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Liberation of low molecular weight organic acids from sedimentary organic matter and their role on microbial activity

  • Low molecular weight organic acids (LMWOAs) are important nutrients for microbes. However, most LMWOAs do not exist freely in the environment but are bound to macromolecular organic matter, e.g. kerogen, lignite and coal. During burial and geological maturation of sedimentary macromolecular organic matter biological and abiological processes promote the liberation of LMWOAs into the surrounding sediment. Through this process, microbes in sedimentary subsurface environments are supplied with essential nutrients. To estimate the feedstock potential of buried macromolecular organic matter to many environments it is important to determine the amount of LMWOAs that are bound to such a matrix. However, high-pressure and high temperature are a key feature of deep subsurface environments, and these physical parameters have a profound influence on chemical reaction kinetics. Therefore it is essential for the estimation of the feedstock potential to generate high-pressure and high temperature for the liberation of LMWOAs to recreate trueLow molecular weight organic acids (LMWOAs) are important nutrients for microbes. However, most LMWOAs do not exist freely in the environment but are bound to macromolecular organic matter, e.g. kerogen, lignite and coal. During burial and geological maturation of sedimentary macromolecular organic matter biological and abiological processes promote the liberation of LMWOAs into the surrounding sediment. Through this process, microbes in sedimentary subsurface environments are supplied with essential nutrients. To estimate the feedstock potential of buried macromolecular organic matter to many environments it is important to determine the amount of LMWOAs that are bound to such a matrix. However, high-pressure and high temperature are a key feature of deep subsurface environments, and these physical parameters have a profound influence on chemical reaction kinetics. Therefore it is essential for the estimation of the feedstock potential to generate high-pressure and high temperature for the liberation of LMWOAs to recreate true in-situ conditions. This work presents a newly developed, inexpensive incubation system for biological and geological samples. It allows the application of high-pressure and high temperature as well as a subsampling of the liquid phase without loss of pressure, thereby not disturbing the on-going processes. When simulating the liberation of LMWOAs from sedimentary organic matter, the newly developed incubation system produces more realistic results than other extraction systems like Soxhlet. The extraction products remain in the extraction medium throughout the extraction, influencing the chemical conditions of the extraction medium. Sub-bituminous coal samples from New Zealand as well as lignite samples from Germany were extracted at elevated temperature (90˚C) and pressure (5 MPa). The main LMWOAs released from these low rank coals were formate, acetate and oxalate. Extraction efficiency was increased by two to four times for formate, acetate and oxalate in comparison to existing extraction methods without pressurisation and with demineralised water. This shows the importance of pressure for the simulation of true in-situ conditions and suggests that the amount of bioavailable LMWOAs is higher than previously thought. With the increase in carbon capture and storage (CCS) and the enhanced recovery of oil and gas (EOR/EGR), more and more CO2 becomes injected into the underground. However, the effects of elevated concentrations of carbon dioxide on sedimentary organic matter are rarely investigated. As the incuabtion system allows the manipulation of the composition and partial pressure of dissolved gasses, the effect of highly gas-enriched (CO2, CO2/SO2, CO2/NO2; to simulate flue gas conditions) waters on the extraction yield of LMWOAs from macromolecular organic matter was evaluated. For sub-bituminous coal the concentrations of all LMWAOs decreased upon the addition of gas, irrespective of its composition, whereas for lignite formate always and acetate mostly increased, while oxalate decreased. This suggests an positive effect on the nutrient supply for the subsurface microbiota of lignite layers, as formate and acetate are the most common LMWOAs used for microbial metabolism. In terrestrial mud volcanoes (TMVs), sedimentary material is rapidly ascending from great depth to the surface. Therefore LMWOAs that were produced from buried macromolecular organic matter at depth are also brought up to the surface, and fuel heterotrophic microbial ecosystems at the surface. TMVs represent geochemically and microbiologically diverse habitats, which are supplied with organic substrates and electron acceptors from deep-seated hydrocarbon-generating systems and intersected shallow aquifers, respectively. The main electron donor in TMVs in Azerbaijan is sulphate, and microbial sulphate reduction leads to the production of a wide range of reduced sulphur species that are key players in several biological processes. In our study we estimated the effect of LMWOAs on the sulphur metabolising activity of microorganims in TMVs from Azerbaijan. The addition of a mixture of volatile fatty acids containing acetate and other LMWOAs showed significant positive response to the sulphate reduction rate (SRR) of samples of several mud volcanoes. Further investigations on the temperature dependency of the SRR and the characterisation of thermophilic sulphate-reducing bacteria (SRB) showed a connection between the deep hot subsurface and the surface.show moreshow less
  • Niedermolekulare organische Säuren (nachfolgend als LMWOAs - low molecular weight organic acids - bezeichnet) stellen wichtige mikrobielle Substrate dar. Jedoch liegen die meisten LMWOAs nicht in freier, bioverfügbarer Form vor, sondern sind vielmehr an hochmolekulare organische Substanzen gebunden, z.B. Kerogen, Lignit und Kohle. Während der geologischen Verbringung in tiefe Erdschichten und der geologischen Reifung von sedimentären hochmolekularen organischen Substanzen, führen biologische und abiologische Prozesse zu einer Freisetzung von LMWOAs in die umgebenden Sedimente. Durch diesen Prozess werden Mikroorganismen in unterirdischen sedimentären Ökosystemen mit essentiellen Nährstoffen versorgt. Um das Nährstoffpotential tief liegender hochmolekularer organischer Substanzen für diverse Ökosystemen abschätzen zu können, ist es notwendig, die Menge an LMWOAs, die an solch eine hochmolekulare Matrix gebunden ist, zu bestimmen. Dabei stellen hoher Druck sowie hohe Temperatur entscheidende Faktoren in tiefen unterirdischen ÖkosystemenNiedermolekulare organische Säuren (nachfolgend als LMWOAs - low molecular weight organic acids - bezeichnet) stellen wichtige mikrobielle Substrate dar. Jedoch liegen die meisten LMWOAs nicht in freier, bioverfügbarer Form vor, sondern sind vielmehr an hochmolekulare organische Substanzen gebunden, z.B. Kerogen, Lignit und Kohle. Während der geologischen Verbringung in tiefe Erdschichten und der geologischen Reifung von sedimentären hochmolekularen organischen Substanzen, führen biologische und abiologische Prozesse zu einer Freisetzung von LMWOAs in die umgebenden Sedimente. Durch diesen Prozess werden Mikroorganismen in unterirdischen sedimentären Ökosystemen mit essentiellen Nährstoffen versorgt. Um das Nährstoffpotential tief liegender hochmolekularer organischer Substanzen für diverse Ökosystemen abschätzen zu können, ist es notwendig, die Menge an LMWOAs, die an solch eine hochmolekulare Matrix gebunden ist, zu bestimmen. Dabei stellen hoher Druck sowie hohe Temperatur entscheidende Faktoren in tiefen unterirdischen Ökosystemen dar, welche einen signifikanten Einfluss auf chemische Reaktionen haben. Daher ist es für die Abschätzung des Nährstoffpotentials entscheidend, hohen Druck und hohe Temperatur bei der Freisetzung von LMWOAs zu erzeugen, um wahre in situ Bedingungen zu schaffen. In der vorliegenden Arbeit wird ein neu entwickeltes, preiswertes Inkubationssystem für biologische und geologische Proben präsentiert. Es erlaubt die Verwendung von hohem Druck als auch hoher Temperatur sowie eine Unterprobennahme der flüssigen Phase ohne Druckverlust, um den fortlaufende Prozess nicht zu unterbrechen. Bei der Simulierung der Freisetzung von LMWOAs aus sedimentären organischen Substanzen erhält man mit dem neu entwickelten Inkubationssystem realistischere Resultate als mit anderen Extraktionssystemen, wie z.B. eine Soxhlet-Apparatur. Die Extraktionsprodukte verbleiben während der Extraktion im Extraktionsmedium, wodurch die chemischen Bedingungen verändert werden. Kohleproben aus Neuseeland sowie aus Deutschland wurden mittels erhöhter Temperatur (90°C) und Druck (5 MPa) extrahiert. Die wichtigsten LMWOAs, die aus diesen Kohlen freigesetzt wurden, waren Formiat, Acetat und Oxalat. Die Extraktionseffizienz für diese LMWOAs konnte im Vergleich zu existierenden Extraktionsmethoden ohne Druck um den Faktor 2 bis 4 gesteigert werden. Dies zeigt die Bedeutung von Druck bei der Simulation von in situ Bedingungen und legt nahe, dass die Menge an bioverfügbaren LMWOAs größer ist als bisher angenommen. Durch die Zunahme der CO2-Speicherung im Untergrund (carbon capture and storage, CCS) sowie der erweiterten Förderung von Öl und Gas (enhanced recovery of oil and gas, EOR/EGR) wird immer mehr CO2 in den Untergrund gepresst. Jedoch sind die Auswirkungen von erhöhten CO2-Konzentrationen auf sedimentäre organische Materie noch unerforscht. Da mit dem Inkubationssystem die Veränderung der Zusammensetzung und des Partialdruckes von gelösten Gasen möglich ist, wurde der Effekt von hoch mit Gasen (CO2, CO2/SO2, CO2/NO2; um Kraftwerksabgase zu simulieren) angereicherten Wässern auf die Extraktionsausbeute von LMWOAs untersucht. Bei der subbituminösen Kohle zeigte sich eine Abnahme aller LMWOAs-Konzentrationen durch die Lösung von Gas im Extraktionsmedium, wobei die Art des Gases keine Rolle spielte. Bei Lignit konnte hingegen festgestellt werden, dass die Extraktionsausbeute an Formiat immer und an Acetat meistens erhöht wurde, während sie sich bei Oxalat verringerte. Dies deutet auf einen positiven Effekt für die Nährstoffversorgung von Mikroorganismen um Lignit-Lagerstätten an, da Formiat und Acetat die am häufigsten verwendeten LMWOAs im mikrobiellen Stoffwechsel darstellen. In terrestrischen Schlammvulkanen (terrestrial mud volcanoes, TMVs) steigt sedimentäres Material aus großen Tiefen an die Erdoberfläche. Somit werden auch LMWOAs, welche aus hochmolekularen organischen Substanzen freigesetzt werden, an die Oberfläche verbracht, und ermöglichen dort heterotrophe Ökosysteme. TMVs stellen dabei geochemisch und mikrobiell unterschiedliche Habitate dar, welche mit organischen Substraten und Elektronenakzeptoren aus tief liegenden, Kohlenwasserstoffe erzeugenden Systemen versorgt werden. In TMVs in Aserbaidschan stellt Sulfat den Hauptelektronenakzeptor dar, wobei mikrobielle Sulfatreduktion zu einer Vielzahl an reduzierten Schwefelspezies führt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt von LMWOAs auf die Aktivität von Mikroorganismen bei der Umsetzung von Schwefel in TMVs in Aserbaidschan untersucht. Die Zugabe einer Mischung verschiedener kurzkettiger Fettsäuren zu Schlammproben verschiedener TMVs erzeugte eine signifikant positive Reaktion in Bezug auf die Sulfat-Reduktionsraten. Weiterführende Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit der Sulfat-Reduktionsraten und die Charakterisierung thermophiler, Sulfat-Reduzierender Bakterien zeigte eine Verbindung zwischen der tiefen, heißen Biosphäre und der Erdoberfläche auf.show moreshow less

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Metadaten
Author:Patrick Sauer
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-68830
Title Additional (German):Freisetzung niedermolekularer organischer Säuren aus sedimentärer organischer Materie und ihre Rolle auf die mikrobielle Aktivität
Advisor:Manfred R. Strecker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2013/11/04
Release Date:2013/11/08
Tag:carbon dioxide; high-pressure incubation system; low molecular weight organic acids; microbial activity; sedimentary organic matter
RVK - Regensburg Classification:TG 8000, WI 5000
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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