Neue DFG-Forschergruppe unter Federführung der Universität Gießen beschäftigt sich mit der Denitrifikation
Welche Bedeutung hat die mikrobielle Stickstoff-Freisetzung aus dem Boden für den Klimawandel? Mit dieser Frage beschäftigt sich eine neue Forschergruppe, die die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) fördert. Trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung können die Auswirkungen der mikrobiellen Umwandlung des im Nitrat gebundenen Stickstoffs zu gasförmigem Stickstoff und zu Stickoxiden (Denitrifikation) noch nicht zuverlässig vorhergesagt werden. Die neue DFG-Forschergruppe „Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales (DASIM)“ beleuchtet mit analytischen und molekularbiologischen Methoden sowie mit Freiland-Experimenten und verschiedenen Modellansätzen den Prozess der Denitrifikation von der Mikroskala zur Feldskala.
Die DFG fördert das Projekt DASIM zunächst für drei Jahre mit 3,15 Milllionen Euro. Neben der federführenden JLU (Sprecher: Prof. Dr. Christoph Müller, Institut für Pflanzenökologie) sind elf deutsche Universitäts- und Forschungsinstitute sowie zwei ausländische Kooperationspartner an der Forschergruppe beteiligt.
Die mikrobielle Umwandlung von organischem Stickstoff zu mineralischem und schließlich zu atmosphärischem Stickstoff (N2) geschieht unter sauerstoffarmen bzw. -freien Bedingungen. Klimarelevantes Lachgas (N2O) ist dabei ein Zwischenprodukt, dessen Freisetzung von verschiedenen Umweltfaktoren – zum Beispiel Feuchte und Temperatur – beeinflusst wird. Untersuchungen an der JLU im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts FACE2FACE haben gezeigt, dass sich die Lachgas-Freisetzungen mehr als verdoppeln, wenn erhöhte atmosphärische Kohlendioxidgehalte herrschen, wie sie gegen Mitte dieses Jahrhunderts erwartet werden.
Trotz intensiver Forschungen seit dem Ende des 19. Jahrhunderts können die Denitrifikationsraten und Emissionen der gasförmigen Produkte immer noch nicht zufriedenstellend vorhergesagt werden. Dieses liegt einerseits daran, dass geeignete analytische Methoden zur Messung von Stickstoff-Freisetzungen aus dem Boden fehlen. Die Schwierigkeit besteht vor allem darin, dass man relativ kleine Stickstoffmengen gegen einen immensen Hintergrund – die atmosphärische Stickstoff-Konzentration beträgt etwa 78 Prozent – zuverlässig bestimmen muss.
Ein weiteres Problem stellt die hohe Heterogenität des Bodens dar: Im Boden existieren sauerstoffreiche und sauerstoffarme Räume in direkter Nachbarschaft. Diese „Microsites“ können durch verschiedene mikrobielle Gemeinschaften und unterschiedliche Stickstoff-Umwandlungsprozesse geprägt sein. Denitrifikation findet beispielsweise nur unter anaeroben Bedingungen statt und ist vor allem in sogenannten „Hotspots“ besonders stark, die durch eine erhöhte organische Substanz charakterisiert sind.
Die Forschergruppe DASIM kombiniert nun die aktuellen Methoden (unter anderem Xray μCT, 15N Tracing, Nanosims, Mikrosensoren, NMR-Spektroskopie und Next-generation-Sequenzierung), um den Prozess der Denitrifikation mit einer bisher beispiellosen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu untersuchen. Die neuen Erkenntnisse sollen dazu dienen, neue mathematische Modelle von der Mikroskala zur Feldskala zu entwickeln und vorhandene Simulationsmodelle zu verbessern. Diese Modelle sollen unter anderem dazu genutzt werden, die gasförmigen Stickstoff-Freisetzungen (unter anderem N2O, N2) unter einem sich ändernden Klima vorherzusagen.
Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Müller, PhD.
Institut für Pflanzenökologie
Telefon: 0641 99-35301
E-Mail: pflanzenoekologie@bot2.bio.uni-giessen.de
