Mikrobielle Ingenieure - Treiber für die Entwicklung und Stabilisierung der Erdoberfläche

01.01.2019 bis 31.12.2021

Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle für die Ausbildung und Stabilisierung der Erdoberfläche. Sie stehen am Anfang der Entwicklung und binden initial Kohlenstoff und Stickstoff. Ihre Überreste und extrazelluläre Substanzen führen zur Aggregierung primärer Bodenpartikel. Jedoch ist weitgehend unklar welchen Einfluss Mikroorganismen auf die Entwicklung initialer Böden hin zu entwickelten Böden haben. Wir vermuten, dass zu Beginn der Bodenentwicklung bereits eine große Zahl funktionaler Gruppen von Mikroorganismen nebeneinander existieren, eine Dominanz einzelner Gruppen sich dagegen erst im Verlauf der Weiterentwicklung initialer Böden herausbildet. In ariden Gebieten sind biologische Krusten neben Mikroorganismen wesentliche Elemente der Habitatentwicklung und der Stabilisierung der Bodenoberfläche. Unter feuchteren Klimabedingungen bilden Pflanzen und ihr ausgedehntes Wurzelsystem, ein drittes zentrales Element der Strukturbildung in Böden, weil Pflanzen mit ihrem Wurzelsystem ebenso wie Biokrusten sehr eng mit Mikroorganismen interagieren.
Der Klimagradient entlang der Chilenischen Küstenkordilliere bietet bei gleichem Ausgangsgestein die einmalige Möglichkeit, kombinierte Effekte von Mikroorganismen, Biokrusten und Pflanzen auf die Bodenbildung zu analysieren. In der zweiten Förderphase wollen wir in drei Simulationsexperimenten untersuchen, wie Mikroorganismen alleine und zusammen mit Biokrusten und Pflanzen die Erdoberfläche formen und zur Bildung und Stabilisierung von Böden beitragen.
In ClimSim arbeiten wir im Labor mit gestörten Proben aus den trockenen nördlichen Untersuchungsgebieten und simulieren feuchtere Klimabedingungen mit und ohne Mikroorganismen sowie mit Bodenkrusten oder Pflanzen. Diese Simulation soll zeigen wie sich aus mineralischem Ausgangsmaterial unter veränderten Klimabedingungen Böden entwickeln. In SoilSim arbeiten wir mit ungestörten Bodenmonolithen aus allen Untersuchungsgebieten, um die Nähe zum natürlichen Standort herstellen zu können. Hier werden wir untersuchen wie ein natürlicher Boden unter höheren Niederschlägen reagiert und dabei vertikale Flüsse und Wechselwirkungen zwischen Bodenhorizonten berücksichtigen. In EroSim untersuchen wir den Einfluss von Biokrusten auf die Stabilisierung der Oberfläche und damit auch auf die Böden unter natürlichen Bedingungen entlang des Klimagradienten in allen vier Untersuchungsgebieten. Weiterhin analysieren wir die kombinierte Wirkung von Mikroorganismen, Biokrusten und Pflanzenwurzeln zur Stabilisierung der Erdoberfläche mittels Niederschlagssimulation anhand von Proben aus den Laborexperimenten.
Es werden im beantragten Projekt neben modernen mikrobiologischen und bodenwissenschaftlichen Methoden sowie Techniken aus der Bodenerosionsforschung, hochauflösende bildgebende und isotopenchemische Verfahren aus Mikromorphologie und Bodenkunde (ESEM-EDX, NanoSIMS) kombiniert. Diese dienen dazu die Mechanismen der Bodenbildung und -stabilisierung durch Mikroorganismen in Wechselwirkung mit Bodenkrusten und Pflanzenwurzeln zu erkennen und grundlegend zu verstehen.