Mineraloberflächen als Brennpunkt für Mikroorganismen und Elementkreisläufe in den Biodiversitäts-Exploratorien

Kostenneutrale Verlängerung 2023-2024

Bodenminerale besitzen reaktive Oberflächen, an die organische Substanz und Nährstoffe binden und so vor schnellem Abbau, Mineralisierung und Auswaschung geschützt werden können. Mineraloberflächen werden auch von einer Vielzahl an Mikroorganismen besiedelt. Somit entsteht ein einzigartiger Lebensraum, die sogenannte Mineralosphäre. Bisher wissen wir wenig darüber, wie Landnutzung und Biodiversität die Zusammensetzung der Mineralosphäre beeinflussen. Das Wechselspiel zwischen mikrobieller Besiedlung einerseits sowie Bindung und Freisetzung von organischer Substanz andererseits hat jedoch unmittelbare Auswirkungen auf die Speicherung und Verfügbarkeit von Kohlenstoff und Nährstoffen.

Abbildung: Das Foto zeigt ein Stück Erde mit Grasbewuchs, das auf einem runden flachen Mineral-Container liegt und von zwei Händen in weißen Latex-Handschuhen vor die Kamera gehalten wird. Die Größe des Erdstücks beträgt circa zwölf Zentimeter Höhe und circa fünfzehn Zentimeter im Durchmesser. In der Erde sind viele überwiegend feine Wurzeln zu erkennen. Auf der Oberfläche des Erdstücks wachsen lange Grashalme. Im Hintergrund des Fotos sind eine Wiese und eine Reihe belaubter Bäume unter einem blauen Himmel mit einzelnen Wolken zu sehen.

Hintergrund

Um die Prozesse in der Mineralosphäre genauer zu untersuchen, haben wir im Jahr 2015 in den Biodiversitäts-Exploratorien Mineralbeutel in den Böden unter Wald und Grünland installiert. Dazu wurden kohlenstofffreie Gemische aus Sand und Illit (Tonmineral) bzw. Goethit (Eisenoxid) in 5 cm Tiefe auf allen 300 Experimentierflächen (EPs) und in 25 cm Tiefe auf allen intensiv untersuchten Flächen (VIPs) eingebracht. Im Wald wurden die Minerale außerdem direkt unter den organischen Auflagen platziert.

Hypothesen

Nachdem die Mineralbeutel 5 Jahre im Feld verblieben, wurden sie im Jahr 2020 wieder entnommen. Wir vermuten, dass Art und Intensität der Landnutzung, Biodiversität und Bodentiefe Einfluss nehmen auf: (1) die Menge, Zusammensetzung und Stabilität der an Bodenminerale gebundenen organischen Substanz, (2) die Nährstoffanreicherung, (3) die Zusammensetzung und Aktivität der sich etablierten mikrobiellen Gemeinschaften und (4) die Minerale und ihre Oberflächeneigenschaften.

Methoden

Diese Aspekte werden mit den Mineralbeuteln sowie in dem sie umgebenden Boden von einem interdisziplinären Team untersucht. Dazu nutzen wir eine Reihe moderner analytischer Methoden aus den Bereichen der Mineralogie, Biogeochemie und Mikrobiologie. Unser gemeinschaftlicher Forschungsansatz wird erstmalig Einblicke in die sich im Grünland und Wald in natürlicher Umgebung und unter realer Landnutzungsintensität entwickelnden Mineralosphären ermöglichen.

Abbildung: Das Foto zeigt auf einer Wiese neben einer umzäunten Klimamess-Station zwei im Gras knieende Wissenschaftler, die mit Grabungsarbeiten beschäftigt sind. Benutzt werden ein kleiner Spaten und eine Handschaufel. Vor dem Wissenschaftler rechts im Bild liegt ein transparenter leerer Beutel auf dem Gras. Hinter den Männern liegt eine circa zwei Meter lange graue Plane, auf der sich etwas Erd-Aushub befindet. Links von der Plane kniet eine Wissenschaftlerin und schaut den Männern zu.

Abbildung: Das Foto zeigt über dem Boden einer Wiese links im Bild eine Handfläche, auf der ein Mineral-Container liegt. Die Hand steckt in einem blauen Latex-Handschuh. Rechts im Bild sieht man eine ebenfalls behandschuhte Hand, die ein großes Stück Erdkrume festhält, das auf die Seite gedreht wurde. Unten an der Krume befindet sich eine kreisförmige, vertiefte Stelle, an der sich der Mineral-Container befand. Innerhalb des Kreises ist ein Geflecht vieler feiner Wurzeln sichtbar.

Abbildung: Das Foto zeigt den Aufbau eines Mineral-Containers zum Ausbringen beziehungsweise Installieren von Mineralgemischen in die Böden von Wald und Grünland. In seiner linken Hand hält ein Wissenschaftler das runde flache Metallbehältnis für das Gemisch. Das Behältnis hat einen Durchmesser von circa zehn Zentimetern und ist insgesamt circa einen Zentimeter hoch. Es besteht aus zwei miteinander verschraubten Scheiben, zwischen denen sich eine Lage durchlässiges Material befindet. Ungefähr einen Zentimeter vom Rand der oberen Scheibe entfernt befindet sich eine umlaufende Erhöhung von wenigen Millimetern Höhe und Dicke. Innerhalb der Erhöhung ist das Mineralgemisch platziert. Das Gemisch wird fixiert durch eine durchlässige textile Kappe, die über die Erhöhung gezogen wird. Im Bild ist zu sehen, wie die rechte Hand des Wissenschaftlers die abgezogene Kappe zwischen dem Zeigefinger und einer Messerklinge festhält. Beide Hände stecken in blauen Latex-Handschuhen.

Abbildung: Das Foto zeigt von oben fotografiert einen Boden, der mit welkem Laub und Zweigen bedeckt ist. Zwischen den Blätter liegt teilweise verdeckt ein Mineral-Container.

Publikationen

Formation of mineral-associated organic matter in temperate soils is primarily controlled by mineral type and modified by land use and management intensity

Bramble D.E., Ulrich S., Schöning I., Mikutta R., Brandt L., Poll C., Kandeler E., Mikutta C., Konrad A., Siemens J., Yang Y., Polle A., Schall P., Ammer C., Kaiser K., Schrumpf M. (2024): Formation of mineral-associated organic matter in temperate soils is primarily controlled by mineral type and modified by land use and management intensity. Global Change Biology 30 (1), e17024. doi: 10.1111/gcb.17024

Mineral type versus environmental filters: What shapes the composition and functions of fungal communities in the mineralosphere of forest soils?

Brandt L., Poll C., Ballauff J., Schrumpf M., Bramble D. S., Schöning I., Ulrich S., Kaiser K., Mikutta R., Mikutta C., Polle A., Kandeler E. (2024): Mineral type versus environmental filters: What shapes the composition and functions of fungal communities in the mineralosphere of forest soils? Soil Biology and Biochemistry 190: 109288. doi: 10.1016/j.soilbio.2023.109288

Mineral type and land-use intensity control composition and functions of microorganisms colonizing pristine minerals in grassland soils

Brandt L., Stache F., Poll C., Bramble D. E., Schöning I., Schrumpf M., Ulrich S., Kaiser K., Mikutta R., Mikutta C., Oelmann Y., Konrad A., Siemens J., Kandeler E. (2023): Mineral type and land-use intensity control composition and functions of microorganisms colonizing pristine minerals in grassland soils. Soil Biology and Biochemistry 182, 109037. doi: 10.1016/j.soilbio.2023.109037

Einfluss der Landnutzungsintensität von Grünlandflächen auf die mikrobielle Besiedlung von Goethit und Illit

Stache F. (2022): Einfluss der Landnutzungsintensität von Grünlandflächen auf die mikrobielle Besiedlung von Goethit und Illit. Master thesis, University Hohenheim

Exploring C dynamics on mineral surfaces under different management scenarios in temperate forests

Erforschung der C-Dynamik auf mineralischen Oberflächen unter verschiedenen Bewirtschaftungsszenarien in Wäldern der mittleren Breiten

Mainka M. (2022): Exploring C dynamics on mineral surfaces under different management scenarios in temperate forests. Master thesis, University of Hohenheim