Einfluss von bakterieller Biomasse auf die Benetzbarkeit von Bodenpartikeln unter variablen Feuchtebedingungen

Die Benetzbarkeit von Partikeloberflächen ist für eine Vielzahl von Prozessen in Böden, wie Fluidbewegung und -verteilung, Transport und Sorption von Kolloiden und organischen Molekülen sowie für die biologische Aktivität von großer Bedeutung. Geringe Benetzbarkeit von Bodenpartikeln wird in der Regel auf die Adsorption organischer Substanzen pflanzlichen oder pilzlichen Ursprungs zurückgeführt. Neuere Untersuchungen weisen auf eine mögliche Beteiligung bakterieller Biomasse an der Entwicklung von Benetzungshemmung hin. Bisher ist jedoch unklar, in welchem Ausmaß bakterielle Zellen und deren Fragmente zum Auftreten und zur Persistenz von Benetzungshemmung in Böden beitragen und ob die Adaptation von Bakterien an Wasser- und Salzstress eine mögliche Erklärung für die häufig beobachtete Veränderung der Benetzbarkeit bei starker Austrocknung darstellt. Unser Vorhaben will diese Fragen mit einer Reihe eng vernetzter Experimente klären, indem (1) Faktoren und Bedingungen, die die Benetzbarkeit bakterieller Zellwandoberflächen steuern, analysiert werden, (2) untersucht wird, wie die Oberflächeneigenschaften bakterieller Biomasse die Benetzbarkeit von Zell-Mineral-Assoziationen beeinflussen, (3) die biologische und physikalische Stabilität von Zell-/Fragment-Mineral-Assoziationen evaluiert wird und (4) mögliche Rückkopplungen der Partikelbenetzbarkeit auf die Aktivität und Oberflächeneigenschaften von Bakterien untersucht werden. Zunächst werden in künstlichen Systemen reine Bakterienkulturen unterschiedlichen Stressbedingungen ausgesetzt (Trocken- und Salzstress) und danach die Bakterienzellen bzw. Zellfragmente mit Bodenpartikeln vermischt. Die Oberflächeneigenschaften der Zellen, Minerale und Assoziationen werden mittels eines innovativen Ansatzes durch Kombination physikalischer Untersuchungen (Kontaktwinkelmessung, Berechnung von Oberflächenenergien) mit Analysen der chemischen Oberflächenstruktur (Röntgenphotoelektronenspektroskopie, XPS) und der nanomechanischen Oberflächeneigenschaften (Rasterkraftmikroskopie, AFM) charakterisiert. Die kombinierte Anwendung dieser Methoden wird zu einem vertieften Verständnis der Mechanismen von Zellwandoberflächenveränderungen und der Wechselwirkungen zwischen Mineralpartikeln und Bakterien beitragen, welches eine wichtige Grundlage für die Aufklärung der Persistenz der beobachteten Effekte darstellt. Die Analyse der Phospholipidfettsäuren in unterschiedlich stark ausgetrockneten Böden werden erste Informationen über eine Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft durch Trockenstress und über Bakterien mit großem Einflusspotenzial auf die Benetzbarkeit von Bodenpartikeln liefern. Die Identifizierung von Biomarkern mit engem Bezug zu den Zelloberflächeneigenschaften wird potenziell eine Abschätzung der Zellbenetzbarkeit in komplexeren Systemen wie Böden erlauben. Die Synthese der in diesem Projekt erhobenen Daten wird in hohem Maß zu einem mechanistischen Verständnis der Prozesse und Kontrollgrößen, die für Entwicklung und Dynamik von mikrobiell-beeinflusster Benetzungshemmung relevant sind, beitragen.