Sources and sinks of branched tetraether lipids and bacteriohopanepolyols in a major river system (Yenisei River – Kara Sea: Implications for their application as geochemical tracers
de Jonge, C. (2015). Sources and sinks of branched tetraether lipids and bacteriohopanepolyols in a major river system (Yenisei River – Kara Sea: Implications for their application as geochemical tracers. PhD Thesis. Universiteit Utrecht (UU): Utrecht. ISBN 978-94-6203-808-0. 254 pp. hdl.handle.net/1874/314974
|  |
| Beschikbaar in | Auteur |
|
Documenttype: Doctoraat/Thesis/Eindwerk
|
| Abstract |
Toekomstige klimaatveranderingen zullen een grote invloed hebben op de samenleving.Het begrijpen en voorspellen van klimaatveranderingen is daarom een belangrijke uitdagingvoor de wetenschap. Om deze klimaatveranderingen te kunnen kwantificeren wordenklimaatmodellen gebruikt. Deze uiterst complexe modellen worden onder andere gekalibreerdop basis van klimaatreconstructies van het verleden, gebaseerd op zowel historische metingenen op klimaatreconstructies met behulp van geologische klimaatarchieven. In dit proefschriftworden zogenaamde ‘proxies’ gebruikt om de luchttemperatuur en bodem pH uit het verledente reconstrueren, evenals de hoeveelheid terrigeen organisch materiaal getransporteerd doorrivieren naar het marien milieu. Om deze parameters te reconstrueren, worden twee groepenlipiden bestudeerd; bacteriële vertakte glycerol dialkyl glycerol tetraethers (vGDGTs) enbacteriohopanepolyolen (BHP).vGDGTs zijn membraan-overspannende lipiden die meest waarschijnlijk wordengeproduceerd door Acidobacteria. Deze alomtegenwoordige bacteriën worden teruggevondenin bodems, veen, en in de lacustriene en mariene water kolom en sedimenten. In bodemswas aangetoond dat het aantal methyl groepen van de alkylketens afhankelijk is van dejaargemiddelde luchttemperatuur en de bodem pH, terwijl het aantal cyclopentaan groepeneen verband vertoont met de pH van de bodem. Gebaseerd op deze observatie werden deReferences, summary and acknowledgments247‘methylation of branched tetraethers (MBT)’ en de ‘cyclization of branched tetraethers (CBT)’indices geïntroduceerd om de jaargemiddelde luchttemperatuur en de bodem pH te kunnenreconstrueren. Aangezien vGDGTs in hoge concentraties aangetroffen worden in bodems envenen, werd hun aanwezigheid in rivier, lacustriene en mariene systemen verondersteld hetgevolg te zijn van bodemerosie en -afspoeling. Veranderingen in de vGDGT verdeling in desedimenten van de uitstroomdelta zouden dus de klimaatverandering in het stroombekken vande rivier reflecteren. Daarnaast kunnen we de hoeveelheid bodemmateriaal in het marien milieu,aangeleverd met de rivier, reconstrueren met de ‘branched and isoprenoid tetraether (BIT)’index, waarin de hoeveelheid vGDGTs vergeleken wordt met die van GDGTs geproduceerdin het mariene milieu. Een tweede groep bestudeerde lipiden, de BHP, worden geproduceerddoor een verscheidenheid aan (cyano)bacteriën. De relatieve concentratie van een groepBHP kenmerkend voor bodems, wordt uitgedrukt in de R’soil ratio, waarmee de hoeveelheidbodemmateriaal die aangeleverd wordt in het marien milieu kan worden getraceerd. Bovendienhebben sommige BHP componenten een meer of minder specifieke chemotaxonomische bron.Eerdere studies van vGDGTs beschreven de distributie van negen vGDGT componenten,de 5-methyl vGDGTs, waarbij de penta- en hexa-gemethyleerde vGDGTs een methylgroephebben op de 5- en/of de ?-5 positie van de alkylketen. In dit proefschrift wordt de distributievan vijftien individuele vGDGTs beschreven, inclusief zes componenten die voorheen volledigof gedeeltelijk co-elueerden met de 5-methyl vGDGTs. De chemische structuur van dezenieuwe penta- en hexa-gemethyleerde moleculen werd bepaald na hun isolatie uit een Siberischveen. Deze componenten bleken gemethyleerd te zijn op de 6 en/of ?-6 positie, en er wordt dusnaar gerefereerd als de 6-methyl vGDGTs. Gebruik makend van verbeterde chromatografie,werd aangetoond dat deze 6-methyl vGDGTs abundant zijn in bodems wereldwijd en dathun fractionele abundantie afhangt van de bodem pH. Hun aanwezigheid heeft een impactop bestaande vGDGT paleoklimaat proxies, en wanneer zij apart gekwantificeerd wordenresulteert dat in een significant verbeterde proxy voor bodem pH en een pH-onafhankelijketemperatuur proxy.Het Siberische continent, een regio die erg gevoelig is voor klimaatveranderingen, bevateen grote hoeveelheid permafrost. De huidige en versnellende toename in de concentratie vanbroeikasgassen in de atmosfeer, die de planeet opwarmen, kan leiden tot de mobilisatie vandit fossiel koolstof. In een warmer klimaat verwachten we een sterke toename in de exportvan water en organisch materiaal naar de Arctische Oceaan. De Yenisei, de grootste rivier vanhet Siberische continent, watert de Mongoolse steppe en hooglanden en uitgestrekte gebiedenmet Siberisch loofwoud en taiga af, en mondt uit in de Kara Zee, een kustzee van de ArctischeOceaan. Om gegronde paleoklimaat reconstructies te kunnen maken van het stroombekken vande Yenisei in het bijzonder, en van Siberische stroombekkens in het algemeen, werd de bron vande bacteriële organische materie in de huidige Yenisei en zijn uitstroom in de Kara Zee bepaald.Ook al doorkruist de Yenisei verschillende klimaatzones, toch tonen de vGDGTs van hetgesuspendeerd particulier materiaal weinig verandering in samenstelling als we de rivierstroomafwaarts volgen. De gereconstrueerde temperatuur en pH, gebaseerd op de vGDGTverdeling, verschilde aanzienlijk van de gemeten jaargemiddelde lucht temperatuur en bodem248pH. De sterke temperatuurgradiënt die inwerkt op de bodems van het stroombekken wordtdus niet herkend in de riveriene vGDGT verdeling. In tegendeel, de gereconstrueerde watertemperatuur en pH benaderen die van het rivier water, wat er op wijst dat deze lipiden in-situ inhet rivierwater zijn geproduceerd.De heersende aanname dat riveriene vGDGTs die aangeleverd worden aan het marienemilieu, afkomstig zijn uit het hele stroomgebied, wordt betwist in een studie uitgevoerd in hetmeer Baikal. Hier wordt beschreven hoe de vGDGT distributie van de grootste instromenderivier, de Selenga, sterk afwijkt van het vGDGT signaal in het meer zelf. Een gedetailleerdestudie van het uitstroomsysteem geeft aan dat degradatie of in-situ productie van vGDGTsplaats vindt. Daarnaast blijkt de vGDGTs distributie in het meer aanzienlijk te verschillen vandie van vGDGTs stroomafwaarts in de Yenisei. Het stroombekken van het Baikal meer lijkt dusniet bij te dragen aan het vGDGT signaal in de rivier dat uiteindelijk geëxporteerd wordt naarhet mariene systeem.In opvolging hiervan werd het lot van vGDGTs na hun introductie in het mariene systembestudeerd. Als de uitstroom van de Yenisei in de Kara zee gevolgd wordt, dan wordt een sterkeverandering geobserveerd in de verdeling van de vGDGTs. Dit kan worden verklaard doordegradatie, wat verschillende vGDGT bronnen in verschillende mate zal beïnvloeden. Hoewelde relatieve contributie van de verschillende vGDGT bronnen (afkomstig van bodems, vankustkliffen, of geproduceerd in de rivier) onbekend, toch presteert de BIT index als indicatorvan bacterieel organisch materiaal geproduceerd in de bodem of rivier zelf goed in de Kara Zee.Deze bevinding werd gestaafd met een onafhankelijke set lipiden, bacteriohopanepolyolen. ZesBHP die normaal verrijkt zijn in bodems, de zogenaamde bodem-merker BHP, werden zowelin de Yenisei als in zijn uitstroom in de Kara Zee teruggevonden. BHPs en vGDGTs tonendezelfde afname in concentratie in het mariene systeem.Ook al bleek de in-situ productie van mariene vGDGT in oppervlaktesedimenten slechtsminiem te beïnvloeden, het had duidelijk wel een sterke invloed op diepere sedimenten, zoalsaangetoond werd in de Kara Zee Trog. Hier werden sedimenten afgezet sinds de deglaciatiein de laatste 13 duizend jaar, die illustreren dat in-situ productie van mariene vGDGTs hundistributie sterk kan beïnvloeden. De shift van een systeem vlak voor de uitstroom van een riviernaar een system gedomineerd door mariene vGDGTs, veroorzaakt wordt door de substantiëlestijging in zeeniveau sinds het laatste Glaciaal, wordt ook gereflecteerd in de verandering vande BIT index. Tijdens deze shift hebben wezenlijke veranderingen in de bron van het terrigeenmateriaal plaatsgevonden, die resulteren in veranderingen in de verdeling van vGDGTs. Beideprocessen hebben een sterke invloed op paleoklimaat reconstructies gebaseerd op vGDGTs.In besluit heeft het werk gepresenteerd in deze thesis implicaties voor paleoklimaatreconstructies gebaseerd op vGDGTs, niet enkel in Siberische riviersystemen, maar ook voorvGDGTs in de sedimenten van uitstroomdelta’s wereldwijd. Analytische ontwikkelingen makenhet mogelijk om paleoklimaatreconstructies met een vergrote nauwkeurigheid uit te voeren. Erwerd echter ook aangetoond dat vGDGTs in de sedimenten van uitstroomdelta’s een complexmengsel van riveriene, mariene en terrigene vGDGTs is. In oppervlaktesedimenten werd hunverdeling beïnvloed door degradatie van het bacteriële organisch materiaal. Op een geologischeReferences, summary and acknowledgments249tijdsschaal zullen zeespiegelschommelingen de contributie van mariene in-situ geproduceerdevGDGTs beïnvloeden. De herkomst van terrigene vGDGTs die worden aangeleverd enopgeslagen in mariene sedimenten kan worden beïnvloed door veranderingen in de erosie vanhet stroombekken, door de aanwezigheid van grote meren in het stroomtraject van de rivier, endoor preferentiële degradatie van meer labiele vGDGT bronnen. Paleoklimaatreconstructiesgebaseerd op vGDGTs kunnen enkel uitgevoerd worden wanneer rekening gehouden wordtmet deze processen. |
|
