SPP1158 Antarctica

Mikrobiell induzierte Pedogenese: Mikroaggregate als Keimzelle für die initiale Bodenbildung

01.02.2025 bis 31.01.2029

In der Antarktis beginnt die Bodenentwicklung unmittelbar nach dem Rückzug der Eis- und Schneemassen. Unsere bisherigen Forschungsarbeiten in der Antarktis haben gezeigt, dass das terrestrische Mikrobiom schnell auf Umweltveränderungen reagiert und sich Bodenstruktur und Bodenaggregate mit ausgeprägter physikalischer Abgrenzung bilden. Wir gehen daher davon aus, dass die Prozesse der Bodenbildung zunächst räumlich segmentiert sind und im Inneren und auf Oberflächen von Aggregaten Mikrohabitate entstehen. Um die Interaktionen zwischen Mikroorganismen, initialer Bodenbildung und Mikrohabitaten besser zu verstehen, wollen wir daher Aggregatinneres und -äußeres separat untersuchen. Mit diesem Ansatz gehen wir über die etablierte Analyse der physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Eigenschaften von ganzen Aggregaten oder Aggregatgrößenfraktionen hinaus, deren räumliche Auflösung nicht hoch genug ist, um detaillierte Einblicke in initiale pedogene Prozesse einschließlich der mikrobiell induzierten Bodenbildung zu erhalten.

Dieser Ansatz erfordert neue Methoden und Strategien zur Kombination bestehender Messtechniken. Mit der Fluoreszenzmarkierung von Mikroorganismen auf Aggregatoberflächen und der Trennung von markierten und unmarkierten Zellen im Aggregatinneren mit der Durchflusszytometertechnik sollen jeweils die innere und äußere Sphäre von Aggregaten separat untersucht werden. Darüber hinaus werden die Messdaten der Bodenarchitektur und der Elementgehalte, die je nach Messtechnik unterschiedliche räumliche Auflösungen aufweisen, synchronisiert und mit den Daten der mikrobiologischen Analysen kombiniert. So können die unterschiedlichen Messverfahren (Mikromorphologie, Fluoreszenzmikroskopie, Röntgen-Computertomographie (µCT), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Sekundärionen-Massenspektrometrie im Nanobereich (NanoSIMS)) auf der Mikro- und Nanometerskala räumlich differenziert ausgewertet werden. Abschließend trainieren wir Algorithmen des maschinellen Lernens mit allen Analysedaten und modellieren erstmals die initiale Bodenbildung einschließlich des Mikrobioms.

Mit unserer Forschung wollen wir das Wissen erweitern, wie und in welchem Umfang Mikroorganismen die Bodenbildung in kalten Wüsten wie der Antarktis initiieren und fördern, sowie die Prozesse der polaren Bodenbildung und Lebensraumentwicklung für Mikroorganismen besser verstehen. Die erwarteten Ergebnissen können einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der biogeochemischen Kreisläufe (Forschungsthema C "Reaktion auf Umweltveränderungen") und der Bedeutung von Schlüsselarten (Forschungsthema D "Verbessertes Verständnis der polaren Prozesse und Mechanismen") für die Entwicklung terrestrischer Ökosysteme in der Antarktis unter dem Klimawandel leisten.