Ab ins Feld: Wenn Forschende Eisenminerale in Böden beobachten

Autorin: Katrin Schiedung
_{DOI: 10.5281/zenodo.21292708}

Ob orange, rostrot oder gelb – Eisenoxide stecken in fast allen Böden der Welt und bestimmen mit, welche Nähr- und Schadstoffe etwa aus dem Ackerboden ins Getreide gelangen. Stehen Böden jedoch unter Wasser, können die nur wenige Mikrometer großen Minerale ihre Speicherwirkung verlieren. Besonders relevant ist das im Reisanbau, denn die Felder werden oft über Monate hinweg geflutet, um Unkraut in Schach zu halten. Ein Forschungsteam der ETH Zürich wollte deshalb genauer wissen, was mit Eisenoxiden in überschwemmten Böden passiert und entwickelte dafür eine neue Methode.

Staut sich Wasser im Boden, wird der Sauerstoff knapp und Bakterien reduzieren stattdessen Eisen, um Energie zu gewinnen. Die Folge: Eisenoxide werden gelöst oder in andere Eisenminerale umgewandelt. Gebundene Stoffe, wie der lebenswichtige Nährstoff Phosphat oder das krebserregende Arsen, können so freigesetzt und etwa von Reispflanzen aufgenommen werden. Wird das Wasser abgelassen, gelangt wieder Sauerstoff in den Boden. Das gelöste Eisen wird oxidiert, bildet neue Eisenoxide und das Spiel beginnt von vorne.

Zwar sind diese Prozesse im Labor gut untersucht, doch wie sich Eisenoxide unter realen Bedingungen im Boden tatsächlich verhalten, war bislang kaum bekannt. Hier setzte das Team der ETH Zürich an. Die Forschenden stellten Eisenoxide her und markierten sie mit dem stabilen Eisenisotop (⁵⁷Fe ), einer etwas schwereren Variante des in der Natur am häufigsten vorkommenden Eisens (⁵⁶Fe). Mithilfe einer Messtechnik, die nur diese schwerere Eisenform sieht, konnten sie später im Boden verfolgen, wie die Minerale sich veränderten. Die Proben wurden mit Bodenmaterial vermischt und in thailändischen Reisfeldern vergraben, wo sie vier Monate im gefluteten Boden blieben.

Die Ergebnisse waren überraschend: Goethit, ein häufig vorkommendes Eisenmineral, bildete sich zwar wie erwartet, doch im Reisfeld verlief der Prozess deutlich langsamer als im Labor. Gleichzeitig entstand eine instabile, besonders reaktive Eisenphase, die in Laborversuchen seltener auftritt. Die Forschenden vermuten, dass die unmittelbare Nähe der Minerale zu den vielfältigen gelösten und festen Bestandteilen im Boden dafür verantwortlich ist. Auffällig war auch, dass sich die Eisenoxide unter den gefluteten Bedingungen im Reisfeld stärker lösten als im Labor beobachtet, vor allem wenn die Proben zusätzliches Phosphat enthielten. Da Phosphat im Reisanbau häufig als Dünger eingesetzt wird, könnte es dort die Speicherfunktion der Eisenoxide im Boden beeinträchtigen.
 

Das achtköpfige Forschungsteam untersuchte auch weitere Eisenminerale und ähnliche Prozesse in anderen Ökosystemen, beispielsweise im norddeutschen Wattenmeer oder in isländischen Mooren. Die Ergebnisse zeigen, wie komplex und dynamisch die Umwandlungsprozesse von Eisenmineralen im Boden tatsächlich sind. Da Überschwemmungen durch Starkregen mit dem Klimawandel immer häufiger auftreten werden, ist es umso wichtiger diese Dynamiken zu verstehen. Nur so können wir effektive Strategien für den Gewässerschutz entwickeln und den nachhaltigen Anbau von Getreide und anderen Nahrungsmitteln sichern.
 

Für ihre Doktorarbeit zur Umwandlung von Eisenoxiden wurde Katrin Schiedung 2025 von der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft mit dem Fritz-Scheffer-Preis ausgezeichnet. Initiator und Leiter des Projekts war Professor Ruben Kretzschmar, der die Arbeitsgruppe Bodenchemie an der ETH Zürich leitet. Möglich wurde die Feldstudie in Thailand durch unseren Projektpartner Prof. Worachart Wisawapipat von der Kasetsart Universität in Bangkok.

Katrin Schiedung
Thünen-Institut
Wissenschaftskommunikation