Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4752
Main Title: Characterization of microbial reductive dehalogenation using novel compound specific stable isotope analyses
Translated Title: Charakterisierung der mikrobiellen Dehalogenierung mit der komponenten-spezifischen stabilen Isotopenanalyse
Author(s): Renpenning, Julian
Advisor(s): Neubauer, Peter
Nijenhuis, Ivonne
Referee(s): Neubauer, Peter
Rappsilber, Juri
Richnow, Hans-Hermann
Adrian, Lorenz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Im Verlauf des letzten Jahrzehnts haben sich verschiedene Konzepte für die Anwendung in der komponenten-spezifischen stabilen Isotopenanalyse entwickelt, die einen Zugang zur Evaluierung von der in situ (Bio-)Transformation, wie auch (bio-) chemischen Reaktionsmechanismen bieten. Die Isotopenanalyse von halogenierten Komponenten war jedoch aufgrund der Schwierigkeit der Analyse von Wasserstoff (H) und Chlor (Cl) mit derzeitig verfügbaren Routinemethoden weitgehend eingeschränkt. Das Ziel dieses wissenschaftlichen Projektes ist die Entwicklung von alternativen Analysemethoden für H und Cl, sowie die Anwendung der komponenten-spezifischen stabilen Isotopenanalytik auf die Charakterisierung der mikrobiellen reduktiven Dehalogenierungsreaktion. Die Entwicklung von neuartigen Methoden für die Isotopenanalyse von H und Cl konnte durch einen Aufbau mit zwei simultan operierenden Detektorsystemen, der IonTrap Massenspektrometer (MS) und Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS), realisiert werden. Die Anwendung von zwei Detektoren erlaubte eine detaillierte Charakterisierung des Umwandlungsprozesses (MS) vor der nachfolgenden Isotopenanalyse (IRMS). Die On-line Cl-Isotopeneanalyse wurde durch die Kopplung von Gaschromatographie (GC) mit der Hochtemperatur-Umwandlung (HTC) bei 1450 - 1500 °C, sowie der anschließenden Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) als GC-HTC-IRMS System verwirklicht. Diese Methode wurde erfolgreich für die Cl-Isotopenanlyse verschiedener Komponentenklassen eingesetzt, z. B. für Chloroethene, Chloroethane, Chloromethane, Hexachlorcyclohexane und Chloroacetate. Die H-Isotopenanalyse wurde durch die Entwicklung von neuen Reaktorsystemen erweitert, die auf Chrom basieren und eine Einsatztemperatur von 1100 – 1500 °C zulassen. Die Verbesserung der H-Isotopenanalyse durch Reduktion am heißen Chrom konnte anhand verschiedener heteroatomhaltiger Komponenetenklassen (N, Cl, S) erfolgreich demonstriert werden. Die Charakterisierung der reduktiven Dehalogenierung durch die komponenten-spezifische stabile Isotopenanalyse wurde auf abiotische und enzymatische Reaktionen angewendet. Die Probleme der Single-Element (Kohlenstoff) Isotopenanalyse in mikrobiellen Systemen konnte identifiziert und auf die Limitierung des Massentransfers durch die Membranen, sowie der Interaktion am reduktiven Dehalogenase Enzym zurückgeführt werden. Im Gegensatz zu der Single-Element (Kohlenstoff) war die Dual-Element (Kohlenstoff und Chlor) Isotopenanalyse in der Lage, den Reaktionsmechanismus der Dehalogenierung im Detail aufzudecken. Die Ergebnisse der komponenten-spezifische Isotopenanalyse von C und Cl stützen einen einheitlichen Reaktionsmechanismus in der reduktiven Dehalogenierung, sowohl in abiotischen, als auch in enzymatischen Systemen. Ein Effekt unterschiedlicher Corrinoid-Typen auf den Reaktionsmechanismus des RDase-Enzyms konnte ausgeschlossen werden.
In recent decades, concepts involving compound-specific stable isotope analysis have evolved which allow the assessment of organohalide (bio)transformation in situ as well as to evaluate complex (bio)chemical reactions. However, isotope analysis of halogenated compounds is still hampered by the difficulty of measurements of hydrogen (H) and chlorine (Cl) by available standard methods. This research project was focused on the development of alternative methods for H and Cl isotope analysis and the application of the compound-specific stable isotope analysis (CSIA) for characterization of microbial reductive dehalogenation reaction. The development of a novel method for isotope analysis of H and Cl was realized by constructing an analytical set-up with a simultaneously operating dual-detection system, including ion trap mass spectrometry (MS) and isotope ratio mass spectrometry (IRMS). Application of two simultaneously operating detector systems offered the opportunity for a characterization of the conversion process (via MS) prior to isotope analysis (via IRMS) in great detail. On-line Cl - isotope analysis was established by coupling gas chromatography (GC) to a high-temperature conversion (HTC) at 1450 – 1500 °C and subsequent isotope ratio mass spectrometry (IRMS) as GC-HTC-IRMS system. This approach was successfully applied for Cl - isotope analysis for different compound classes, including chloroethenes, chloroethanes, chloromethane, hexachlorocyclohexane and chloroacetic acids. The on-line H - isotope analysis could be significantly improved with a novel chromium-based reactor system operating in at 1100 – 1500 °C. The improvement of H - isotope analysis via hot chromium reduction was extended to various heteroatom (N, Cl, S) containing compound classes and was able to demonstrate its accuracy and precision. The characterization of reductive dehalogenation by compound-specific stable isotope analysis was applied for abiotic and enzymatic reactions. The bottlenecks of single-element (carbon) isotope analysis for microbial systems could be identified and mainly addressed to limitation in micro-scale mass transfer though the membranes, as well as at the reductive dehalogenase enzyme itself. In contrast to the single-element approach, dual-element isotope analysis of carbon and chlorine was able to elucidate reductive dehalogenation reaction mechanism in much more detail. Conclusively, compound-specific stable isotope analysis C and Cl supported a similar reaction mechanism of reductive dehalogenation in abiotic (mediated by corrinoids) and enzymatic (mediated by RDases) system. Furthermore, the effect of different corrinoid cofactors on the reaction mechanism of RDase enzyme could be excluded.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-72722
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5049
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4752
Exam Date: 26-Aug-2015
Issue Date: 30-Oct-2015
Date Available: 30-Oct-2015
DDC Class: 543 Analytische Chemie
Subject(s): Isotopenanalytik
reduktive dehalogenierung
Stable isotope analysis
reductive dehalogenation
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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