Bodenoberflächen prognostizieren bakterielle Funktionen

Böden sind ein wichtiger Speicher und eine Quelle für atmosphärischen Kohlenstoff. Im Boden befinden sich Mikroorganismen, die als Motoren für die Umsetzung dieses Kohlenstoffes gelten. Insbesondere Bakterien, die mit einer Zahl von einer Milliarde Zellen pro Gramm Boden zu finden sind, spielen hier eine wichtige Rolle. Sie tragen wesentlich zum Abbau des organischen Kohlenstoffes, als auch zur Speicherung und eventuellen Freisetzung als CO2 bei. Die Aktivität dieser Mikroorganismen hat demnach große Bedeutung für globale Nährstoffkreisläufe, nicht zuletzt in Anbetracht des Klimawandels und dem damit einhergehenden Anstieges der CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Um bakterielle Aktivitäten besser zu verstehen, ist es notwendig die räumliche Komplexität ihres Lebensraumes zu betrachten. Boden ist ein poröses System, wobei die Feststoffe hauptsächlich mineralischer Natur sind. Dazwischen befinden sich Hohlräume, sogenannte Poren, deren Oberflächen von Bakterien besiedelt werden. Die Fläche an Porenraum hängt stark von der mineralischen Zusammensetzung eines Bodens ab: stark tonhaltige Böden weisen bis zu tausendfach größere Oberflächen auf als sandige Böden. Viele dieser Poren befinden sich allerdings in Größenskalen unterhalb eines durchschnittlichen Bakteriums. Größere Oberflächen im Porenraum werdenin der wissenschaftlichen Literatur bislang mit dem Potential zu erhöhter Kohlenstoffspeicherung in Verbindung gebracht, ohne jedoch zu berücksichtigen, dass die biologischen Katalysatoren der Umsetzung (Bakterien), aufgrund ihrer Größe nur einen Teil der Gesamtporenfläche besiedeln können. Daher ist es bislang nicht gelungen, einen allgemeingültigen Zusammenhang zwischen Bodenmineralogie und mikrobiellen Prozessen wie z.B. der Freisetzung von CO2 zu finden. Im Rahmen dieses Projektes legen wir den erstmalig Fokus auf die Erfassung der für Bakterien verfügbaren Oberfläche im Porensystem verschiedener Böden. In einem multidisziplinären Ansatz werden dabei Methoden der Bodenphysik mit mikrobieller Ökologie verknüpft. Die Anwendung nicht- invasiver Mikrotomographie erlaubt die Rekonstruktion des Porenraumes in Bodenproben inklusive der Vermessung derjenigen Oberflächen, die für bakterielle Besiedelung zur Verfügung stehen. Zusammen mit der nachfolgenden Erfassung bakterieller Zellzahlen erlaubt dieser Ansatz eine datenbasierte Einschätzung zu bakteriellen Populationsdichten in verschiedensten Böden. Gleichzeitig werden die Proben einer Reihe an Messungen unterzogen, um funktionelle Parameter bakterieller Aktivität zu bestimmen. Diese Daten werden es ermöglichen, Zusammenhänge zwischen Oberfläche des Porenraumes, bakterieller Populationsdichte und mikrobieller Funktionen zu ermitteln. Die erfolgreiche Ermittlung solcher Muster könnte es ermöglichen, bestimmte Funktionen von Bakterien, zum Beispiel im Zusammenhang mit Kohlenstoffumsetzung, auf Basis weniger bodenphysikalischer und mikrobiologischer Messungen vorhersagen zu können.