| one publication added to basket [240955] | Environmental controls on the distribution of bacterial tetraether membrane lipids: Constraints on the MBT-CBT paleothermometer
Peterse, F. (2011). Environmental controls on the distribution of bacterial tetraether membrane lipids: Constraints on the MBT-CBT paleothermometer. PhD Thesis. [S.n.]: [s.l.]. ISBN 978-90-8570-839-1. 1-143 pp. hdl.handle.net/1874/208643
|  |
| Abstract |
Vertakte glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs) zijn membraanlipiden van bacteriën die voorkomen in bodems, veen, en mariene sedimenten. De moleculaire structuur van de vertakte GDGTs varieert in de hoeveelheid methylgroepen (4 tot 6) en cyclopentaangroepen (tot 2) die de vertakte GDGT bevat. Uit een empirisch onderzoek van meer dan 130 bodems is gebleken dat de samenstelling van vertakte GDGTs in bodems vooral afhankelijk is van de jaargemiddelde luchttemperatuur (MAT) en van de pH van de bodem. Deze relaties kunnen worden uitgedrukt in de ‘Methylation of Branched Tetraethers’ (MBT) index en de ‘Cyclisation of Branched Tetraethers’ (CBT) index. De CBT index is gerelateerd aan bodem pH, terwijl de MBT index een verband vertoont met zowel MAT als, hoewel in mindere mate, bodem pH. De combinatie van de twee indices kan gebruikt worden als proxy for paleotemperatuur en –pH: de zogenaamde MBT-CBT proxy. Vertakte GDGTs worden, met ander bodemmateriaal, door erosie via rivieren naar zee getransporteerd, waar ze worden afgezet in het kustgebied. Bestudering van veranderingen in de samenstelling van vertakte GDGTs in een afzetting van kustsedimenten kan leiden tot een reconstructie van temperatuurveranderingen in het stroomgebied van de rivier in het verleden. Voordat de MBT-CBT proxy algemeen kan worden toegepast, zal eerst het precieze effect van de omgevingsfactoren op de samenstelling van de vertakte GDGTs en de mogelijke grenzen aan de toepasbaarheid van de proxy verder onderzocht moeten worden.De invloed van MAT en bodem pH op de samenstelling van vertakte GDGTs, en dus op de MBT-CBT proxy, is op verschillende manieren onderzocht. Het directe effect van temperatuurveranderingen is vastgesteld door het analyseren van vertakte GDGTs in bodems bemonsterd langs een rechte lijn steeds verder van twee warmwaterbronnen af. De samenstelling van vertakte GDGTs in deze geothermische verwarmde bodems veranderde duidelijk; de MBT index nam af met toenemende afstand van de bron, en dus met afnemende bodemtemperatuur. De helling van de relatie die dit verband beschrijft, is vergelijkbaar met die gebaseerd op de mondiale bodemkalibratieset, het snijpunt met de y-as is echter anders. Dit verschil wordt wellicht verklaard door het gebruik van in situ bodemtemperatuur voor de relatie in deze studie, terwijl MAT is gebruikt in de mondiale kalibratie van de MBT-CBT proxy.De invloed van de pH van de bodem op de mate van cyclisatie en de concentratie van vertakte GDGTs is vervolgens getest in bodems afkomstig van een veldexperiment, waarin de pH van elk proefveld al gedurende decennia kunstmatig constant wordt gehouden. De pH van de verschillende proefvelden varieerde tussen de 4.5 en 7.5. Bepaling van de samenstelling van zowel de core tetraethers (CLs) alsmede de intacte polaire tetraethers (IPLs), waar nog een polaire groep aan de kop van de tetraether vast zit, in deze bodemmonsters laat zien dat de CBT index waarden significant gerelateerd zijn met de gemeten bodem pH. Dit wijst erop dat bodem pH direct van invloed is op de samenstelling van vertakte GDGTs. Daarnaast zijn de met de CBT index berekende pH waarden nagenoeg gelijk aan de gemeten bodem pH. Bodem pH bleek ook de concentratie van vertakte GDGTs in de bodem te beïnvloeden, aangezien de hoeveelheid vertakte GDGTs afnam met toenemende pH. Van Acidobacteriën, gesuggereerd als mogelijke producenten van vertakte GDGTs, is bekend dat zij ook in hogere aantallen voorkomen bij afnemende pH, hetgeen deze suggestie ondersteunt.De samenstelling van vertakte GDGTs in bodems op de helling van de Gongga berg in China laat zien dat zelfs wanneer er meerdere veranderende omgevingsfactoren een rol spelen, het grootste deel van de variatie in de samenstelling van vertakte GDGTs toch kan worden verklaard door MAT en bodem pH. OnSamenvattingdanks de aanzienlijke spreiding in de data, is de op MBT-CBT gebaseerde verticale temperatuurgradiënt nagenoeg gelijk aan de adiabatische afkoeling van de atmosfeer met toename in hoogte. Deze (indirecte) relatie van vertakte GDGTs met hoogte suggereert dat de MBT-CBT proxy in bodems mogelijk ook gebruikt kan worden als proxy voor paleohoogte, als aanvulling op dD waarden van plantwassen. Om de geschiktheid van deze methode te testen, werden zowel vertakte GDGTs als de dD van plantwassen gemeten in bodems van de hellingen van de Gongga berg en de Kilimanjaro (Tanzania). De resultaten laten zien dat beide proxies weliswaar hun onzekerheden hebben, maar dat de combinatie van de proxies kan leiden tot betrouwbaardere reconstructies van de paleohoogte.Over het algemeen wordt de beste correlatie gevonden tussen de MBT-CBT proxy en de jaarlijkse MAT, al wordt in meerdere studies gesuggereerd dat de met de proxy berekende temperaturen een afwijking richting een bepaald seizoen laten zien, mogelijk veroorzaakt door een periode van optimale groeiomstandigheden voor de bacteriën die vertakte GDGTs produceren. Om deze reden zijn de samenstelling en de concentratie van zowel CL als IPL-afkomstige vertakte GDGTs in bodems op acht verschillende locaties over de loop van een jaar gemeten. De met de MBT-CBT proxy berekende temperaturen zijn op alle locaties het hele jaar door constant, en ook de concentraties van de vertakte GDGTs (zowel CL als IPL-afkomstig) variëren niet met de seizoenen. Uit deze resultaten blijkt dat seizoenen MBT-CBT-gebaseerde temperaturen niet beïnvloeden, en dat de omzettingstijd van vertakte GDGTs in bodems in elk geval langer is dan een jaar.De samenstelling van vertakte GDGTs in bodems en fjord sediment op en rond Svalbard is bestudeerd om na te gaan of de MBT-CBT proxy ook toepasbaar is in Arctische gebieden, gekenmerkt door een lage MAT, en om te bepalen of de samenstelling van vertakte GDGTs in mariene sedimenten wel overeenkomt met die in de bodem op het nabije continent. Hoewel de concentratie van vertakte GDGTs in de bodems door het koude klimaat en de geringe mate van bodemvorming relatief laag is, komt de met de MBT-CBT berekende MAT goed overeen met de gemeten MAT (respectievelijk rond de -4°C en -6°C). De samenstelling van vertakte GDGTs in het sediment in het fjord is daarentegen heel anders dan die in de bodems, en wordt gedomineerd door vertakte GDGTs met een cyclopentaangroep. Deze afwijkende samenstelling heeft onrealistische MAT waarden tot gevolg en suggereert dat tenminste een deel van de vertakte GDGTs in kustgebieden, die weinig organisch bodemmateriaal van het land ontvangen, in situ geproduceerd moet zijn. Het wordt daarom aanbevolen om de MBT-CBT proxy alleen toe te passen in mariene sedimenten waar er voldoende aanvoer is van organische stof uit bodems ten opzichte van de hoeveelheid aanwezig marien organisch materiaal, zoals bijvoorbeeld bij riviermondingen het geval is.Meer informatie over de mogelijke herkomst van vertakte GDGTs kan voortkomen uit de analyse van IPL-vertakte GDGTs. Met gebruik van massaspectrometrie zijn IPL-vertakte GDGTs met verschillende suiker- en fosfaatgroepen, of combinaties daarvan, geïdentificeerd in een Zweeds veen. Met de ontwikkeling van een Selected Reaction Monitoring (SRM) methode zijn vervolgens veranderingen in de samenstelling van deze hoofdgroepen met diepte in het Zweedse veen bepaald. De IPLs zijn in een hogere concentratie aanwezig in het veen onder de waterspiegel, hetgeen suggereert dat ze voornamelijk in dit deel van het veen worden geproduceerd. Dit werd bevestigd door de absolute gesommeerde hoeveelheden CL en IPL-afkomstige vertakte GDGTs, die ook in concentratie toenemen onder de waterspiegel. De verschillende IPL-vertakte GDGTs volgen elk een andere trend met diepte, maar in het algemeen neemt de concentratie van fosfolipiden meer toe met diepte dan die van glycolipiden. De hogere concentratie van de relatief minder stabiele fosfolipiden impliceert dat vertakte GDGTs naar alle waarschijnlijkheid wordengeproduceerd door anaërobe bacteriën in het anoxische gedeelte van het veen. Vergelijking van de trends van de IPLs met 16S rRNA data doet vermoeden dat vertakte GDGTs worden geproduceerd door Acidobacteriën. De toepassing van de SRM methode op twee verschillende bodems liet zien dat de meeste van de in het veen geïdentificeerde IPLs ook hier aanwezig zijn, hoewel in een andere samenstelling.Voor een MBT-CBT rekalibratie studie zijn alle tot nu toe op vertakte GDGTs geanalyseerde bodems toegevoegd aan de initiële mondiale bodemset die de basis vormde voor de ontwikkeling van de MBT-CBT proxy. Slechts 26% van de 278 bodems bevatte alle negen individuele vertakte GDGTs. Om deze reden werden alle bodems die de zeven meest voorkomende vertakte GDGTs bevatten geselecteerd voor de nieuwe kalibratie. Regressieanalyse leverde een nieuwe functie op om pH en MAT te berekenen met behulp van de CBT index en een aangepaste MBT index (MBT’): pH = 7.90 – 1.97×CBT (r2=0.70, RSME=0.8) en MAT = 0.81 – 5.67×CBT + 31.0×MBT’ (r2=0.59, RSME=5.0 °C, n=176). De determinatiecoëfficiënt van de nieuwe MAT-functie is lager dan die van de originele functie. Andere, op statistische methoden gebaseerde functies, verbeterden de determinatiecoëfficiënt maar in geringe mate, terwijl de mathematische opbouw van deze functies niet direct kan worden verklaard met de veronderstelde achterliggende fysiologische mechanismen. Lokale omgevingsfactoren of de invloed van seizoenen kunnen de overgebleven variatie in de kalibratie niet verklaren, maar berekende MATs voor bodems uit droge gebieden zijn vaak relatief te laag ten opzichte van gemeten MAT. Dit wijst er op dat voorzichtigheid geboden is bij de interpretatie van de absolute, op vertakte GDGTs gebaseerde temperaturen voor zulke gebieden. De toepassing van de nieuwe MAT-functie op reeds gepubliceerde MBT-CBT paleotemperatuurreconstructies laat zien dat de trends niet veranderen, maar dat de absolute temperaturen en de amplitude van de temperatuurveranderingen over het algemeen iets lager worden, maar nog wel in overeenstemming zijn met onafhankelijke proxy data.De toepassing van de MBT-CBT proxy op een loess-paleosol sequentie in China resulteerde in een reconstructie van de paleotemperatuur van de laatste 34 duizend jaar. De reconstructie laat zien dat veranderingen in luchttemperatuur in fase liepen met de zomerinsolatie op het noordelijk halfrond en toont aan dat de opwarming van de atmosfeer na de laatste deglaciatie rond 19 duizend jaar geleden begon, hetgeen overeenkomt met de uitkomst van andere studies die de continentale luchttemperatuur reconstrueren. Een vergelijking van de temperatuurreconstructie, gebaseerd op vertakte GDGTs, met neerslagreconstructies voor oost Azië, gebaseerd op zuurstofisotopen in stalagmieten, liet zien dat de zomermoeson pas sterker werd nadat de atmosfeer opwarmde. Dit wijst erop dat beide processen waarschijnlijk gedreven zijn door verschillende factoren.Concluderend kan gesteld worden dat de data die in dit proefschrift worden gepresenteerd laten zien dat temperatuur en bodem pH inderdaad de belangrijkste factoren zijn die de samenstelling van vertakte GDGTs in bodems bepalen, en dat de MBT en CBT indices geschikt zijn als paleothermometer en proxy voor bodem pH in bodems en in mariene sedimenten in kustgebieden die voldoende bodem organisch materiaal ontvangen. Toch is voorzichtigheid geboden bij de interpretatie van de absolute MAT waarden die met behulp van deze proxy worden gegenereerd. |
|
