Strukturaufklärung der unlöslichen organischen Bodensubstanz Als Ausgangsmaterial zur Strukturaufklärung des aliphatischen Teils dienten

a) unlösliche, schwer abbaubare Alkyl-Kohlenstoffstrukturen („refraktärer Alkyl-C“), die im Probenrückstand nach Entfernung der Lipide, Kohlenhydrate und des Lignins verblieben (Kögel-Knabner, 1992) und

b) die alkali-unlösliche „Huminfraktion“ (Almendros et al., 1991; Augris et al., 1998;

Grasset und Amblès, 1998a, 1998b, 1998c; Grasset et al., 2002; Nierop, 1998;

Lichtfouse et al., 1998b). Deren Gewinnung erfolgte mittels üblicher bzw. modifizierter

Methoden (Abtrennung von Lipiden, Humin- und Fulvosäuren; aber auch Isolierung aus Böden durch Ultraschalldisaggregierung mit anschließender Flotation in organischer Dichtelösung oder durch Verteilung zwischen Wasser und Methylisobutylketon:

Almendros und Sanz, 1991; Almendros et al., 1996). In einem Fall (Augris et al., 1998) wurde die Huminfraktion vor der spektroskopischen Charakterisierung noch einer sauren und basischen Hydrolyse unterzogen.

Die Studien konzentrierten sich auf einzelne Horizonte verschiedener Waldböden (Almendros und Sanz, 1991; Almendros et al., 1991, 1996; Augris et al., 1998; Nierop, 1998), eines Ackerbodens (Lichtfouse et al., 1998b) sowie eines sauren Anmoors (Grasset und Amblès, 1998a, 1998b, 1998c) und eines Torfs (Grasset et al., 2002). Nur Kögel-Knabner (1992) analysierte vollständige Waldbodenprofile, die die Humusformen Mull, Moder und Rohhumus repräsentierten. Bis auf zwei Fälle (Grasset und Amblès, 1998a, 1998b) erfolgte keine Quantifizierung der detektierten Verbindungen.

2.1.1 Charakterisierung des refraktären Alkyl-Kohlenstoffs mittels NMR-Spektroskopie und Pyrolyse-GC/MS

Zur Strukturaufklärung des refraktären Alkyl-Kohlenstoffs unterzog Kögel-Knabner (1992) Bodenproben aus Waldhumusprofilen verschiedenen nasschemischen Abbauschritten. So wurden freie Lipide durch Lösungsmittelextraktion, Kohlenhydrate durch saure Hydrolyse und Lignin durch Oxidation abgetrennt bzw. zerstört. Der Rückstand dieser Behandlung enthielt 5-17% des Kohlenstoffgehalts der Originalprobe.

Die anschließende dipolar-dephasing-¹³C-NMR-Spektroskopie zeigte, dass sich der Alkyl-C in der L-Lage zu etwa gleichen Anteilen aus „beweglichen” und „starren”

Struktureinheiten zusammensetzte. Der Alkyl-C im Ah-Horizont bestand dagegen fast nur aus starren Struktureinheiten. Diese Zunahme während der Humifizierung schrieb Kögel-Knabner (1992) dem sog. „cross-linking” der Polyester Cutin und Suberin (s. Teil B, Abschnitt 1.1) zu. Somit könnten diese quervernetzten Makromoleküle aus zwei Gründen zum Alkyl-C beitragen: Zum einen deuteten Litter-bag-Experimente auf einen Abbau von unverändertem Cutin hin (Ziegler und Zech, 1990). Zum anderen ergaben Pyrolyse-GC/MS-Messungen nach Entfernung der Cutin- und Suberinester, dass Cutan und Suberan nur in geringen Mengen in den untersuchten Bodenproben auftraten.

2.1.2 Strukturaufklärung der Huminfraktion mittels NMR-Spektroskopie und Pyrolyse-GC/MS

Almendros et al. (1996), Augris et al. (1998), Nierop (1998) und Lichtfouse et al.

(1998a) untersuchten die Huminfraktion mittels Pyrolyse und ¹³ C-CP/MAS-NMR-Spektroskopie. Die NMR-Studien verdeutlichten die Dominanz polymethylenartiger, geradkettiger Strukturen. Die aliphatischen Pyrolyseprodukte, darunter Alkane und Alkene, machten 56-81% der gesamten Pyrogrammfläche aus (Almendros et al., 1996).

Die Alkan-/1-Alken-Dubletts wiesen auf die Anwesenheit nicht hydrolysierbarer aliphatischer Biopolymere aus Mikroorganismen (Lichtfouse et al., 1998b) und/oder Pflanzen (Cutan, Suberan; Augris et al., 1998; Nierop, 1998) hin. Sie blieben in ihrer Form aufgrund einer gewissen Resistenz gegenüber Abbau/Degradation erhalten (sog.

„selective preservation“; vgl. auch de Leeuw und Largeau, 1993). Auch könnten Wechselwirkungen mit Mineralen einen Schutz vor chemischer und biologischer Degradation bedingen (Almendros et al., 1996). Solche Biopolymere machen möglicherweise einen wesentlichen Teil der organischen Bodensubstanz aus (Lichtfouse et al., 1998b).

2.1.3 Strukturaufklärung der Huminfraktion mittels nasschemischem Abbau und GC/MS

Zum Abbau der Huminfraktion dienten verschiedene nasschemische und/oder chemolytische Methoden. Dazu gehörten z.B. die Behandlung mit Iodwasserstoff (Grasset und Amblès, 1998a), mit Bortrifluorid in Methanol (Almendros und Sanz, 1991), mit Natriumperborat/Wasserstoffperoxid (Almendros et al., 1991), mit einem Enzym (Grasset und Amblès, 1998c), Hydrolyse mit einem Phasentransferkatalysator (PTC; Grasset und Amblès, 1998b) und Thermochemolyse mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und Tetraethylammoniumacetat (TEAAc;

Grasset und Amblès, 1998a, 1998c; Grasset et al., 2002).

Die Identifizierung der freigesetzten Komponenten erfolgte mittels GC/MS-Technik.

Meistens lagen sie analysenbedingt als Methylderivate vor.

Almendros und Sanz (1991), Almendros et al. (1991), Grasset und Amblès (1998a, 1998b) detektierten vor allem einfache und substituierte Mono- und Dicarbonsäuren, Alkohole und Kohlenwasserstoffe. Die gesättigten, ungesättigten, linearen und verzweigten Reaktionsprodukte stammten sowohl aus Pflanzen (Cutin, Suberin) als

auch aus Mikroorganismen (Almendros und Sanz, 1991; Almendros et al., 1991;

Grasset et al., 2002).

Gemäß diesen Ergebnissen besteht die Huminfraktion aus polymethylenartigen Ketten welche eventuell durch Wechselwirkung mit Ton sterisch geschützt sind (Almendros et al., 1991). Zwischen den Ketten bewerkstelligen bifunktionelle Dicarbonsäureester das

„cross-linking“. Veresterte Monocarbonsäuren und Alkohole stellen Monosubstituenten dar (Grasset und Amblès, 1998b; Grasset et al., 2002). Als Bindungsformen spielen auch Ether eine wichtige Rolle (Grasset und Amblès, 1998a).

Durch vergleichende bzw. weitergehendere Untersuchungen kamen Grasset und Amblès (1998b, 1998c) bzw. Grasset et al. (2002) zu dem Schluss, dass manche Moleküle in der Huminfraktion nicht chemisch, sondern physikalisch gebunden waren.

Zu diesen nicht extrahierbaren „trapped molecules“ gehörten Kohlenwasserstoffe, Ketone, freie Mono-, Dicarbonsäuren und freie Monocarbonsäureester.

Grasset und Amblès (1998a) gaben die Konzentrationen identifizierter Alkyl-C-Komponenten (Kohlenwasserstoffe, Carbonsäuremethylester, Methoxyalkane, Methoxyester, α,ω-Diester) nach der TMAH-Thermochemolyse mit insgesamt „14,0 mg g^–1 of organic matter in humin“ an. Der Gesamtgehalt nach der PTC-Hydrolyse (Mono-, Dicarbonsäuren, Alkohole, Kohlenwasserstoffe, Ketone; Grasset und Amblès, 1998b) betrug „28,2 mg g^–1 organic matter in humin“. Umgerechnet ergeben sich im ersten Fall 19,4 mg g^–1 Corg im zweiten Fall 39,2 mg g^–1 Corg.

2.2 Quantifizierung der bekannten pflanzlichen Biomoleküle Cutin und Suberin Kögel-Knabner et al. (1989) und Riederer et al. (1993) untersuchten Cutin und Suberin in Waldbodenprofilen (Humusformen Mull, Moder, Rohhumus) unter verschiedener Vegetation. Dazu wurden die Biopolyester mit Bortrifluorid/Methanol depolymerisiert und die Konzentrationen einiger typischer Monomere mittels GC/MS bestimmt (Kögel-Knabner et al.: vier Säuren, Riederer et al.: fünf bzw. drei Cutin- und 11 Suberinmonomere). Kögel-Knabner et al. (1989) stellten fest, dass die Gehalte in den organischen Auflagen am höchsten waren (14-41 mg g^–1 Corg). Die Befunde bestätigten Riederer et al. (1993) für zwei Böden unter Picea abies L.; die maximalen Konzentrationen betrugen für den L-Horizont 46 bzw. 33 mg g^–1 Corg und zeigten ein zweites Maximum in den B-Horizonten. In zwei Böden unter Fagus sylvatica L. traten die höchsten Cutin- und Suberingehalte im obersten Mineralbodenhorizont unterhalb der O-Horizonte (max. 78 bzw. 112 mg g^–1 Corg) auf. Mit zunehmender Bodentiefe

übertrafen die Gehalte an Suberin diejenigen an Cutin. Die Autoren führten dies auf einen Input an Wurzelstreu und auf eine bessere Abbauresistenz des Suberins im Vergleich zu Cutin zurück.

Naafs und van Bergen (2002) identifizierten Suberinkomponenten im A-Horizont eines sauren Andosols, die durch stufenweise Hydrolyse bei verschiedenen pH-Werten freigesetzt wurden. Eine Quantifizierung der freigesetzten Komponenten wurde nicht vorgenommen.