Abstract We summarize progress with respect to (1) different approaches to isolate, extract, and quantify organo‐mineral compounds from soils, (2) types of mineral surfaces and associated interactions, (3) the distribution and function of soil biota at organo‐mineral surfaces, (4) the distribution and content of organo‐mineral associations, and (5) the factors controlling the turnover of organic matter (OM) in organo‐mineral associations from temperate soils. Physical fractionation achieves a rough separation between plant residues and mineral‐associated OM, which makes density or particle‐size fractionation a useful pretreatment for further differentiation of functional fractions. A part of the OM in organo‐mineral associations resists different chemical treatments, but the data obtained cannot readily be compared among each other, and more research is necessary on the processes underlying resistance to treatments for certain OM components. Studies using physical‐fractionation procedures followed by soil‐microbiological analyses revealed that organo‐mineral associations spatially isolate C sources from soil biota, making quantity and quality of OM in microhabitats an important factor controlling community composition. The distribution and activity of soil microorganisms at organo‐mineral surfaces can additionally be modified by faunal activities. Composition of OM in organo‐mineral associations is highly variable, with loamy soils having generally a higher contribution of polysaccharides, whereas mineral‐associated OM in sandy soils is often more aliphatic. Though highly reactive towards Fe oxide surfaces, lignin and phenolic components are usually depleted in organo‐mineral associations. Charred OM associated with the mineral surface contributes to a higher aromaticity in heavy fractions. The relative proportion of OC bound in organo‐mineral fractions increases with soil depth. Likewise does the strength of the bonding. Organic molecules sorbed to the mineral surfaces or precipitated by Al are effectively stabilized, indicated by reduced susceptibility towards oxidative attack, higher thermal stability, and lower bioavailability. At higher surface loading, organic C is much better bioavailable, also indicated by little 14 C age. In the subsurface horizons of the soils investigated in this study, Fe oxides seem to be the most important sorbents, whereas phyllosilicate surfaces may be comparatively more important in topsoils. Specific surface area of soil minerals is not always a good predictor for C‐stabilization potentials because surface coverage is discontinuous. Recalcitrance and accessibility/aggregation seem to determine the turnover dynamics in fast and intermediate cycling OM pools, but for long‐term OC preservation the interactions with mineral surfaces, and especially with Fe oxide surfaces, are a major control in all soils investigated here.

Abstract Traditionally, the selective preservation of certain recalcitrant organic compounds and the formation of recalcitrant humic substances have been regarded as an important mechanism for soil organic matter (SOM) stabilization. Based on a critical overview of available methods and on results from a cooperative research program, this paper evaluates how relevant recalcitrance is for the long‐term stabilization of SOM or its fractions. Methodologically, recalcitrance is difficult to assess, since the persistence of certain SOM fractions or specific compounds may also be caused by other stabilization mechanisms, such as physical protection or chemical interactions with mineral surfaces. If only free particulate SOM obtained from density fractionation is considered, it rarely reaches ages exceeding 50 y. Older light particles have often been identified as charred plant residues or as fossil C. The degradability of the readily bioavailable dissolved or water‐extractable OM fraction is often negatively correlated with its content in aromatic compounds, which therefore has been associated with recalcitrance. But in subsoils, dissolved organic matter aromaticity and biodegradability both are very low, indicating that other factors or compounds limit its degradation. Among the investigated specific compounds, lignin, lipids, and their derivatives have mean turnover times faster or similar as that of bulk SOM. Only a small fraction of the lignin inputs seems to persist in soils and is mainly found in the fine textural size fraction (<20 µm), indicating physico‐chemical stabilization. Compound‐specific analysis of 13 C : 12 C ratios of SOM pyrolysis products in soils with C3‐C4 crop changes revealed no compounds with mean residence times of > 40–50 y, unless fossil C was present in substantial amounts, as at a site exposed to lignite inputs in the past. Here, turnover of pyrolysis products seemed to be much longer, even for those attributed to carbohydrates or proteins. Apparently, fossil C from lignite coal is also utilized by soil organisms, which is further evidenced by low 14 C concentrations in microbial phospholipid fatty acids from this site. Also, black C from charred plant materials was susceptible to microbial degradation in a short‐term (60 d) and a long‐term (2 y) incubation experiment. This degradation was enhanced, when glucose was supplied as an easily available microbial substrate. Similarly, SOM mineralization in many soils generally increased after addition of carbohydrates, amino acids, or simple organic acids, thus indicating that stability may also be caused by substrate limitations. It is concluded that the presented results do not provide much evidence that the selective preservation of recalcitrant primary biogenic compounds is a major SOM‐stabilization mechanism. Old SOM fractions with slow turnover rates were generally only found in association with soil minerals. The only not mineral‐associated SOM components that may be persistent in soils appear to be black and fossil C.

Properties of dissolved organic matter (DOM) determine its biodegradation. In turn, biodegradation changes the properties of the remaining DOM, which may be decisive for the formation of stable organic carbon in soil. To gain information on both mechanisms and controlling factors of DOM biodegradation and the properties of biodegraded DOM, we investigated changes in the composition of 13 different DOM samples extracted from maize straw, forest floors, peats, and agricultural soils during a 90-day incubation using UV absorbance, fluorescence emission spectroscopy, FTIR-spectroscopy, 1H-NMR spectroscopy, pyrolysis-field ionization mass spectroscopy (Py-FIMS), and 13C natural abundance before and after incubation. Changes in the DOM properties were related to the extent of biodegradation determined by the release of CO2. Increasing UV absorption and humification indices deduced from fluorescence emission spectra, and increasing portions of aromatic H indicated relative enrichment of aromatic compounds during biodegradation. This enrichment significantly correlated with the amount of DOC mineralized suggesting that aromatic compounds were relatively stable and slowly mineralized. 13C depletion during the incubation of highly degradable DOM solutions indicated an enrichment of lignin-derived aromatic compounds. Py-FI mass spectra indicated increasing contents of phenols and lignin monomers at the expense of lignin dimers and alkylaromatics during incubation. This partial degradation of higher-molecular, lignin-derived DOM compounds was accompanied by relative increases in the proportions of lower-molecular degradation products and microbial metabolites. Carbohydrates, especially when abundant at high initial contents, seem to be the preferred substrate for microorganisms. However, four independent methods suggested also some microbial production of carbohydrates and peptides during DOM degradation. After incubation, the composition of highly degradable DOM samples became similar to relatively stable DOM samples with respect to aromaticity, carbohydrate content, and thermal stability. We conclude that DOM biodegradation seems to result in organic matter properties being a precondition for the formation of stable carbon. These structural changes induced by DOM biodegradation should also result in stronger DOM sorption to the soil matrix additionally affecting DOM stabilization.

ABSTRACT Residues of pharmaceutical antibiotics are found in the environment, whose fate and effects are governed by sorption. Thus, the extent and mechanisms of the soil sorption of p ‐aminobenzoic acid and five sulfonamide antibiotics (sulfanilamide, sulfadimidine, sulfadiazine, sulfadimethoxine, and sulfapyridine) were investigated using topsoils of fertilized and unfertilized Chernozem and their organic–mineral particle‐size fractions. Freundlich adsorption coefficients ( K f ) ranged from 0.5 to 6.5. Adsorption increased with aromaticity and electronegativity of functional groups attached to the sulfonyl–phenylamine core. Adsorption to soil and particle‐size fractions increased in the sequence: coarse silt < whole soil < medium silt < sand < clay < fine silt and was influenced by pH. Sorption nonlinearity (1/ n ≤ 0.76) indicated specific interactions with functional groups of soil organic matter (SOM). Phenolic and carboxylic groups, N‐heterocyclic compounds, and lignin decomposition products were tentatively assigned as preferred binding sites using statistical analysis of pyrolysis–mass spectra and adsorption coefficients. Adsorption of sulfonamides to mineral soil colloids was weaker and resulted in a stronger desorption from clay‐size fractions. Moreover, steric accessibility of organic–mineral complexes in clay‐size fractions was significantly reduced. With a quantitative structure–property relationship (QSPR) model, combining the organic carbon concentration, the sulfonamides' chromatographic capacity factor ( k ′), and nondissociated species concentration ( CF a ), distribution coefficients ( K d ) were estimated with a cross‐validated regression coefficient Q 2 = 0.71. Modeling and molecular mechanics calculations of antibiotic–SOM complexes showed preferred site‐specific sorption via hydrogen bonds and van der Waals interactions. Distinct chemical structural properties, such as aromaticity and van der Waals volumes, correlated with the sorption data.

Soil organic matter (SOM) is essential for nutrient cycling and soil carbon (C) accumulation, both of which are heavily influenced by the quality and quantity of plant litter. Since SOM dynamics in relation to plant diversity are poorly understood, we investigated the effects of willow variety and mixture, and site on the soil C stocks, SOM chemical composition and thermal stability. Using pyrolysis-field ionization mass spectrometry (Py-FIMS), a method of stepwise thermal degradation in ultrahigh vacuum combined with soft ionization in a high electric field, followed by mass-spectrometric separation and detection of molecular ions, we analyzed SOM in the top 10 cm of soil from two 7-year-old experimental sites in Germany and Sweden. Monocultures and mixtures of two willow varieties (Salix spp.) belonging to different species were grown at the experimental plots. Overall, site had the strongest effect on SOM quality. The results showed significant variability across sites for willow identity and mixture effects on C accumulation and SOM chemistry. In the German site (Rostock), yearly soil C accumulation was higher (p < 0.05) for variety ‘Loden’ (1.0 Mg C ha−1 year−1) compared to ‘Tora’ (0.5 Mg C ha−1 year−1), whilst in the Swedish site (Uppsala), both varieties exhibited similar soil C accumulation rates of around 0.6 Mg C ha−1 year−1. Willow variety identity significantly affected SOM quality at both sites, while mixing had minor effects. Our findings emphasize the significance of site-specific context and variety and species identity in shaping soil C accumulation in willow plantations.

The adsorption of phosphorus (P) onto active soil surfaces plays a pivotal role in immobilizing P, thereby influencing soil fertility and the filter function of soil to protect freshwater systems from eutrophication. Competitive anions, such as organic matter (OM), significantly affect the strength of this P-binding, eventually controlling P mobility and release, but surprisingly, these processes are insufficiently understood at the molecular level. In this study, we provide a molecular-level perspective on the influence of OM on P binding at the goethite-water interface using a combined experimental-theoretical approach. By examining the impact of citric acid (CIT) and histidine (HIS) on the adsorption of orthophosphate (OP), glycerol phosphate (GP), and inositol hexaphosphate (IHP) through adsorption experiments and molecular dynamics simulations, we address fundamental questions regarding P binding trends, OM interaction with the goethite surface, and the effect of OM on P adsorption. Our findings reveal the complex nature of P adsorption on goethite surfaces, where the specific OM, treatment conditions (covering the surface with OM or simultaneous co-adsorption), and initial concentrations collectively shape these interactions. P adsorption on goethite exhibits a binding strength increasing in the order of GP < OP < IHP. Crucially, this trend remains consistent across all adsorption experiments, regardless of the presence or absence of OM, CIT, or HIS, and irrespective of the specific treatment method. Notably, OP is particularly susceptible to inhibition by OM, while adsorption of GP depends on specific OM treatments. Despite being less sensitive to OM, IHP shows reduced adsorption, especially at higher initial P concentrations. Of significance is the strong inhibitory effect of CIT, particularly evident when the surface is pre-covered, resulting in a substantial 70 % reduction in OP adsorption compared to bare goethite. The sequence of goethite binding affinity to P and OM underscores a higher affinity of CIT and HIS compared to OP and GP, suggesting that OM can effectively compete with both OP and GP and replace them at the surface. In contrast, the impact of OM on IHP adsorption appears insignificant, as IHP exhibits a higher affinity than both CIT and HIS towards the goethite surface. The coverage of goethite surfaces with OM results in the blocking of active sites and the generation of an unfavorable electric potential and field, inhibiting anion adsorption and consequently reducing P binding. It is noteworthy that electrostatic interactions predominantly contribute more to the binding of P and OM to the surface compared to dispersion interactions.

Salicornia europaea L. is a halophilic plant species belonging to Chenopodiaceae, whose shoots are used as a vegetable. Since the shoots can be eaten raw, the objective of the present study was to investigate possible controls on the abundance of human pathogenic microorganisms (HPMOs) in the shoots as a health risk. For this reason, the molecular-chemical composition of shoots, site-specific soil organic matter (bulk and rhizosphere), and soil pH and salinity were analyzed. Plant and soil samples were taken from two test sites with differing salinity levels in France (a young and an old marsh). We hypothesized that the chemical traits of plants and soils could suppress or promote HPMOs and, thus, serve as risk indicators for food quality. The chemical traits of shoots and bulk and rhizosphere soil were measured through thermochemolysis using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). The densities of cultivable HPMOs (Salmonella enterica, Escherichia coli, and Listeria monocytogenes) were determined in plant shoots, rhizosphere soil, and bulk soil using selective media. Negative correlations between lignin content in the shoots and the abundance of S. enterica, as well as between lignin content in bulk soil and the abundance of E. coli, are explained by the lignin-based rigidity and its protective effect on the cell wall. In the shoot samples, the content of lipids was positively correlated with the abundance of E. coli. The abundance of E. coli, S. enterica, and L. monocytogenes in bulk soil decreased with increasing soil pH, which is linked to increased salinity. Therefore, soil salinity is proposed as a tool to decrease HPMO contamination in S. europaea and ensure its food safety.