Die Charakterisierung wasserlöslicher organischer Verbindungen aus organisch-reichen Sedimenten

The study of deep biosphere, especially the growth under extreme conditions (e.g. high temperatures and limited substrates), has attracted considerable attention in recent decades. Even under such conditions, water and low molecular weight organic acids (LMWOA) are present. LMWOA play an important role in several biotic and abiotic processes, e.g. in the Krebs cycle used by all aerobic organisms, or as precursors of natural gas in petroleum reservoirs. Further, they can be abiotically and biotically produced. In sedimentary systems, an obvious source of substrates is the water-soluble LWMOA that can be released from organic-rich sediments - however, the controlling factors and rates of generation are still unclear.So far, most of the studies have focused on short-chain (C1- C4) carboxylic acids, the study of LMWOA being limited due to challenges associated with high volatility. Most applied procedures use derivatization to address this challenge, i.e. conversion of the organic acids into methyl esters. However, this may affect some sample properties, e.g. isotopic footprint. In addition, such procedures also involve the use of hazardous reagents and are time-consuming. The present study aimed for the characterization of dissolved organic carbon, and its fractions; and, qualification and quantification of underivatized water-soluble LMWOA that can be released from organic-rich sediments as substrates for the deep biosphere. Liquid chromatography - organic carbon detection (LC-OCD) was employed to characterize DOC and its fractions. The methodological strategy unites diverse techniques to encompass the analysis of a wider range of LMWOA, i.e. containing between 1-9 carbon atoms. Ion chromatography was employed to quantify acids with chain lengths between 1-4 carbon atoms. Solid-phase extraction was used as preparatory procedure. SPE extracts were analyzed by GC-MS, to identify the compounds; and GC-FID to quantify saturated acids, i.e. pentanoic, hexanoic, heptanoic, octanoic and nonanoic acid. The investigation also included the testing of effect of water/sediment ratio and phosphate buffer at different pH in the release of the LMWOA. The final method developed during this study was then successfully applied to 15 samples (shales and coals and oil sand-related sediments) from a variety of depositional environments, with a wide range of TOC, HI, OI, and kerogen type. It was observed that formic, acetic and oxalic acid are the major components of the aqueous extracts; however, the extracts of shales and coals exhibited differences in acid content. Generally, acid content was higher in the extracts of coals that in those of shales. Pearson's correlation coefficient showed that this result cannot be explained only by the TOC content (higher in coal samples), but also depends on the oxygen index and maturity. Hierarchical cluster analysis was applied to the concentrations of LMWOA (µg/g-sed) in the extracts of shales and coals, and this method identified two groups, which coincided to a classification based on OI. The wide range of analyzed LMWOA allowed the identification of a pattern distribution. In the extracts of coals, the amount of saturated acids decreased as follows: pentanoic > hexanoic > heptanoic > octanoic > nonanoic acid. However, the shales did not exhibit such a distribution. This outcome is presumed to be related to the parental organic matter and the depositional environment of the sediments.In addition, this study also showed that the water/sediment ratio used in the method has an effect on the amount of released organic acids. Further, this effect varies depending on the sediment and the properties of organic acid itself. This was demonstrated in the case of oxalic acid in the aqueous extract of a coal sample, whose concentration displayed a dramatic increase when a higher water sediment ratio was applied. pH and phosphate content can also affect the release of LMWOA. When the extraction was undertaken in solutions with pH between 2 to 7, it resulted in an increase in the concentrations of LMWOA. This is probably related to how pH and phosphate affect the charge of the compounds reducing the attractive forces between ions in the solution, favoring the extraction of the acids. Die Forschung zur tiefen Biosphäre, insbesondere das Leben unter extremen Bedingungen (z.B. hohe Temperaturen und begrenzte Verfügbarkeit von Substraten), hat in den letzten Jahrzehnten erhebliche Aufmerksamkeit gewonnen. Selbst unter diesen extremen Bedingungen sind Wasser und niedermolekulare organische Säuren (low molecular weight organic acids – LMWOA) vorhanden. LMWOA sind von Bedeutung in einer Reihe von abischen und biotischen Prozessen – z.B. beim Krebs-Zyklus, der von allen aeroben Organismen durchgeführt wird, oder als Vorstufe von Erdgas in Lagerstätten. Zudem können sie sowohl abiotisch als auch biotisch erzeugt werden. In sedimentären Systemen sind die wasserlöslichen LMWOA eine bekanntes Substrat für mikrobielle Prozesse und können von den an organischem Material angereicherten Sedimenten freigesetzt werden. Die Einflussfaktoren und Freisetzungsraten sind jedoch weitgehend unbekannt. Bislang hat sich ein Großteil der Forschung auf die kurzkettigen (C1 – C4) Carbonsäuren konzentriert oder auf längerkettige Fettsäuren, die in vielen Studien nach ihrer Derivatisierung zu Fettsäuremethylestern detektiert wurden. Dieses Vorgehen beeinflusst jedoch die Eigenschaften des Analyten, wie beispielsweise das Isotopenverhältnis. Zusätzlich erfordert die Derivatisierung den Einsatz von gesundheits- und umweltschädlichen Reagenzien und ist zeitaufwändig. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, wässrige Extrakte von Kohlen und Schiefergestein zu untersuchen um die Zusammensetzung und die Menge an Substraten für die Tiefe Biosphäre zu charakterisieren. Hier wurden einerseits die wasserlöslichen LMWOA in ihrer originalen, nicht derivatisierten Struktur, qualitativ und quantitativ erfasst, aber auch der gelöste organische Kohlenstoff insgesamt quantifiziert. Die methodische Vorgehensweise kombiniert verschiedene Techniken um ein möglichst großes Spektrum von LMWOA zu erfassen, mit einem Schwerpunkt auf Verbindungen die zwischen ein und neun Kohlenstoffatome enthalten. Für die Quantifizierung der LMWOA mit ein bis vier Kohlenstoffatomen wurde die Ionenchromatographie eingesetzt. Für die Untersuchung der größeren LMWOA (zwischen C5 und C9) wurde eine Methode entwickelt mit der per Festphasenextraktion die organischen Säuren aus der wässrigen Phase im organischen Lösungsmittel angereichert werden. Die Identifizierung dieser Säuren erfolgte mittels GC-MS, die Quantifizierung der gesättigten Säuren wurde per GC-FID durchgeführt. Mit Hilfe der Molekülgrößenausschlusschromatographie in Kombination mit Kohlenstoffdetektion wurde der gesamte gelöste organische Kohlenstoff in verschiedene Fraktionen unterteilt und quantifiziert. Diese analytischen Methoden wurden auf 15 Proben angewandt. Hier handelt es sich um wässrige Extrakte von verschiedenen Kohlen, Schiefergesteinen, Ölsand und weiteren Proben aus dem Ölsandabbau. Diese Proben haben stark unterschiedliche Gehalte an organischem Kohlenstoff und repräsentieren verschiedene Ablagerungsmilieus, Kerogentypen und Qualitäten des organischen Materials. Es wurde festgestellt dass Methan-, Ethan- und Oxalsäure die Hauptkomponenten der wässrigen Extrakte darstellen, wobei sich die Schiefer- und Kohleextrakte in ihren Säuregehalten unterscheiden. Grundsätzlich waren die Säurekonzentrationen in den Kohleextrakten höher als in den Schieferextrakten. Der Pearson-Korrelationskoeffizient zeigte, dass dieses Ergebnis nicht allein durch die TOC-Gehalte erklärt werden kann, sondern dass auch OI und Reife des organischen Materials entscheidende Einflussfaktoren darstellen. Diese Korrelation zwischen OI und Konzentration an LMWOA wurde mittels hierarchischer Clusteranalyse aufgedeckt.Anhand des breiten Spektrums an nachgewiesenen LMWOA konnte ein Verteilungsmuster identifiziert werden. In den Kohleextrakten nahm der Anteil an gesättigten Säuren (C5 bis C9) mit zunehmender Anzahl an Kohlenstoffatomen ab. Für die Extrakte der Schieferproben konnte dieses Verteilungsmuster nicht nachgewiesen werden, was mit der unterschiedlichen Zusammensetzung des organischen Materials erklärt werden kann. Weiterhin wurde festgestellt dass das Wasser-Sediment-Verhältnis einen Effekt auf die Menge an freigesetzten organischen Säuren hat. Dieser Effekt variiert auch in Abhängigkeit vom Sediment und den Eigenschaften der jeweiligen organischen Säure. Dies wurde für Oxalsäure in wässrigen Kohleextrakten gezeigt, deren Konzentration mit höherem Wasser-Sediment-Verhältnis einen erheblichen Anstieg verzeichnete. Der pH-Wert und der Phosphatgehalt beeinflussen ebenfalls die Freisetzung von LMWOA. Wenn die Extraktion in Lösungen mit pH-Werten zwischen 2 und 7 durchgeführt wurde kam es zu einem Anstieg der Säurekonzentration. Hier zeigt sich die Wirkung von pH und Phosphatgehalt auf die Ladung der Komponenten, die die Freisetzung verstärkt.