stringtranslate.com

Фитан

Фитан — это изопреноидный алкан, образующийся, когда фитол , химический заместитель хлорофилла , теряет свою гидроксильную группу. [2] Когда фитол теряет один атом углерода, он дает пристан . [2] Также были предложены другие источники фитана и пристана, помимо фитола. [3] [4]

Пристан и фитан являются обычными компонентами в нефти и использовались в качестве прокси для окислительно-восстановительных условий осадконакопления , а также для корреляции нефти и ее материнской породы (т.е. выяснения того, где образовалась нефть). В экологических исследованиях пристан и фитан являются целевыми соединениями для исследования разливов нефти .

Химия

Фитан — неполярное органическое соединение , представляющее собой прозрачную и бесцветную жидкость при комнатной температуре. Это связанный голова к хвосту регулярный изопреноид с химической формулой C 20 H 42 . [2]

Фитан имеет много структурных изомеров . Среди них кроцетан является изопреноидом, связанным хвостом к хвосту , и часто ко-элюирует с фитаном во время газовой хроматографии (ГХ) из-за его структурного сходства.

Фитан также имеет много стереоизомеров из-за трех стереоуглеродов , C-6, C-10 и C-14. В то время как пристан имеет два стереоуглерода, C-6 и C-10. Прямое измерение этих изомеров с помощью газовой хроматографии не было описано. [2]

Химическая структура археолы с двумя фитанильными группами.
Химическая структура α-токоферола.
Химическая структура триметил 2-метил-2-(4,8,12-триметилтридецил)хромана, типа МТТК.

Заместителем фитана является фитанил . Фитанильные группы часто встречаются в липидах мембран архей метаногенных и галофильных архей [4] (например, в археолах ). Фитен является однократно ненасыщенной версией фитана. Фитен также встречается как функциональная группа фитил во многих органических молекулах биологического значения, таких как хлорофилл , токоферол ( витамин E) и филлохинон (витамин K 1 ). Соответствующий фитену спирт — фитол. Геранилгеранен является полностью ненасыщенной формой фитана, а его соответствующий заместитель — геранилгеранил .

Источники

Считается, что основным источником фитана и пристана является хлорофилл . [5] Хлорофилл является одним из важнейших фотосинтетических пигментов растений, водорослей и цианобактерий , а также наиболее распространенным тетрапирролом в биосфере. [6] Гидролиз хлорофилла a , b , d и f во время диагенеза в морских отложениях или во время питания беспозвоночных [7] высвобождает фитол , который затем преобразуется в фитан или пристан.

Структура хлорофилла а с боковой цепью, содержащей фитильную группу.

Другим возможным источником фитана и пристана являются архейные эфирные липиды . Лабораторные исследования показывают, что термическое созревание метаногенных архей генерирует пристан и фитан из дифитанилглицериловых эфиров (археолы). [8] [9] [10]

Кроме того, пристан может быть получен из токоферолов [11] и метилтриметилтридецилхроманов (МТТС). [12]

Сохранение

В подходящих условиях биомолекулы, такие как хлорофилл, могут быть преобразованы и сохранены в узнаваемых формах в качестве биомаркеров . Преобразование во время диагенеза часто приводит к химической потере функциональных групп, таких как двойные связи и гидроксильные группы .

Пристан и фитан образуются в результате диагенеза фитола в кислородных и бескислородных условиях соответственно.

Исследования показали, что пристан и фитан образуются посредством диагенеза фитола в различных окислительно-восстановительных условиях . [13] Пристан может образовываться в кислородных (окислительных) условиях путем окисления фитола до фитеновой кислоты, которая затем может подвергаться декарбоксилированию до пристена, прежде чем окончательно восстановиться до пристана. Напротив, фитан, скорее всего, образуется в результате восстановления и дегидратации фитола (через дигидрофитол или фитен) в относительно бескислородных условиях. [13] Однако различные биотические и абиотические процессы могут контролировать диагенез хлорофилла и фитола, и точные реакции более сложны и не строго коррелируют с окислительно-восстановительными условиями. [3] [4]

В термически незрелых отложениях пристан и фитан имеют конфигурацию, в которой доминирует стереохимия 6R,10S (эквивалентная 6S, 10R), которая унаследована от C-7 и C-11 в фитоле. Во время термического созревания изомеризация при C-6 и C-10 приводит к смеси 6R, 10S, 6S, 10S и 6R, 10R. [2]

Геохимические параметры

Соотношение Пристан/Фитан

Пристан/фитан (Pr/Ph) — это отношение распространенности пристана и фитана. Это показатель окислительно-восстановительных условий в осадочных средах. Индекс Pr/Ph основан на предположении, что пристан образуется из фитола окислительным путем, тогда как фитан образуется посредством различных восстановительных путей. [13] [14] В небиодеградированной сырой нефти Pr/Ph менее 0,8 указывает на соленые или гиперсоленые условия, связанные с эвапоритовыми и карбонатными отложениями, тогда как органически-бедные терригенные , речные и дельтовые отложения в условиях от оксигенных до субоксигенных обычно производят сырую нефть с Pr/Ph выше 3. [15] Pr/Ph обычно применяется, поскольку пристан и фитан легко измеряются с помощью газовой хроматографии.

Однако индекс следует использовать с осторожностью, поскольку пристан и фитан могут не быть результатом деградации одного и того же предшественника (см. *Источник*). Кроме того, пристан, но не фитан, может быть получен в восстановительных средах путем катализируемой глиной деградации фитола и последующего восстановления. [16] Кроме того, во время катагенеза Pr/Ph имеет тенденцию к увеличению. [17] Это изменение может быть связано с преимущественным высвобождением связанных с серой фитолов из исходных пород во время раннего созревания. [18]

Пристан/nC17и фитан/нС18соотношения

Пристан/н-гептадекан (Pr/nC 17 ) и фитан/н-октадекан (Ph/C 18 ) иногда используются для корреляции нефти и ее материнской породы (т.е. для выяснения того, где образовалась нефть). Нефти из пород, отложившихся в условиях открытого океана, показали Pr/nC 17 < 0,5, в то время как нефти из внутренних торфяных болот имели отношения больше 1. [19]

Эти соотношения следует использовать с осторожностью по нескольким причинам. Как Pr/nC 17 , так и Ph/nC 18 уменьшаются с термической зрелостью нефти, поскольку изопреноиды менее термически стабильны, чем линейные алканы . Напротив, биодеградация увеличивает эти соотношения, поскольку аэробные бактерии обычно атакуют линейные алканы до изопреноидов. Таким образом, биодеградированная нефть похожа на недеградированную нефть низкой зрелости в том смысле, что демонстрирует низкое содержание н-алканов по сравнению с пристаном и фитаном. [15]

Масштаб биодеградации

Пристан и фитан более устойчивы к биодеградации , чем н-алканы , но менее устойчивы, чем стераны и гопаны . Значительное истощение и полное устранение пристана и фитана соответствуют шкале биодеградации биомаркеров 3 и 4 соответственно. [20]

Анализ изотопов соединений

Изотопы углерода

Изотопный состав углерода пристана и фитана в целом отражает кинетическое фракционирование изотопов, происходящее во время фотосинтеза . Например, δ 13 C (PDB) фитана в морских отложениях и маслах использовался для реконструкции древних уровней атмосферного CO 2 , которые влияют на фракционирование изотопов углерода, связанное с фотосинтезом, за последние 500 миллионов лет. [21] В этом исследовании [21] парциальное давление CO 2 достигало более 1000 ppm в максимумах по сравнению с 410 ppm сегодня.

Состав изотопов углерода пристана и фитана в сырой нефти также может помочь ограничить их источник. Пристан и фитан из общего предшественника должны иметь значения δ 13 C, отличающиеся не более чем на 0,3‰. [22]

Изотопы водорода

Изотопный состав водорода фитола в морском фитопланктоне и водорослях изначально сильно обеднен, с δD (VSMOW) в диапазоне от -360 до -280 ‰. [23] Термическое созревание преимущественно высвобождает легкие изотопы, в результате чего пристан и фитан становятся все тяжелее по мере созревания.

Пример исследования: ограничение Pr/Ph как окислительно-восстановительного индикатора

Выводы из Pr/Ph об окислительно-восстановительном потенциале исходных осадков всегда должны подкрепляться другими геохимическими и геологическими данными, такими как содержание серы или индекс гомогопана C 35 (т.е. распространенность гомогопана C 35 относительно гомогопанов C 31 -C 35 ). Например, нефть Baghewala-1 из Индии имеет низкое Pr/Ph (0,9), высокое содержание серы (1,2 мас.%) и высокий индекс гомогопана C35, что согласуется с аноксией во время осаждения исходной породы. [24]

Однако вывод о кислородном состоянии осадочных сред только из соотношения Pr/Ph может быть ошибочным, поскольку соленость часто контролирует Pr/Ph в гиперсоленых средах. В другом примере снижение Pr/Ph во время осаждения пермской последовательности Купфершифера в Германии совпадает с увеличением триметилированных 2-метил-2-(4,8,12-триметилтридецил)хроманов, ароматического соединения, которое, как полагают, является маркером солености. [25] Следовательно, это снижение Pr/Ph должно указывать на увеличение солености, а не на увеличение аноксии.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "phytane - Compound Summary". PubChem Compound . США: Национальный центр биотехнологической информации. 27 марта 2005 г. Идентификация и связанные с ней записи . Получено 14 марта 2012 г.
  2. ^ abcde Moldowan, JM; Walters, CC; Peters, KE (декабрь 2004 г.). «Органическая химия». The Biomarker Guide . стр. 18–44. doi :10.1017/CBO9780511524868.004. ISBN 9780511524868. {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  3. ^ ab Rontani, Jean-François; Volkman, John K. (2003-01-01). "Продукты деградации фитола как биогеохимические трассеры в водной среде". Organic Geochemistry . 34 (1): 1–35. doi :10.1016/S0146-6380(02)00185-7. ISSN  0146-6380.
  4. ^ abc Rontani, Jean-François; Bonin, Patricia (ноябрь 2011 г.). «Производство пристана и фитана в морской среде: роль прокариот». Research in Microbiology . 162 (9): 923–933. doi : 10.1016/j.resmic.2011.01.012 . PMID  21288485.
  5. ^ Дин, РА; Уайтхед, Э.В. (1961-01-01). «Нахождение фитана в нефти». Tetrahedron Letters . 2 (21): 768–770. doi :10.1016/S0040-4039(01)99264-0. ISSN  0040-4039.
  6. ^ Бейкер, Э. У.; Лауда, Дж. У. (1986). «Порфирины в геологической летописи». В Джонсе, Р. Б. (ред.). Биологические маркеры в осадочной летописи . Elsevier. стр. 125–224.
  7. ^ Блумер, Макс; Авиган, Джоэл (1968-05-01). «О происхождении пристана в морских организмах». Журнал исследований липидов . 9 (3): 350–352. doi : 10.1016/S0022-2275(20)43103-7 . ISSN  0022-2275. PMID  5646185.
  8. ^ Роуленд, С. Дж. (1990-01-01). «Производство ациклических изопреноидных углеводородов путем лабораторного созревания метаногенных бактерий». Органическая геохимия . 15 (1): 9–16. doi :10.1016/0146-6380(90)90181-X. ISSN  0146-6380.
  9. ^ Навале, Вивек (1994-06-01). "Сравнительное исследование низко- и высокотемпературных гидроразрывных продуктов пиролиза моноглицеринового диэфирного липида из архебактерий". Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 29 (1): 33–43. doi :10.1016/0165-2370(93)00786-M. ISSN  0165-2370.
  10. ^ Pease, TK; Van Vleet, ES; Barre, JS; Dickins, HD (1998-01-01). «Моделирование деградации глицериловых эфиров с помощью гидролиза и флэш-пиролиза». Organic Geochemistry . 29 (4): 979–988. doi :10.1016/S0146-6380(98)00047-3. ISSN  0146-6380.
  11. ^ Brassell, SC; PA Schenck; de Leeuw, JW; Goossens, H. (ноябрь 1984 г.). «Токоферолы как вероятные предшественники пристана в древних отложениях и сырой нефти». Nature . 312 (5993): 440–442. Bibcode :1984Natur.312..440G. doi :10.1038/312440a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4329068.
  12. ^ Ли, Маовен; Лартер, Стив Р.; Тейлор, Пол; Джонс, Д. Мартин; Боулер, Бернард; Бьорой, Малвин (1995-02-01). «Биомаркеры или не биомаркеры? Новая гипотеза происхождения пристана, включающая происхождение из метилтриметилтридецилхроманов (МТТК), образованных во время диагенеза из хлорофилла и алкилфенолов». Органическая геохимия . 23 (2): 159–167. doi :10.1016/0146-6380(94)00112-E. ISSN  0146-6380.
  13. ^ abc Eglinton, G.; SC Brassell; Simoneit, BRT; Didyk, BM (март 1978). "Органические геохимические индикаторы палеоэкологических условий седиментации". Nature . 272 ​​(5650): 216–222. Bibcode :1978Natur.272..216D. doi :10.1038/272216a0. ISSN  1476-4687. S2CID  128737515.
  14. ^ DM McKIRDY; Powell, TG (май 1973). «Связь между соотношением Pristane и Phytane, составом сырой нефти и геологической средой в Австралии». Nature Physical Science . 243 (124): 37–39. Bibcode :1973NPhS..243...37P. doi :10.1038/physci243037a0. ISSN  2058-1106.
  15. ^ ab Peters, KE; Walters, CC; Moldowan, JM (2004), «Параметры биомаркеров, связанные с источником и возрастом», The Biomarker Guide , Cambridge University Press, стр. 483–607, doi :10.1017/cbo9781107326040.004, ISBN 9781107326040
  16. ^ Шенк, ПА; Ланге, Ф. де; Бун, Дж. Дж.; Рийпстра, К.; Ирен, В.; Лиув, Дж. В. де (1977). «Связь между липидами Fontinalis antipyretica, его детритом и подстилающим осадком: судьба восковых эфиров и стероловых эфиров». Взаимодействие между осадками и пресной водой; Труды международного симпозиума .
  17. ^ VOLKMAN, JK (1986). «Ациклические изопреноиды как биологические маркеры». Биологические маркеры в осадочных отложениях. : 1817–1828.
  18. ^ De Graaf, Wim; Damsté, Jaap S. Sinninghe; de ​​Leeuw, Jan W (1992-12-01). "Лабораторное моделирование естественной сульфуризации: I. Образование мономерных и олигомерных изопреноидных полисульфидов низкотемпературными реакциями неорганических полисульфидов с фитолом и фитадиенами". Geochimica et Cosmochimica Acta . 56 (12): 4321–4328. Bibcode : 1992GeCoA..56.4321D. doi : 10.1016/0016-7037(92)90275-N. ISSN  0016-7037.
  19. ^ Лиймбах, В. М. (1975-01-01). "SP (1) О происхождении нефти". Всемирный нефтяной конгресс. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  20. ^ Питерс, К. Э.; Уолтерс, К. К.; Молдован, Дж. М. (2004), «Параметры биодеградации», The Biomarker Guide , Cambridge University Press, стр. 645–708, doi : 10.1017/cbo9781107326040.007, ISBN 9781107326040
  21. ^ ab Damsté, Jaap S. Sinninghe; Schouten, Stefan; Blais, Brian; Weijers, Johan WH; Witkowski, Caitlyn R. (2018-11-01). «Молекулярные окаменелости из фитопланктона выявляют вековую тенденцию Pco2 в течение фанерозоя». Science Advances . 4 (11): eaat4556. Bibcode : 2018SciA....4.4556W. doi : 10.1126/sciadv.aat4556. ISSN  2375-2548. PMC 6261654. PMID 30498776  . 
  22. ^ Хейс, Дж. М.; Фримен, Кэтрин Х.; Попп, Брайан Н.; Хохэм, Кристофер Х. (1990-01-01). «Изотопный анализ соединений: новый инструмент для реконструкции древних биогеохимических процессов». Органическая геохимия . Труды 14-го Международного совещания по органической геохимии. 16 (4): 1115–1128. doi :10.1016/0146-6380(90)90147-R. ISSN  0146-6380. PMID  11540919.
  23. ^ Сешнс, Алекс Л.; Бергойн, Томас В.; Шиммельманн, Арндт; Хейс, Джон М. (1999-09-01). «Фракционирование изотопов водорода в биосинтезе липидов». Органическая геохимия . 30 (9): 1193–1200. doi :10.1016/S0146-6380(99)00094-7. ISSN  0146-6380.
  24. ^ KE Peters (2), ME Clark (3) (1995). «Распознавание инфракембрийской материнской породы на основе биомаркеров в нефти месторождения Багевала-1, Индия». Бюллетень AAPG . 79 (10). doi :10.1306/7834da12-1721-11d7-8645000102c1865d. ISSN  0149-1423.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  25. ^ Шварк, Л.; Влиекс, М.; Шеффер, П. (1998-12-01). "Геохимическая характеристика слоистых карбонатов Мальм-Зета из Франконского Альба, Юго-Западная Германия (II)". Органическая геохимия . 29 (8): 1921–1952. doi :10.1016/S0146-6380(98)00192-2. ISSN  0146-6380.