Die Bedeutung von Eisen-Redox-Reaktionen und Mineralumwandlungen für das Schicksal von Phosphor in der Umwelt

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kappler; Muammar Mansor, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454914587

Phosphor (P) ist ein essentieller, aber limitierender Nährstoff für alle lebenden Organismen und kann die globalen biogeochemischen Zyklen und letztlich die globale Primärproduktivität erheblich beeinflussen. Es ist bekannt, dass der ökologische P-Kreislauf stark mit dem Fe-Redox-Kreislauf gekoppelt ist, da Fe-Minerale in der Natur praktisch überall vorhanden sind, eine große Oberfläche haben und eine starke P-Adsorptionskapazität aufweisen. Es wurde gezeigt, dass an Fe(III)-Oxid-Minerale gebundenes P etwa 9% der P-Sequestrierung aus den Wassersäulen von Seen und bis zu 70,4% in Seesedimenten und Böden ausmacht. Fe(III)-Oxide unterliegen leicht einer mikrobiellen oder abiotischen reduktiven Auflösung unter anoxischen Bedingungen, was zur P-Mobilisierung oder zur Bildung des Fe(II)-Phosphat-Minerals Vivianit führt. Gelöste und mineralische Fe(II)-Spezies können sowohl unter oxischen als auch unter anoxischen Bedingungen in natürlichen Umgebungen einer mikrobiellen und abiotischen Oxidation unterliegen, was zu einer P-Retention durch neu gebildete Fe(III)-Oxid-Minerale führt. Es fehlt jedoch noch ein vertieftes Verständnis darüber, wie der Fe-Redox-Zyklus die Umwandlung von Fe-Phasen und das nachfolgende Schicksal (Mobilisierung vs. Retention) von Phosphor beeinflusst. Das Hauptziel dieses Forschungs-Antrags besteht darin, die entscheidende Rolle von Fe-Redox-Reaktionen und Mineral(trans)formationen für den P-Zyklus unter komplexen Umweltbedingungen zu verstehen. Konkret werden wir (1) die (Trans)formation von abiogenen und biogenen Fe(III)-Oxid-Mineralen während der mikrobiellen Reduktion in Gegenwart von P verfolgen und ihren Effekt auf das Schicksal von P bestimmen; (2) die (Trans)formation von Vivianit während der mikrobiellen vs. abiotischen Oxidation und die Konsequenz für das Schicksal von P bestimmen; (3) die (Trans)formation von Fe(III)-Phosphatmineralen bei gleichzeitigem Vorhandensein von Fe(III)- und sulfatreduzierenden Bakterien und den Effekt auf das Schicksal von P untersuchen; (4) die (Trans)formation von Fe-Mineralen unter zyklischen Redoxbedingungen und den Effekt auf die Speziierung und das Schicksal von P in Redoxübergangszonen natürlicher Umgebungen bestimmen. Die erwarteten Ergebnisse werden unser derzeitiges Wissen über die gekoppelten Fe- und P-Zyklen in natürlichen Umgebungen verbessern und zu einem umfassenden Verständnis des globalen P-Zyklus auf der Erde beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen