Un aperçu de l'analyse des biomarqueurs bGDGT pour la paléoclimatologie
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Overview
Source : Laboratoire de Jeff Sanoussi – University of Massachusetts Amherst
Tout au long de cette série de vidéos, les échantillons naturels ont été extraites et purifiées à la recherche de composés organiques appelés biomarqueurs, qui peuvent transmettre de l’information sur les climats et les environnements du passé. Un des échantillons analysés a été de sédiments. Les sédiments s’accumulent au fil des temps géologiques dans les bassins, les dépressions dans le sol dans lesquels circule de sédiments par l’action du fluide (eau ou air), mouvement et la gravité. Deux principaux types de bassins existent, marine (les océans et les mers) et lacustres (lacs). Comme on peut le deviner, très différents types de vie vivent dans ces milieux, grâce en grande partie la différence de salinité entre eux. Au cours des dernières décennies, géochimistes organiques a découvert une panoplie de procurations biomarqueur, ou des composés qui peuvent être utilisés pour décrire le climat ou l’environnement, dont certains travaillent dans les milieux marins et certains qui agissent en lacustre. Nous portons notre attention ici sur le domaine lacustre et ramifiée glycérol dialkyl glycérol tetraethers ()Figure 1).
Dans cette section, nous nous concentrons sur l’analyse des paléotempératures terrestre à l’aide de tetrathers de glycérol glycérol ramifié dialkyl (Figure 1; brGDGTs) et le proxy MBT/CBT. Ce proxy a été initialement décrite par Weijers et al. 1 et est basé sur la distribution de l’anneau et la direction générale des structures en brGDGTs. Ils ont constaté que la cyclisation du tetraethers ramifiés (CBT) est directement reliée au pH du sol.
CBT = – log ((Ib + IIb) / (I + II))
Et que la méthylation des tetraethers ramifiés (MBT) a été déterminée par la température annuelle moyenne (MAAT) et, dans une moindre mesure, pH du sol.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
Ainsi, MBT/CBT prises ensemble et calibré, concerne la distribution de brGDGTs à la fois la température du sol et pH.
MBT = 0,122 + (0,187 x CBT) + (x 0,020 MAAT)
GDGTs ramifiés sont considérés comme membrane couvrant des lipides et leur production a été initialement attribué à des bactéries anaérobies Acidobacteria vivant dans les sols et tourbe2-5, mais les travaux ultérieurs a suggéré qu’ils pourraient aussi provenir de lac oxique et anoxique et eau de mer les colonnes et les sédiments6-9. L’hypothèse tient cette transformation Acidobacteria sites de la méthylation dans cyclisations en réponse à l’abaissement de température afin d’augmenter l’insaturation (cyclisation élimine efficacement les deux atomes d’hydrogène) et de maintenir la fluidité de la membrane (par analogie, en gras saturés (beurre) est un solide à une température de la pièce tandis que les gras insaturés (huile d’olive) est un liquide), mais ramifiées GDGTs n’ont pas encore été identifiés comme les lipides de la membrane principale dans les cultures Acidobacteria. Ainsi leur provenance exacte est inconnue.
Étalonnage de GDGTs ramifiés à des variables environnementales (température, pH, salinité, précipitations, etc.) est un sujet de recherche très répandue. Laboratoires de la géochimie organique du monde entier sont impliqués dans la tâche de développement tant global1,10 et régionaux11-13 étalonnages entre GDGTs ramifiés et (surtout) de température. Ainsi, les équations ci-dessus sont régulièrement être affiné et perfectionné.
GDGTs ramifiés sont généralement extraites de sédiments lacustres, bien que les sédiments marins côtiers ont également été étudiés. Les extraits subissent une colonne de gel de silice pour purifier les GDGTs des autres composés qui ne peut être que LC se prêtent ou qui peut éluer conjointement avec GDGTs par chromatographie. Les GDGTs sortent dans la fraction polaire qui élué dans le méthanol.
Une fois l’extrait lipidique total est purifié, l’échantillon extrait et purifié est exécuté sur un chromatographe en phase liquide haute performance couplée à un spectromètre de masse à ionisation chimique. La concentration relative de le GDGTs est déterminée par l’obtention de l’aire sous la courbe pour les ions de masse choisis (m/z ; La figure 1) pour chacun des composés sur ordinateur un logiciel destiné à cet effet (par exemple, Agilent Chemstation). Ces zones sont ensuite insérées dans l’équation d’étalonnage sélectionnés afin d’arriver à une détermination paléotempérature.
Figure 1. Structures de le GDGTs ramifiés, utilisés pour le calcul de la température via proxy MBT/CBT (utilisé avec la permission du Dr Isla Castañeda, qui a produit l’image). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Composés organiques appelés biomarqueurs utilisable en sciences de la terre comme paleothermometers, à transmettre de l’information sur les climats et les environnements du passé.
Les organismes vivants produisent ces biomarqueurs, qui nous fournissent des informations sur l’environnement dans lequel ils vivaient. Ils peuvent agir en tant que proxy pour nous parler des informations sur des événements passés, comme la température de la terre des millions d’années.
Paléotempérature terrestre peut être analysée à l’aide des biomarqueurs trouvés dans les sédiments des bassins d’eau douce. Une classe clé de ces biomarqueurs sont ramifiés glycérol dialkyl glycérol tetraethers, ou GDGTs ramifiés.
Cette vidéo vous fera découvrir le domaine d’étude, appelée paléoclimatologie, qui enquête sur les mutations dans les environnements d’eau douce sur des centaines de millions d’année. Cela aide à élucider les actuels et futurs changements climatiques et environnementaux.
Les sédiments s’accumulent au fil des temps géologiques, en raison de mouvement fluide et de la gravité, dans des bassins sédimentaires, ou des zones basses dans la croûte terrestre. Les bassins sédimentaires comprennent des Océans, qui recueillent les sédiments marins, ou des lacs, qui recueillent les sédiments lacustres. Des bassins marins et lacustres contiennent différents types d’organismes, conduits en grande partie par la différence de salinité entre eux. Ainsi, des bassins marins et lacustres contiennent différents biomarqueurs.
GDGTs ramifiés sont censés être transmembranaire lipides des acidobacteria anaérobie. La recherche suggère que les organismes producteurs modifier les propriétés de la membrane en réponse aux changements de température.
Ce changement est dû à la transformation des sites méthylés sur de la ramifiés GDGT cyclisés sites à des températures plus froides, ce qui améliore la fluidité membranaire. Ce changement dans la structure peut ensuite être corrélé à la température à travers un proxy. Les proxy sont des phénomènes physiques mesurables qui sont corrélés à l’incommensurable variable.
Ce proxy est liée au nombre de méthylations ou MBT et cyclisations ou CBT, dans le biomarqueur à température. Une équation dérivée expérimentalement peut porter MBT et TCC à la dernières signifie Air température annuelle.
Afin d’étudier la relation entre ramifiés GDGT biomarqueurs et la température du sol, des sédiments lacustres doivent être recueillies, extraite par l’une des trois techniques, purifié et analysés.
Pour commencer à étudier la relation entre ramifiés GDGT biomarqueurs et la température du sol, les molécules de lipides sont d’abord extraites des sédiments lacustres, en utilisant une variété de techniques. Extraction par sonication est la méthode la plus simple et moins coûteuse d’obtenir l’extrait lipidique total, ou TLE, auprès d’un échantillon de sédiments. Pour ce faire, un bain à ultrasons est utilisé pour agiter l’échantillon dans un flacon contenant des solvants organiques. Un mélange de méthanol et dichlorométhane est utilisé pour extraire des biomarqueurs avec un large éventail de polarités. Une autre technique d’extraction utilise extraction Soxhlet. Un appareil d’extraction Soxhlet permet le reflux, ou cycle continu, du solvant organique d’un ballon à fond rond vers le haut dans un condenseur, qui est refroidi par l’eau froide et retourné. Le solvant condensé tombe dans une cosse de fibre de verre contenant l’échantillon. Une fois pleine, la chambre siphonne l’arrière solvant organique dans le ballon à fond rond, ce qui permet une extraction continue au fil du temps.
Cette technique est utile pour l’extraction des masses de sédiments grand et la préparation de grandes quantités de normes pour l’étalonnage de l’instrument. Enfin, extraction par solvant accélérée ou ASE, est une méthode essaiera d’extraction qui utilise la haute température et pression pour augmenter la cinétique des procédés d’extraction. L’instrument de l’ASE détient jusqu’à 24 échantillons individuels et permet un contrôle précis de tous les paramètres dans le processus d’extraction. En raison de sa rapidité et simplicité d’utilisation, l’ASE est couramment utilisé comme la méthode standard d’extraction par solvant.
Une fois que l’échantillon de lipides est extrait à l’aide d’une de ces techniques, il est purifié en préparation pour l’analyse. En général, chromatographie sur colonne de gel de silice est utilisé pour purifier l’échantillon de lipides issu de sa polarité. Pour ce faire, une petit verre de colonne est chargée avec une fine poudre de silice, appelée un gel. La colonne est alors saturée avec un solvant apolaire, typiquement hexane, et ensuite l’échantillon chargé sur le dessus. La séparation de l’extrait est basée sur l’affinité de la cible composée pour la phase solide ou la phase solvant.
Les composés polaires, de GDGT ramifiés dans ce cas, sont plus attirés par la silice polaire que l’hexane apolaire. Ainsi, les composés apolaires, tels que les hydrocarbures, les milieu polaire composés, tels que les composés très polaires, cétones et alcools se rendra la colonne à des vitesses différentes et en réponse à des solvants de polarité de plus en plus.
Les éluants sont ensuite recueillies dans les fractions séparées.
La GDGT purifiée est ensuite analysées à l’aide de haute performance, chromatographie en phase liquide couplée à un spectromètre de masse, ou LC-Mme SM-sépare tout d’abord les composés et analyse ensuite en fonction de leur rapport masse sur charge.
Ceci permet la détermination de la concentration relative de chaque type de GDGT utilisant l’aire sous la courbe pour les ions de masse choisis. MBT est égale à la fraction des molécules groupe 1 au total.
CBT est alors calculé comme un journal négatif à l’aide de molécules dans les groupes 1 et 2. MBT et TCC sont ensuite branché une équation dérivée de façon expérimentale, afin d’arriver à une détermination paléotempérature.
La détermination des paléotempératures à l’aide de proxies biomarqueur est utile dans une gamme d’applications en sciences de la terre.
Tout d’abord, paleothermometry permet la détermination de la température de la terre sur de longues périodes de temps. En utilisant diverses techniques, la température de la terre a estimé dès 500 millions d’années. Cela nous indique l’enveloppe de la température dans les différentes formes de vie ont évolué et informe des études sur les effets de la température sur la biosphère, hydrosphère, lithosphère et atmosphère de la terre dans le passé et, par extension, l’avenir.
Tendances récentes de la température des terres quantifiable aussi contre les enregistrements construits à l’aide de paleothermometry. La température de surface de terres a augmenté de près de 1 degré de 1850 à nos jours avec une tendance au réchauffement accentuée au cours des deux dernières décennies. Pour comprendre l’impact anthropique sur le climat mondial, paléoclimatiques précis doivent être mis au point et utilisés comme contexte.
Vous avez juste regardé aperçu de ramifiée glycérol Dialkyl glycérol tétraéther Paleothermometry de JoVE. Vous devez maintenant comprendre comment les biomarqueurs GDGT ramifiés sont utilisés et la technique globale d’extraction et de purification eux. Vidéos suivantes dans cette série vont entrer dans les détails sur ce processus complex.
Merci de regarder !
Procedure
References
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Transcript
Organic compounds called biomarkers can be used in Earth Science as paleothermometers to relate information on climates and environments of the past.
Living organisms produce these biomarkers, which provide us with information about the environment in which they lived. They can act as a proxy to tell us information about past events, like the Earth’s temperature millions of years ago.
Terrestrial paleotemperature can be analyzed using biomarkers found in sediment from fresh-water basins. One key class of these biomarkers are branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or branched GDGTs.
This video will introduce the area of study, called paleoclimatology, which investigates past changes in fresh-water environments over hundreds of millions of year. This helps elucidate current and future climate and environmental changes.
Sediments accumulate over geologic time, due to fluid movement and gravity, in sedimentary basins, or low areas in the Earth’s crust. Sedimentary basins include oceans, which collect marine sediment, or lakes, which collect lacustrine sediment. Marine and lacustrine basins contain different types of organisms, driven in large part by the difference in salinity between them. Thus, marine and lacustrine basins contain different biomarkers.
Branched GDGTs are thought to be membrane-spanning lipids of anaerobic acidobacteria. Research suggests that the producing organisms change membrane properties in response to changing temperature.
This change is caused by the transformation of methylated sites on the branched GDGT’s to cyclized sites at colder temperatures, thereby enhancing membrane fluidity. This change in structure can then be correlated to temperature through a proxy. Proxies are measureable physical phenomena that are correlated to immeasurable variable.
This proxy relates the number of methylations or MBT, and cyclizations, or CBT, in the biomarker to temperature. An experimentally-derived equation can relate MBT and CBT to the past Mean Annual Air Temperature.
To study the relationship between branched GDGT biomarkers and soil temperature, lacustrine sediment must be collected, extracted by one of three techniques, purified, and analyzed.
To begin studying the relationship between branched GDGT biomarkers and soil temperature, the lipid molecules are first extracted from lacustrine sediments, using a variety of techniques. Extraction via sonication is the simplest and least expensive method of obtaining the total lipid extract, or TLE, from a sediment sample. For this, an ultrasonic bath is used to agitate the sample in a vial containing organic solvent. A mixture of methanol and dichloromethane is used to extract biomarkers with a wide range of polarities. Another extraction technique utilizes Soxhlet extraction. A Soxhlet extractor enables the reflux, or continuous cycling, of organic solvent from a round-bottom flask upward into a condenser, which is cooled by cold water and returned. The condensed solvent falls into a glass fiber thimble containing the sample. Once full, the chamber siphons the organic solvent back into the round-bottom flask, enabling continuous extraction over time.
This technique is helpful in the extraction of large sediment masses, and the preparation of large volumes of standards for instrument calibration. Finally, accelerated solvent extraction, or ASE, is a trademarked method of extraction that utilizes high temperature and pressure to increase the kinetics of the extraction process. The ASE instrument holds up to 24 individual samples, and allows for precise control of all parameters in the extraction process. Due to its speed and simplicity of use, ASE is commonly used as the standard method of solvent extraction.
Once the lipid sample is extracted using one of these techniques, it is purified in preparation for analysis. Typically, silica gel column chromatography is used to purify the lipid sample based on its polarity. For this, a small glass column is loaded with a fine powder of silica, called a gel. The column is then saturated with an apolar solvent, typically hexane, and then the sample loaded on the top. The separation of the extract is based on the affinity of the target compound for either the solid phase or the solvent phase.
Polar compounds, in this case branched GDGT’s, are more attracted to the polar silica than the apolar hexane. Thus, the apolar compounds, such as hydrocarbons, the mid-polar compounds, such as ketones and alcohols, and the highly polar compounds, will travel the column at different rates and in response to solvents of increasing polarity.
The eluents are then collected in separate fractions.
The purified GDGT’s are then analyzed using high performance liquid chromatography coupled to a mass spectrometer, or LC-MS. LC-MS first separates the compounds, and then analyzes them based on their mass-to-charge ratio.
This enables the determination of the relative concentration of each type of GDGT using the area under the curve for the selected mass ion. MBT is calculated as the fraction of the group 1 molecules to the total.
CBT is then calculated as a negative log using molecules in groups 1 and 2. MBT and CBT are then plugged into an experimentally-derived equation, in order to arrive at a paleotemperature determination.
The determination of paleotemperature using biomarker proxies is useful in a range of applications in earth science.
First, paleothermometry enables the determination of the Earth’s temperature over long periods of time. Using various techniques, the temperature of Earth has been estimated as far back as 500 million years. This tells us the envelope of temperature within which different forms of life evolved and informs investigations of the effects of temperature on Earth’s biosphere, hydrosphere, lithosphere, and atmosphere in the past, and by extension, the future.
More recent trends in the Earths temperature can also be quantified against records constructed using paleothermometry. The Earths surface temperature has increased by nearly 1 degree from 1850 to the present with an accentuated warming trend in the last two decades. To understand the anthropogenic impact on global climate, accurate paleoclimate records must be developed and used as context.
You’ve just watched JoVE’s Overview of Branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether Paleothermometry. You should now understand how the branched GDGT biomarkers are used, and the overall technique of extracting and purifying them. The following videos in this series will go into more detail about this complex process.
Thanks for watching!