Quantifizierung und Charakterisierung anorganischer röntgenamorpher Feststoffe in Böden

• Antragsteller: Dr. Reiner Dohrmann; Professor Dr. Christian Mikutta
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460744281

Als "röntgenamorph" gelten Feststoffe mit extrem kleinen Kristallgrößen, ausgeprägten Gitterstörungen oder einer ausschließlich vorhandenen atomarer Nahordnung, welche im Vergleich zu kristallinen Feststoffen häufig nur über diffuse Röntgenbeugungsmuster verfügen. In Röntgenbeugungsdiagrammen bleiben diese Feststoffe als erhöhter Signaluntergrund "sichtbar". In Böden existieren anorganische röntgenamorphe Feststoffe (ARF) als Glasphasen, Mineralkristalle mit einer zu geringen Anzahl von sich wiederholenden Struktureinheiten ("schlecht kristalline bzw. "nanokristalline" Minerale) sowie Feststoffen variabler chemischer Zusammensetzung und atomarer Nahordnung ("Mineraloide"). Aufgrund ihrer großen spezifischen Oberflächen und reaktiven Oberflächengruppen steuern ARF in Böden wichtige Prozesse wie etwa Kohlenstoffumsatz, Mineralverwitterung sowie Sorptionsreaktionen von Nähr- und Schadstoffen. Trotz ihrer ökologischen Relevanz sind ARF in Böden unzureichend erforscht. Wissensdefizite existieren hinsichtlich ihrer Natur, Gesamtgehalte, chemischen Zusammensetzung und Verteilung in Böden sowie ihrer Quantifizierbarkeit mit Hilfe nasschemischer Extraktionsverfahren. Um diese Wissenslücken zu schließen, quantifizieren wir ARF in der Feinerde (<2 mm) sowie in Partikelgrößenfraktionen von vier Bodentypen (Braunerde, Parabraunerde, Podsol, Schwarzerde) mittels quantitativer Röntgendiffraktometrie (Rietveld Verfahren). Die chemische Zusammensetzung der ARF wird über Massenbilanzierungen auf Basis der Rietveld-Ergebnisse und chemischer Analysen der Bodenproben ermittelt ("balance sheet method"). Auf dieser Grundlage überprüfen wir, in wie fern gängige selektive Extraktionsverfahren zur Bestimmung "röntgenamorpher" Bodenfestphasen geeignet sind, deren absolute Gehalte und chemische Zusammensetzung in Böden quantitativ zu erfassen. Zusätzlich untersuchen wir röntgenamorphe anorganische Feststoffe (<1 µm) aus ausgewählten Partikelgrößenfraktionen mit Hilfe der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie. Insgesamt liefert das Forschungsvorhaben grundlegende Informationen (1) zu Gesamtgehalten von ARF in Böden, ihrer Natur und chemischen Zusammensetzung sowie tiefenabhängigen Verteilung sowie (2) zur Quantifizierbarkeit von ARF mittels selektiver Extraktionsverfahren. Damit bildet dieses Projekt die Grundlage dafür, den Einfluss von ARF auf Bodenfunktionen und -eigenschaften zukünftig detailliert erforschen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen