Bildung und Eigenschaften mineral-organischer Grenzflächen in Böden - Einblicke mittels Photoelektronenspektroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mineral–organische Grenzflächen in Böden repräsentieren mit organischer Substanz angereicherte Übergangszonen zwischen Mineraloberflächen und Porenräumen. Viele Bodenprozesse wie etwa Sorptionsreaktionen finden an solchen Grenzflächen statt und werden von deren Eigenschaften beeinflusst. Im Jahr 2007 schlugen Kleber et al. das sogenannte „Multilayer“-Modell vor, welches eine Zonierung organischer Beläge auf Mineraloberflächen bestehend aus einer inneren Kontaktzone, einer Zone hydrophober Wechselwirkungen und einer äußeren Kinetikzone mit jeweils unterschiedlichen organischen Bestandteilen unterstellt. Ziel des Projektes bestand in der Validierung dieser Annahme durch Anwendung oberflächensensitiver Photoelektronenspektroskopie (engl. X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) in Kombination mit flankierenden Methoden. In sequentiellen Sorptionsexperimenten mit den Mineralen Kaolinit und Gibbsit sowie gelöster organischer Substanz aus einer Waldbodenauflage wurde die Effizienz der Bildung mineral-assoziierter organischer Substanz mittels XPS und hochauflösender Massenspektrometrie untersucht. Eine wiederholte Zugabe identischer Lösungen mit gelöster organischer Substanz zu den Mineralen führte zu keiner weiteren C-Zunahme, da stark sorptive organische Moleküle (vor allem aromatische, stickstoffarme, wasserstoffarme und sauerstoffreiche Moleküle) die Verfügbarkeit von Sorptionsplätzen verringerten („Legacy-Effekt“). Organisch–organische Wechselwirkungen oder die präferentielle Akkumulation N-reicher Verbindungen, wie sie im Mehrschichtmodell postuliert werden, konnten für die Bildung mineral-assoziierter organischer Substanz nicht nachgewiesen werden. Winkelabhängigen XPS-Analyse führten zu ähnlichen Befunden. Dazu wurden unterschiedliche gelöste organische Substanz auf Saphir- und Muskovit-Wafer sorbiert und danach bei verschiedenen Aufnahmewinkeln mit XPS analysiert. Innerhalb der durch XPS abgebildeten obersten Nanometer der mineral-organischen Grenzflächen konnte keine Zonierung bzw. chemische Gradienten nachgewiesen werden. Die Anwendung von XPS ist jedoch auch mit Herausforderungen verbunden. So war es aufgrund der geringen Unterschiede in der Bindungsenergie zwischen aliphatischem bzw. aromatischem Kohlenstoff nicht möglich, diese auch unter Nutzung von Standardsubstanzen zu differenzieren. Auch die strahlungsbedingte Veränderung organischer Substanz sollte bei längeren Expositionszeiten (z.B. bei winkelabhängigen XPS-Analysen) beachtet werden. Insgesamt konnten die erzielten Projektergebnisse die Annahme einer chemischen Zonierung organischer Beläge auf Mineraloberflächen experimentell nicht stützen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The multilayer model of soil mineral–organic interfaces—a review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 183(1), 27-41.
Gao, Jiajia; Mikutta, Robert; Jansen, Boris; Guggenberger, Georg; Vogel, Cordula & Kalbitz, Karsten
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Legacy Effects of Sorption Determine the Formation Efficiency of Mineral-Associated Soil Organic Matter. Environmental Science & Technology, 56(3), 2044-2053.
Chen, Shuling; Klotzbücher, Thimo; Lechtenfeld, Oliver J.; Hong, Hanlie; Liu, Chongxuan; Kaiser, Klaus; Mikutta, Christian & Mikutta, Robert
