Kohlehydrate (Zucker)

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Lucas Lukas Eberhardt
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1 Grundbaustein: Monosaccharide, z.b. Geochemie I B.Geo.109 GZG Kohlehydrate (Zucker) O O O O O O O O O O O o O O 2 O 2 O 2 O Ribose Pentose, 5 -Atome Glucose exose, 6 -Atome Polymerisierung: Glycosidische Verknüpfung

2 Kohlehydrate (Zucker) Amylopectin: Baustein der Stärke

3 Polysaccharide ellulose: Landpflanzen Amylopectin: Pflanzen (Stärke) Murein: Bakterien EPS hitin: Insekten, Pilze

4 yanobakterienmatte, Deinschwanger Bach (2006) Geochemie I B.Geo.109 GZG Foto: B. Zippel (UFZ, FOR 571)

5 Lignin neben ellulose der auptbestandteil des olzes Polymer aus umaryl-, oniferyl- und Sinapinalkohol Wichtige primäre Quelle aromatischer Struktureinheiten

6 udson, 1986

7 Lipide Glycerolipide: Veresterung von Glycerin mit Fettsäuren (Eukaryoten und Bakterien) O O Fettsäure 1,2,3-Propantriol (Glycerin) O O Fettsäure

8 Lipide Glycerolipide (Glycerin als 'Rückgrat') äufig: Fettsäuren via Esterbindung (Eukaryoten und Bakterien) Die Fettsäurereste sind variabel (Kettenlänge und Doppelbindungen) O hydrophiler Kopf O O O hydrophober Schwanz O "Kopfgruppe" kann weitere hydrophile Substituenten tragen

9 Aufbau der hydrophilen Kopfgruppen in Phospholipiden -3 des Glycerins Phosphorylester O 2 O P O 2 2 N 3 + O - Alkohol, z.b... N 3 + O 2 2 N + ( 3 ) 3 O 2 OO -...holin + O 2 2 N 3...Serin...Ethanolamin

10 Aufbau der Zellmembranen aus Lipid-Doppelschichten ca. 7,5 nm Madigan et al. (2000)

11 Libes, 1992

12 Diagenese: - Polykondensation (Molekülvergrößerung) - Insolubilisation (Verringerung der Löslichkeit) - Abspaltung funktioneller Gruppen Bildung von Kerogen < ca. 2000m Tiefe < ca. 100 biologische Aktivität noch möglich

13 Typische chemische Reaktionen während der Diagenese/Katagenese R 2 O R O Oxidation ( 2 -Abspaltung) R O 2 R O ydrierung R O O O 2 R Eliminierung (Decarboxylierung)

14 Typische chemische Reaktionen während der Diagenese/Katagenese (Forts.) R 2 O O R Wasserabspaltung R O 2 O + O R' R O O O R' Veresterung 2 O R O + O R' R O R' Veretherung R P,T R' R + R' Pyrolyse

15 Veränderung von Biomarkern während der Diagenese/Katagenese - Verlust vieler struktureller Merkmale - Verlust funktioneller Gruppen - Verlust von Methylgruppen ( 4!) - Erhöhung der Aromatizität MF-04-01

16 Bereits in jungen Sedimenten ist der Großteil der organischen Materie weder hydrolysierbar noch löslich in organischen Lösungsmitteln. Der Teil der organischen Substanz, der nicht von Mikroorganismen umgesetzt wird, wird in polymere, unlösliche Moleküle eingebaut. Fulvosäuren Zunehmende Polymerisation (Polykondensation) Molgewicht [amu] (löslich in Säuren, und Laugen) Zunehmende Insolubilisation uminsäuren (unlöslich in Säuren, löslich in NaO) umin (unlöslich in Säuren und NaO) Kerogen

17 Strukturvorschlag für eine Fulvinsäure! löslich in Laugen und Säuren! Killops und Killops, 1997

18 Strukturvorschlag für ein marines (Typ II-) Kerogen (am Ende der Diagenese)! völlig unlöslich! nach Behar & Vandenbrouke, 1987

19 Umwandlung NaO-löslicher Fulvin- und uminsäuren in unlösliches Kerogen. kennzeichnend: -Polykondensation -Insolubilisation -Verlust hydrophiler Gruppen Fulvinund uminsäuren Kerogen Die Kerogenbildung ist bei 100m Sedimenttiefe i.d.r. weitgehend abgeschlossen. % organic matter % organic matter Tissot und Welte, 1984

20 Typische Analysenwerte (+/- 20%) Geochemie I B.Geo.109 GZG Fulvinsäuren uminsäuren Kerogen* Elemente (Gew.%) N O * am Ende der Diagenese Funkt. Gruppen (meq/gom) -OO 4 4 Phenolic -O <1 Molekulargewicht (% organic matter) < > Mopper und Degens 1978, Tissot und Welte 1984, und andere Quellen

21 GZG Geochemie I B.Geo.109 van Krevelen-Diagramm Typ I: lipidreiches Kerogen Typ II: normal-marines Kerogen Typ III: terrigenes Kerogen, Kohlen Tissot und Welte, 1984

22 Katagenese: Thermisches racking (Pyrolyse) von - Bindungen: P,T R R' R + R' Zersetzung von Kerogen ca bis 4000m Tiefe ca Erdöl und Erdgas (Nassgas)

23 omolyse omolyse racking Rekombination Propagation

24 Geochemie I B.Geo.109 GZ G Metagenese Katagenese Diagenese

25 Strukturvorschlag für ein Typ II - Kerogen (a) am Ende der Diagenese (/ = 1,25, O/ = 0,09) (b) am Ende der Katagenese (/ = 0, 73; 0/ = 0,03) (nach BEAR & VANDENBROUKE, 1987)

26 10 31 Lincoln reek fm. Oligocene Washington, USA 29 % PI = RT 33 Thermisch unreif Alkane aus Pflanzenwachsen 10 8 PI = 1 % Ölfenster 'Zufälliges' racking der KW-Ketten

27 Veränderung von Kohlenstoffgerüsten durch racking Beispiel: n-alkane arbon Preference Index (PI) n n n n n- ½x 33 n n n n n- n n n n n- 32 n n n n n- 34 ( ) oder vereinfacht : 2 n- 29 / (n n- 30 ) n-alkane in unreifen Sedimenten haben (fast) immer PI >> 1 n-alkane von Sedimenten im Ölfenster haben PI um 1 PI ~ 1 ist ein Indiz für Erdölkontaminationen in rezenten Böden

28 Kohlenwasserstoffe Aliphatische KW (gerade und verzweigte Ketten) arbocyclische Verbindungen (Ringe) Paraffine (gesättigt) Olefine (ungesättigt) Naphtene (gesättigt) Aromaten (ungesättigt)

30 Paraffine Aggregatzustände bei Normaltemperatur (25 ): 1-4 gasförmig 5-16 flüssig > 16 fest 3-6 werden als Kondensate bezeichnet.

31 Rohöldestillation P atm 37% Vakuum 42% Rückstand 20% (+ca. 1% Schwefel) Rohöl Rückstand (Asphalte, Wachse, arze)

32 Metagenese: Thermisches racking (Pyrolyse) von - Bindungen: P,T R R' R + R' Zersetzung von Kerogen ab ca. 4000m Tiefe ab ca. 150 Erdgasbildung (Nassgas + Trockengas)

33 Entwicklung (Reifung) des Kerogens unter Zunahme von P, T, t Behar and Vandenbrouke, 1986

34 Erdgas harakterisierung Methan vs. andere KW = 1/ n 1/ n > 0.97 dry gas (Trockengas) 1/ n < 0.97 wet gas (Nassgas) Gehalt an 4, O 2, 2 S, N 2 stabile -und -Isotopen

35 Primärproduktion Sedimentation Organismen Lignin Kohlehydrate Proteine Lipide BIOSPÄRE Diagenese Junge Sedimente Fulvinsäuren uminsäuren Mikrobielle Degradation Polykondensation Insolubilisation GEOSPÄRE Katagenese Metagenese ~100 Reife Sedimentgesteine ~150 Kerogen Öl + Gas Gas Kohlenstoffreicher Rückstand 1 Kohlenwasserstoffe

36 Biomasse Geochemie I B.Geo.109 GZ G ~0,1% Kerogen ~2% Rohöl, Erdgas ~0,5% Druck Rohöl, Erdgas in Lagerstätten Temperatur Zeit Migration Selektive Erhaltung

37 Migration und Akkumulation von Öl/Gas Deckgestein (ap rock) Speichergestein (Reservoir rock) Trägergestein (arrier rock) Muttergestein (Source rock) aus Tissot und Welte (1984)

38 Bestimmende Faktoren: Geochemie I B.Geo.109 GZG Primärmigration = Expulsion (Austreibung) aus dem Muttergestein Lithologie Menge und Typ des Kerogens Viskosität / Permeabilität Textur und Mächtigkeit des Gesteins Temperatur Druck Sekundärmigration = Bewegung in einem Träger-/Speichergestein Bestimmende Faktoren: Phasen = Öl, Gas, Wasser Auftrieb Kapillarkräfte ydrodynamik Druckdifferenz Viskosität / Permeabilität

39 Ölfeld Gasfeld Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung

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