Comprehensive Study of Secondary Organic Aerosol Particles from the Amazon Rainforest by High-Resolution Mass Spectrometry
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
Abstract
Die meisten chemischen Prozesse in der Atmosphäre werden durch anorganische und organische Spurenverbindungen wie Stickstoffdioxid, Ozon, Kohlenwasserstoffe, Aromaten oder Terpenoide gesteuert. Im Allgemeinen befinden sich diese Substanzen in der Gasphase. Durch atmosphärische Reaktionen und Umwandlungen können jedoch Moleküle mit ausreichend geringer Flüchtigkeit gebildet werden, um sich in der Partikelphase anzureichern. Die daraus entstehenden Aerosole haben je nach ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften erhebliche Auswirkungen auf das Klima der Erde. So wird durch Aerosole der globale Energiehaushalt beeinflusst, da die Partikel Sonnenstrahlung absorbieren und streuen können. Außerdem sind sie an den Prozessen zur Wolkenbildung beteiligt und steuern dabei die Anzahl und Lebensdauer. Vor allem in städtischen Regionen sind Aerosole für verminderte Sichtverhältnisse und menschliche Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verantwortlich. Folglich hat die Erforschung atmosphärischer Aerosole und deren Auswirkungen auf die Umwelt in den letzten Jahrzehnten an Aufmerksamkeit dazu gewonnen.
Insbesondere organische Aerosole (OA) machen einen bedeutenden Anteil des luftgetragenen Feinstaubs (particulate matter, PM) aus und bestehen in der Regel aus unzähligen verschiedenen Verbindungen. Die chemische Zusammensetzung von Aerosolen ist hochdynamisch und verändert sich kontinuierlich noch lange nach der Entstehung durch atmosphärische Prozesse. Um die OA-Bildung sowie die chemische Umwandlung nachzuvollziehen, müssen spezifische Markerspezies zuverlässig identifiziert und quantifiziert werden. Die zeitliche und räumliche Variabilität der OA-Zusammensetzung stellt jedoch erhebliche Anforderungen an derzeitige Analysetechniken. Massenspektrometrie (MS) hat sich als geeignetes Werkzeug für die Analyse von Aerosolen etabliert. Die Entwicklung von Geräten mit hohem Auflösungsvermögen und Massengenauigkeit ermöglichte die Untersuchung von Aerosolpartikeln auf molekularer Ebene. Trotz des großen Potenzials der ultrahochauflösenden Massenspektrometrie (UHRMS) für die Aerosolforschung haben sich komplementäre Techniken wie die Gaschromatographie (GC) und die Flüssigchromatographie (LC) als vielseitige Ergänzungen erwiesen. Durch die vorherige Trennung organischer Aerosolbestandteile können Interferenzen erheblich reduziert werden.
Ziel dieser Studie war es, die chemische Zusammensetzung von organischen Aerosolpartikeln aus dem Amazonas-Regenwald zu untersuchen. Dieses nahezu unberührte Ökosystem spielt eine Schlüsselrolle für das globale Klima, den Wasser- und Kohlenstoffkreislauf sowie die Artenvielfalt. Aus diesem Grund wurde das Amazon Tall Tower Observatory (ATTO) gegründet, um Langzeitmessungen der Atmosphäre zu ermöglichen. Zu unterschiedlichen Jahreszeiten und auf verschiedenen Höhen an ATTO wurden PM2.5 und größenaufgelöste Aerosolpartikel beprobt. Zur chemischen Charakterisierung des OA wurde Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) mit Elektrospray-Ionisation (ESI) UHRMS gekoppelt. Ein softwarebasierter, non-targeted Ansatz wurde in dieser Studie entwickelt und erfolgreich etabliert. In Kombination mit geeigneten Visualisierungstechniken (Van Krevelen, Kendrick-Massendefekt, Kohlenstoff-Oxidationszustand etc.) war es möglich, tausende organische Verbindungen auf molekularer Ebene zu identifizieren. Diesen konnten Summenformeln mit der elementaren Zusammensetzung CHO sowie möglichen Stickstoff- und/oder Schwefelfunktionalitäten zugeordnet werden. Die Verbindungen wurden hauptsächlich Oxidationsprodukten von Isopren und Monoterpenen (α-, β-Pinen, Limonen) zugeordnet, was die Relevanz biogener Emissionen im Amazonas Regenwald hervorhebt. Der Vergleich zwischen den Jahreszeiten hat große Unterschiede in der OA-Zusammensetzung ergeben. Die trockeneren Perioden zeichneten sich dabei durch stark oxidierte und gealterte organische Spezies aus. Zusätzlich wurde eine große Anzahl von aromatischen Verbindungen nachgewiesen, die meist mit der Verbrennung von Biomasse in Verbindung gebracht wurden. Im Gegensatz dazu waren die Regenzeiten durch weniger gealtertes OA und niedrige Partikelkonzentrationen gekennzeichnet. Während der zweiten Regenperiode wurden jedoch ebenfalls Aromaten nachgewiesen, die durch Verbrennungsprozesse entstehen, was auf einen zunehmenden Einfluss anthropogener Aktivitäten hindeutet. Darüber hinaus wurden höhenaufgelöste Quantifizierungen spezifischer Markerspezies durchgeführt, um lokale und regionale Einflüsse aufzulösen. Hierbei bestätigte sich das Blätterdach als Hauptquelle für biogene Emissionen.
Zusätzlich wurde die chirale Trennung beider Pinsäure-Enantiomere während der Studie erzielt. Die Analyse der Filterproben zeigte, dass das chirale Verhältnis mit zunehmender Höhe variiert. Ein ähnlicher Trend wurde für das Vorläufermolekül α-Pinen in der Gasphase beobachtet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die chirale Information auf die Partikelphase übertragen wird, da die atmosphärische Oxidation von α-Pinen ohne Stereopräferenz erfolgt. Somit kann das chirale Verhältnis der langlebigen Pinsäure in der Partikelphase für eine großräumige Einschätzung der Vorläuferemissionen herangezogen werden.