Name: sediment biomarkers for past climate records
Uploaded: 2023-04-30T06:49:01.000Z
Duration: 8 min 28 s
Channel: JoVE

K12 Standards

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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Earth and Environmental Science

Earth's Systems

ESS.EES.3.3

an-overview-of-bgdgt-biomarker-analysis-for-paleoclimatology

An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

<div class="chapter_text" id="script_0">
Compostos orgânicos chamados biomarcadores podem ser usados na Ciência da Terra como paleotermômetros para relacionar informações sobre climas e ambientes do passado.
Organismos vivos produzem esses biomarcadores, que nos fornecem informações sobre o ambiente em que viviam. Eles podem agir como um proxy para nos dizer informações sobre eventos passados, como a temperatura da Terra milhões de anos atrás.
A paleotemperatura terrestre pode ser analisada usando biomarcadores encontrados em sedimentos de bacias de água doce. Uma classe chave desses biomarcadores são tetraeadores de glicerol de glicerol ramificados ou GDGTs ramificados.
Este vídeo apresentará a área de estudo, chamada paleoclimatologia, que investiga mudanças passadas em ambientes de água doce ao longo de centenas de milhões de anos. Isso ajuda a elucidar as mudanças climáticas e ambientais atuais e futuras.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
Sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico, devido ao movimento e gravidade dos fluidos, em bacias sedimentares, ou áreas baixas na crosta terrestre. As bacias sedimentares incluem oceanos, que coletam sedimentos marinhos, ou lagos, que coletam sedimentos lacodários. Bacias marinhas e lacotrinas contêm diferentes tipos de organismos, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Assim, as bacias marinhas e lacotrinas contêm diferentes biomarcadores.
Acredita-se que os GDGTs ramificados sejam lipídios de membrana de acidóbas anaeróbicas. Pesquisas sugerem que os organismos produtores mudam as propriedades da membrana em resposta à mudança de temperatura.
Essa mudança é causada pela transformação de sítios metilados nos GDGT ramificados para locais ciclizados a temperaturas mais frias, aumentando assim a fluidez da membrana. Essa mudança na estrutura pode então ser correlacionada com a temperatura através de um proxy. Proxies são fenômenos físicos mensuráveis que estão correlacionados a variáveis imensuráveis.
Este proxy relaciona o número de metilações ou MBT, e ciclizações, ou TCC, no biomarcador à temperatura. Uma equação derivada experimentalmente pode relacionar MBT e TCC com a temperatura média anual do ar.
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<div class="chapter_text" id="script_2">
Para estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e temperatura do solo, deve-se coletar sedimentos lacotrinas, extraídos por uma das três técnicas, purificadas e analisadas.
Para começar a estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e temperatura do solo, as moléculas lipídicas são primeiramente extraídas de sedimentos lacotrinas, usando uma variedade de técnicas. A extração via sônica é o método mais simples e menos caro de obter o extrato lipídedo total, ou TLE, a partir de uma amostra de sedimentos. Para isso, um banho ultrassônico é usado para agitar a amostra em um frasco contendo solvente orgânico. Uma mistura de metanol e diclorometano é usada para extrair biomarcadores com uma ampla gama de polaridades. Outra técnica de extração utiliza a extração de Soxhlet. Um extrator Soxhlet permite o refluxo, ou ciclismo contínuo, de solvente orgânico de um frasco de fundo redondo para cima em um condensador, que é resfriado por água fria e devolvido. O solvente condensado cai em um dedal de fibra de vidro contendo a amostra. Uma vez cheia, a câmara desliza o solvente orgânico de volta para o frasco de fundo redondo, permitindo a extração contínua ao longo do tempo.
Esta técnica é útil na extração de grandes massas de sedimentos, e na elaboração de grandes volumes de padrões para calibração de instrumentos. Finalmente, a extração acelerada de solventes, ou ASE, é um método de extração registrado que utiliza alta temperatura e pressão para aumentar a cinética do processo de extração. O instrumento ASE contém até 24 amostras individuais e permite o controle preciso de todos os parâmetros no processo de extração. Devido à sua velocidade e simplicidade de uso, o ASE é comumente usado como o método padrão de extração de solventes.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
Uma vez que a amostra lipídica é extraída usando uma dessas técnicas, ela é purificada na preparação para análise. Tipicamente, a cromatografia da coluna de gel de sílica é usada para purificar a amostra lipídica com base em sua polaridade. Para isso, uma pequena coluna de vidro é carregada com um pó fino de sílica, chamado de gel. A coluna é então saturada com um solvente apolar, tipicamente hexano, e, em seguida, a amostra carregada na parte superior. A separação do extrato baseia-se na afinidade do composto alvo para a fase sólida ou para a fase do solvente.
Compostos polares, neste caso ramificados GDGT, são mais atraídos pela sílica polar do que o hexano apolar. Assim, os compostos apolares, como hidrocarbonetos, os compostos médios polares, como cetonas e álcoois, e os compostos altamente polares, viajarão a coluna a diferentes taxas e em resposta a solventes de crescente polaridade.
Os eluentes são então coletados em frações separadas.
Os GDGT purificados são então analisados usando cromatografia líquida de alto desempenho acoplada a um espectrômetro de massa, ou LC-MS. O LC-MS primeiro separa os compostos e, em seguida, analisa-os com base em sua relação massa-carga.
Isso permite a determinação da concentração relativa de cada tipo de GDGT utilizando a área sob a curva para o íon de massa selecionado. O MBT é calculado como a fração das moléculas do grupo 1 para o total.
A TCC é então calculada como um tronco negativo usando moléculas nos grupos 1 e 2. MBT e TCC são então conectados a uma equação derivada experimentalmente, a fim de chegar a uma determinação paleotemperatura.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
A determinação da paleotemperatura usando proxies biomarcadores é útil em uma série de aplicações na ciência da Terra.
Primeiro, a paleotermmetria permite a determinação da temperatura da Terra por longos períodos de tempo. Usando várias técnicas, a temperatura da Terra foi estimada em 500 milhões de anos. Isso nos diz o envelope de temperatura dentro do qual diferentes formas de vida evoluíram e informa investigações sobre os efeitos da temperatura na biosfera, hidrosfera, litosfera e atmosfera da Terra no passado, e por extensão, o futuro.
Tendências mais recentes na temperatura da Terra também podem ser quantificadas contra registros construídos usando paleotermometria. A temperatura da superfície da Terra aumentou quase 1 grau de 1850 até o presente com uma tendência de aquecimento acentuada nas últimas duas décadas. Para entender o impacto antropogênico no clima global, registros paleoclima precisos devem ser desenvolvidos e usados como contexto.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
Você acabou de assistir a visão geral da JoVE sobre a Paleotermometria de Gliceol Dialkyl Glycerol Tetraether. Agora você deve entender como os biomarcadores GDGT ramificados são usados, e a técnica geral de extraí-los e purificá-los. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre este processo complexo.
Obrigado por assistir!
</div>

uma visão geral da análise de biomarcadores bgdgt para paleoclimatologia

Fonte: Laboratório de Jeff Salacup - Universidade de Massachusetts Amherst
Ao longo desta série de vídeos, amostras naturais foram extraídas e purificadas em busca de compostos orgânicos, chamados de biomarcadores, que podem relacionar informações sobre climas e ambientes do passado. Uma das amostras analisadas foi sedimento. Sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico em bacias, depressões na Terra nas quais os sedimentos fluem através da ação de fluido (água ou ar), movimento e gravidade. Existem dois tipos principais de bacias, marinha (oceanos e mares) e lacustrina (lagos). Como se pode imaginar, tipos muito diferentes de vida vivem nessas configurações, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Ao longo das últimas décadas, geoquímicos orgânicos descobriram uma caixa de ferramentas de proxies biomarcadores, ou compostos que podem ser usados para descrever o clima ou o meio ambiente, alguns dos quais trabalham em ambientes marinhos e alguns dos quais trabalham em lacustrina. Voltamos nossa atenção aqui para o reino lacustrina e tetraethers glicerol dialkyl gliceol ramificados (Figura1).
Nesta seção focamos na análise da paleotemperatura terrestre utilizando tetrathers de glicerol ramal(Figura 1; brGDGTs) e proxy MBT/CBT. Este proxy foi inicialmente descrito por Weijers et al. 1 e baseia-se na distribuição de estruturas de anéis e filiais em brGDGTs. Eles descobriram que a ciclização dos tetraetores ramificados (TCC) estava diretamente relacionada ao pH do solo.
CBT = -log ((Ib + IIb) / (I + II))
E que a metilação de tetraetores ramificados (MBT) foi determinada pela temperatura média anual do ar (MAAT) e, em menor grau, pelo pH do solo.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
Assim, juntamente e calibrado, o MBT/TCC relaciona a distribuição de brGDGTs tanto à temperatura do solo quanto ao pH.
MBT = 0,122 + (0,187 x TCC) + (0,020 x MAAT)
Acredita-se que os GDGTs ramificados sejam lipídios de membrana e sua produção foi inicialmente atribuída a bactérias acidobactérias anaeróbicas que vivem em solos e turfa2-5,mas trabalhos subsequentes sugeriram que eles também poderiam ser produzidos em lagos oxicos e anoxicos e colunas de água marinha e sedimentos6-9. A hipótese sustenta que as acidobactérias transformam locais de metilação em ciclizações em resposta à redução da temperatura, a fim de aumentar a insaturação (a ciclização efetivamente remove dois átomos de hidrogênio) e manter a fluidez da membrana (por analogia, A gordura saturada (manteiga) é uma temperatura ambiente sólida, enquanto a gordura insaturada (azeite de oliva) é um líquido), mas os GDGTs ramificados ainda não foram identificados como os principais lipídios de membrana nas culturas de Acidobacteria. Assim, sua procedência exata é desconhecida.
Calibração de GDGTs ramificados para variáveis ambientais (temperatura, pH, salinidade, precipitação, etc.) é um tema de pesquisa generalizada. Laboratórios de geoquímica orgânica em todo o mundo estão envolvidos na tarefa de desenvolver calibrações globais1,10 e regionais11-13 entre GDGTs ramificados e (principalmente) temperatura. Assim, as equações dadas acima estão sendo regularmente refinadas e aperfeiçoadas.
GDGTs ramificados são geralmente extraídos de sedimentos lacotrinas, embora sedimentos marinhos costeiros também tenham sido investigados. Os extratos passam por uma coluna de gel de sílica para purificar os GDGTs de outros compostos que podem não ser amenáveis lc ou que podem co-elute com GDGTs cromatograficamente. Os GDGTs saem na fração polar que elutes em metanol.
Uma vez purificado o extrato lipídico total, a amostra extraída e purificada é executada em um cromatógrafo líquido de alto desempenho acoplado a um espectrômetro de massa de ionização química. A concentração relativa dos GDGTs é determinada pela obtenção da área sob a curva para o íon de massa selecionado (m/z; Figura 1) para cada um dos compostos em software de computador projetado para este fim (como Agilent Chemstation). Essas áreas são então colocadas na equação de calibração selecionada, a fim de chegar a uma determinação paleotemperatura.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10256/10256fig1.jpg"> Figura 1. Estruturas dos GDGTs ramificados utilizados para o cálculo da temperatura via proxy MBT/CBT (usado com permissão da Dra. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/10256/10256fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<div class="chapter_text" id="script_0">
Compostos orgânicos chamados biomarcadores podem ser usados na Ciência da Terra como paleotermômetros para relacionar informações sobre climas e ambientes do passado.
Organismos vivos produzem esses biomarcadores, que nos fornecem informações sobre o ambiente em que viviam. Eles podem agir como um proxy para nos dizer informações sobre eventos passados, como a temperatura da Terra milhões de anos atrás.
A paleotemperatura terrestre pode ser analisada usando biomarcadores encontrados em sedimentos de bacias de água doce. Uma classe chave desses biomarcadores são tetraeadores de glicerol de glicerol ramificados ou GDGTs ramificados.
Este vídeo apresentará a área de estudo, chamada paleoclimatologia, que investiga mudanças passadas em ambientes de água doce ao longo de centenas de milhões de anos. Isso ajuda a elucidar as mudanças climáticas e ambientais atuais e futuras.
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<div class="chapter_text" id="script_1">
Sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico, devido ao movimento e gravidade dos fluidos, em bacias sedimentares, ou áreas baixas na crosta terrestre. As bacias sedimentares incluem oceanos, que coletam sedimentos marinhos, ou lagos, que coletam sedimentos lacodários. Bacias marinhas e lacotrinas contêm diferentes tipos de organismos, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Assim, as bacias marinhas e lacotrinas contêm diferentes biomarcadores.
Acredita-se que os GDGTs ramificados sejam lipídios de membrana de acidóbas anaeróbicas. Pesquisas sugerem que os organismos produtores mudam as propriedades da membrana em resposta à mudança de temperatura.
Essa mudança é causada pela transformação de sítios metilados nos GDGT ramificados para locais ciclizados a temperaturas mais frias, aumentando assim a fluidez da membrana. Essa mudança na estrutura pode então ser correlacionada com a temperatura através de um proxy. Proxies são fenômenos físicos mensuráveis que estão correlacionados a variáveis imensuráveis.
Este proxy relaciona o número de metilações ou MBT, e ciclizações, ou TCC, no biomarcador à temperatura. Uma equação derivada experimentalmente pode relacionar MBT e TCC com a temperatura média anual do ar.
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<div class="chapter_text" id="script_2">
Para estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e temperatura do solo, deve-se coletar sedimentos lacotrinas, extraídos por uma das três técnicas, purificadas e analisadas.
Para começar a estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e temperatura do solo, as moléculas lipídicas são primeiramente extraídas de sedimentos lacotrinas, usando uma variedade de técnicas. A extração via sônica é o método mais simples e menos caro de obter o extrato lipídedo total, ou TLE, a partir de uma amostra de sedimentos. Para isso, um banho ultrassônico é usado para agitar a amostra em um frasco contendo solvente orgânico. Uma mistura de metanol e diclorometano é usada para extrair biomarcadores com uma ampla gama de polaridades. Outra técnica de extração utiliza a extração de Soxhlet. Um extrator Soxhlet permite o refluxo, ou ciclismo contínuo, de solvente orgânico de um frasco de fundo redondo para cima em um condensador, que é resfriado por água fria e devolvido. O solvente condensado cai em um dedal de fibra de vidro contendo a amostra. Uma vez cheia, a câmara desliza o solvente orgânico de volta para o frasco de fundo redondo, permitindo a extração contínua ao longo do tempo.
Esta técnica é útil na extração de grandes massas de sedimentos, e na elaboração de grandes volumes de padrões para calibração de instrumentos. Finalmente, a extração acelerada de solventes, ou ASE, é um método de extração registrado que utiliza alta temperatura e pressão para aumentar a cinética do processo de extração. O instrumento ASE contém até 24 amostras individuais e permite o controle preciso de todos os parâmetros no processo de extração. Devido à sua velocidade e simplicidade de uso, o ASE é comumente usado como o método padrão de extração de solventes.
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<div class="chapter_text" id="script_3">
Uma vez que a amostra lipídica é extraída usando uma dessas técnicas, ela é purificada na preparação para análise. Tipicamente, a cromatografia da coluna de gel de sílica é usada para purificar a amostra lipídica com base em sua polaridade. Para isso, uma pequena coluna de vidro é carregada com um pó fino de sílica, chamado de gel. A coluna é então saturada com um solvente apolar, tipicamente hexano, e, em seguida, a amostra carregada na parte superior. A separação do extrato baseia-se na afinidade do composto alvo para a fase sólida ou para a fase do solvente.
Compostos polares, neste caso ramificados GDGT, são mais atraídos pela sílica polar do que o hexano apolar. Assim, os compostos apolares, como hidrocarbonetos, os compostos médios polares, como cetonas e álcoois, e os compostos altamente polares, viajarão a coluna a diferentes taxas e em resposta a solventes de crescente polaridade.
Os eluentes são então coletados em frações separadas.
Os GDGT purificados são então analisados usando cromatografia líquida de alto desempenho acoplada a um espectrômetro de massa, ou LC-MS. O LC-MS primeiro separa os compostos e, em seguida, analisa-os com base em sua relação massa-carga.
Isso permite a determinação da concentração relativa de cada tipo de GDGT utilizando a área sob a curva para o íon de massa selecionado. O MBT é calculado como a fração das moléculas do grupo 1 para o total.
A TCC é então calculada como um tronco negativo usando moléculas nos grupos 1 e 2. MBT e TCC são então conectados a uma equação derivada experimentalmente, a fim de chegar a uma determinação paleotemperatura.
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<div class="chapter_text" id="script_4">
A determinação da paleotemperatura usando proxies biomarcadores é útil em uma série de aplicações na ciência da Terra.
Primeiro, a paleotermmetria permite a determinação da temperatura da Terra por longos períodos de tempo. Usando várias técnicas, a temperatura da Terra foi estimada em 500 milhões de anos. Isso nos diz o envelope de temperatura dentro do qual diferentes formas de vida evoluíram e informa investigações sobre os efeitos da temperatura na biosfera, hidrosfera, litosfera e atmosfera da Terra no passado, e por extensão, o futuro.
Tendências mais recentes na temperatura da Terra também podem ser quantificadas contra registros construídos usando paleotermometria. A temperatura da superfície da Terra aumentou quase 1 grau de 1850 até o presente com uma tendência de aquecimento acentuada nas últimas duas décadas. Para entender o impacto antropogênico no clima global, registros paleoclima precisos devem ser desenvolvidos e usados como contexto.
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<div class="chapter_text" id="script_5">
Você acabou de assistir a visão geral da JoVE sobre a Paleotermometria de Gliceol Dialkyl Glycerol Tetraether. Agora você deve entender como os biomarcadores GDGT ramificados são usados, e a técnica geral de extraí-los e purificá-los. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre este processo complexo.
Obrigado por assistir!
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Uma visão geral da análise de biomarcadores bGDGT para paleoclimatologia

Source: Laboratory of Jeff Salacup&#160;- University of Massachusetts Amherst
Throughout this series of videos, natural samples were extracted and ...

Compostos orgânicos chamados biomarcadores podem ser usados em Ciências da Terra como paleotermômetros para relacionar informações sobre climas e ambientes do passado. Os organismos vivos produzem esses biomarcadores, que nos fornecem informações sobre o ambiente em que viviam. Eles podem atuar como um "proxy" para nos dar informações sobre eventos passados, como a temperatura da Terra há milhões de anos. A paleotemperatura terrestre pode ser analisada usando biomarcadores encontrados em sedimentos de bacias de água doce. Uma classe-chave desses biomarcadores são os tetraéteres de glicerol dialquil glicerol ramificados, ou GDGTs ramificados.Este vídeo apresentará a área de estudo, chamada paleoclimatologia, que investiga mudanças passadas em ambientes de água doce ao longo de centenas de milhões de anos. Isso ajuda a elucidar as mudanças climáticas e ambientais atuais e futuras. Os sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico, devido ao movimento e à gravidade dos fluidos, em bacias sedimentares ou áreas baixas na crosta terrestre. As bacias sedimentares incluem oceanos, que coletam sedimentos marinhos, ou lagos, que coletam sedimentos lacustres. As bacias marinhas e lacustres contêm diferentes tipos de organismos, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Assim, as bacias marinhas e lacustres contêm diferentes biomarcadores. Acredita-se que os GDGTs ramificados sejam lipídios que atravessam a membrana de acidobactérias anaeróbicas. A pesquisa sugere que os organismos produtores mudam as propriedades da membrana em resposta à mudança de temperatura. Essa mudança é causada pela transformação de sítios metilados nos GDGT?s ramificados em locais ciclizados em temperaturas mais frias, aumentando assim a fluidez da membrana. Essa mudança na estrutura pode então ser correlacionada à temperatura por meio de um proxy. Proxies são fenômenos físicos mensuráveis que estão correlacionados a variáveis imensuráveis. Este proxy relaciona o número de metilações ou MBT e ciclizações, ou CBT, no biomarcador à temperatura. Uma equação derivada experimentalmente pode relacionar MBT e CBT com a temperatura média anual do ar passada. Para estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e a temperatura do solo, sedimentos lacustres devem ser coletados, extraídos por uma das três técnicas, purificados e analisados. Para começar a estudar a relação entre biomarcadores GDGT ramificados e a temperatura do solo, as moléculas lipídicas são primeiro extraídas de sedimentos lacustres, usando uma variedade de técnicas. A extração por sonicação é o método mais simples e menos dispendioso de obter o extrato lipídico total, ou TLE, de uma amostra de sedimento. Para isso, um banho ultrassônico é usado para agitar a amostra em um frasco contendo solvente orgânico. Uma mistura de metanol e diclorometano é usada para extrair biomarcadores com uma ampla gama de polaridades. Outra técnica de extração utiliza a extração de Soxhlet. Um extrator Soxhlet permite o refluxo, ou ciclo contínuo, de solvente orgânico de um frasco de fundo redondo para cima em um condensador, que é resfriado por água fria e retornado. O solvente condensado cai em um dedal de fibra de vidro contendo a amostra. Uma vez cheia, a câmara suga o solvente orgânico de volta para o balão de fundo redondo, permitindo uma extração contínua ao longo do tempo. Esta técnica é útil na extração de grandes massas de sedimentos e na preparação de grandes volumes de padrões para calibração de instrumentos. Finalmente, a extração acelerada por solvente, ou ASE, é um método de extração de marca registrada que utiliza alta temperatura e pressão para aumentar a cinética do processo de extração. O instrumento ASE comporta até 24 amostras individuais e permite o controle preciso de todos os parâmetros no processo de extração. Devido à sua velocidade e simplicidade de uso, o ASE é comumente usado como o método padrão de extração por solvente. Uma vez que a amostra lipídica é extraída usando uma dessas técnicas, ela é purificada em preparação para análise. Normalmente, a cromatografia em coluna de sílica gel é usada para purificar a amostra lipídica com base em sua polaridade. Para isso, uma pequena coluna de vidro é carregada com um pó fino de sílica, chamado gel. A coluna é então saturada com um solvente apolar, normalmente hexano, e então a amostra carregada no topo. A separação do extrato é baseada na afinidade do composto-alvo para a fase sólida ou para a fase solvente. Os compostos polares, neste caso GDGTs ramificados, são mais atraídos pela sílica polar do que pelo hexano apolar. Assim, os compostos apolares, como hidrocarbonetos, os compostos polares médios, como cetonas e álcoois, e os compostos altamente polares, percorrerão a coluna em taxas diferentes e em resposta a solventes de polaridade crescente. Os eluentes são então coletados em frações separadas. Os GDGTs purificados são então analisados usando cromatografia líquida de alta eficiência acoplada a um espectrômetro de massa, ou LC-MS. LC-MS primeiro separa os compostos e depois os analisa com base em sua relação massa-carga. Isso permite a determinação da concentração relativa de cada tipo de GDGT usando a área sob a curva para o íon de massa selecionado. O MBT é calculado como a fração das moléculas do grupo 1 em relação ao total. A TCC é então calculada como um log negativo usando moléculas nos grupos 1 e 2. MBT e CBT são então conectados a uma equação derivada experimentalmente, a fim de chegar a uma determinação de paleotemperatura. A determinação da paleotemperatura usando proxies de biomarcadores é útil em uma variedade de aplicações em ciências da terra. Primeiro, a paleotermometria permite a determinação da temperatura da Terra por longos períodos de tempo. Usando várias técnicas, a temperatura da Terra foi estimada em 500 milhões de anos. Isso nos diz o envelope de temperatura dentro do qual diferentes formas de vida evoluíram e informa as investigações dos efeitos da temperatura na biosfera, hidrosfera, litosfera e atmosfera da Terra no passado e, por extensão, no futuro. Tendências mais recentes na temperatura da Terra também podem ser quantificadas em relação a registros construídos usando paleotermometria. A temperatura da superfície da Terra aumentou quase 1 grau de 1850 até o presente, com uma tendência de aquecimento acentuada nas últimas duas décadas. Para entender o impacto antropogênico no clima global, registros paleoclimáticos precisos devem ser desenvolvidos e usados como contexto. Você acabou de assistir a Visão geral da JoVE sobre a paleotermometria ramificada de glicerol dialquil glicerol tetraéter. Agora você deve entender como os biomarcadores GDGT ramificados são usados e a técnica geral de extraí-los e purificá-los. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre esse processo complexo. Obrigado por assistir!

Education

JoVE Science Education

Environmental Sciences

Ciências Ambientais

Earth Science

Ciências da Terra

sediment biomarkers for past climate records

Sediment biomarkers can record past climate conditions, and branched GDGTs are one example used to study temperature in freshwater basins. These organic compounds are extracted from natural samples, purified, and then measured to help reconstruct environments from the past. In paleoclimatology, scientists use these records to better understand climate change over time.

Sediments build up over geologic time in sedimentary basins, which are low areas in the Earth’s crust where material is carried by water, air, movement, and gravity. Two main basin types are marine basins, such as oceans and seas, and lacustrine basins, such as lakes. Because these settings support different organisms and often differ in salinity, they contain different biomarkers.

Branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or branched GDGTs, are studied in lacustrine sediment as paleothermometers. They are linked to the MBT/CBT proxy, which uses the number of methylation and cyclization features in the molecules. CBT, or cyclization of branched tetraethers, has been related to soil pH, while MBT, or methylation of branched tetraethers, is linked mainly to mean annual air temperature and also to soil pH.

Branched GDGTs are thought to be membrane-spanning lipids made by anaerobic Acidobacteria, which are bacteria found in soils and peat. Some research also suggests these compounds can form in oxic and anoxic lake and marine water columns and sediments. Scientists think colder conditions may shift methylated sites toward cyclized sites to help maintain membrane fluidity, but the exact source of the lipids is still not fully known.

To study these biomarkers, lacustrine sediments are collected, extracted, purified, and analyzed. The total lipid extract can be obtained by sonication, Soxhlet extraction, or accelerated solvent extraction, also called ASE. Sonication is the simplest and least expensive method, Soxhlet uses continuous solvent cycling, and ASE uses high temperature and pressure and is often used as the standard method because it is fast and easy to control.

After extraction, the sample is usually purified with silica gel column chromatography. In this step, the sample moves through silica using solvents of increasing polarity. Polar branched GDGTs are retained differently from apolar, mid-polar, and highly polar compounds, so the eluents are collected in separate fractions. The purified GDGTs are then ready for analysis.

The final measurement uses high performance liquid chromatography coupled to mass spectrometry, or LC-MS. This method separates the compounds and measures them by mass-to-charge ratio, or m/z. The relative abundance of each GDGT is calculated from the area under the curve for the selected ion, and those values are entered into the calibration equation to estimate paleotemperature.

Branched GDGT paleothermometry helps scientists estimate Earth’s temperature over very long time spans. Temperature records have been reconstructed as far back as 500 million years, which helps show the range of conditions in which life evolved. These records also provide context for modern warming, including the rise in Earth’s surface temperature since 1850 and the stronger warming trend seen in recent decades.

Sediment Biomarkers for Past Climate Records

lacustrine-bgdgt-climate-records-analysis

determining spatial orientation of rock layers with the brunton compass

determining-spatial-orientation-rock-layers-with-brunton

Measuring Rock Layer Strike and Dip

The Brunton compass is used to measure the spatial orientation of rock layers and other rock features. Many rock units show planar surfaces or linear features. These include bedding surfaces, fault surfaces, fracture surfaces, joint surfaces, foliation, and mineral alignment. These measurements give geologists the raw data they need to study how rock units formed and how they changed over time. The directions are recorded as strike and dip. Strike is the direction of a flat surface, and dip...

using topographic maps to generate topographic profiles

using-topographic-maps-to-generate-topographic-profiles

Reading Contour Lines on Topographic Maps

Topographic maps show Earth’s surface in a plan view, which means an overhead view. They give a clear look at land shape from above. These maps are a standard way to represent three-dimensional terrain on a flat page. Contour lines are the key feature of a topographic map. Each line connects places with the same elevation, or height above sea level. The spacing between contour lines is called the elevation interval, and it depends on how much detail the map shows and on the land itself. <br...

making a geologic cross section

Reading Geologic Maps in 3D

Geologic maps show rock units at Earth’s surface and help geologists infer what lies below it. They began in Europe in the mid-to-late 18th century and have since become a key tool for studying rock distribution, subsurface structure, and changes through time. A modern geologic map is a data-rich, two-dimensional plan view built on a topographic map. On these maps, color variations mark specific rock units. The lines where one unit meets another are called contacts. Geologic maps also use...

physical properties of minerals i: crystals and cleavage

physical-properties-of-minerals-i-crystals-and-cleavage

Mineral Crystal Shapes and Cleavage

Mineral crystal shapes and cleavage reveal how a mineral is built at the atomic level. These physical properties are measurable and visible traits that help identify minerals. They include color, streak, magnetic properties, hardness, crystal growth form, and crystal cleavage. Each of these properties is specific to a mineral. They are tied to the mineral’s chemical make-up and atomic structure. Crystal growth form and crystal cleavage both come mainly from the repeated pattern of basic atomic...

physical properties of minerals ii: polymineralic analysis

physical-properties-of-minerals-ii-polymineralic-analysis

Mineral Clues for Rock Identification

Mineral color, streak, luster, hardness, magnetism, and acid reaction help identify minerals and rocks. These physical properties can be seen or measured in hand samples and in the field. They are tied to a mineral’s chemical makeup and, to a lesser extent, its atomic structure. The video also explains why these clues work for rocks as well as minerals. Rocks are made of mineral grains, and most rocks contain more than one mineral type, which means they are polymineralic. Some rocks are...

igneous volcanic rock

How Volcanic Rock Forms From Lava

Volcanic rock forms when magma reaches Earth’s surface and cools. It is a type of igneous rock, which means it comes from cooling and crystallization of molten material. When magma is on the surface, it is called lava. Magma is molten rock that is usually between about 800 °C and 1,200 °C. It forms inside Earth through three main melting processes. These are the addition of heat, the addition of volatiles, and decompression. Each way of making magma can produce a different kind of magma. That...

igneous intrusive rock

Magma Cooling and Igneous Rock

Igneous rocks form when hot liquid rock, called magma, cools and crystallizes. Magma temperatures typically range from about 800 °C to 1,200 °C. These rocks record the freezing of molten material inside Earth.

an overview of bgdgt biomarker analysis for paleoclimatology

Sediment biomarkers can record past climate conditions, and branched GDGTs are one example used to study temperature in freshwater basins. These organic compounds are extracted from natural samples, purified, and then measured to help reconstruct environments from the past. In paleoclimatology, scientists use these records to better understand climate change over time. Sediments build up over geologic time in sedimentary basins, which are low areas in the Earth’s crust where material is...

an overview of alkenone biomarker analysis for paleothermometry

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Sea Surface Temperature from Alkenone Ratios

Sea surface temperature can be reconstructed from alkenone ratios preserved in marine sediment. Alkenones are long-chain, unsaturated alkyl ketones made by some haptophyte algae, especially coccolithophores such as Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanica in the open ocean. The most widely used proxy is the U K'37 index, which compares the C37:2 and C37:3 alkenones. Because the ratio changes with growth temperature, it can be used to estimate past sea surface temperature. The U K'37 proxy...

sonication extraction of lipid biomarkers from sediment

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How Organic Carbon Becomes Biomarkers

Organic material and inorganic material are chemically different. In an ecosystem, living material includes leaves, fungi, bark, and tissue. Non-living material includes rocks, their minerals, oxygen, water, and metals. Organic matter contains carbon linked to other carbon and hydrogen molecules, which sets it apart from inorganic matter. Carbon is especially flexible in the kinds of bonds it can form. Its valence range from -4 to +4 lets it make up to four separate covalent bonds with nearby...

soxhlet extraction of lipid biomarkers from sediment

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Large-Volume Sediment Extraction for Standards

Large-volume sediment extraction is used to isolate compounds for chemical standards. These standards help labs track the performance, accuracy, and precision of instruments over time. That way, a measurement made today can be compared with one made a year later. Because standards must be checked over long periods, labs often need large amounts of material. Many chemical standards can be bought from companies such as Sigma-Aldrich and Fisher. But some natural compounds needed for paleoclimatic...

extraction of biomarkers from sediments - accelerated solvent extraction

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Sediment biomarkers can help scientists reconstruct past air and water temperatures. In this method, a group of organic biomarkers called glycerol-dialkyl glycerol-tetraethers, or GDGTs, is studied in modern sediments and in older sediment layers of known age. GDGTs are produced by a suite of archaea and bacteria. Their distribution changes in a predictable way in response to temperature. That pattern lets researchers use sediment records to track how climate changed over time. These...

conversion of fatty acid methyl esters by saponification for uk'37 paleothermometry

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Saponification for Cleaner GC-FID Analysis

Saponification helps clean up complex lipid samples before gas chromatography analysis. A total lipid extract, or TLE, from an organic solvent extraction can contain hundreds or even thousands of compounds. Researchers may only need a few target compounds. They may also need to remove unwanted material that gets in the way or co-elutes, meaning it comes off the gas chromatograph at the same time as another compound. This sample cleanup supports measurement on a gas chromatograph coupled to a...

purification of a total lipid extract with column chromatography

purification-of-a-total-lipid-extract-with-column-chromatography

Separating Lipid Classes by Column Chromatography

Column chromatography is used to separate lipid classes in a total lipid extract. A total lipid extract, or TLE, is often a complex mixture made up of hundreds or even thousands of compounds. Researchers may only need a few target compounds, so they remove the compounds they are not studying. Those target compounds can belong to different classes, including alkanes, ketones, alcohols, and acids. In some studies, a sample may contain many compounds, but only a small set matters for analysis.

removal of branched and cyclic compounds by urea adduction for uk'37 paleothermometry

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Urea Adduction Separates Lipid Shapes

Urea adduction separates straight-chain lipids from branched and cyclic compounds in a total lipid extract. Researchers use this step when they want only a small set of target molecules from a sample that may contain hundreds or even thousands of compounds. For paleothermometry, the target compounds are the alkenones used in U k'37 and the isoprenoidal glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or GDGTs, used in MBT/CBT. Together, these organic paleothermometers depend on only six compounds: two...

earth science

Esta coleção apresenta tópicos que vão desde geologia a geoquímica com uma variedade de demonstrações, incluindo propriedades físicas e químicas de minerais e a análise de formações rochosas.

Learn how branched GDGTs in lake sediments are extracted, purified, and measured with LC-MS to reconstruct past temperature and climate records.

Sediment Biomarkers for Past Climate Records | JoVE K12

Pennsylvania State Academic Standards

Earth and Space Science

Human Sustainability

3.3.9-12.M

Louisiana Student Standards for Science

High School

Earth’s Systems

HS-ESS2-4

HS-ESS3-6

ohios-learning-standards-and-model-curriculum

Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

Physical Geology

Minerals

properties-minerals-hardness-luster-cleavage-streak-crystal-shape

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Earth's History

The geologic rock record

Plate Tectonics

Historical review

Glacial Geology

Glaciers and glaciation

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

ES.5

ES.5.a

ES.10

ES.10.d

Texas Essential Knowledge and Skills

Earth Systems Science

112.49.c.11

112.49.c.11.E.

Alabama Course of Study Science

9-12.ESS.2.5.d

9-12.ESS.2.6.a

Next Generation Science Standards

Earth’s Place in the Universe

HS-ESS1-6

Florida Department of Education

SC.912.E.7

SC.912.E.7.7

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New York State Science Learning Standards

Physical Science

HS. Structure and Properties of Matter

HS-PS1-10.

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

Life Science

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

HS-LS2-4.

Earth and Space Sciences

History of Earth

HS-ESS1-6.

HS-ESS2-6.

HS-ESS2-7.

Jeff Salacup

Overview

Principles of Branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether Biomarkers

Branched GDGT Extraction

Biomarker Purification and Analysis

Applications

Summary

Igneous Volcanic Rock

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Igneous rocks are the products of cooling and crystallization of magma. Volcanic rocks ...

The Carbon Cycle

Carbon is the basis of all organic matter on Earth, and is recycled through the ecosystem in two primary processes: one in which carbon is exchanged among ...

Igneous Intrusive Rock

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Igneous rocks are products of the cooling and crystallization of high temperature ...

Using Topographic Maps to Generate Topographic Profiles

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Topographic maps are &#34;plan-view&#34; representations of Earth&#39;s ...

Determining Spatial Orientation of Rock Layers with the Brunton Compass

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Most rock units exhibit some form of planar surfaces or linear features. Examples ...

Making a Geologic Cross Section

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Geologic maps were first made and utilized in Europe, in the mid-to-late 18th century. ...

Use models to explain how mantle convection powers plate tectonics.

ESS.EES.2.1

Analyze and interpret data to predict locations of volcanoes and earthquakes based on plate boundaries.

ESS.EES.2.2

An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

Topographic Surveying and Contours

Topographic surveying is critical for documenting the Earth's surface, focusing on capturing elevations, slopes, and natural and man-made features. It is ...

Plotting of Topographic Maps

Topographic maps represent the Earth's surface features using contour lines, which connect points of equal elevation to create a two-dimensional ...

Methods of Obtaining Topography

Topography involves measuring and mapping land elevations, natural features, and artificial structures to create accurate representations of the terrain. ...

Use models to explain how plate tectonics influence topography.

ESS.EES.2.3

The Soil Ecosystem

Plants obtain inorganic minerals and water from the soil, which acts as a natural medium for land plants. The composition and quality of soil depend not ...

Conditions on Early Earth

What are Biogeochemical Cycles?

The most common elements in organic molecules, carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur, and phosphorus, are only available in the ecosystem in limited ...

The Water Cycle

The Earth&rsquo;s hydrosphere includes all of the areas where the storage and movement of water occurs. Since water is the basis of all living processes, ...

The Nitrogen Cycle

Nitrogen atoms, present in all proteins and DNA, are recycled between abiotic and biotic components of the ecosystem. However, the primary form of ...

The Phosphorus Cycle

Unlike carbon, water, and nitrogen, phosphorus is not present in the atmosphere as a gas. Instead, most phosphorus in the ecosystem exists as compounds, ...

The Sulfur Cycle

Sulfur, an important element in the chemical makeup of proteins, is recycled through the atmosphere and aquatic and terrestrial environments. Found in the ...

Bioremediation

Bioremediation is the use of prokaryotes, fungi, or plants to remove pollutants from the environment. This process has been used to remove harmful toxins ...

Carry out investigations to explain how the rock cycle and rates of weathering, erosion, and soil formation influence Earth's systems.

ESS.EES.2.4

What is Climate?

Climate refers to the prevailing weather conditions in a specific area over an extended period. As the saying goes, &#8220;Climate is what you expect. ...

What is Weather?

Overview

Weather refers to the current state of atmospheric conditions at a specific time and place. Weather is temporary and is influenced by the ...

Variation of Atmospheric Pressure

Change in atmospheric pressure with height is particularly interesting. The decrease in atmospheric pressure with increasing altitude is due to the ...

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Analyze and interpret data to explain how volcanic activity influences changes in Earth's atmosphere, geosphere, biosphere, and hydrosphere.

ESS.EES.2.5

States of Water

Water exists in any one of the three classical states: solid (ice), liquid (water), and gas (steam or water vapor). The state of water depends on i) the ...

The potential of hydrogen (pH) is a measure of the acidity or basicity of a water-based solution determined by the concentration of hydronium ions (H3O+). ...

Carry out investigations to explain the properties of water.

ESS.EES.3.1

Analyze how the geosphere is shaped by plate tectonics and the rock cycle.

Sediment Biomarkers for Past Climate Records

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