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