Bioroganotone - Bestimmung der physicochemischen Eigenschaften eines neuen Material

Tonminerale und Mikroorganismen sind wesentliche Bestandteile von Böden, Sedimenten und auch Deponiebarrieren. Die Bestimmung der Veränderung von Materialeigenschaften und Grenzflächen von Ton unter Einwirkung von Mikroorganismen ist von großem wissenschaftlichem Interesse. Die Erforschung der damit einhergehenden grundlegenden größtenteils unbekannten Mechanismen ist Basis der Bestimmung von Prozessen der Bodenentwicklung und der Schadstoffrückhaltung in Barrieren. Ziel dieses Antrags ist es, nach Herstellung neuer bioorganischen Materialien deren Struktur und physikochemische Eigenschaften zu analysieren und die hieraus resultierende Funktionalitäthinsichtlich eines gegenüber den Ausgangsmaterialien verbesserten Adsorptionsvermögen zu erfassen. Die strukturellen und physikochemischen Eigenschaften sollen mit verschiedenstenMethoden(z.B. Röntgenphotoelektronen-spektroskopie, Kernspinresonanz, Transmissionselektronenmikroskopie,Nano-Sekundär-ionen- Massenspektrometrie) in Kombination mit molekularer Modellierung untersucht werden. Diese Herangehensweise bietet die Möglichkeit einer komplexen und detaillierten Charakterisierung des bioorganischen Materials. So können neue Erkenntnisse zur Anordnung der bioorganischen Spezies z.B. in den Zwischenschichten der Tonminerale oder auch auf den Mineraloberflächen bestimmt werden. Hinsichtlich der physikochemischen Eigenschaften sind die Veränderungen und Varianzen der Adsorptionseigenschaften in Abhängigkeit von der Art und Menge des bioorganischen Material sowie der Tonminerale von speziellem Interesse. Erwartet wird, dass das neu erstellte Material im Vergleich zum Ausgangsmaterial vielseitigere und deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist. Hierzu sollen gezielt Strukturen und Eigenschaften in Abhängigkeit von Ursprung, Art und Größe des bioorganischen Materials sowie des Tonminerals erzeugt werden. Es wird davon ausgegangen, dass prinzipiell zwei charakteristische Materialspezies entstehen: i) Bioorganotone aus Tonmineralen (überwiegend Kaolinit) die ausschließlich auf der äußeren Oberfläche mit organischem Material überzogen sind und ii) Bioorganotone mit organischer Spezies, die zusätzlich organisches Material in den Zwischenschichten aufweisen (vorwiegend Montmorillonit). Darüber hinaus wird erwartet, dass sich das Material in Bezug auf die Form und die Größe der Partikel unterscheidet, die Porenstruktur variiert, Stabilität und Bindungsformen differieren und die Menge und Art der aktiven Bindungsplätze zunimmt. Basierend auf Experimenten und Computersimulationen erfolgt die Bestimmung und der Nachweise der Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften des erzeugten Materials. Das Erreichen der Projektziele wird auf der komplementäre Expertise der deutschen (verantwortlich für die Laborexperimente) und österreichischen (verantwortlich für die Molekularsimulationen) Partner basieren, welche bereits in einem vorherigen D-A-CH Projekt erfolgreich belegt werden konnte.

Das Projekt "BioClay" ("Biotone") wurde als bilaterale Kooperation im Rahmen des DACH-Programms mit einem deutschen Partner durchgeführt. Zuständig an der Leibniz Universität Hannover, Institut für Bodenkunde (ISS), waren Prof. Dr. Georg Guggenberger - der Projektleiter, und Dr. Christine Poggenburg - Postdoc-Mitarbeiterin. Das österreichische Team bestand aus dem PI PD Dr. Daniel Tunega und Dr. Peter Grancic als Postdoc-Mitarbeiter der BOKU-Universität. Das allgemeine Ziel des BioClay-Projekts war die Herstellung, Charakterisierung und Modellierung neuer Bioorganotonmaterialien, die auf der Grundlage der Kombination von organischem Material mikrobiellen Ursprungs und Tonmineralien (Biotone) entstehen. Es wurde erwartet, dass neue Materialien mit spezifischen Eigenschaften hergestellt werden können (z. B. mit erhöhter Sorptionskapazität). Der deutsche Partner war für die Herstellung von Biotone Materialien aus bioorganischen Stoffen verantwortlich, darunter aus reinen bioorganischen Molekülen, Phosphatydilcholin, Chitosan und Desferrioxamin-B. Zwei typische Tonmineralien Montmorillonit und Kaolinit wurden als anorganische Matrix ausgewählt. Der deutsche Partner plante auch mehrere experimentelle Messungen zur Charakterisierung von Biotonen (z. B., XPS, NMR, TEM, NanoSIMS) durchzuführen. Um den Mechanismus der Herstellung und Funktionalität von Biotonen auf molekularer Basis zu verstehen, führte der österreichische Partner (eine Reihe von) klassischen Molekulardynamik Simulationen durch. Auf der Grundlage von experimentellen Ergebnissen entwickelte die Modellierungsgruppe repräsentative Strukturmodelle und geeignete molekulare Modellierungsalgorithmen um die komplexen Mechanismen und Kräfte aufzuklären, die für die Bildung von Biotonen verantwortlich sind. Dies bestand aus einer detaillierten Charakterisierung von Bildung, Struktur und Eigenschaften von Biotonen bei Betrachtung der i) möglichen molekularen Anordnungen von Biomolekülen in Zwischenschichträumen und/oder auf Außenflächen von Tonen; ii) Identifizierung der entsprechenden Bindungsstellen und Energien unter verschiedenen physikalischen Bedingungen. Die Ergebnisse, die durch molekulare Simulationen von Biotonmodellen erzielt wurden, zeigten sehr vielversprechende Perspektiven für die Materialchemie bei der Herstellung neuer Kompositmaterialien auf der Basis natürlicher Biomoleküle und Tonmineralien, hauptsächlich vom Smektit-Typ. Diese Materialien sind preisgünstig aufgrund der gut verfügbaren Ausgangsstoffe (bioorganische Materie, Tone) und weisen umweltfreundliche, abgestimmte und verbesserte Eigenschaften auf (z.B. Erhöhung der Sorptionskapazität in Bezug auf organische Schadstoffe) Somit könnten sie bei zahlreichen Umweltproblemen wie der Sanierung von Böden oder der Reinigung von kontaminierten Wässern eingesetzt werden. Die im Rahmen des Projekts erzielten Ergebnisse wurden in mehreren Publikationen veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen und institutionellen Seminaren vorgestellt.