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The intention of this thesis was to characterise the effect of naturally occurring multivalent cations like Calcium and Aluminium on the structure of Soil Organic Matter (SOM) as well as on the sorption behaviour of SOM for heavy metals such as lead.
The first part of this thesis describes the results of experiments in which the Al and Ca cation content was changed for various samples originated from soils and peats of different regions in Germany. The second part focusses on SOM-metal cation precipitates to study rigidity in dependence of the cation content. In the third part the effects of various cation contents in SOM on the binding strength of Pb cations were characterised by using a cation exchange resin as desorption method.
It was found for soil and peat samples as well as precipitates that matrix rigidity was affected by both type and content of cation. The influence of Ca on rigidity was less pronounced than the influence of Al and of Pb used in the precipitation experiments. For each sample one cation content was identified where matrix rigidity was most pronounced. This specific cation content is below the cation saturation as expected by cation exchange capacity. These findings resulted in a model describing the relation between cation type, content and the degree of networking in SOM. For all treated soil and precipitate samples a step transition like glass transition was observed, determined by the step transition temperature T*. It is known from literature that this type of step transition is due to bridges between water molecules and organic functional groups in SOM. In contrast to the glass transition temperature this thermal event is slowly reversing after days or weeks depending on the re-conformation of the water molecules. Therefore, changes of T* with different cation compositions in the samples are explained by the formation of water-molecule-cation bridges between SOM-functional groups. No influence on desorption kinetics of lead for different cation compositions in soil samples was observed. Therefore it can be assumed that the observed changes of matrix rigidity are highly reversible by changing the water status, pH or putting agitation energy by shaking in there.
Die Struktur der organischen Bodensubstanz (OBS) ist ein seit Jahrzehnten unter Wissenschaftlern viel diskutiertes Thema. Die wichtigsten Modelle sind unter anderem das Polymer Modell und das Supramolekulare Modell. Während ersteres die OBS als Makromoleküle betrachtet, die amorphe und kristalline Bereiche enthält, erklärt letzteres die OBS als physikochemische Verbindung in der durch schwache hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen individuelle Moleküle primärer Struktur in einer Sekundärstruktur zusammengehalten werden. Die schwachen Wechselwirkungen innerhalb der Sekundärstruktur gewähren der OBS ihre charakteristische Mobilität. Eine wichtige Konsequenz dieses mehrdimensionalen Aufbaus ist es, dass abgesehen von der chemischen Zusammensetzung, die physikochemische Struktur der OBS eine entscheidende Rolle für ihre biogeochemischen Funktionen spielt. Aus diesem physikochemischen Verständnis der OBS Struktur heraus entstand das kürzlich eingeführte Konzept der durch Kationen und Wassermoleküle vermittelten Brücken zwischen OBS Segmenten (CaB und WaMB). Obwohl es in den letzten Jahren einige indirekte Anhaltspunkte für die Ausbildung von CaB und WaMB gab, gibt es bis heute kein klar umrissenes Verständnis di eser Prozesse. Experimentelle Probleme aufgrund sich überlagernder Effekte von wichtigen ebenfalls CaB beeinflussenden Parametern, wie pH und der Konzentration konkurrierender Kationen, erschweren die Untersuchung der CaB-bezogenen Einflüsse. Daher zielte diese Arbeit darauf ab, eine experimentelle Herangehensweise zu entwickeln um CaB innerhalb der OBS zu erzeugen und diese hinsichtlich verschiedener chemischer und physikochemischer Aspekte zu beurteilen. Dazu wurden zuerst die in den Proben schon vorhandenen Kationen entfernt und der pH Wert definiert eingestellt, bevor die Proben erneut mit bestimmten Kationen beladen wurden. So konnten pH- und Kationen-Effekte voneinander getrennt beobachtet werden.
Aus den Ergebnissen, die mit zwei unterschiedlichen Typen organischer Substanz erzielt worden sind, kann folgender Rückschluss gezogen werden: Unter der Voraussetzung, dass die Dichte der funktionellen Gruppen in der OBS hoch genug ist, so dass diese in ausreichender räumlicher Nähe zueinander arrangiert sind, können Kationen die OBS quervernetzen. Eine physikochemische strukturelle Umorientierung findet auch in Alterungsprozessen statt, die die Bildung von mehr und/oder stärkeren CaB und WaMB verursachen. Kationengröße und "ladung bestimmen sowohl die Erzeugung von CaB direkt bei der Kationenbehandlung, als auch die Effekte der Alterungsprozesse. Ein anfänglichrnstärker quervernetztes System ist weniger anfällig für strukturelle Änderungen und unterliegt weniger starken Alterungsprozessen als ein anfänglich schwächer quervernetztes. Verantwortlich für die strukturellen Veränderungen ist die der OBS innewohnende Mobilität innerhalb ihres physikochemischen Verbundes. Information über die strukturellen Voraussetzungen zur Bildung von CaB und deren Konsequenzen für die Matrixstabilität der OBS können helfen, Einblicke in die physikochemische Struktur der OBS zu erhalten. Außerdem zeigten die Qualität der OBS (bestimmt mithilfe thermischer Analytik) und deren Porenstruktur, die sich in einer Reihe von künstlich hergestellten Böden nach einigen Monaten der OBS Entwicklung gebildet hatten, dass die mineralischen Ausgangsmaterialien zwar eine Bedeutung für die chemische Natur der OBS Moleküle hatten, nicht jedoch für die physikalische Struktur der organisch-mineralischen Verbindungen.
In der vorliegenden Arbeit wurde außerdem erstmals die nanothermische Analyse mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM-nTA) für Boden eingesetzt, um thermische Eigenschaften und deren räumliche Verteilung im Nano- und Mikrometerbereich zu erfassen. Diese Methode ermöglichte es, physikochemische Prozesse, wie z.B. das Aufbrechen von WaMB in humusarmen Böden zu identifizieren, bei denen herkömmliche Methoden aufgrund zu niedriger Empfindlichkeit scheiterten. Weiterhin konnten durch eine verbesserte Anwendung der Methode und die Kombination mit anderen AFM-Parametern einige in Böden vorkommende Materialien in hoher räumlicher Auflösung unterschieden werden. Durch die Verwendung definierter Testmaterialien wurde versucht, diese Bodenmaterialien zu identifizieren. Das größte Potential dieser Methode liegt allerdings darin, die mikroskopische Heterogenität von Probenoberflächen zu quantifizieren, was z.B. dabei helfen kann, Prozess-relevante Hotspots aufzudecken.
Durch die Einbindung der AFM-nTA Technologie trägt die vorliegende Arbeit zum wissenschaftlichen Verständnis der Änderungen der physikochemischer Struktur der OBS durch Kationenquervernetzung bei. Die hier demonstrierte direkte Untersuchung der CaB kann möglicherweise zu einem großen Wissenssprung hinsichtlich dieser Wechselwirkungen verhelfen. Der beobachtete Alterungsprozess ergänzt gut das supramolekularen Verständnis der OBS. Die Einführung der nanothermischen Analyse in die Bodenkunde ermöglicht es, dem Problem der Heterogenität und der räumlichen Verteilung thermischer Eigenschaften zu begegnen. Ein anderer wichtiger Erfolg der AFM-nTA ist, dass sie genutzt werden kann um physikochemische Prozesse sehr geringer Intensität zu detektieren.
In der vorliegenden Arbeit wurden Benetzungseigenschaften zweier stark anthropogen beeinflusster Böden in Abhängigkeit von Einflussfaktoren wie Wassergehalt, pH, Trocknungs- und Benetzungstemperatur untersucht. Ziel war es die Prozesse und Mechanismen, die zu Veränderungen der Benetzungseigenschaften von Böden führen, besser zu verstehen. Erkenntnisse über diese Prozesse und Mechanismen lassen zum einen Rückschlüsse auf das generelle Verhalten von organischer Bodensubstanz zu, können zum anderen aber auch helfen, vorsorgliche Maßnahmen zu ergreifen um Bodenhydrophobie zu verhindern oder deren negative Effekte zu reduzieren. Anhand der Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Spreitung von liegenden Tropfen (TISED) auf hydrophoben und benetzbaren Bodenproben beider Standorte wurde die Hypothese getestet, dass der Benetzungsprozess durch chemische Reaktionen kontrolliert wird. Mithilfe von DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform) Spektren wurde überprüft, ob unterschiedliche Trocknungs-bedingungen (Temperatur, Dauer, Luftfeuchte) zu Unterschieden in der Anzahl hydrophober und hydrophiler funktioneller Gruppen in den äußeren Molekülschichten führen die sich im Grad der Benetzungshemmung widerspiegeln. Durch künstliche pH-Wert Änderung über die Gas¬phase konnte die pH-Wert Abhängigkeit der Benetzungshemmung unabhängig vom Wassergehaltseinfluss beider Standorte verglichen werden. Die beiden Standorte weisen extreme Unterschiede in der Art der Benetzungshemmung auf und sind dadurch beispielhaft für die Bandbreite der möglichen Ursachen und Mechanismen der Benetzungs-hemmung in Böden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Temperatur- Wassergehalts- und pH-Abhängigkeit der Benetzungshemmung aus dieser Arbeit im Vergleich mit Ergebnissen vorhergehender Arbeiten lassen sich am besten mit jeweils einem konzeptionellen Modell pro Standort zur Natur der Benetzungshemmung erklären: Am Standort Tiergarten werden die Benetzungseigenschaften vermutlich durch mizellartige Anordnung amphiphiler Substanzen an der Oberfläche der organischen Bodensubstanz bestimmt, die abhängig vom Gehalt wasserlöslicher amphiphiler Substanzen, dem pH Wert und der Ionenstärke in der Bodenlösung im Verlaufe der Trocknung zu einer unterschiedlichen Orientierung der hydrophilen funktionellen Gruppen führt. Bei niedrigen pH-Werten und hoher Ionenstärke herrschen schwache Abstoßungskräfte zwischen den hydrophilen Gruppen, diese können aggregieren und hydrophobe Molekülketten sind nach außen gerichtet. Bei höheren pH-Werten und niedrigerer Ionenstärke sind die abstoßenden Kräfte zwischen den hydrophilen Gruppen groß und führen zu einer Aggregation hydrophober Gruppen, wobei die hydrophilen Gruppen nach der Trocknung nach außen gerichtet sind und für eine bessere Benetzbarkeit sorgen. Am Standort Buch sind chemische Reaktionen zur Benetzung nötig. Aufgrund der starken Wassergehaltsabhängigkeit der Benetzungshemmung könnte es sich dabei um Hydrolysereaktionen handeln, die säurekatalysiert reversible wassegehaltsabhängige Gleichgewichtsreaktionen und im Basischen irreversibel sind. Die beiden Modelle können eine Vielzahl von Beobachtungen erklären, die im Verlaufe dieser Untersuchung aber auch in vorhergehenden Untersuchungen gemacht wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und ihr Vergleich mit vorherigen Untersuchungen auf denselben Standorten zeigten, dass Benetzungshemmung in Böden durch eine Vielzahl von Faktoren und Prozessen beeinflusst ist, die sowohl synergistisch als auch antagonistisch wirken können. Welche Faktoren den größten Einfluss ausüben bzw. welche Prozesse die vorherrschenden sind, hängt von lokalen Größen wie der Art des Mineralbodens und der organischen Bodensubstanz ab, die wiederum dem Einfluss von Klima, Textur, Topografie, Vegetation und der Nutzungsgeschichte unterliegen.