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Der erste Schritt in der Paläoklimatologie besteht darin, die Biomarker aus dem Sediment zu sammeln oder zu extrahieren, in dem sie sich befinden. Umweltproben bestehen aus anorganischen Bestandteilen wie Mineralien, Wasser und Metallen sowie organischen Bestandteilen, die von lebenden Organismen in der Umgebung gebildet werden. Bevor diese organischen Bestandteile von Wissenschaftlern genutzt werden können, um Informationen über die Vergangenheit aufzuklären, müssen sie aus ihrer Umgebung entfernt werden. Die Beschallung, bei der Ultraschallwellen verwendet werden, ist die einfachste und kostengünstigste dieser Techniken.
Dieses Video ist Teil einer Serie über die Extraktion, Reinigung und Analyse von Lipiden aus Sedimenten. Es wird die Lipidextraktion mittels Ultraschall veranschaulicht und einige Anwendungen der Methode vorgestellt.
Aufgrund der breiten Palette von Biomarkern gibt es kein einzelnes Lösungsmittel, das optimiert ist, um alle Biomarker zu extrahieren. Zusammengefasst wird dies durch die sogenannte "Gleiches löst Gleiches"-Regel, bei der sich relativ unpolare Moleküle in unpolaren Lösungsmitteln wie Dichlormethan lösen und polarere Moleküle sich in polareren Lösungsmitteln wie Methanol auflösen. Lösungsmittelgemische für die Extraktion bestimmter Lipide oder Gruppen von Lipiden werden in der Regel empirisch optimiert.
Um die Extraktion zu beschleunigen und die Ausbeute zu erhöhen, wird ein Beschallungssystem verwendet, um Ultraschallwellen mit Frequenzen von mehr als 20 kHz in Verbindung mit dem Lösungsmittelgemisch anzuwenden. Wenn diese Wellen mit der flüssigen organischen Phase in Kontakt kommen, verursachen sie die Bildung kurzlebiger Mikroblasen aus Lösungsmitteldämpfen, die schnell wachsen und kollabieren. Beim Kollaps setzen diese Blasen eine enorme Menge an Energie als mechanische Scherung frei, was die Lipidsolubilisierung erleichtert und die Effizienz der Extraktion drastisch erhöht.
Nach dem ultraschallgestützten Lösungsmittelextraktionsprozess ist das Ergebnis ein rohes Extraktpräparat, das als Gesamtlipidextrakt bezeichnet wird und einer weiteren Reinigung unterzogen wird, um eine qualitative und quantitative Untersuchung der Lipidsignaturen zu ermöglichen. Nachdem Sie nun einige der Hauptprinzipien der Lipidextraktion durch Ultraschall verstanden haben, werfen wir einen Blick auf ein Protokoll für die Durchführung des Verfahrens.
Entnehmen Sie die erforderlichen Probenmaterialien an einem ausgewählten Ort. Einige Beispiele sind See- und Meeressedimente, terrestrische Böden, mikrobielle Kulturen oder Pflanzenblätter. Gesammeltes Material wird über Nacht eingefroren. Anschließend wird es 2 bis 3 Tage lang in einem Gefriertrockner gefriergetrocknet. Zerkleinern und homogenisieren Sie die gefriergetrockneten Proben vor der Extraktion mit einem lösungsmittelgespülten Mörser und Stößel. Um organische Verunreinigungen zu entfernen, verbrennen Sie die erforderlichen Pipetten, Fläschchen und Wiegedosen aus Borosilikatglas in einem Ofen. Nachdem Sie die Gläser im Ofen abkühlen gelassen haben, spülen Sie die Metallwerkzeuge mit einer Mischung aus Dichlormethan und Methanol ab. Sobald die Probe und die Glaswaren vorbereitet sind, kann das Beschallungsverfahren beginnen.
Ab diesem Schritt sollten alle Behälter und Gläser vor der Verwendung verbrannt werden. Stellen Sie die Wiegedose auf eine Waage und tarieren Sie. Spülen Sie den Laborspatel mit der Lösungsmittelmischung aus und übertragen Sie damit eine geeignete Masse der gefriergetrockneten, homogenisierten Probe in die Wiegedose und erfassen Sie die Masse. Füllen Sie die gewogene Probe vorsichtig in ein beschriftetes Fläschchen um. Fügen Sie mit der Spritzflasche mit DCM:MeOH so viel hinzu, dass die Probe mit 1 bis 2 cm Lösungsmittel bedeckt ist, und verschließen Sie das Fläschchen. Stellen Sie das Fläschchen auf ein wasserdichtes Gitter, das nun für die Beschallung bereit ist. Stellen Sie das Gestell direkt in das Beschallungsbad. Vergewissern Sie sich, dass der Wasserstand im Beschallungsbad gerade tief genug ist, um die Probenfläschchen bis zur Oberseite des Extraktionslösungsmittels einzutauchen. 30 Minuten bei Raumtemperatur beschallen. Entfernen Sie nach der Beschallung das Gestell vom Ultraschallgerät. Lassen Sie die Fläschchen stehen, damit sich Sedimente absetzen können.
Entfernen Sie die obere Phase des Dichlormethan-Methanols mit einer Pipette und einem Kolben aus dem Extraktionsfläschchen und geben Sie sie in ein anderes vorgewogenes und beschriftetes Fläschchen. Wiederholen Sie den Beschallungsvorgang insgesamt dreimal für jede Probe. Sammeln Sie die Extrakte in einem Fläschchen. Lassen Sie die extrahierten Proben in ihren Fläschchen mit abgenommenen Verschlüssen und in der Haube trocknen, die locker mit einem Stück Folie abgedeckt ist. Als "extrahierter Rückstand" kennzeichnen und im Extraktionslösungsmittel aufbewahren. Nachdem die Biomarker extrahiert wurden, müssen sie gereinigt werden, bevor die Analyse stattfinden kann.
Die Beschallung beschleunigt verschiedene Lösungsmittelextraktionsprozesse und wird häufig in geochemischen Studien eingesetzt. Viele Archäologen arbeiten mit Geochemikern zusammen, um die ökologischen und kulturellen Bedingungen zu rekonstruieren, unter denen die frühen menschlichen Zivilisationen lebten. Keramik, eine der ältesten menschlichen Erfindungen, enthält, wenn sie ausgegraben wird, Reste von molekularen Fossilien von Wein, Reis oder anderen Inhalten, die einst darin aufbewahrt wurden.
Um chemische Beweise für Substanzen zu finden, die von den Oberflächen absorbiert werden, werden kleine Keramikproben in Gegenwart von organischen Lösungsmitteln beschallt und extrahierte Verbindungen können anschließend mit spektroskopischen Methoden nachgeschaltet identifiziert werden. Diese Art der Analyse hilft Archäologen, die Arten von Ressourcen zu erkennen, die den alten Bevölkerungen zur Verfügung standen, und die Bedingungen ihres Lebensraums zu rekonstruieren.
Photosynthetische Mikroalgen kommen in Meeres- und Süßwasserökosystemen vor. Da sie in meerwasserbasierten Medien wachsen und ihre Kultur deutlich kleinere Flächen einnimmt, werden sie inzwischen als vielversprechende Alternative zu Landpflanzen für die Herstellung von Biokraftstoffen umfassend untersucht.
Um Lipide aus einer Mikroalgenbiomasse zu extrahieren, beschreiben die Forscher eine beschallungsgestützte Lösungsmittelextraktion. Die akustische Kavitation während der Beschallung bricht effektiv starre Zellwände von Mikroalgen auf, um Lipide freizusetzen. Solche Techniken helfen bei der Charakterisierung neuer Mikroalgen aus der Umwelt für die Produktion von nicht-erdölbasierten Energiequellen.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die beschallungsgestützte Extraktion von Biomarkern aus Sedimenten gesehen. In den folgenden Videos wird erklärt, wie der Extrakt für die Analyse weiter gereinigt wird.
Danke fürs Zuschauen!
