BGDGT Biomarker-Analyse für Paläoklimatologie im Überblick

Earth Science

Your institution must subscribe to JoVE's Environmental Sciences collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Overview

<>

Quelle: Labor von Jeff Salacup - University of Massachusetts Amherst

In dieser Serie von Videos wurden natürliche Proben extrahiert und gereinigt auf der Suche nach organischen Verbindungen, genannt Biomarker, die Informationen über die klimatischen Bedingungen und Umgebungen der Vergangenheit beziehen können. Eines der analysierten Proben war Sediment. Sedimente reichern sich im Laufe der geologischen Zeit in Becken, Vertiefungen in der Erde in denen Sediment fließt durch die Einwirkung von Flüssigkeit (Wasser oder Luft), Bewegung und Schwerkraft. Zwei Haupttypen von Becken vorhanden, Marine (Ozeane und Meere) und lacustrine (Seen). Wie man vermuten könnte, Leben sehr unterschiedliche Arten des Lebens in diesen Einstellungen, der Unterschied im Salzgehalt zwischen ihnen größtenteils angetrieben. In den letzten Jahrzehnten entdeckt Bio Geochemiker eine Toolbox von Biomarker-Proxys oder Verbindungen, die zur Beschreibung Klima oder Umwelt, von denen einige in marinen Lebensräume und einige von denen arbeiten in lacustrine arbeiten. Wir richten unsere Aufmerksamkeit hier zum lacustrine reich und verzweigte Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraethers ()Abbildung 1).

In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf die Analyse der terrestrischen Paleotemperature mit verzweigten Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetrathers (Abbildung 1; BrGDGTs) und der MBT/CBT-Proxy. Diese Vollmacht wurde zunächst von Weijers Et Al. beschrieben. 1 und basiert auf den Vertrieb von Ring und Branch Strukturen im BrGDGTs. Sie fanden heraus, dass die Biosyntheseschritt der verzweigten Tetraethers (CBT) direkt mit der Boden-pH zusammenhing.

CBT = - Log ((Ib + IIb) / (I + II))

Und dass die Methylierung der verzweigten Tetraethers (MBT) bestimmt wurde, durch die mittlere jährliche Lufttemperatur (MAAT) und, in geringerem Maße, des Bodens pH.

MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)

So bezieht MBT/CBT gefasst zusammen und kalibriert, die Verteilung der BrGDGTs zu Bodentemperatur und pH-Wert.

MBT = 0,122 + (0.187 X CBT) + (0,020 X MAAT)

Verzweigte GDGTs werden gedacht, um die Membran überspannt, Lipide und ihre Produktion wurde zunächst Acidobacteria Anaerobier Leben im Boden und Torf2-5zugeschrieben, sondern Folgearbeiten schlug vor, dass sie auch in oxischen und anoxischen See und Meerwasser Spalten und Sedimente6-9hergestellt werden konnte. Die Hypothese hält diese Acidobacteria Transformation Websites der Methylierung in Cyclizations als Reaktion auf die Absenktemperatur um Ungesättigtheit zu erhöhen (Biosyntheseschritt entfernt effektiv zwei Wasserstoffatome) und pflegen Membranfluidität (sinngemäss, gesättigtem Fett (Butter) ist eine solide Zimmertemperatur während ungesättigte Fettsäuren (Olivenöl) eine Flüssigkeit ist), aber verzweigten GDGTs konnten bislang nicht als die wichtigsten Membranlipide in Acidobacteria Kulturen identifiziert. Somit ist ihre genaue Herkunft unbekannt.

Kalibrierung des verzweigten GDGTs, Umgebungsvariablen (Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt, Niederschlag, etc.) ist ein Thema der Forschung weit verbreitet. Organische Geochemie Labors auf der ganzen Welt engagieren sich in der Aufgabe der Entwicklung globaler1,10 und regionalen11-13 Kalibrierungen zwischen verzweigten GDGTs und (vor allem) Temperatur. Die oben genannten Gleichungen werden daher regelmäßig verfeinert und perfektioniert.

Verzweigte GDGTs sind in der Regel aus lacustrine Ablagerungen gewonnen, obwohl küstennahe marine Sedimenten auch untersucht worden sind. Die Extrakte durchlaufen eine Silica-Gel-Spalte zum Reinigen der GDGTs aus anderen Verbindungen, die nicht LC zugänglich oder das kann zusammen mit GDGTs chromatographisch eluieren. Die GDGTs kommen in der polare Anteil, der elutes in Methanol.

Sobald der gesamten Lipid-Extrakt gereinigt wird, läuft auf eine high-Performance liquid Chromatograph gekoppelt mit einem Massenspektrometer chemische Ionisation die Probe extrahierte und gereinigte. Die relative Konzentration der GDGTs wird bestimmt durch den Erwerb der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Masse Ion (m/Z; Abbildung 1) für jede der Verbindungen auf Computersoftware für genau diesen Zweck (z. B. Agilent Chemstation). Diese Bereiche sind dann in der ausgewählten Kalibrierung Formel eingefügt werden um eine Paleotemperature Bestimmung zu erreichen.

Figure 1
Abbildung 1. Strukturen der verzweigten GDGTs verwendet für die Berechnung der Temperatur über MBT/CBT-Proxy (verwendet mit freundlicher Genehmigung von Dr. Isla Castañeda, wer das Bild produziert). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Organische Verbindungen, die als Biomarker können in Geowissenschaften als Paleothermometers verwendet werden, Informationen über Klima und Umgebungen der Vergangenheit beziehen.

Lebende Organismen produzieren diese Biomarker, die uns mit Informationen über die Umgebung in der sie lebten. Sie können als Proxy zu erzählen, Informationen über vergangene Ereignisse, wie die Temperatur der Erde Millionen von Jahren auftreten.

Terrestrische Paleotemperature kann mit Biomarkern im Sediment von Süßwasser-Becken gefunden analysiert werden. Eine wichtige Klasse von diese Biomarker sind verzweigte Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraethers oder verzweigte GDGTs.

Dieses Video führt der Bereich der Studie mit dem Titel Paläoklimatologie, die letzten Änderungen im Süßwasser-Umfeld über Hunderte von Millionen von Jahren untersucht. Dadurch werden aktuelle und zukünftige Klima- und Umweltveränderungen zu erhellen.

Sedimente sich im Laufe der geologischen Zeit, dank fließende Bewegung und Schwerkraft, in Sedimentbecken oder niedrigen Bereiche in der Erdkruste. Sedimentbecken sind Ozeane, die Meeresablagerungen sammeln, oder Seen, die lacustrine Sediment zu sammeln. Marine und lacustrine Becken enthalten verschiedene Arten von Organismen, die zum großen Teil durch den Unterschied im Salzgehalt zwischen ihnen getrieben. So enthalten marine und lacustrine Becken unterschiedlicher Biomarker.

Verzweigte GDGTs werden gedacht, um die Membran überspannt werden Lipide der anaeroben Acidobacteria. Untersuchungen zeigen, dass die produzierenden Organismen Membran Eigenschaften in Reaktion auf sich ändernde Temperatur ändern.

Diese Änderung wird durch die Umwandlung der methylierten Websites auf den verzweigten GDGT cyclisiert Websites bei kälteren Temperaturen, wodurch Membranfluidität verursacht. Diese Änderung in der Struktur kann dann auf Temperatur über einen Proxy korreliert werden. Proxies sind messbare physikalische Phänomene, die unermesslich Variablen korreliert sind.

Diese Vollmacht bezieht sich die Zahl von Methylations, MBT, und Cyclizations oder CBT, in der Biomarker auf Temperatur. Eine experimentell abgeleitete Gleichung kann MBT und CBT in der Vergangenheit meine jährliche Lufttemperatur beziehen.

Um die Beziehung zwischen verzweigten GDGT Biomarker und Bodentemperatur zu studieren, muss lacustrine Sediment gesammelt, extrahiert von einer der drei Techniken, gereinigt, und analysiert werden.

Um zu Beginn der Untersuchung der Beziehung zwischen verzweigten GDGT Biomarker und Bodentemperatur sind die Lipidmoleküle lacustrine Ablagerungen, mit einer Vielzahl von Techniken zunächst entzogen. Extraktion durch Anwendung von Ultraschall ist die einfachste und kostengünstigste Methode der Inanspruchnahme der gesamten Lipid-Extrakt oder TLE, eine Sedimentprobe. Hierzu dient ein Ultraschallbad die Probe in ein Fläschchen mit organischen Lösungsmitteln zu agitieren. Ein Gemisch aus Methanol und Dichlormethan wird verwendet, um Biomarker mit einer breiten Palette von Polaritäten zu extrahieren. Ein weiterer Extraktiontechnik nutzt Soxhlet-Extraktion. Ein Soxhlet-Extraktor ermöglicht Rückfluß oder kontinuierliche Radfahren, organische Lösemittel aus einem Rundboden Kolben nach oben in einen Kondensator, die mit kaltem Wasser gekühlt und zurückgegeben. Das kondensierte Lösungsmittel gliedert sich in einen Glas-Faser-Fingerhut mit der Probe. Einmal voll, abschöpft Kammer organische Lösungsmittel zurück in den Kolben Rundboden ermöglicht kontinuierliche Extraktion im Laufe der Zeit.

Diese Technik ist hilfreich bei der Gewinnung von großen Sediment Massen und die Vorbereitung großer Mengen von Standards für die Kalibrierung. Schließlich ist die beschleunigte Lösemittelextraktion oder ASE, eine geschützte Methode der Extraktion, die hohe Temperatur und Druck, die Kinetik der Extraktion zu erhöhen verwendet. Die ASE-Instrument hält bis zu 24 einzelne Samples und ermöglicht eine präzise Kontrolle über alle Parameter in der Extraktion. Aufgrund seiner Geschwindigkeit und Einfachheit der Anwendung wird ASE allgemein als die Standardmethode der solvent-Extraktion verwendet.

Sobald die Lipid-Probe extrahiert wird, verwenden eine dieser Techniken ist es in der Vorbereitung für die Analyse gereinigt. In der Regel wird Kieselgel Säulenchromatographie verwendet, um die Lipid-Probe anhand seiner Polarität zu reinigen. Hierzu wird eine kleine Glassäule mit einem feinen Pulver an Kieselsäure, als eine Gel geladen. Die Spalte wird dann mit einem apolaren Lösungsmittel, in der Regel Hexan, gesättigt und dann die Probe geladen auf der Oberseite. Die Trennung des Extraktes basiert auf die Affinität der Zielsubstanz entweder für die feste Phase oder der Lösungsmittel-Phase.

Polare Verbindungen, in diesem Fall verzweigten GDGT, sind mehr an der polaren Kieselsäure als apolaren Hexan angezogen. So reist der apolaren Mittel wie Kohlenwasserstoffe, die Mitte-polaren Verbindungen wie Ketone, Alkohole und die stark polaren Verbindungen, die Spalte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und als Reaktion auf Lösungsmittel Polarität zu erhöhen.

Die Eluenten werden dann in getrennten Fraktionen gesammelt.

Die gereinigten GDGT sind dann mit Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie an ein Massenspektrometer gekoppelt analysiert oder LC-MS. und LC-MS zuerst trennt die Verbindungen und analysiert dann anhand ihrer Masse-Ladungs-Verhältnis.

Dies ermöglicht die Bestimmung der relativen Konzentration jeder Art von GDGT mit der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Masse Ion. MBT wird als Bruchteil der Gruppe 1 Moleküle mit dem Gesamtbetrag berechnet.

CBT wird dann als eine negative Log mit Molekülen in den Gruppen 1 und 2 berechnet. MBT und CBT werden dann in eine experimentell abgeleitete Gleichung gesteckt, um eine Paleotemperature Bestimmung zu erreichen.

Die Bestimmung des Paleotemperature mit Biomarker Proxies eignet sich in den unterschiedlichsten Anwendungen in der Geowissenschaft.

Erstens ermöglicht Paleothermometry die Bestimmung der Temperatur der Erde über lange Zeiträume hinweg. Mittels verschiedener Techniken, wurde die Temperatur der Erde bereits 500 Millionen Jahren geschätzt. Dies sagt uns die Hülle der Temperatur innerhalb der verschiedenen Formen des Lebens entwickelt und informiert Untersuchungen über die Auswirkungen der Temperatur auf der Erde Biosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Atmosphäre, in der Vergangenheit und durch Verlängerung, die Zukunft.

Neuere Tendenzen in der Erden-Temperatur können auch gegen Datensätze unter Verwendung Paleothermometry quantifiziert werden. Die Oberflächentemperatur der Erden stieg um fast 1 Grad von 1850 bis zur Gegenwart mit einem akzentuierten Erwärmungstrend in den letzten zwei Jahrzehnten. Um den anthropogenen Einfluss auf das globale Klima zu verstehen, müssen genaue Paläoklima Datensätze entwickelt und als Kontext verwendet werden.

Sie habe nur Jupiters Übersicht der verzweigte Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraether Paleothermometry beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie die verzweigten GDGT Biomarker verwendet werden, und die allgemeine Technik der Extraktion und Reinigung von ihnen. Die folgenden Videos in dieser Serie gehen mehr ins Detail über dieses komplexen Prozesses.

Danke fürs Zuschauen!

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Earth Science. BGDGT Biomarker-Analyse für Paläoklimatologie im Überblick. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

References

  1. Weijers, J. W. H. et al. Environmental controls on bacterial tetraether membrane lipid distribution in soils, Geochimica et Cosmochimica Acta71(3), 703-713 (2007).
  2. Damste, J. S. S. et al. 13,16-Dimethyl Octacosanedioic Acid (iso-Diabolic Acid), a Common Membrane-Spanning Lipid of Acidobacteria Subdivisions 1 and 3. Appl Environ Microb, 77, 4147-4154 (2011).
  3. Hopmans, E. C. et al. A novel proxy for terrestrial organic matter in sediments based on branched and isoprenoid tetraether lipids, Earth and Planetary Science Letters224(1-2), 107-116 (2004).
  4. Weijers, J. W. H. et al. Membrane lipids of mesophilic anaerobic bacteria thriving in peats have typical archaeal traits. Environ Microbiol, 8, 648-657 (2006).
  5. Weijers, J. W. H., Schouten, S., Spaargaren, O. C., Damste, J. S. S. Occurrence and distribution of tetraether membrane lipids in soils: Implications for the use of the TEX86 proxy and the BIT index. Organic Geochemistry, 37, 1680-1693 (2006).
  6. Chappe, B., Albrecht, P., Michaelis, W. Polar Lipids of Archaebacteria in Sediments and Petroleums. Science, 217, 65-66 (1982).
  7. Peterse, F. et al. Constraints on the application of the MBT/CBT palaeothermometer at high latitude environments (Svalbard, Norway). Organic Geochemistry, 40, 692-699 (2009).
  8. Tierney, J. E., Russell J. M. Distributions of branched GDGTs in a tropical lake system: Implications for lacustrine application of the MBT/CBT paleoproxy, Organic Geochemistry40(9), 1032-1036 (2009).
  9. Zhu, C. et al. Sources and distributions of tetraether lipids in surface sediments across a large river-dominated continental margin. Organic Geochemistry, 42, 376-386 (2011).
  10. Pearson, E. J. et al. A lacustrine GDGT-temperature calibration from the Scandinavian Arctic to Antarctic: Renewed potential for the application of GDGT-paleothermometry in lakes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 75, 6225-6238 (2011).
  11. Damste, J. S. S., Ossebaar, J., Schouten, S., Verschuren, D. Altitudinal shifts in the branched tetraether lipid distribution in soil from Mt. Kilimanjaro (Tanzania): Implications for the MBT/CBT continental palaeothermometer. Organic Geochemistry, 39, 1072-1076 (2008).
  12. Loomis, S. E., Russell, J. M., Ladd, B., Street-Perrott, F. A., Damste, J. S. S. Calibration and application of the branched GDGT temperature proxy on East African lake sediments. Earth and Planetary Science Letters, 357, 277-288 (2012).
  13. Tierney, J. E. et al. Environmental controls on branched tetraether lipid distributions in tropical East African lake sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 74, 4902-4918 (2010).

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE