Soil phosphorus in the extremely arid Atacama Desert

Moradi, Ghazal; Schäffer, Andreas; Klumpp, Erwin

doi:10.18154/RWTH-2023-05029

Soil phosphorus in the extremely arid Atacama Desert

Moradi, Ghazal^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Ghazal Moradi

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Klumpp, Erwin (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäffer, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05029
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/957950/files/957950.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

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.

Phosphorus (P) is an essential nutrient for various forms of life that follows different pathways of cycling in soils of extremely arid environments compared to typical soils. Unique characteristics of the Atacama Desert as the dry limit of life on Earth (e.g. hyper-arid core receiving < 2 mm yr-1 of precipitation) set it apart from other similar terrestrial environments, and provide the opportunity to study the prerequisites of life and evolution in such extreme terrestrial environments and extraterrestrial ones like Mars. Biogeochemical processes involved in P cycling in the Atacama soils are poorly understood. Therefore, the aims of this thesis were i) to trace evidence of past biological P cycling using oxygen isotope composition of HCl-extractable phosphate (δ18OHCl-P) that has a long turnover time and compared to other P pools might retain the past signal of biological P cycling; ii) to investigate soil colloids (1nm – 1µm) as key soil constituents for P and organic carbon (OC) storage and transport.To do so, two different elevational gradients were chosen: (1) Aroma transect fed mainly by irregular rainfalls from the Andes (< 26 mm yr-1), where simultaneously with the decrease of aridity, elevation increases from 1340 m.a.s.l. at the hyper-arid core to 2720 m.a.s.l. at rising foothills of the Andes; (2) Paposo transect fed by fog brought from the Pacific during austral winter, where with the increase of aridity, elevation increases from 950 to 2210 m.a.s.l at coastal mountains toward the hyper-arid core. In order to identify evidence of biological cycling of P, sequential P fractionation was performed, and the δ18OHCl-P was analyzed in the surface soils of the Aroma transect. Furthermore, δ18OHCl-P was measured in surface soils and four deep soil profiles of Paposo transect. Along Paposo, δ18OHCl-P of soil samples near an individual plant were compared to that of surrounding soils. In order to characterize colloidal constituents for P and OC, water dispersible colloids (WDCs) were analyzed in two adjacent soil profiles at Paposo transect, located either on the active (named: Fan) or passive (named: Crust) sections of an alluvial fan. Colloidal particles (<500 nm) were fractionated using Asymmetric Flow Field Flow Fractionation (AF4), which was coupled online to an ICP-MS and an OC detector to detect the composition of size-fractionated colloids. The results showed that at the driest site of Aroma transect, the δ18OHCl-P values were constant with depth (0-10 cm) and deviated from biologically-driven isotopic equilibrium. In contrast, a considerable increase of δ18OHCl-P values was observed below the soil surface at less arid sites where some isotope values were even within the range of full isotope equilibrium. For the latter sites, this points to more efficient biological P cycling right below the uppermost surface of the desert. Critically, the absolute concentrations of this biologically cycled P exceeded those of P potentially stored in living microbial cells by at least two orders of magnitude. Therefore, this data provides evidence that δ18OHCl-P values trace not recent but past biological activity, making it a powerful tool for assessing the existence, pathways and evolution of life in such arid ecosystems.At Paposo transect, surface δ18OHCl-P values had a general decreasing trend from more humid sites toward to drier ones. However, there was a significant difference between δ18OHCl-P values of the sites where fog can reach and the sites that are out of fog reach, revealing that δ18OHCl-P values could be an indicator of rain-affected versus fog-affected soils. The only inconsistency in the decreasing trend of δ18OHCl-P along Paposo gradient was observed where a plant oasis was located. The deep profiles of Paposo transect showed a decreasing trend of δ18OHCl-P by depth, and only the δ18OHCl-P of two upper layers of the less arid profile were inside the equilibrium range. These results indicate the prevailing effect of past biological cycling of P rather than the current life. Three size categories of colloidal particles were identified by using AF4: nanoparticles (0.6-24 nm), fine colloids (24-210 nm), and medium colloids (210-500 nm). The two soil profiles differed distinctively in vertical WDC distribution and associated P content. Fractograms of the Crust profile predominantly showed fine colloids, whereas the medium-sized colloids dominated those of the Fan. Furthermore, the highest colloid content in the Crust profile was found at the surface, while in the Fan, colloids accumulated at 10-20 cm depth, thus overall reflecting the different genesis and infiltration capacities of the soils. Despite very low concentration of colloidal P in these hyper-arid soils, a strong correlation between colloidal P and Ca, Si, Al, Fe, and OC content were found. This also indicated Ca-phosphates as the primary P retention form, with the association of P to phyllosilicates and Fe/Al (hydr-) oxides as the main soil colloidal fractions. These results highlight that small local scale differences in topographic-derived distribution of water flow pathways defined the formation of the crust-like surfaces, and ultimately the overall movement and distribution of colloids in soil profiles under hyper-arid conditions. This thesis established basic knowledge about P in the arid to hyper-arid soils of the Atacama Desert which will help us to better understand the evolution of life in the conditions of severe water scarcity.

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