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Reactivity-based characterization of photoexcited natural organic matter

English title Reactivity-based characterization of photoexcited natural organic matter
Applicant McNeill Kristopher
Number 188565
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.02.2020 - 31.01.2024
Approved amount 800'892.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geochemistry
Other disciplines of Environmental Sciences
Other disciplines of Earth Sciences

Keywords (7)

indirect photolysis; photochemistry; reactive oxygen species; singlet oxygen; triplet states; natural organic matter; humic substances

Lay Summary (German)

Lead
Photochemie ist ein zentraler Prozess in natürlichen Oberflächengewässern, welcher sowohl den natürlichen Stoffkreislauf beeinflusst, zugleich aber auch für den Abbau anthropogener Schadstoffe wichtig ist. In diesem Projekt wird ein Aspekt der Photochemie in der Umwelt untersucht, nämlich die Rolle von photoangeregtem gelöstem organischem Material (dissolved organic matter, DOM) als Oxidationsmittel.
Lay summary
Dieses Projekt behandelt gelöstes organisches Material (dissolved organic matter, DOM), das durch Licht in den sogenannten Triplettzustand angeregt wird (3DOM) und dann als Oxidationsmittel wirkt. Die Untersuchung von 3DOM ist anspruchsvoll, weil 3DOM keine Einzelsubstanz ist, sondern ein komplexes Gemisch einer Vielzahl von Substanzen. In diesem Projekt wird die chemische Reaktivität von 3DOM benutzt, um dieses komplexe Gemisch von Oxidationsmitteln zu charakterisieren (wo möglich, auch quantitativ) und besser zu verstehen.

Das Projekt hat drei Ziele: (1) die Entwicklung geeigneter Testsubstanzen, welche irreversibel mit 3DOM reagieren; (2) die Untersuchung des Verhältnisses zwischen dem Potential eines Schadstoffs, oxidiert zu werden, und der tatsächlichen Oxidation durch 3DOM; und (3) die Abtrennung und Untersuchung der Carbonylfraktion, einer wichtigen chemischen Untergruppe von 3DOM. Als Resultate werden erwartet: die Entwicklung einer neuen Familie von Testsubstanzen, ein besseres Verständnis davon, welche Substanzen durch 3DOM oxidiert werden, eine neue Methode für die Isolierung der Keton-Fraktion des organischen Materials und, ganz wesentlich, vertiefte Einblicke in die Photochemie in Oberflächengewässern.

Das verbesserte Verständnis der Photochemie in Oberflächengewässern wird für Wissenschaftler und Ingenieurinnen in mehreren verschiedenen Gebieten von Interesse sein, so z.B. für Biogeochemiker, die die Zirkulation von Elementen in der Umwelt  untersuchen, für Umweltchemikerinnen, die sich für die Verteilung und den Abbau von Schadstoffen interessieren, und für Umweltingenieure, welche sich mit der photochemischen Behandlung von Abwasser beschäftigen. Durch grundlegende Erkenntnisse zum Verhalten von Schadstoffen in der Umwelt kann das Projekt in einem grösseren Kontext auch einen Beitrag zur verbesserten Regulierung von Chemikalien leisten.
Direct link to Lay Summary Last update: 28.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
138008 Environmental photochemistry of amino acids, peptides and proteins 01.01.2012 Project funding (Div. I-III)
156198 Electron transfer properties of photoexcited natural organic matter 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Photochemistry is a central process in aquatic systems, being important in natural element cycling processes and in the breakdown of anthropogenic contaminants. This proposal is focused on the study of photoexcited natural organic matter, also called triplet state chromophoric dissolved organic matter (3CDOM), that is formed in essentially all waters exposed to light. 3CDOM is an important oxidant, responsible for oxidizing anilines and phenols and other electron-rich functional groups that are widespread in natural compounds and anthropogenic contaminants. 3CDOM is also important because it is a precursor to other reactive intermediates. The fact that 3CDOM is not a single chemical species, but rather a complex mixture, has made its study difficult and challenging. The focus of this proposal is using the chemical reactivity of 3CDOM as a means to quantify, characterize, and better understand this complex oxidant. The proposal is organized into three aims: (1) Development of “spring-loaded” triplet probe molecules that irreversible react with 3CDOM for its improved quantification; (2) Study of the quantitative relationship between contaminant oxidation potential and rates of oxidation by 3CDOM; and (3) Separation and study of the carbonyl-containing fraction, an important chemical subclass, of dissolved 3CDOM. The proposed work will be carried out using a combination of methods, including laser spectroscopy, chemical kinetics, chemical synthesis of new compounds, and the use of solid-supported chemical derivatization reagents. There are several expected outcomes of the proposed research, including a new family of molecular probe compounds that can be used to quantify 3CDOM, quantitative and predictive relationships between the oxidation potential of an organic molecule and its reactivity toward 3CDOM, a new methodology for isolation of the ketone fraction of organic matter, and most importantly a deeper insight into the photochemistry of surface waters. This understanding is expected to impact a larger circle of the scientific community, including biogeochemists studying element cycling in aquatic systems, environmental chemists interested in the fate of organic pollutants, and environmental engineers studying photochemical water treatment. There are aspects of this research that will also benefit pure physical chemistry and may impact research on photobiology. In the larger societal frame, by improving our understanding of the fate of organic chemicals in natural waters, the proposed work is expected to directly impact those interested in the regulation of chemicals, including those in environmental consulting firms, government regulatory agencies, and the chemical industry.
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