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During the last decades, increasing exports of both dissolved organic carbon (DOC) and iron were observed from peat catchments in North America and Europe with potential consequences for water quality of streamwater and carbon storages of soils. As mobilisation and transport processes of DOC and iron in peat catchments are only partly understood, the purpose of this study was to elucidate these processes in an intensively monitored and studied system. Specifically, it was hypothesised that dissimilatory iron reduction in riparian peatland soils mobilises DOC initially adsorbed to iron minerals. During stormflow conditions, both DOC and iron will be transported into the stream network. Ferrous iron may be reoxidised at redox interfaces on its way to the stream, and subsequently, ferric iron could be transported together with DOC as complexes. To test these hypotheses, generalised additive models (GAMs) were applied to 14 years of weekly time series of discharge and concentrations of selected solutes measured in a German headwater stream called Lehstenbach. This stream drains a 4.19-km(2) forested mountain catchment; one third of which is covered by riparian peatland soils. We interpreted results of different types of GAM in the way that (a) iron reduction drove the mobilisation of DOC from peatland soils and that (b) both iron and DOC were transported as complexes after their joint mobilisation to and within the steam. It was speculated that low nitrate availability in the uppermost wetland soil layer, particularly during the growing season, promoted iron reduction and thus the mobilisation of DOC. However, the influence of nitrate on the DOC mobilisation remains relatively uncertain. This influence could be further investigated using methods similar to the GAM analysis conducted here for other catchments with long-term data as well as detailed measurements of the relevant species in riparian wetland soils and the adjacent stream network.
Magnetische Nanopartikel bieten ein großes Potential, da sie einerseits die Eigenschaften ihrer Bulk-Materialien besitzen und anderseits, auf Grund ihrer Größe, über komplett unterschiedliche magnetische Eigenschaften verfügen können; Superparamagnetismus ist eine dieser Eigenschaften. Die meisten etablierten Anwendungen magnetischer Nanopartikel basieren heutzutage auf Eisenoxiden. Diese bieten gute magnetische Eigenschaften, sind chemisch relativ stabil, ungiftig und lassen sich auf vielen Synthesewegen relativ einfach herstellen. Die magnetischen Eigenschaften der Eisenoxide sind materialabhängig aber begrenzt, weshalb nach anderen Verbindungen mit besseren Eigenschaften gesucht werden muss. Eisencarbid (Fe3C) kann eine dieser Verbindungen sein. Dieses besitzt vergleichbare positive Eigenschaften wie Eisenoxid, jedoch viel bessere magnetische Eigenschaften, speziell eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Bis jetzt wurde Fe3C hauptsächlich in Gasphasenabscheidungsprozessen synthetisiert oder als Nebenprodukt bei der Synthese von Kohlenstoffstrukturen gefunden. Eine Methode, mit der gezielt Fe3C-Nanopartikel und andere Metallcarbide synthetisiert werden können, ist die „Harnstoff-Glas-Route“. Neben den Metallcarbiden können mit dieser Methode auch die entsprechenden Metallnitride synthetisiert werden, was die breite Anwendbarkeit der Methode unterstreicht. Die „Harnstoff-Glas-Route“ ist eine Kombination eines Sol-Gel-Prozesses mit einer anschließenden carbothermalen Reduktion/Nitridierung bei höheren Temperaturen. Sie bietet den Vorteil einer einfachen und schnellen Synthese verschiedener Metallcarbide/nitride. Der Schwerpunkt in dieser Arbeit lag auf der Synthese von Eisencarbiden/nitriden, aber auch Nickel und Kobalt wurden betrachtet. Durch die Variation der Syntheseparameter konnten verschiedene Eisencarbid/nitrid Nanostrukturen synthetisiert werden. Fe3C-Nanopartikel im Größenbereich von d = 5 – 10 nm konnten, durch die Verwendung von Eisenchlorid, hergestellt werden. Die Nanopartikel weisen durch ihre geringe Größe superparamagnetische Eigenschaften auf und besitzen, im Vergleich zu Eisenoxid Nanopartikeln im gleichen Größenbereich, eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Diese konnten in fortführenden Experimenten erfolgreich in ionischen Flüssigkeiten und durch ein Polymer-Coating, im wässrigen Medium, dispergiert werden. Desweiteren wurde durch ein Templatieren mit kolloidalem Silika eine mesoporöse Fe3C-Nanostruktur hergestellt. Diese konnte erfolgreich in der katalytischen Spaltung von Ammoniak getestet werden. Mit der Verwendung von Eisenacetylacetonat konnten neben Fe3C-Nanopartikeln, nur durch Variation der Reaktionsparameter, auch Fe7C3- und Fe3N-Nanopartikel synthetisiert werden. Speziell für die Fe3C-Nanopartikel konnte die Sättigungsmagnetisierung, im Vergleich zu den mit Eisenchlorid synthetisierten Nanopartikeln, nochmals erhöht werden. Versuche mit Nickelacetat führten zu Nickelnitrid (Ni3N) Nanokristallen. Eine zusätzliche metallische Nickelphase führte zu einer Selbstorganisation der Partikel in Scheiben-ähnliche Überstrukturen. Mittels Kobaltacetat konnten, in Sphären aggregierte, metallische Kobalt Nanopartikel synthetisiert werden. Kobaltcarbid/nitrid war mit den gegebenen Syntheseparametern nicht zugänglich.
In order to tailor solution-phase chemical reactions involving transition metal complexes, it is critical to understand how their valence electronic charge distributions are affected by the solution environment. Here, solute-solvent interactions of a solvatochromic mixed-ligand iron complex were investigated using X-ray absorption spectroscopy at the transition metal L-2,L-3-edge. Due to the selectivity of the corresponding core excitations to the iron 3d orbitals, the method grants direct access to the valence electronic structure around the iron center and its response to interactions with the solvent environment. A linear increase of the total L-2,L-3-edge absorption cross section as a function of the solvent Lewis acidity is revealed. The effect is caused by relative changes in different metal-ligand-bonding channels, which preserve local charge densities while increasing the density of unoccupied states around the iron center. These conclusions are corroborated by a combination of molecular dynamics and spectrum simulations based on time-dependent density functional theory. The simulations reproduce the spectral trends observed in the X-ray but also optical absorption experiments. Our results underscore the importance of solute-solvent interactions when aiming for an accurate description of the valence electronic structure of solvated transition metal complexes and demonstrate how L-2,L-3-edge absorption spectroscopy can aid in understanding the impact of the solution environment on intramolecular covalency and the electronic charge distribution.
Iron-sulfur (Fe-S) clusters are essential protein cofactors. In enzymes, they are present either in the rhombic [2Fe-2S] or the cubic [4Fe-4S] form, where they are involved in catalysis and electron transfer and in the biosynthesis of metal-containing prosthetic groups like the molybdenum cofactor (Moco). Here, we give an overview of the assembly of Fe-S clusters in bacteria and humans and present their connection to the Moco biosynthesis pathway. In all organisms, Fe-S cluster assembly starts with the abstraction of sulfur froml-cysteine and its transfer to a scaffold protein. After formation, Fe-S clusters are transferred to carrier proteins that insert them into recipient apo-proteins. In eukaryotes like humans and plants, Fe-S cluster assembly takes place both in mitochondria and in the cytosol. Both Moco biosynthesis and Fe-S cluster assembly are highly conserved among all kingdoms of life. Moco is a tricyclic pterin compound with molybdenum coordinated through its unique dithiolene group. Moco biosynthesis begins in the mitochondria in a Fe-S cluster dependent step involving radical/S-adenosylmethionine (SAM) chemistry. An intermediate is transferred to the cytosol where the dithiolene group is formed, to which molybdenum is finally added. Further connections between Fe-S cluster assembly and Moco biosynthesis are discussed in detail.