In der Paläoforschung wird die unterschiedliche Isotopendiskriminierung von C3- und C4-Pflanzen seit langem zur Vegetations- und Klimarekonstruktion verwendet. Ändert sich die Zusammensetzung der Vegetation (C3-, C4-Anteil), so spiegelt sich dies im δ13C-Werte der organischen Substanz ( δ13Corg) von Sedimenten und Böden wider. Ausgehend vom Vegetationstyp wird versucht, auf die klimatischen Verhältnisse zu schließen.
Durch δ13Corg-Messungen an einem See-Sedimentprofil in Nepal wurden in spätglazialen Ablagerungen δ13C-Werte bis zu –15 ‰ PDB nachgewiesen, was auf eine C4-dominierte Vegetation des Einzugsgebietes hindeutete. Allerdings kann eine 13C-Anreicherung auch durch Methanogenese im anoxischen Milieu sowie durch den Eintrag von Algenbiomasse bedingt sein. Um die Ursache der positiveren δ13Corg-Werte in den spätglazialen Ablagerungen zu klären, wurde δ13C in individuellen Ligninphenolen analysiert. Da nur höhere Pflanzen Lignin synthetisieren, ist es möglich, mit Hilfe der substanzspezifischen Isotopenanalyse terrestrische Einträge von der seeinternen Biomasse zu unterscheiden.
Erste Messungen an Standards zeigten, dass für die einzelnen Ligninphenole eine starke Konzentrationsabhängigkeit des δ13C-Signales auftrat, welche durch systematische Tests im Wesentlichen auf das Injektionssystem zurückgeführt und durch geeignete Parameterwahl weitgehend eliminiert werden konnte. Allerdings konnte keine völlige Unabhängigkeit des Messsignals von der eingespritzten Ligninphenol Menge erreicht werden. Diese Abhängigkeit konnte für alle Ligninphenole durch log-lineare Funktionen korrigiert werden. Nach erfolgreicher Überprüfung der Methode an ausgewählten Pflanzen- und Bodenproben wurde das zu unter-suchende Profil analysiert.
Im Gegensatz zu den δ13Corg-Werten ergab die substanzspezifische Isotopenanalyse von Lignin durchweg stark negative Werte. Ein Vegetationswechsel, wie er aufgrund der Messungen der δ13Corg -Werte zu vermuten war, konnte durch die Messung des spezifischen Biomarkers nicht festgestellt werden. Ähnliche Resultate konnten auch bei einzelnen Untersuchungen an einem glazialen Seeprofil aus Äthiopien gewonnen werden, bei dem ebenfalls eine starke Diskrepanz der δ13Corg zu den δ13C-Werten der Ligninphenole gefunden wurde.
Aus diesen Ergebnissen schließe ich, dass δ13Corg-Analysen aus limnischen bzw. von Stau-nässe beeinflussten Standorten nicht unkritisch interpretiert werden sollten.[...]
Inhaltsverzeichnis
- Verzeichnis der Abbildungen
- Abkürzungsverzeichnis
- Zusammenfassung
- Summary
- 1 Einleitung
- Lignin als spezifischer Biomarker
- Vorkommen und Funktion von Lignin
- Synthese und Zusammensetzung von Lignin
- Bedeutung von Lignin für die Bodenkunde
- Grundlage für natürliche Isotopenvariationen in Pflanzen
- Ökologische Bedeutung der unterschiedlichen Photosynthesewege
- Stand der Forschung bulk vs CSIA: Probleme mit bulk-δ¹³C
- 2 Optimierung der Methode zur substanzspezifischen δ¹³C -Bestimmung von Ligninphenolen
- Einleitung und Problemstellung
- Geräte: EA-IRMS, GC-C-IRMS
- Gerätetechnische Beschreibung: Übersicht
- Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS)
- Verbrennungseinheit und open-split
- Gaschromatograph
- Elementar Analysator (EA)
- Material
- Referenzsubstanzen
- Material und Chemikalien für CuO-Lignin-Methode (Nasschemie)
- Ligninphenol-Stammlösungen für die Methodenentwicklung
- Methoden
- δ¹³C-Messung der einzelnen Phenole und Kalibrierung des Referenzgases
- CuO-Lignin-Aufarbeitung
- Mögliche Isotopendiskriminierung bei der Derivatisierung
- Rechnerische Derivatisierungskorrektur
- Optimierung der Geräteparameter
- Durchführung und Vorgehensweise
- Derivatisierungsreaktion
- Standard on-off
- Injektion von CO2 bei variablen Splitfluss-Bedingungen
- Injektion von Modellsubstanzen: Hexan, Toluol
- Optimierung der GC- und Injektorparameter mit Ligninphenolen
- Korrektur der Konzentrationsabhängigkeit
- Zusammenfassung der Geräteoptimierung
- Zusammenfassende Darstellung der GC-C-IRMS -Methode
- Evaluierung der Methode mit Proben
- Zielsetzung und Testproben
- Ergebnisse der Testmessungen der Pflanzen- und Bodenproben
- 3 Substanzspezifische Isotopenanalyse von Lignin: geoökologische Anwendung am Seeprofil Rukche Tal, Nepal
- Einleitung und Fragestellung
- Geographie und Glazialgeschichte des Untersuchungsgebietes
- Bisherige Ergebnisse und Interpretation
- Material und Methoden
- Proben
- Analytik
- Ergebnisse und Diskussion der substanzspezifischen δ¹³ C-Werte in den Ligninphenolen
- Datenqualität und analytische Grenzen
- Ergebnisse und Literaturvergleich
- Interpretation
- Zusammenfassende Diskussion
- Ausblick
- 4 Literaturverzeichnis
- Anhang
- Dank
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Optimierung einer Methode zur substanzspezifischen δ¹³C-Bestimmung von Ligninphenolen mittels GC-C-IRMS Kopplung. Ziel ist es, die Methode für die Anwendung in geoökologischen Fragestellungen zu optimieren und die Ergebnisse mit anderen Methoden zu vergleichen. Die Arbeit untersucht die Isotopenzusammensetzung von Lignin in verschiedenen Pflanzen- und Bodenproben und analysiert die Ergebnisse im Kontext der ökologischen Bedeutung von Lignin und der unterschiedlichen Photosynthesewege.
- Optimierung der GC-C-IRMS Methode zur substanzspezifischen δ¹³C-Bestimmung von Ligninphenolen
- Evaluierung der Methode mit verschiedenen Pflanzen- und Bodenproben
- Anwendung der Methode in einem geoökologischen Kontext am Seeprofil Rukche Tal, Nepal
- Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf die ökologische Bedeutung von Lignin und die unterschiedlichen Photosynthesewege
- Vergleich der Ergebnisse mit anderen Methoden und Literaturdaten
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 führt in die Thematik der substanzspezifischen Isotopenanalyse von Lignin ein. Es werden die Bedeutung von Lignin als Biomarker, die Synthese und Zusammensetzung von Lignin sowie die ökologische Bedeutung der unterschiedlichen Photosynthesewege erläutert. Zudem werden die Probleme mit der bulk-δ¹³C-Methode und die Notwendigkeit der substanzspezifischen Analyse von Ligninphenolen dargestellt.
Kapitel 2 beschreibt die Optimierung der GC-C-IRMS Methode zur substanzspezifischen δ¹³C-Bestimmung von Ligninphenolen. Es werden die verwendeten Geräte, die Methoden zur Probenvorbereitung und die Optimierung der Geräteparameter detailliert dargestellt. Die Ergebnisse der Optimierung werden anhand von Testmessungen an verschiedenen Pflanzen- und Bodenproben evaluiert.
Kapitel 3 präsentiert die Anwendung der optimierten Methode in einem geoökologischen Kontext am Seeprofil Rukche Tal, Nepal. Es werden die Geographie und Glazialgeschichte des Untersuchungsgebietes sowie die bisherigen Ergebnisse und Interpretationen dargestellt. Die Ergebnisse der substanzspezifischen δ¹³C-Analyse der Ligninphenole werden diskutiert und im Kontext der ökologischen Bedeutung von Lignin und der unterschiedlichen Photosynthesewege interpretiert.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die substanzspezifische Isotopenanalyse von Lignin, die GC-C-IRMS Kopplung, die Optimierung von Geräteparametern, die Anwendung in geoökologischen Fragestellungen, die ökologische Bedeutung von Lignin, die unterschiedlichen Photosynthesewege, die δ¹³C-Werte von Ligninphenolen und die Interpretation der Ergebnisse im Kontext der Glazialgeschichte und der Vegetationsentwicklung.
Häufig gestellte Fragen
Warum wird Lignin als Biomarker in der Paläoforschung genutzt?
Lignin wird ausschließlich von höheren Landpflanzen synthetisiert. Daher eignet es sich hervorragend als Biomarker, um terrestrische Einträge in Sedimenten von wasserinterner Biomasse (wie Algen) zu unterscheiden.
Was ist der Vorteil der substanzspezifischen Isotopenanalyse (CSIA) gegenüber bulk-Messungen?
Bulk-Messungen (δ13Corg) können durch Methanogenese oder Algen verfälscht werden. Die CSIA an individuellen Ligninphenolen ermöglicht eine präzisere Rekonstruktion der tatsächlichen Landvegetation (C3- vs. C4-Pflanzen).
Welche methodischen Probleme traten bei der GC-C-IRMS Kopplung auf?
Es wurde eine starke Konzentrationsabhängigkeit des δ13C-Signals festgestellt. Diese konnte durch die Optimierung des Injektionssystems und die Anwendung log-linearer Korrekturfunktionen weitgehend behoben werden.
Was ergab die Untersuchung des Seeprofils im Rukche Tal (Nepal)?
Obwohl bulk-Messungen auf eine C4-dominierte Vegetation hindeuteten, zeigten die Ligninphenole durchweg stark negative Werte. Dies widerlegt einen massiven Vegetationswechsel und warnt vor einer unkritischen Interpretation von bulk-Daten an limnischen Standorten.
Wie beeinflussen Photosynthesewege (C3 vs. C4) die Isotopenwerte?
C3- und C4-Pflanzen diskriminieren Kohlenstoffisotope unterschiedlich stark. C3-Pflanzen haben deutlich negativere δ13C-Werte, was zur Rekonstruktion vergangener Klimabedingungen und Vegetationstypen genutzt wird.
- Arbeit zitieren
- Dr. rer. nat. Jochen Schmitt (Autor:in), 2002, δ¹³C einzelner CuO-Ligninphenole mittels GC-C-IRMS Kopplung – Optimierung von Geräteparametern und Anwendung bei geoökologischen Fragestellungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/114724
