Eine Kombination aus Röntgenabsorptionsspektroskopie und rechnergestützten Methoden hat die einzigartige Bindungsumgebung von Kalium in Verbindung mit organischen Säuren aufgedeckt.
Kalium ist ein essentielles Element für das Pflanzenwachstum. Allerdings enthalten Böden im Allgemeinen nur geringe Mengen Kalium, die für Pflanzen leicht verfügbar sind. Glücklicherweise enthalten Böden Kalium in Bodenmineralien und es gibt viele Mikrobenarten, die mineralische Oberflächen verwittern können, indem sie organische Säuren absondern, die die Mineralien auflösen und so Kalium freisetzen.
Eine aktuelle Studie veröffentlicht In Das Journal der chemischen Physik zeigt, dass die Bindungsumgebung von Kalium in verschiedenen organischen Säuren unterschiedliche Signaturen aufweist, die mit Röntgentechniken erkannt werden können. Die Signatur der Bindungsumgebung kann Aufschluss darüber geben, ob Kalium mit Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff verbunden ist.
Die mikrobielle Mineralverwitterung hat sich als vielversprechender Weg erwiesen, um die Verfügbarkeit von Kalium (K) für Pflanzen nachhaltig zu erhöhen. Die Mechanismen der mikrobiellen Kaliumumwandlung sind jedoch noch nicht ausreichend erforscht.
Um besser zu verstehen, wie Mikroben Kalium aus Mineralien gewinnen, führte ein multiinstitutionelles Forscherteam an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) eine Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) an Kalium-organischen Salzen durch, darunter Acetat, Citrat, Nitrat, Oxalat und Tartrat, die häufig als von Bodenmikroben abgesonderte Säuren beobachtet werden. Die organischen Salze weisen XAS-Spektren auf, von denen jedes zahlreiche einzigartige Merkmale aufweist.
Um die Elektronenbewegungen zu identifizieren, die einige einzigartige Spektralmerkmale in den organischen Salzen verursachen, nutzte das Team Computertools und das Fachwissen von Wissenschaftlern des Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), einer Benutzereinrichtung des Energieministeriums, des Office of Science und des Pacific Northwest National Laboratory, um experimentelle Spektren zu simulieren. Das Team analysierte die Bindung zwischen Kalium- und organischen Salzen im Detail, um zu erklären, warum sich die Spektralformen der XAS unterscheiden.
Ihre Ergebnisse zeigten auch, dass die XAS-Spektren mit der gesamten Verbindung in Zusammenhang standen, trotz ähnlicher Bindungsumgebungen um das K-Ion jedes organischen Salzes. Das verbesserte Verständnis der K-Bindungsumgebungen bei organischen Verbindungen liefert ein wichtiges Instrumentarium, um zu verstehen, wie K durch mikrobielle Prozesse umgewandelt und für die Aufnahme durch Pflanzen bioverfügbar gemacht wird.
Die Ergebnisse dieser Forschung gehören zu den ersten ihrer Art – sie identifizieren die besondere Signatur von Kalium-organischen Säuren. Dieses Verständnis wird es zukünftigen Forschern ermöglichen, die Art der organischen Verbindung zu identifizieren, die in komplizierten biologischen und Umweltproben an Kalium gebunden ist. Das war bisher nicht möglich.
Ein weiterer Aspekt dieser Forschung ist die Charakterisierung dieser Signaturen. Dies wird es zukünftigen Studien ermöglichen, diese organischen Kaliummoleküle in natürlichem Boden räumlich zu unterscheiden. Insgesamt ist diese Forschung wichtig für das allgemeine Verständnis des Kaliumkreislaufs zwischen Bodenmatrix, Mikroorganismen und Pflanzen.
Mehr Informationen:
Jocelyn A. Richardson et al, Röntgenabsorptionsspektroskopie und theoretische Untersuchungen zur Wirkung erweiterter Liganden bei der Wechselwirkung zwischen Kalium und organischer Substanz, Das Journal der chemischen Physik (2024). DOI: 10.1063/5.0183603