BAC-SWR

 

dfg_gross BAC-SWR: Impact of bacterial biomass on soil wettability
DFG: DI 1907/2-1

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Summary

Particle wettability is an important controlling factor for a multitude of processes in soil, including fluid movement and distribution, transport and adsorption of colloids and organic molecules, as well as biological activity. Low wettability (soil water repellency) is considered to be attributable to the presence of adsorbed organic compounds derived from fungal hyphae or plant material. Recent research revealed first evidence for a potential role of bacterial biomass in the development of water repellency in soil. However, until now it is unclear to which extent soil bacterial cells and their residues contribute to the occurrence and persistence of water repellency in soil and whether bacterial adaptation to water and salt stress can possibly explain the frequently observed variation of soil water repellency in response to wetting and drying events. Our project aims at unraveling these questions in a series of closely interlinked joint experiments by (1) investigating the factors and conditions that contribute to the occurrence and enhancement of bacterial surface hydrophobicity, (2) analyzing how bacterial surface properties are reflected by the surface properties of cell–mineral associations and soil material, (3) evaluating the biological and physical stability of cell/fragment (necromass)–mineral associations, and (4) testing the feedback of soil particle wetting properties on bacteria and their surface properties. Starting from experiments in artificial systems, pure bacterial cultures will be exposed to different kinds of stress (osmotic or matric stress) and the isolated cells and cell fragments subsequently intermixed with mineral particles. Surface properties of bacterial cells, minerals and their associations will be characterized by an innovative approach combining contact angle measurements and surface free energy calculations with information on surface chemical structure and nanomechanical properties obtained by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM). Using these techniques will help to explore the underlying mechanisms of changes in bacterial surface properties and will allow identifying important interaction mechanisms between mineral particles and bacterial cells as a prerequisite for evaluating the persistence of the observed effects. RNA sequencing of bacteria with strong response to stress, as applied in soil incubation experiments, will allow to identify specific clades particularly effective in changing the wetting properties of soil particles. Identification of biomarkers with strong relationship to cell surface properties will potentially allow to estimate cell wettability even in complex systems such as natural soil. Ultimately, the synthesis of data obtained in this project will greatly enhance the mechanistic understanding of the processes and controlling factors involved in the microbially-mediated development and dynamics of soil water repellency.

Zusammenfassung

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. Benetzungshemmungen im Boden werden in der Regel auf die Adsorption organischer Komponenten 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 Residuen zum Auftreten und zur Persistenz von Benetzungshemmungen 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 physikochemischer Untersuchungen (Kontaktwinkelmessung, Berechnung von Oberflächenenergien) und Analysen der chemischen Oberflächenstruktur (Röntgen­photoelektronenspektroskopie, XPS) und 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 RNA-Sequenzierung von Bakterien mit starker Stressreaktion wird die Identifizierung von Bakterienstämmen mit großem Einflusspotenzial auf die Benetzbarkeit von Bodenpartikeln ermöglichen. 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.

Projektleitung / Project leaders

Dr. Dörte Diehl, Universität Koblenz-Landau

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann, Universität Koblenz-Landau

Mitarbeiter / Staff

N.N.

Kooperationspartner

Dr. Marc-Oliver Göbel, Leibnitz Universität Hannover

Dr. Anja Miltner, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig

Prof. Dr. (apl) Jörg Bachmann, Leibnitz Universität Hannover

Prof. Dr. Matthias Kästner, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig

Robin Kaltenbach, Universität Koblenz-Landau

Publikationen BAC-SWR

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