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Die Rhizosphäre ist definiert als derjenige Teil des Bodens, der direkt von Pflanzenwurzeln beeinflusst wird. Wir erforschen die Bioverfügbarkeit und Mobilisierung von Nährstoffen und toxischen Substanzen in der Rhizosphäre. Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Beurteilung der Nährstoffversorgung respektive der Belastung zum Beispiel mit Schadstoffen von Ökosystemen.
Die Rhizosphäre ist ein biogeochemischer «Hot Spot»: Da leicht abbaubare Kohlenstoff-Verbindungen in hohem Mass verfügbar sind, ist die mikrobielle Aktivität in der Rhizosphäre bis zu fünfzig Mal höher als im wurzelfernen Boden. Wasseraufnahme durch die Pflanze hat Gradienten in der Bodenfeuchte zur Folge und die Kombination von Wasser- und Nährstoffaufnahme führt zu chemischen Gradienten in der Bodenfestphase und in der Bodenlösung.
Wurzeln und Pilzhyphen können auch Gase wie Kohlendioxid oder Sauerstoff in die Bodenluft abgeben oder anorganische und organische Substanzen in die Bodenlösung ausscheiden. Dies kann die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Nährstoffen und toxischen Substanzen in der Rhizosphäre beeinflussen.
Auf der Mikroskala verfügen wir über ein detailliertes qualitatives Verständnis individueller biologischer, chemischer und physikalischer Prozesse in Böden und an den Schnittstellen zwischen Pflanzenwurzeln, Mikroorganismen und Bodenbestandteilen. Wir wissen aber zu wenig darüber, wie die komplexen Wechselwirkungen in der Rhizosphäre die Funktionen von Böden und Ökosystemen als Ganzes quantitativ beeinflussen.
Wir erforschen die Rhizosphäre – teilweise in Zusammenarbeit – mit folgenden Methoden:
- Verschiedene Labor-Systeme für hydroponische Experimente zur Kennzeichnung potentieller Wurzelausscheidungen und der Nährstoffaufnahme
- Mikrokosmen wie Bodensäulen, Wurzelkästen („Rhizoboxen“) und Kompartiment-Systeme. Diese erlauben es, unter kontrollierten Bedingungen verschiedene Aspekte von durchwurzeltem Boden zu untersuchen, insbesondere wie sie von der Distanz zur Wurzel oder der Wurzeldichte abhängen. Dazu gehören Wurzelausscheidungen, chemische Gradienten im Boden oder in der Bodenlösung sowie Gradienten in mikrobieller Aktivität und Gemeinschaftsstruktur (siehe auch Thema „Mikrobielle Ökologie“).
- Mikrosaugkerzen zur räumlich hochaufgelösten Beprobung von Bodenlösung, unter anderem zur Erfassung von Gradienten zwischen wurzelnaher und –ferner Bodenlösung.
- Kohlenstoff-Isotopen-Markierungs-Techniken zur Quantifizierung von Wurzelatmung, Wurzelausscheidungen sowie anschliessender mikrobieller Assimilation und Transformation.
- Phosphor-Isotopen-Markierungs-Techniken zur Quantifizierung der Bioverfügbarkeit von Phosphor sowie der Konkurrenz zwischen Pflanzen und Mikroorganismen für diesen Nährstoff (Zusammenarbeit mit „Pflanzenernährung ETH Zürich“)
- Optoden für die Erfassung der kleinräumigen Heterogenität des pH-Wertes
- Membran-Methoden für die Beprobung von Wurzelausscheidungen sowie für die räumlich hochaufgelöste Erfassung von Enzymaktivitäten („Zymographie“, Zusammenarbeit mit „Universität Bayreuth“)