Band 89:
Wolff, J. (2025): „Von Apatit zu organischem Phosphor (P): Auswirkungen auf die Entwicklung von Ökosystemen, die Pflanzenernährung und die mikrobielle Leistung“
Zusammenfassung Band 89
Wolff, J. (2025): „Von Apatit zu organischem Phosphor (P): Auswirkungen auf die Entwicklung von Ökosystemen, die Pflanzenernährung und die mikrobielle Leistung“
Phosphor (P) ist einer der am stärksten limitierenden Makronährelemente in Wäldern und landwirtschaftlichen Flächen. Da mineralischer P zudem eine endliche Ressource auf unserem Planeten darstellt, müssen nachhaltige Strategien für die Landwirtschaft entwickelt werden. Demgegenüber haben sich Wälder bereits über Jahrzehnte an schwankende Nährstoffgehalte in Böden angepasst, sodass sie hilfreiche Erkenntnisse über die Erschließung von P aus mineralischen Quellen, insbesondere aus dem Unterboden, liefern können. Ziel meiner Arbeit war es: i) eine Synthesemethode für naturähnliches 33P-markiertes Hydroxylapatit (HA) zu entwickeln, anhand dessen die P-Aufnahme verfolgt werden kann; ii) die Bioverfügbarkeit von im Unterboden lokalisiertem 33P-markiertem HA für Weizen unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen zu bewerten. Zum Vergleich analysierte ich die P-Fraktionen und eine mögliche Ko-Limitierung des mikrobiellen Wachstums und des Nährstoffumsatzes durch die Verfügbarkeit von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und P iii) in Bodenprofilen von kalkhaltigen Waldstandorten und iv) in Silikat-Waldböden.
Um Aufgabe i) zu erfüllen, führte ich eine umfassende Literaturrecherche durch, die in der Entwicklung einer schnellen, nasschemischen Methode zur Synthese von HA-Mineralpulvern resultierte. Ihre Reinheit und Kristallinität wurden anschließend durch Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung (XRD) bestimmt. Mit diesem synthetischen HA ii) führte ich über einen Zeitraum von 44 Tagen Rhizotronversuche mit Sommerweizen in zwei Substraten (regionaler ungedüngter Ober- und Unterboden (Köln/Bonn, Deutschland) versus Sand) sowie unter Verwendung zweier Bewässerungsszenarien (Ober- versus Unterboden-Bewässerung) durch. Das 33P-markierte HA wurde hierbei als Hotspots in den Unterboden/Sand eingebracht. Die 33P-Verteilung in den Rhizotronen und Pflanzensegmenten wurde mithilfe digitaler Autoradiographieaufnahmen visualisiert und durch Flüssigszintillationszählung (LSC) quantifiziert. Die Nährstoffkonzentrationen wurden mittels induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) analysiert. Schließlich iii) analysierte ich mittels sequenzieller Extraktion die P-Fraktionen von Bodenhorizonten bis zu 1m Bodentiefe von vier Waldstandorten mit kalkhaltigem Untergrund (Dolomit oder Kalkstein) in Süddeutschland und der Schweiz, und maß die substratinduzierte Atmung (SIR) nach Glucose-C-Zugabe mit und ohne zusätzliche Nährstoffe (N, P und N+P), um mögliche Nährstoffbeschränkungen zu ermitteln. Mittels der gleichen Methoden und zusätzlicher Analysen der sauren Phosphataseaktivität wurden iv) Silikatböden aus einem Feldversuch an einem P-reichen (Bad Brückenau (BBR)) und einem P-armen (Mitterfels (MIT)) Waldstandort in Deutschland analysiert, die zuvor über einen Zeitraum von drei Jahren keine (Kontrolle), N-, P- oder N+P-Düngung erhalten hatten.
Die XRD- und Raman-Ergebnisse bestätigten, dass ich in der Lage war, i) eine nasschemische Synthese zu entwickeln, die in weniger als 24 Stunden zu stöchiometrischem HA-Pulver führte, dessen Kristallinität mit steigender Reaktionstemperatur zunahm. Die Daten aus meinen Rhizotron-Experimenten ii) bestätigten, dass Weizen in der Lage war, P aus HA zu gewinnen, und dass die Wurzelarchitektur ein gezieltes Wachstum und eine verstärkte Wurzelvermehrung in Bereichen mit erhöhtem Nährstoffangebot aufwies. Im Vergleich zu Pflanzen, die in Boden angepflanzt wurden, zeigten Weizenpflanzen, die in Sand wuchsen, deutliche Mangelerscheinungen in Form von reduziertem Wachstum und verfrühter Kornfüllung. Erhöhte Feuchtigkeit im Unterboden führte zu einer >4-fachen Steigerung der Gesamt-P-Aufnahme und zu einer bis zu 232-fachen Steigerung der 33P-Aufnahme, je nach Rhizotronaufbau. Folglich zeigen meine Daten, dass apatitgebundener P nicht rekalzitrant, sondern teilweise bioverfügbar war, seine Verwertung durch Weizenpflanzen jedoch stark vom allgemeinen Nährstoffstatus und der Wasserverteilung im Boden abhängig war.
Die Bodenanalysen der Waldstandorte mit kalkhaltigen Böden iii) zeigten einen Gradienten zunehmender P-Vorräte von Dolomit- zu Kalksteinstandorten, der hauptsächlich mit zunehmender Bodentiefe korrelierte. Entlang dieses Gradienten nahmen die anorganischen P-Fraktionen ab, während die stabilen P-Fraktionen zunahmen, mit signifikant höheren Gehältern an Calcium (Ca)-assoziiertem P in tieferen Unterböden. Die SIR-Versuche ergaben keine Hinweise auf eine P-Limitierung der mikrobiellen Gemeinschaft an diesen Standorten. Die Analyse des dreijährigen Düngungsexperiments iv) lieferte keine Hinweise auf einen primären Düngungseffekt in BBR. Für MIT ergaben die SIR-Experimente signifikante Reaktionen auf die Zugabe von CN und CNP an den verschiedenen Düngestandorten in der Reihenfolge N+P>P>N>Kontrolle, die auf eine Ko-Limitierung von N und/oder P hinweisen. Zudem wiesen abnehmende Aktivitäten der sauren Phosphatase als Folge der Düngung in MIT auf einen verstärkten Abbau von P aus organischen Verbindungen, dem sogenannten „microbial nutrient mining“, unter ungedüngten Bedingungen hin.
Der Einsatz intelligenter Wassermanagementsysteme zur Integration von P-Quellen aus dem Unterboden in landwirtschaftliche Bewirtschaftungsstrategien könnte den Bedarf an P-Düngemitteln erheblich senken. Darüber hinaus haben meine Ergebnisse gezeigt, dass sowohl auf kalkhaltigen als auch auf silikathaltigen Waldstandorten P aus Mineralien in nährstoffreichen Böden erschlossen werden kann, während die organische P-Mineralisierung in nährstoffarmen Böden dominiert. Allerdings passten sich die Waldökosysteme auch innerhalb von drei Jahren an die veränderte Nährstoffverfügbarkeit an. Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass die P-Reserven im Unterboden, insbesondere der mineralisch gebundene P, ein wichtiges und potenziell bioverfügbares Nährstoffreservoir in Wald- und Ackerböden darstellen.
Summary Band 89
Wolff, J. (2025): From apatite to organic P: Implication for ecosystem development, plant nutrition and microbial performance
Phosphorus (P) is one of the most limiting macronutrients in forests and agricultural areas. As mineral P is also a finite resource on our planet, agricultural management is facing the need to develop sustainable strategies. In contrast, forests have already adapted to fluctuating soil nutrient contents over decades, providing helpful insights into the acquisition of P from mineral sources, especially in the subsoil. The aim of my work was: i) to develop a synthesis method for natural-like 33P-labelled hydroxyapatite (HA) for tracing P uptake; ii) to assess the bioavailability of subsoil-located 33P-labelled HA for wheat under different moisture conditions. For comparison, I analyzed the P fractions and a possible co-limitation of microbial growth and nutrient turnover by carbon (C), nitrogen (N) and P availability iii) in soil profiles from calcareous forest sites and iv) in silicate forest soils.
To accomplish task i), I conducted a comprehensive literature search, resulting in the development of a fast wet chemical method that allowed the synthesis of HA mineral powders. Their purity and crystallinity were subsequently assessed by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). Using this synthetic HA ii), I conducted rhizotron experiments with summer wheat over a period of 44 days in two substrates (regional non-fertilized top- and subsoil (Cologne/Bonn, Germany) versus sand) and with two irrigation scenarios (top- versus subsoil-irrigation). 33P-labelled HA was implemented as hotspots within the subsoil/sand. The 33P distribution within the rhizotrons and plant segments was visualized using digital autoradiography imaging and quantified by liquid scintillation counting (LSC). Nutrient concentrations were analyzed by inductively coupled plasma – mass spectrometry (ICP-MS). Finally, iii) I analyzed P fractions by sequential extraction of soil horizons down to 1 m soil depth from four forest sites with calcareous (dolomite or limestone) bedrock located in southern Germany and Switzerland, and measured substrate-induced respiration (SIR) after glucose-C addition with and without additional nutrients (N, P and N+P) for identification of potential nutrient limitations. The same methods and additional analyses of acid phosphatase activity were used to iv) analyze silicate soils from a field experiment at a P-rich (Bad Brückenau (BBR)) and a P-poor (Mitterfels (MIT)) forest site in Germany, which had previously received no (control), N, P, or N+P fertilization over a period of 3 years.
The XRD and Raman results confirmed that I was able to develop i) a wet chemical synthesis that resulted in stoichiometric HA powder in less than 24 hours, achieving increasing crystallinity with increasing reaction temperature. The data from my rhizotron experiments ii) confirmed, that wheat was able to acquire P from HA and that root architecture exhibited targeted growth and increased root proliferation in areas of increased nutrient supply. Compared to plants grown in soil, wheat plants grown in sand showed significant signs of deficiency with reduced growth and premature grain filling. Increased subsoil moisture led to a >4-fold increase in overall P uptake, and up to a 232-fold increase in 33P uptake depending on the rhizotron setup. Consequently, my data demonstrated that apatite-bound P was not recalcitrant but partially bioavailable, but its utilization by wheat plants was highly dependent on overall nutrient status and soil water distribution.
Soil analyses from the forest sites with calcareous soils iii) showed a gradient of increasing P stocks from dolomite to limestone sites, mainly correlated with increasing soil depth. Alongside this gradient, inorganic P pools decreased, while stable P pools increased with significantly higher contents of calcium (Ca)-associated P in deeper subsoils. The SIR experiments showed no evidence for P limitation of the microbial community. Analysis of the 3-year fertilization experiment iv) showed no primary fertilization effect at BBR. For MIT, SIR experiments revealed significant responses to CN and CNP addition across the different fertilization sites in the order +P>P>N>control, indicating co-limitation of N and/or P. Furthermore, decreasing acid phosphatase activities as a result of fertilization in MIT indicated increased nutrient mining of P from organic compounds in non-fertilized conditions.
Using intelligent water management systems to integrate subsoil located P sources into agricultural management strategies could significantly reduce the need for P fertilizers. Furthermore, my results demonstrated that in both calcareous and siliceous forest sites, P can be acquired from minerals in nutrient-rich soils while organic P mineralization dominates in nutrient-poor soils. However, forest ecosystems also adapted to changes in nutrient availability within three years. In summary, my results showed that subsoil P reserves, especially with regards to mineral-bound P, represent an essential and potentially bioavailable nutrient reservoir in forest and arable soils.