 |
Barlangi karbonátok szerkezete - Karbonát polimorf képződési folyamatok ásványtani és geokémiai vizsgálata barlangi képződményeken
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
141842 |
| típus |
FK |
| Vezető kutató |
Németh Péter |
| magyar cím |
Barlangi karbonátok szerkezete - Karbonát polimorf képződési folyamatok ásványtani és geokémiai vizsgálata barlangi képződményeken |
| Angol cím |
Structure of cave carbonates - Mineralogical and geochemical analyses of carbonate polymorph formation processes in speleothems |
| magyar kulcsszavak |
barlang, karbonát polimorf, szerkezet, polimorf képződési folyamat, geokémiai vizsgálat |
| angol kulcsszavak |
cave, carbonate polymorph, structure, polymorph formation process, geochemical analyses |
| megadott besorolás |
| Ásványtan, kőzettan (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 70 % | | Ortelius tudományág: Ásványtan | | Geológia, tektonika, vulkanológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 15 % | | Ortelius tudományág: Ásványtan | | Anyagtudomány és Technológia (kémia) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 15 % |
|
| zsűri |
Agrár, Környezet, Ökológia, Földtudományok zsűrielnökök |
| Kutatóhely |
Földtani és Geokémiai Intézet (HUN-REN Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont) |
| résztvevők |
Berényi Bernadett
Czuppon György
Fogaca Lara Alexandre
Franguelli Fernanda Paiva
Kériné dr. Borsodi Andrea
Kótai László
Lange-Enyedi Nóra Tünde
Leél-Őssy Szabolcs
Makk Judit
Szieberth Dénes
|
| projekt kezdete |
2021-03-01 |
| projekt vége |
2022-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
13.094 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
4.13 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A barlangi karbonátképződmények a klímakutatás egyik legfontosabb anyagai, képződési koruk, szövetük és geokémiai összetételük információt szolgáltathat a múlt környezeti- és klímaváltozásairól; hőmérsékletben, csapadék-mennyiségben és eredetében, valamint a beszivárgás módjában történt változásokról és ezek szezonalitásáról. A képződményekben megőrzött geokémiai információk helyes értelmezéséhez azonban alapvető fontosságú a karbonátok átalakulási folyamatának ismerete. A Baradla-barlang recens képződményeinek vizsgálatából származó megfigyeléseink arra utalnak, hogy az elsőként kiváló karbonátok nanokalcitból és amorf kalcium karbonátból állnak. Ezek metastabil fázisok idővel kalcittá kristályosodnak. Az elsőként kiváló karbonátok átkristályosodása és átalakulása jelentősen módosíthatja az eredeti U-Th mennyiségét (és ezáltal a kormeghatározást) illetve a stabilizotópok/nyomelemek eloszlását. A pályázat célkitűzése, hogy (1) tanulmányozza a recens barlangi karbonátok kristályszerkezetét, (2) betekintést nyújtson a karbonátok kiválásába és átalakulásába, (3) megvizsgálja a metastabil karbonátok képződéséhez, illetve több hetes megmaradásához szükséges mikrogeokémiai/mikrobiológiai környezetet és (4) felfedje az átkristályosodás és átalakulás következményeit. Az eredmények a barlangi karbonátok kristálytani ismeretéhez, paleoklimatológia alkalmazhatóságuk megállapításához, valamint a mikrobiális tevékenység karbonátkiválás közötti kapcsolat jobb megértéséhez járulnak hozzá. A kutatócsoport tagjainak sokoldalú szakértelme előnyös lesz a fiatal kutatók képzésében és elősegíti a hazai jólképzett kutatók számának növekedését.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatást megalapozó kérdések: (1) Milyen CaCO3 szerkezetek vannak jelen barlangi képződményekben? (2) Milyen mikrogeokémiai/mikrobiológia környezet stabilizálhatja ezeket a szerkezeteket? (3) Hogy történik a karbonátok átalakulása? és (4) Milyen következményei vannak az átalakulásnak? Előzetes megfigyeléseink arra a hipotézisre vezettek, hogy recens barlangi képződményekben számos CaCO3 (ismert és lehetséges új) szerkezet és amorf Ca-karbonát (ACC) együtt jelenik meg. Tervünk, hogy (1) számos recens barlangi képződmény kiválásának komplex szerkezeti vizsgálatával meghatározzuk a megjelenő CaCO3 fázisokat. Különösen érdekes, hogy különböző Ca-karbonát formák együtt vannak a képyődménzek első kiválásaiban és az ACC több hétig is stabil. (2) A csepegő víz környezeti változóinak (pl. összetétel, T, pH) és a kiválások szerkezetének azonosításával, a mikrobiológiai tevékenység felderítésével és karbonátok barlangi körülményeket utánzó előállításával betekintést kívánunk nyújtani a különböző karbonátfázisok stabilitását befolyásoló mikrogeokémiai/mikrobiológiai környezetbe, illetve célunk felderíteni az ACC szokatlanul hosszú stabilitásának hátterét. Az elsőként kiváló karbonátok metastabilak, idővel kalcittá kristályosodnak. (3) A kiválások időbeni változásának elemzésével célunk, hogy felfedjük a karbonátok átalakulását. Az átalakulás során az eredeti karbonátok geokémiai jellege módosul, vagyis komoly következménnyel jár a barlangi képződményeken alapuló kor és paleoklíma meghatározásában. (4) Célunk, hogy a karbonát szerkezetek változásának követésével és a változás során történő kémiai és izotópösszetétel mérésével betekintést nyújtsunk a barlangi karbonátok diagenezisébe.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Ez a pályázat a barlangi üledékek vizsgálatát tűzi ki célul azért, hogy a Ca-karbonát kiválások szerkezetét és átalakulási mechanizmusát jobban megismerjük. Recensen képződő karbonátok vizsgálatát illetve átalakulásuk és az átalakulás következményeinek tanulmányozását tervezzük. Célunk a karbonátkiválások szerkezeti változása során történő nyomelem- és stabilizotóp-összetétel nyomonkövetése, azért hogy betekintést nyerhessünk a karbonátok diagenezisébe. Szeretnénk meghatározni, hogy a diagenezis hogyan módosítja a kormeghatározást és a cseppkő-alapú proxik paleoklimatológiai használatát. Tervünk, hogy mesterséges karbonátminták készítésével követni tudjuk a karbonátok nukleációját, növekedését és átalakulását. A kísérleti adatokat kombinálva fázisegyensúlyi számolásokkal, betekintést szeretnénk kapni a különböző karbonátfázisok stabilitásának mechanizmusába. Célunk olyan barlangi mikroorganizmusok jellemzése és kitenyésztése melyek stabilizálhatják az amorf kalcium karbonátot (ACC). Tervünk a mikroorganizmusok felhasználása ACC szintéziséhez és hosszú idejű (több hetes) stabilizálásához. Biológiai szervezetekben a kristályos karbonátok egyik fontos prekurzora az ACC. Az ACC fázis hosszú idejű stabilizálása nemcsak a komplex jellemzés lehetőségét teremtheti meg, de hozzájárul ennek a prekurzornak a biológiai szervezetek karbonátfelvételében játszott szerepének a tanulmányozásához.
A pályázat különlegességei a tervezett (1) részletes szerkezeti vizsgálata a barlangban kiváló karbonátfázisoknak, (2) karbonát átalakulás tanulmányozása és ezen folyamat nyomelem- és stabilizotóp- összetételre gyakorolt hatásának vizsgálata, (3) mikrogeokémiai/mikrobiológiai környezet tanulmányozása tekintettel a metastabil karbonátok képződésére, illetve hosszú idejű megmaradására, (5) komplex anyagjellemzés, többek között olyan korszerű készülékekkel mint a nagyfelbontású TEM, (6) barlangi karbonátok relativ stabilitásának és felületi energiájának ab initio számítása. A pályázat további erőssége a kutatócsoport tagjainak sokoldalú szakértelme a mikrobiológiában, szintetikus, szerves és elméleti kémiában, geokémiában, ásványtanban, kristálytanban és anyagtudományban.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A pályázat célkitűzése a barlangi karbonátok átfogó tanulmányozása. Ezek a karbonátok a klímakutatás egyik legfontosabb anyagai mivel koruk jól meghatározható és kőzettani és geokémiai vizsgálatuk betekintést nyújt a régmúlt környezetei és klímaváltozásaiba. Tervünk a recensen képződő karbonátkiválások szerkezetének vizsgálata, illetve a szerkezeti változások nyomonkövetése. Barlangi körülmények között számos CaCO3 szerkezet (metastabil és stabil) létezhet és ezek a szerkezetek alapvető információval szolgálnak a karbonátkiválás folyamatáról. Ezeknek a kiválásoknak és átalakulási mechanizmusuknak a tanulmányozása különösen fontos a barlangi képződményekben megfigyelt geokémiai adatok helyes értelmezéséhez és ezáltal a múltbeli klíma rekonstruálásához. Elsődleges eredményeink arra utalnak, hogy a mikrobiális tevékenységnek szerepe van metastabil karbonátok képződésében. Célunk a barlangi mikroorganizmusok azonosítása, relatív mennyiségük meghatározása és a metastabil karbonátok képződésében és stabilitásában játszott szerepük felderítése. Ezeknek a metastabil fázisoknak fontos szerepük van a biológiai szervezetek karbonátfelvételében. A mikrobiális tevékenység karbonátképződésben játszott szerepének tanulmányozásával közelebb kerülhetünk az előszervezetek kalcium-karbonát beépülési folyamatának jobb megértéséhez.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Cave carbonates, speleothems, are among the most important climate archives, as their formation age, texture and geochemical composition can provide information on past environmental and climate changes including changes in temperature, rate and amount of precipitation, moisture source, infiltration route, and seasonality. However, in order to interpret correctly the geochemical information recorded in speleothems, it is essential to understand their (trans)formation process. Our observation on recently forming speleothems from Baradla cave suggests the first carbonate precipitates contain abundant nanocalcite and amorphous calcium carbonate. These metastable phases recrystallize to calcite. Recrystallization and thus alteration of the precipitated carbonate can significantly influence the original U-Th concentration (and hence age determination) and stable isotope/trace element distribution. The goals of this research are to (1) investigate the crystal structure of recently forming cave carbonates, (2) provide insights into carbonate precipitation and transformation, (3) study the micro-geochemical/microbial environment necessary for the formation and several weeks stability of metastable carbonates and (4) reveal the consequence of recrystallization and alteration. The results will contribute to the crystallographic knowledge of cave carbonates, their applicability for reconstructing paleoclimate and aid toward better understanding the role of microbial activity during carbonate precipitation. The diverse expertise of the team members will be particularly beneficial for the training of young scientists and increase the number of highly qualified scientists in Hungary.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The underlying questions of the proposal are: (1) What kind of CaCO3 structures occur in speleothems? (2) What kind of micro-geochemical/microbial environment can stabilize these structures? (3) How does the carbonate transformation proceed? and (4) What are the consequences of the transformation? Our preliminary observations led to the hypothesis that in recently forming speleothems several CaCO3 (known and possibly new) structures occur together with amorphous CaCO3 (ACC). We propose to (1) analyze the precipitates of several recently forming speleothems with a range of methods in order to determine CaCO3 phases. It is intriguing that different carbonates occur together in the first precipitates and ACC exists for several weeks. (2) By determining the environmental parameters (e.g., composition, T, pH) of drip water and the structures of the precipitates, exploring microbial activity and synthesizing carbonates in cave-similar conditions, we plan to provide insights into the micro-geochemical/microbial environment that can stabilize different carbonate forms and understand the background of ACC unusually long-term stability. The first precipitates are metastable and re-crystallize to calcite. (3) By time-dependent analysis of the precipitates, we target to shed light on carbonate transformation. During this process the geochemical signature of the original carbonate alters, which has serious consequences on the speleothem-based age and paleoclimate determination. (4) By following the structure changes of carbonate precipitates and measuring their elemental and isotope compositions during these changes, we aim to provide insights into the diagenesis of cave carbonates.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
This project targets the investigation of cave deposits to unravel the structure and transformation mechanism of Ca-carbonate precipitates. We will study recently-forming Ca-carbonate precipitates, monitor their transformation and reveal consequences of this process. We plan to follow the changes of trace element and stable isotope compositions during the structural changes of carbonates to provide insights into carbonate diagenesis and determine how such diagenesis influences age determination and the usage of speleothem-based proxies for paleoclimate reconstruction. We target to synthesize carbonates in order to follow carbonate nucleation, growth and transformation. By combining experimental data with phase stability calculation, we plan to get insights into the mechanism that stabilizes the different carbonate phases. We plan to characterize and cultivate cave microorganisms that can stabilize amorphous calcium carbonate (ACC) and use them for ACC synthesis and its long-time (several weeks) stabilization. ACC is an important precursor of crystalline carbonates for biological organisms. Long-time stable ACC not only provides unique opportunity for its full scale characterization but contributes to studying the role of this precursor phase during the carbonate uptake of biological organisms.
The uniqueness of this proposal is the planned (1) detailed structural investigation of the carbonate phases precipitating in the caves, (2) study of carbonate transformation and its consequence on the changes of trace element and stable isotope compositions, (3) investigation of the micro-geochemical/microbial environment that enables the formation and long-time stability of metastable carbonates, (4) carbonate syntheses in cave similar conditions and with the application of cave microorganisms, (5) multi-analytical characterization including state-of-the-art instruments such as high-resolution TEM, (6) ab initio calculations on the relative stability and surface energy of cave carbonates. Further strength of this project is that the team members have diverse expertise on microbiology, synthetic, organic and theoretical chemistry, geochemistry, mineralogy, crystallography and material science.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The goal of this research is the complex investigation of cave carbonates. They are one of the most important continental climate archives as their age can be uniquely determined by numerical dating methods and their petrographical and geochemical investigation provides insights into the past environmental and climate changes. We aim to analyze the structure of recently forming carbonate precipitates and follow their structure changes. In cave conditions a variety of CaCO3 structure (stable and metastable) can occur and these structures provide fundamental information on the process of carbonate precipitation. The study of these precipitates and their transformation mechanism is essential to properly interpret the geochemical signals observed in speleothems for reconstructing past climate. Our preliminary results indicate that microbial activity plays role in the formation and stabilization of metastable carbonates. We target to identify cave microorganisms, determine their relative abundance and explore their role for metastable carbonate precipitation and stabilization. Such phases play an important role in the carbonate uptake of biological organisms. As we aim to study microbial-controlled carbonate formation, our research will also contribute to the better understanding of the important process of calcium carbonate incorporation into living creatures.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Lázár A.: Preparation of ikaite (calcium carbonate hexahydrate) and investigation its transformation process, MSc thesis work (In Hungarian), Research Institute of Biomolecular and Chemical Engineering, University of Pannonia, 52., 2021 | | Demény A, Rinyu L, Németh P, Czuppon Gy, Enyedi N, Makk J, Leél-Őssy Sz, Kesjár D, Kovács, I: Bacterial and abiogenic carbonates formed in caves–no vital effect on clumped isotope compositions, PLOS ONE 16 : 1 Paper: e0245621, 2021 | | Németh P: Diffraction Features from (101¯4) Calcite Twins Mimicking Crystallographic Ordering, MINERALS 11: (7) 720, 2021 | | Lange-Enyedi, N ; Németh, P ; Borsodi, AK. ; Halmy, R ; Czuppon, Gy ; Kovács, I ; Leél-Őssy, Sz ; Demény, A ; Makk, J: Calcium Carbonate Precipitating Cultivable Bacteria from Different Speleothems of Karst Caves, GEOMICROBIOLOGY JOURNAL 39, 107-122, 2022 | | Garvie LAJ, Németh P, Trif L: An exceptionally stable and widespread hydrated amorphous calcium carbonate precipitated by the dog vomit slime mold Fuligo septica (Myxogastria), SCIENTIFIC REPORTS 12: (1) 3642, 2022 | | Bruno, M; Prencipe, M; Aquilano, D; Cotellucci, A; Ghignone, S; Németh, P: Calcite/Aragonite Epitaxy: A Computational Study for Understanding Mollusk Shell Formation, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C 126 : 14 pp. 6472-6481., 2022 | | Czuppon Gy, Demény A., Leél-Őssy Sz., Stieber J., Óvári M., Dobossy P., Berentés Á., Kovács R.: Monitoring and geochemical investigations of caves in Hungary: implications for climatological, hydrological and speleothem formation processes., in Cave and Karst Systems of Hungary (eds: Veress M., Leél-Őssy Sz.), Springer., 2022 | | Németh, P; Töchterle, P; Dublyansky, Y; Stalder, R; Molnár, Zs; Klébert, Sz; Spötl, C: Tracing structural relicts of the ikaite-to-calcite transformation in cryogenic cave glendonite., AMERICAN MINERALOGIST 107 Paper: 1960-1967, 2022 | | Lange-Enyedi, N ; Németh, P ; Borsodi, AK. ; Halmy, R ; Czuppon, Gy ; Kovács, I ; Leél-Őssy, Sz ; Demény, A ; Makk, J: Calcium Carbonate Precipitating Cultivable Bacteria from Different Speleothems of Karst Caves, GEOMICROBIOLOGY JOURNAL 39, 107-122, 2022 | | Garvie LAJ, Németh P, Trif L: An exceptionally stable and widespread hydrated amorphous calcium carbonate precipitated by the dog vomit slime mold Fuligo septica (Myxogastria), SCIENTIFIC REPORTS 12: (1) 3642, 2022 | | Demény A, Rinyu L, Németh P, Czuppon Gy, Enyedi N, Makk J, Leél-Őssy Sz, Kesjár D, Kovács, I: Bacterial and abiogenic carbonates formed in caves–no vital effect on clumped isotope compositions, PLOS ONE 16 : 1 Paper: e0245621, 2021 | | Czuppon Gy, Demény A., Leél-Őssy Sz., Stieber J., Óvári M., Dobossy P., Berentés Á., Kovács R.: Monitoring and geochemical investigations of caves in Hungary: implications for climatological, hydrological and speleothem formation processes., in Cave and Karst Systems of Hungary (eds: Veress M., Leél-Őssy Sz.), Springer., 2021 | | Németh P: Diffraction Features from (101¯4) Calcite Twins Mimicking Crystallographic Ordering, MINERALS 11: (7) 720, 2021 | | Németh Péter: Az aragonitképződés kulcsszereplőjére bukkanhattak magyar, olasz és osztrák kutatók, https://mta.hu/tudomany_hirei/az-aragonitkepzodes-kulcsszereplojere-bukkanhattak-magyar-olasz-es-osztrak-kutatok-109244, 2018 | | Enyedi NT, Makk J, Kótai L, Berényi B, Klébert Sz, Sebestyén Z, Molnár Zs, Borsodi AK., Leél-Őssy Sz, Demény A, Németh P: Cave bacteria-induced amorphous calcium carbonate formation, SCIENTIFIC REPORTS 10: (1) 8696, 2020 | | Enyedi NT, Németh P, Borsodi A, Czuppon Gy, Berényi B, Kovács I, Felföldi T, Spötl C, Makk J: Extremofil baktériumok karsztbarlangi környezetekből, In: Cseresznyés, D; Király, Cs; Forray, V; Szabó, Cs (szerk.) Kárpát-medencei Környezettudományi Kutatások Aktuális Eredményei = Current Research of Environmental Sciences in the Carpathian Basin, Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar (2020) p. 13., 2020 | | Halmy Réka: Karbonátképző baktériumok a Csodabogyós-barlangból, MSc Thesis, Department of Microbiology, Eötvös Loránd University, 78p., 2019 | | Enyedi N. T., Borsodi A., Németh P., Felföldi T., Szabó A., Berényi B., Kótai L., Dobosy P., Makk J.: Geomicrobiological study in a carbonate cave of the Aggtelek Karst, Hungary, Oral presentation at 18th International Congress of the Hungarian Society for Microbiology Conference, Budapest, Hungary, 3-5 July 2019., 2019 | | Nóra Enyedi, Judit Makk, László Kótai, Bernadett Berényi, Szilvia Klébert, Zoltán Sebestyén, Zsombor Molnár, Andrea K. Borsodi, Szabolcs Leél-Őssy, Attila Demény and Péter Németh: Cave bacteria-induced amorphous calcium carbonate formation, Submitted to Scientific reports on Sept 19, 2019, 2020 | | Németh P, Mugnaioli E, Gemmi M, Czuppon G, Demény A, Spötl C: A nanocrystalline monoclinic CaCO3 precursor of metastable aragonite, Science Advances, 4 (12), 6178, 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
