Produktion extrazellulärer polymerer Substanzen in bodenähnlichen Systemen – die Rolle von Nährstoffungleichgewichten, der Wasserverfügbarkeit und der Anwesenheit mineralischer Oberflächen

• Antragstellerin: Dr. Cordula Vogel
• Subject Area: Bodenwissenschaften
• Term: from 2019 to 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 418940907

Extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) sind eine Mischung verschiedener Verbindungen, die Polysaccharide (EPS-PS) und Proteine beinhalten. Verschiedene Funktionen von EPS für Mikroorganismen lassen vermuten, dass EPS bestimmte Bodenfunktionen wie Aggregierung und Wasserspeicherung beeinflussen. Obwohl verschiedene Bodenmikroorganismen die Fähigkeit zur EPS-Produktion besitzen, ist unklar ob und wie viel sie im Boden in situ produzieren. Vermutlich bestimmt das Zusammenspiel zwischen Mikroorganismen und den Bedingungen im Boden die mikrobielle Produktion. Allerdings ist unklar wie z.B. fehlende oder überschüssige Nährstoffe, die Wasserverfügbarkeit oder mineralische Oberflächen die EPS-Produktion beeinflussen. Daher besteht das Hauptziel darin, die wichtigsten Einflussfaktoren der EPS-Produktion (Menge, Zusammensetzung, räumliche Ausbreitung) in bodenähnlichen Systemen zu ermitteln. Auf diese Weise wollen wir die Bedeutung von EPS für Böden abschätzen. Hauptsächlich wird der Einfluss der Nährstoffzufuhr (C, N, P), der Wasserverfügbarkeit und mineralischer Oberflächen näher untersucht. Dabei wird die EPS-Produktion durch eine Reihe experimenteller Ansätze mit steigender Komplexität von wässrigen Lösungen, über sogenannte „soil chips“ bis hin zu artifiziellen Bodensystemen mit einer Kombination aus Extraktionsverfahren und Bildgebung untersucht. Darüber hinaus werden die Effektivität der Extraktionsverfahren und die Verwendbarkeit von Bildgebung mittels µCT in Kombination mit Kontrastmitteln für die Untersuchung der räumlichen Ausbreitung von EPS untersucht und die Methoden weiterentwickelt. Zunächst werden Produktion und Zusammensetzung von EPS-PS im Flüssigmedium mittels Mikroplatten-Testgefäßen unter verschiedenen Umweltbedingungen getestet. Neben dem Gesamtzuckergehalt wird auch die Zusammensetzung der Monomere mittels Ultrahochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie gekoppelt mit einem Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometer bestimmt. In der nächsten Komplexitätsstufe verwenden wir transparente Mikromodelle, sogenannte "soil Chips". Dabei untersuchen wir die Produktion von EPS in Abhängigkeit der Nährstoffzufuhr und der Wasserverfügbarkeit in verschiedenen Porengrößenverteilungen. Die neue Technik gibt uns die Möglichkeit, EPS mittels Lektinfärbung durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie zu untersuchen. Dies gibt uns Einblicke in die räumliche Ausbreitung von EPS, die durch verschiedene Umwelteinflüsse gesteuert wird. Im letzten Schritt untersuchen wir artifizielle Bodensysteme und fügen damit die dritte Dimension (3D) hinzu. In diesen 3D-Systemen untersuchen wir das komplexe Zusammenwirken aller Einflussfaktoren. Mit der einzigartigen Kombination von Extraktionsverfahren und Bildgebung werden wir die wichtigsten Einflussgrößen auf die EPS-Produktion herausfinden und die quantitative Bedeutung von EPS in bodenähnlichen Systemen abschätzen. Darüber hinaus liefern wir die Basis für Messprotokolle, um EPS in situ untersuchen zu können.

• DFG Programme: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Karsten Kalbitz