Technieken en Methoden BGC
Binnen de afdeling worden diverse analysetechnieken toegepast. Hieronder een overzicht van de meest gebruikte:
Metingen aan waterstof-isotopen (GC-TC-irMS)
De waterstofisotopenverhouding ( = de relatieve hoeveelheid deuterium (δD) uitgedrukt in ‰ ten opzichte van standaard gemiddeld oceaan water (VSMOW, Vienna Standard Mean Ocean Water)) van water is afhankelijk van verdamping en neerslag. Waterdamp bevat relatief weinig deuterium ( = lage/meer negatieve δD waarde) en het achterblijvende water wordt verrijkt in deuterium ( = hoge/meer positieve δD waarde). Zeewater verdampt voornamelijk op lage breedte graden, rond de evenaar, daar wordt het zeewater dus verrijkt in deuterium, de waterdamp verplaatst zich vervolgens naar hogere breedtegraden, de polen, en regent uit. De eerste regens, dichtbij de bron van de waterdamp, zijn verrijkt in deuterium, de waterdamp die achter blijft bevat dus steeds minder deuterium. Latere neerslag, verder van de bron, bevat dus steeds minder deuterium. Zoetwater van verschillende locaties op aarde heeft dus verschillende relatieve hoeveelheden deuterium of δD waarden. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt om de echtheid van producten te testen, komt Spaanse wijn uit Spanje, Griekse olijfolie uit Griekenland enz.
Op het NIOZ worden waterstofisotopen gebruikt om veranderingen in het klimaat en in oceaanstromingen in het verleden te reconstrueren. Door de waterstofisotopenverhouding van planten materiaal te meten kunnen we een idee krijgen van de balans tussen neerslag en verdamping daar waar die planten groeien of groeiden. Door nu van specifieke chemische fossielen, afkomstig van planten geïsoleerd uit sedimentkernen de waterstofisotopenverhouding te meten kunnen we dus veranderingen in neerslag versus verdamping in het verleden reconstrueren (voor een uitgebreide review zie Sachse et al., 2012).
Omdat zeewater bij verdamping, naast verrijkt in deuterium, ook zouter wordt en zoetwater erg weinig deuterium bevat, zijn het zoutgehalte en de δD waarde van zeewater met elkaar gecorreleerd. Helaas kunnen we niet de waterstofisotopenverhouding van zeewater uit het verleden meten, maar kunnen wel de δD waarde van chemische fossielen meten die specifiek zijn voor bepaalde algen die in dat water leefden. Uit kweekexperimenten is gebleken dat de waterstofisotopenverhouding van algen sterk gecorreleerd is met het zoutgehalte van het water waarin ze gekweekt zijn (Schouten et al., 2006). Ten eerste omdat ook de δD waarde van het water gecorreleerd is met het zoutgehalte, maar algen bouwen daarnaast ook meer deuterium in bij hogere zoutgehaltes of anders gezegd, algen fractioneren minder tegen deuterium als ze groeien bij hogere zoutgehaltes. De correlaties tussen δD en zoutgehalte en biologische fractionering en zoutgehalte kunnen nu gebruikt worden om het zoutgehalte in het verleden te reconstrueren (van der Meer et al., 2007) en daarmee veranderingen in oceaanstromingen in kaart te brengen.
Naast het gebruik voor het reconstrueren van het klimaat en oceaanstromingen in het verleden geeft de waterstofisotopenverhouding van organisch materiaal informatie over het metabolisme van de organismen die dat organisch materiaal hebben geproduceerd. Zo hebben organismen die licht gebruiken als energie en CO2 als koolstofbron een heel andere waterstofisotopenverhouding dan organismen die de oxidatie van bijvoorbeeld sulfide gebruiken als energiebron en ook CO2 als koolstof-bron en die is weer heel anders dan voor organismen die organisch materiaal oxideren voor energie en datzelfde organische materiaal gebruiken als koolstofbron. Met behulp van waterstofisotopen zouden ecosystemen getypeerd kunnen worden, ook die uit het verleden.
Om de waterstofisotopenverhouding van organisch materiaal te kunnen meten moet het bij zeer hoge temperaturen (ongeveer 1450°C) worden omgezet in waterstofgas (H2 of HD) en grafiet. Dit grafiet doet ook dienst als katalysator van deze omzetting. Voor individuele componenten worden deze eerst geëxtraheerd, opgeschoond en vervolgens gescheiden op een gas chromatische kolom voordat ze in een hoge temperatuur reactor worden omgezet in waterstofgas en grafiet.
Literatuur:
Sachse, D., I. Billault, G.J. Bowen, Y. Chikaraishi, T. Dawson, S. Feakins, K.H. Freeman, C. Magill, F.A. McInerney, M.T.J. van der Meer, P. Polissar, R. Robins, J.P. Sachs, H.-L. Schmidt, A. Sessions, J. White, J.B. West & A. Kahmen (2012). Molecular paleohydrology: interpreting the hydrogen-isotopic composition of lipid biomarkers from photosynthesizing organisms. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 40: 221-249.
Schouten, S., J. Ossebaar, K. Schreiber, M.V.M. Kienhuis, G. Langer, A. Benthien & J. Bijma (2006). The effect of temperature, salinity and growth rate on the stable hydrogen isotopic composition of long chain alkenones produced by Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanica. Biogeosciences 3: 113-119.
Van der Meer, M.T.J., M. Baas, W.I.C. Rijpstra, G. Marino, E.J. Rohling, J.S. Sinninghe Damsté & S. Schouten (2007) Hydrogen isotopic compositions of long-chain alkenones record freshwater flooding of the Eastern Mediterranean at the onset of sapropel deposition, Earth Planet. Sci. Lett. 262: 594-600.
Milieuchemie
Toenemende aantallen en hoeveelheden van polaire organische verontreinigende stoffen (b.v. pesticiden, farmaceutische producten, persoonlijke verzorgingsmiddelen) komen in het milieu terecht. Chemisch monitoren is essentieel voor de bescherming van het milieu tegen mogelijke negatieve effecten van deze stoffen. Passieve bemonsteringsapparaten (PBA’s) zijn krachtige hulpmiddelen voor controle van de chemische toestand van waterlichamen, omdat zij tijdgemiddelde concentraties meten bij lage detectiegrenzen en tegen relatief lage kosten, in vergelijking met steekmonsters. PBA’s bestaan uit een centrale sorptie fase, die wordt afgedekt door een membraan. Ze worden gedurende enkele weken tot maanden in het water weggezet.
 |
| Bemonsteringstechniek voor polaire organische contaminanten |
De opname van de verontreinigingen is recht evenredig met hun concentraties in water, maar is ook afhankelijk van omgevingsfactoren (bv watersnelheid, temperatuur, zoutgehalte, pH). Ons onderzoek richt zich op het inzicht in en de kwantificering van het effect van deze omgevingsfactoren, en op de ontwikkeling van methoden voor de in-situ kalibratie van PBA’s. Het doel van dit onderzoek is het verbeteren van de nauwkeurigheid en de precisie van PBA’s voor het meten van concentraties van polaire en apolaire organische verontreinigingen in mariene monitoringsprogramma's.
 |
| Het principe van een 'Polar Sampling Device (PSD)' |