Adsorption av organiska molekyler till skiktsilikater

Projektbeskrivning

Flera allvarliga miljörelaterade problem, som nuvarande och framtida generationer står inför, är direkt eller indirekt beroende av de biogeokemiska processer som sker i våra tunna jordlager. För att vi ska kunna tillgodose framtida behov av vattentillgång och matproduktion på ett hållbart sätt, samt kunna hålla våra koldioxidhalter i atmosfären i schack, behöver vi kunskap om hur stora som små organiska molekyler interagerar med olika mineralpartiklar i våra jordlager, till exempel naturligt förekommande lerpartiklar. Syftet med denna studie är därför att på molekylnivå studera adsorption och biogeokemiska processer av naturligt förekommande organiska molekyler till främst smektitleror. Detta på grund av att smektitleror väl representerar olika slags skiktsilikater samt för att dessa naturliga nanopartiklar med sin stora svällningskapacitet och specifika ytarea kan maximera upptaget av organiska föreningar.

Ungefär tre fjärdedelar av alla organiska föreningar i jordlagren är direkt eller indirekt associerade till skiktsilikater av olika slag. Vi vet också att jordlagren globalt sett innehåller mer organiskt kol än allt annat kol som finns ovan jord, atmosfären inräknad. Detta faktum gör jordlagren till en potentiell global kolsänka som kan användas för att sänka atmosfärens CO2-halter, eller en enorm riskkälla för ökade kolutsläpp, om jordlagren missköts eller minskar i omfattning. En så kallad flaskhals för ökad kolinlagring i våra jordlager är det faktum att många växter i våra ekosystem lider av kvävebrist, vilket begränsar deras växtlighet och därför upptaget av kol.

I vårt första delprojekt kommer vi att undersöka adsorption av små och kända organiska modellsubstanser, samt andra vanligt förekommande exsudater från mikrobiota och rötter, till väl karakteriserade mineralytor. Med kunskap från detta första projekt om de kemiska interaktioner samt den molekylära omgivning som dessa kända föreningar föredrar, kommer vi sedan i det andra delprojektet fokusera på hur större organiska makromolekyler med svårdefinierad eller okänd struktur såsom humus och naturliga organiska polymerer interagerar med smektitpartiklarna, samt hur de i sin tur påverkar smektitpartiklarnas ytegenskaper.

För att kunna undersöka dessa komplexa multi-komponentsystem (bestående av organiska föreningar, olika slags mineralytor, lösta joner samt vatten) kommer vi använda oss av både teoretiska och olika experimentella tekniker, samt metoder för multivariat statistik och numerisk modellering. Själva experimenten kommer främst att utgöras av sorptionsexperiment och förkoncentrering av de organiska-kompositmineralerna, följt av karakterisering med hjälp av pulver-röntgendiffraktion, vibrationsspektroskopi, elektronmikroskopi samt röntgenfotoelektronspektroskopi.

Vi kommer dock ägna stor tid till att utföra olika slags teoretiska molekyldynamiksimuleringar för att på molekylär nivå kunna beskriva de organiska molekylernas egenskaper och beteende i gränsskiktet mellan vatten och mineral, motsvarande deras verkliga kemiska omgivning i experimenten. Huvudsyftet med simuleringarna är att kunna uttolka vilka slags molekylära interaktioner och krafter som bestämmer hur olika organiska molekyler och deras funktionella grupper interagerar med mineralytor, lösta joner samt vattenmolekyler. Vi kommer kunna fastställa om adsorptionen domineras av elektrostatiska eller van der Waals-interaktioner, vikten av vätebindningar, förekomst av kelat-komplex med joner, samt hur de adsorberade molekylerna påverkar övriga molekylära interaktioner i sin omgivning.