Ein Überblick über die bGDGT-Biomarker-Analyse für die Paläoklimatologie

Organische Verbindungen, sogenannte Biomarker, können in den Geowissenschaften als Paläothermometer verwendet werden, um Informationen über Klima und Umwelt der Vergangenheit in Beziehung zu setzen.

Lebewesende Organismen produzieren diese Biomarker, die uns Informationen über die Umwelt liefern, in der sie gelebt haben. Sie können als proxy fungieren, um uns Informationen über vergangene Ereignisse zu liefern, wie z.B. die Temperatur der Erde vor Millionen von Jahren.

Die terrestrische Paläotemperatur kann mit Hilfe von Biomarkern analysiert werden, die in Sedimenten aus Süßwasserbecken gefunden werden. Eine Schlüsselklasse dieser Biomarker sind verzweigtes Glycerin, Dialkylglycerin, Tetraether oder verzweigte GDGTs.

Dieses Video stellt das Forschungsgebiet Paläoklimatologie vor, das vergangene Veränderungen der Süßwasserumwelt über Hunderte von Millionen Jahren untersucht. Dies hilft, aktuelle und zukünftige Klima- und Umweltveränderungen aufzuklären.

Sedimente sammeln sich im Laufe der geologischen Zeit, aufgrund von Flüssigkeitsbewegungen und Schwerkraft, in Sedimentbecken oder niedrigen Bereichen in der Erdkruste an. Zu den Sedimentbecken gehören Ozeane, in denen sich Meeressedimente sammeln, oder Seen, in denen sich Seesedimente sammeln. In marinen und lakustrinen Becken gibt es unterschiedliche Arten von Organismen, die zum großen Teil auf den unterschiedlichen Salzgehalt zurückzuführen sind. So enthalten marine und lakustrine Becken unterschiedliche Biomarker.

Es wird angenommen, dass verzweigte GDGTs membranübergreifende Lipide von anaeroben Acidobakterien sind. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die produzierenden Organismen ihre Membraneigenschaften als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern.

Diese Änderung wird durch die Umwandlung von methylierten Stellen auf den verzweigten GDGTs in zyklisierte Stellen bei kälteren Temperaturen verursacht, wodurch die Membranfluidität verbessert wird. Diese Strukturänderung kann dann über einen Proxy mit der Temperatur korreliert werden. Proxys sind messbare physikalische Phänomene, die mit unmessbaren Variablen korreliert sind.

Dieser Proxy setzt die Anzahl der Methylierungen oder MBT und Cyclisierungen (CBT) im Biomarker mit der Temperatur in Beziehung. Eine experimentell abgeleitete Gleichung kann MBT und CBT mit der vergangenen mittleren jährlichen Lufttemperatur in Beziehung setzen.

Um den Zusammenhang zwischen verzweigten GDGT-Biomarkern und der Bodentemperatur zu untersuchen, muss Seesediment gesammelt, mit einer von drei Techniken extrahiert, gereinigt und analysiert werden.

Um den Zusammenhang zwischen verzweigten GDGT-Biomarkern und der Bodentemperatur zu untersuchen, werden die Lipidmoleküle zunächst mit einer Vielzahl von Techniken aus Seesedimenten extrahiert. Die Extraktion durch Ultraschall ist die einfachste und kostengünstigste Methode, um den Gesamtlipidextrakt (TLE) aus einer Sedimentprobe zu gewinnen. Dazu wird die Probe in einem Ultraschallbad in einem Fläschchen mit organischem Lösungsmittel gerührt. Ein Gemisch aus Methanol und Dichlormethan wird verwendet, um Biomarker mit einem breiten Spektrum an Polaritäten zu extrahieren. Eine andere Extraktionstechnik nutzt die Soxhlet-Extraktion. Ein Soxhlet-Extraktor ermöglicht den Rückfluss oder den kontinuierlichen Kreislauf von organischem Lösungsmittel aus einem Rundkolbenkolben nach oben in einen Kondensator, der mit kaltem Wasser gekühlt und wieder zurückgeführt wird. Das kondensierte Lösungsmittel fällt in eine Glasfaserkausche, die die Probe enthält. Sobald die Kammer voll ist, saugt sie das organische Lösungsmittel zurück in den Rundkolben und ermöglicht so eine kontinuierliche Extraktion über einen längeren Zeitraum.

Diese Technik ist hilfreich bei der Extraktion großer Sedimentmassen und der Vorbereitung großer Mengen an Standards für die Instrumentenkalibrierung. Schließlich ist die beschleunigte Lösungsmittelextraktion (ASE) eine markenrechtlich geschützte Extraktionsmethode, bei der hohe Temperaturen und hoher Druck verwendet werden, um die Kinetik des Extraktionsprozesses zu erhöhen. Das ASE-Gerät fasst bis zu 24 einzelne Proben und ermöglicht eine präzise Kontrolle aller Parameter im Extraktionsprozess. Aufgrund seiner Schnelligkeit und Einfachheit in der Anwendung wird ASE häufig als Standardmethode zur Lösungsmittelextraktion verwendet.

Sobald die Lipidprobe mit einer dieser Techniken extrahiert wurde, wird sie zur Vorbereitung der Analyse gereinigt. Typischerweise wird die Kieselgelsäulenchromatographie verwendet, um die Lipidprobe basierend auf ihrer Polarität zu reinigen. Zu diesem Zweck wird eine kleine Glassäule mit einem feinen Pulver aus Kieselsäure, einem sogenannten Gel, beladen. Die Säule wird dann mit einem apolaren Lösungsmittel, typischerweise Hexan, gesättigt und dann die Probe auf die Oberseite geladen. Die Trennung des Extrakts basiert auf der Affinität der Zielverbindung entweder zur festen Phase oder zur Lösungsmittelphase.

Polare Verbindungen, in diesem Fall verzweigte GDGTs, werden stärker von der polaren Kieselsäure angezogen als vom apolaren Hexan. Somit bewegen sich die unpolaren Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffe, die mittelpolaren Verbindungen, wie Ketone und Alkohole, und die hochpolaren Verbindungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und als Reaktion auf Lösungsmittel mit zunehmender Polarität durch die Säule.

Die Eluenten werden dann in getrennten Fraktionen gesammelt.

Die gereinigten GDGTs werden dann mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie analysiert, die mit einem Massenspektrometer (LC-MS) gekoppelt ist. LC-MS trennt zunächst die Verbindungen und analysiert sie dann anhand ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses.

Dies ermöglicht die Bestimmung der relativen Konzentration jedes GDGT-Typs unter Verwendung der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Massenion. MBT wird berechnet als der Anteil der Moleküle der Gruppe 1 an der Gesamtmenge.

Die CBT wird dann als negativer Logarithmus unter Verwendung von Molekülen der Gruppen 1 und 2 berechnet. MBT und CBT werden dann in eine experimentell abgeleitete Gleichung eingefügt, um zu einer Paläotemperaturbestimmung zu gelangen.

Die Bestimmung der Paläotemperatur mit Hilfe von Biomarker-Proxies ist in einer Reihe von Anwendungen in den Geowissenschaften nützlich.

Erstens ermöglicht die Paläothermometrie die Bestimmung der Erdtemperatur über lange Zeiträume. Mit verschiedenen Techniken wurde die Temperatur der Erde bereits auf 500 Millionen Jahre geschätzt. Dies zeigt uns die Temperaturhülle, innerhalb derer sich verschiedene Lebensformen entwickelt haben, und informiert über die Untersuchungen der Auswirkungen der Temperatur auf die Biosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Atmosphäre der Erde in der Vergangenheit und damit auch in der Zukunft.

Neuere Trends der Erdtemperatur können auch anhand von Aufzeichnungen quantifiziert werden, die mit Hilfe der Paläothermometrie erstellt wurden. Die Oberflächentemperatur der Erde ist von 1850 bis heute um fast 1 Grad gestiegen, wobei sich der Erwärmungstrend in den letzten zwei Jahrzehnten verstärkt hat. Um den anthropogenen Einfluss auf das globale Klima zu verstehen, müssen genaue Paläoklimadaten entwickelt und als Kontext verwendet werden.

Sie haben gerade JoVEs Übersicht über verzweigtes Glycerin Dialkyl Glycerin Tetraether Paläothermometrie gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie die verzweigten GDGT-Biomarker verwendet werden und wie sie insgesamt extrahiert und gereinigt werden. In den folgenden Videos dieser Serie wird dieser komplexe Prozess näher erläutert.

Danke fürs Zuschauen!