Einfluss natürlicher organischer Substanz auf Wechselwirkungen zwischen Silikat und Eisenoxiden und die Pflanzenverfügbarkeit von Silizium
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den letzten Jahren ist die Bedeutung von Silizium (Si) für die Pflanzenernährung zunehmend erkannt worden. Pedogene Fe-Oxide sind wichtige Sorbenten für Kieselsäure und steuern somit potenziell das pflanzenverfügbare Si. Jedoch wurden (1) das Sorptionsverhalten von polymerem im Vergleich zu monomerem Si, (2) ihre Speziation auf Mineraloberflächen und die Folgen für die Si-Desorption sowie (3) die Auswirkungen natürlicher gelöster organischer Substanz (DOM) auf die Sorption/Desorption von monomerem gegenüber polymerem Si bisher kaum untersucht. In einer ersten Studie untersuchten wir daher die Adsorption und Desorption monomerer und polymerer Kieselsäure an Goethit bei unterschiedlichen Si-Goethit-Verhältnissen unter sauren Bedingungen (initialer pH-Wert 4.5), die eine aktive Verwitterungsumgebung simulieren. Die Adsorption von Si an Goethit bei konstanten Si-Fe-Verhältnissen war bei Lösungen, die Si-Polymere enthielten, größer als bei Monomeren. Die Anreicherung von polymerem Si an der Oberfläche wurde mittels Photoelektronenspektroskopie und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie ausschließlich bei geringer Verfügbarkeit von Bindungsstellen in Kombination mit kleinen Änderungen des pH-Werts der Lösung und in Gegenwart hoher Si- Lösungskonzentrationen beobachtet. Abweichungen von diesen Bedingungen führten zur Akkumulation von monomerem Si. Im Gegensatz zu monomerem Si war die Desorption von polymerem Si deutlich reduziert. In einer zweiten Studie untersuchten wir die DOM-induzierte Desorption von monomerem und polymerem Si von Goethitoberflächen bei unterschiedlichen anfänglichen Si-Beladungen sowie die Netto-Si-Freisetzung während der konkurrierenden Sorption von monomerem und polymerem Si und DOM an Si-beladenem Goethit. Die verwendete DOM-Lösung wurde aus einer Oh-Lage eines Fichtenwaldstandortes gewonnen. Die Ergebnisse zeigten, dass monomeres Si durch DOM effizienter desorbiert wird (bis zu 100 %) als polymeres Si (<20 %). Im Einklang mit diesem Trend wurde beobachtet, dass monomeres Si in Gegenwart von DOM weniger effizient an Goethit sorbiert wurde. Bei geringer Verfügbarkeit von Bindungsstellen bewirkte DOM eine Nettofreisetzung von monomerem Si. Im Gegensatz dazu war DOM kaum in der Lage, die Sorption von polymerem Si an Goethit zu beeinträchtigen. In einer dritten Studie untersuchten wir die konkurrierende Sorption von Si, DOM und Phosphor an Goethit unter Verwendung zwei verschiedener Waldboden-Sickerwässer (pH 4.1-4.7). Unter stark konkurrierenden Bedingungen wurde kaum gelöstes Si (<2 %), aber ein großer Teil des DOM (48-80 %) sorbiert. Die Vorbeladung der Goethitoberflächen mit monomerem Si verringerte die Sorption von organischem Kohlenstoff und Phosphat kaum, während bis zu 50 % des Si von den Oberflächen in die Lösungen freigesetzt wurden, was auf einen kompetitiven Verdrängungsmechanismus hinweist. Insgesamt zeigten unsere Experimente, dass die Speziation von Si in Lösung, die Verfügbarkeit von Bindungsstellen und der pH-Wert wichtige interagierende Faktoren sind, die die Si-Speziation an Fe-Oxid-Oberflächen und die Si-Mobilität in Böden steuern. Unsere Ergebnisse weisen durchweg auf eine höhere Persistenz und geringere Pflanzenverfügbarkeit von polymerem als von monomerem Si auf mineralischen Oberflächen hin. Monomeres Si wird stärker von der Konkurrenz mit DOM und anderen stark sorbierenden Stoffen beeinflusst und ist daher anfälliger für Auswaschung und pflanzenverfügbarer als polymeres Si.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Competition of monomeric and polymeric silicic acid with natural organic matter for binding sites at goethite. Copernicus GmbH.
Dobritzsch, Jana; Klotzbücher, Anika; Klotzbücher, Thimo; Kaiser, Klaus; Mikutta, Christian & Mikutta, Robert
-
Sorption competition with natural organic matter as mechanism controlling silicon mobility in soil. Scientific Reports, 10(1).
Klotzbücher, Thimo; Treptow, Christian; Kaiser, Klaus; Klotzbücher, Anika & Mikutta, Robert
-
Effect of silicic acid polymerization on silicon accumulation at goethite surfaces. Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft. 2022
Dobritzsch, J.; Klotzbücher, A.; Klotzbücher, T.; Kaiser, K.; Mikutta, C. & Mikutta, R.
