Sektion 3.5: Grenzflächen-Geochemie

Reaktionen an Mineraloberflächen haben großen Einfluss auf einige (bio)geochemische Schlüsselprozesse, einschließlich Biomineralisierung, Nährstoff- und Spurenelementzyklen und Schadstoffdynamik. In diesem Forschungsthema konzentrieren wir uns auf die Mechanismen und Kinetik der Keimbildung und des Wachstums von Mineralien und darauf, wie diese Prozesse die Speziation, Sequestrierung oder Freisetzung/Transport verschiedener Elemente an der Oberfläche und in den (Nah-)Untergrundumgebungen der Erde beeinflussen. Gegenwärtig interessieren wir uns für die Bildung und/oder Umwandlung von Kalziumkarbonaten und -sulfaten, Tonmineralien, Eisen(oxyhydr)oxiden und -sulfiden und Phosphaten (z.B. Struvit) in natürlichen und künstlichen Umgebungen.

Um die wichtigsten Kontrollfaktoren zu verstehen, die die Mineralbildung und/oder -umwandlung beeinflussen, stellen wir synthetische Analoga dieser Mineralphasen her und führen Experimente unter simulierten natürlichen Bedingungen durch. Ein solcher Ansatz ermöglicht es uns, vertiefte Untersuchungen darüber durchzuführen, wie Mineralien entstehen und brechen und wie sich diese auf kritische (bio)geochemische Kreisläufe (z.B. Eisen, Phosphor, Schwefel) sowie auf die Mobilität und Toxizität von Metallen und Metalloiden (z.B. Arsen, Chrom, Nickel) auswirken.

Wir integrieren verschiedene analytische Ansätze aus der anorganischen Chemie, Materialchemie und Nanowissenschaft, um ein besseres Verständnis ihrer Mineralchemie zu erhalten. Insbesondere verwenden wir eine Reihe von laborbasierten Festkörper- und wässrigen Phasen-Charakterisierungstechniken (z.B. TEM, SEM, XRD, IR, ICP-OES/MS, IC) und kombinieren sie mit Synchrotron-basierter Streuung (z.B. SAXS/WAXS, PDF) und spektroskopischen Techniken (z.B. SXM, XAFS), um diese Reaktionen mit hoher räumlicher oder zeitlicher Auflösung zu untersuchen.

Zu den aktuellen Forschungsprojekten unter diesem Forschungsthema gehören:

Unsere Forschungen sind Teil einer umfangreichen vergleichenden Probenahme in Zusammenarbeit mit anderen Universitäten und Institutionen, die darauf abzielt, das komplexe Wechselspiel zwischen lichtabsorbierenden Verunreinigungen (LAI; z.B. Mikroben, Mineralstaub, Schwarz-/Braunkohlenstoff, etc.) und glazialen Ökosystemen zu enträtseln. Insbesondere interessieren wir uns dafür, wie die LAI die Gletscherschmelzraten beeinflussen (ihr Einfluss auf die Albedo) und ihr Schicksal nach Schmelzereignissen. Wir hoffen, mit diesen Daten dann zu größeren globalen Schmelzmodellen beitragen zu können, die versuchen, den Klimawandel in der Zukunft vorherzusagen.

Die Biodiversität dieser glazialen Ökosysteme wird mit verschiedenen "Omic"-Techniken erforscht. Dazu gehören die gezielte Amplikon-Sequenzierung von ribosomalen Genen, die metagenomische und metagenomische Sequenzierung zur Ableitung der mikrobiellen Physiologie und die Massenspektrometrie von Metaboliten zur Bestimmung der nachgeschalteten Stoffwechselprozesse. Wir interessieren uns besonders für die Rolle, die Schnee und Eisalgen in glazialen Ökosystemprozessen spielen. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Algen die Albedo um bis zu 13% reduzieren können, was das Abschmelzen dramatisch verstärken kann. Wir haben auch dokumentiert, dass Schnee und später Eisalgen zu Beginn des Abschmelzens die hauptsächlichen primären photosynthetischen Organismen sind, die auf Gletscheroberflächen blühen.

Darüber hinaus sind wir an der Geochemie dieser Umgebungen interessiert, da diese sehr wichtig ist, um die Arten von Organismen zu bestimmen, die überleben und gedeihen können. Die Beurteilung der Geochemie kann ein Bild der auf Gletscheroberflächen verfügbaren Nährstoffe liefern, die möglicherweise für Wachstumsprozesse bioverfügbar sind. Die Analyse der Geochemie des Systems wird durch die Bewertung von Kationen und Anionen in Schnee, Eis und Schmelzwasser durchgeführt.

Außerdem können Algenblüten große Mengen an organischer Substanz produzieren, doch wir verstehen wenig über die Prozesse, die die Produktion organischer Verbindungen steuern, und auch nicht, wie und ob sie von heterotrophen Organismen weiter abgebaut oder über Flüsse exportiert werden, um die Produktivität der Ozeane zu steigern. Die Bewertung der Kohlenstoffeinträge in das System (anthropogen oder anderweitig) kann uns auch dabei helfen, die Kohlenstoffquellen zu bestimmen, die zur Steuerung biologischer Prozesse zur Verfügung stehen. Analysen werden an Gletscherproben durchgeführt, um die Zusammensetzung der gelösten und partikulären organischen Substanz zu bestimmen. Diese Daten geben uns einen umfassenden Überblick über alle organischen und anorganischen Einträge durch Luft und Schnee an die Oberfläche dieser Gletscherökosysteme.

Solche kombinierten Daten über die mikrobielle Vielfalt und den organischen Kohlenstoff sind entscheidend, wenn wir die grundlegenden Prozesse, die zum Abschmelzen der Gletscher führen, verstehen und quantifizieren, und Datensätze ableiten wollen, die in globale numerische Klimamodelle umgesetzt werden.

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Die Elektronenmikroskopie ermöglicht die Charakterisierung von Geomaterialien auf der mikroskopischen bis zur Nanoskala. Wir spezialisieren uns auf die Charakterisierung eines breiten Spektrums von Mineralien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Silikate, (Oxyhydr)Oxide, Sulfide, Sulfate, Karbonate und Phosphate. Darüber hinaus entwickeln wir neuartige hochauflösende Elektronenbildgebungs- und Spektroskopiewerkzeuge sowie komplexe Probenumgebungen (z.B. Flüssigphasen- und kryogene TEM, Kryo-REM) für die Charakterisierung von Geomaterialien.

Die Forschungsgruppe betreibt und verwaltet die Potsdam Imaging and Spectral Analysis (PISA) Facility. Die PISA-Anlage beherbergt derzeit 2 hochauflösende Transmissionselektronenmikroskope (TEM), 1 hochauflösendes Rasterelektronenmikroskop (REM) und 2 Focused Ion Beam kombiniert mit REM (FIB-REM).

Mit unseren ZEISS Ultra Plus und FEI Quanta REMs und der dazugehörigen Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) können wir die Oberflächenstruktur von Mineralen und deren chemische Zusammensetzung bestimmen. Eine weitere Mineralcharakterisierung von dünnen Proben kann mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) an unseren FEI Tecnai und Thermo Fisher Scientific Titan Themis Z TEMs durchgeführt werden. An diesen TEMs können die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und die Selected Area Electron Diffraction (SAED) eingesetzt werden, um die chemische Zusammensetzung und die Kristallstruktur auf der Nanoskala zu bestimmen. Das Focused Ion Beam (FIB) Fräsen am FEI Helios Elektronenmikroskop ermöglicht eine dünne Probenpräparation für TEM-Beobachtungen. Schließlich ist die Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie (LPTEM) unter Verwendung des Poseidon-Halters (Protochips) eine hochmoderne Technik, die hier entwickelt wird, um ein experimentelles Verfahren zu entwerfen, das es uns ermöglicht, in situ Mineralbildungsprozesse und Mineralauflösung zu untersuchen.

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Externe wissenschaftliche Nutzer können den Zugang zu diesen Mikroskopen beantragen. Bitte besuchen Sie Potsdam Imaging and Spectral Analysis (PISA) Facility für weitere Informationen.

Postdocs und Doktoranden der Forschungsgruppe Grenzflächen-Geochemie werden halbjährlich über ihre bisherige Forschung berichten. Forschungs-Updates werden hier gepostet, sobald sie verfügbar sind.

2021

Rebecca Volkmann, PhD Student

Besides our research on nucleation and growth kinetics of the mineral struvite, a new direction has opened up in the project: We found out that struvite crystals transform to the mineral newberyite after some time in air. This phenomenon is known in the literature, but no systematic data on temperatures and timescales are available. So, the project now also includes to monitor the transformation kinetics of struvite to other phosphate minerals.

The image shows two struvite crystals that have been exposed to air for six months under the petrographic microscope. On the left side colourless under linear polarised light, the twinned struvite crystal shows colourful 2nd order interference colours under crossed polars in the right-hand sided image. Highly refractive, dark phases can be seen at the phase boundaries, that are probably newly formed newberyite.


Alice Paskin, PhD Student

In my research work I mainly focus on the geological relevance and phosphate recovery potential of Fe(II) based phosphate mineral vivianite, which is found widely in anoxic water bodies and soils. The broader purpose of this project is to optimize vivianite formation and the effect of various physical (pH, temperature) and chemical (organic and inorganic additives) parameters towards its formation. The analytical methods I frequently employ for my research work are pH-based kinetics, IR, powder XRD, SEM, TEM and UV-vis spectrophotometry.


Zhengzheng Chen, PhD Student

During the first six months, I completed the first draft of the literature review and started co-precipitation experiments with different concentrations of organophosphorus and ferrihydrite, completing the adsorption of ferrihydrite on organophosphorus. The structural properties of the samples were characterized using XRD and IR. The surface area of the samples was determined by BET and so far, it appears that the surface area decreases with increasing organic concentrations.


Ruth Esther Delina, PhD Student

Tropical weathering of ultramafic rocks forms ferruginous Ni laterite deposits. These deposits are typically enriched in, and sought for Ni, Co, Sc, REEs, and PGEs. Nickel laterites also contain elevated amounts of Cr which may occur in its hexavalent form, a known toxic pollutant and carcinogen. To assess the speciation, mobility, and therefore, the environmental impact of Cr associated with Ni laterites, a sequential extraction procedure (SEP) tailored to Cr in ferruginous tropical soils will be optimized. The improved scheme should address problems with established SEPs (e.g. readsorption of Cr, partial dissolution of metal-substituted Fe-oxyhydroxides) identified through an extensive literature review. The optimization involves testing selected extractants on synthesized Fe-bearing minerals commonly found in Ni laterites (e.g. goethite, hematite, magnetite, etc.). In my first six months, I focused on the syntheses of pure Fe-bearing phases (Fig. A) and metal-substituted (e.g. Cr) varieties (Fig. C) through different pathways such as transformation of ferrihydrite (Fig. B), forced hydrolysis of Fe(III) solutions, and partial oxidation of Fe(II) solutions (Fig. D-E). I characterized them using x-ray diffraction and infrared spectroscopy and prepared them for elemental analysis. During this period, I learned the effects of different physicochemical parameters such as temperature, pH, redox environment, substituting cation, etc. to the formation of Fe-oxyhydroxides. Several attempts of synthesizing Cr-hematite, for example, exhibited how Cr substitution inhibits its formation.


Rebecca Volkmann, PhD Student

To evaluate nucleation and growth processes of the mineral struvite, we conducted synthesis experiments of pure solutions of different initial concentrations at standard conditions. The crystal formation has been followed by UV-Vis spectrometry to monitor changes in turbidity that occur during crystallization. Precipitates have been imaged with the (cryo-) SEM. The next steps will include syntheses under a temperature range from approximately 5 to 50 °C as well as sample analysis and imaging to see changes in formation depending on temperature.

The image shows a turbidity [%] vs. time [s] plot of struvite formation at different solution concentrations. The first rise in turbidity refers to the induction time of crystal formation, which presents the time window until the first mineral nucleates are created. The induction time increases from 20 to 350 s with decreasing concentrations of the struvite solutions.


Elisa Katharina Peter, PhD Student

Within the Deep Purple project, we investigate pigmented microorganisms which inhabit the Greenland Ice Sheet and accelerate the ice melt due to surface darkening. We aim to improve our understanding of the processes governing pigment formation by investigating the metabolome of purple-brown ice algae (1) as well as red (2) and green snow algae. The picture above shows polar (1A, 2A) and non-polar (1B, 2B) intracellular metabolite extracts of ice and snow samples from our summer 2020 fieldwork. We are excited to see indications of a high abundance of water-soluble purple pigments such as purpurogallin in the ice algae and the prevalence of less polar orange and red pigments such as carotenoids in the red snow algae and look forward to the LC- and GC-MS results of our untargeted metabolome study.

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