Fachbereichsrat - entfällt
SOM-AGING
| Physicochemical Aging Mechanisms in Soil Organic Matter and hydration-dehydration mechanisms at Biogeochemical Interfaces - SOM-AGING I & II DFG: SCHA 849/8-1 & 8-2 DFG Priority Program SPP 1315 "Biogeochemical Interfaces in Soil" |
Summary Phase II
For summary of phase I see end of this page
Soil organic matter (SOM) controls large part of the processes occurring at biogeochemical interfaces in soil and may contribute to sequestration of organic chemicals. Our central hypothesis is that sequestration of organic chemicals is driven by physicochemical SOM matrix aging. The underlying processes are the formation and disruption of intermolecular bridges of water molecules (WAMB) and of multivalent cations (CAB) between individual SOM segments or between SOM and minerals in close interaction with hydration and dehydration mechanisms. Understanding the role of these mediated interactions will shed new light on the processes controlling functioning and dynamics of biogeochemical interfaces (BGI).
We will assess mobility of SOM structural elements and sorbed organic chemicals via advanced solid state NMR techniques and desorption kinetics and combine these with 1H-NMR-Relaxometry and advanced methods of thermal analysis including DSC, TGA-DSC-MS and AFM-nanothermal analysis. Via controlled heating/cooling cycles, moistening/drying cycles and targeted modification of SOM, reconstruction of our model hypotheses by computational chemistry (collaboration Gerzabek) and participation at two larger joint experiments within the SPP, we will establish the relation between SOM sequestration potential, SOM structural characteristics, hydration-dehydration mechanisms, biological activity and biogechemical functioning. This will link processes operative on the molecular scale to phenomena on higher scales.
Deutsche Zusammenfassung: ganz unten
Projektleitung
Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann (Project leader)Dr. Marko Bertmer, University Leipzig (Co-Applicant)
Mitarbeiter/Staff
Yamuna Kunhi Mouvenchery (Scientific Assistant)Jette Schwarz (Scientific Assistant)
Alexander Jäger (Scientific Assistant)
Student Assistants
Publikations
with peer-review
2012
2011
2009
2008
Other publications
2010
2009
Kooperationen
Prof. Dr. Martin Gerzabek, BOKU Wien
Dr. Daniel Tunega, BOKU Wien
Prof. Dr. Hans Lischka, Uni Wien
Dr. Adelia Aquino, Uni Wien
apl. Prof. Dr. Jörg Bachmann, Universität Hannover
Prof. Dr. Ingrid Kögel-Knabner, TU Weihenstephan
Prof. Dr. Sören Thiele-Bruhn, University Trier
Prof. Dr. Bernd Marschner, Ruhr Universität Bochum
PD Dr. Kai-Uwe Goss, UFZ Leipzig
PD Dr. Thomas Baumann, TU München
Summary Phase I
One of the most valuable ecological potentials of soil organic matter (SOM) is based on its highly dynamic nature enabling flexible reactions on a variety of environmental conditions. SOM controls large part of the processes occurring at biogeochemical interfaces in soil and may contribute to sequestration of organic chemicals. This project focuses on understanding of these dynamics in SOM from a new viewpoint regarding SOM as amorphous matrix. The dynamics addressed in this view are mainly based on "weak" intermolecular interactions rather than covalent binding.Based on results of our recent studies, our central hypothesis is that physicochemical SOM matrix aging, driven by dynamics in intermolecular cross-linking via bridges of water molecules and multivalent cations, is responsible for sequestration of organic chemicals. We will therefore assess mobility of SOM structural elements and sorbed probe compounds via sophisticated solid state NMR techniques from macromolecular chemistry and combine these with Differential Scanning Calorimetry, 1H NMR Relaxometry and a modified inverse gas chromatography. This set of methods will link SOM matrix rigidity and swelling properties with the presence sequestered probe compounds. Via controlled heating/cooling cycles, drying/remoistening cycles and targeted modification of SOM by biofilm enrichment and coordinative cross-linking, we will establish the relation between SOM sequestration potential, SOM structural characteristics and environmental conditions leading to immobilization or unexpected release of contaminants in the field.
Deutsche Zusammenfassung: ganz unten
Projektleitung Phase I
Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann (Project leader)Dr. Marko Bertmer, University Leipzig (Co-Applicant)
Mitarbeiter/Staff Phase I
Jette Schwarz (Scientific Assistant)
Sabina Hens (Student Assistant)
Kooperationen Phase I
PD Dr. Kai-Uwe Goss, UFZ LeipzigDr. Ilja Shendrovich (FU Berlin)
Prof. Dr. Sören Thiele-Bruhn, University Trier
Prof. Dr. Klaus Fischer, Universität Trier
Prof. Dr. Bernd Marschner, Universiät Bonn
apl. Prof. Dr. Jörg Bachmann, Universität Hannover
Deutsche Zusammenfassung
Phase I
Die organische Bodensubstanz (OBS) reagiert extrem flexibel und dynamisch auf Umweltbedingungen. Dieses Potenzial ist von hoher ö kologischer Bedeutung, da die OBS Prozesse an biogeochemischen Grenzflächen entscheidend beeinflusst. Wir betrachten die OBS in diesem Projekt von einem neuen Blickwinkel als amorphe Matrix, in der eher "schwache" intermolekularen Wechselwirkungen als kovalente Bindungen von der Dynamik betroffen sind. Unsere zentrale Hypothese ist, dass die physikochemische Matrixalterung der OBS zum physikalischen Einschluss organischer Stoffe führt. Zentrale Elemente dieses Alterungsmechanismus sind Quervernetzungen durch Brücken von Wassermolekülen und durch mehrwertige Kationen. Wir untersuchen die Beweglichkeit von Strukturelementen der OBS und sorbierter Testchemikalien mit differenzierten Techniken der Festkörper NMR aus der makromolekularen Chemie und kombinieren diese mit der Differential Scanning Kalorimetrie, der 1H NMR Relaxometrie und einer Modifikation der inversen Gaschromatographie. Diese Methodenzusammenstellung verknüpft Matrixstarrheit und Quellungsvorgänge der OBS mit dem Vorhandensein physikalisch eingeschlossener Stoffe. Durch gezielte Heiz-Kühl- sowie Austrocknungs-Wiederbefeuchtungszyklen und die gezielte Veränderung der OBS durch koordinative Quervernetzungen und Anreicherung mit Biofilmen beleuchten wir die Beziehung zwischen dem Sequestrierungspotenzial, der Struktur der OBS und den Umweltbedingungen, die zu einer Immobilisierung oder unerwarteten Freisetzung von Schadstoffen im Feld führen können.
Phase II
Die organische Bodensubstanz (OBS) beeinflusst viele Prozesse an und in biogeochemischen Grenzflächen und kann zur Sequestrierung organischer Chmikalien beitragen. Unsere Hypothese ist, dass die physikochemische Matrixalterung mitverantwortlich für die Sequestrierung organischer Chemikalien ist. Zentrale Elemente dieses Alterungsmechanismus sind Quervernetzungen durch Brücken von Wassermolekülen (WAMB) und durch mehrwertige Kationen (CAB) in Kombination mit Hydratisierungs- und dehydratisierungsprozessen. Das Verständnis der Rolle dieser indirekten Wechselwirkungen wird dazu beitragen, die Prozesse zu verstehen, die die Funktion und Dynamik biogeochemischer Grenzflächen (BGI) bestimmen.
Wir untersuchen die Beweglichkeit von Strukturelementen der OBS und sorbierter Testchemikalien mit differenzierten Techniken der Festkörper NMR und mit Desorptionskinetiken und kombinieren diese mit der 1H NMR Relaxometrie und modernen thermoanalytischen Verfahren, insbesondere der Differential Scanning Kalorimetrie (DSC), Thermogravimetrie gekoppelt mit DSC und Massenspektrometrie (TGA-DSC-MS) und AFM-Nanothermoanalyse. Über definierte Heiz-Kühlzyklen, Befeuchtungs-Trocknungszyklen, gezielte Veränderungen in der organischen Substanz, die Rekonstruktion der Hypothesen mit Molekularer Modellierung (Kooperation Gerzabek) und die Teilnahme an zwei größeren gemeinsamen Experimenten im Schwerpunktprogramm werden wir die Zusammenhänge zwischen dem Sequestrierungspotenzial der OBS, strukturellen Eigenschaften der OBS, Hydratisierungs- und Dehydratisierungsmechanismen, biologischer Aktivität und biogeochemischen Zusammenspielen herstellen. Dadurch verbinden wir Prozesse auf der Molekülskala mit Phänomenen auf höheren Skalen.
Kontakt