Specification of phosphorus compounds in tangelhumus forest soils by novel NMR techniques

Wang, Liming; Klumpp, Erwin (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Adams, Alina Reghina (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

In den Tangelhumusböden der bayerischen Alpenwälder wurde eine große Menge an organischem Phosphor (P) zusammen mit akkumulierender, organischer Materie immobilisiert. Solche großen P-Vorkommen blieben jedoch aufgrund der Unfähigkeit der Analysemethoden, die eine NaOH-EDTA-Extraktion nach dem NMR-Nachweis beinhalten, kaum verstanden. Dennoch in Waldböden mit einem vielfältigen organischen P (SOP)-Pool waren die Signale stark überlagert und mit 1D-NMR nicht erkennbar. Darüber hinaus hydrolysiert die NaOH-EDTA Extraktion bestimmte labile SOP-Spezies vor dem NMR-Nachweis und verzerrte so die Ergebnisse von P-Studien. Die Knappheit und Ungenauigkeit der P-Daten verhinderte schlüssige Antworten über das Schicksal der einzelnen SOP in Waldböden. In dieser Arbeit wurden zunächst 1D- und 2D-heteronukleare Single Quantum Koherence (HSQC) NMR zur Untersuchung der Tangelhumus SOP-Pools eingesetzt, um Erkenntnisse über die langfristige SOP-Transformation zu erlangen. Ein diverser SOP-Pool, der hauptsächlich aus Monoestern zusammen mit Diestern und Phosphonaten bestand, wurde nachgewiesen. Alle vorherrschenden P-Monoestersignale konnten als Hydrolyseprodukte aus Diestern zugeordnet werden. Myo-Inositol Hexakisphosphat, das häufig in Böden vorkommt, lag unter der Nachweisgrenze. Das Gesamtbild der SOP-Spezies manifestierte sich als kontinuierlicher Abbau der organischen Substanz und Anhäufung von Monoestern in unteren Horizonten. Darüber hinaus wurden auch P-Fraktionen, die mit wasserdispergierbaren Kolloiden (WDC) und Bodenelektrolyten verbunden sind, vom HSQC untersucht. Im Gegensatz zu der dramatischen Veränderung der P-Zusammensetzung in Massenböden mit zunehmender Tiefe war die WDC-P Zusammensetzung konsistent mit zunehmender Tiefe und ähnlich zu der in den Oberflächenhorizonten. Die WDC-Elementzusammensetzung, die durch asymmetrische Feldflussfraktionierung aufgedeckt wurde, zeigte auch keine tiefenabhängige Veränderung. Diese Beobachtungen zeigten zusammen, dass WDC in kalkhaltigem Boden aus Oberflächenschichten stammt. Ca war das dominierende metallische Element im WDC. Die Quantifizierungsergebnisse zeigten, dass der WDC-P Gehalt unabhängig von der Häufigkeit von Waldbestand P war, und ein erhöhter pH-Wert führte wahrscheinlich zu mehr kolloidalem P, aber weniger gelöstem P.In dieser Arbeit wurde die Diffusionsgeordnete Spektroskopie (DOSY) erstmals für die Boden-P-Studie eingesetzt. Diese Technik ermöglichte die virtuelle Trennung einzelner SOP-Komponenten in einer zweiten Domäne basierend auf dem translatorischen Diffusionskoeffizienten. Die Kombination von chemischem Verschiebe- und Diffusionswert führte zu einer sichereren Signalzuordnung als es durch die 1D-NMR möglich war. Der Diffusionswert korrelierte direkt mit der SOP-Molekülgröße, die Interpretation von DOSY war einfacher als bei HSQC. Die derzeitige allgegenwärtige Anwendung dieser neuartigen Technik beschränkt sich auf Böden mit hohem SOP-Gehalt. Um die hydrolysierbaren SOP-Spezies zu verfolgen, wurde die alkalische Extraktion in einem 18O-angereicherten Medium durchgeführt, wodurch die resultierenden Hydrolyseprodukte mit schweren Isotopen markiert wurden. Diese Isotopenverschiebung der entsprechenden NMR-Resonanzen ermöglichte eine sofortige Identifizierung und Quantifizierung der durch die Probenbehandlung erzeugten künstlichen Abbauprodukte. Es stellte sich heraus, dass 83 - 91 % der RNA in der Tangelhumusschicht künstlich hydrolysiert wurden. Bis zu 93 % des nachgewiesenen β-Glycerophosphats stammten aus der Phosphatidylcholin-Hydrolyse, während α-Glycerophosphat meist inhärent vorhanden war. Polyphosphat wurde ebenfalls hydrolysiert, um 18O-markiertes Orthophosphat zu erhalten. Die Addition dieser künstlichen Hydrolyseprodukte zu entsprechenden Vorläufern ermöglicht es erstmals, die ursprüngliche P-Zusammensetzung in Umweltproben mathematisch wiederherzustellen.