Isolierung, Identifizierung und Quantifizierung von Alkyl-Kohlenstoff in Böden

Isolation, identification and quantification of alkyl carbon in soils

Nach Befunden der 13C-CP/MAS-NMR-Spektroskopie reichern sich unbekannte Alkyl-C-Komponenten in Waldhumusprofilen mit zunehmender Streuzersetzung und Humifizierung an. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, den Alkyl-C in Bodenproben zu isolieren, zu identifizieren und zu quantifizieren, um auf diese Weise zur Aufklärung des o.g. Phänomens beizutragen. Das Interesse galt sowohl den zu den Triterpenen gehörenden Hopanoiden als auch anderen, vor allem unlöslichen Alkyl-C-Komponenten. DabeNach Befunden der 13C-CP/MAS-NMR-Spektroskopie reichern sich unbekannte Alkyl-C-Komponenten in Waldhumusprofilen mit zunehmender Streuzersetzung und Humifizierung an. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es deshalb, den Alkyl-C in Bodenproben zu isolieren, zu identifizieren und zu quantifizieren, um auf diese Weise zur Aufklärung des o.g. Phänomens beizutragen. Das Interesse galt sowohl den zu den Triterpenen gehörenden Hopanoiden als auch anderen, vor allem unlöslichen Alkyl-C-Komponenten. Dabei sollten Informationen über Strukturen, Konzentrationen und Verhalten dieser “Zielverbindungen” in Böden gewonnen werden. Die Methodenentwicklung erfolgte jeweils anhand einer Referenzprobe (Oh-Horizont eines Norm-Podsols). Lösungsmittellösliche Hopanoide ließen sich durch Lipidextraktion aus Böden abtrennen. Kovalent an die Huminstoffmatrix gebundene Hopanoide wurden durch mehrere Abbauschritte freigesetzt: der sauren/basischen Hydrolyse (Spaltung von Estern) schlossen sich die Reaktion mit Iodtrimethylsilan (ITMS; Spaltung von Ethern, auch von Estern) und die Oxidation mit Rutheniumtetroxid (RuO4; Spaltung von aliphatisch-aromatischen Bindungen, auch von Estern und Doppelbindungen) an. Dieses Analysenschema (in leicht modifizierter Form) bewährte sich auch für die Isolierung unlöslicher Alkyl-C-Komponenten. Um die Tiefenfunktionen der Zielverbindungen (d.h. den jeweiligen Konzentrationsverlauf im Bodenprofil) zu charakterisieren, wurden ein Norm-Podsol (Horizontabfolge L/Of/Oh/Aeh/Ahe/Bh; für Hopanoide und Alkyl-C) und eine Tangelrendzina (Horizontabfolge L/Of/Oh/Ohca; für Alkyl-C) ausgewählt und analysiert. Die Identifizierung und Quantifizierung der freigesetzten Zielverbindungen erfolgte nach jedem Abbauschritt mittels GC/MS. Die Wiederfindungen lagen zwischen 45% und 101%. Die Hopanoide wurden reaktionsbedingt in Form von verschiedenen Alkoholen (nach Extraktion), als Säure (nach Extraktion und RuO4-Oxidation) und als Kohlenwasserstoff (nach ITMS-Spaltung) detektiert. Das Substanzspektrum der unlöslichen Alkyl-C-Komponenten umfasste Carbonsäuren und Alkohole mit vielfältigen Strukturen und Kettenlängen von 7-32 C-Atomen. Sie stammten im Wesentlichen aus leicht bis schwer hydrolysierbaren pflanzlichen Cutin- und Suberinestern, die auch Ether- und Doppelbindungen besaßen. Im L-Horizont des Podsols konnten Hopanoide nicht nachgewiesen werden. Ihre Gesamtkonzentration nahm vom Of- zum Aeh-Horizont von 300 µg g–1 Corg (kleinster Wert) bis auf 565 µg g–1 Corg (größter Wert) zu, fiel im Ahe-Horizont und zeigte im Bh-Horizont ein weiteres Maximum. Variierende mikrobielle Aktivität (Hopanoidbiosynthese, -abbau) und Verlagerungsprozesse beeinflussen anscheinend die Tiefenfunktion. Die extrahierbaren Hopanoide stellten die Hauptfraktion dar. Abschätzungen mittels 13C-CP/MAS-NMR-Spektroskopie ergaben, dass Hopanoide wegen ihrer geringen Gehalte die Akkumulation des Alkyl-C in Bodenprofilen kaum erklären können. Die Gesamtkonzentration der unlöslichen Alkyl-C-Komponenten zeigte im Podsol Maxima im L-, Oh- und Ahe-Horizont (größter Wert: 44,8 mg g–1 Corg), Minima im Of-, Aeh- und Bh-Horizont (kleinster Wert: 26,3 mg g–1 Corg). In der Tangelrendzina trat der größte Gehalt im L-Horizont auf (28,9 mg g–1 Corg) und nahm bis zum Ohca-Horizont ab (7,6 mg g–1 Corg). Die Tiefenfunktion hing in beiden Böden hauptsächlich vom Cutin- und Suberineintrag durch Streufall/Wurzelmaterial, sowie deren Verlagerung und enzymatischem Abbau ab. Die größte Fraktion an Alkyl-C-Komponenten resultierte jeweils aus der sauren/basischen Hydrolyse. Die Gehalte der durch ITMS-Spaltung und RuO4-Oxidation freisetzbaren Verbindungen waren in beiden Böden eher gering. Eine Zunahme von den nach RuO4-Oxidation isolierbaren Alkyl-C-Komponenten (v.a. Alkandisäuren) konnte im Podsol von den Auflage- zu den Mineralbodenhorizonten festgestellt werden. Ansonsten reicherten sich während der Streuzersetzung und Humifizierung nur im Podsol einzelne Substanzen (z.B. Suberinmonomere) an. Die Konzentrationen des Alkyl-C wurden anhand der entsprechenden Konzentrationen der einzelnen Alkyl-C-Komponenten berechnet. Der Anteil des durch GC/MS identifizierten unlöslichen Alkyl-C am gesamten Alkyl-C (bestimmt durch NMR) nahm von jeweils ca. 10% in den L-Horizonten auf 5% im Aeh- bzw. 2% im Ohca-Horizont ab. Zusammen mit dem lösungsmittellöslichen Alkyl-C können in den L-Horizonten ca. 60%, im Aeh- bzw. Ohca-Horizont dagegen nur 22% bzw. 10% des gesamten Alkyl-C erklärt werden. Die z.T. niedrigen Ausbeuten sind auf einen Abbau der Alkyl-C-Komponenten zu nicht fassbaren Spaltprodukten während der chemischen Prozedur und auf eine unvollständige Freisetzung aus den Bodenproben zurückzuführen. Durch die CP/MAS-NMR-Technik wird möglicherweise auch der jeweilige Gesamtgehalt des Alkyl-C in den einzelnen Bodenhorizonten überschätzt, auf dessen Basis die Anteile des aufklärbaren Alkyl-C berechnet werden.show moreshow less
Solid state CP/MAS 13C NMR studies of forest soil profiles have shown that unknown alkyl carbon compounds accumulate during litter decomposition and humification. The objective of this work was the isolation, identification and quantification of alkyl carbon in soil samples to explain this phenomenon. The investigation focussed on the class of hopanoids as well as other especially insoluble alkyl C compounds. The aim was to obtain information concerning structures, concentrations and the behavioSolid state CP/MAS 13C NMR studies of forest soil profiles have shown that unknown alkyl carbon compounds accumulate during litter decomposition and humification. The objective of this work was the isolation, identification and quantification of alkyl carbon in soil samples to explain this phenomenon. The investigation focussed on the class of hopanoids as well as other especially insoluble alkyl C compounds. The aim was to obtain information concerning structures, concentrations and the behavior of these target compounds in soils. The methodological approach was developed by means of a reference soil sample (Oa horizon of a Haplic Podzol). Solvent-soluble hopanoids were separated from the soils by lipid extraction. Hopanoids covalently bound to the macromolecular humic matrix were released by sequential chemical degradation: the acid and base hydrolysis (cleavage of esters) was followed by the reaction with iodotrimethylsilane (ITMS; cleavage of ethers and esters also) and the oxidation by ruthenium tetroxide (RuO4; cleavage of linkages between aliphatic and aromatic carbon, esters and double bonds). This analysis scheme was applied in a slightly modified form also for the isolation of insoluble alkyl C compounds. For characterisation of the depth functions a Haplic Podzol (horizons Oi/Oe/Oa/E1/E2/Bs; for hopanoids and alkyl C) and a Lithic Borofolist (horizons Oi/Oe/Oa1/Oa2; for alkyl C) were selected and analyzed. The identification and quantification of the target compounds was carried out by GC/MS. Recoveries were between 45 and 101%. On the basis of the different analysis steps hopanoids were detected as alcohols (after solvent extraction), as carboxylic acid (after solvent extraction and RuO4 oxidation) and as hydrocarbon (after ITMS cleavage). Insoluble alkyl C compounds comprised fatty acids and alcohols with varying structures and chain lengths ranging from 7 to 32 C atoms. They derived mainly from the hydrolyzable plant polyesters cutin and suberin, containing ether and double bonds. No hopanoids were found in the Oi horizon of the Haplic Podzol. Their total concentration rose from the Oe to the E1 horizon from 300 µg g-1 TOC to 565 µg g-1 TOC showing a minimum in the E2 horizon and a second maximum in the Bs horizon. The depth function was influenced by varying microbial activity and translocation processes due to podzolization. The solvent-soluble hopanoids were the main fraction. Due to their low concentrations hopanoids do not play an important role for the enrichment of alkyl carbon in the podzol profile. The total concentrations of the insoluble alkyl carbon compounds showed maxima in the Oi, Oa and E1 horizon (highest value: 44,8 mg g-1 TOC) and minima in the Oe, E2 and Bs horizon of the Haplic Podzol (lowest value: 26,3 mg g-1 TOC). In the Lithic Borofolist the highest content occurred in the Oi horizon (28,9 mg g-1 TOC) and decreased to the Oa2 horizon (8,9 mg g-1 TOC). For both soils, the depth function mainly depended on the cutin and suberin input by litterfall and roots as well as their translocation and enzymatic decomposition/degradation. The hydrolyzable compounds were the main fraction in both soils. The contents of the alkyl C compounds released by ITMS cleavage and RuO4 oxidation were rather low in both soils. An increase of the alkyl C compounds isolated after RuO4 oxidation (especially alkanedioic acids) was observed in the Haplic Podzol from the organic to the mineral horizons. Only a few compounds accumulated during litter decomposition and humification (e.g. suberin monomers) in the Podzol profile. The concentrations of the alkyl C were calculated from the corresponding concentrations of the single alkyl C compounds. The contribution of the insoluble alkyl C identified by GC/MS to the total alkyl C determined by NMR decreased from about 10% in the Oi horizons to 5% in the E1 and 2% in the Oa2 horizon, respectively. Together with the solvent-soluble alkyl C in the Oi horizons about 60%, in the E1 and Oa2 horizon only 22% and 10% of the total alkyl C can be explained. The partly low yields are due to the degradation of alkyl C to not detectable cleavage products during the chemical procedure and an incomplete release from the soil samples. Also, the total content of alkyl C, which is the basis for determining the proportions of alkyl C identified by GC/MS, possibly is overestimated by the CP/MAS NMR technique.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Anja Winkler
Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Zech
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:15.12.2003
Year of Completion:2003
SWD-Keyword:Abbaureaktion; Bodenkunde; Humus; Organische Chemie
Tag:Alkyl-Kohlenstoff; Hopanoide; Waldhumusprofile
Alkyl carbon; chemical degradation; forest soil profil; hopanoids; organic matter
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
RVK - Regensburg Classification:TI 1200
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-833
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):14.04.2004