Prof. Dr. Tim Mansfeldt, Exam. Geogr. Constantin Lux

Die Anzahl möglicher Oxidationsstufen des Mangans (Mn) zeigt das komplexe Umweltverhalten des essentiellen Spurenelements. Bis vor kurzem wurde vermutet, dass in natürlichen Wässern das divalente Mn (Mn²⁺ und seine zugehörige wässrige Spezies) vorherrscht, wogegen trivalentes (MnIII) und tetravalentes (MnIV) exklusiv als Kolloide vorkommen. Neueste Feldstudien in marinen und ästuarinen Umgebungen zeigen jedoch, dass Mn(III) ein Hauptbestandteil des gesamtlöslichen Mn-Pools ist. Mangan(III), das sowohl durch oxidative- als auch reduktive Pfade erzeugt wird, ist in diesen Wässern durch natürliche organische Liganden stabilisiert. Wir postulieren, dass Mn(III) auch in der wässrigen Bodenlösung eine ubiquitäre Komponente ist, da beide Pfade in Böden ablaufen und die omnipräsente gelöste organische Substanz (DOM) als Ligand für Mn(III) dient. Unser Wissen über gelöstes Mn(III) in Böden ist stark begrenzt. Die Ziele dieses Antrags sind (i) die Klärung des Einflusses verschiedener Oxidations-Reduktions (redox) -Bedingungen auf die Mn-Speziierung in Böden mit unterschiedlichen Eigenschaften, (ii) die Effekte verschiedener natürlicher organischer Liganden auf die Löslichkeit von Mn-Oxiden und die nachfolgende Speziierung des gelösten Mn aufzuzeigen und (iii) die Existenz von Mn(III) in Boden- und Waldbodenlösungen unter Feldbedingungen zu beweisen. Die Mn-Speziierung wird mit einer spektrophotometrischen Kinetikmethode erreicht, durch die sowohl Mn(II) als auch schwache und starke organische Mn(III)-Komplexe differenziert werden können. Die Mn-Speziierung verschiedener Redox-Regime wird durch Mikrokosmenexperimente unter kontrollierten Redox-Potentialen im Labor studiert. Je zwei Bodenhorizonte dreier Böden (ein Stagnosol und zwei Gleysole), die sich in ihrem Wasserregime, der Landnutzung und elementaren Eigenschaften unterscheiden, werden erforscht. Bodensuspensionen werden in einem Bioreaktor unter gesteuerten Redox-Zyklen inkubiert. Der Einfluss natürlicher organischer Liganden (DOM) aus einem Mor und einem Rohhumus auf die Löslichkeit von Birnessit und Manganit und die Mn-Speziierung des gelösten Mn werden in Batch-Experimenten unter besonderer Beachtung der Reaktionskinetik und der pH-Effekte untersucht. Um zu zeigen, dass Mn(III) ein Bestandteil in Böden unter Feldbedingungen ist, werden die Bodenlösung und -streu in vier mineralischen (zwei Gleysole, Stagnosol, Cambisol) und einem organischen Boden (Histosol) erforscht. Unsere Erkenntnisse werden einen ersten Einblick in das Vorkommen und das Verhalten von Mn(III) in Bodenlösungen geben. Die Vernachlässigung der intermediären Mn-Spezies würde das Redox-Vermögen des gelösten Mn-Pools in Bodenlösungen unterschätzen. Die Umweltbedeutung des starken Oxidationsmittels Mn(III) wird unterstrichen durch seine exzeptionelle Beteiligung im Abbau von organischer Bodensubstanz, der Oxidation von partikulären organischen Kohlenstoff zum Treibhausgas Kohlenstoffdioxid und der Zersetzung organischer Schadstoffe.

Fördernde Stelle: Deutsche Forschungsgemeinschaft (Ma 2143/17-1)
Laufzeit: August 2019 bis Juli 2022