Interaktionen zwischen Manganoxiden und gelöster organischer Substanz in Böden

Manganoxide sind ubiquitäre Bodenminerale. Sie wirken als effiziente Sorbenten für Schwermetalle und besitzen ein hohes Oxidationspotential für organische und anorganische Verbindungen. Die Kenntnis der Faktoren, welche die Reaktivität von Manganoxiden beeinflussen, ist entscheidend für die Vorhersage des Umsatzes von Nähr- und Schadstoffen sowie der organischen Substanz in Böden. Ein wichtiger, jedoch selten untersuchter Faktor ist die gelöste organische Substanz (DOM). Gegenwärtig gibt es wenig systematische Informationen über (1) die Adsorption terrestrischer DOM an Manganoxide, (2) Redoxreaktionen zwischen DOM und Manganoxiden sowie (3) den Einfluss von DOM auf Umwandlungsreaktionen der Manganoxide. Aus diesem Grund planen wir Batchexperimente, in denen die Adsorption unterschiedlicher DOM-Typen (wässrige Bodenauflagenextrakte, bakterielle exopolymere Substanzen) an bodenrelevante Manganoxide (delta-MnO2, Kryptomelan, Lithiophorit, Todorokit) als Funktion chemischer Variablen wie pH, Ionenstärke und Lösungszusammensetzung studieren. Mittels moderner, überwiegend spektroskopischer, spektrometrischer und chromatographischer Methoden wollen wir Speziierungsveränderungen des Mangans sowie der organischen Substanz auf molekularer Ebene untersuchen. Zusätzlich werden wir den Einfluss von DOM auf das Ausmaß sowie die Kinetik der Mangan(II)-induzierten Manganoxidumwandlung unter reduzierenden Bodenbedingungen evaluieren. Insgesamt wird das Projekt das Verständnis der Umweltreaktivität von Manganoxiden sowie der Kopplung zwischen Mangan- und Kohlenstoffkreislauf in Böden signifikant verbessern.

Manganese oxides are effective sorbents for heavy metals and have a high oxidation potential for organic and inorganic compounds. The knowledge of factors that influence the reactivity of manganese oxides is crucial for predicting the (bio)geochemical cycling of nutrients, pollutants and organic matter in soils. An important, but rarely studied factor is dissolved organic matter (DOM). There is currently little systematic information on (1) the adsorption of terrestrial DOM on manganese oxides, (2) redox reactions between DOM and manganese oxides, and (3) the influence of DOM on manganese oxide transformation reactions. For this reason, we will conduct batch experiments to explore the adsorption of different types of DOM (aqueous extracts from soil organic layers, bacterial exopolymers) to soil-relevant manganese oxides (delta-MnO₂, cryptomelane, lithiophorite, todorokite) as a function of chemical variables such as pH, ionic strength, and solution composition. Using predominantly spectroscopic, spectrometric and chromatographic methods, we will investigate speciation changes of manganese as well as organic matter at the molecular level. In addition, we will evaluate the influence of DOM on the extent and kinetics of manganese(II)-catalyzed manganese-oxide transformation under reducing soil conditions. Overall, the project will significantly improve the understanding of the environmental reactivity of manganese oxides and the coupling between manganese and carbon cycles in soils