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.

Comparison of Model Chemistry and Density Functional Theory Thermochemical Predictions with Experiment for Formation of Ionic Clusters of the Ammonium Cation Complexed with Water and Ammonia; Atmospheric Implications

The G2, G3, CBS-QB3, and CBS-APNO model chemistry methods and the B3LYP, B3P86, mPW1PW, and PBE1PBE density functional theory (DFT) methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for ionic clusters of the ammonium ion complexed with water and ammonia. Results for the clusters NH4+(NH3)n and NH4+(H2O)n, where n = 1−4, are reported in this paper and compared against experimental values. Agreement with the experimental values for ΔH° and ΔG° for formation of NH4+(NH3)n clusters is excellent. Comparison between experiment and theory for formation of the NH4+(H2O)n clusters is quite good considering the uncertainty in the experimental values. The four DFT methods yield excellent agreement with experiment and the model chemistry methods when the aug-cc-pVTZ basis set is used for energetic calculations and the 6-31G* basis set is used for geometries and frequencies. On the basis of these results, we predict that all ions in the lower troposphere will be saturated with at least one complete first hydration shell of water molecules.

Efficient Oxidation of Cysteine and Glutathione Catalyzed by a Dinuclear Areneruthenium Trithiolato Anticancer Complex

The highly cytotoxic diruthenium complex [(p-MeC(6)H(4)Pr(1))(2)Ru(2)(SC(6)H(4)-p-Me)(3)](+) (1), water-soluble as the chloride salt, is shown to efficiently catalyze oxidation of the thiols cysteine and glutathione to give the corresponding disulfides, which may explain its high in vitro anticancer activity.

High Solids Co-Digestion of Food and Landscape Waste and the Potential for Ammonia Toxicity

A pilot-scale study was completed to determine the feasibility of high-solids anaerobic digestion (HSAD) of a mixture of food and landscape wastes at a university in central Pennsylvania (USA). HSAD was stable at low loadings (2g COD/L-day), but developed inhibitory ammonia concentrations at high loadings (15g COD/L-day). At low loadings, methane yields were 232L CH4/kg COD fed and 229L CH4/kg VS fed, and at high loadings yields were 211L CH4/kg COD fed and 272L CH4/kg VS fed. Based on characterization and biodegradability studies, food waste appears to be a good candidate for HSAD at low organic loading rates; however, the development of ammonia inhibition at high loading rates suggests that the C:N ratio is too low for use as a single substrate. The relatively low biodegradability of landscape waste as reported herein made it an unsuitable substrate to increase the C:N ratio. Codigestion of food waste with a substrate high in bioavailable carbon is recommended to increase the C:N ratio sufficiently to allow HSAD at loading rates of 15g COD/L-day. Copyright 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Gamma-tocopherol supplementation inhibits protein nitration and ascorbate oxidation in rats with inflammation

Gamma-tocopherol (gammaT) complements alpha-tocopherol (alphaT) by trapping reactive nitrogen oxides to form a stable adduct, 5-nitro-gammaT [Christen et al., PNAS 94:3217-3222; 1997]. This observation led to the current investigation in which we studied the effects of gammaT supplementation on plasma and tissue vitamin C, vitamin E, and protein nitration before and after zymosan-induced acute peritonitis. Male Fischer 344 rats were fed for 4 weeks with either a normal chow diet with basal 32 mg alphaT/kg, or the same diet supplemented with approximately 90 mg d-gammaT/kg. Supplementation resulted in significantly higher levels of gammaT in plasma, liver, and kidney of control animals without affecting alphaT, total alphaT+gammaT or vitamin C. Intraperitoneal injection of zymosan caused a marked increase in 3-nitrotyrosine and a profound decline in vitamin C in all tissues examined. Supplementation with gammaT significantly inhibited protein nitration and ascorbate oxidation in the kidney, as indicated by the 29% and 56% reduction of kidney 3-nitrotyrosine and dehydroascorbate, respectively. Supplementation significantly attenuated inflammation-induced loss of vitamin C in the plasma (38%) and kidney (20%). Zymosan-treated animals had significantly higher plasma and tissue gammaT than nontreated pair-fed controls, and the elevation of gammaT was strongly accentuated by the supplementation. In contrast, alphaT did not significantly change in response to zymosan treatment. In untreated control animals, gammaT supplementation lowered basal levels of 3-nitrotyrosine in the kidney and buffered the starvation-induced changes in vitamin C in all tissues examined. Our study provides the first in vivo evidence that in rats with high basal amounts of alphaT, a moderate gammaT supplementation attenuates inflammation-mediated damage, and spares vitamin C during starvation-induced stress without affecting alphaT.

Inhibition by interferon-gamma of human mononuclear cell-mediated low density lipoprotein oxidation. Participation of tryptophan metabolism along the kynurenine pathway

In this study we examined the potential inhibition by interferon-gamma (IFN gamma) of the early stages of low density lipoprotein (LDL) oxidation mediated by human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and monocyte-derived macrophages (MDM) in Ham's F-10 medium supplemented with physiological amounts of L-tryptophan (Trp). We assessed LDL oxidation by measuring the consumption of LDL's major antioxidant (i.e., alpha-tocopherol) and targets for oxidation (cholesteryllinoleate and cholesterylarachidonate), together with the accumulation of cholesterylester hydroperoxides and the increase in relative electrophoretic mobility of the lipoprotein particle. Exposure of PBMC or MDM to IFN gamma induced the degradation of extracellular Trp with concomitant accumulation of kynurenine, anthranilic and 3-hydroxyanthranilic acid (3HAA) in the culture medium. Formation of 3HAA, but neither Trp degradation nor formation of kynurenine and anthranilic acid, was inhibited by low amounts of diphenylene iodonium (DPI) in a concentration-dependent manner. In contrast to oxidative Trp metabolism, exposure of human PBMC or MDM to IFN gamma failed to induce degradation of arginine, and nitrite was not detected in the cell supernatant, indicating that nitric oxide synthase was not induced under these conditions. Incubation of LDL in Trp-supplemented F-10 medium resulted in a time-dependent oxidation of the lipoprotein that was accelerated in the presence of PBMC or MDM but inhibited strongly in the presence of both cells and IFN gamma, i.e., when Trp degradation and formation of 3HAA were induced. In contrast, when IFN gamma was added to PBMC or MDM in F-10 medium that was virtually devoid of Trp, inhibition of cell-accelerated LDL oxidation was not observed. Exogenous 3HAA added to PBMC or purified monocytes in the absence of IFN gamma also strongly and in a concentration-dependent manner inhibited LDL oxidation. Selective inhibition of IFN gamma-induced formation of 3HAA by DPI caused reversion of the inhibitory action of this cytokine on both PBMC- and MDM-mediated LDL oxidation. These results show that IFN gamma treatment of human PBMC or MDM in vitro attenuates the extent of LDL oxidation caused by these cells, and indicate that Trp degradation with formation of 3HAA is a major contributing factor to this inhibitory activity.