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:
- Tonmineralbildung unter Umgebungsbedingungen
- Untersuchungen zur hochenergetischen Röntgenstreuung bei der Mineralkristallisation
- Experimentelle Diagenese und Mineralumwandlungsphänomene von Sedimentkarbonaten und -sulfaten
- Eisenmineralien und ihr Einfluss auf den Kreislauf von Nährstoffen und Spurenelementen
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.
Zu den aktuellen Forschungsprojekten unter diesem Forschungsthema gehören:
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.
Zu den aktuellen Forschungsprojekten unter diesem Forschungsthema gehören:
- Tonmineralbildung unter Umgebungsbedingungen
- Eisenminerale und ihr Einfluss auf den Nährstoff- und Spurenelementkreislauf
- Entwicklung der Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie für die Geowissenschaften
Externe wissenschaftliche Nutzer können den Zugang zu diesen Mikroskopen beantragen. Bitte besuchen Sie Potsdam Imaging and Spectral Analysis (PISA) Facility für weitere Informationen.
