Gaschromatograph-Massenspektrometer-Kopplung
Final Report Abstract
Projektauswahl (v.a. aktuelle Schwerpunkte): 1.) Experimentelle thermische Reifung abiogenen organischen Materials: Schlüsseldaten zum Ursprung alter Kerogene Für das Verständnis der Entstehung und frühen Entwicklung des Lebens sind organische Biosignaturen von entscheidender Bedeutung. Allerdings kann das in den ältesten Sedimentgesteinen enthaltene organische Material (OM) nicht per se als Produkt lebender Organismen angesehen werden, weil auch verschiedene andere Quellen in Betracht kommen, wie z. B. ein Eintrag durch Meteoriten oder die abiotische Synthese organischer Verbindungen. In dem geplanten Vorhaben wird durch Fischer-Tropsch-Synthese künstlich erzeugtes OM in einem Druck/Temperatur-Experiment experimentell maturiert. Die Reifung erfolgt in Goldkapseln bei Gesteinsdruck (2 kbar) und verschiedenen Temperaturen über 10 Zeitintervalle (10 min, 1 yr max). Typ-1-Kerogen aus einem unreifen Eozänen Ölschiefer wird als biogenes Referenzmaterial parallel untersucht. Die Maturierungsprodukte (Bitumen und residuales Kerogen) werden mit GC-MS (MS), GC-C-IRMS, katalytischer Hydropyrolyse (HyPy) und Raman-Spektroskopie analysiert. Dabei soll geprüft werden, ob, anhand welcher Kriterien, und bis zu welchem Reifegrad sich die Bausteine des biogenen und des abiogenen OM unterscheiden lassen. Die Charakteristika des unter unterschiedlichen Bedingungen maturierten OM werden mit Realproben aus archaischen Gesteinen (Pilbara-Kraton, 3.5 Ga) verglichen. Wir erwarten aus den Ergebnissen robuste Indikatoren für die Differenzierung eines biologischen oder abiotischen Ursprungs individueller Kerogene in archaischen wie auch jüngeren präkambrischen Gesteinen. 2. ) Kerogen in archaischen Gesteinen: Biotische vs abiotische Signaturen: Der Ursprung von organischem Material in archaischen Gesteinen ist häufig unklar, da prinzipiell verschiedene Quellen in Fragen kommen. Die Differenzierung von biogenen und abiogenen Kerogenen ist dabei besonders problematisch, da sich die jeweiligen (bio-) geochemischen Charakteristika (z. B. stabile Kohlenstoffisotopen-Signaturen) ähneln können. Ziel dieses Projektes ist ein besseres Verständnis der Ursprünge und Verteilung von Kerogenen in archaischen Gesteinen des Pilbara Kratons (Westaustralien) und des Barberton Grünsteingürtels (Südafrika). Durch Kombination von Geländebeobachtungen, petrographischer Untersuchungen und (bio-) geochemischen Analysen der Kerogene mittels verschiedener innovativer analytischer Techniken (z. B. katalytische Pyrolyse (HyPy), Nanometer Sekundärionen Massenspektrometrie (NanoSIMS)) soll kritisch bewertet werden, ob (i) verschiedene Kerogene spezifischen Quellen zugewiesen und (ii) biogene und abiogene Kerogene unterschieden werden können. Die zu erwartenden Ergebnisse werden wichtige Einblicke in die Ursprünge und die Verteilung organischer Materialien auf der frühen Erde erlauben. Dies ist eine essenzielle Vorbedingung, um die Präsenz und Diversität von Leben in archaischen Habitaten nachweisen und besser verstehen zu können. 3.) Molekulare Fossilien – Schlüssel zum Ursprung diagenetischer Karbonatkonkretionen: Karbonatkonkretionen bilden sich während der Diagenese durch lokalisierte Zementation von meist wenig verfestigtem Sediment. Sie sind seit langem als Quelle für außerordentlich gut erhaltene Fossilien bekannt. Während Konkretionen in vielen geologischen Formationen massenhaft auftreten, sind moderne Äquivalente sehr selten und unser Verständnis der komplexen biogeochemischen Prozesse, die ihrer Bildung zugrunde liegen, ist unvollständig. In diesem Projekt wird die in jurassischen CaCO3-Konkretionen eingeschlossene organische Substanz mit organisch-geochemischen Methoden untersucht, um weitere Informationen zur Bildung dieser Präzipitate und ihrer Eigenschaft als eine Art ‚Tresor‘ für besonders gut erhaltene molekulare Fossilien zu bekommen. Es wird vermutet, dass die in Konkretionen enthaltenen Bitumina und Kerogene eine Momentaufnahme des ursprünglichen sedimentären organischen Materials darstellen und darüber hinaus die frühen mikrobiellen Prozesse während der Konkretionsbildung im frisch abgelagerten Sediment dokumentieren. Ein besonderer Fokus liegt auch auf der Rolle von Lipiden und ihrer anaeroben Abbauprodukte für die Bildung von Karbonatkonkretionen. Zu diesem Zweck werden die Biomarkerinhalte unterjurassischer Konkretionen aus Buttenheim (Bayern) und Hondelage (Niedersachsen) in Bezug auf ihre unmittelbaren Hintergrundgesteine mittels extraktbasierter Verfahren (GC-MS, IRM-GC-MS) und Pyrolysetechniken (Hypy; Py-GC-MS) untersucht. 4.) Aerober und anaerober Methanumsatz in der Wassersäule der zentralen Ostsee (Gotland-Tief und Landsort-Tief): Methan ist eines der wichtigsten klimabestimmenden Spurengase unserer Erde. Obwohl aquatische Systeme die größte natürliche Quelle atmosphärischen Methans darstellen, wird die Bedeutung mariner Systeme als relativ gering eingeschätzt. Hierfür maßgeblich sind mikrobiologische Umsetzungen in Methan-reichen anoxischen Sedimenten. Die Prozesse der aeroben und anaeroben Methanotrophie in der Wassersäule sind bislang nur wenig erforscht. Im Gotland- und Landsort-Tief der zentralen Ostsee haben sich durch lang anhaltende Stratifizierung der Wassersäule im stagnierenden Tiefenwasser anoxische Bedingungen herausgebildet, die sich durch hohe Methankonzentrationen auszeichnen. Der in beiden Gebieten deutlich ausgebildete Übergangsbereich in der Wassersäule (Redoxkline) ermöglicht eine gezielte Beprobung der für den Methanumsatz potenziell relevanten Tiefenbereiche. Damit liefern diese tiefen Becken optimale Voraussetzungen, um das gesamte Spektrum der bislang in der Ostsee kaum verstandenen mikrobiellen Methanoxidation zu erforschen. Durch eine fachübergreifende Arbeit sollen (1) die Methan umsetzenden Prozesse in der Wassersäule des Gotland-Tiefs und des Landsort-Tiefs quantitativ beschrieben werden, (2) wichtige an Methan umsetzenden Prozessen beteiligte Mikroorganismen über molekularbiologische und organisch-geochemische Methoden identifiziert und die Übertragbarkeit dieser Wassersäulensignale in den geologischen Bericht in den Sedimenten untersucht werden und (3) die erzielten Prozessdaten in ein hydrodynamisch-biochemisches Modell integriert werden.
Publications
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(2014) Assessing possibilities and limitations for biomarker analyses on outcrop samples: A case study on carbonates of the Shibantan Member (Ediacaran Period, Dengying Formation, South China). Acta Geologica Sinica 88, 1696- 1704
Duda J.-P., Thiel V., Zhu M., Reitner J., Blumenberg M.
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(2014) Biomarkers in the stratified water column of the Landsort Deep (Baltic Sea). Biogeosciences 11, 7009–7023
Berndmeyer C., Thiel V., Schmale O., Wasmund N., Blumenberg M.
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(2014) Geobiology of an Ediacara Palaeoecosystem: The Shibantan Member (Dengying Formation, South China). Precambrian Research 255, 48–62
Duda J.-P., Blumenberg M., Thiel V., Simon K., Zhu M., Reitner J.
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(2014) Occurrence and fate of fatty acyl biomarkers in an ancient whale bone (Oligocene, El Cien Formation, Mexico). Organic Geochemistry 68, 71-81
Thiel V., Blumenberg M., Kiel S., Leefmann T., Lindgren J., Sjövall P., Treude T., Zilla T.
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(2014) The isotopic biosignatures of photo- vs. thiotrophic bivalves: are they preserved in fossil shells? Geobiology 12, 406-423
Dreier A., Loh W., Blumenberg M., Thiel V., Hause-Reitner D. and Hoppert M.
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(2015) A quantitative study on the degradation of whale bone lipids: implications for the preservation of biomarkers in marine sediments. Organic Geochemistry 89-90, 23–30
Liebenau K., Kiel S., Vardeh D., Treude T., Thiel V.
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(2015) Organic matter preservation in the carbonate matrix of a recent microbial mat – Is there a ‘mat seal effect’? Organic Geochemistry 87, 25-34
Blumenberg M., Thiel V., Reitner J.
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(2016) Testing the preservation of biomarkers during experimental maturation of an immature kerogen. International Journal of Astrobiology 15, 165–175
Mißbach H., Duda, J.-P., Lünsdorf K., Schmidt B.C., Thiel V.
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(2016): Opening up a window into ecosystems with Ediacara-type organisms: Preservation of molecular fossils in the Khatyspyt Lagerstätte (Arctic Siberia). Paläontologische Zeitschrift (PalZ)
Duda, J.-P., Thiel, V., Reitner, J., Grazhdankin, D.
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(2016): Photic zone euxinia in the central Rhaetian Sea prior the Triassic- Jurassic boundary. - Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 461: 55-64
Blumenberg, M., Heunisch, C., Lückge, A., Scheeder, G. & Wiese, F.
