Chemische und physikalische Charakterisierung von Aerosolpartikeln aus besonderen anthropogenen Emissionsquellen : ein integrativer Ansatz mittels online (HR-ToF-AMS)- und komplementärer offline (ATR-FTIR-Spektroskopie)-Analytik

Die Gesundheitseffekte von Aerosolpartikeln werden stark von ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften und somit den jeweiligen Bildungsprozessen und Quellencharakteristika beeinflusst. Während die Hauptquellen der anthropogenen Partikelemissionen gut untersucht sind, stellen die spezifischen Emissionsmuster zahlreicher kleiner Aerosolquellen, welche lokal und temporär zu einer signifikanten Verschlechterung der Luftqualität beitragen können, ein Forschungsdesiderat dar.rnIn der vorliegenden Arbeit werden in kombinierten Labor- und Feldmessungen durch ein integratives Analysekonzept mittels online (HR-ToF-AMS ) und filterbasierter offline (ATR-FTIR-Spektroskopie ) Messverfahren die weitgehend unbekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Emissionen besonderer anthropogener Aerosolquellen untersucht. Neben einem Fußballstadion als komplexe Mischung verschiedener Aerosolquellen wie Frittieren und Grillen, Zigarettenrauchen und Pyrotechnik werden die Emissionen durch Feuerwerkskörper, landwirtschaftliche Intensivtierhaltung (Legehennen), Tief- und Straßenbauarbeiten sowie abwasserbürtige Aerosolpartikel in die Studie mit eingebunden. Die primären Partikelemissionen der untersuchten Quellen sind vorrangig durch kleine Partikelgrößen (dp < 1 µm) und somit eine hohe Lungengängigkeit gekennzeichnet. Dagegen zeigen die Aerosolpartikel im Stall der landwirtschaftlichen Intensivtierhaltung sowie die Emissionen durch die Tiefbauarbeiten einen hohen Masseanteil von Partikeln dp > 1 µm. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der chemischen Charakterisierung der organischen Partikelbestandteile, welche für viele Quellen die NR-PM1-Emissionen dominieren. Dabei zeigen sich wichtige quellenspezifische Unterschiede in der Zusammensetzung der organischen Aerosolfraktion. Die beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenständen freigesetzten sowie die abwasserbürtigen Aerosolpartikel enthalten dagegen hohe relative Gehalte anorganischer Substanzen. Auch können in einigen spezifischen Emissionen Metallverbindungen in den AMS-Massenspektren nachgewiesen werden. Über die Charakterisierung der Emissionsmuster und -dynamiken hinaus werden für einige verschiedenfarbige Rauchpatronen sowie die Emissionen im Stall der Intensivtierhaltung Emissionsfaktoren bestimmt, die zur quantitativen Bilanzierung herangezogen werden können. In einem weiteren Schritt werden anhand der empirischen Daten die analytischen Limitierungen der Aerosolmassenspektrometrie wie die Interferenz organischer Fragmentionen durch (Hydrogen-)Carbonate und mögliche Auswertestrategien zur Überwindung dieser Grenzen vorgestellt und diskutiert.rnEine umfangreiche Methodenentwicklung zur Verbesserung der analytischen Aussagekraft von organischen AMS-Massenspektren zeigt, dass für bestimmte Partikeltypen einzelne Fragmentionen in den AMS-Massenspektren signifikant mit ausgewählten funktionellen Molekülgruppen der FTIR-Absorptionsspektren korrelieren. Bedingt durch ihre fehlende Spezifität ist eine allgemeingültige Interpretation von AMS-Fragmentionen als Marker für verschiedene funktionelle Gruppen nicht zulässig und häufig nur durch die Ergebnisse der komplementären FTIR-Spektroskopie möglich. Des Weiteren wurde die Verdampfung und Ionisation ausgewählter Metallverbindungen im AMS analysiert. Die Arbeit verdeutlicht, dass eine qualitative und quantitative Auswertung dieser Substanzen nicht ohne Weiteres möglich ist. Die Gründe hierfür liegen in einer fehlenden Reproduzierbarkeit des Verdampfungs- und Ionisationsprozesses aufgrund von Matrixeffekten sowie der in Abhängigkeit vorangegangener Analysen (Verdampferhistorie) in der Ionisationskammer und auf dem Verdampfer statt-findenden chemischen Reaktionen.rnDie Erkenntnisse der Arbeit erlauben eine Priorisierung der untersuchten anthropogenen Quellen nach bestimmten Messparametern und stellen für deren Partikelemissionen den Ausgangpunkt einer Risikobewertung von atmosphärischen Folgeprozessen sowie potentiell negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit dar. rn

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Thermal Energy Storage for Solar Power Production

Solar energy is the most abundant persistent energy resource. It is also an intermittent one available for only a fraction of each day while the demand for electric power never ceases. To produce a significant amount of power at the utility scale, electricity generated from solar energy must be dispatchable and able to be supplied in response to variations in demand. This requires energy storage that serves to decouple the intermittent solar resource from the load and enables around-the-clock power production from solar energy. Practically, solar energy storage technologies must be efficient as any energy loss results in an increase in the amount of required collection hardware, the largest cost in a solar electric power system. Storing solar energy as heat has been shown to be an efficient, scalable, and relatively low-cost approach to providing dispatchable solar electricity. Concentrating solar power systems that include thermal energy storage (TES) use mirrors to focus sunlight onto a heat exchanger where it is converted to thermal energy that is carried away by a heat transfer fluid and used to drive a conventional thermal power cycle (e.g., steam power plant), or stored for later use. Several approaches to TES have been developed and can generally be categorized as either thermophysical (wherein energy is stored in a hot fluid or solid medium or by causing a phase change that can later be reversed to release heat) or thermochemical (in which energy is stored in chemical bonds requiring two or more reversible chemical reactions).

Compositional protein analysis of high density lipoproteins in hypercholesterolemia by shotgun LC-MS/MS and probabilistic peptide scoring

A protein of a biological sample is usually quantified by immunological techniques based on antibodies. Mass spectrometry offers alternative approaches that are not dependent on antibody affinity and avidity, protein isoforms, quaternary structures, or steric hindrance of antibody-antigen recognition in case of multiprotein complexes. One approach is the use of stable isotope-labeled internal standards; another is the direct exploitation of mass spectrometric signals recorded by LC-MS/MS analysis of protein digests. Here we assessed the peptide match score summation index based on probabilistic peptide scores calculated by the PHENYX protein identification engine for absolute protein quantification in accordance with the protein abundance index as proposed by Mann and co-workers (Rappsilber, J., Ryder, U., Lamond, A. I., and Mann, M. (2002) Large-scale proteomic analysis of the human spliceosome. Genome Res. 12, 1231-1245). Using synthetic protein mixtures, we demonstrated that this approach works well, although proteins can have different response factors. Applied to high density lipoproteins (HDLs), this new approach compared favorably to alternative protein quantitation methods like UV detection of protein peaks separated by capillary electrophoresis or quantitation of protein spots on SDS-PAGE. We compared the protein composition of a well defined HDL density class isolated from plasma of seven hypercholesterolemia subjects having low or high HDL cholesterol with HDL from nine normolipidemia subjects. The quantitative protein patterns distinguished individuals according to the corresponding concentration and distribution of cholesterol from serum lipid measurements of the same samples and revealed that hypercholesterolemia in unrelated individuals is the result of different deficiencies. The presented approach is complementary to HDL lipid analysis; does not rely on complicated sample treatment, e.g. chemical reactions, or antibodies; and can be used for projective clinical studies of larger patient groups.

A Study of the Effect of Oxygen on the Rate of Dissolution of Gold in Cyanide Solutions.

The accepted chemical reactions in the dissolution of gold by cyanide solutions require the presence of gold, cyanide, water, and oxygen. The importance of dissolved oxygen in cyanide solutions as a factor is recognized by those familiar with cyanidation. Manufacturers of cyanidation equipment realize the necessity of oxygen, as shown by the appliances they have developed which are attached to the agitators in order to saturate the cyanide solutions with air.

Secondary Enrichment of Copper at the Madison Gold Skarn Deposit, Silver Star District, Montana

Secondary Enrichment of Copper at the Madison Gold Skarn Deposit, Silver Star District, Montana. This paper focuses on the chemical reactions responsible for secondary enrichment of copper...we argue that most of the secondary Cu enrichment occurred during a late hydrothermal event that replaced the high temperature skarn mineral assemblage with hematitic jasperoid. Evidence favoring this "hypogene" Cu enrichment hypothesis is presented.

Crystal chemistry and hydrogen bonding of rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH)2Cl2 with variable OH, Cl, F

Three samples of the skarn mineral rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH)2Cl2, space group C2/c, a ≈7.6, b ≈ 18.5, c ≈ 15.5 Å, β ≈ 104°, with variable OH, Cl, F content were investigated by electron microprobe, single-crystal X-ray structure refinements, and Raman spectroscopy. “Rust1LCl” is a low chlorine rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH1.88F0.12)(Cl1.28,OH0.72) from skarns associated with the Rize batholith near Ikizedere, Turkey. “Rust2F” is a F-bearing rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)(OH1.13F0.87) (Cl1 96OH0.04) from xenoliths in ignimbrites of the Upper Chegem Caldera, Northern Caucasus, Russia. “Rust3LClF” represents a low-Cl, F-bearing rustumite Ca10(Si2O7)2(SiO4)0.87(H4O4)0.13(OH1.01F0.99) (Cl1.00 OH1.00) from altered merwinite skarns of the Birkhin massif, Baikal Lake area, Eastern Siberia, Russia. Rustumite from Birkhin massif is characterized by a significant hydrogarnet-like or fluorine substitution at the apices of the orthosilicate group, leading to specific atomic displacements. The crystal structures including hydrogen positions have been refined from single-crystal X-ray data to R1 = 0.0205 (Rust1_LCl), R1 = 0.0295 (Rust2_F), and R1 = 0.0243 (Rust3_LCl_F), respectively. Depletion in Cl and replacement by OH is associated with smaller unit-cell dimensions. The substitution of OH by F leads to shorter hydrogen bonds O-H⋯F instead of O-H⋯OH. Raman spectra for all samples have been measured and confirm slight strengthening of the hydrogen bonds with uptake of F.This study discusses the complex crystal chemistry of the skarn mineral rustumite and may provide a wider understanding of the chemical reactions related to contact metamorphism of limestones.

Prediction of water–rock interaction and porosity evolution in a granitoid-hosted enhanced geothermal system, using constraints from the 5 km Basel-1 well

Numerical simulations based on plans for a deep geothermal system in Basel, Switzerland are used here to understand chemical processes that occur in an initially dry granitoid reservoir during hydraulic stimulation and long-term water circulation to extract heat. An important question regarding the sustainability of such enhanced geothermal systems (EGS), is whether water–rock reactions will eventually lead to clogging of flow paths in the reservoir and thereby reduce or even completely block fluid throughput. A reactive transport model allows the main chemical reactions to be predicted and the resulting evolution of porosity to be tracked over the expected 30-year operational lifetime of the system. The simulations show that injection of surface water to stimulate fracture permeability in the monzogranite reservoir at 190 °C and 5000 m depth induces redox reactions between the oxidised surface water and the reduced wall rock. Although new calcite, chlorite, hematite and other minerals precipitate near the injection well, their volumes are low and more than compensated by those of the dissolving wall-rock minerals. Thus, during stimulation, reduction of injectivity by mineral precipitation is unlikely. During the simulated long-term operation of the system, the main mineral reactions are the hydration and albitization of plagioclase, the alteration of hornblende to an assemblage of smectites and chlorites and of primary K-feldspar to muscovite and microcline. Within a closed-system doublet, the composition of the circulated fluid changes only slightly during its repeated passage through the reservoir, as the wall rock essentially undergoes isochemical recrystallization. Even after 30 years of circulation, the calculations show that porosity is reduced by only ∼0.2%, well below the expected fracture porosity induced by stimulation. This result suggests that permeability reduction owing to water–rock interaction is unlikely to jeopardize the long-term operation of deep, granitoid-hosted EGS systems. A peculiarity at Basel is the presence of anhydrite as fracture coatings at ∼5000 m depth. Simulated exposure of the circulating fluid to anhydrite induces a stronger redox disequilibrium in the reservoir, driving dissolution of ferrous minerals and precipitation of ferric smectites, hematite and pyrite. However, even in this scenario the porosity reduction is at most 0.5%, a value which is unproblematic for sustainable fluid circulation through the reservoir.

Cellular dynamic simulator: an event driven molecular simulation environment for cellular physiology.

In this paper, we present the Cellular Dynamic Simulator (CDS) for simulating diffusion and chemical reactions within crowded molecular environments. CDS is based on a novel event driven algorithm specifically designed for precise calculation of the timing of collisions, reactions and other events for each individual molecule in the environment. Generic mesh based compartments allow the creation / importation of very simple or detailed cellular structures that exist in a 3D environment. Multiple levels of compartments and static obstacles can be used to create a dense environment to mimic cellular boundaries and the intracellular space. The CDS algorithm takes into account volume exclusion and molecular crowding that may impact signaling cascades in small sub-cellular compartments such as dendritic spines. With the CDS, we can simulate simple enzyme reactions; aggregation, channel transport, as well as highly complicated chemical reaction networks of both freely diffusing and membrane bound multi-protein complexes. Components of the CDS are generally defined such that the simulator can be applied to a wide range of environments in terms of scale and level of detail. Through an initialization GUI, a simple simulation environment can be created and populated within minutes yet is powerful enough to design complex 3D cellular architecture. The initialization tool allows visual confirmation of the environment construction prior to execution by the simulator. This paper describes the CDS algorithm, design implementation, and provides an overview of the types of features available and the utility of those features are highlighted in demonstrations.

TrypanoCyc: a community-led biochemical pathways database for Trypanosoma brucei.

The metabolic network of a cell represents the catabolic and anabolic reactions that interconvert small molecules (metabolites) through the activity of enzymes, transporters and non-catalyzed chemical reactions. Our understanding of individual metabolic networks is increasing as we learn more about the enzymes that are active in particular cells under particular conditions and as technologies advance to allow detailed measurements of the cellular metabolome. Metabolic network databases are of increasing importance in allowing us to contextualise data sets emerging from transcriptomic, proteomic and metabolomic experiments. Here we present a dynamic database, TrypanoCyc (http://www.metexplore.fr/trypanocyc/), which describes the generic and condition-specific metabolic network of Trypanosoma brucei, a parasitic protozoan responsible for human and animal African trypanosomiasis. In addition to enabling navigation through the BioCyc-based TrypanoCyc interface, we have also implemented a network-based representation of the information through MetExplore, yielding a novel environment in which to visualise the metabolism of this important parasite.

A comprehensive assessment of environmental ultraviolet radiation induced DNA damage in marine microorganisms

There is evidence that ultraviolet radiation (UVR) is increasing over certain locations on the Earth's surface. Of primary concern is the annual pattern of ozone depletion over Antarctica and the Southern Ocean. Reduction of ozone concentration selectively limits absorption of solar UV-B (290–320 nm), resulting in higher irradiance at the Earth's surface. The effects of ozone depletion on the human population and natural ecosystems, particularly the marine environment, are a matter of considerable concern. Indeed, marine plankton may serve as sensitive indicators of ozone depletion and UV-B fluctuations. Direct biological effects of UVR result from absorption of UV-B by DNA. Once absorbed, energy is dissipated by a variety of pathways, including covalent chemical reactions leading to the formation of photoproducts. The major types of photoproduct formed are cyclobutyl pyrimidine dimer (CPD) and pyrimidine(6-4)pyrimidone dimer [(6-4)PD]. Marine plankton repair these photoproducts using light-dependent photoenzymatic repair or nucleotide excision repair. The studies here show that fluctuations in CPD concentrations in the marine environment at Palmer Station, Antarctica correlate well with ozone concentration and UV-B irradiance at the Earth's surface. A comparison of photoproduct levels in marine plankton and DNA dosimeters show that bacterioplankton display higher resistance to solar UVR than phytoplankton in an ozone depleted environment. DNA damage in marine microorganisms was investigated during two separate latitudinal transects which covered a total range of 140°. We observed the same pattern of change in DNA damage levels in dosimeters and marine plankton as measured using two distinct quantitative techniques. Results from the transects show that differences in photosensitivity exist in marine plankton collected under varying UVR environments. Laboratory studies of Antarctic bacterial isolates confirm that marine bacterioplankton possess differences in survival, DNA damage induction, and repair following exposure to UVR. Results from DNA damage measurements during ozone season, along a latitudinal gradient, and in marine bacterial isolates suggest that changes in environmental UVR correlate with changes in UV-B induced DNA damage in marine microorganisms. Differences in the ability to tolerate UVR stress under different environmental conditions may determine the composition of the microbial communities inhabiting those environments. ^

Carbon dioxide concentrations for the Last Millennium, Antarctica

The most direct method of investigating past variations of the atmospheric CO2 concentration before 1958, when continuous direct atmospheric CO2 measurements started, is the analysis of air extracted from suitable ice cores. Here we present a new detailed CO2 record from the Dronning Maud Land (DML) ice core, drilled in the framework of the European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) and some new measurements on a previously drilled ice core from the South Pole. The DML CO2 record shows an increase from about 278 to 282 parts per million by volume (ppmv) between ad 1000 and ad 1200 and a fairly continuous decrease to a mean value of about 277 ppmv around ad 1700. While the new South Pole measurements agree well with DML at the minimum at ad 1700 they are on average about 2 ppmv lower during the period ad 1000-1500. Published measurements from the coastal high-accumulation site Law Dome are considered as very reliable because of the reproducibility of the measurements, high temporal resolution and an accurate time scale. Other Antarctic ice cores could not, or only partly, reproduce the pre-industrial measurements from Law Dome. A comparison of the trends of DML and Law Dome shows a general agreement. However we should be able to rule out co-variations caused by the same artefact. Two possible effects are discussed, first production of CO2 by chemical reactions and second diffusion of dissolved air through the ice matrix into the bubbles. While the first effect cannot be totally excluded, comparison of the Law Dome and DML record shows that dissolved air diffusing to bubbles cannot be responsible for the pre-industrial variation. Therefore, the new record is not a proof of the Law Dome results but the first very strong support from an ice core of the Antarctic plateau.

C1-C5 hydrocarbons from core gas pockets at DSDP Leg 56 Holes

C1-C5 hydrocarbons from DSDP Legs 56 and 57 sediment gas pockets were analyzed on board ship. Results suggest that the C2-C5 hydrocarbons accompanied biogenic methane and were generated at low temperatures - less than 50° C - either by microorganisms or by low-temperature chemical reactions. Neopentane, a rare constituent of petroleum, is the major C5 component (about 80%) in much of the sediment at Site 438. This compound, which appeared in smaller amounts at Sites 434, 439, 440, and 441, seems to correlate with either fractured or coarse-grained sediments. Scatter in C4 and C5 isomer ratios and generally good correlation between C3, C4 and C5 components suggest local sources for these molecules.

Direct visualization of solute locations in laboratory ice samples, links to videos

Many important chemical reactions occur in polar snow, where solutes may be present in several reservoirs, including at the air-ice interface and in liquid-like regions within the ice matrix. Some recent laboratory studies suggest chemical reaction rates may differ in these two reservoirs. While investigations have examined where solutes are found in natural snow and ice, similar research has not identified solute locations in laboratory samples, nor the possible factors controlling solute segregation. To address this, we examined solute locations in ice samples prepared from either aqueous cesium chloride (CsCl) or Rose Bengal solutions that were frozen using several different methods. Samples frozen in a laboratory freezer had the largest liquid-like inclusions and air bubbles, while samples frozen in a custom freeze chamber had somewhat smaller air bubbles and inclusions; in contrast, samples frozen in liquid nitrogen showed much smaller concentrated inclusions and air bubbles, only slightly larger than the resolution limit of our images (~2 µm). Freezing solutions in plastic versus glass vials had significant impacts on the sample structure, perhaps because the poor heat conductivity of plastic vials changes how heat is removed from the sample as it cools. Similarly, the choice of solute had a significant impact on sample structure, with Rose Bengal solutions yielding smaller inclusions and air bubbles compared to CsCl solutions frozen using the same method. Additional experiments using higher-resolution imaging of an ice sample show that CsCl moves in a thermal gradient, supporting the idea that the solutes in ice are present in liquid-like regions. Our work shows that the structure of laboratory ice samples, including the location of solutes, is sensitive to freezing method, sample container, and solute characteristics, requiring careful experimental design and interpretation of results.

Characteristics and aldehyde concentrations of diamond dust events near Barrow, Alaska

Diamond dust (DD) refers to tiny ice crystals that form frequently in the Polar troposphere under clear sky conditions. They provide surfaces for chemical reactions and scatter light. We have measured the specific surface area (SSA) of DD at Barrow in March-April 2009. We have also measured its chemical composition in mineral and organic ions, dissolved organic carbon (DOC), aldehydes, H2O2, and the absorption spectra of water-soluble chromophores. Mercury concentrations were also measured in spring 2006, when conditions were similar. The SSA of DD ranges from 79.9 to 223 m**2/kg . The calculated ice surface area in the atmosphere reaches 11000 (±70%) µm**2/cm**3, much higher than the aerosol surface area. However, the impact of DD on the downwelling and upwelling light fluxes in the UV and visible is negligible. The composition of DD is markedly different from that of snow on the surface. Its concentrations in mineral ions are much lower, and its overall composition is acidic. Its concentrations in aldehydes, DOC, H2O2 and mercury are much higher than in surface snows. Our interpretation is that DOC from the oceanic surface microlayer, coming from open leads in the ice off of Barrow, is taken up by DD. Active chemistry in the atmosphere takes place on DD crystal surfaces, explaining its high concentrations in aldehydes and mercury. After deposition, active photochemistry modifies DD composition, as seen from the modifications in its absorption spectra and aldehyde and H2O2 content. This probably leads to the emissions of reactive species to the atmosphere.