Universität zu Köln

Wotte, Anja ORCID: 0000-0002-1875-8376 (2018). Purification of CO2 for AMS 14C analysis: Method development and application to permafrost deposits. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Arctic is most sensitive to climate change and global warming. Just recently (winter 2017/2018), this region experienced its warmest winter on record. The rising temperatures have dramatic effects on the normally frozen ground – permafrost – which underlies twenty-four percent of the land area in the northern hemisphere. The permafrost thaws much deeper and rapid erosion of deep, ice-rich permafrost will increase. The Pleistocene deep permafrost (Yedoma) deposits are particularly prone to rapid degradation due to the loss of their high ice-contents upon thaw. Through this degradation, large amounts of previously stored frozen organic carbon will be exposed to microbial decomposition, resulting in the release of the greenhouse gases carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) to the atmosphere. This emission in turn acts as a positive feedback to the climate system. So far, it is difficult to predict the rates of greenhouse gas emission because information on the decomposability of the organic matter is limited. As the organic matter is stored for millennia in the deep permafrost deposits, the radiocarbon (14C) analysis on CO2 can be used to trace the decomposition of ancient (permafrost derived) vs. recent organic matter sources. The collection and processing of the respired CO2 for accelerator mass spectrometry (AMS) 14C analysis, however, is challenging and prone to contamination. Thus, during the progress of this thesis, we constructed a robust stainless-steel sampling device and refined a method for the collection of even small amounts (50 µg C) of CO2. This method is based on a CO2 sampling technique using a molecular sieve, which acts as an adsorbent. It has the advantage over other approaches (such as sampling in glass flasks) that CO2 can be concentrated from large air volumes. The reliability of the 14CO2 results obtained with this molecular sieve cartridge (MSC) was evaluated in detailed tests of different procedures to clean the molecular sieve (zeolite type 13X) and for the adsorption and desorption of CO2 from the zeolite using a vacuum rig. Under laboratory conditions, the contamination of exogenous carbon was determined to be less than 2.0 µg C from fossil and around 3.0 µg C from modern sources. In addition, we evaluated the direct CO2 transfer from the MSC into the automatic graphitization equipment, AGE, with the subsequent 14C AMS analysis as graphite. This semi-automatic approach is promising as it resulted in a lower modern carbon contamination of only 1.5 µg C. In addition, this analyzing procedure can be performed autonomously. To collect CO2 released from soils or sediments, additional sampling equipment, such as respiration chambers or depth samples, connected to the MSC is needed. Including the sampling equipment, a modern contamination of 3.0–4.5 µg C was obtained. Overall, these results show that the contamination becomes insignificant for large sample sizes (>500 µg C) and should be considered for smaller amounts. With this successfully tested MSC, it became possible to investigate the decomposition of the organic matter in thawing Pleistocene Yedoma deposits. On a Yedoma outcrop in the Lena River Delta, Northeast Siberia, we measured CO2 fluxes and their 14C signature to assess whether ancient (Yedoma derived) or younger C sources are preferentially respired. The CO2 released from the different sites is generally younger (2600–6500 yrs BP) than the bulk sediment (4000–31,000 yrs BP). Using isotopic mass balance calculations, we determined that up to 70% of the respired CO2 originates from ancient OM. These data show that thawing Yedoma organic matter can be rapidly decomposed, which introduces the ancient carbon into the active carbon cycle and thus increases the permafrost carbon feedback.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Aufreinigung von CO2 für die AMS 14C-Analyse: Methodenentwicklung und Anwendung an Permafrostablagerungen German
Translated abstract:	Abstract Language In der Arktis war der letzte Winter (2017/2018) der Wärmste seit Beginn der Wetteraufzeichnungen. Dieser Rekord verdeutlicht die Sensibilität der Arktis gegenüber dem Klimawandel und der globalen Erwärmung. Die steigenden Temperaturen haben dramatische Auswirkungen auf den normalerweise gefrorenen Boden – den Permafrost – der vierundzwanzig Prozent der Landfläche auf der Nordhalbkugel ausmacht. Mit steigenden Temperaturen erhöht sich die Auftautiefe des Permafrosts und die rasche Erosion von tiefem, eis- und organikreichem Permafrost (Yedoma) nimmt zu. Die hohen Eisgehalte des pleistozänen Permafrosts machen diese Ablagerungen besonders anfällig für Erosionsprozesse. Durch das Auftauen der Yedoma-Ablagerungen können große Mengen von zuvor gefrorenem organischem Kohlenstoff mikrobiell abgebaut werden. Dies führt zur Freisetzung der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) in die Atmosphäre. Diese Emission verstärkt wiederum den Treibhauseffekt, was zu einer positiven Rückkopplung führen kann. Bisher ist es schwierig, die Emissionsraten von Treibhausgas aus tauendem Permafrost vorherzusagen, da die Information über die Zersetzbarkeit des organischen Materials begrenzt ist. Doch da die organische Substanz seit Jahrtausenden in den tiefen Permafrostablagerungen gespeichert ist, kann die Radiokohlenstoffanalyse (14C-Methode) angewandt werden, um den Abbau von alten (aus dem Permafrost stammenden) und neueren Quellen organischer Substanz zu verifizieren. Die Probenahme des respirierten CO2 und dessen Weiterverarbeitung für die 14C-Analyse mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) ist jedoch nicht trivial und anfällig für Kontaminationen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Beprobung von CO2 eine robuste Probenahmeeinheit aus Edelstahl entwickelt, die selbst für die Entnahme kleiner Mengen CO2 (50 µg C) geeignet ist. Die angewandte CO2-Probenahmetechnik basiert auf der Verwendung von Molekularsieben, die als Adsorptionsmittel fungieren. Gegenüber anderen Verfahrensweisen (z.B. der Probenahme in Glasflaschen) hat diese Methodik den Vorteil, dass CO2 aus großen Luftmengen in einer kleinen Edelstahlkartusche konzentriert werden kann. Die Korrektheit der mit dieser sogenannten Molekularsiebkartusche (MSC) erhaltenen 14CO2-Ergebnisse wurde durch detaillierte Tests verschiedener Verfahren zur Reinigung des Molekularsiebs (Zeolith Typ 13X) und zur Adsorption und Desorption von CO2 aus dem Zeolith unter Verwendung einer Vakuumlinie bewertet. Unter Laborbedingungen wurde eine Kontamination mit weniger als 2,0 µg C aus fossilen Quellen und etwa 3,0 µg C aus modernen Quellen bestimmt. Darüber hinaus haben wir den direkten CO2-Transfer von der MSC in die automatische Graphitisierungseinheit AGE mit der anschließenden 14C-AMS-Analyse als Graphit getestet und bewertet. Dieser halbautomatische Ansatz ist sehr vielversprechend, da er in Zukunft vollständig automatisiert werden kann. Zudem konnte bei dieser Analysemethode eine deutlich geringere Kontamination mit modernem Kohlenstoff (1,5 μg C) nachgewiesen werden. Zur Beprobung von aus Böden oder Sedimenten freigesetztem CO2 werden der MSC zusätzliche Probenahmegeräte (z.B. Respirationshauben oder Tiefenprobenehmer) vorgeschaltet. Bei der Probenahme mit dieser Peripherie konnte eine Kontamination mit 3,0 bis 4,5 µg modernem Kohlenstoff nachgewiesen werden. Diese Werte zeigen, dass die Kontamination für große Probengrößen (>500 μg C) vernachlässigbar ist, doch für kleinere Probenmengen in Betracht gezogen werden sollte. Mit den unter Laborbedingungen erfolgreich getesteten MSCs konnten wir den Abbau der organischen Substanz in tauenden pleistozänen Yedoma-Ablagerungen untersuchen. In einem Yedoma-Aufschluss im Lenadelta Nordostsibiriens wurden CO2-Flüsse und ihre 14C-Signaturen gemessen, um festzustellen, ob bevorzugt alte (von den Yedoma-Ablagerungen stammende) oder jüngere Kohlenstoffquellen respiriert werden. Das von den verschiedenen Standorten freigesetzte CO2 ist in der Regel jünger (2600-6500 Jahre BP) als das organische Material in den Sedimenten (4000-31.000 Jahre BP). Unter Verwendung von Isotopenmassenbilanzen konnte quantifiziert werden, dass bis zu 70% des respirierten CO2 von alter organischer Substanz stammt. Diese Daten zeigen, dass das auftauende organische Material schnell zersetzt werden kann, was den fossilen Kohlenstoff in den aktiven Kohlenstoffkreislauf einträgt und somit die Permafrost-Kohlenstoff-Rückkopplung erhöht. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wotte, Anja UNSPECIFIED orcid.org/0000-0002-1875-8376 UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Universität zu Köln
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-84748
Date:	2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Earth sciences Life sciences Technology (Applied sciences)
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language radiocarbon English CO2 UNSPECIFIED molecular sieve English zeolite English soil respiration English 14C UNSPECIFIED Arctic English permafrost English respiration UNSPECIFIED Siberia English Yedoma UNSPECIFIED
Date of oral exam:	13 June 2018
Referee:	Name Academic Title Rethemeyer, Janet Prof. Dr. Melles, Martin Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8474