Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung von halogenierten Kohlenwasserstoffen in Luft mittels anreichernder Probenahme,Thermodesorption und GC,MS mit negativer chemischer Ionisation

Flüchtige organische Halogenverbindungen übernehmen in der Chemie der Troposphäre eine Schlüsselrolle. Photolytisch gebildete Halogenatome reagieren mit troposphärischem Ozon und können durch Oxidation, vor allem von Iod, zur Neubildung von Partikeln beitragen. Auf diese Weise beeinflussen Halogenalkane den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Aus analytischem Blickwinkel ist es wichtig die Konzentration der einzelnen Spezies zu untersuchen um Rückschlüsse auf deren biotische oder abiotische Quellen ziehen und die Emissionswege besser verstehen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine sensitive Methode zur Untersuchung von halogenierten Kohlenwasserstoffen entwickelt, basierend auf anreichernder Probenahme mit anschließender Thermodesorption und der Analyse mittels Massenspektrometrie mit negativer chemischer Ionisation. Die Kennwerte der Methode sind: Nachweisgrenzen zwischen 0.11 pg und 5.86 pg bzw. zwischen 1.0 ppqV und 44.7 ppqV, Linearität zwischen R2=0.993 und R2=1.000, Reproduzierbarkeit (Triplikate) RSD < 15 % und ein sicheres Probenahmevolumen von 10 L. Die Methode wurde im Anschluss im Rahmen von zwei Feldmessungen, in Mace Head, Irland und auf einer Schiffskampagne im antarktischen Amundsen-Meer, angewendet. Durch die Ergebnisse aus Irland kann gezeigt werden, dass die Mischungsverhältnisse der Iodalkane mit denen früherer Studien vergleichbar sind, und dass die verschiedenen untersuchten Algenarten deutlich unterschiedliche Emissionsraten zeigen. Die Ergebnisse der Kampagne im Amundsen-Meer zeigen einen großen Einfluss der Windrichtung auf die Halogenalkan-Konzentrationen. So sind die Mischungsverhältnisse der Halogenalkane deutlich höher, wenn der Wind zuvor über die antarktischen Eisflächen strömt. Für die biotischen Quellen wurden die Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon untersucht. Die Emissionsrate der Iodalkane zeigt einen exponentiellen Zusammenhang, sowohl zur I2-Emission als auch zum Gesamtiodgehalt der Algen. Unter oxidativen Bedingungen zeigt L. Digitata eine linear steigende Iodalkanemission. Mit diesem Verhalten wird die These der Bildung von Iodalkanen als Nebenprodukt beim Abbau reaktiver Sauerstoffspezies unterstützt. Neben den Makroalgen wurden auch Mikroalgen als biotische Quellen untersucht. Hierbei können zwei unterschiedliche Emissionsmuster der Halogenalkane für Diatomeen und Phaeocystis sp. gezeigt werden. Im Gegensatz zur Iodalkan-Emission hängt die I2 Emission der Mikroalgenproben von der Ozonkonzentration der Luft ab. Durch die lineare Korrelation der I2-Emission mit der Iodid-Konzentration der wässrigen Phase einerseits, und dem Ozonverbrauch andererseits, kann die Bildung von I2 durch Oxidation von Iodid durch Ozon bestätigt werden. Für das Emissionsverhalten der Mikroalgenprobe aus dem Sylter Wattenmeer, welche keine Korrelation mit dem verbrauchten Ozon zeigt, gibt es zwei Erklärungen: Zum einen kann I2 durch den hohen Gehalt an organischen Verbindungen an diesen adsorbiert bzw. chemisch gebunden werden und wird dann nicht mehr in die Gasphase emittiert. Zum anderen können aktive organische Verbindungen das Gleichgewicht zwischen HOI und I2 in Richtung HOI verlagern. Im Versuch zur abiotischen Bildung von Iodalkanen aus Partikeln, bestehend aus I2O5 und verschiedenen Alkoholen, kann gezeigt werden, dass die Bildung von Iodmethan und Diiodmethan abläuft, dass jedoch die Emission bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die von I2. Somit trägt die Bildung von Iodalkanen nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen zum Recycling des Iods in der Atmosphäre bei. Der vorgestellte abiotische Bildungsweg hängt sowohl vom pH-Wert als auch vom Mischungsverhältnis im Partikel ab.

Characterization of sorbed volatile hydrocarbons from the Peru margin

Bacterial and thermogenic hydrocarbons are present in the sorbed-gas fraction of Peru margin sediments. At Ocean Drilling Program (ODP) Sites 681, 682, 684, and 686, bacterial gases are restricted to the early diagenetic zones, where dissolved sulfate has been exhausted and methanogenesis occurs. Methane migrating into the sulfate zone at Sites 681, 684, 686, and possibly 682, has been consumed anaerobically by methanotrophs, maintaining the low concentrations and causing an isotope shift in d13C(CH4) to more positive values. Significant amounts of C2+ hydrocarbons occur at the shelf Sites 680/681, 684, and 686/687, where these hydrocarbons may be associated with hypersaline fluids. There is evidence at Site 679 that sorbed C2+ hydrocarbons may also have been transported by hypersaline fluids. This characteristic C2+ hydrocarbon signature in the sorbed-gas fractions of sediments at Site 679 is not reflected in data obtained using the conventional "free-," "canned-," or "headspace-gas" procedures. The molecular and isotope compositions of the sorbed-gas fraction indicate that this gas may have a thermogenic source and may have spilled over with the hypersaline fluids from the Salaverry Basin into the Lima Basin. These traces of thermogenic hydrocarbon gases are over-mature (about 1.5% Ro) and are discordant with the less-mature sediments in which they are found. This observation supports the migration of these hydrocarbons, possibly from continental sources. Sorbed-gas analyses may provide important geochemical information, in addition to that of the free-gases. Sorbed-gases are less sensitive to activities in the interstitial fluids, such as methanogenesis and methanotrophy, and may faithfully record the migration of hydrocarbons associated with hypersaline fluids.

Molecular and stable isotope composition of headspace and total hydrogencarbon gases of ODP Leg 104 sites

Molecular and isotope compositions of headspace and total (free + sorbed) hydrocarbon gases from drilled cores of the three ODP Leg 104 Sites 642, 643, and 644 of the Voring Plateau are used to characterize the origin and distribution of these gases in Holocene to Eocene sediments. Only minor amounts of methane were found in the headspace (0.1 to < 0.001 vol%). Although methane through propane are present in all of the total gas samples, different origins account for the concentration and composition variations found. Site 643 at the foot of the outer Voring Plateau represents a geological setting with poor hydrocarbon generating potential, (sediments with low TOC and maturity overlying oceanic basement). Correspondingly, the total gas concentrations are low, typical for background gases (yield C1 - 4 = 31 to 232 ppb, C1/C2+ = 0.6 to 4; delta13C(CH4) -22 per mil to -42 per mil) probably of a diagenetic origin. Holocene to Eocene sediments, which overlie volcanic units, were drilled on the outer Vdring Plateau, at Holes 642B and D. Similar to Site 643, these sediments possess a poor hydrocarbon generating potential. The total gas character (yield C1 - 4 = 20 to 410 ppb; C1/C2+ = 1.7 to 13.3; delta13C(CH4) ca. -23 per mil to -40 per mil) again indicates a diagenetic origin, perhaps with the addition of some biogenic gas. The higher geothermal gradient and the underlying volcanics do not appear to have any influence on the gas geochemistry. The free gas (Vacutainer TM) in the sediments at Site 644 are dominated by biogenic gas (C1/C2+ > 104; delta13C(CH4) -77 per mil). Indications, in the total gas, of hydrocarbons with a thermogenic signature (yield C1 - 4 = 121 to 769 ppb, C1/ C2+ = 3 to 8; delta13C(CH4) = -39 per mil to -71 per mil), could not be unequivocally confirmed as such. Alternatively, these gases may represent mixtures of diagenetic and biogenic gases.

Gas hydrates of the Gulf of Mexico

Gas hydrates were recovered from eight sites on the Louisiana slope of the Gulf of Mexico. The gas hydrate discoveries ranged in water depths from 530 to 2400 m occurring as small to medium sized (0.5-50 mm) nodules, interspersed layers (1-10 mm thick) or as solid masses (> 150 mm thick). The hydrates have gas:fluid ratios as high as 170:1 at STP, C1/(C2 + C3) ratios ranging from 1.9 to > 1000 and d13C ratios from -43 to -71 per mil. Thermogenic gas hydrates are associated with oil-stained cores containing up to 7% extractable oil exhibiting moderate to severe biodegradation. Biogenic gas hydrates are also associated with elevated bitumen levels (10-700 ppm). All gas hydrate associated cores contain high percentages (up to 65%) of authigenic, isotopically light carbonate. The hydrate-containing cores are associated with seismic "wipeout" zones indicative of gassy sediments. Collapsed structures, diapiric crests, or deep faults on the flanks of diapirs appear to be the sites of the shallow hydrates.

Halocarbon and pigment profiles in the waters of the Amundsen and Ross Seas, Antarctica

Little is known regarding the distribution of volatile halogenated organic compounds (halocarbons) in Antarctic waters, and their relation to biophysical variables. During the austral summer (December to January) in 2007-08 halocarbon and pigment concentrations were measured in the Amundsen (100-130ºW) and Ross Sea (158ºW- 160ºE). In addition, halocarbons were determined in air, snow and sea ice. The distribution of halocarbons was influenced to a large extent by sea ice, and to a much lesser extent by pelagic biota. Concentrations of naturally produced halocarbons were elevated in the surface mixed layer in ice covered areas compared to open waters in polynyas and in the bottom waters of the Ross Sea. Higher concentrations of halocarbons were also found in sea ice brine compared to the surface waters. Incubations of snow revealed an additional source of halocarbons. The distribution of halocarbons also varied considerably between the Amundsen and Ross Seas, mainly due to the different oceanographic settings. For iodinated compounds, weak correlations were found with the presence of pigments indicative of Phaeocystis, mainly in the Ross Sea. Saturation anomalies for the surface water and brine (in sea ice) were determined for the two indicator halocarbons bromoform and chloriodomethane. For bromoform, the surface water anomalies varied between -83 and 11%, whereas chloroiodomethane anomalies varied between -6 and 1,200%. The saturation anomalies for brine varied between -56 to 120% for bromoform and 91 to 22,000% for chloroiodomethane, indicating that sea ice could be a possible source both to the atmosphere and the surface waters. Polar waters can have a substantial impact on global halocarbon budgets and need to be included in large-scale assessments.