Entwicklung einer Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie und deren Anwendung in der Bioanalytik

Die Elementmassenspektrometrie wurde in den letzten Jahren sehr erfolgreich zur Aufklärung verschiedener Fragestellungen in der Bioanalytik eingesetzt. Hierbei spielen vor allem Kopplungstechniken von Trennmethoden wie der Flüssigchromatographie (LC) oder der Kapillarelektrophorese (CE) mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) als Multielementdetektor mit hervorragenden Quantifizierungseigenschaften eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von Biopolymeren und deren Wechselwirkung mit verschiedenen Metallen. So wurden beispielsweise verschiedene Methoden für die Trennung und Detektion von Metalloproteinen oder DNA-Metall-Addukten in unterschiedlichen Probenmaterialien entwickelt. Die traditionelle und leistungsstärkste Trennmethode für Biopolymere aller Art, die Gelelektrophorese, wurde jedoch bislang nicht in einem Online-Verfahren an die ICP-MS gekoppelt, um solche Fragestellungen zu bearbeiten. Verschiedene Versuche auf der Basis der Laserablation wurden in diese Richtung unternommen, wobei diese Techniken als sehr umständlich und zeitaufwändig anzusehen sind. In dieser Arbeit wird erstmals die technische Realisierung einer Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der ICP-MS beschrieben. Das System basiert auf einem Prinzip aus der präparativen Gelelektrophorese, in welcher eine kontinuierliche Elution der getrennten Komponenten aus dem Gel während der laufenden Elektrophorese durchgeführt wird. Die eluierten Komponenten werden mit dem Elutionspuffer direkt in das Zerstäubersystem des ICP-MS geführt. Die ersten Untersuchungen wurden am Beispiel der Fragemente von doppelsträngiger DNA (dsDNA) durchgeführt. Kommerziell erhältliche Standardlösungen wurden mit der Online-GE-ICP-MS mittels Detektion von 31P an einem hochauflösenden Massenspektrometer mit einer Massenauflösung von 4000 analysiert. Die Trennbedingungen (z.B. pH-Wert oder Ionenstärke der Pufferlösungen) wurden für die Trennung von dsDNA-Fragementen in Agarosegelen optimiert und auf verschiedene dsDNA-Fragmente angewandt. In einem nächsten Schritt wurden die Quantifizierungsmöglichkeiten für Biopolymere untersucht. Sehr kleine Mengen an dsDNA konnten mit einer Präzision von weniger als 3% quantifiziert werden. Hierfür kamen verschiedene Möglichkeiten der externen Kalibration zum Einsatz, wie der Kalibration mit einem Phosphat-Standard oder einem kommerziell erhältlichen quantitativen dsDNA-Standard. Um das Potenzial der entwickelten Methode für die Untersuchung von Biopolymer-Metall-Wechselwirkungen zu demonstrieren, wurden Oligonukleotide mit Cisplatin unter physiologischen Bedingungen inkubiert und die Reaktionsprodukte mit der Online-GE-ICP-MS mittels 31P- und 195Pt-Detektion untersucht. Verschiedene Cisplatin-Oligonukleotid-Addukte konnten auf diese Weise beobachtet werden, was zur Identifizierung die Anwendung der MALDI-TOF-MS als komplementärer Form der Massenspektrometrie notwendig machte. Abschließend wurde die Isotopenverdünnungsanalyse zum Zweck der Quantifizierung herangezogen.

Iodine speciation in atmospheric aerosols in the marine boundary layer

Iodine chemistry plays an important role in the tropospheric ozone depletion and the new particle formation in the Marine Boundary Layer (MBL). The sources, reaction pathways, and the sinks of iodine are investigated using lab experiments and field observations. The aims of this work are, firstly, to develop analytical methods for iodine measurements of marine aerosol samples especially for iodine speciation in the soluble iodine; secondly, to apply the analytical methods in field collected aerosol samples, and to estimate the characteristics of aerosol iodine in the MBL. Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP-MS) was the technique used for iodine measurements. Offline methods using water extraction and Tetra-methyl-ammonium-hydroxide (TMAH) extraction were applied to measure total soluble iodine (TSI) and total insoluble iodine (TII) in the marine aerosol samples. External standard calibration and isotope dilution analysis (IDA) were both conducted for iodine quantification and the limits of detection (LODs) were both 0.1 μg L-1 for TSI and TII measurements. Online couplings of Ion Chromatography (IC)-ICP-MS and Gel electrophoresis (GE)-ICP-MS were both developed for soluble iodine speciation. Anion exchange columns were adopted for IC-ICP-MS systems. Iodide, iodate, and unknown signal(s) were observed in these methods. Iodide and iodate were separated successfully and the LODs were 0.1 and 0.5 μg L-1, respectively. Unknown signals were soluble organic iodine species (SOI) and quantified by the calibration curve of iodide, but not clearly identified and quantified yet. These analytical methods were all applied to the iodine measurements of marine aerosol samples from the worldwide filed campaigns. The TSI and TII concentrations (medians) in PM2.5 were found to be 240.87 pmol m-3 and 105.37 pmol m-3 at Mace Head, west coast of Ireland, as well as 119.10 pmol m-3 and 97.88 pmol m-3 in the cruise campaign over the North Atlantic Ocean, during June – July 2006. Inorganic iodine, namely iodide and iodate, was the minor iodine fraction in both campaigns, accounting for 7.3% (median) and 5.8% (median) in PM2.5 iodine at Mace Head and over the North Atlantic Ocean, respectively. Iodide concentrations were higher than iodate in most of the samples. In the contrast, more than 90% of TSI was SOI and the SOI concentration was correlated significantly with the iodide concentration. The correlation coefficients (R2) were both higher than 0.5 at Mace Head and in the first leg of the cruise. Size fractionated aerosol samples collected by 5 stage Berner impactor cascade sampler showed similar proportions of inorganic and organic iodine. Significant correlations were obtained in the particle size ranges of 0.25 – 0.71 μm and 0.71 – 2.0 μm between SOI and iodide, and better correlations were found in sunny days. TSI and iodide existed mainly in fine particle size range (< 2.0 μm) and iodate resided in coarse range (2.0 – 10 μm). Aerosol iodine was suggested to be related to the primary iodine release in the tidal zone. Natural meteorological conditions such as solar radiation, raining etc were observed to have influence on the aerosol iodine. During the ship campaign over the North Atlantic Ocean (January – February 2007), the TSI concentrations (medians) ranged 35.14 – 60.63 pmol m-3 among the 5 stages. Likewise, SOI was found to be the most abundant iodine fraction in TSI with a median of 98.6%. Significant correlation also presented between SOI and iodide in the size range of 2.0 – 5.9 μm. Higher iodate concentration was again found in the higher particle size range, similar to that at Mace Head. Airmass transport from the biogenic bloom region and the Antarctic ice front sector was observed to play an important role in aerosol iodine enhancement. The TSI concentrations observed along the 30,000 km long cruise round trip from East Asia to Antarctica during November 2005 – March 2006 were much lower than in the other campaigns, with a median of 6.51 pmol m-3. Approximately 70% of the TSI was SOI on average. The abundances of inorganic iodine including iodine and iodide were less than 30% of TSI. The median value of iodide was 1.49 pmol m-3, which was more than four fold higher than that of iodate (median, 0.28 pmol m-3). Spatial variation indicated highest aerosol iodine appearing in the tropical area. Iodine level was considerably lower in coastal Antarctica with the TSI median of 3.22 pmol m-3. However, airmass transport from the ice front sector was correlated with the enhance TSI level, suggesting the unrevealed source of iodine in the polar region. In addition, significant correlation between SOI and iodide was also shown in this campaign. A global distribution in aerosol was shown in the field campaigns in this work. SOI was verified globally ubiquitous due to the presence in the different sampling locations and its high proportion in TSI in the marine aerosols. The correlations between SOI and iodide were obtained not only in different locations but also in different seasons, implying the possible mechanism of iodide production through SOI decomposition. Nevertheless, future studies are needed for improving the current understanding of iodine chemistry in the MBL (e.g. SOI identification and quantification as well as the update modeling involving organic matters).

Methylierung von anorganischem Quecksilber im Intestinaltrakt des Kompostwurms Eisenia foetida

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Methylierung von Quecksilber in Intestinaltrakt des Kompostwurms Eisenia foetida untersucht. Des Weiteren wurden aerobe und anaerobe Mikroorganismen aus dem Darmtrakt von Eisenia fotida isoliert, identifiziert und auf ihr Potential zur Methylierung von Quecksilber getestet. Die Bestimmung von Methylquecksilber erfolgte mittels GC-ICPMS (Gaschromatographie mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie) und GC-AFS (Gaschromatographie- Atomfluoreszenzspektrometrie). Für die GC-ICPMS erfolgte die Quantifizierung des Methylquecksilbers mittels der Isotopenverdünnungsmethode. Die Extraktion des Methylquecksilbers aus dem Wurmgewebe erfolgte durch einen alkalischen Aufschluss mit TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) und anschließender Derivatisierung des Methylquecksilbers durch Natriumtetrapropylborat. Für die Extraktion des gebildeten Methylquecksilbers aus Bakterienkulturen wurde eine Extraktion mit einer methanolischen Kaliumhydroxidlösung verwendet. Wie bei dem Wurmgewebe wurde das Methylqueckilsber ebenfalls mit Natriumtetrapropylborat derivatisiert.rnrnFür die Untersuchung einer in vivo Methylquecksilberbildung in bodenlebenden Invertebraten wurde der Kompostwurm Eisenia foetida als Modellorganismus verwendet. Die Tiere wurden aus einer Kultur in einen Boden überführt, der mit anorganischem Quecksilber versetzt wurde. Nach zehn Tagen Inkubationszeit wurden die Würmer entnommen und das Methylquecksilber extrahiert. Um eine mögliche Methylierung von Quecksilber durch Bodenorganismen auszuschließen wurde sowohl steriles als auch unsteriles Bodenmaterial verwendet. In den Wurmproben aus dem unsterilen Bodenmaterial konnte eine Konzentration an Methylquecksilber von 17,4 ng/g Trockengewicht (Boden ohne Zugabe von Quecksilber) und 62,4 ng/g Trockengewicht (Boden mit Quecksilberzugabe). Bei den Wurmproben aus sterilem Bodenmaterial lag die Konzentration an Methylquecksilber bei 17,2 ng/g Trockengewicht (Boden ohne Zugabe von Quecksilber) und 51,9 ng/g Trockengewicht (Boden mit Quecksilberzugabe).rnrnBei den Bakterienkulturen konnte in Reinkulturen keine Methylierung von Quecksilber nachgewiesen werden. In einer fakultativ anaeroben Mischkultur konnte eine Methylierung von Quecksilber beobachtet werden. Für die Identifizierung der Mikroorganismen wurde die 16s rDNA mittels PCR amplifiziert und anschließend über eine DGGE aufgetrennt. Die Banden wurden ausgeschnitten und sequenziert. Dabei konnten drei Enterobacteriaceen identifiziert werden.rn

Untersuchungen zur biotischen Bildung von Methylquecksilber aus anorganischem Quecksilber durch intestinale Sulfat-reduzierende Bakterien und die Bestimmung alkylierter Quecksilberverbindungen mittels GC-ICP-MS und Isotopenverdünnungsanalyse

Alkylierte Quecksilberspezies sind hundertfach toxischer als anorganisches Quecksilber (Hg) und werden in der Nahrungskette mit zunehmender Trophieebene im Gewebe von Tieren und dem Menschen akkumuliert. Aufgrund der Relevanz für die Umwelt und den Effekt auf die menschliche Gesundheit kommt der biotischen Transformation von anorganischem Hg zu Monomethylquecksilber (MeHg) eine große Bedeutung zu. Es ist bekannt, dass Sulfat-reduzierende Bakterien zu den Hauptproduzenten von MeHg gehören. Darüber hinaus gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen über die biologischen Mechanismen und die Zusammenhänge in terrestrischen und insbesondere in intestinalen Systemen. Die vorliegende Arbeit leistet daher einen wichtigen Beitrag zur Abschätzung des Potentials zur Hg-Methylierung durch intestinale Bakterien und vertieft die Kenntnisse zu der damit verbundenen Akkumulation der organischen Schwermetallverbindung im Gewebe des Kompostwurms Eisenia foetida (E. foetida). rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals unter Anwendung der Gas Chromatographie mit induktiv gekoppelter Massenspektrometrie (GC-ICP-MS) und Isotopenverdünnungsanalyse verschiedene Kulturen intestinaler Sulfat-reduzierender Bakterien auf die Bildung von organischem Monomethylquecksilber aus Hg(II) untersucht. Da in komplexen bakteriellen Nährlösungen mit hohem Sulfidgehalt Matrixeffekte auftreten und die Analyse von MeHg im Ultraspurenbereich erschweren können, erfolgte die Probenvorbereitung mittels der Methanol-Kaliumhydroxid-Extraktion unter Verwendung eines Maskierungsreagenzes und der Derivatisierung mit Natriumtetrapropylborat. Das Detektionslimit für MeHg in bakteriellen Nährlösungen betrug 0,03 ng/mL. Die Wiederfindung von zertifiziertem Referenzmaterial ERM® CE-464 Tuna Fish war sehr gut und lag in einem Bereich zwischen 98 – 105%. rnDie Resultate der Untersuchung von 14 verschiedenen Rein- und Anreicherungskulturen Sulfat-reduzierender Bakterien zeigten, dass neun Kulturen innerhalb von 12 h nach einer Inkubation mit 0,1 mg/L Hg2+ im Durchschnitt 100 bis 1200 pg/mL MeHg produzierten. Darunter waren zwei Desulfovibrio sp. Stämme, die Spezies Desulfovibrio piger, Desulfovibrio giganteus, Desulfovibrio termitidis, Desulfotomaculum ruminis, Desulfobulbus propionicus sowie Anreicherungskulturen aus dem Intestinaltrakt einer Zygoptera-Larve Zy1 und E. foetida EF4. Die Fähigkeit zur Hg-Methylierung durch eine Spezies der Ordnung Desulfotomaculum aus der Gruppe der Gram-positiven Firmicutes wurde hiermit erstmals beobachtet.rnWeiterhin wurde gezeigt, dass im Intestinaltrakt von E. foetida im Gegensatz zu mikrobiellen Bodenproben eine signifikante biotische Methylierung von Hg(II) durchgeführt wird. Dass diese Transformationen in hohem Maße von der intestinalen Region ausgeht und somit zur Akkumulation von MeHg im Gewebe beiträgt, konnte durch weiterführende Experimente mittels Laserablations-ICP-MS an histologischen Gefrierschnitten des Invertebraten darge-stellt werden. rn

The abundance and isotopic composition of Cd in iron meteorites

Cadmium is a highly volatile element and its abundance in meteorites may help better understand volatility-controlled processes in the solar nebula and on meteorite parent bodies. The large thermal neutron capture cross section of 113Cd suggests that Cd isotopes might be well suited to quantify neutron fluences in extraterrestrial materials. The aims of this study were (1) to evaluate the range and magnitude of Cd concentrations in magmatic iron meteorites, and (2) to assess the potential of Cd isotopes as a neutron dosimeter for iron meteorites. Our new Cd concentration data determined by isotope dilution demonstrate that Cd concentrations in iron meteorites are significantly lower than in some previous studies. In contrast to large systematic variations in the concentration of moderately volatile elements like Ga and Ge, there is neither systematic variation in Cd concentration amongst troilites, nor amongst metal phases of different iron meteorite groups. Instead, Cd is strongly depleted in all iron meteorite groups, implying that the parent bodies accreted well above the condensation temperature of Cd (i.e., ≈650 K) and thus incorporated only minimal amounts of highly volatile elements. No Cd isotope anomalies were found, whereas Pt and W isotope anomalies for the same iron meteorite samples indicate a significant fluence of epithermal and higher energetic neutrons. This observation demonstrates that owing to the high Fe concentrations in iron meteorites, neutron capture mainly occurs at epithermal and higher energies. The combined Cd-Pt-W isotope results from this study thus demonstrate that the relative magnitude of neutron capture-induced isotope anomalies is strongly affected by the chemical composition of the irradiated material. The resulting low fluence of thermal neutrons in iron meteorites and their very low Cd concentrations make Cd isotopes unsuitable as a neutron dosimeter for iron meteorites.

(Table 1) Chemical and isotopic analyses of Rajmahal Traps and Ninetyeast Ridge volcanics

The hypothesis that hotspots are the sources of many continental flood basalts is evaluated geochemically for the proposed Rajmahal Traps-Ninetyeast Ridge-Kerguelen hotspot system. It appears that the Kerguelen hotspot did not directly feed Rajmahal magmas, although it may have provided a source of heat for Rajmahal activity.

(Table 1) Isotopic and trace-element composition of ODP Leg 127/128 basalts

The western Pacific includes many volcanic island arc and backarc complexes, yet multi-isotopic studies of them are rare. Basement rocks of the Sea of Japan backarc basin were encountered at Sites 794,795, and 797, and consisted of basaltic sills and lava flows. These rocks exhibit a broad range in isotopic composition, broader than that seen in any other western Pacific arc or backarc system: 87Sr/86Sr = 0.70369 to 0.70499, 143Nd/144Nd = 0.51267 to 0.51317, 206Pb/204Pb = 17.64 to 18.36. The samples form highly correlated arrays between very depleted mid-ocean ridge basalt (MORB) and the Pacific pelagic sediment fields on Pb-Pb plots. Similarly, on plots of Sr-Pb and Nd-Pb, the Sea of Japan samples lie on mixing curves between depleted mantle and enriched mantle ("EM II"), which is interpreted to be of average crustal or pelagic sediment composition. The source of these backarc rocks appears to be a MORB-like mantle source, contaminated by pelagic sediments. Unlike the Mariana and Izu arc/backarc systems, Japanese arc and backarc rocks are indistinguishable from each other in a Sr-Nd isotope plot, and have similar trends in Pb-Pb plots. Thus, sediment contamination of the mantle wedge appears to control the isotopic compositions of both the arc and backarc magmas. Two-component mixing calculations suggest that the percentage of sediments in the magma source varies from 0.5% to 2.5%.

Element abundances and Nd isotopic composition in boninite and tholeiite from DSDP Hole 60-458

Boninites are unusual high MgO-high SiO2 volcanic rocks found in several western Pacific island arcs. Their high Mg/(Mg + total Fe) (0.55-0.83) and compatible element contents (Ni = 70-450 ppm, Cr = 200-1800 ppm) indicate equilibration with mantle peridotite, but their low TiO2 contents (0.1-0.5%) indicate severe depletion of this source. K, Rb, Sr and Ba abundances in boninites are typical of primitive arc basalts, but ratios such as Ti/Zr and La/Yb are variable (Ti/Zr = 23-67, (La/Yb)e.f. = 0.6-4.7). Evidence for both enrichment and depletion of incompatible elements suggests that boninites are derived from refractory peridotite which has been metasomatically enriched in LREE, Zr, Sr, Ba and alkalis. Wide variations in 143Nd/144Nd (0.51262-0.51296) are correlated with La/Sm, Sm/Nd and Ti/Zr, which enables identification of components in the boninite source. Possible LREE depleted components have relative REE and Ti abundances like those in depleted peridotites and high 143Nd/144Nd ratios which reach MORB-like values. Possible LREE enriched components have relative REE abundances similar to those in metasomatized mantle peridotite nodules, and low 143Nd/144Nd ratios which indicate either sedimentary sources or mantle sources with recent to ancient LREE enrichment. Relative abundances of Ba and Sr in boninites decrease with increasing LREE enrichment and suggest a non-sedimentary source for the LREE enriched material. Enrichment in Ba, Sr and alkalis may result from a third component derived from subducted oceanic crust. Two models can account for the successive generation of boninites and arc tholeiites within a single area: 1) boninites can be derived from the peridotite residue of earlier arc tholeiite generation which is metasomatically enriched in LREE before boninite volcanism, or 2) arc tholeiites and boninites can be derived from a variably depleted peridotite source which has been pervasively enriched in LREE. Areas of fertile peridotite would yield tholeiites while refractory areas would yield boninites.

(Table 1) Sr isotopes and chemical composition of DSDP Hole 61-462A basalts

Sixteen elemental abundances and 87Sr/86Sr ratio of the Nauru Basin basalt (Cores 75 to 90: sub-bottom depths 950 m to 1050 m) from Hole 462A have been determined by inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy and mass spectrometry. The result indicates that the basalt is a new type of oceanic tholeiite, elementally similar to normal mid-oceanic ridge basalts and isotopically similar to oceanic island-type basalts.

Lithology, biostratigraphy, and geochemistry of the Black Sea sediments, DSDP Leg 42 (pt. 2) data

The monograph presents results of deep-sea drilling in the Black Sea carried out in 1975. Detailed lithological, biostratigraphic and geochemical studies of Miocene-Holocene sediments have been carried out by specialists from institutes of the USSR Academy of Sciences, Moscow State University and other organizations. Drilling results are compared with geophysical data. Geological history of the Black Sea basin is considered as well.

Nd and Sr isotopic composition of Cretaceous MORB

Chemical and isotopic (Nd and Sr) compositions have been determined for 12 Cretaceous basaltic samples (108 Ma old) from Holes 417D and 418A of Legs 51,52 and 53. We have found that: (1) The chemical compositions are typical of MORB. They do not vary systematically with the stratigraphic positions of the analyzed samples; thus, the chemical evolution is independent of the eruption sequence that occurred at this Cretaceous ridge. (2) REE patterns for all rocks are characterized by a strong LREE depletion with (La/Sm)N = 0.38-0.50; no significant Eu anomalies are found; HREE are nearly flat or slightly depleted towards Yb-Lu and have 12-18 * chondritic abundances. Combining the results of previous studies, it suggests that no significant temporal and spatial variation in magma chemistry (especially for LIL elements) has occurred in the 'normal' ridge segments over the last 150 Ma. (3) lsotopically, 143Nd/144Nd ratios vary from 0.513026 to 0.513154, corresponding to epsilon-Nd(0) = +7.5 to +10, and they fall in the typical range of MORB. However, these rocks have unexpectedly high 87Sr/86Sr ratios (0.70355-0.70470) which are attributed to the result of seawater-rock interaction. (4) The Nd model ages (Tin), ranging from 1.53 to 2.47 (average 2.06) AE, suggest that the upper mantle source(s) underwent a large scale chemical differentiation leading to LREE and other LIL element depletion about 2 AE ago, assuming a simple two-stage model. More realistically, the variation in Tm(Nd) or epsilon-Nd could be derived from mixing of heterogeneous mantle sources that were a consequence of continuous mantle differentiation and continental formation. (5) Because of the low mg values (0.52-0.63), the analyzed basaltic rocks do not represent primary liquids of mantle melting. The variation in La/Sm ratios and TiO2 are not compatible with a model in which all rocks are genetically related by a simple fractional crystallization. Rather, it is proposed that the basaltic rocks might have been derived from some heterogeneous upper mantle source with or without later magmatic mixing, and followed by some shallow-level fraetionations.