Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-6749
Authors: Heidke, Inken
Title: Method development and application of quantitative analysis of lignin oxidation products as vegetation biomarkers in speleothems and cave drip water
Online publication date: 23-Feb-2022
Year of first publication: 2022
Language: english
Abstract: Klimaarchive, wie z.B. Eisbohrkerne, Sedimente und Speläotheme, konservieren In- formationen über das Klima und die Vegetation der Vergangenheit. Speläotheme haben gegenüber anderen Klimaarchiven bestimmte Vorteile: Sie kommen auf allen Kontinenten außer der Antarktis vor, können über mehrere tausend Jahre kontinuier- lich und ohne Verlust der Zeitauflösung wachsen, und sie lassen sich mit der 230 Th-U- Methode präzise auf bis zu 640000 Jahre vor unserer Zeit datieren. Die am häufigsten verwendeten Stellvertretersubstanzen (Proxies) in Speläothemen sind stabile Isoto- penverhältnisse, wie z.B. δ 13 C und δ 18 O, sowie Spurenelemente. In den letzten Jahren haben jedoch organische Proxies und Multi-Proxy-Ansätze zunehmend an Aufmerk- samkeit gewonnen. Lignin ist ein Biopolymer, das ausschließlich in Gefäßpflanzen produziert wird. Es besteht hauptsächlich aus drei phenolischen Monomeren, deren Verhältnis sich zwischen angiospermen und gymnospermen Pflanzen sowie zwischen verholzter und nicht verholzter Vegetation unterscheidet. Somit liefert die Analyse von Lignin nicht nur Informationen über die Vegetationsdichte, sondern auch über die Art der Vegetation, und eignet sich daher besonders gut als Vegetationsproxy in Klimaarchiven. Folglich ist die Verwendung von Ligninphenolen als Vegetations- proxies in Sedimenten, Torfbohrkernen und natürlichen Gewässern weit verbreitet. In Speläothemen dagegen wurden Ligninphenole zwar bereits nachgewiesen, aber es wurde noch keine quantitative Analyse von Ligninphenolen in Speläothemen durch- geführt. Da die Konzentration an organischem Material in Speläothemen sehr gering ist, ist eine sehr empfindliche und nachweisstarke Analysemethode erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine selektive und empfindliche Methode für die quantitative Analyse von Ligninphenolen in Speläothemen, Höhlentropfwasser und Bodenproben entwickelt. Die Speläothemproben wurden in Säure aufgelöst und die saure Lösung durch Festphasenextraktion (SPE) extrahiert. Das in den Extrak- ten enthaltene polymere Lignin wurde mittels CuO-Oxidation oxidativ in monome- re Ligninoxidationsprodukte (LOPs) aufgespalten. Die LOPs wurden anschließend durch SPE extrahiert und angereichert und schließlich mittels Ultra-Hochleistungs- Flüssigchromatographie gekoppelt an Elektrospray-Ionisation und hochauflösende Massenspektrometrie (UHPLC-ESI-HRMS) analysiert. Außerdem wurde eine elek- trolytische Methode für den oxidativen Abbau von Lignin als Alternative zur CuO- Oxidation entwickelt, jedoch waren die LOP-Ausbeuten aus Speläothemproben nicht zufriedenstellend und es kam zu Problemen durch eine Überoxidation der freige- setzten LOPs. Alle Probenvorbereitungs- und Analyseschritte wurden optimiert und an die niedrigen Konzentrationen organischen Materials in Speläothemen und Höh- lentropfwasser angepasst. Die Methode wurde erfolgreich getestet und validiert und zeigte eine ausreichende Empfindlichkeit um selbst Spurenkonzentrationen von Lignin nachzuweisen, wobei Nachweisgrenzen im niedrigen ng/g-Bereich erreicht wurden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die entwickelte Analysemethode dann auf ver- schiedene Speläothem-, Boden- und Tropfwasserproben angewendet. Die Ergebnisse wurden mit Daten von stabilen Isotopen und Spurenelementen sowie mit bekann- ten Klima- und Vegetationsveränderungen verglichen und korreliert. Die erste Probe war ein 11000 Jahre alter Stalagmit aus dem Holozän aus der Herbstlabyrinthhöhle in Deutschland. Zusätzlich wurde im Rahmen eines Höhlenmonitoring-Programms monatlich Tropfwasser aus der gleichen Höhle beprobt und auf LOPs analysiert, um jahreszeitliche Schwankungen des Lignineintrags zu untersuchen. Die Ergebnis- se zeigten, dass die LOP-Signale im Stalagmiten eine signifikante zeitliche Variation auf der Zeitskala von Jahrhunderten bis Jahrtausenden aufwiesen. Die Gesamt-LOP- Konzentration, Σ8, im Stalagmit war mit den Konzentrationen von Phosphor, Barium und Uran korreliert, welche in früheren Studien als Vegetationsproxies interpretiert wurden. Der klare Vorteil von Σ8 im Vergleich zu diesen Spurenelementen besteht darin, dass das Lignin ausschließlich von höheren Pflanzen und nicht z.B. von Mikro- organismen oder dem Wirtsgestein stammt. Daher kann Σ8 dazu beitragen, potenzi- elle Vegetationsproxies mit weniger eindeutigen Quellen besser zu interpretieren. Die Analyse des Höhlentropfwassers zeigte einen saisonalen Verlauf mit höheren LOP- Konzentrationen im Sommer und niedrigeren Konzentrationen im Winter. In zwei weiteren Anwendungsbeispiele wurde das Potenzial der LOPs als Vegetationspro- xies anhand spezifischer Fragen der Paläovegetationsforschung untersucht. Das erste Beispiel war ein kleiner, nur 200 Jahre alter Stalagmit aus der Zoolithenhöhle in Deutschland. Aus historischen Quellen war in der Gegend um die Zoolithenhöhle ei- ne schnelle Vegetationsänderung von Grasland zu Laubwald bekannt. Im Stalagmiten konnte jedoch bei den etablierten Vegetationsproxys, wie z.B. δ 13 C, keine signifikante Veränderung der gemessenen Signale festgestellt werden. Die LOP-Signale hingegen konnten diese Vegetationsänderung sichtbar machen, und zwar sowohl in der Gesamt- LOP-Konzentration, Σ8, als auch in den LOP-Verhältnissen C/V und S/V, welche Aufschluss über die Art der Vegetation geben. Im zweiten Beispiel wurden mehrere Proben eines Flowstones aus der Cueva Victoria im Südosten Spaniens analysiert. Die Proben stammten aus drei verschiedenen geologischen Epochen: dem Holozän, der letzten Eiszeit und dem Eem-Interglazial. Die δ 13 C-Verhältnisse zeigten in diesen Flowstones mehrere ausgeprägte Schwankungen, welche als schnelle Verschiebungen zwischen feuchteren und trockeneren Klimaperioden interpretiert wurden, durch die sich auch die Art und Dichte der Vegetation veränderte. Die LOP-Analyse dieser Proben konnte die vermuteten Vegetationsveränderungen bestätigen und damit die Gesamtinterpretation zuverlässiger machen. Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit war es, besser zu verstehen, wie das Lignin aus dem Boden durch das Karstsystem in die Höhle transportiert wird und welche Rolle dabei z.B. der mikrobielle Abbau des Lignins oder die Wechselwirkung mit mineralischen Partikeln spielen. Diese Mechanismen scheinen einen größeren Einfluss auf die Ligninverhältnisse C/V und S/V zu haben. Insbesondere sollte die Frage be- antwortet werden, ob die ursprüngliche Ligninzusammensetzung, welche direkt von der Art der über der Höhle befindlichen Vegetation abhängt, trotz der unterschied- lichen Einflüsse von Transport und Abbau bewahrt bleibt und aus der Analyse der Speläothemproben erhalten werden kann. Dazu wurde eine systematische Vergleichsstudie mit Proben aus vier verschiedenen Höhlen aus verschiedenen Vegetationszo- nen in Neuseeland durchgeführt. Aus jeder Höhle wurden Boden-, Tropfwasser- und Speläothemproben analysiert und die Ligninzusammensetzung verglichen. Die Ergeb- nisse zeigten, dass trotz der diversen Einflüsse des Transports, des Abbaus und der Adsorption an Mineralien der "Fingerabdruck"der darüber liegenden Vegetation in der in den Speläothemen eingeschlossenen Ligninzusammensetzung erhalten bleibt. Die Ergebnisse zeigten aber auch, dass die C/V- und S/V-Verhältnisse des Lignins in den Speläothemen nicht als absolute Werte angesehen werden können, aus denen sich direkt ein bestimmter Pflanzentyp ableiten ließe, da die Prozesse während des Transports die C/V- und S/V-Verhältnisse signifikant verändern können. Die relati- ven Variationen, die durch die Veränderung der Vegetation über die Zeit an einem Höhlenstandort verursacht werden, werden jedoch wahrscheinlich im Lignin des Spe- läothems bewahrt, solange sich die Transportprozesse und -bedingungen oberhalb der Höhle nicht zu stark verändern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Analyse von Ligninoxidationsproduk- ten einen neuen und hochspezifischen Vegetationsproxy zur Rekonstruktion der Pa- läovegetation und des Paläoklimas aus Speläothem-Archiven liefert. Damit steht ein weiteres, neues Werkzeug in der “Proxy-Toolbox” zur Verfügung, mit dem die In- terpretation anderer Proxies insbesondere in Multi-Proxy-Ansätzen verbessert wer- den kann. Die Anwendung der in dieser Arbeit entwickelten Methode auf weitere Speläothem- und Tropfwasserproben aus verschiedenen Vegetationszonen und kli- matischen Bedingungen kann zudem das Verständnis des Transports organischen Materials vom Boden in das Höhlensystem verbessern.
Climate archives, such as ice cores, sediments and speleothems, preserve information on the climate and the vegetation of the past. Speleothems have certain advantages over other climate archives: they occur on all continents except Antarctica, can grow continuously for several thousand years without a loss in time resolution, and can be accurately dated up to 640000 years before present using the 230 Th-U method. The most commonly used proxies in speleothems are stable isotope ratios, such as δ 13 C and δ 18 O, and trace elements. In recent years, however, organic proxies and multi-proxy approaches have gained increasing attention. Lignin is a biopolymer that is produced exclusively in vascular plants. It mainly consists of three phenolic monomers, whose proportion differs between angiosperm and gymnosperm plants and between woody and non-woody vegetation. This makes lignin particularly suitable as a vegetation proxy in climate archives, as its analysis provides not only information on the vegetation density, but also on the type of vegetation. Consequently, lignin phenols are widely used as vegetation proxies in sediments, peat cores and natural waters. Although they have already been detected in speleothems, a quantitative analysis of lignin phenols in speleothems has not yet been performed. Since the concentrations of organic matter enclosed in speleothems is very low, a sensitive analytical method is required. In the first part of this work, a selective and sensitive method for the quantita- tive analysis of lignin phenols in speleothems, cave dripwater and soil samples was developed. The speleothem samples were dissolved in acid and the acidic solution extracted by solid phase extraction (SPE). The polymeric lignin contained in the extracts was oxidatively degraded into monomeric lignin oxidation products (LOPs) using CuO oxidation. The LOPs were then extracted and enriched by SPE and finally analyzed using ultrahigh-performance liquid chromatography coupled to elec- trospray ionization high-resolution mass spectrometry (UHPLC-ESI-HRMS). As an alternative to the CuO oxidation, an electrolytic method for the oxidative degrada- tion of lignin was developed as well, but the LOP yields obtained from speleothem samples were not satisfactory and over-oxidation of the released LOPs was a problem. All sample preparation and analysis steps were optimized and adjusted to the low concentrations of organic matter in speleothems and cave dripwater. The method was successfully tested and validated and showed sufficient sensitivity to detect even trace concentrations of lignin, with detection limits in the low ng/g range reached. In the second part of this work, the developed analytical method was then applied to different speleothem, soil and dripwater samples. The results were compared and correlated with data from stable isotopes and trace elements as well as with known climate and vegetation changes. The first sample was an 11000 years old Holocene stalagmite from the Herbstlabyrinth Cave in Germany. In addition, dripwater from the same cave was sampled monthly in the framework of a cave monitoring program and analyzed for LOPs in order to study seasonal variations in lignin input. The results showed that the LOP signals in the stalagmite had a significant variation over time on the centennial to millennial timescale. The total LOP concentration, Σ8, in the stalagmite was correlated to phosphorous, barium and uranium concentrations, which have been interpreted as vegetation proxies in previous studies. The clear benefit of Σ8 compared to these trace elements is that the sources of lignin are exclusively higher plants and not, for example, microorganisms or the host rock. Therefore, Σ8 can help to better interpret potential vegetation proxies whose sources are less clear. The analysis of the cave dripwater showed a seasonal pattern with higher LOP concentrations in summer and lower concentrations in winter. Two further application examples were carried out to test the potential of LOPs as a vegetation proxy by means of specific paleo-vegetation research questions. The first example was a small, only 200 years old stalagmite from the Zoolithen Cave in Germany. A rapid vegetation change from grassland to deciduous forest in the landscape around the Zoolithencave was known from historical sources, but the es- tablished vegetation proxies such as δ 13 C did not show a significant change in their signals recorded in the stalagmite. The LOP signals, in contrast, were able to record this vegetation change both in the total LOP concentration, Σ8, and in the LOP ratios C/V and S/V, which indicate the type of vegetation. In the second exam- ple, several samples from a flowstones from the Cueva Victoria in southeast Spain were analyzed. The samples date from three different geological eras: the Holocene, the Last Glacial Period and the Eemian interglacial. The δ 13 C records of these flow- stones showed several large excursions, which were interpreted as rapid shifts between more humid and more arid climate periods, resulting in a change in vegetation type and density. The LOP analysis of these samples was able to confirm the suspected vegetation changes, thus making the interpretation more robust. Another important goal of this work was to better understand the mechanisms of lignin transport from the soil through the karst system into the cave, for example the influences of microbial degradation and the interaction of lignin with mineral parti- cles. These effects seem to have a larger influence on the lignin ratios C/V and S/V. In particular, the question was to be answered whether the original source-dependent signal of the overlying vegetation is preserved despite the different influences of trans- port and degradation and can be recovered from the speleothem samples. Therefore, a systematic comparative study was carried out in four different caves from different vegetation zones in New Zealand. From each cave, soil, drip water and speleothem samples were analyzed and the lignin composition compared. The results showed that despite the various influences of transport, degradation and adsorption to minerals, the “fingerprint” of the overlying vegetation is preserved in the lignin composition enclosed in the speleothems. They also demonstrated, though, that the C/V and S/V ratios of lignin in speleothems cannot be considered absolute values indicative of specific plant types, since the processes during transport can significantly alter the C/V and S/V ratios. However, the relative changes caused by the temporal change of vegetation at the same cave site are likely to be preserved in the speleothem lignin as long as the transport processes and conditions above the cave do not change too much. In conclusion, the analysis of lignin oxidation products provides a new and highly specific vegetation proxy for the reconstruction of paleo-vegetation and paleo-climate from speleothem archives, which can expand the proxy toolbox and improve the interpretation of other proxies, especially in multi-proxy approaches. In addition, the appliction of the method developed in this work to further speleothem and drip water samples from different vegetation zones and climatic conditions can improve the understanding of organic matter transport from the soil to the cave system.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-6749
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-6009c05f-50bc-4a10-bf19-257a633602450
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC BY
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent: XVI, 191 Seiten
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