Structure and Dynamics of Natural Colloids

The main purpose of this proposal is to develop and establish small-angle neutron scattering (SANS) as tool for characterizing the structure and dynamics of natural organic, inorganic and composite organic-inorganic colloids. This is motivated by the importance of dissolved organic matter (DOM) colloids and their associations with mineral particles for carbon cycling as well as for the transport and availability of nutrients and contaminants associated with the organic matter. We will characterize the size, shape and composition of DOM at the colloidal length scale as well as the dynamics of these factors. The effects of DOM origin and pH will be explored. Moreover, the colloidal properties of DOM-mineral associations will be investigated, and the response of DOM and DOM-mineral colloids to microbial decomposition mechanisms will help to unravel possible relationships between colloidal properties and the stability of the organic matter. These aims will be accomplished through the power of SANS and the contrast variation method to highlight the scattering behavior of specific components and thereby determining the colloid property of each major component. The neutron experiments will be complemented with other scattering spectroscopic probes. In addition to new fundamental knowledge on DOM and DOM-mineral associations this project will foster a new generation of scientists with the ability to apply neutron-based techniques in the area of environmental and biogeosciences.

Denna ansökan handlar om det organiska material som lakas ut från mark och som vi finner i markvattenlösningar, vattendrag och sjöar, och hur vi kan använda neutroner för att bättre förstå dess egenskaper. Detta organiska material utgör den del som är mest tillgänglig för mikroorganismer och som samtidigt kontrollerar transport och upptag av ett flertal näringsämnen och miljögifter. Det bildas när växter dör och blad, grenar och kvistar faller ner på marken. Materialet bryts ned av svampar och bakterier och övergår i koldioxid och mineralämnen. Nedbrytningen är dock inte fullständig utan delar av materialet ansamlas i marken, och i en del ekosystem, främst skogar på nordliga breddgrader, leder detta till ansamling av tjocka humuslager. Det är denna typ av lager som är källan till en stor del av det organiska material som vi finner i våra vattenmiljöer.
Man uppskattar att den totala mängden kol som binds i mark är betydligt större än den som finns i växters biomassa och i jordens atmosfär. Om markens kollager bryts ned kan koncentrationen av koldioxid öka i atmosfären vilket bidrar till en förstärkning av växthuseffekten. Det är därför viktigt att identifiera de mekanismer som kontrollerar nedbrytningen och stabiliseringen av markens kolföreningar och hur dessa processer påverkas vid ett förändrat klimat och markutnyttjande.
Ny forskning har visat att det organiska materialet i marken består av relativt små̊ molekyler t.ex. kolhydrater, peptider, lipider och fenolerderivat, som kommer från såväl växtdelar som döda mikroorganismer. Tillsammans bildar molekylerna komplexa aggregat som också kan associeras med mineralpartiklar. Sammantaget medför detta att det organiska materialet är mycket heterogent både i sin kemiska sammansättning och fysikaliska struktur, och det är kombinationen mellan sammansättning och struktur som bestämmer hur tillgängligt materialet är för mikrobiell nedbrytning.
Målen med detta projekt är att med hjälp av avancerade neutrontekniker bestämma storlek, form och sammansättning av de aggregat som finns i det organiska material som lakas ut från mark. En markant fördel med neutron spridning som strukturkaraktäriseringsmetod i vattenmiljö är att kontrasten enkelt kan varieras genom gradvis byta ut vanligt vatten, H2O, mot tungt vatten, D2O. Olika lösta komponenter som exempelvis organiska eller oorganiska mineral partiklar kan göras osynliga vid olika D2O/H2O kvoter, vilket avsevärt förenklar analysen. Vi kommer att använda kontrastvariation bland annat för att i detalj studera hur organiskt jordmaterial växelverkar med olika mineralpartiklar. Projektet kommer att ge ny kunskap om vilka typer av organiska kolloidala aggregat som bildas i jord, och hur dessa beror på exempelvis jordtyp och pH. Dessutom kommer det ge ny information om hur dessa organiska aggregat associeras till mineralpartiklar samt hur både aggregatbildning och aggregat-mineral-associationer påverkar den mikrobiella nedbrytningen. I ett lite bredare perspektiv kommer projektet att leda till nya kunskaper om de grundläggande mekanismer som kontrollerar nedbrytning och lagring av kol i mark. Sådana kunskaper är viktiga för att förstå och förutsäga hur ett förändrat klimat kommer att påverka frisläppandet av växthusgaser från terrestra ekosystem men också̊ inom andra områden där markens förmåga att binda kol är viktigt, t.ex. för produktion av livsmedel och biobränslen, jorderosion och vattenkvalitet. Ytterligare en målsättning med vårt projekt är slutligen att utbilda en ny generation av forskare med kompetens inom neutrontekniker som kan bidra till utveckling av bio- och geovetenskaplig forskning vid ESS.