The role of colloids and nanoparticles in the soil microaggregate formation, stability, and architecture

Krause, Lars; Klumpp, Erwin (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Der Boden repräsentiert ein dynamisches und hoch-komplexes Ökosystem auf einer kleinen räumlichen Skala. Ökologische und physikalische Funktionen des Bodens wie z.B. die Bereitstellung mikrobieller Habitate, sowie Speicherung von organischem Kohlenstoff (OC) und Wasser sind mit der Zusammensetzung und Architektur von Bodenmikroaggregaten <250 µm (SMA) und kleinen (<20 µm) SMA als fundamentale Bausteine größerer Aggregatstrukturen verknüpft. Insbesondere Feinkolloide (<0.45 µm) als kleinste Bausteine, haben das Potential zur Stabilisierung von Aggregaten unterschiedlicher Hierarchieebenen, da sie abhängig von den Umgebungsvariablen entweder sehr reaktiv oder mobil sein können. In dieser Arbeit wurde die Größenverteilung und Zusammensetzung von kleinen SMA analysiert. Die Analyse bezog sich auf i) potentielle abiotische und biotische Stabilisierungskomponenten, wie z.B. Fe (hydr)oxide, OC und Mikroorganismen, ii) das Aggregationsvermögen zu größeren Strukturen und iii) die Bereitstellung mikrobieller Habitate. Kleine SMA wurden von Makroaggregaten (>250 µm) aus fünf landwirtschaftlich genutzten deutschen Luvisolen isoliert, welche durch einem Tongradienten charakterisiert waren. Zusätzlich wurde die Bildung von kleinen SMA aus kolloidalen Modellmineralen Montmorillonit und Goethit in Anwesenheit von Mikroorganismen untersucht. Ein Fraktionierungsschema mit Ultraschallbehandlung, Nassiebung und Filtration wurde etabliert um freie und okkludierte kleine SMA aus Makroaggregaten mit definierter Stabilität zu isolieren. Insgesamt wurden drei unterschiedliche Stabilitäten der Okkludierung definiert und dafür unterschiedliche Ultraschallenergien appliziert (60, 250 und 440 J mL-1). Die Zusammensetzung und Größenverteilung von kleinen SMA wurde mittels asymmetrischer Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung (AF4), Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS), OC Detektor (OCD), Laserbeugung, Mikropartikel Detektor (XPT) und Bildanalyse evaluiert. Der multilaterale Einfluss zwischen Mikroorganismen, deren Überlebensrate, Aggregaten und Aggregierung wurde mit Zellfärbungen, Mikroskopie und Bildanalysen untersucht. Die Massenverteilung von SMA gruppierte den analysierten Luvisol in Böden mit niedrigem (19, 22 und 24%) und hohen (32 und 34%) Tongehalt. Böden mit feinerer Textur wiesen einen höheren Anteil okkludierter SMA auf, sowie eine Größenverteilung mit einer erhöhten Abundanz im Bereich von 5-6 µm. Darüber hinaus waren die feiner texturierten und okkludierten Böden durch einen erhöhten Anteil an Kolloiden <1 µm charakterisiert. Die kleinen SMA waren mit OC angereichert, wessen Gehalt in den gröber texturierten Böden höher ausfiel als in den fein texturierten. Die größeren SMA Fraktionen (250-20 µm) waren nicht so stark mit OC angereichert und wiesen entgegengesetzte Verteilungsmuster bezüglich der Textur auf. Sowohl Tongehalt als auch die Menge an Feinkolloiden stieg mit der Menge und Stabilität okkludierter SMA an. Die Größenverteilung der okkludierten kleinen SMA änderte sich mit der applizierten Ultraschallenergie und der chemischen Entfernung von stabilisierenden Komponenten wie zum Beispiel Fe (hydr)oxide und OC. Mit höherer Energie (440 J mL-1) stieg der Anteil von Kolloiden auf Kosten der größeren Fraktion (>1 µm). Die Entfernung von Eisen (Fe) durch Dithionit-Citrat-Bicarbonat (DCB) verlagerte die Größenverteilung zu größeren Durchmessern, wobei die Entfernung von OC durch Natriumhypochlorit (NaOCl) diese zu kleineren Durchmessern verlagerte. Die isolierten und chemisch behandelten kleinen SMA wurden einer wiederholten Befeuchtung und Trocknung unterzogen, nach welcher chemisch unbehandelte kleine SMA aggregierten, während sich der Anteil der Kolloid-Fraktion verkleinerte und der Durchmesser sich auf bis zu 10 µm vergrößerte. Interessanterweise wurde bei DCB behandelten kleinen SMA die Größenzunahme überschritten, während sich die Größenverteilung der NaOCl behandelten kleinen SMA nach der Reaggregierung nicht änderte. Aufgrund dieser Änderungen kann eine zementierende Funktion von Fe und Aluminium (Al) (hydr)oxiden zugeordnet werden, welche die Stabilität von kleinen SMA primär durch das Füllen und Zementieren des Porenraums beeinflusst und deren Durchmesser verkleinert. Im Vergleich dazu beschränkte sich die Klebefunktion von OC auf den Größenbereich von Kolloiden, welche in kleinen SMA durch OC zusammengehalten, und sobald OC entfernt, freigesetzt werden. Der Einfluss von biotischen und abiotischen Faktoren auf die Entwicklung von kleinen SMA wurde an Modellmineralen untersucht, welche zusammen mit Mikroorganismen inkubiert wurden, die in der Lage sind unterschiedliche Mengen an extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) als Komponente von Biofilmen zu produzieren. Die Modellminerale wurden zusammen mit Pseudomonas protegens Stamm CHA0, Mutanten Stamm CHA211 mit erhöhter Fähigkeit zur EPS Produktion und Gordonia alkanivorans Stamm MoAcy 2 inkubiert. Während der Inkubation wurden Befeuchtungs- und Trocknungszyklen appliziert. Die Ergebnisse zeigen eine dynamische Entwicklung von Aggregaten, charakterisiert durch eine schnelle Okkludierung von Montmorillonit und Goethit und gefolgt von der Kolonisierung und Vergrößerung kleiner SMA. In Abhängigkeit der mikrobiellen Taxa variierte die Weiterentwicklung der Größenverteilung der Aggregate, welche von umweltbedingten Stressfaktoren wie z.B. Trocknung moduliert wurde. Abhängig vom bakteriellen Stamm, wurden bis zu zwei-fach größere Aggregate gebildet. Größere SMA beherbergten lebende Mikroorganismen mit schützendem Effekt während der Trocknungsphasen. Die Fähigkeit zur erhöhten EPS Produktion führte zu einer fünf-fach höheren Überlebensrate nach den Trockenphasen. Die Ergebnisse heben die starken Interaktionen zwischen biotischen und abiotischen Faktoren während der Aggregation hervor, welche beachtet werden müssen, um die Formierung und Entwicklung von Aggregaten zu verstehen und vorherzusagen. Insgesamt trägt die Arbeit zu einem besseren Verständnis der dynamischen Formierung von SMA bei, bei welcher kolloidale Bausteine eine besondere Relevanz über alle Hierarchie-Ebenen aufweisen.