Geochemische Verteilungsmuster und mikrobieller Beitrag zur Eisen Plaque-Bildung in der Rhizosphäre von Reispflanzen (Oryza sativa)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kappler; Dr. Caroline Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271022541

Reis ist das Grundnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. 80 Prozent des weltweiten Reisernteertrags werden in Nassreisanbau erzeugt. Durch diese Methode entstehen reduzierte Bedingungen im Boden, wodurch die mikrobielle Produktion des Treibhausgases Methan stimuliert wird. Diese Voraussetzungen bieten allerdings auch optimale Bedingungen für die mikrobielle Reduktion von Eisen(III)mineralen. Durch diesen Prozess wird der Boden mit gelöstem Eisen(II) angereichert. Eisen(III)minerale sind durch ihre ausgeprägte Oberflächenaktivität gekennzeichnet, wodurch Nährstoffe und Schadstoffe (z.B. Arsen in Südostasien) immobilisiert werden. Die Reduktion dieser Minerale hat zur Folge, dass sorbierte Stoffe mobilisiert und für die Pflanze verfügbar gemacht werden. Reispflanzen haben eine Strategie zur Vermeidung der erhöhten Eisen(II)aufnahme (Eisentoxizität) in reduzierten Böden entwickelt. Hierbei wird Sauerstoff in die Wurzeln transportiert und über diese abgeben, so dass gelöstes Eisen(II) an der Wurzeloberfläche oxidiert und als Eisen(III)plaque abgelagert wird. Durch diese Mineralbildung wird die Sorptionskapazität des Bodens deutlich erhöht. Bislang sind die genauen geochemischen und mikrobiologischen Prozesse, welche zur Eisen(III)plaquebildung beitragen und diese steuern unbekannt. Es wird vermutet, dass Eisen(II) oxidierende Bakterien in der Ausbildung von Eisen(III)plaque involviert sind. Jedoch wurde ihre räumlich Verteilung innerhalb der Rhizosphäre, sowie ihre Abundanz als zeitliche Funktion des Pflanzenwachstums und ihre Rolle im lokalen Eisenredoxkreislauf bisher noch nicht untersucht. Das Ziel des hier beantragten Projektes ist es den Beitrag der Eisen(II) oxidierenden Bakterien zur Eisen(III)plaquebildung zu bestimmen. In dem beantragten Projekt wird zunächst das biogeochemische und Eisenmineralogische Verteilungsmuster in der Rhizosphäre kartografisch erfasst und korreliert. Eisen(II)-oxidierende und Eisen(III) reduzierende Bakterien werden entlang der Redoxgradienten in der Rhizosphäre zu definierten Zeitpunkten des Pflanzenwachstums quantifiziert. Die Eisen(II)oxidationsraten und Eisen(III)reduktionsraten werden in Wachstumsexperimenten von Bakterien, welche aus einem natürlichen Reisnassfeldboden (Vercelli, Italien) isoliert wurden, bestimmt. Letztlich wird der mikrobielle Beitrag zur Eisen(III)plaquebildung experimentell bestimmt. Die Kombination der bevorstehenden Ergebnisse eröffnen neue Einblicke in die räumliche und zeitliche Stabilität, sowie in die Variabilität der mikrobiellen Eisen(III)mineralbildung und auflösung in der Reisrhizosphäre. Der zu erwartende Wissensgewinn bietet eine exzellente Grundlage für Forschunsgprojekte zur Schadstoff(im)mobilisierung durch Eisen(III)plaquebildung in Böden und dem Potential landwirtschaftlichen Reisanbau nicht nur zur Nahrungsmittelproduktion, sondern zeitgleich auch als Bodensanierungsmaßnahme zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen