Redox-Eigenschaften und Struktur von Fe-Corg-Phasen: Einfluss auf die mikrobielle Fe(III) Reduktion mit Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf

• Antragsteller: Jeffrey Hudson, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Bodenwissenschaften ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540763051

An Redox-Grenzflächen in Gewässern kann Eisen (Fe) zusammen mit natürlichem organischen Material (NOM) und anderen Ionen ausgefällt werden und gering-kristalline Minerale bilden, die den organischen Kohlenstoff vor der mikrobiellen Oxidation zu in Kohlendioxid (CO2) schützen. Während dieser Schutzmechanismus für den Klimawandel von Bedeutung ist, sind die Auswirkungen von NOM auf die Redoxeigenschaften von mitgefällten Fe-Phasen unbekannt. Wenig-kristalline Fe(III) (oxyhydr)oxide, die mit NOM assoziiert sind, können veränderte Redoxeigenschaften aufweisen, da NOM die Speziation und die Koordinationsumgebung von Fe beeinflusst. Es bleibt unklar, ob es eine Beziehung zwischen den Eigenschaften von Kopräzipitaten auf atomarer Ebene und dem Ausmaß und der Geschwindigkeit ihrer Redoxreaktionen gibt. Da die mikrobielle Reduktion von Fe Mineralen die Bildung von CO2 in anoxischen Umgebungen beeinflusst, könnten erhöhte reduktive Auflösungsraten von Kopräzipitaten dem Kohlenstoffschutz entgegenwirken. Die zentralen Hypothesen dieses Projekts sind, dass 1a) NOM, das zahlreiche Liganden enthält, die Kristallinität von Fe(III)-NOM-Copräzipitaten im Vergleich zu anderen metastabilen Fe(III) (oxyhydr)oxiden verringert, 1b.) Sekundäre Ionen, wie sie in Habitaten mit höherer Ionenstärke auftreten, behindern den Einbau von OM in Fe(III)-NOM-Copräzipitate, was zu kristallineren und geordneteren Phasen im Vergleich zu Copräzipitaten führt, die in Umgebungen mit niedriger Ionenstärke gebildet werden, 2.) Fe(III)-NOM-Copräzipitate weisen einen hohen EH-Wert im Vergleich zu "reinen" Fe(III) (oxyhydr)oxid Mineralen auf, 3. ) abiotische und mikrobielle Transformationen von Fe(III)-NOM-Copräzipitaten unterscheiden sich in ihren Umwandlungswegen und Produkten von reinen Fe(III) (oxyhydr)oxid Mineralen, und 4.) die mikrobielle Reduktion von Fe(III)-NOM-Copräzipitaten erhöht die CO2-Freisetzung aus anoxischen Böden im Vergleich zu Ferrihydrit in Anwesenheit äquivalenter Mengen von NOM oder in NOM-freien Kontrollen. Moessbauer- und Synchrotron-Spektroskopie wird eingesetzt, um die strukturellen Eigenschaften von Kopräzipitaten zu untersuchen und sie mit elektrochemisch gemessenen Redox-Eigenschaften zu verknüpfen. Darüber hinaus werden elektrochemische und biologische Reduktionsexperimente eingesetzt, um die strukturellen Eigenschaften von Kopräzipitaten mit ihren abiotischen bzw. biologischen Redoxreaktivitäten zu verknüpfen. Die Forschungsarbeiten werden an der Universität Tübingen in der Arbeitsgruppe Geomikrobiologie unter der Leitung von Prof. Andreas Kappler durchgeführt, da Prof. Kappler über Expertise in der Fe-Biogeochemie und Mineralogie verfügt und die Universität Tübingen modernste Laboreinrichtungen Möglichkeiten bietet. Darüber hinaus wird durch die Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Prachi Joshi und Zusammenarbeit mit Prof. Stefan Haderlein, beide ebenfalls in Tübingen, Expertise in Umweltredoxchemie und Elektrochemie angeboten.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle