verstehen und vorherzusagen. Unser neuartiger Mikrokosmos-Ansatz ermöglicht es, zugrunde liegende lokale Mechanismen der mikrobiellen Bodenkohlenstoffdynamik in einem komplexen Porenraum zu entschlüsseln. Dies wird zu einem erweiterten Verständnis der physikalischen und biogeochemischen Wechselwirkungen in der Mikroumgebung des Bodens beitragen, wo lokale Wechselwirkungen und eine ausgeprägte räumliche Architektur das Zusammenspiel mikrobieller Aktivitäten und den Umsatz organischen Kohlenstoff auf biologisch relevanter Skala steuern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Naoise Nunan; Dr. Xavier Raynaud