Soil phosphorus in the extremely arid Atacama Desert

Moradi, Ghazal; Klumpp, Erwin (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Phosphor (P) ist ein essentieller Nährstoff für verschiedene Lebensformen, die in Böden extrem trockener Umgebungen, im Vergleich zu typischen Böden, anderen Kreislaufwegen folgen. Einzigartige Eigenschaften der Atacama-Wüste als trockene Grenze des Lebens auf der Erde (z. B. hyperarider Kern mit < 2 mm Niederschlag pro Jahr) heben sie von anderen ähnlichen terrestrischen Umgebungen ab und bieten die Möglichkeit, die Voraussetzungen des Lebens und die Evolution in extremen terrestrischen und außerirdischen Umgebungen (wie auf dem Mars) zu untersuchen. Biogeochemische Prozesse, die am P-Kreislauf in den Atacama-Böden beteiligt sind, sind kaum bekannt. Daher war das Ziel dieser Arbeit, i) Hinweise auf einen vergangenen biologischen P-Kreislauf zu finden, indem die Sauerstoffisotopenzusammensetzung von HCl-extrahierbarem Phosphat (δ18OHCl-P) verwendet wird, das eine lange Umsatzzeit hat und im Vergleich zu anderen P-Pools das Zeichen von vergangenem biologischem P-Kreislauf beibehalten könnte; und ii) Bodenkolloide (1 nm - 1 µm) als Schlüsselbestandteile der Atacama-Böden für die Speicherung und den Transport von P und organischem Kohlenstoff (OC) zu untersuchen. Zwei verschiedene Höhengradienten wurden gewählt: (1) Aroma-Transekt, der hauptsächlich von unregelmäßigen Regenfällen aus den Anden (< 26 mm pro Jahr) gespeist wird, wo mit abnehmender Trockenheit die Höhe von 1340 m.ü.M. im hyperariden Kern bis 2720 m.ü.M. an den aufsteigenden Ausläufern der Anden zunimmt; (2) Paposo-Transekt, der während des südlichen Winters von Nebel aus dem Pazifik gespeist wird, wo mit zunehmender Trockenheit die Höhe von 950 auf 2210 m.ü.M. an den Küstenbergen in Richtung des hyperariden Kerns der Wüste zunimmt. Um Hinweise auf einen biologischen Kreislauf von P zu identifizieren, wurde eine sequentielle P-Fraktionierung durchgeführt und das δ18OHCl-P wurde in den Oberflächenböden des Aroma-Transekts analysiert. Darüber hinaus wurde δ18OHCl-P in Oberflächenböden und vier tiefen Bodenprofilen des Paposo-Transekts gemessen. Entlang Paposo wurden δ18OHCl-P-Werte von Bodenproben in der Nähe einer einzelnen Pflanze mit denen des umgebenden Bodens verglichen. Um P- und OC-haltige kolloidale Bodenbestandteile zu charakterisieren, wurden wasser-dispergierbare Kolloide (WDCs) in zwei benachbarten Bodenprofilen im Paposo-Transekt analysiert, die sich entweder auf den aktiven (genannt: Fan) oder passiven (genannt: Crust) Abschnitten eines alluvialen Fächers befinden. Die kolloidalen Partikel (<500 nm) wurden unter Verwendung von asymmetrischen Fluss Feld Fluss Fraktionierung (AF4) fraktioniert, die online mit einem ICP-MS und einem organischen Kohlenstoff Detektor gekoppelt war, um die Zusammensetzung von größenfraktionierten Kolloiden zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass an der trockensten Stelle des Aroma-Transekts die δ18OHCl-P -Werte mit der Tiefe konstant waren und vom biologisch-bedingten Isotopengleichgewicht abwichen. Im Gegensatz dazu wurde ein beträchtlicher Anstieg der δ18OHCl-P-Werte unterhalb der Bodenoberfläche an weniger ariden Standorten beobachtet, wo einige Isotopenwerte sogar im Bereich eines vollständigen Isotopengleichgewichts mit biologisch gesteuertem Phosphat lagen. Für die letztgenannten Standorte deutet dies auf einen effizienteren biologischen P-Kreislauf direkt unter der obersten Wüstenoberfläche hin. Entscheidend ist, dass die absoluten Konzentrationen dieses biologisch im Kreislauf geführten Phosphors, die von potenziell in lebenden mikrobiellen Zellen gespeichertem Phosphor um mindestens zwei Größenordnungen überstiegen. Daher liefern diese Daten den Beweis, dass die δ18OHCl-P-Werte nicht die jüngste, sondern vergangene biologische Aktivität nachverfolgen, was sie zu einem leistungsstarken Werkzeug zur Abschätzung der Existenz, der Pfade und der Entwicklung des Lebens in solchen trockenen Ökosystemen macht. Beim Paposo-Transekt zeigten die Oberflächen-δ18OHCl-P-Werte einen allgemein abnehmenden Trend von feuchteren zu trockeneren Standorten. Es gab jedoch einen signifikanten Unterschied zwischen den δ18OHCl-P-Werten der Standorte, die Nebel erreichen kann, und den Standorten, die außerhalb des Nebelbereichs liegen, was zeigt, dass die δ18OHCl-P-Werte ein Indikator für regenbeeinflusste und nebelbeeinflusste Böden sein könnten. Die einzige Inkonsistenz im abnehmenden Trend von δ18OHCl-P entlang des Paposo-Gradienten wurde dort beobachtet, wo sich eine Pflanzenoase befand. Die Tiefenprofile des Paposo-Transekts zeigten einen abnehmenden Trend von δ18OHCl-P in der Tiefe, und nur die δ18OHCl-P von zwei oberen Schichten des weniger ariden Profils befanden sich innerhalb des Gleichgewichtsbereichs. Diese Ergebnisse zeigen eher die vorherrschende Wirkung des vergangenen biologischen Kreislaufs von P als das gegenwärtige Leben. Drei Größenkategorien von kolloidalen Partikeln wurden mittels AF4 identifiziert: Nanopartikel (0,6-24 nm), feine Kolloide (24-210 nm) und mittlere Kolloide (210-500 nm). Die beiden Bodenprofile unterschieden sich deutlich in der vertikalen WDC-Verteilung und dem zugehörigen P-Gehalt. Fraktogramme des Crust-Profils zeigten überwiegend feine Kolloide, während die mittelgroßen Kolloide die des Fan-Profils dominierten. Darüber hinaus wurde der höchste Kolloidgehalt im Crust-Profil an der Oberfläche gefunden, während sich im Fan-Profil Kolloide in 10-20 cm Tiefe ansammelten, was insgesamt die unterschiedliche Genese und Infiltrationskapazität der Böden widerspiegelt. Trotz der sehr geringen Konzentration von kolloidalem P in diesen hyperariden Böden wurde eine starke Korrelation zwischen kolloidalem P und dem Ca-, Si-, Al-, Fe- und OC-Gehalt der Kolloide gefunden. Dies deutete auch auf Ca-Phosphate als primäre P-Retentionsform hin und auf die Assoziation von P mit Schichtsilikaten und Fe/Al(hydr-)oxiden, als den wichtigsten kolloidalen Fraktionen im Boden. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass kleine lokale Unterschiede in der topographisch abgeleiteten Verteilung von Wasserströmungspfaden die Bildung der krustenartigen Oberflächen und letztendlich die Gesamtbewegung und Verteilung von Kolloiden in Bodenprofilen unter hyperariden Bedingungen bestimmten. Diese Arbeit hat grundlegende Kenntnisse über P in den ariden bis hyperariden Böden der Atacama-Wüste geschaffen, die uns helfen können, die Evolution des Lebens unter Bedingungen schwerer Wasserknappheit besser zu verstehen.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]