Untersuchung der dreidimensionalen chemischen und physikalischen Architektur von Bodenmikrostrukturen durch Kombination spektromikroskopischer Techniken und Entwicklung neuer rechnergestützter Ansätze

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Carmen Höschen
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398381278

Bodenmikrostrukturen werden nach wie vor als zufällig angeordnete heterogene Mischungen mineralischer und organischer Komponenten betrachtet, während ein umfassendes Wissen über die zugrunde liegenden architektonischen Prinzipien, die die Strukturbildung auf der Mikroskala bestimmen, fehlt. Insbesondere Mikroaggregate (Bodenmikrostrukturen kleiner als 250 µm), hochkomplexe Verbindungen mineralischer und organischer Bestandteile unterschiedlicher Größe und chemischer Zusammensetzung, sind dafür bekannt, eine entscheidende Rolle bei der langfristigen Sequestrierung organischer Bodensubstanz zu spielen. Während es bisher nicht möglich war, komplexe Bodenmikroumgebungen mit der notwendigen mikro- bis nanometergenauen räumlichen Auflösung zu untersuchen, durch die Kombination mikroskopischer und spektroskopischer Verfahren ist es heute möglich, sowohl Zusammensetzung, 3D-Architektur als auch strukturelle Charakteristika intakter Bodenmikrostrukturen räumlich aufzulösen.Unsere Hypothese besagt, dass die 3D-Architektur von Bodenmikrostrukturen bei gleichem Ausgangssubstrat stark vom Gehalt (C-arm, C-intermediär, C-reich) und von der Zusammensetzung (C/N eng, C/N weit) der organischen Bodensubstanz des Gesamtbodens abhängt und eng gekoppelt ist mit der spezifischen räumlichen Anordnung mineralischer Partikel. Um unsere Hypothese zu untersuchen, werden wir natürliches Bodenmaterial mit vergleichbarer mineralogischer Zusammensetzung, aber unterschiedlichen Gehalten an organischer Bodensubstanz verwenden. Die Verwendung natürlicher Bodensysteme wird die Untersuchung reproduzierbarer struktureller Charakteristika (z.B. Oberflächenrauigkeit, Porengröße, Hohlraumstruktur) zusammen mit der Darstellung chemischer Parameter (z.B. C- und N-Verteilung) gewährleisten. Durch den Einsatz von 13C- und 14N-gelabeltem organischer Substanz als organisches Ausgangsmaterial für die Inkubation der natürlichen Bodenproben wird ermöglicht, dass durch HIM-SIMS Oberflächeneigenschaften in hoher räumlicher Auflösung bestimmt werden, die organo-mineralische Assoziationen an bestimmten Mikrostrukturspots begünstigen, während die AFM-NanoSIMS-Kombination topographie-korrigierte Daten für die exakte Bestimmung der elementaren und isotopischen Zusammensetzung des organischen Materials bei hoher Massenauflösung liefert. Unser Ziel ist es, korrelative Arbeitsabläufe für die Oberflächen- und Raumrekonstruktion mit HIM-SIMS und AFM-NanoSIMS zu entwickeln, um räumliche Verteilung und chemische Eigenschaften des mineralisch-assoziierten organischen Materials auf der Mikroskala zu ermitteln, und später modellieren zu können. Unsere Studie bietet die große Gelegenheit, strukturelle Prinzipien, die die natürliche Bodenentwicklung auf der Mikroskala bestimmen, nachzuvollziehen und eine 3D/4D-Modellierung der Bildung von organo-mineralischen Assoziationen intakter 3D-Bodenmikrostrukturen zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Luxemburg
• Partnerorganisation: Fonds National de la Recherche
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Carsten Werner Müller
• Kooperationspartner: Dr. Jean-Nicolas Audinot