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Extraktion von Diatomeenschalen mittels SPLITT

1. MR a EEE BEE EEE EEE el Anhang 127 1000 D 5 70 IT 100 5 gt 10 Schwellenwert fix x x Schwellenwert interaktiv Schwellenwert fix ohne Diatomeen 4 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Partikelgr e Feretmax um Abb 37 Absch tzung des Fehlers der durch die interaktive nderung des Schwellenwerts bei der Bildverarbeitung entsteht a Vergleich zwischen Messungen aller Partikel inkl Diatomeen mit festgew hltem Schwellenwert threshold und interaktiv w hrend der Messung gew hltem Schwellenwert bzw festem Schwellenwert bei interaktiv abgew hlten Diatomeenschalen b Differenz zwischen Schwellenwert fix Schwellenwert interaktiv relativ zu Schwellenwert fix lineare Achsen Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten H ufigkeiten der Partikelgr en Probe J2_31 Tab 17 Wiederholungsz hlung von Diatomeenschalen einer SPLITT Fraktion a der Siebfraktion 20 80 um als Test f r die Zuverl ssigkeit der interaktiven Schalenz hlung In Z hlung 1 wurden nur eindeutig als Schalen identifizierte Objekte und gro e Schalenbruchst cke vermessen wie in dieser Arbeit blicherweise vorgegangen wurde In Z hlung 2 wurden zus tzlich alle Objekte ber cksichtigt die nicht sicher als Schale zu identifizieren waren und alle kleine Schalenbruchst cke Diatomeen sez hlte Schalen schalenform Z hlung 1 Z hlung 2
2. E Hansen E Myers N Williams S 1999 Fractionation and size analysis of magnetic particles using FFF and SPLITT technologies Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 194 Issue 1 3 Pages 53 61 Jones J M 1961 Method for establishing a liquid column of graded density Journal of Scientific Instruments 38 367 368 Juillet A 1980 Structure de la silice biog nique nouvelles donn es apport es par l analyse isotopique de l oxygene C Acad Sc Paris 290 Serie D 1237 99 100 Juillet Leclerc A 1984 Cleaning Process for Diatomaceous Samples 8 International Diatom Symposium 1984 Vol 8 Pages 733 736 Juillet Leclerc A Labeyrie L 1987 Temperature dependence of the oxygen isotopic fractionation between diatom silica and water Earth and Planetary Sciences Letters 84 69 74 Kawaguchi H Inagaki A 1994 Kinetics of Ferric Ion promoted Photodecomposition of 2 Chlorophenol Chemosphere 28 1 57 62 Keil R G Tsamakis E Fuh C B Giddings J C Hedges J I 1994 Mineralogical and textural controls on the organic composition of coastal marine sediments hydrodynamic separation using SPLITT fractionation Geochimica et Cosmochimica Acta 58 2 879 893 Kirk Othmer 1994 Encyclopedia of Chemical Technology John Wiley amp Sons Klaus D Poth A Vo M Morton C Stein G Niemeyer I 1999 Satellitenbildauswertung mit k nstlichen neuronalen
3. gemessene Teil Kapitel 0 wurde nicht ber cksichtigt da hier nur der Maximaldurchmesser Feretmax repr sentativ ist In Tab 14 ist ein Auszug der ersten 7 Muster eines Datensatzes aufgef hrt Es zeigt sich dass kompakte Muster h ufiger sind als langgestreckte bzw ver stelte Formen Dies liegt zum einem darin begr ndet dass 122 Anhang die Mehrheit der mineralischen Partikel eher kompakte Formen aufweist als gestreckte Zum anderen werden durch den Prozess der Bildverarbeitung kompakte Muster u U bevorzugt Die Wahl der Parameter w hrend der Bildverarbeitung kann insbesondere bei kleinen Objekten zu deutlichen Unterschieden bei der Messung f hren Abb 35 Abb 35 Die Abbildung eines Partikels und die Bildverarbeitung zu einem Messobjekt k nnen insbesondere bei kleinen Abb 36 zeigt H ufigkeitsverteilung aller im Datensatz 72 31 vorkommenden Kombina tionen der Kenndaten Trotz der gro en Anzahl der Datenpunkte wurde diese Art der Abbildung gew hlt um einen berblick gro e Zahl der gemessenen Kenndaten zu zeigen Die Kombinationen der Kenndaten repr sentieren bestimmte Pixelmuster Die s gezahnartige Struktur r hrt von der aufsteigenden Sortierung der Kenndaten Feretmax her In einem Auszug aus der Gesamtverteilung sind Abb 36 einige der h ufigsten Pixelmuster veranschaulicht Das kompakteste Muster aus 4 Pixel kommt rund 8000 mal vor dagegen eine Linie aus 6 Pixel nur 22 mal nicht abgebi
4. 118 Vermessung Ger Objekte 118 ANHANG EE 120 1 SIMULATION EINER SPLITT FRAKTIONIERUNG unse ne a aa 120 B 2 H UFIGKEITEN DER PIXELMUSTER IN DER BILDAUSWERTUNG eeessssnasessnananannnanenanananananananenananananananananane 121 B S ABSCH TZUNG DERFEHLER EE Eiere 123 VERGEEICH BILDANALYSEF COULTERL EE EEN 129 ANHANG C E 131 FEHLERABSCHATZUNG F R DIE BERECHNUNG DER PARTIKELMASSEN AUS DER LANGENMESSUNG 131 ANHANG KEE 133 D I MIKROSKOPBIEDER DER TRENNERGEBNISSE nina 134 D 2 MIKROSKOPBILDER DER NASS UND TROCKENPRAPARATE 141 D 2 1 Bilder zu Kapitel 3 2 1 nderung der 8 141 D 2 2 Bilder zu Kapitel 3 2 4 SPLITT Fraktionierung in mehreren Trennstufen 20 000 142 D 2 3 Bilder zu Kapitel 3 2 5 1 SPLITT Fraktionierung Siebfraktion 10 20um Holzmaar 144 D 2 4 Bilder zu Kapitel 3 2 5 2 SPLITT Fraktionierung Siebfraktion 20 SOum Holzmaar 145 D 2 5 Bilder zu Kapitel 3 2 5 3 SPLITT Fraktionierung Sedimentfallen Material Holzmaar 145 D 2 6 Bilder zu Kapitel 3 2 6 SPLITT Fraktionierung Huguang Maar Sediment 148 D 2 7 Bilder zu Kapitel 3 2 7 SPLITT Fraktionierung Bachsee Sediment Schweiz neeese 149 1 Einleitung Die i
5. EECHER 128 Anhang Tab 18 Vergleich zwischen interaktiver und automatischer Vermessung von Objekten unterschiedlicher Gr e und Form als Test f r die Vergleichbarkeit von interaktiver und automatischer Vermessung Ooid interaktiv Ooid automatisch Vergleich interaktiv automatisch Feretmax Mittel Stabw vom Mittel Feretmax Mittel Stabw vom Mittel Stabw vom Mittel um wert um wert 7 95 8 09 8 23 8 09 0 11 1 4 8 22 0 01 0 2 Rechteck interaktiv Rechteck automatisch Vergleich interaktiv Mittel Stabw Stabw Mittel Stabw Stabw Stabw Stabw _ eee ee Les SE u ves 4 em 0 92 2 07 61 Anhang 129 B 4 Vergleich Bildanalyse Coulter Counter Die gemessenen Korngr en m ssen Volumina berf hrt werden um eine Absch tzung der Partikelmassen vornehmen zu k nnen dazu wurden verschiedene Geometrien verwendet W rfel Quader Platte Kugel Rotationsellipsoid 3 Feretmax Feret max 1 V Quader zu k WE Feretmax 1 TE 1 3 SS Feret max 2 Feret V Ellipsoid 3 2 b ka kp Faktor f r die Seitenverh ltnisse der Seite b und bzgl des Feretmax Die Korngr enverteilung wurde der quantitativen Messung der Siebfraktion lt 20 um Probe J2_31SED entnommen Es wurde vorausgesetzt dass die Partikel die Dichte von Quarz p 2
6. 4 Forschungszentrum J lich Institut f r Chemie und Dynamik der Geosph re Institut 4 Erd l und Organische Geochemie Extraktion von Diatomeenschalen mittels SPLITT Fraktionierung E n neues Verfahren zur Abtrennung von Diatomeenschalen aus limnischen Sedimenten Andreas Rings Berichte des Forschungszentrums J lich 3968 _ _ Extraktion von Diatomeenschalen mittels SPLITT Fraktionierung Ein neues Verfahren zur Abtrennung von Diatomeenschalen aus limnischen Sedimenten Andreas Rings Berichte des Forschungszentrums J lich 3968 ISSN 0944 2952 Institut f r Chemie und Dynamik der Geosph re Institut 4 Erd l und Organische Geochemie J l 3968 D517 Diss Potsdam Univ 2002 Zu beziehen durch Forschungszentrum J lich GmbH Zentralbibliothek D 52425 J lich Bundesrepublik Deutschland 2 02461 61 5220 Telefax 02461 61 61 03 e mail zb publikation fz juelich de Extraction of diatom frustules with SPLITT fractionation A new method for separating diatom frustules from lake sediments ABSTRACT Diatom frustules are an interesting tool for climatic and ecological research and they have for some time been employed in 15 research work as a paleothermometer Diatom frustules are said to be very stable over a long period of time and thus the stable oxygen isotopes w
7. Beispielsweise wurde festgestellt dass runde Schalenformen z B Cyclotella einer Gr e von zusammen mit Mineralk rnern Quarz von ca 6um Gr e fraktionieren Hat das Sediment von vornherein einen hohen Feinschluffanteil wird der mineralische Anteil der Diatomeenfraktion hoch sein Um mit einer SPLITT Fraktionierung kleinste Korngr en z B Tone von kleinen Diatomeenschalen zu trennen sind Pumpraten von unter 1 ml min f r die Suspension n tig Damit werden die Bearbeitungszeiten allerdings sehr lang Diskussion 93 Wie kann eine aufwendige schrittweise SPLITT Fraktionierung umgangen werden Die L sung dieser Frage ist eine Siebung in mehrere Fraktionen in denen keine Minerale mit zu Diatomeenschalen korrespondierenden Korngr en vorkommen F r Korngr en lt 20 um m ssen Mikrosiebungen bei 10 um und 5 um evtl auch 15 um vorgenommen werden Anschlie end kann eine SPLITT Fraktionierung so durchgef hrt werden dass Mineralk rner und Diatomeenschalen getrennt werden Normalerweise k nnen die Siebgr en nicht frei gew hlt werden Dies hat zur Folge dass u U doch noch korrespondierende Korngr en vorkommen bzw kleinste Diatomeenschalen verloren gehen In diesem Fall ist abzuw gen wie gro der Verlust an Schalen hinsichtlich der Erhaltung des Sauerstoffisotopensignals in Diatomeen sein darf um eine m gliche Kontamination der Diatomeenfraktion durch Minerale zu vermeiden bzw gr
8. Die SPLITT Fraktionierung split flow lateral transport thin separation cells Giddings 1985 ist ein pr paratives Verfahren zur Auftrennung von Partikelgemischen in Suspension Es werden die hydro dynamischen Eigenschaften der Partikel in laminarer Str mung genutzt Wie bei der Feld Fluss Fraktionierung Field Flow Fractionation FFF wird das Partikelgemisch durch eine senkrecht zur Str mungsrichtung einer Tr gerfl ssigkeit einwirkende Kraft getrennt z B Gravitationskraft Der Aufbau einer SPLITT Zelle ist vergleichsweise einfach Abb 6 Die wenigen Bauteile formen einen breiten aber sehr flachen Kanal der an Ein und Ausgang von einem Trenner splitter horizontal geteilt wird Die Dimensionen des hier verwendeten Kanals sind 20 cm x 4 cm x 0 0371 cm Auf der Eingangsseite wird die Probensuspension kontinuierlich an Eingang a mit der volumetri schen Flie rate V a aufgegeben Abb 7 Gleichzeitig wird das Transportmedium meist deion kontinuierlich durch Eingang b mit der Flie rate V b in die Zelle gepumpt Zun chst sind die beiden Teilstr me noch durch den Trenner voneinander getrennt nach kurzer Wegstrecke aber vereinigen sich beide Str me Die Kontaktfl che wird als Eingangstrennfl che ISP inlet splitter plane bezeichnet Wegen der h heren Flie rate von Teilstrom b wird die Suspension a zur Wand hin gedr ckt Abb 7 Damit ist das Volumen welches die Probensuspension im Kanal einnimmt klei
9. E D 1958 The Inverted Microscope Method of Estimating Algal Numbers and the Statistical Basis of Estimations by Counting Hydrobiologia 11 Pages 143 170 Mann U M ller G 1987 Early diagenesis of biogenic siliceous constituents in silty clays and claystones Japan Trench Neues Jahrbuch Mineralogischer Abhandlungen 153 1 33 57 Negendank J F W Brauer A Zolitschka B 1990 Die Eifelmaare als erdgeschichtliche Fallen und Quellen zur Rekonstruktion des Pal oenvironments Mainzer geowissenschaftliche Mitteilungen 19 235 262 Newman C D 1987 Mineralogical Society Monograph NO 6 Chemistry of Clays and Clay Minerals Nitzsche R Simon F 1997 Bestimmung des Zetapotentials aus Messungen der elektrophoretischen Mobilit t Sonderdruck tm Technisches Messen 64 3 106 113 Overpeck J 1995 Paleoclimatology and climate System dynamics Reviews in Geophysics Suppl 863 871 Paasche E 1980 Silicon In The Physiological Ecology of Phytoplankton Studies in Ecology 7 Ed I Morris 259 284 Oxford Blackwells Pickett Heaps J D Tippit D H amp Andreozzi J A 1979 Cell division in the pennate diatom Pinnularia Valve morphogenesis Biol Cellulaire 35 199 203 Ranville J F Macalady D L Bishop LaDonna M Bunge A L 1995 SPLITT Fractionation and Flow Field Flow Fractionation Methods for the Size Separation and Analysis of Soil Particles Americ
10. ENEE 55 14 NDERUNG DES TRENNVERM GENS DER SPLITT ZELLE BEI VARIATION DER EINGANGSFLIE BRATEN 56 15 NDERUNG DES TRENNVERM GENS DER SPLITT ZELLE BEI VARIATION DER EINGANGSFLIE RATEN 57 16 NDERUNG DES TRENNVERMOGENS DER SPLITT ZELLE BEI VARIATION DER AUSGANGSFLIE RATEN 58 17 NDERUNG DES TRENNVERMOGENS DER SPLITT ZELLE BEI VARIATION DER AUSGANGSFLIE RATEN MIT HOHERER FLIEBRATE DER TRANSPORTEGION V T VERBESSERT SICH DIE AUFL SUNG UND VERGROBERT SICH DER TRENNDURCHMESSER FALL 52 E 59 18 TRENNUNGSVERM GEN DER SPLITT ZELLE FFDSF MODUS D H ES WIRD FAST AUSSCHLIE LICH PROBENSUSPENSION IN DIE SPLITT ZELLE GEPUMPT sccccsscsccescsccccescnccescscevcescnccesescescescnccesescevees 60 19 ERGEBNISSE EINER MEHRSTUFIGEN SPLITT FRAKTIONIERUNG ANHAND DER MINERALVERTEILUNG OHNE DIATOMEENSCHATENF EE 62 20 CHARAKTERISTIK DER PARTIKELUMVERTEILUNGEN BEI DER MEHRSTUFIGEN SPLITT FRAKIONIERUNG 21 ERGEBNIS DER MEHRSTUFIGEN SPLITT FRAKTIONIERUNG F R VERSCHIEDENER DIATOMBENSCH ALENFORMEN ee ee 66 22 ERGEBNIS DES OPTIMIERUNGSVERFAHRENS F R DIE 4 STUFIGE SPLITT FRAKTIONIERUNG DER PROBE EE 69 23 ERGEBNIS DER SPLITT FRAKTIONIERUNG EINER SIEBFRAKTION 10 20 uM IN ZWEI STUFEN 70 108 Abbildungsverzeichnis 24 SPLITT FRAKTIONIERUNG EINER SIEBFRAKTION 20 80 uM SIEHE AUCH ANHANG D 2 4 ABB 58 ABB es ne
11. Kapitel 3 1 1 Anhang A l ergab dass die Ergebnisse der Bildanalyse als realistisch zu beurteilen sind 4 1 2 1 Erfassung kleiner Partikel An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen dass ein Videobild eine pixelweise Darstellung von Objekten liefert Das bedeutet ein Objekt wird gerastert abgebildet und nicht in seinem wirklichen Umriss Die gerasterte Abbildung wird dem wahren Objekt um so hnlicher je besser das Verh ltnis von morphologischen Details zur Pixelgr e Rastergr e ist Mit anderen Worten ein Objekt wird um so schlechter abgebildet je weniger Pixel zur Abbildung zur Verf gung stehen Genau das aber ist bei der Abbildung kleiner Partikel der Fall Da der Begriff kleine Partikel relativ ist sei hier bemerkt dass hier im allgemeinen Partikel an der unteren Messgrenze gemeint sind im besonderen Partikel lt 6 um aus den 86 Diskussion SPLITT Fraktionen Im Kapitel 3 1 2 wurde gezeigt wie die Variation der Pixelmuster Einfluss auf das Messergebnis nimmt Ein Objekt dass durch z B 12 Pixel abgebildet wird kann je nach Bildverarbeitung doppelt bzw halb so groB gemessen werden Die untere Grenze der Partikell ngenmessung die bei 4 Pixeln minimal 2 15 um gew hlt wurde ist daher kritisch zu bewerten Die Verf lschung der morphologischen Messung hat keinen Einfluss auf die gemessene Gesamtpartikelzahl der Probe Basierend auf der Gesamtpartikelzahl wurde der Anteil an Diatomeenschalen einer Probe
12. eine SPLITT Fraktionierung gegeben werden Die Zeitangaben wurden aus Erfahrungswerten gesch tzt a Aufschluss des Sediments f r 1 Probe Arbeitsmittel 600 ml Enghals Becherglas H O 30 ig 20 ml g Probe konz Ultraschallger t regelbar Heizplatte Zeitbedarf bei unverfestigtem Sediment unabh ngig von mind 1 Std PIE Absetzen lassen oo lassen Tag b Siebung f r 1 Probe Arbeitsmittel Siebsatz z B 80 um 20 um 10 um 5 um 1000 ml Weithals Bechergl ser mind 5 St ck Pasteurpipette Probenbeh lter Microvials f r die Siebfraktionen hohem Feinanteil abh ngig von der DEE 80 80um Siebung s Ten ca 5 sd min 20um Siebang 1 y oal 2 2 10um Siebung TEE 5um Siebung EE SPLITT Fraktionierung 1 Probe Arbeitsmittel SPLITT Zelle Schlauchpumpe Schl uche untersch Durchmessers Zahnradpumpe Tensid Ethanol Bechergl ser Zentrifu Zeitbedarf Der Zeitbedarf ist abh ngig von der Korngr enverteilung Siebfraktion 20 80 um 400 ml Suspension Siebfraktion 10 20 um 400 ml Suspension 34 Std 2 Frakt schritte Siebfraktion 5 10 um 400 ml Suspension Der Zeitbedarf f r 30 Proben mit hohem Feinkornanteil und etwa 1 g Trockeneinwaage des Rohsediments bel uft sich demnach auf etwa 4 Tage f r die Siebfraktion 20 80 um etwa 1 Monat f r die Siebfraktionen 20 80 um und 10 20 um und auf mehr als 2 Monate inklusive der 5 10 um Siebfr
13. hlschrank aufbewahrt Die Fl ssigkeitsstr me sollten w hrend der Fraktionierung m glichst kontinuierlich sein Erreicht wurde dies f r die Tr gerfl ssigkeit mit einer Zahnradpumpe die auch bei hohen Gegendr cken max 6 bar zuverl ssig arbeitet Abb 12 Schwierig ist es dagegen f r die Probensuspension ein geeignetes Pumpsystem zu finden weil a d e Probe nicht durch die Pumpe kontaminiert werden darf b die Suspension die Pumpe nicht besch digen darf die Probenpartikel nicht durch den Pumpvorgang zerst rt werden d rfen d die Pulsation des Probenstroms m glichst gering sein sollte und e der einstellbare Flie ratenbereich der Pumpe gro sein sollte 0 1 bis 100 ml min Es wurde eine Schlauchpumpe mit hohem Gleichlauf und 8 Rollen eingesetzt um die Pulsation des Suspensionsstroms gering zu halten Insbesondere bei hohen Gegendr cken also bei hohen Flie raten sind der Verwendbarkeit von Schlauchpumpen Grenzen gesetzt Die SPLITT Zelle wurde zun chst durch Eingang a mit Ethanol verg llt gesp lt und blasenfrei gemacht Anschlie end wurde mit mehreren 100 ml Tr gerfl ssigkeit Eingang a und b das Ethanol herausgewaschen Um Blasen einfacher entfernen zu k nnen und Ablagerungen vor der Trennerkante zu vermindern wurde ab Probe J1_8a2 die Trennerkante leicht gerundet Die Schlauchdurchmesser der Schlauchpumpe wurden so gewahlt dass die Pumpe mit mittlerer Leistung laufen konnte d h die Pulsation
14. konstruierten ringf rmig angeordneten FFF Kanal erzeugt werden Im Falle von sehr kleinen Partikeln z B Proteine entscheidet deren Gr e inwieweit das Partikel Kanal aufragt Da die Feld Fluss Fraktionierung in laminarer Str mung erfolgen muss nimmt die Str mungsgeschwindigkeit des Mediums von den W nden zur Mitte hin zu Infolge dessen bewegen sich im Kanal gr ere Partikel schneller als kleinere Es l sst sich so eine Trennung erreichen Gro e Partikel unterliegen hydrodynamischen Auftriebskr ften die wiederum von Form und Gr e der Partikel abh ngig sind Entsprechend anders trennt sich ein solches Partikelgemisch auf Theoretisch lie en sich kleine Diatomeenschalen auf diese Weise vom Mineralbestandteil der Suspension abtrennen Die Feld Fluss Fraktionierung ist jedoch ein analytisches Verfahren bei dem die pro Trennungsgang aufgegebene Probenmenge f r isotopische Untersuchungen zu klein ist Daher kann dieses Verfahren nicht zur Diatomeenextraktion verwendet werden Einleitung 15 1 3 4 Trennung nach hydrodynamischen Eigenschaften Das hydrodynamische Verhalten von Partikeln in einer Suspension ist von mehreren Partikeleigenschaften abh ngig Dazu z hlen vor allem Gr e Form und Dichte Ein Trennverfahren das auf der Nutzung der hydrodynamischen Eigenschaften der Partikel basiert 155 SPLITT Fraktionierung split flow lateral transport thin separation cells Giddings 1985 Dieses Verfahren wurde f r die
15. werden von Valva der Schale und Cingulum dem G rtel gebildet die als Hypo Epivalva und Hypo Epicingulum bezeichnet werden Das Cingulum ist wiederum aus weiteren Elementen den Copulae den B ndern aufgebaut Die Diatomeenschalen k nnen aus bis zu 50 Komponenten aufgebaut sein Round et al 1990 Abb 1 Frustulum einer naviculoiden Diatomee Explosionszeichnung E Epivalva EC Epicingulum mit 4 Copulae HC Hypocingulum H Hypovalve aus Round et al 1990 11 Die Bauteile der Schalen werden durch eine sekund re organische Wand zusammengehalten die aus Polysaccharidsulfaten besteht Der prim re organische berzug der Schalenteile besteht im wesentlichen aus Resten des Cytoplasmas von den Hoek et al 1993 Da die Schalenteile starre Gebilde sind welche die lebende Zelle umschlie en kann ein Zellwachstum nur in eine Richtung erfolgen n mlich indem Hypo und Epitheka sich voneinander entfernen Abb 2 In diesem Fall werden weitere G rtelelemente an das Hypocingulum angebaut Das Epicingulum kann nicht erweitert werden da es vom Hypocingulum unterlagert und so vor der Zelle abgeschirmt wird Nach einer Zellteilung wird aus der Hypotheka eine Epitheka die die neugebildete Hypotheka berlappt Durch diesen Prozess nimmt die Zellgr e der Hypotheken Generation mit jeder Zellteilung sukzessiv ab w hrend die Epitheken Generation ihre Gr e beibeh lt Eine Diatomee
16. 12 6 8 BQ n p AE EE E AEE T EEN DEE es EE EE m m aT Se ee en PTLILELLILELELTILELEITELELELTELELETLILELE RER ERR ER EEN e R EE ERR ER EEN TLILELELLILELELLELER de KREE KREE EL p Schattierungskorrektur Eine ungleichm ige Helligkeitsverteilung shading Schattierung im Bild tritt auf wenn z B das Aufnahmefeld nicht gleichm ig ausgeleuchtet wird Staubpartikel im optischen System Schatten erzeugen oder der Kamerasensor eine inhomogene Empfindlichkeit aufweist Zur Schattierungskorrektur wird das Ausgangsbild mit einem Referenzbild pixelweise gewichtet Referenzbild wird z B mit einen leeren Objekttr ger aufgenommen Bei der additiven Korrektur wird die Bildhelligkeit beeinflusst bei der multiplikativen Korrektur der Kontrast Das Ergebnisbild kann durch Addition eines konstanten Grauwerts in der Helliskeit korrigiert werden falls das Ergebnisbild zu hell oder zu dunkel ist Negative Werte werden auf 0 gesetzt Werte gt 255 werden auf 255 gesetzt ee SE EE SE SE SE SE SE SE SE SE Z SE EE ZE SE SE SE SE ZE SE ZE SE IE SE Ee EE EE SE EE EE EE EE EE EE SE SS SE S S 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 EE E 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
17. 2 2 SE SE SE SE 2 23 SE SE E SE Ee E SE ZS SE 2 2 SE Ze SE SE Se SE SE SE Ze Ee Ze SE SE SE Se SE SE Ee EE SE EE E 1 2 Informationsverst rkung Delineation Objektkanten werden von optischen Systemen meist nicht scharf abgebildet sondern es entstehen berg nge mit fallenden oder steigenden Grauwerten Beim Herausarbeiten der zu vermessenden Objekte Segmentierung k nnen unscharfe Kanten sogenannte Halo Effekte erzeugen es entstehen Ringe um die Objekte Mittels Delineation werden Kanten verst rkt Dazu werden innerhalb einer Matrize der maximale und minimale Grauwert betrachtet Liegt die Differenz aus diesen beiden Werte unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts wird der Grauwert des Zentralpixels der Matrize n das Ergebnisbild bernommen Wird der Schwellenwert berschritten erh lt das Zentralpixel entweder den Minimalwert oder den Maximalwert Liegt der Grauwert des Zentralpixels n her am Maximalwert dann wird dieser bernommen andernfalls der Minimalwert Die Matrizengr e sollte der Breite der unscharfen Kanten entsprechen Anhang A 117 Abb 34 Darstellung der Arbeitweise einer Filtermatrize f r die Delineation Mit Hilfe der Filtermatrize im Ausgangsbild wird f r das Zentralpixel der Matrize ein Grauwert errechnet der dem Ergebnisbild zugewiesen wird Die Matrize wandert Pixel f r Pixel fortschreitend ber das Ausgangsbild Au
18. 2 n elektrophoretische Mobilit t m Vs n dynamische Viskosit t des Mediums Pa s v Wandergeschwindigkeit der Partikel m s C Zetapotential V E elektrische Feldst rke V m Debey H ckel Parameter effektive Dicke der Influenzkonstante As Vm elektrochemischen Doppelschicht Dielektrizit tskonstante Partikelradius 16 Einleitung Die Methode reagiert empfindlich auf Ver nderungen im pH Wert und Salzgehalt Elektrolytgehalt bzw auf Ver nderungen der Oberfl cheneigenschaften der Partikel z B durch anhaftende Stoffe Da Diatomeenschalen in unterschiedlichsten Formen vorkommen und Gr en besitzen die deutlich ber der kolloider Partikel liegen ist ein einheitliches Zeta potential nicht zu erwarten Hegewald 1972 zeigte dies an verschiedenen Arten von lebenden bzw fixierten Zellen und Diatomeenschalen Damit lassen sich Diatomeenschalen vermutlich nicht ohne weiteres ber die elektrophoretische Mobilit t aus Sedimenten extrahieren Diese Trennm glichkeit wurde deshalb auch nicht weiter verfolgt 1 3 6 Trennung nach magnetischen Eigenschaften Bei nicht ferromagnetischen Materialien wird entsprechend der Permeabilit tskonstante bzw der magnetischen Suszeptibilit t 1 zwischen Para und Diamagnetika unterschieden In einem inhomogenen magnetischen Feld wird auf paramagnetische Stoffe eine Kraft in Richtung h herer magnetischer Kraftflussdichte ausge bt auf diamagnet
19. 22 53 54 33 56 57 58 59 60 61 Literaturverzeichnis 103 Jackson G A Maffione R E Costello D K Alldredge A L Logan B E Dam H G 1997 Particle size spectra between mu m and 1 cm at Monterey Bay determined using multiple instruments Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers 44 11 1739 1767 Jacobasch H J Simon F Werner C Bellmann C 1996 Elektrokinetische Me methoden Grundlagen und Anwendungen Sonderdruck tm Technisches Messen 63 12 439 446 Janca J 1993 Field Flow Fractionation Analytical and Micropreparative Methodology Mikrochimica Acta 111 135 162 Janca J Audebert R 1993 New Concept in Focusing Field Flow Fractionation and Thin Layer Isopycnic Focusing Coupling of Primary Electric Field with Secondary Gravitational Force Mikrochimica Acta 111 163 175 Jan r J H Jungner H 1982 A simple method for separation of quartz in TL dating Pact Journal 6 214 215 Jaraiz M E Levenspiel O Fitzgerald T J 1983 The Uses of Magnetic Fields in the Processing of Solids Chemical Engineering Science 38 1 107 114 Jasmund K Lagaly G 1993 Tonminerale und Tone Struktur Eigenschaften Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt Jiang Y Kummerow A Hansen M 1997 Preparative Particle Separation by Continuous Splitt Fractionation Journal of Microcolumn Separation 9 4 261 273 Jiang Y Miller
20. 57 Nach 2 Fraktionierungen sind in Fraktion a nur noch Partikel lt 10 um zu finden die eine Kontamination darstellen Partikel gt 20 um in der Siebfraktion sind zum gr ten Teil auf Partikel zur ckzuf hren die mit ihrem kleinsten Durchmesser durch das Sieb gelangen konnten aber auch auf Aggregate Flie raten der Fraktionierungsstufen 1 5 5 ml min V b 22 4 ml min Via 21 1 ml min V b 6 9 ml min Via Vib 0 25 0 16 9 ml min 2 V a 3 3 ml min V b 10 6 ml min V a 10 7 ml min Vib 3 4 ml min Via Vib 0 31 0 7 3 ml min Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten konnten in Fraktion a Abb 23 Abb 57 Anhang D SPLITTala alle Mineralk rner gt 10 um abgetrennt werden d h es sollten keine Mineralk rner mehr vorhanden sein Die Partikelgr enanalyse ergab f r diese Fraktion aber noch einen geringen Anteil an kleinen Partikeln mit einem Maximum bei etwa 3um vergl Kapitel 3 2 5 2 und 3 2 5 3 deren Herkunft unklar ist Denkbar sind eine unvollst ndige Siebung vorhandene Kontamination der benutzten L sungen es wurden keine hochrein gefilterten Fl ssigkeiten benutzt Kontamination der Suspensionen ber d e Raumluft es wurden in den Suspensionen immer wieder Staubpartikel gefunden oder Artefakte aus dem Prozess der Partikelgr enanalyse Ergebnisse 71 Unter Vernachl ssigung der Partikel lt
21. Berechnung der Partikelmassen aus der L ngenmessung 87 4 2 ARBEITSAUFWAND EE 88 4 3 SCHLUSSFOLGERUNGEN ZUR BILDANALYSE F R DIE AUSWERTUNG VON SPLITT FRAKTIONEN 89 Seeche 90 4 4 1 EE 90 4 4 2 Anpassung der SPLITT Fraktionierung die vorgegebene Trennaufgabe 9 Inhaltsverzeichnss 7 443 SPLITT Fraktionierung in mehreren Stufen Siebfraktion lt 20 um 92 4 4 4 SPLITT Fraktionierung gro er Korngr en Siebfraktion 20 Syn 93 4 4 5 berlegungen zur Kontamination von 94 4 5 ARBEITSAUFWAND BEI DER SPLITT FRAKTIONIERUNG ZUR TRENNUNG VON DIATOMEEN 1 97 4 6 ANWENDBARKEIT DER SPLITT FRAKTIONIERUNG F R DIE DLATOMEENENTRAKTION 98 S ZUSAMMENFASSUNG EE 99 EITERATURVERZEICHNDS usa ii 101 ABBILDUNGSVERZEICHNIS eege eege dee Eege 107 TABEL LENVERZEIC HNIS 111 ANHANG esse EAE laser lese 113 ANHANG 114 Aol BIEDYERARBEITUNG 114 Add Verbesserung der Bildgualit t ce WN aves 114 2 de 116 AT Befr ktion der ein ke aan
22. Extraktion der Diatomeenschalen gew hlt weil es einen weiten Bereich von Partikelgr en selektiv zu trennen vermag Ausf hrlich wird dazu in einem eigenen Kapitel 2 3 2 berichtet Im einfachsten Fall wird die unterschiedliche Sinkgeschwindigkeit von Partikeln in einer Suspension genutzt vergleichbar mit dem Absetzenlassen im Becherglas 1 3 5 Trennung nach elektrochemischen Eigenschaften Die Wandergeschwindigkeit von suspendierten Partikeln in einem statischen elektrischen Feld ist abh ngig von den elektrochemischen Oberfl cheneigenschaften der Partikel Eine dies charakterisierende Gr e ist das Zetapotential An einer Festk rperoberfl che die sich im chemischen Gleichgewicht mit einer Elektrolytl sung befindet bildet sich eine sogenannte elektrochemische Doppelschicht aus die eine andere Ladungsverteilung aufweist als ihre Umgebung Wagner et al 1989 1997 Nitzsche amp Simon 1997 Jacobasch 1996 Es baut sich ein elektrisches Potential auf Das von Gouy 1910 1917 Chapman 1913 und Stern 1924 beschriebene Modell unterteilt die elektrochemische Doppelschicht in eine immobile und eine mobile Schicht Das Potential der Scherfl che zwischen immobiler und mobiler Schicht wird als Zetapotenial bezeichnet Der Zusammenhang zwischen Wandergeschwindigkeit elektrischer Feldst rke und Zetapotential wird mit der allgemeinen Henry Gleichung beschrieben Henry 1931 3 2858
23. F r einen flachen rechtwinkligen Kanal der Breite b Dichte p und dynamischen Viskosit t n der Tr gerfl ssigkeit ist Fuh et al 1995 lt D 31 Re 1 Gesamtflie rate V a V b Fuh gibt im Zusammenhang mit unterschiedlichen Einstr mverh ltnissen r V b V a verschiedene errechnete Reynolds Zahlen an Es traten Turbulenzen in der N he der Einlasstrennerkante schon auf bei r 4 Re 42 und r 13 Re 21 Normalerweise w rde man Turbulenzen ab einer Reynolds Zahl von Re 1000 erwarten Die von Fuh beschriebenen Modellrechnungen zeigen dass die Turbulenzen mit der Geometrie des Trenners in Zusammenhang stehen und durch Str mungsasymmetrien V b gt gt beeinflusst werden Des weiteren k nnen Turbulenzen durch hohe Gesamtflie raten entstehen Unebenheiten des Trenners Unebenheiten der Trennerkante oder Ablagerungen im Kanal Eine M glichkeit die Flie raten zu verringern die f r die Trennung gro er Partikel ben tigt werden ist die Schr gstellung der SPLITT Zelle Jiang et al 1997 Unter einem Winkel ist der senkrecht zur Str mungsrichtung wirkende Kraftanteil geringer bzw ist die f r die Sedimentation zur Verf gung stehende Fl che kleiner Es ergibt sich 32 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 39 2 3 3 4 Partikeldurchsatz Der Partikeldurchsatz TP throughput der SPLITT Fraktionierung ist pro
24. Netzen zur Umwelt berwachung vergleichende Bewertung konventioneller und neuronaler Netzwerkalgorithmen und Entwicklung eines integrierten Verfahrens Schriften des Forschungszentrums J lich Reihe Umwelt Environment Band 15 Hrsg Forschungszentrum J lich GmbH 104 Literaturverzeiohnis 62 63 64 65 66 67 68 69 70 21 12 73 74 75 76 ve 78 79 80 81 K ster 1964 Granulometrische und morphometrische Me methoden Mineralk rnern Steinen und sonstigen Stoffen Enke Verlag Stuttgart 67 72 Labeyrie L D 1974 New approach to surface seawater palaeotemperatures using DO ratios in silica of diatom frustules Nature 248 40 42 Labeyrie L D Juillet A 1982 Oxygen isotopic exchangeability of diatom valve silica interpretation and consequences for paleoclimatic studies Geochimica et Cosmochimica Acta 46 967 975 Lammers W T 1964 Density gradient separation of plankton and clay from river water Theory and applications Verhandlungen Internationale Vereinigung f r Theoretische und Angewandte Limnologie 15 Pages 1021 1028 Lee R 1980 Bacillariophyceae In Phycology Levin S Myers N Giddings J C 1989 Continuous Separation of Protein in Electrical Split Flow Thin SPLITT Cell with Equilibrium Operation Separation Science and Technology 24 14 1245 1259 Lund J W G Kipling C Le Cren
25. Verlag Sullivan M J 1986 A light and scanning microscopical study of Eupodiscus radiatus Bailey Eupodiscaceae In Proceedings of the 8 International Diatom Symposium Ed Richard 113 123 Koenigstein O Koeltz Tsuda T 1995 Electric Field Applications in Chromatography Industrial and Chemical Processes VCH Verlag 153 169 Tuhkanen T A amp Beltr n F J 1995 Intermediates of the oxidation of naphthalene in water with the combination of hydrogen peroxide and UV radiation Chemosphere 30 8 1463 1475 Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry 1995 VCH Verlag van den Hoek Jahns M Mann D 1993 Bacillariophyceae In Algen Georg Thieme Verlag van Olphen H 1977 Clay Colloid Chemistry For Clay Technologists Geologists and Soil Scientists Second Edition 100 Volcani E 1981 Cell wall formation in diatoms morphogenesis and biochemistry In Silicon and Siliceous Structures in Biological Systems Ed T L Simpson amp B E Volcani 157 200 New York Springer Verlag 101 von Grafenstein U Erlenkeuser H Rutter J Trimborn P Alefs J 1996 A 200 year mid European air temperature record preserved in lake sediments an extension of the GO temperature relation into the past Geochim et Cosmochim Acta 60 21 4025 4036 102 Wagner H Kuhn R Hoffstetter S 1989 Theorie der elektrischen Wanderung In Praxis der elektrophoretischen T
26. Vermessung ausgeschlossen da die Diatomeen einesteils meist nicht als zusammenh ngende Anhang 119 Objekte erfasst wurden und zum anderen nicht automatisch zwischen Diatomee und Mineral unterschieden wurde Das Bild wurde auf dem Bildschirm angezeigt und alle als Objekte erkannten Diatomeenschalen per Hand mit dem Cursor markiert Weiter wurden alle gro en nicht erfassten Mineralk rner von Hand vermessen und so der maximale Durchmesser bestimmt Anschlie end wurden alle verbliebenen Objekte automatisch vermessen Gemessen wurden folgende Merkmale Benutzerhandbuch KS400 Imaging System Vers 3 0 e FERETMAX Der maximale Feret eines Objekts wird ber den maximalen Abstand zweier das Objekt ber hrende Tangenten bestimmt FERETMIN Der minimale Feret eines Objekts wird ber den minimalen Abstand zweier das Objekt ber hrende Tangenten bestimmt e AREA Fl che des Objekts e FCIRCLE FCIRCLE ist eine Formfaktor der die N he zur Kreisform eines Objekts Fl che des gef llten Objekts wiedergibt FCIRCLE 4 S Umfang nach Crofton Zuletzt wurden die Diatomeenschalen auf gleiche Weise wie die gro en Mineralk rner interaktiv vermessen und in drei Formklassen unterteilt runde lange andersf rmige 120 ANHANG B B 1 Simulation einer SPLITT Fraktionierung F r die Simulation wurden 10000 Partikel auf die 10 Gr enklassen verteilt Dazu wurde eine Menge von 10000 gleichverteilten Zufallszahlen
27. Versuche zur SPLITT Fraktionierung wurden mit unterschiedlichen Schwerpunkten durchgef hrt Nach einer allgemeinen Betrachtung zum Einfluss der Flie ratenverh ltnisse auf des Trennergebnis wird gezeigt wie in stufenweiser SPLITT Fraktionierung sukzessiv Korngr en abgetrennt werden k nnen Nachfolgend wird zun chst betrachtet inwieweit durch Siebungen vorfraktioniert werden sollte Anschlie end werden Ergebnisse vorgestellt die mit Sedimenten unterschiedlicher Herkunft erzielt wurden Insgesamt wurden 94 Fraktionierungen mit der Bildauswertung bearbeitet Im Folgenden sollen die Ergebnisse der Versuche anhand von repr sentativen Daten dargestellt werden Das sediment re Material wurde wie in den vorangegangenen Kapiteln beschrieben aufgeschlossen suspendiert und gesiebt Kap 2 2 Die Siebfraktionen wurden sofort aus den Sieben in kleine Glasflaschchen Microvials umgef llt die kleinste Siebfraktion meist mehrere Liter Suspension sich zuerst absetzen lassen und dann zur Aufbewahrung in Microvials gef llt Zum verd nnen der Suspensionen wurde deionisiert verwendet das unter Unterdruck und Ultraschall entgast wurde um Blasenbildung w hrend der SPLITT Fraktionierung vorzubeugen Die Suspensionen f r die SPLITT Fraktionierung wurden so eingestellt dass der Gewichtsanteil des suspendierten Materials unterhalb von 1 blieb bezogen auf die Gesamtmasse der Suspension Zun chst wurden zur Suspension keine Zus tze hinzugef gt Die
28. Wa 5 AN 2 0 1 3 2 5 L 0 01 5 5 1 10 100 1 1 SAMEN EZ D 8 a o gt S 001 0 01 x 1 10 100 Abb 21 Ergebnis der mehrstufigen SPLITT Fraktionierung f r verschiedener Diatomeenschalenformen siehe auch Anhang D 2 2 Abb 51 Abb 55 1 bis 4 Stufe 1 bis 4 der mehrstufigen SPLITT Fraktionierung Jeweils Fraktion a wurde f r den n chsten Lauf benutzt Ab Stufe 3 reicherten sich die gr eren Diatomeenschalen in Fraktion b an z B die etwa 12 um gro en Schalen der runden Form Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen H ufigkeiten der Diatomeenschalengr en Ergebnisse 67 3 2 4 1 Ermittlung des Trenndurchmessers mit einem Optimierungsverfahren Die Trenndurchmesser bzw die Umverteilung der Partikel aus den Ausgangssuspensionen in die Fraktionen kann direkt nur anhand quantitativer Messungen erfolgen Um eine Vorstellung von der Umverteilung derjenigen Suspensionen zu erlangen die nicht quantitativ erfasst wurden musste ein rechnerisches Verfahren eingesetzt werden Dazu wurden die Rohdaten aus der Bildanalyse der Ausgangssuspension der Fraktion a und der Fraktion b in 37 Gr enklassen eingeteilt letzte Klasse offen gt 33 5um Dann wurden f r jede Suspension die Anteile der Gr enklassen an der Gesamtpartikelzahl ermittelt Als n chstes wurde ein Modell aufgestellt nach dem die f r die Ausgangssu
29. an Partikeln gt 10 um Diatomeengehalt bzgl Gesamtpartikelzahl gesamt gt 10um gesamt um 36 7 76 9 3 2 5 2 SPLITT Fraktionierung einer Siebfraktion 20 80 um Holzmaar Das gesiebte Sediment wies einen hohen Gehalt 81 9 an Diatomeenschalen auf u a Synedra Asterionella Fragilaria Pleurosigma Cymbella Dennoch ist bei einem Fremdanteil von Partikeln in der Gr enordnung von etwa 20 ein Gro teil davon sind minerogener Natur eine isotopenanalytische Untersuchung nicht sinnvoll Je nach Isotopenmarkierung der Minerale kann das zu verifizierende Isotopensignal der Diatomeen Ergebnisse berdeckt werden Kap 4 4 5 Im vorliegenden Fall wurde eine einstufige SPLITT Fraktionierung durchgef hrt Anhang D Abb 58 Abb 59 Aufgrund der hohen Flie raten wurde an der Grenze der Verwendbarkeit der SPLITT Zelle gearbeitet Insbesondere die Schlauchpumpe zeigte sich angesichts des Gegendrucks an ihrer Leistungsgrenze Die Suspension respektive die Tr gerfl ssigkeit enthielt 0 05 Agepon und war auf eine Partikelkonzentration lt 0 5 Gew angesetzt Die Bildauswertung der Fraktionen einschlie lich der Ausgangssuspension ergaben eine trimodale Korngr enverteilung der Minerale mit Maxima bei ca 3 um ca 37 um und ca 46 um Abb 24 Da der Feinanteil sich nur aus kleinsten Partikeln zusammensetzt ist die Herkunft dieser Partikel fraglich Eine Kontamination der Probe und oder de
30. bei jeder Fraktionierung eine hnliche Frequenz besa Die Flie raten wurden auf der Eingangsseite ermittelt indem die Zeit gemessen wurde die zum Leerpumpen einer Messpipette n tig war Das Pipettenvolumen wurde der Flie rate angepasst so dass etwa 2 min Messzeit zur Verf gung standen Auf der Ausgangsseite wurden die Flie raten durch Bef llen eines Messzylinders ermittelt Auch das Volumen des Messzylinders wurde der Flie rate angepasst Der Messfehler zwischen Eingangs und Ausgangsflie raten betrug durchschnittlich etwa 2 Standen die Flie raten fest wurde die Probensuspension an Eingang angeschlossen Teilweise wurde mit Blasenfallen Abb 13 gearbeitet die jeweils Zahnradpumpe Reglo Z von Ismatec Graphitzahnr der Pumpleistung 1 85 ml min gt Schlauchpumpe BVP von Ismatec 8 Rollen Pumpleistung 0 01 226 ml min Ergebnisse 55 zwischen den Pumpen und der SPLITT Zelle angebracht waren Bei geringen Flie raten wurde auf eine Blasenfalle f r die Suspension verzichtet da die Zeit zum Aussp len der Blasenfalle zu gro war Zuerst wurde die Zahnradpumpe angeschaltet um eine gleichm ige Str mung in der SPLITT Zelle zu etablieren Danach wurde die Schlauchpumpe Suspension hinzugeschaltet F r die Ermittlung der relativen Korngr enverteilung und des Diatomeenschalengehalts Abb 13 wurden jeweils mindestens 100 ml der SPLITT Fraktionen gesammelt Querschnitt durch eine Blasenfalle und
31. der Volumenklassen wurden auf ein Gesamtvolumen aufsummiert und mit der Dichte von Quarz multipliziert 131 ANHANG C Fehlerabsch tzung f r die Berechnung der Partikelmassen aus der L ngenmessung Zur Untersuchung m glicher Fehlerquellen bei der Berechnung der Partikelmassen aus der L ngenmessung mittels Bildauswertung wurden folgende Annahmen berpr ft a Die Verd nnung wurde falsch berechnet Selbst ein grobe Ver nderung der Werte f r die Berechnung der absoluten Partikelzahlen in den Suspensionen Probenvolumen Verd nnung etc erbrachte eine nderung der aus den absoluten Partikelzahlen Kap 3 1 4 errechneten Gesamtmasse um nur etwa eine Gr enordnung Tab 20 Tab 20 nderung der Gesamtmassen mit unterschiedlichen Werten f r die Berechnung der absoluten Partikelzahl in den Suspensionen Die Volumenmodelle blieben unver ndert W rfel Quader Platte Kugel Ellipsoid Werte zur Berechnung der absoluten Partikelzahl Lochmaske Objekttr ger Gesamtmasse 400 SE Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie EE 19 81 12 13 0 24 29 34 7 34 Verdinnuns Gesamtvolumen der Suspension Lochmaske Objekttr ger Gesamtmasse Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie Quarz g Verdiinnung Gesamtvolumen der Suspension Allein aus einer falschen quantitativen Berechnung l sst sich der hohe Wert f r die Gesamtmasse nicht erkl ren b Es wurden zu viele kleine Partikel gemessen Vernachl ssig
32. eine bersch tzung der Partikelzahlen kleiner Korngr en nicht der Grund sein kann c Es wurden zu viele gro e Partikel gemessen Werden alle Partikel gt 15 um vernachl ssigt zeigt sich nur eine geringf gige nderung der Massen Tab 22 Tab 22 Gesamtmassen ohne die Partikel gt 15 um Tr rin 17 43 10 68 Selbst wenn der Bereich zwischen 10 und 15 um ber cksichtigt wird sind die ermittelten Werte zur Berechnung der absoluten Partikelzahl Lochmaske Objekttr ger 7 mm Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie 5 ul Verd nnung 7 fach Gesamtvolumen der Suspension 400 ml Gesamtmasse Qz g Gesamtmassen um etwa eine Gr enordnung zu gro Forschungszentrum J lich 7 J l 3968 Februar 2002 ISSN 0944 2952 Danksagung Herrn Prof Dr H Schleser Leiter der Projektgruppe Isotopengeochemie und Pal okl ma am Institut f r Chemie und Dynamik der Geosph re ICG 4 und Herrn Prof Dr J F W Negendank gilt mein besonderer Dank f r die Bereitstellung des Themas und die Betreuung bzw wissenschaftliche Unterst tzung im Rahmen dieser Arbeit Herrn Prof Dr H W Hubberten sei f r die bernahme des Gutachtens gedankt Herrn Dr H Vos gilt mein gro er Dank f r die mathematische Betreuung und zahlreichen Hilfestellungen F r die Unterst tzung und die vielen Anregungen die zu dieser Arbeit beigetragen haben danke ich Her
33. kann also Schalen ganz unterschiedlichen Alters und Gr e besitzen 12 Einleitung Die Schalen der Pennales sind meist langgestreckt und bilateralsymmetrisch aufgebaut Sie weisen oft eine Spalte auf der Valva auf die als Raphe bezeichnet wird Die Raphe dient zur Fortbewegung oder Befestigung der pennaten Diatomeen Centrale Diatomeen sind im Prinzip radi r symmetrisch gebaut im Idealfall vergleichbar einer Petrischale Bei vielen Centrales bestehen die Valven aus rad r verlaufenden Reihen hexagonaler Kammern Vor allem die Valven sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Strukturen geschm ckt Der Aufbau eines Schalenteils geht in flachen Vesikeln vor sich silica deposition vesicles SDV Kiesels ure S1 OH 4 wird durch einen aktiven durch Die ben tigte Abb 2 Wachstum einer Diatomeenzelle Tr gerstoffe vermittelten Prozess durch das Plasmalemma aufgenommen einen 30 bis 250 gegen Konzentrationsgradienten Round et a 1990 Paasche 1980 Sullivan amp Volcani 1981 Sie bildet einen Vorrat l slicher Silikate oder Organosiliciumverbindungen Sullivan 1986 Blank et al 1986 F r den Vorgang der Polymerisation zu hydrierter amorpher Kiesels ure SiO2 nH2O innerhalb eines Vesikels werden unterschiedliche Modelle angefiihrt Round et al 1990 Volcani 1981 nennt drei Ursachen fiir die Polymerisation 1 Anderung im pH Wert oder der w hrend des Zellzyklus a Neue Zel
34. r Kugeln deutlich von der wirklichen Sinkgeschwindigkeit ab da sich Turbulenzen um das 94 Diskussion sinkende Partikel herum entwickeln nach Oseen in Koster 1964 Auf Stokes Formel basierende Gleichungen z B zur Berechnung des Trenndurchmessers d k nnen nicht mehr verwendet werden e Ein hoher mineralischer Anteil insbesondere gr erer Korngr en kann eine mehrstufige SPLITT Fraktionierung notwendig machen wenn die Gefahr von Ablagerungen der SPLITT Zelle besteht In diesem Fall m ssen zuerst die gro en Korngr en abgetrennt werden Eine Schr gstellung der SPLITT Zelle kann hier hilfreich sein e Aufgrund der hohen Pumpraten f r die Suspension ergeben sich kurze Bearbeitungszeiten z B etwa 15min bei V a 50 ml min 500 ml Suspension 5min Nachlaufzeit Ein hoher Probendurchsatz ist m glich 4 4 5 berlegungen zur Kontamination von Diatomeenproben Eine Fraktion extrahierter Diatomeenschalen kann auf unterschiedliche Weise kontaminiert sein Es ist m glich dass noch Tonminerale den Schalen anhaften z B in den Poren Mann amp M ller 1985 Eine Probe kann ferner durch Staubpartikel oder Partikel aus den verwendeten Fl ssigkeiten z B Wasser verunreinigt sein Die Verunreinigung kann organischer Art z B Bakterien Fasern Tenside oder mineralischer Art sein Neben den Bem hungen Kontaminationen zu vermeiden bzw zu minimieren sollte abgesch tzt werden wie gro der Einfluss einer Veru
35. werden kann bzw wie repr sentativ die Daten sind Es wurde eine Simulation einer SPLITT Fraktionierung durchgef hrt um einen ersten Vergleich ziehen zu k nnen Anhang B 1 Es ergab sich eine gute bereinstimmung zwischen den Werten aus der Bildanalyse und der Simulation Als n chstes wurden Fehlerquellen betrachtet sich aus der Vermessung von Objekten in Pixeldarstellung ergeben um zu verstehen wie sich ein Datensatz aus der Bildauswertung zusammensetzt Anhang 2 Als weiterer Punkt wurde sich anschlie end mit Messfehlern besch ftigt die daraus folgen dass a interaktiv bestimmte Parameter z B Schwellenwert bei der Bildverarbeitung variiert werden b das Messergebnis bei Wiederholungsmessungen schwankt und c die interaktive und automatische Messung u U unterschiedliche Ergebnisse liefern k nnen Anhang B 3 Zum Schluss wird ein Vergleich zwischen Bildauswertung und Coulter Counter Messung vorgenommen und diskutiert wobei die Frage zu beantworten ist ob eine Absch tzung der Massen m glich ist Anhang B 4 Mit den daraus folgenden Erkenntnissen werden die Ergebnisse der SPLITT Fraktionierung vorgestellt wobei zun chst aufgezeigt wird wie das gesamte Trennverfahren zu optimieren m Ergebnisse ist Dazu wird als erstes in zwei Kapiteln 3 2 1 3 2 2 dargestellt wie das Ergebnis einer SPLITT Fraktionierung von der Variation der Flie raten abh ngt Dann wird ein SPLITT Verfahren diskutiert mit dem eine
36. zwischen und 1 erzeugt Tabellen funktion ZUFALLSZAHL Die Startwerte der Gr enklassen wurden aus der Partikel sr enmessung erhalten z B 46 f r Klasse 2 4um 34 f r Klasse 4 6 um usw Die Zufallszahlen wurden ihrem Wert entsprechend in die Gr enklassen verteilt Tab 12 Tab 12 Verteilungsschema f r die erzeugten 10000 Zufallszahlen auf die Gr enklassen als Test f r die Zuverl ssigkeit der bildanalytischen Auswertung der SPLITT Fraktionen ANFANGSMENGE Zufallszahl Klasse 2 4 um Klasse 4 6 um usw Klasse gt 19 um 5 Erzeugen einer I Zuweisen wenn die I Zuweisen wenn die 1 Zuweisen wenn die Zufallszahl zwischen Zufallszahl in das Zufallszahl in das Intervall Zufallszahl in das 0 und 1 Intervall 0 bis 0 46 f llt 0 46 bis 0 46 0 34 f llt Intervall 0 46 0 01 bis 1 f llt 0 629347 LH 0998764 OO 4 Die simulierten Partikel wurden im Anschluss in zwei Fraktionen umverteilt Das Umverteilungsschema wurde vorgegeben Dazu wurde jeder Klasse eine Wahrscheinlichkeit zugewiesen mit der ein Partikel aus der Ausgangsmenge in Fraktion a hin ber geht z B 95 f r Klasse 2 4um 92 f r Klasse 4 usw Tab 13 Fraktion b wurde die Differenz von Ausgangsmenge und Fraktion a zugewiesen Anhang 121 Tab 13 Umverteilungsschema der Ausgangsmenge die Fraktionen a und als Test f r die Zuverl ssigkeit der bildanalytischen Auswertung der SPLITT Fr
37. 1 AUSZUG DER ERSTEN 7 MUSTER AUS DEM DATENSATZ nee nella 122 15 VERTEILUNG DER H UFIGKEITEN DER PARTIKELGR EN FERETMAX IN 19 KLASSEN F R DIE MESSUNG VON DREI BILDSERIEN DERSELBEN PROBE J2_31 ALS TEST F R DIE ZUVERL SSIGKEIT DER Ce EE E LEE 125 16 VERTEILUNG DER H UFIGKEITEN DER PARTIKELGROBEN FERETMAX IN 19 KLASSEN F R VIER WIEDERHOLUNGSMESSUNGEN DERSELBEN BILDSERIE VON PROBE J2_3I UND DIE STANDARDABWEICHUNGEN ALS TEST FUR DIE ZUVERL SSIGKEIT DER 5 126 17 WIEDERHOLUNGSZ HLUNG VON DIATOMEENSCHALEN EINER SPLITT FRAKTION A DER SIEBFRAKTION 20 80 uM ALS TEST F R DIE ZUVERL SSIGKEIT DER INTERAKTIVEN SCHALENZAHLUNG 127 18 VERGLEICH ZWISCHEN INTERAKTIVER UND AUTOMATISCHER VERMESSUNG VON UNTERSCHIEDLICHER UND FORM ALS TEST F R DIE VERGLEICHBARKEIT VON INTERAKTIVER UND AUTOMATISCHER VERMESSUNG su ner 128 112 Tabellenverzeichnis TAB 19 VERGLEICH DER AUS DEN BILDANALYSEDATEN ERRECHNETEN GESAMTMASSEN F R QUARZ p 2 6 G CM MIT VERSCHIEDENEN PARTIKELGEOMETRIEN 130 TAB 20 NDERUNG DER GESAMTMASSEN MIT UNTERSCHIEDLICHEN WERTEN F R DIE BERECHNUNG DER ABSOLUTEN PARTIKELZAHL IN DEN SUSPENSIONEN cccesssccccssecccacecccenssecscacecccacescceuasecseacececaaseseuans 131 21 GESAMTMASSEN OHNE DIE PARTIKEL lt 10 UM 131 TAB
38. 10 um ergibt sich f r Fraktion a SPLITTala nach dem 2 Lauf praktisch ein Anteil an Diatomeenschalen von 100 Bei den Diatomeenarten dieser Fraktion a handelte es sich haupts chlich um Cyclotella Cymbella Cocconeis und Fragilaria Eine weitere Auftrennung in Fraktionen von einzelnen Diatomeenarten wurde nicht vorgenommen und erscheint schwierig da die Gr en und Masseneigenschaften der Diatomeenschalen in diesem Gr enbereich 10 20 um sehr hnlich sind Vermutlich l sst sich aber mittels SPLITT Fraktionierung bei entsprechender Einstellung der Flie raten oder Modifikation des Trennvorgangs eine Artentrennung in gewissem Umfang erreichen Allerdings garantiert die erhaltene Fraktion eine f r isotopenanalytische Untersuchungen weitestgehend saubere Probe d h eine Probe die keine minerogenen Partikel mehr enth lt die das zu messende biogene Signal verf lschen K nnten Tab 6 Diatomeengehalte der SPLITT Fraktionierung der Siebfraktion 10 20 um unter Angabe der Flie raten Die Fraktionierung wurde in zwei Schritten durchgef hrt F r den 2 Schritt wurde Fraktion a aus der ersten Auftrennung weiter verwendet Der Anfangsgehalt an Diatomeenschalen betrug 13 8 69 f r Partikel gt 10 um d h unter Vernachl ssigung der Kontamination F r Fraktion a der 1 Fraktionierungsstufe konnten keine Diatomeengehalte ermittelt werden Der hohe Gehalt an Diatomeen in Fraktion b der 2 Stufe erkl rt sich durch die geringe Zahl
39. 22 GESA MTMASSEN OHNE DIE PARTIKEL UM instant 132 ANHANG 114 ANHANG A A l Bildverarbeitung Ein Bild besteht aus zwei Arten bin rer Regionen n mlich den L chern mit schwarzen Pixeln Grauwert 0 und den Objekten mit Pixeln die einen Grauwert 0 aufweisen im Schwarzweibbild ist dann der Grauwert 255 Welche Pixel sich zu einer einzelnen Region gruppieren h ngt von der Art der Pixelverkn pfung ab In einer 4er Nachbarschaft ber hren sich die Pixel nur an den Seiten In einer 8er Nachbarschaft werden Pixel die sich an den Seiten oder den Ecken beriihren zu einer Region zusammengefasst Benutzerhandbuch KS400 Imaging System Version 3 0 A 1l 1 Verbesserung der Bildqualit t Der erste Schritt bei der Bildverarbeitung ist eine Verbesserung der Bildqualit t Eine ungleichm ige Helligkeitsverteilung m Bild und das Rauschen sollen korrigiert oder zumindest vermindert werden Das Rauschen entsteht w hrend der Bildaufnahme das Bildsignal unterliegt leichten Schwankungen d h zwei eng benachbarte Punkte k nnen sich trotz gleicher Objekthelligkeit bei ihrer Abbildung als Bildpixel etwas voneinander unterscheiden Filter k nnen das Rauschen gl tten Tiefpass Filterung lowpass Die Grauwerte der Begriff Grauwert steht folgend auch stellvertretend f r die Intensit ten der Farbkan le jedes Pixels des gefilterten Bildes werden mit Hilfe einer Pixelmatrize aus den gemittelten Grauwerten des
40. 3 ml min V b 9 9 ml min V a y V b 0 3 Vit 20 5 ml min Haufigkeitsverteilung der Ausgangssuspension Die Berechnungen wurden mit dem Programm Microsoft Excel Version 8 0b durchgef hrt Die detaillierte Beschreibung des Simulationsverfahrens ist dem Anhang 1 zu entnehmen In Abb 9 sind die simulierten Werte als Summenkurven gegen ber den Bildanalysedaten einer SPLITT Fraktionierung aufgetragen 3 1 2 H ufigkeiten der Pixelmuster in der Bildauswertung Digitale Bilddaten setzen in Abh ngigkeit von der Bildaufl sung einer Bestimmung von Partikelgr en eine untere Grenze Kleinste Einheit ist das quadratische Pixel Je h her die Bildaufl sung ist desto mehr Pixel stehen f r die gleiche Fl che zur Verf gung und desto kleinere Objekte k nnen vermessen werden Steigende Pixelzahlen stellen aber auch h here Ergebnisse Anforderungen an Speicherplatzbedarf und Rechenzeit Die Bildaufl sung eines Mikroskopbildes ist neben der Vergr erung an die Bildaufl sung der Videokamera gekn pft Die verwendeten Kameras erzeugten Bilder mit 716 x 572 und 752 x 548 Pixel Bildgr e Jedes vermessene Objekt hat eine Gr e die einem vielfachen eines einzelnen Pixels entspricht Wird ein Partikel durch ein Pixelmuster abgebildet kann dies nur mit einer begrenzten Vielfalt an Formen geschehen Je weniger Pixel an einem Muster beteiligt sind desto geringer ist Formenvielfalt Zwei Pixel k nnen zwei unterschiedl
41. 6 g cm aufweisen Zuerst wurde das Volumen eines Partikels einer Gr enklasse errechnet dann mit der absoluten H ufigkeit der Gr enklasse multipliziert Die absolute 130 Anhang H ufigkeit der Partikel wurde entsprechend der verwendeten Teilmengen und Verd nnungen errechnet 2 49 7 i Vaci Vreilprobe 20 D emade deht Bildgr e Mikroskop Teilprobe 1 gro Pixel pind Z Gesamtzahl der Partikel in Klasse Z gez hlte Partikelzahl in Klasse V gesam Gesamtvolumen der Suspension V Mikroskop mikroskopiertes Volumen V Teilprobe Volumen der Teilprobe aus der Suspension Volumen des zur Verd nnung zugesetzten Wassers TLochmaske Radius der Lochmaske des Objekttr gers Bildgr e x Pixel y Pixel Apige Fl che eines Pixels Anzahl der aufgenommenen Bilder Das Ergebnis ist Tab 19 zu entnehmen Die Gesamtmassen liegen alle um etwa eine Gr enordnung zu hoch mit Ausnahme der Gesamtmasse bei Plattengeometrie die aber f r die meisten Mineralk rner unrealistisch ist Tab 19 Vergleich der aus den Bildanalysedaten errechneten Gesamtmassen f r Quarz 2 6 g cm mit verschiedenen Partikelgeometrien Partikelzahl Probe J2_31SED 2 37789E 11 Probenmenge 72 3 71 g verwendete Teilmenge J2_3 gesch tzt ca 1 g Zum Vergleich wurde dieselbe Probe mit einem Coulter Counter gemessen um eine Volumenverteilung zu erhalten Die H ufigkeiten
42. 92 dr ckt dies mit folgender Gleichung aus 36 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 29 d V a 1 Partikeldurchmesser bei F 1 dO Partikeldurchmesser bei F 0 Bei einheitlicher Dichte und Form der Partikel ist die Intervallbreite nur von den FlieBraten abh ngig Die Situation stellt sich anders dar wenn das Partikelgemisch ein nat rliches Sediment ist In diesem Fall haben die Partikel unterschiedliche Dichten und Formen und damit verschlechtert sich auch das Aufl sungsverm gen der SPLITT Zelle In der Frage der Extraktion von Diatomeenschalen muss dies nicht unbedingt eine Rolle spielen solange das Partikelgr enintervall nicht in den Bereich der Gr en der Diatomeenschalen selbst f llt Ein weiterer Unterschied zu den theoretischen Betrachtungen ergibt sich aus der Form der Diatomeen Bisher wurde durchweg eine runde Form der Partikel angenommen Dies kann in erster N herung f r einen Teil der mineralischen Partikel angenommen werden aber nicht f r Diatomeen Diatomeenschalen sind meist eher fl chig gebaut Es k nnen vielf ltige symmetrische Formen vorkommen von Kreisform ber sigmoidale zu nadelf rmigen Formen siehe Kapitel 1 2 Aufbau der Diatomeenschale Die F higkeit ihre Sinkgeschwindigkeiten zu verringern ist bei Diatomeen eine Frage der Anpassung an den Lebensraum Planktonische Taxa bilden Schalengeometrien aus die eine m glichst gro e Oberfl che gege
43. Application to Biological Materials Separation Science and Technology 23 8 amp 9 931 943 Giddings J C 1988 Continuous Separation in Split Flow Thin SPLITT Cells Using Hydrodynamic Lift Forces Separation Science and Technology 23 1 3 119 131 Giddings J C 1992 Optimization of Transport Driven Continuous SPLITT Fractionation Separation Science and Technology 27 11 1489 1504 Giddings J C 1993 Field Flow Fractionation Analysis of Macromolecular Colloidal and Particulate Materials Science 260 1456 1465 Giddings J C Caldwell K D 1989 Field Flow Fractionation In Rossiter Bryant W Hamilton John F 1989 Physical Methods of Chemistry Volume III B Determination of Chemical Composition and Molecular Structure Part B Giglio K D Green D B Hutchinson B 1995 Photocatalytic Deconstruction of an Organic Dye Using TiO and Solar Energy Journal of Chemical Education 72 4 352 354 Grover N B Naaman J Ben Sasson S Doljanski F 1969 Electrical Sizing of Particles in Suspensions I Theory Biophysical Journal 9 1398 1425 Grover N B Naaman J Ben Sasson 5 Doljanski F 1972 Electrical Sizing of Particles in Suspensions III Rigid Spheroids and Blood Cells Biophysical Journal 12 1099 1117 Gupta S Ligrani Phillip M Giddings J C 1997 Investigations of Performance Characteristics Including Limitations Due to Flow Instabilities in Contin
44. Ausgangsbilds errechnet Duda amp Hart 1973 48 f f 48 Gore gt gt m b n f x y Grauwert eines Pixels an der Stelle x b h Breite und Hohe der Filtermatrize Das Rauschen im Bild wird vermindert lokale Maxima werden eingeebnet die Kanten von Regionen verschwimmen der Dynamikbereich wird stark reduziert Anhang A 115 Abb 32 Darstellung der Arbeitsweise einer Tiefpass Filtermatrize Aus der Berechnung der Matrize Ausgangsbild ergibt sich f r das Zentralpixel der Matrize ein neuer Wert Ergebnisbild Die Filtermatrize wandert pixelweise ber das gesamte Ausgangsbild Ausgangsbild Ergebnisbild Mittelwert EE 5 8 6 7 9 24 8 15 12 9 10 0 SL _ Mittelwert IE EEE EEE BE 8 6 18 9 24 5 15 12 6 9 11 1011 Sigma Filterung Die Grauwerte jedes Pixels des Ausgangsbildes werden durch das Mittel jener Nachbarpixel ersetzt deren Grauwert in dem Intervall Sigma um den Mittelwert der Gesamtmatrize liegt Das Rauschen im Bild wird vermindert feine Strukturen bleiben erhalten Abb 33 Darstellung der Arbeitweise einer Sigma Filtermatrize Aus der Berechnung der Matrize im Ausgangsbild ergibt sich f r das Zentralpixel der Matrize des Ergebnisbildes ein neuer Wert Die Filtermatrize wandert pixelweise ber das gesamte Ausgangsbild Ausgangsbild Ergebnisbild Genie wen z 10 Sigma 4 POOE T DILLLLLTLLLTTTTLTNT DILTTTTTTTTLLLTTLLLLTLLTTTTLTT TIL TTTT TEN ENT R 8 6 7 9 8
45. Diatomeen Feretmax um Korngr enklasse Diatomeen Feretmax um Abb 24 SPLITT Fraktionierung einer Siebfraktion 20 80 um siehe auch Anhang D 2 4 Abb 58 Abb 59 Nach einer Fraktionierungsstufe waren in Fraktion a nur noch sehr wenige Mineralk rner gt 20 um vorhanden In allen Fraktionen fanden sich Kontaminationen von Partikeln lt 20 um Flie raten 1 V a 56 6 ml min V b 77 ml min V a 100 ml min V b 32 9 ml min Via 0 7 V t 43 4 ml min Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten 3 2 5 3 SPLITT Fraktionierung eines Sedimentfallen Materials Holzmaar Um die verfahrenstechnische Eignung der vorgestellten Technik auf breiterer Basis zu demonstrieren wurde als Vergleichsmaterial zu Sediment dass den obersten Zentimetern eines Seebodens entstammte Sedimentfallen Material gew hlt Die von J lich aus betreute Sedimentfalle befand s ch in 7 m Wassertiefe ber der tiefsten Stelle des Holzmaares Eifel ber einen Zeitraum von jeweils 2 Wochen wurde Sediment akkumuliert Es wurde Material von zwei Probenahmen verwendet vom 07 09 1999 und 21 09 1999 Der Gehalt an mikroskopischem organischem Material war deutlich h her als im Sediment des Seebodens mikroskopische Beurteilung Nach mehreren Stunden Behandlung mit 30 iger H202 waren noch deutlich fadige Reste von Blaualgen zu erkennen Es wurde eine Suspension die noch e Ergebnisse derarti
46. Frage hierbei ist wie das silikatische Schalenmaterial in ein Messgas CO oder CO f r de Isotopenmessung berf hrt werden kann Bekannt sind Methoden wie die partielle Verdampfung der Probe durch Laserbestrahlung oder die Fluorinierung Hoefs 1997 Da die Laserbestrahlung nur partiell erfolgt ist eine Isotopen fraktionierung in Probenrandbereichen vielfach nicht zu vermeiden Des weiteren m ssen mehrere Messungen erfolgen die gemittelt werden Bei der Fluorinierung k nnen im Schalensilikat enthaltene OH Gruppen bzw Wasser oder Reste organischen Materials den Isotopenwert beeinflussen F r die Isotopenanalyse der stabilen Sauerstoffisotope in sauerstoffhaltigen Feststoffen insbesondere im Silikat von Diatomeenschalen wurde von Schleser ein neues Verfahren entwickelt mit dem bei Temperaturen ber 2000 C der Feststoff mit Graphit umgesetzt wird Dazu wird der Feststoff z B Diatomeenschalen auf eine Graphitk vette aufgebracht Die K vette wird in einem wassergek hlten Quarzgeh use angebracht das anschlie end evakuiert wird Mit einem Mittelfrequenz Generator wird die Graphitk vette induktiv erhitzt Die Aufheizzeit ist frei w hlbar und die Temperatur stufenlos regelbar In einer ersten Aufheizphase bis ca 450 C werden OH Gruppen bzw Wasser desorbiert und organisches Material thermisch zu CO zersetzt Das Quarzgeh use wird hiernach erneut evakuiert Es folgt eine schnelle Temperaturerh hung auf 2000 2200 C Be
47. KLEINEN OBJEKTEN ZU DEUTLICHEN UNTERSCHIEDEN F HREN 122 ABB 36 HAUFIGKEITEN DER PIXELMUSTER IM DATENSATZ DER BILDANALYSE VON PROBE 2 31 ABSZISSE 555 123 ABB 37 ABSCH TZUNG DES FEHLERS DER DURCH DIE INTERAKTIVE NDERUNG DES SCHWELLENWERTS BEI DER BILDVERARBEIFUNG ENTSTEHT IE 127 ABB 38 AUSGANGSSUSPENSION SIEBFRAKTION 20 80 uM EINES KERNMATERIALS AUS DEM HOLZMAAR een ee esse 134 ABB 39 DIATOMEENSCHALENPR PARAT MINERALK RNER SIND ABGETRENNT SPLITT FRAKTION A DER SIEBFRARKTION 20 gt 80 UM 135 40 ABGETRENNTE MINERALK RNER SPLITT FRAKTION DER SIEBFRAKTION 20 80 UM 135 ABB 41 AUSGANGSSUSPENSION SIEBFRAKTION 10 20 UM EINES KERNMATERIALS AUS DEM HOLZMAAR nee ee eher 136 ABB 42 DIATOMEENSCHALENPRAPARAT MINERALK RNER SIND ABGETRENNT SPLITT FRAKTION A DER SIEBERAKTION AD 20 UM eene k lese 137 43 ABGETRENNTE MINERALK RNER SPLITT FRAKTION DER SIEBFRAKTION 10 20 137 ABB 44 AUSGANGSSUSPENSION SIEBFRAKTION 5 10 uM EINES KERNMATERIALS AUS DEM HOLZMAAR EIFEL Seeerei 138 ABB 45 DIATOMEENSCHALENPR PARAT MINERALK RNER SIND NACH EINEM TRENNUNGSSCHRITT WEITESTGEHEND ABGETRENNT haare ana 139 ABB 46 ABGETRENNTE MINERA
48. Kombination von interaktiver und automatischer Messung im Bildanalyseverfahren zur ckzuf hren ist siehe Kap 3 1 3 Anhang B 3 und Abb 10 Die Situation stellt sich anders dar wenn V a deutlich kleiner V b ist In Fraktion b Ub6 betr gt jetzt der Anteil von Korngr en ber 10 um etwa 40 Abb 50 Die Summenkurven der Korngr en von Fraktion Ua6 und Ub6 laufen an keiner Stelle mehr parallel In Abb 15 ist die unterschiedliche Fraktionierung zwischen hohen und niedrigen Gesamtflie raten dargestellt Sowohl Fraktion a als auch Fraktion b enthalten bei hoher Gesamtflie rate mehr gr ere Korngr en 7 Tb7 als bei niedriger Gesamtflie rate Ta2 Tb2 Ergebnisse 57 ks LS 0 1 kumulierte relative H ufigkeit 0 01 1E 3 1E 4 4 10 100 Partikelgr e Feretmax um Abb 15 nderung des Trennverm gens der SPLITT Zelle bei Variation der Eingangsflie raten Bei hoher GesamtflieBrate wird bei einer gr eren Korngr e getrennt Fall 7 im Vergleich zu Fall T2 T zeigt die Korngr en der Ausgangssuspension Siebfraktion lt 20 um ca 1 ig Flie raten 7 V a 30 5 ml min V b 70 6 ml min V a 52 6 ml min V b 50 8 ml min V a V b 0 43 Flie raten 2 10 ml min V b 20 ml min V a 15 4 ml min V b 15 0 ml min Via V b 0 5 Doppelt logar thmische Darstellung der relativen kumulierten Korngr enh ufigkeiten 3 2 2 nderung der Au
49. LK RNER SPLITT FRAKTION DER SIEBFRAKTION 5 10 UM 139 ABB 47 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPISCHE AUFNAHME DER SPLITT FRAKTION A SIEBFRAKTION 5 10 uM KERN 140 Abbiidungsverzeichnis 109 48 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPISCHE AUFNAHME DER SPLITT FRAKTION A SIEBFRAKTION 5 10 uM KERN HZM Eege 140 49 LINKS PROBE UA4 V A gt 9 RECHTS PROBE USA 141 50 LINKS PROBE UA6 V A lt V B RECHTS PROBE Up 141 51 AUSGANGSSUSPENSION PROBE 2 SIEBFRAKTION lt 20 uM REZENTES SEDIMENT AUS DEM HOLZMAAR ENTE EE 142 gt 92 CINKS PROBE J2 BECHTS PROBE eebe 142 Oo INKS PROBE J2 SATARECHTS PROBE Eeer ee ee 142 54 LINKS PROBE J2_3A1A1A RECHTS PROBE J2_3AlAlB erereresenensnssonanonsnsnssesesesesnsnnensnnssssnsnsnssssesnenn 143 55 LINKS PROBE J2_3A1ALA1A RECHTS PROBE IZ 1 143 56 AUSGANGSSUSPENSION SIEBFRAKTION SIEBFRAKTION 10 20 vuM 144 297 LINKS PROBE SPLIT TALA RECHTS PROBE SPLUT PAB 4 aaa 144 38 AUSGANGSSUSPENSION PROBE J1 SIEBFRAKTION 20 80 UM 145 59 LINKS PROBE RECHTS PROBE JT OE 145 60 LINKS PROBE ZS7M990907 A RECHTS PROBE 757 990907 222 2 2 1 1 104 1 1 0 145 61 AUSGANGSSUSPENSION PROBE ZS7M990921 SIEBFRAKTION lt 20 UM 146 62 ABTRENNUNG GROBERER MINERALKORNER MIT FRAKTIO
50. N B RECHTES BILD LINKS PROBE ZS7MA RECHTS PROBE ZS MIB e 146 63 ABTRENNUNG DER TONMINERALE MIT FRAKTION A LINKES BILD UND ANREICHERUNG DER DIATOMEEN IN RECHTS LINKS PROBE ZS7MAIA RECHTS PROBE ZSIMAIp 6 146 64 LINKS PROBE ZS7M A RECHTS PROBE ZS IMIpR EEN 147 65 AUSGANGSSUSPENSION PROBE HUG SIEBFRAKTION lt 20 HM 148 06 LINKS PROBE HUGA RECHTS PROBE ERRAN EH 148 67 ABTRENNUNG DER TONMINERALE MIT FRAKTION A LINKES BILD UND ANREICHERUNG DER DIATOMEEN IN RECHTS LINKS PROBE RECHTS 148 68 AUSGANGSSUSPENSION PROBE BAC SIEBFRAKTION lt 20 WM 149 JO9 LINKS PROBE BAC ARECHTS PROBE BAC a aeg 149 70 LINKS PROBE BAC AIA RECHTS PROBE RACAIR 149 TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB TAB 111 TABELLENVERZEICHNIS 1 VERSUCHSSCHEMA ZUR BERPR FUNG DES ABBAUS ORGANISCHER SUBSTANZ UNTER UV 24 2 FLIEBRRATEN DER NACHEINANDER DURCHGEF HRTEN SPLITT FRAKTIONIERUNGEN 61 3 EXPERIMENTELLE ERMITTLUNG DES TRENNDURCHMESSERS IM VERGLEICH ZUM THEORETISCH ERMITTELTEN u ne ana ee 63 4 ERSTELLUNG EINES MODELLS FUR DIE UMVER
51. R 21 221 ZAUSSChluss E E 24 2 2 1 1 Ergebnisse mit unterschiedlichen Probenm teri lien 2 25 22 2 VCO aca cat eget a ire ee 22 2232 EXTRAKTION VON DIATOMEENSCHATEN scienee 26 ee saan as eerie ace 26 E E A 28 E E E E NEE 30 e 37 233 22 Me 37 EE EG SN A EE 38 e E e e E 39 2 34 Modijizierte ENT a a a ui Eu 40 6 E 2 4 ENTWICKLUNG EINES VERFAHRENS ZUR CHARAKTERISIERUNG DER SPLITT FRAKTIONEN BIEDVERARBEIFUNG essen ki 40 ZA Mikroskopie nee een 41 42 2 5 KORNGR BENMESSUNG EINEM ELEKTRONISCHEN 43 2 6 RANDBEDINGUNGEN F R ISOTOPENMESSUNGEN DIATOMEENSCHALEN 44 3 ERGEBNISSE ee 47 3 1 ERGEBNISSE DER PARTIKELMESSUNGEN MITTELS 85 0 0 48 3d ER NET 48 2 1 2 H ufigkeiten der Pixelmuster in der Bildauswertung 49 3 1 3 Absch tzung der Messfehler bei der ee 50 3 124 Verpleich Bildanalyse
52. Sediment nicht durch Sch tteln suspendieren Kondensierte Phosphate werden in saurer L sung und bei hohen Temperaturen nahe 100 C verh ltnism ig schnell hydrolytisch abgebaut Natriumtriphosphat z B hat in w ssriger L sung bei pH 3 und 100 C eine Halbwertszeit von Minuten Ullmann s 1995 Solange nicht klar ist ob Phosphate an den Schalen verbleiben und m glicherweise bei den Untersuchungen von Sauerstoffisotopen st ren sollten diese Substanzen vermieden werden Chemische Verfahren e HCIO 70 ig HNO 65 ig Das Material wird gut suspendiert Entwicklung von Stickoxiden e H20 Hydrogenperoxid Durch die Entwicklung von O gt Bl schen 2 H O 2 H20 O T den Oberfl chen Sedimentk rner wird das Sedimentmaterial meist gut suspendiert Neben der Suspendierung des Materials ist es w nschenswert gleichzeitig auch das organische Material abzubauen Im Laufe der Trennversuche stellte sich schnell heraus dass gr ere Reste organischen Materials die Trennung st ren sie neigen dazu Partikel einzufangen und zu agglomerieren und bilden die Grundlage f r Bakterien und Pilzwachstum in der Suspension Die Reste k nnen z B aus kompletten Zellger sten von Blaualgen bestehen wenn das aufgeschlossene Material aus Sedimentfallen stammt oder auch mikroskopisch nicht erkennbar sein wenn bereits ein mikrobieller Abbau stattgefunden hatte Neben wurden auch HCIO und HNO konz als Oxidationsmittel
53. Sediments ist normaler weise gr er als der Trennbereich Es muss vorfraktioniert werden z B Siebung e Bei sehr kleinen Korngr en ist der Zeitbedarf hoch da bei geringen Sink geschwindigkeiten der Partikel geringe Pumpraten einzustellen sind e Partikel mit hnlichen Sinkgeschwindigkeiten k nnen im Normalbetrieb nicht getrennt werden Hier muss mit Vorschaltung zus tzlicher Siebungen gearbeitet werden was den Arbeitsaufwand erh ht Dennoch bleibt das Verfahren brauchbar Die Nachteile stehen jedoch in keinem Verh ltnis zu der mit diesem Verfahren gewonnenen Qualit t an Separierung von Diatomeenschalen Im allgemeinen stellt sich heraus dass bei entsprechender Konditionierung in allen F llen eine Trennung minerogener Anteile m glich ist 99 5 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren vorgestellt und die zugeh rige Technik aufgebaut und getestet mit der im Hinblick auf die Verwendung f r isotopengeochemische Untersuchungen Diatomeenschalen aus limnischen Sedimenten extrahiert werden k nnen Das Verfahren basiert auf der Trennung von Partikeln ber ihre unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten in einem kontinuierlich flie enden laminaren Tr gerstrom innerhalb eines extrem flachen Kanals SPLITT Fraktionierung Um zu einer quantitativ befriedigenden Charakterisierung der jeweiligen Trennergebnisse zu kommen wurde ein Bildanalyse Verfahren entwickelt mit dem die Sedimentsuspensionen
54. TEILUNG VON PARTIKEL W HREND SPLITT FRAKTIONIERUNG es Reese 67 5 OPTIMIEREN DER UMVERTEILUNG DURCH DAS ANPASSEN DER MODELLFRAKTIONEN AN DIE BILBAUSWERTEDA TEN WEE EE 67 6 DIATOMEENGEHALTE DER SPLITT FRAKTIONIERUNG DER SIEBFRAKTION 10 20 uM UNTER ANGABE DER BIIEBRATEN ee euere 71 7 DIATOMEENGEHALTE DER SPLITT FRAKTIONIERUNG F R DIE SIEBFRAKTION 20 80 uM UNTER ANGABE DER VERWENDETEN ssccccsesesesceesesesccesenesescsenesesceenenesescsenesesceesenesescsenesescseseneses 2 8 DIATOMEENGEHALTE DER SPLITT FRAKTIONIERUNG F R DIE SIEBFRAKTION lt 20 uM ZS7M990921 UND ANG BE DER FIIEBR TEN Seite tee 75 9 DIATOMEENGEHALTE UND FLIE RATEN FUR DIE SPLITT FRAKTIONIERUNG DER SIEBFRAKTION 20 80 a nen ee ee ee ee 76 10 FLIEBRATEN UND DIATOMEENGEHALTE DER SPLITT FRAKTIONIERUNG DER PROBE 15 0 2916 Ee Een 78 11 DIATOMEENGEHALTE DER SPLITT FRAKTIONIERUNG DER PROBE 0 1 UNTER ANGABE DER FIIEBR TEN sn ee 80 12 VERTEILUNGSSCHEMA F R DIE ERZEUGTEN 10000 ZUFALLSZAHLEN AUF DIE GR ENKLASSEN ALS TEST F R DIE ZUVERL SSIGKEIT DER BILDANALYTISCHEN AUSWERTUNG DER SPLITT FRAKTIONEN 120 13 UMVERTEILUNGSSCHEMA DER AUSGANGSMENGE IN DIE FRAKTIONEN A UND B ALS TEST F R DIE ZUVERL SSIGKEIT DER BILDANALYTISCHEN AUSWERTUNG DER SPLITT FRAKTIONEN 121 14 H UFIGKEITEN DER PIXELMUSTER IN PROBE 2 3
55. TIKELTRENNUNG IM 16 4 ABH NGIGKEIT DER SINKGESCHWINDIGKEIT V VON DER DICHTE UND EINES PARTIKELS 28 5 SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DES SEDIMENTATIONSVORGANGS IM BECHERGLAS MIT NUR ZWEI PARTIKELGROBEN UND GLEICHE DICHTE ses ran ERT 29 6 SPLITT ZELLE ZUR TRENNUNG VON PARTIKELGEMISCHEN IM SCHEMATISCHEN AUFRISS NICHT PROPORTION Al DARGESTELLT KEE 31 7 SPLITT ZELLE IM SCHNITT SCHEMATISCHE DARSTELLUNG NICHT 1 2 202 31 8 PARTIKEL ERREICHT AUSGANG PARTIKEL 2 1 6 66 6 33 9 SIMULATION EINER SPLITT FRAKTIONIERUNG ALS TEST DIE ZUVERL SSIGKEIT DER BILDANALYTISCHEN AUSWERTUNG f een een 49 10 VERGLEICH ZWISCHEN AUTOMATISCHER UND INTERAKTIVER MESSUNG DER PARTIKELGROBEN INNERHALB DERSELBEN PROBE ALS TEST F R DIE VERGLEICHBARKEIT VON AUTOMATISCHER UND INTERAKTIVER GROBENMESSUNG EE 51 11 VERGLEICH VON DATEN AUS EINER COULTER MESSUNG VOLUMINA DER AUS DEN COULTER DATEN ERRECHNETEN PARTIKELGR EN UND DEN PARTIKELGROBEN FERETMAX AUS DER BIEDANALYSE DERSELBEN PROBE En RE RE 52 12 SCHEMATISCHE DARSTELLUNG DES VERSUCHSAUFBAUS ZUR SPLITT FRAKTIONIERUNG 53 1 QUERSCHNITT DURCH EINE BLASENF LTE
56. ab Kapitel 3 2 4 dargestellten Ergebnisse ab Probe J1 wurden mit Zusatz von Ethanol bzw einem Benetzungsmittel Agepon erzielt Der Zusatz dieser Stoffe soll Ablagerungen in der SPLITT Zelle verhindern Da beide Stoffe Schiauchpumpe Blasen falle Sauerstoff enthalten kann ein geringer Isotopenaustausch mit dem suspension S l kat der Diatomeenschalen nicht ae h i ES Blasen ausgeschlossen werden Dies gilt aber falle genauso f r Wasser und alle anderen Zahnradpumpe Sauerstoff enthaltenen Suspensions Tr gerfl ssigkeit Fraktion b Fraktion a bestandteile wobei allerdings die O Bindungsenergien der einzelnen Stoffe einzubeziehen ist Als organi Abb 12 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur SPLITT sche Verbindungen sind Tenside und _Fraktionierung Ergebnisse Ethanol weniger temperaturbest ndig als die mineralischen anorganischen Stoffe der Suspension Das Schalensilikat wird thermisch bei ca 2000 C aufgeschlossen Es ist zu erwarten dass w hrend der Aufheizphase die sehr schnell erfolgt alle organischen Verbindungen zersetzt und sofort abgepumpt werden bei T 450 C und damit nicht die isotopische Zusammensetzung der Diatomeenschalen beeinflussen Die Suspension wurde w hrend der Fraktionierung mittels eines Magnetr hrers st ndig gemischt und in einem homogenen Zustand gehalten Nicht benutzte Suspensions Chargen und SPLITT Fraktionen wurden im K
57. aktion 98 Ihskussion 4 6 Anwendbarkeit der SPLITT Fraktionierung f r die Diatomeenextraktion In dieser Arbeit wurden verschiedene M glichkeiten zur Extraktion von Diatomeenschalen im Hinblick auf deren Brauchbarkeit f r isotopenanalytische Untersuchungen diskutiert Es konnte experimentell nachgewiesen werden dass die Technik der SPLITT Fraktionierung zur Anreicherung von Diatomeenschalen f r isotopenanalytische Studien an Sauerstoff aus Schalen Su hervorragend geeignet ist Die SPLITT Methodik bietet gegen ber anderen 7 7 genutzten Verfahren entscheidende Vorteile e Die SPLITT Fraktionierung arbeitet im Durchfluss und ist damit kaum abh ngig vom Probenvolumen e Das Kriterium f r die Auftrennung eines Partikelgemischs die Sinkgeschwindigkeit der Partikel kann in weiten Grenzen gesteuert werden Die Technik ist relativ einfach e Die Proben werden nicht oder nur gering kontaminiert abh ngig von Zus tzen zur Suspension bzw von Unreinheiten in den verwendeten Fl ssigkeiten e Der Zeitbedarf f r die Extraktion bei gro en Korngr en gt 20 um bleibt gering da die Sinkgeschwindigkeiten hoch sind e Sofern sich Diatomeenarten in Schalengr e und form gen gend unterscheiden kann artspezifisch getrennt werden Als Nachteile haben sich herausgestellt e Es kann keine Gesamtprobe verarbeitet werden da der Trennbereich von der Geometrie der SPLITT Zelle abh ngig ist Das Korngr enspektrum eines
58. aktionen FRAKTION A Erzeugen einer Zuweisen der Zahl aus Zuweisen der Zahl aus der Zuweisen der Zahl aus Zufallszahl zwischen der Anfangsmenge Anfangsmenge wenn die der Anfangsmenge 0 und I wenn die Zufallszahl in Zufallszahl in das Intervall wenn die Zufallszahl in das Intervall 0 bis 0 95 0 bis 0 92 f llt das Intervall 0 bis f llt 0 001 f llt 0457104 0 723891 0 132469 1 Klasse 2 4 um Klasse 4 6 um Klasse gt 19 um Zuweisen der Differenz zwischen Zuweisen der Differenz zwischen usw Ausgangsmenge und Fraktion a Ausgangsmenge und Fraktion a Die Wahrscheinlichkeiten f r die Umverteilung in den einzelnen Klassen wurden zun chst anhand von Literaturdaten Fuh et al 1995 Giddings 1988 Springston et al 1987 gesch tzt Im n chsten Schritt wurden Wahrscheinlichkeiten f r die Umverteilung aus Versuchen zur SPLITT Fraktionierung errechnet Kapitel 1 1 1 1 Aus diesen Werten wurde eine idealisierte Umverteilung erstellt und eingesetzt B 2 H ufigkeiten der Pixelmuster in der Bildauswertung F r die Untersuchung bestimmter Pixelmuster standen in den Datens tzen folgende Messgr en zur Verf gung Feretmax um Feretmin um FCircle Fl che um In voranstehender Ordnung wurden die Werte der Messgr en aufsteigend sortiert und aus den Fl chen die Pixelzahlen errechnet Zur Auswertung kamen nur die automatisch gemessenen Objekte lt 15 um Der von
59. aktionierungsstufen lie en sich Diatomeen anreichern in Fraktion BACalb siehe auch Anhang D 2 7 Abb 68 Abb 70 Probe 0 1 Flie raten der Fraktionierungsschritte 1 4 9 ml min V b 20 3 ml min V a 19 6 ml min V b 6 3 ml min Va V b 0 24 Vit 15 4 ml min 2 BACa Via 0 8 ml min V b 2 7 ml min V a 2 3 ml min V b 0 8 ml min V a V b 0 3 V t 1 9 ml min Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten Ergebnisse 81 we LS 83 4 Diskussion 4 1 Anwendbarkeit der Bildanalyse f r SPLITT Fraktionen aus limnischen Sedimente Wie in Kapitel 2 4 Bildverarbeitung beschrieben stellt sich zun chst d e Frage warum zur Partikelanalyse der Sedimente aus den SPLITT Fraktionierungen nicht eine der g ngigen Methoden angewendet wurde Dazu ist anzumerken dass Siebanalyse Sedimentierverfahren Laserpartikelz hler Coulter Counter usw granulometrische Methoden s nd die nur indirekt eine Aussage ber Korngr en erlauben Bei keiner der genannten Methoden wird bei der Messung zwischen unterschiedlichen Partikelklassen unterschieden Um zweifelsfrei zwischen einer Diatomeenschale und einem Mineralkorn unterscheiden zu k nnen sind unbedingt morphologische Methoden gefragt Traditionell kommen daf r bis heute nur optische Verfahren in Frage K ster 1964 Eine gro e Partikelzahl macht hier eine Automatisierun
60. an Chemical Society Division of Environmental Chemistry National Meeting 35 1 675 677 Round F E 1975 Die Biologie der Algen Originaltitel The biology of the Algae Round F E 1984 The ecology of algae Round F E Crawford R M 1989 Phylum Bacillariophyta In Margulis Lynn Corliss John O Melkonian Michael Chapman David J 1989 Handbook of Protoctista The structure cultivation habitats and life histories of the eukaryotic microorganisms and their descendants exclusive of animals plant and fungi A guide to the algae ciliates foraminifera sporozoa water molds slime molds and the other protoctists Round F E Crawford R W Mann D G 1990 The Diatoms Biology amp morphology of the genera Russ J C 1999 The Image Processing Handbook CRC Press and Springer 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 Literaturverzeichnis 105 Scharf B W 1980 Zur Morphometrie und Hydrodynamik der Eifelmaare Mitteilungen der Pollichia 68 Pages 101 110 Scharf B W Stabel H H 1980 Physikalische und Chemische Eigenschaften des Wassers der Eifelmaare Mitteilungen der Pollichia 68 Pages 101 110 Scharf B W 1987 Limnologische Beschreibung Nutzung und Unterhaltung von Eifelmaaren Ministerium fiir Umwelt und Gesundheit Rheinland Pfalz Mainz 117 S Schleser G H 1999 Verfahren und Vorrichtung zur Fr
61. atomeengehalts Mehrfach Kochen mit Natrium cyclo hexaphosphat bzw Calgon und 1 2Std Absetzen lassen um Tone zu entfernen Danach 10 20 und 30 min Absetzen lassen um gr ere Minerale zu entfernen Ein entscheidender Nachteil des Sedimentierens im Becherglas ist jedoch die nur teilweise erfolgende Auftrennung des Partikelgemischs n mlich nur im obersten Teil der Suspension Abb 5 Je weniger sich die Absinkgeschwindiskeiten der Partikel unterscheiden desto enger Abb 5 wird die Zone sein in der sich die Schematische Darstellung des Sedimentationsvorgangs im Becherglas mit nur zwei Partikelgr en und gleiche Dichte aufgetrennten Partikel befinden d h sich nur noch Diatomeenschalen befinden Der nutzbare Teil wird zus tzlich durch die Tatsache eingeschr nkt dass beim Abpipettieren der Diatomeenschalen keine Sedimentsuspension angesaugt werden darf Somit kann immer nur ein Teil der Diatomeenschalen aus der Suspension separiert werden F r eine h here Ausbeute sind mehrfache Wiederholungen des Vorgangs n tig die den Zeitbedarf dieser Methode erh hen und trotzdem keine vollst ndige Nutzung des Materials zulassen Eine m glichst hohe Ausbeute aber ist bei Nutzung der hohen Aufl sung laminierter Seesedimente wegen geringen Materialmenge f r eine hochaufl sende Isotopenuntersuchung erforderlich 30 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 2 3 3 SPLITT Fraktionierung
62. aus der SPLITT Frakionierung gleichzeitig auf ihre Korngr enverteilung und den Diatomeenschalengehalt hin analysiert werden k nnen Verfahrensbedingt mussten die Extraktionen in Suspension durchgef hrt werden Dies erforderte die Entwicklung einer Methode welche eine vollst ndige Suspendierung des Probenmaterials erm glicht Diese Aufschlussmethode wurde an verschiedenen Sediment proben getestet Es zeigte sich dass Dauer und Intensit t der Behandlung dem Probenmaterial jeweils angepasst werden muss Die Proben wurden durch Siebung vorfraktioniert F r die Trennversuche wurde die maximal zu trennende Partikelgr e bei 80 um angesetzt Diese Grenze wurde aus zwei Gr nden festgelegt Einerseits stellt sie ann hernd die obere Begrenzung f r Trennungen aufgrund der vorhandenen SPLITT Zellengeometrie dar zum anderen zeigte sich dass der weitaus berwiegende Anteil der Diatomeen in den Gr enbereich lt 80 um f llt F r Siebfraktionen von 20 80 um erwies sich SPLITT Fraktionierung als schnelle Methode um Diatomeenschalen vollst ndig von minerogenen Komponenten zu trennen Die Aufarbeitung von extrahierten Diatomeenschalen zur Messung der 6 O Werte des Schalenmaterials ist hier v llig unproblematisch Bei Siebfraktionen lt 20 um wurde mittels SPLITT Fraktionierung mit 4 Stufen in 5 Korngr enfraktionen aufgetrennt um eine Anreicherung an Diatomeenschalen zu erreichen Die Diatomeenschalen kamen entsprechen
63. berechnet 4 1 2 2 Erfassung gro er Partikel gt I5 um Allgemein l sst sich sagen dass die Messung gro er Objekte insofern unproblematisch ist als Randeffekte also z B der Wegfall von Randpixeln geringen Einfluss auf das morphologische Messergebnis haben Im speziellen Fall der Bildanalyse von sediment ren Proben ergab sich eine Problematik aufgrund der minerogenen bzw biogenen Herkunft der Partikel Ab etwa 15um Korngr e f hrte die Oberfl chenstruktur der Minerale zu einer uneinheitlichen Abbildung mit stark schwankenden Grauwerten Ein solches Objekt dass vom Betrachter als Mineralkorn erkannt wird zerfiel w hrend der Bildverarbeitung in kleinere Einzelobjekte hnliches gilt f r Diatomeenschalen deren feine Struktur meist nicht als Ganzes von der Bildverarbeitung erfasst wurde Aus diesen Gr nden wurden Partikel gt 15 um sowie Diatomeenschalen von der automatischen Messung ausgeschlossen Gr ere Partikel wurden interaktiv am Bildschirm vermessen wobei durch die Kombination von automatischer und interaktiver Messung d e Korngr enverteilung oft nicht korrekt abgebildet wurde 4 1 2 3 Erfassung von Diatomeenschalen Wie zuvor erw hnt wurden Diatomeenschalen meist nicht vollst ndig durch die Bildverarbeitung erfasst Ein allgemeineres nicht nur auf Diatomeenschalen bezogenes Problem stellte d e Frage dar auf welche Weise automatisch d h softwarebasiert zwischen zwei Partikelklassen z B Minerale und Diat
64. bfraktion lt 20 um keine mikroskopischen organischen Reste mehr zu erkennen Siebfraktion lt 20 um des Fallensediments Die entsprechend gr ndlich vorbehandelte S ebfraktion lt 20 um des Fallensediments wurde in zwei Stufen SPLITT fraktioniert Anhang D Abb 61 Abb 63 Im ersten Schritt wurden gr ere Mineralk rner von den Diatomeenschalen abgetrennt im zweiten Schritt wurden Tonminerale abgetrennt Als Ergebnis wurde eine mit Diatomeenschalen angereicherte Fraktion b Cymbella Cyclotella Cocconeis Fragilaria erhalten Tab 8 Eine Aussage ber die Massenanteile von Diatomeen und Mineralen l sst sich aus den Bildanalysedaten nicht gewinnen siehe Kap 3 1 4 Die Suspensionen aus der SPLITT Fraktionierung der Siebfraktion lt 20 um 75711990921 stellten sich als instabil heraus Es bildeten sich nach der SPLITT Fraktionierung im Zeitraum bis zur Pr paration Aggregate die bei der Partikelgr enanalyse zu einer bersch tzung der gr eren Korngr en f hrte zu erkennen in Abb 26 a ZS7mala Insofern k nnen die aus der Bildauswertung gewonnenen Daten nur eingeschr nkt zur Bewertung der Trennungsqualit t der entsprechenden SPLITT Fraktionierung gelten Ergebnisse 75 Nach mikroskopischer Betrachtung waren Diatomeenschalen in Fraktion alb gut angereichert aber ein noch zu hoher mineralischer Anteil vorhanden Daher muss auch in diesem Fall eine Mikrosiebung bei 5 und 10 um der SPLITT Fraktionierung vorgeschalte
65. bildern Objekte identifiziert werden k nnen Dazu werden ein unterer und ein oberer Schwellenwert festgelegt die den Farbwertebereich des jeweiligen Farbauszugs rot gr n blau bestimmen der erhalten werden soll Im Bin rbild wird dieser Bereich auf den Grauwert 255 wei gesetzt Alle anderen Farbwerte werden 0 schwarz gesetzt Bin rbildoperationen Das Bin rbild enth lt oft Objekte die nicht vermessen werden sollen z B Artefakte aus der Bildfilterung oder zu kleine Objekte Mit der Funktion binscrap werden Objekte gel scht deren Fl che in einem vorgew hltem Intervall liegen Die binfill Funktion f llt L cher in den Objekten die durch vorherige Filteroperationen entstanden sein k nnen Nach der F llung etwaiger L cher k nnen die Fl chen der Objekte korrekt bestimmt werden A 1 4 Vermessung der Objekte Die Vermessung der Objekte wurde halbautomatisch in mehreren Schritten vorgenommen wobei interaktiv zwischen Mineral und Diatomeenschale entschieden werden musste Zuerst wurden alle Objekte gt 15 um zur ckgewiesen da sich herausstellte dass ab etwa dieser Gr e die Partikel nicht mehr korrekt im Bin rbild abgebildet wurden Dies lag z B daran dass die abgebildeten Mineralk rner unterschiedliche Helligkeitswerte auf ihrer Oberfl che aufwiesen und nach der Bildverarbeitung nicht mehr als ein zusammenh ngendes Objekt auftraten Weiter wurden interaktiv alle Diatomeenschalen von der automatischen
66. bnisse Die Umverteilung jeder Gr enklasse ist mit Hilfe des Solvers im Programm Microsoft Excel Version 8 06 optimiert worden Abb 22 Im Bereich kleiner Korngr en wurde eine gute bereinstimmung der Werte erreicht Aufgrund der geringen Anzahl gemessener Partikel sro er Korngr en und den damit vorhandenen Z hlfehlern weicht das Ergebnis der Optimierung deutlicher von den Bildanalysedaten ab Ergebnisse 69 Anteil nach Fraktion a Vergleich SPLITT Fraktionen Optimiert 1 100 80 55 60 o x D 40 I 2 5 J2 3a 1552 f amp J2 3b E Optimiert a Optimiert b 0 5 10 15 20 29 2 100 80 ae 60 o x D 40 T 2 J2 3ala 20 5 amp J2 3alb Optimiert aa 7 Optimiert ab 0 5 10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 5 6 78910 20 30 40 3 100 80 5 60 o x D 5 40 5 T S 2 2 1 1 J2 3alalb Optimiert aaa v Optimiert aab 4 100 80 60 3980 40 J2 3alalala J2 3alalalb erase Berens Optimiert aaaa Optimiert aaab relative H ufigkeit TEH HH Gr enklasse um Gr enklasse um 1 2 3 4 5 6 7 8910 20 30 40 Abb 22 Ergebnis des Optimierungsverfahrens f r die 4 stufige SPLITT Fraktionierung der Probe J2_31 Links die optimierte Umverteilung der jeweiligen Ausgangssuspension Angegeben sind die Anteile der Gr enk
67. bzgl Probe Gesamtp je Hug_F 15 u_2916 Fraktion a Fraktion b b Korngr enverteilung der Minerale Saar che SA Zi En amp Hugala gt Hugalb kumulierte relative H ufigkeit 1 2 4 5 6 78910 20 30 40 50 1 2 3 4 5 6 78910 20 30 40 50 Partikelgr e Feretmax um Partikelgr e Feretmax um Abb 28 SPLITT Fraktionierung in zwei Stufen eines kompaktierten Sediments aus dem Huguang Maar China Siebfraktion lt 20 um Da Aggregate vorhanden waren aus denen st ndig kleine Partikel freigesetzt wurden sind in den b Fraktionen kleine Korngr en berbetont siehe auch Anhang D 2 6 Abb 65 Abb 67 Probe Hug_F 15 u_2916 Flie raten der Fraktionierungsschritte 1 Hug V a 5 1 ml min V b 20 3 ml min V a 19 5 ml min V b 6 3 ml min Vi a Vib 0 25 V t 15 2 ml min 2 V a 0 8 ml min V b 2 7 ml min V a 2 5 ml min V b 1 3 ml min V a V b 0 3 V t 1 9 ml min Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten Ergebnisse 79 3 2 7 SPLITT Fraktionierung einer Sedimentprobe aus dem Bachsee Schweiz Grindelwald Der Bachsee ist ein Hochgebirgssee 2265 m ti NN mit sehr diatomeenarmen Sedimenten Es wurde eine Probe des obersten Sedimentzentimeters bearbeitet um zu testen inwieweit sich bei solch diatomeenarmen Sedimenten eine Anreicherun
68. chnet werden kann Allerdings ergibt sich hier ein Problem da die Gehalte der 160 Isotope nicht ohne weiteres ermittelt werden k nnen Mit der Voraussetzung dass 60 gt gt also R lt lt 1 was dem Normalfall entspricht l sst sich 160 dem Gesamtsauerstoff gleichsetzen 0 DO TO Schreibt man f r den Sauerstoffanteil aus den Diatomeenschalen entsprechend fiir den minerogenen Anteil j CO gn tee Gesamt Gesamt ergibt sich f r Gleichung 43 45 Si 515 Ost mit rpiat De 1 lt fat fMin lt 1 Wird angenommen dass die Minerale den gleichen Anteil an Sauerstoff in ihrer Verbindung aufweisen wie Diatomeenschalen also z B nur Quarzk rner vorhanden sind S102 k nnen fpiat Und rin durch die entsprechenden Massenverh ltnisse ersetzt werden 96 Ihskussion 46 Op KS Diat Op Min Gesamt Gesamt Nach Umformung ergibt sich f r die Abweichung des Isotopenwerts eine Abh ngigkeit vom Anteil der Minerale an der Gesamtmasse und der Differenz der Isotopenwerte von Mineral und Diatomeenschale Gesamt 47 6 0 Opia Anhand dieser Gleichung l sst sich eine Absch tzung vornehmen wie gro der Einfluss einer Verunreinigung auf den Isotopenwert einer Diatomeenprobe ist Leider l sst sich der Gehalt an Sauerstoff in Diatomeenschalen nicht genau vorhersagen da der Wassergehalt der polymerisierten Kiesels ure SiO2 unbekannt ist Es ist alle
69. chteunterschied zwischen zwei Partikelklassen gro genug bei gleicher Dichte lie en sich die Partikel mittels Sedimentieren auftrennen k nnen Fraktionen gesiebt werden in denen keine korrespondie renden Korngr en vorkommen Das ist f r die angestrebte Abtrennung der Diatomeen schalen wichtig da das Kieselskelett eine deutlich geringere Dichte aufweist als der Gro teil der Minerale in den untersuchten limnischen Sedimenten 2 3 2 Sedimentieren im Becherglas Eine oft angef hrte Sedimentiermethode zur Anreicherung bzw Abtrennung von Diatomeenschalen aus dem Sediment ist das Absetzenlassen des suspendierten Materials im Becherglas o Gef en Juillet Leclerc 1984 Diese Methode hat den Vorteil ohne gro en apparativen Aufwand auszukommen Aber auch hier gilt Ein beliebiges Korngr engemisch Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 29 l sst sich nicht vollst ndig auftrennen da trotz unterschiedlicher Gr e das Vorhandensein gleich schnell sinkender Teilchen angenommen werden muss Auch hier sollte durch vorheriges Sieben eine passende Fraktion erzeugt werden Verschiedene Autoren machen unterschiedliche Angaben zur Vorgehensweise und den Absetzzeiten e Juillet Leclerc 1984 Siebfraktion gt 5 um oder gt 10 um 5 Absetzen lassen in 5 3 2 2 und 1 min in 50 70 cm Suspension ohne Angabe des Diatomeengehalts Shemesh et al 1988 Siebfraktion lt 38 um ohne Angabe der Di
70. classes a procedure which is called SPLITT fractionation split flow lateral transport thin separation cells and was first presented by Giddings 1985 As with field flow fractionation FFF techniques thin flow channels in conjunction with a field gravitation applied perpendicular to the flow are used for SPLITT fractionation A sample suspension containing the particles to be separated is continuously introduced through one inlet into the cell while sediment free liquid is introduced into the cell through a second inlet Within the cell the two flows merge smoothly the suspension overlying the sediment free carrier flow resulting in a laminar flow in which the separation of particles takes place Within the laminar current grains migrate according to their density shape and size towards either of two outlets As a result the sample will be divided into two fractions around a cut off diameter which is controlled by the ratio of the two outlet flow rates As diatoms behave hydrodynamically different compared with mineral grains the described method provides a tool to separate them by SPLITT fractionation The advantages of SPLITT fractionation over other separating methods for diatoms are reproducibility high throughput by continuous flow minimum losses fast procedure and minimum contamination of the sample The SPLITT cell used in this study has a length of 20 a breadth of 4 cm and a height of 371 um The sample conce
71. d 1 10 der Kanalh he nicht berschreiten sollte Jiang et al 1997 Ferner besteht bei zu gro en Partikeln die Gefahr von Verstopfung der Zuleitungen oder des Kanals 2 3 3 2 Diffusion Wie bereits erw hnt berwiegt unterhalb einer bestimmten Partikelgr e die Diffusion gegen ber dem Absinken Kleinere Partikel k nnen nicht mehr getrennt werden wohl aber gr ere Partikel von den kleineren Eine M glichkeit die Anwendbarkeit der SPLITT Fraktionierung f r kleine Partikel zu beurteilen ist die theoretische Anzahl N erzeugter B den w hrend des Transports Giddings 1992 _F w 2kT t 30 N mit Fei A F Kraft die das Partikel absinken l sst hier Gravitationskraft wu L nge des Transportwegs kT thermische Energie 38 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen Giddings entsprechend sollte N gt 100 sein Beispielsweise w re f r Partikel der Dichte differenz 2 g cm die Untergrenze f r gravitative SPLITT Fraktionierung bei einem Durchmesser von 0 6 um Jiang et al 1997 Der Einsatz einer gr eren Kraft F z B durch eine Zentrifuge l sst diese untere Grenze sinken 2 3 3 3 Turbulenzen Turbulenzen innerhalb des Kanals f hren zur Dwurchmischung w hrend des Trennungsvorgangs Damit ist eine Trennung weitgehend unm glich Das Entstehen von Turbulenzen ist u a von der Str mungsgeschwindiskeit im Kanal abh ngig Eine beschreibende Gr e hierf r ist die Reynolds Zahl Re
72. d ihrer Gr e und Form Fraktionen vor in denen sich Mineralk rner gleicher Sinkgeschwindigkeit ablagerten Minerale mit 100 Zusammenfassung korrespondierendem Durchmesser Durch eine weitere Vorfraktionierung mittels Mikrosiebung bei 10 um wurde eine Siebfraktion erhalten in der keine korrespondierenden Mineralkorngr en mehr vorkamen so dass auch hier eine Extraktion der Diatomeenschalen erreicht werden konnte Die SPLITT Fraktionierung von Sedimentproben verschiedenster Herkunft und damit unterschiedlichster Zusammensetzung der Sediment zu Diatomeenfraktion ergab hnliche Ergebnisse Es folgte jedoch dass die SPLITT Fraktionierung m Detail an das Probenmaterial angepasst werden muss Als Untersuchungsmaterial diente Sediment aus einer Kastengreiferprobe des Holzmaars Proben aus einer Sedimentfalle in 7 m Wassertiefe im Holzmaar kompaktiertes Sediment aus einem Kern Kerntiefe 2916 cm aus dem Huguang Maar S dchina und rezentes Oberfl chensediment aus einem alpinem See Bachsee Schweiz Grindelwald Es konnte gezeigt werden dass abh ngig von der Gr e Form und dem Grad der Silizifizierung der Diatomeenschalen mittels SPLITT Fraktionierung artspezifisch getrennt werden kann In sehr diatomeenarmen Sedimenten k nnen mittels SPLITT Fraktionierung Diatomeenschalen angereichert werden was f r eine Untersuchung der Artenzusammen setzung von Interesse ist Es k nnen geringe Probenmengen verarbeitet werd
73. die Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff Bei der Bildung biogener Karbonate oder Silikate etwa von lakustrinen Muscheln oder Algen sind Unterschiede in den Isotopenverh ltnissen des Sauerstoffs zu beobachten sofern deren Bildung bei unterschiedlicher Temperaturen erfolgt 180 O Verh ltnisse er ffnen daher die M glichkeit Temperatur bzw Umweltsignale der Zeitperiode zu ermitteln in welcher die ent sprechenden Algen oder Muscheln in ihrer aquatischen Umwelt lebten Labeyrie 1974 Juillet Leclerc amp Labeyrie 1987 von Grafenstein et al 1996 Obwohl Ger stsubstanzen verschiede ner Diatomeenspezies oder Schalen von Muscheln nicht notwendigerweise gleiche Isotopen werte liefern lassen sich Zusammenh nge mit Umweltver nderungen ermitteln sofern aus schlie lich Ger stsubstanzen oder Schalen von m glichst jeweils gleichen Spezies zur Analyse genutzt werden Bei den gegenw rtig haupts chlich von uns isotopenm ig zu bearbeitenden Sedimenten der wasserf hrenden Maare des Westeifeler Vulkanfeldes muss auf Diatomeen als Untersuchungs objekte zur ckgegriffen werden da Karbonate in Weichwasserseen wie z B dem Holzmaar nicht zur Verf gung stehen 10 Einleitung Die Gesamtabfolge der Eifelmaarsedimente besteht im wesentlichen aus Turbiditen Siderit Laminiten und jahreszeitlich geschichteten Diatomeengyttjen Zolitschka 1990 Aus diesen Sedimenten muss f r isotopenanalytische Studien das zu analysierende Ger stmateria
74. e Partikel 1 21 ee s Sedimentationskoeffizient s v y sollte so gro sein dass w hrend des Transports zu den Ausg ngen das Partikel die gesamte Transportregion durchqueren kann Die Bedingung daf r beschreibt die Ungleichung 16 Unter Verwendung von Gleichung 15 ergibt sich vu 22 gt Ss Die kritische Sinkgeschwindigkeit f r ein Partikel bei der sowohl Ausgang b als auch a erreicht wird ist demnach 03 Substituiert man v y Gleichung 21 durch Vki y ergibt sich der kritische Partikeldurchmesser Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 35 Wie eingangs erw hnt bezeichnet der Trenndurchmesser die Gr e eines Partikels bei dem jeweils 50 der Partikel Ausgang a bzw b verlassen F nimmt den Wert 0 5 an Damit wird Gleichung 19 zu dE 2 und mit Gleichung 15 zu V t 1 26 Sg Der Trenndurchmesser ergibt sich aus der Substitution von v y Gleichung 21 mit Gleichung 26 1 18 1 L 27 _ b L g Ap 2 Allgemein l sst sich der dem Anteil F entsprechende Durchmesser bestimmen ber 18 1 28 dp oL ran 5 wall fir OS Fy lt 1 b L g Ap Damit ergibt sich ein Partikelgr enintervall innerhalb dessen nicht vollst ndig getrennt werden kann Die Gr e dieses Intervalls bestimmt das theoretische Aufl sungsverm gen der SPLITT Zelle Giddings 19
75. e Ver nderung der Werte f r die Berechnung der absoluten Partikelzahlen in den Suspensionen Probenvolumen Verd nnung etc erbrachte eine nderung der aus den absoluten Partikelzahlen Kap 3 1 4 errechneten Gesamtmasse um nur etwa eine Gr enordnung Tab 20 Tab 20 nderung der Gesamtmassen mit unterschiedlichen Werten f r die Berechnung der absoluten Partikelzahl in den Suspensionen Die Volumenmodelle blieben unver ndert I Tre 19 81 12 13 29 34 P Werte zur Berechnung der absoluten Partikelzahl Lochmaske Objekttr ger Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie 5 ul Verd nnung Gesamtvolumen der Suspension Gesamtmasse Quarz g Lochmaske Objekttr ger Gesamtmasse Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie Quarz g Verdiinnung Gesamtvolumen der Suspension Allein aus einer falschen quantitativen Berechnung l sst sich der hohe Wert f r die Gesamtmasse nicht erkliren b Es wurden zu viele kleine Partikel gemessen Vernachl ssigt man alle Partikel lt 10 um sieht das Ergebnis wie folgt aus Tab 21 Tab 21 Gesamtmassen ohne die Partikel lt 10 um ater we Bosco Werte zur Berechnung der absoluten Partikelzahl Lochmaske Objekttriger 7 mm Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie 5 ul Verdiinnung 7 fach Gesamtvolumen der Suspension 400 ml Qz g 134 Anhang Es ist augenscheinlich das allein
76. ee ea dn ae 73 ABB 25 SPLITT FRAKTIONIERUNG EINES SEDIMENTFALLEN MATERIALS 7 M WASSERTIEFE SIEBFRAKTION SR IO WM EE 74 ABB 26 SPLITT FRAKTIONIERUNG EINES SEDIMENTFALLEN MATERIALS IN 2 STUFEN 7 M WASSERTIEFE SIEBER AKTION 20 reae re 75 ABB 27 SPLITT FRAKTIONIERUNG EINES SEDIMENTFALLEN MATERIALS 7 M WASSERTIEFE SIEBFRAKTION 20 SU UN E 76 ABB 28 SPLITT FRAKTIONIERUNG IN ZWEI STUFEN EINES KOMPAKTIERTEN SEDIMENTS AUS DEM HUGUANG MAAR CHINA SIEBPRAKTION lt 20 UM una ae RI nel 78 ABB 29 SPLITT FRAKTIONIERUNG IN ZWEI STUFEN EINES SEDIMENTS AUS DEM BACHSEE SCHWEIZ DIEBFRARTION lt UM 80 ABB 30 BLINDVERSUCH MIT DEION UND AGEPON 2 uL AUF JOTA 84 ABB 31 NDERUNG DES A EINER MISCHPROBE GEGEN BER EINER REINEN DIATOMEENPROBE IN o BEI VARIATION DER DIFFERENZ ZWISCHEN DEN WERTEN VON DIATOMEE UND 96 ABB 32 DARSTELLUNG DER ARBEITSWEISE EINER TIEFPASS FILTERMATRIZE 115 ABB 33 DARSTELLUNG DER ARBEITWEISE EINER 5 000 0 000 115 ABB 34 DARSTELLUNG DER ARBEITWEISE EINER FILTERMATRIZE F R DIE DELINEATION 117 ABB 35 DIE ABBILDUNG EINES PARTIKELS UND DIE BILDVERARBEITUNG ZU EINEM MESSOBJEKT KONNEN INSBESONDERE BEI
77. egt Ergebnisse 65 Nach Ausgang fraktionierender Korngr enanteil B 1 1 Stufe 100 NEN A 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 100 2 Stufe 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 7 B 3 3 Stufe 100 X 50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 100 4 Stufe Ra ios 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Partikelgr e Feretmax um Abb 20 Charakteristik der Partikelumverteilungen bei der mehrstufigen SPLITT Frakionierung Fraktion a wurde jeweils als Ausgangssuspension f r die n chste Stufe gebraucht Dargestellt sind die Anteile pro Korngr enklassen die bei der SPLITT Fraktionierung in Fraktion a gingen Z B bedeutet 90 in der Klasse 2 5 um dass 90 von den Mineralk rnern der Gr enklasse 2 5 um w hrend der SPLITT Fraktionierung zu Ausgang a gelangt sind und 10 zu Ausgang b Aufgrund der gro en Z hlfehler bei Korngr en gt 10 um bedingt durch geringe Partikelzahlen Anhang B 3 kommen teilweise Prozentzahlen gt 100 vor a Ergebnisse Gr enverteilung der Diatomeenschalen in den SPLITT Fraktionen runde z B Cyclotella andere z B Cymbella lange z B Fragilaria kumulierte relative H ufigkeit 1 Fraktion a Fraktion b 1 2 ie a 5 5 e SS A 2 Ei 0 01 kumulierte relative H ufigkeit 1 10 100 2 0 1 0 1 kumulierte relative H ufigkeit amp 0 01 0 01 e 1 10 100 1 10 100 En
78. eigte dass der bei der Massenbestimmung aufgetretene Fehler andere Ursachen haben muss siehe Anhang Je nachdem welches Volumenmodell der Massenberechnung zu Grunde gelest wurde unterscheiden sich die Ergebnisse um bis zu 2 Gr enordnungen Offensichtlich ist hier der Hauptgrund f r die unzul ngliche Berechnung der Gesamtmasse zu suchen Dem jeweiligen Modell wurde als gemessener Wert nur der Feretmax zugrunde gelegt Um volumetrische und damit die Masse betreffende Aussagen machen zu k nnen m ssen noch andere geometrische Merkmale ber cksichtigt werden Nur bei automatischer Messung k nnen weitere Kennwerte gemessen werden aus denen eventuell ein besseres Volumenmodell entwickelt werden kann In den hier bearbeiteten Proben stehen f r eine automatische Messung nur Partikelgr en bis 15 um zur Verf gung Eine Berechnung der Gesamtmassen erscheint daher zu unsicher 88 Diskussion 4 2 Arbeitsaufwand bei der Bildanalyse In diesem Abschnitt soll ein berblick ber den Arbeitsaufwand respektive die Kosten f r eine Bildanalyse gegeben werden Die Zeitangaben wurden aus Erfahrungswerten gesch tzt a Pr parate Arbeitsmittel Mischen Diagnostik Objekttr ger Lochmaske Petrischalen Zeitbedarf Probe verd nnen und aufbringen f r 10 Proben Trocknen unabh ngig von ca 3 Std Probenzahl b Mikroskopbilder Arbeitsmittel Durchlichtmikroskop Videokamera Aufsatz Computer Aufnahmesoftware
79. eisetzung von Sauerstoffisotopen aus sauerstoffhaltigen Feststoffen Deutsche Patentanmeldung 19906 732 5 43 Schrader H J 1973 Proposal for a Standardized Method of Cleaning Diatom bearing Deep sea and Land exposed Marine Sediment Nova Hedwigia Bbeihefte Lehre 45 400 409 Shemesh A Charles C D Fairbanks R G 1992 Oxygen Isotopes in biogenic Silica Global Changes in Ocean Temperature and Isotopic Composition Science 256 1434 1436 Shemesh A Mortlock R A Smith R J Froehlich N 1988 Determination of Ge Si in Marine Siliceous Microfossils Separation Cleaning and Dissolution of Diatoms and Radiolaria Marine Chemistry 25 305 323 Skipp G L Brownfield 1993 Improved density gradient techniques using Sodium Polytungstate and a comparison to the use of other heavy liquids U S Department of the Interior U S Geological Survey B 61 660 91 386 Sournia A 1978 Phytoplankton manual Springston S R Myers M N Giddings J C 1987 Continuous Particle Fractionation Based on Gravitational Sedimentation in Split Flow Thin Cells Analytical Chemistry 59 2 344 350 Stern O 1924 Zur Theorie der elektrischen Doppelschicht Zeitschrift f r Elektrochemie 30 508 516 Sullivan C W amp Volcani B E 1981 Silicon in the cellular metabolism of diatoms In Silicon and siliceous structures in biological systems Ed T L Simpson amp B E Volcani 15 42 New York Springer
80. eln unterschiedlicher Gr e und Dichte der Fall Die Sinkgeschwindigkeiten zweier unterschiedlich gro er und dichter Partikel ergeben sich gem Gleichung 7 2 2 Pot He e nn nn nn 9 n 2 9 00 Ke Nicht trennbar sind Partikel die gleiche Sinkgeschwindigkeit besitzen Vi V2 HS Pa Pin 10 n d h eine Suspension kann korrespondierende Korngr en besitzen die in Abh ngigkeit zur Dichte gleiche Sinkgeschwindigkeiten besitzen Abb 4 und sich damit nicht auftrennen lassen 28 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Dratomeenschalen 1000 100 korresp Korngr en Partikeldichte v um s 3 5 g cm 3 0 g cm 0 1 1 2 3 4 5 6 7 8 910 20 Partikeldurchmesser um Abb 4 Abh ngigkeit der Sinkgeschwindigkeit v von der Dichte und Gr e eines Partikels Horizontale Linie Beispiel f r korrespondierende Korngr en Partikel mit gleicher Sinkgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlicher Dichte sind nicht trennbar Dichte des Mediums 0 998 g cm dynamische Viskosit t 0 001 Pa s Achsen logar thmisch Hier zeigt sich ein Problem f r die Auftrennung nat rlicher Partikelgemische Sedimente mittels Sedimentiermethoden Es m ssen also Methoden kombiniert werden die unterschiedliche Parameter zur Diskriminierung der Partikel verwenden Im Fall der hier angewendeten Methodik st das eine vorgeschaltete Siebung Ist der Di
81. en wie es bei der Untersuchung von varvierten Sedimenten notwendig ist Das Trennverfahren ber die hier vorgestellte SPLITT Zelle wird seit einiger Zeit erfolgreich f r die in der J licher Arbeitsgruppe anstehenden Trennaufgaben angewandt Bei den im l4t gigen Rhythmus gezogenen Sedimentfallenproben werden die Diatomeen mittlerweile routinem ig ber die SPLITT Zellenmethode f r Sauerstoffisotopenmessungen angereichert und isoliert 10 11 12 13 14 15 16 ES 18 19 20 21 22 23 101 LITERATURVERZEICHNIS Andres U 1975 Magnetohydrodynamic and Magnetohydrostatic Separation a new Prospect for Mineral Separation in the Magnetic Field Minerals Science and Engineering vol 7 no 2 Andres U O Reilly W 1994 Selectivity in the magnetic separation of minerals Powder Technology Batel W 1962 Korngr en Me technik Arch f Tech Messen 982 4 111 114 Bergamaschi A Tsamakis E Kiel R G Eglinton TL Montlucon DR Hedges J I 1997 The effect of grain size and surface area on organic matter lignin and carbohydrate concentration and molecular compositions in Peru margin sediments Geochimica et Cosmochimica Acta 61 6 1247 1260 Bhatty J I 1986 Clusters Formation during Sedimentation of Dilute Suspensions Separation Science and Technology 21 9 953 967 Biscan J Dragcevic D 1993 Electrokinetics of model mineral suspensions Marine Chemi
82. endiert sein es d rfen sich keine Aggregate bilden und die Partikeldichte darf nicht zu hoch sein Zun chst wurde mit verd nnter Suspension mikroskopiert Die Proben wurden mit Hilfe von Messungen der optischen Dichte der Suspensionen auf etwa gleiche Partikeldichte verd nnt Durch die Fl ssigkeitsverdunstung entstehen unter dem Deckglas Str mungen die Partikel mittransportieren und zu Aggregaten zusammenlagern Durch den Zusatz von Glyzerin wurde versucht dies zu verhindern Als Nachteil musste die Verschlechterung der Abbildungssch rfe aufgrund ver nderter Lichtbrechung der Suspension in Kauf genommen werden Eine Verbesserung der Mikroskopbildqualit t wurde durch das Anfertigen von Trockenpr paraten erreicht Verd nnte Probensuspension wurde auf die kreisf rmigen Felder 7 mm eines speziellen Objekttr gers der in der Fluoreszenz in situ Hybridisierung FISH bzw Biotechnologie Anwendung findet getropft und trocknete ein Aufgrund der Oberfl chenspannung des Wassers bildet sich ein gew lbter Tropfen auf dem Objekttr ger In der Tropfenmitte ist das trocknende Volumen gr er als zum Rand hin es bildet sich somit eine sehr ungleichf rmige Partikelverteilung auf dem Pr parat aus Der Zusatz von Ethanol bzw Aceton zur Verringerung der Oberfl chenspannung brachte keine deutliche Verbesserung Mit Hilfe von Tensiden Agepon von Agfa wurde eine bessere Verteilung der Probe erreicht Die Tensidmenge muss so bemessen
83. ensignaturen aufweisen Der Rahmen der m glichen in Frage kommenden Methoden wird des weiteren durch Anforderungen an die Reinheit der Probe und eine Minimie rung von Kosten und Zeitaufwand begrenzt Daher wurde eine Technik unter folgenden Gesichtspunkten aufgebaut und getestet e Bei der Extraktion von Diatomeenschalen sollten m glichst alle minerogenen Komponenten abgetrennt werden e Soweit m glich sollten Diatomeen nach verschiedenen Gr enklassen extrahiert werden e In diatomeenarmen Sedimenten sollte durch Aufkonzentrierung von gr eren Sediment mengen gen gend Diatomeenmaterial f r isotopische Messungen nutzbar sein e Die Gewinnung von Diatomeenschalen aus Sedimenten sollte m glichst einfach und schnell erfolgen e Das Verfahren sollte einen m glichst geringen Kostenaufwand erfordern Einlettung 1 2 Aufbau der Diatomeenschale Die Schalen von Diatomeen Kieselalgen werden aus amorpher polymerisierter Kiesels ure aufgebaut von den Hoek et al 1993 Round et al 1990 Aufgrund von Unterschieden im Schalenbau werden zwei Ordnungen in der Klasse der Diatomeen Bacillariophyceae unterschieden die Pennales und die Centrales Beiden gemeinsam ist der schachtelartige Aufbau ihrer Schalen Abb 1 Die komplette Schale wird auch als Frustulum lat Br ckchen bezeichnet Sie besteht aus der Hypotheka der Schachtel und der Epitheka dem Deckel Die gr ere Epitheka berlappt die Hypotheka Hypo und Epitheka
84. entsprach 0 761 um bzw 0 8219 um Die Aufnahmen wurden als 24 Bit RGB Bitmap Rot Gr n Blau gespeichert In einer RGB Bitmap werden die Intensit ten der Farbkan le durch eine Zahl zwischen und 255 8 Bit angegeben 2 4 2 Bildverarbeitung Die Aufnahmen wurden mit einer Bildverarbeitungssoftware weiterverarbeitet Es wurde f r den aufeinander folgenden Einsatz verschiedener Bildfilter ein Makro automatisierter Arbeitsablauf innerhalb einer Softwareanwendung geschrieben und weiterentwickelt Ziel des Filtereinsatzes war es aus dem Farbbild ein bin res Schwarzwei bild herauszufiltern das nur noch die zu vermessenden Partikel zeigt Die Details der Bildverarbeitung sind Anhang A zu entnehmen 8 SYTOX Green von Molecular Probes Europe BV Niederlande Progressive 3 CCD Color Video Camera Sony 10 T gcia32 Version 4 11 Laboratory Imaging l KS400 Imaging System Version 3 0 Kontron Elektronik Vertrieb Carl Zeiss GmbH Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 43 2 5 Korngr enmessung mit einem elektronischen Partikelz hler F r wenige Proben wurden Vergleichsmessungen mit einem elektronischen Partikelz hlger t Coulter Counter durchgef hrt Ein direkter Vergleich der Datens tze aus Bildanalyse und der Messung mit dem Coulter Counter ist nicht m glich da bei der elektronischen Messung Volumina aus der nderung von Spannungswerten errechnet werden und dar ber hinaus nich
85. enzien problematisch zu handhaben zum anderen ergeben sich bez glich der Anwendbarkeit Fragen Werden Diatomeenschalen all ihrer organischen Anteile beraubt zerfallen sie in ihre Komponenten Round et al 1990 Die Komponenten sind anf lliger f r weitere Zerst rung ihrer Struktur und bieten eine gr ere Oberfl che f r einen Isotopenaustausch mit dem umgebenden Medium Juillet Leclerc 1984 beschrieb dass durch eine Behandlung mit HC1O HNO die obersten Silikatlagen der Schalen gel st w rden Der Vorteil ist hier zwar dass damit wohl auch ein gro er Teil anhaftender Ton Minerale entfernt wird aber gleichzeitig wird schon Einfluss auf die isotopische Zusammensetzung genommen Wieviel Tonminerale z B n den Poren der Valven verbleiben l sst sich kaum absch tzen Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen dass es um so schwieriger ist eine vollst ndige Extraktion der Schalen zu bewerkstelligen je mehr Schalenkomponenten und deren Bruchst cke vorliegen Um Diatomeenschalen m glichst komplett zu erhalten wurde der vorliegenden Arbeit vergleichsweise schonend mit H2O2 30919 vorbehandelt Trotzdem wurde beobachtet dass die Schalen nicht nur in Epi und Hypovalva zerfielen sondern sich z T auch G rtelb nder und Valven trennten Bei der Wahl der Vorbehandlung des Sediments wurde Augenmerk darauf gerichtet dass die Probe gut suspendiert wurde ohne Schalenmaterial zu zerst ren Eine Kombination von schwachem Ultraschall u
86. er Substanz unter UV Bestrahlung und H O C Gehalt im Ausgangsmaterial 4 59 Gew Wasserbadtemperatur 25 C Einwaage 1 g Ultraschall ein X aus O H20 30 ig 20 ml konz lt 100 ul UV Bestrahlung Abstand ca 1 1cm farblich unterlegt sind Einsatz und Dauer der Bestrahlung Ultraschall 1 Leistung Effektive Leistung 2 25 W bei 35 kHz Verstrichene Zeit min DEENS ojojo O cs Gg 555 St E 5 X X ro x o x Restgehalt C 105 Gew ausheizen ausheizen ausheizen ausheizen ausheizen Kurzzeitiger Einsatz von Ultraschall geringer Leistung unterst tzt das Suspendieren des Sediments Es wurden weniger als 100 ul konz hinzugefiigt um evtl vorhandene geringe Mengen Karbonats zu entfernen Erhitzen w hrend der Reaktion des brachte das Gemisch zum bersch umen Nur zum Ausheizen des wurde letztlich bis zum Sieden erhitzt Aus den Vorversuchen resultierte folgendes f r die weiteren Versuche im wesentlichen bernommene Ablaufschema dass durch Fall A der Tab 1 charakterisiert wird e Zugabe von 20ml 30 ig pro g Trockensediment e 30 min reagieren lassen e 3malim Wechsel 10 min Ultraschall 10 min ruhen Rest H O vorsichtig ausheizen Gesamtdauer ca 1 Stunden Sonorex Super 10p von Bandolin HF Frequenz 35 kHz Effektive Leistung 225 W Spitzenleistung 2x450 W Periode bei 0 1 ml konz 20
87. es Verfahrens zur Charakterisierung der SPLITT Fraktionen Bildverarbeitung Die in den Versuchsreihen zur SPLITT Fraktionierung erzeugten Fraktionen sollten soweit analytisch erfasst werden dass eine Aussage ber die Qualit t und Quantit t der Diatomeenextraktion gemacht werden kann Die meisten Partikelanalysemethoden erfassen nicht gleichzeitig Partikelgr enverteilungen f r verschiedene Klassen von Partikeln innerhalb desselben Gemischs Eine Unterscheidung zwischen Diatomeen und Mineralen ist hier aber notwendig Zun chst wurde versucht eine mikroskopische Z hlung der Partikel durchzuf hren was jedoch ob der gro en Partikelzahlen scheiterte Als vergleichsweise Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 41 einfaches Analyseverfahren wurde die Bildanalyse von Mikroskopbildern Anhang D gew hlt Die Bildanalyse wird bereits f r vielf ltige Aufgaben eingesetzt z B in der Satelliten Luftbildauswertung der Mikrobiologie der Metallurgie etc Russ 1999 F r die gleichzeitige Korngr enanalyse und Z hlung der Diatomeenschalen im selben Pr parat stand noch kein Bildanalyseverfahren zur Verf gung Im Zuge der Analyse der SPLITT Fraktionen wurde ein entsprechendes Verfahren entwickelt bei dem interaktiv zwischen Mineral und Diatomee unterschieden wird 2 4 1 Mikroskopie Die Qualit t der Bildanalyse h ngt u a von der Qualit t der mikroskopischen Aufnahme ab Die Partikel m ssen gut susp
88. evtl frame grabber Karte Zeitbedarf Bei 21 Bildern pro Probe f r 10 Proben ca 1 Std c Bildanalyse Arbeitsmittel Computer mit gro em Bildschirm 18 Bildverarbeitungs Software Speichermedium Speicherbedarf ca 1 2 MB pro Bild RGB Bitmap Format BMP bei 10 Proben mit je 21 Bildern gt ca 260 MB Zeitbedarf Abh ngig davon wieviel interaktiv gemessen f r 1 Probe 21 Bilder 20 min bis 1 Std werden muss Nicht aufgef hrt ist der Zeitbedarf f r Austesten der Verd nnungen Wiederholungs messungen Entwicklungsarbeit der passenden Bildverarbeitungsschritte Makro schreiben F r eine Anzahl von 30 Proben z B ergibt sich eine Bearbeitungszeit von minimal 2 Tagen und maximal 8 Tagen abh ngig vom Probenmaterial Im Schnitt ist f r 30 Proben mit einer Bearbeitungszeit von etwa 1 Woche zu rechnen Ihskussion 99 43 Schlussfolgerungen zur Bildanalyse f r die Auswertung von SPLITT Fraktionen Das f r die Beurteilung der Trennung von Diatomeenschalen aus Sedimentmaterial entwickelte und zur Anwendung gekommene bildanalytische Verfahren welches speziell auf das vorliegende Problem angepasst wurde kann wie folgt beurteilt werden Die Bildanalyse erm glicht eine gute Absch tzung der Trennvorg nge w hrend der SPLITT Fraktionierung Die Qualit tskontrolle einer SPLITT Fraktionierung im Sinne einer Bestimmung des Anteils mineralischer Partikel bei der Extraktion von Diatomeenschale
89. g von Diatomeenschalen durchf hren l sst Eine Anwendung daf r ist z B im Bereich der Artenbestimmung zu suchen Nach mikroskopischer Beurteilung war das Material bereits gut suspendiert und brauchte nicht mehr aufgeschlossen zu werden Mikroskopische Reste organischen Materials waren nicht zu erkennen Das Probenvolumen betrug nur etwa 5 ml suspendiertes Sediment Die Probe wurde bei 20 um gesiebt um gr ere Partikel abzutrennen Es wurde die Siebfraktion lt 20 um weiter verwendet da sich hier nach mikroskopischer Betrachtung die meisten Diatomeenschalen haupts chlich Fragilaria Cyclotella befanden Das Volumen der Ausgangssuspension betrug 200 ml Die SPLITT Fraktionierung wurde auch hier in zwei Stufen durchgef hrt Anhang D Abb 68 Abb 70 Die Korngr enverteilungen der Minerale sind in Abb 29 wiedergegeben Die Gesamtzahl der gemessenen Mineralpartikel ist bei dieser Messreihe unsicher Es traten Abweichungen der absoluten Partikelzahlen zwischen der Ausgangssuspension und der Summe der Fraktionen von 50 auf da vermutlich die Gesamtpartikelzahl in Fraktion BACa durch die Bildanalyse untersch tzt wurde Ebenso sind die Diatomeenzahlen mit z T gro en Fehlern behaftet da jeweils nur wenige Diatomeenschalen gez hlt wurden Hier traten Abweichungen der absoluten Schalenzahlen von ca 20 zwischen den Fraktionierungsstufen auf Die Diatomeenschalen Fragilaria Cyclotella reicherten sich in der Ergebnisse F
90. g zwingend In weiten Bereichen werden schon software gest tzte Bildanalyseverfahren eingesetzt so dass der Einsatz f r die Analyse der SPLITT Fraktionen nahelag Russ 1999 Klaus et al 1999 4 1 1 Mikroskopie Probenvorbereitung Auch be einer bildanalytischen Methode ist die Probenvorbereitung f r das sp tere Messergebnis entscheidend Welches sind die Kriterien die man f r eine Bildanalyse beachten sollte 4 1 1 1 Probenlagerung Es stellte sich heraus dass einige der Suspensionen aus der SPLITT Fraktionierung instabil waren d h dazu neigten Aggregate zu formen Dies ist nicht nur w hrend der SPLITT Fraktionierung st rend sondern verf lscht wenn nach der Fraktionierung auftretend das Ergebnis der Bildanalyse es werden zu viele gro e und gleichzeitig zu wenig kleine Partikel gemessen Instabile Suspensionen m ssen stabilisiert werden Dies kann geschehen durch Waschen bzw Entfernen der Substanzen die instabilisierend auf die Suspension wirken oder 94 Diskussion durch Zugabe stabilisierender Mittel z B Natriumdiphosphat falls die Probe nur zur Bildanalyse Verwendung findet 4 1 1 2 Pr paration Die Partikel sollten homogen ber das Messfeld des Objekttr gers verteilt sein Sich ber hrende Partikel oder Anh ufungen beeinflussen das Messergebnis Um eine gleichm ige Verteilung des Pr parats auf kumulierte Partikelzahl dem Objekttr ger zu erreichen wurde ein A 5 Tensid Age
91. ge Reste enthielt mittels SPLITT Fraktionierung aufbereitet ZS7m990907 Dabei dass eine stellte sich heraus Suspension mit einem hohen Gehalt bestimmter organischer Reste wie z B die fadigen Zellstrukturen von Blaualgen oder f r Bakterien und Pilze aufschlie bares Material f r eine SPLITT leicht Fraktionierung nicht geeignet ist da sich vermehrt sro e Aggregate bilden welche die Auftrennung verhindern Abb 25 Anhang D Abb 60 Um die geschilderten Probleme zu umgehen wurde eine weitere Probe ZS7m990921 daraufhin solange kumulierte relative H ufigkeit 1 10 100 Partikelgr e Feretmax um Abb 25 SPLITT Fraktionierung eines Sedimentfallen Materials 7 Wassertiefe Siebfraktion 20 80 um Aufgrund eines hohen Anteils organischer Reste und daher Aggregatbildung konnte nur ein schlechtes Trennergebnis erzielt werden siehe Anhang D 2 5 Abb 60 Probe ZM7m990907 Flie raten V a 57 7 ml min V b 78 0 ml min V a 104 ml min V b 34 ml min V a V b 0 74 V t 20 3 ml min Doppelt logarithmische Darstellung mit behandelt bis keine organischen Reste dieser Art mehr zu erkennen waren Trotzdem war der Gehalt an sehr stabilen biogenen Partikeln in der Siebfraktion 20 80 um noch hoch Dazu geh rten u a Zellger ste bestimmter Gr nalgen Pediastrum Reste der Panzer von Wasserfl hen Cladocera Schwammnadeln etc Dagegen waren in der S e
92. hichester 383 Ellwood M J Hunter K A 1999 Determination of the Zn Si ratio in diatom opal a method for the separation cleaning and dissolution of diatoms Marine Chemistry Vol 66 Issues 3 4 Pages 149 160 Fischer T Dorn H J 1982 Physikalische Formeln und Daten Ernst Klett Stuttgart Frimmel F H Fritsch W O Scheck K Photochemische Oxidation von Fluoranthen durch UV Bestrahlung Wasserstoffperoxid 101 4110 Fuh C B Chen S Y 1998 Magnetic split flow thin fracionation new technique for separation of magnetically susceptible particles Journal of Chromatography A 813 313 324 Fuh C B Trujillo E M Giddings J C 1995 Hydrodynamic Characterization of SPLITT Fractionation Cells Separation Science and Technology 30 20 3861 3876 102 Literaturverzeiohnis 24 29 26 21 28 29 30 31 32 33 34 39 36 37 38 39 40 41 42 43 44 Fuh B Myers Marcus N Giddings J 1992 Analytical SPLITT Fractionation Rapid Particle Size Analysis and Measurement of Oversized Particles Analytical Chemistry 64 24 3125 3132 Giddings J C 1985 A System Based on Split Flow Lateral Transport Thin SPLITT Separation Cells for Rapid and Continuous Particle Fractionation Separation Science and Technology 20 9 amp 10 749 768 Giddings J C 1988 Continuous Separation in Split Flow Thin SPLITT Cell Potential
93. hiervon Microvials bef llt ca 7 ml F r quantitative Analysen wurde die gesamte Menge an Probensuspension fraktioniert Sobald die noch vorhandene Probensuspension etwa 5 ml erreicht hatte wurde mehrmals mit kleinen Mengen ca 5 ml Tr gerfl ssigkeit H2O deionisiert 1 Ethanol 0 05 Agepon nachgef llt bis die Suspension klar wurde Anschlie end wurde mit Tr gerfl ssigkeit aufgef llt und die Pumpen noch mehrere Minuten weiter betrieben Der Durchlauf war beendet wenn die Probe komplett die SPLITT Zelle durchlaufen hatte Die SPLITT Fraktionen wurden jetzt durch Zentrifugieren 15 min 3000 min 18600 g aufkonzentriert gewaschen und in Microvials umgef llt W hrend dessen wurde die SPLITT Zelle dadurch gesp lt dass in mehrmaligem Wechsel Ethanol Luftblasen und Tr gerfl ssigkeit durch die Zelle gepumpt wurden Die Luftblasen erzeugen starke Druckunterschiede und Turbulenzen in der SPLITT Zelle unterst tzen somit den Reinigungsprozess Nach mehreren Durchl ufen oder wenn sichtbare Ablagerungen in der Zelle zur ckblieben wurde die SPLITT Zelle zur Reinigung komplett auseinander gebaut und mit deionisiert Ethanol bzw Aceton nur vorsichtig mit einem Tuch gereinigt 3 2 1 nderung der Eingangsflie raten Um zu verdeutlichen welchen Einfluss die Variation der Eingangsflie raten auf das Trennergebnis hat wurden Versuche mit unterschiedlichen Flie raten f r Eingang a und 6 durchgef hrt Die Ausgangsf
94. hungen wurden verschiedene Verfahren in Betracht gezogen Die in der Literatur beschriebenen Methoden des Absetzenlassens einer Suspension im Becherglas wird in einem eigenem Kapitel 2 3 2 diskutiert Die Vorbedingungen f r die Extraktion s nd e Keine isotopische Ver nderung des Schalenmaterials durch Anl sung Sauerstoff Austauschreaktionen bzw durch anhaftende mineralische Stoffe Tonminerale w hrend der Aufbereitung e Vollst ndige Extraktion der Diatomeenschalen da die Materialmenge bei zeitlich hochaufl senden Untersuchungen sehr gering ist e Geringer Zeit Ressourcenbedarf Um Diatomeenschalen vom restlichen Sediment abtrennen zu k nnen d rfen die Schalen nicht an andere Partikel des Sediments anheften wie es im getrockneten oder verfestigtem Sediment der Fall ist Das Sediment wurde aus diesem Grund vollst ndig suspendiert und eine Methode zur Extraktion gew hlt die in Suspension abl uft 1 3 1 Trennung nach Gr e der Partikel Eine Trennung nach Gr e ist f r Diatomeenschalen meist nicht geeignet da abh ngig von der Korngr enverteilung im Sediment jeweils den Schalen vergleichbar gro e Mineralk rner vorkommen 1 3 2 Trennung nach Dichte der Partikel Mit Hilfe einer geeigneten Schwerefl ssigkeit k nnen unterschiedlich dichte Partikel voneinander getrennt werden Diatomeenschalen besitzen eine im Vergleich zu den meisten Mineralen geringe Dichte d h sie k nnten aus diesem Grunde von M
95. i diesen Temperaturen setzt Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 45 sich das Schalensilikat mit dem Graphit zu CO um Nach dem Bouduard Gleichgewicht zwischen CO und COs liegt bei den genannten Temperaturen nur CO vor Das CO wird zun chst in stickstoffgek hlten Molekularsieben eingefangen Zur massenspektrometrischen Messung wird das CO durch Aufheizen wieder aus den Molekularsieben freigesetzt Das Verfahren erfordert Einwaagen von wenigstens 200 bis 300 ug so dass die Gewinnung von Diatomeen aus Sedimentmaterialien m glichst vollst ndig sein muss um die gew nschte Mengen in ausreichender Aufl sung zu erhalten 47 3 Ergebnisse In den folgenden Kapiteln werden die Ergebnisse der Trennversuche von Diatomeen aus verschiedenen Sedimenten vorgestellt die sich aus der Arbeit mit der SPLITT Zelle und der Bildanalyse ergaben Die Bezeichnung der Proben wurde wie folgt vorgenommen Rezentes Holzmaarsediment J 5 T U Sedimentfalle Holzmaar Material aus 7 m Wassertiefe Huguang Maar Hug Bachsee BAC Die Fraktionen wurden ihrer Fraktionierungsstufe entsprechend bezeichnet Wenn z B Fraktion a weiter fraktioniert wurde ist die Fraktion a der zweiten Stufe mit ala bezeichnet worden Fraktion a Fraktion ala Fraktion alata Ba Fraktion b Fraktion aib Fraktion alaib Zun chst stellte sich die Frage inwieweit die Bildauswertung f r die Partikelanalyse der SPLITT Fraktionen eingesetzt
96. iche Muster bilden drei Pixel k nnen f nf unterschiedliche Muster bilden usw Kleine Partikel werden mit nur wenigen Pixeln abgebildet Wird z B ein Partikel mit zwei oder mit drei diagonal angeordneten Pixeln abgebildet ist die gemessene Partikelgr e um 1 3 bzw 1 2 verschieden Wird also ein Partikel durch Pixelmuster mit geringen Pixelzahlen abgebildet kann der Fehler bei nicht exakter Abbildung relativ gro sein Um eine Vorstellung der H ufigkeiten bestimmter Pixelmuster zu gewinnen wurde ein Datensatz einer Bildanalyse dahingehend untersucht Das verwendete Verfahren ist im Anhang 2 dargestellt 3 1 3 Absch tzung der Messfehler bei der Bildanalyse Zur Absch tzung des Messfehlers wurde sowohl eine Mehrfachmessung an drei verschiedenen Bildreihen derselben Probe als auch eine viermalige Wiederholungsmessung an ein und derselben Bildreihe durchgef hrt die Details sind in Tab 15 und Tab 16 von Anhang B 3 dargestellt Erwartungsgem ist die Reproduzierbarkeit einer Messung von der Anzahl gemessener Partikel abh ngig Auff llig war ein Abknicken der Summenkurve bei 15 um in vielen Messungen Dies wird darauf zur ckgef hrt dass die automatische Messung Ergebnisse 51 nur bis zu einer Gr e von 15 um durchgef hrt wurde Offensichtlich passt der interaktiv vermessene Teil nicht exakt mit der automatischen Messung zusammen Abb 10 Hier stellt sich die Frage ob interaktive und automatische Messung bei gle
97. ichen Objekten auch gleiche Ergebnisse liefern Dieser Frage wird im Anhang B 3 nachgegangen 100000 J2_3 interaktiv J2_3 automatisch 19909 W N J2_3 gesamt E om 1000 5 9 TE 100 3 E 10 x 4 1 10 Partikelgr e Feretmax um Abb 10 Vergleich zwischen automatischer und interaktiver Messung der Partikelgr en innerhalb derselben Probe als Test f r die Vergleichbarkeit von automatischer und interaktiver Gr enmessung Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten H ufigkeiten der Partikelgr e Ergebnisse 3 1 4 Vergleich Bildanalyse Coulter Counter Aus der Bildanalyse der SPLITT Fraktionen ergab sich ein Bild f r die Gr enverteilung von Mineralk rnern und Diatomeenschalen bzw der Anteil an Diatomeenschalen an der gesamten Partikelmenge Mit welcher Massenausbeute ist aber f r Diatomeenschalen zu rechnen Eine Absch tzung der Mineralmasse der gemessenen Fraktionen sollte eine Gr en vorstellung daf r liefern Das Verfahren zur Absch tzung der Volumina ist im Anhang B 4 aufgef hrt Das Ergebnis unterscheidet sich um etwa zwei bis drei Gr enordnungen von den oben beschriebenen tats chlich vorhandenen Gesamtmassen 0 031g Die Coulter Counter Messung schlie t alle n der Suspension enthaltenen Partikel ein also auch alle Diatomeenschalen Es w re zu erwarten dass die daraus errechnete Gesamtmasse deutlich ber der tats chlich erhaltenen Gesamtmasse lieg
98. ikelgr en anzupassen Um einen gro en Korngr enbereich zu erfassen wurde eine geringe Vergr erung gew hlt Die Seitenl nge eines quadratischen Bildpixels repr sentierte 0 76 um bzw 0 82 um Damit konnten Objekte Diskussion 85 zwischen 2 bis 80 um gut erfasst werden Die Bildverarbeitung limitiert klar die untere Grenze der messbaren Partikelgr en w hrend die obere Grenze ein aufnahmetechnisches Problem darstellt Je gr er die Partikel sind desto weniger k nnen pro Bild gez hlt werden bzw desto h ufiger werden nur Teile eines Partikels im Bild erfasst 4 1 1 4 Belichtungszeit Die Belichtungszeit f r die Bildaufnahme muss der Beleuchtung angepasst sein In berbelichteten Bildern werden kleine Objekte berstrahlt Stark unterbelichtete Aufnahmen erschweren die Trennung zwischen Objektinformation und Hintergrund 4 1 2 Bildverarbeitung Bevor ein Objekt mittels Bildanalyse vermessen werden kann muss eine Bildverarbeitung die Bildinformation so aufbereitet haben dass nur noch die gew nschte Information in m glichst unverf lschter Weise bereit steht Doch der erste Schritt zur Informationsverf lschung ist die Bildverarbeitung Im Anhang A Bildverarbeitung wird erl utert welche Schritte der Bildverarbeitung n tig sind um ein messbares Ergebnisbild zu erhalten Im Kapitel 3 1 wurde auf die Schwierigkeiten hingewiesen die sich mit der Bildverarbeitung ergeben Die S mulation einer SPLITT Fraktionierung
99. in w sseriger L sung getestet Der Vorteil des vollst ndigeren Abbaus organischer Substanz rechtfertigt nicht den Einsatz dieser problematisch zu handhabenden Stoffe Alle n der Aufwand des Auswaschens der hohen Salzkonzentration l sst ihren Einsatz fragw rdig erscheinen Daneben ergibt sich das Problem dass vollst ndig ihrer organischen Filamente beraubte Diatomeenschalen in ihre Kompartimente zerfallen Round et al 1990 Der Einfluss sauerstoffhaltiger Reagenzien auf die isotopische Zusammensetzung der Diatomeenschalen ist dar ber hinaus weitgehend unbekannt reagiert je nach den Reaktionsbedingungen unter Radikalbildung oder durch Additions Substitutions Oxidations oder Reduktionsreaktionen Kirk Othmer 1994 Ullmann s 1995 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 23 Radikalbildung HOOH He oder HOOH 2 Addition H 0 Y Y H gt 0 gt Substitution H 0 RX ROOH HX H202 2 RX ROOR 2 Oxidation W WO HO Reduktion Z gt ZH O Um den Einsatz des zu optimieren wurden verschiedene Versuchsreihen gefahren wobei folgende Parameter variiert wurden Menge des H202 Katalysatoren UV Bestrahlung Ultraschall Erhitzen Von einer 30 igen H gt O gt L sung wurden 20 ml fir 1g gefriergetrocknetes Sediment ben tigt Weniger Fl ssigkeit erzeugt eine breiige Masse es wird schlecht suspendiert Die ben tigte Menge ist i
100. ineralk rnern getrennt 14 Einleitung werden Als Schwerefl ssigkeit wird heute meist eine L sung von Natriumpolywolframat 3 Na2WO 9 WO H20 eingesetzt Es wurde eine Polywolframat L sung mit differentiell zunehmender Dichte angesetzt Nach Zugabe einer Siebfraktion lt 20 um begannen die kleinsten Partikel z B Tone wegen des Salzgehaltes der L sung zu flocken Die Viskosit t n der Polywolframat L sung wird zwar bis zu einer Dichte zwischen 2 0 2 5 g cm als relativ niedrig n lt 8 10 Pa s beschrieben zum Vergleich besitzt Wasser 20 C einn von 1 10 Pas Heiz l 20 C einn von 7 Pas Fischer amp Dorn 198 es lie sich aber trotz Zentrifugierens keine zufriedenstellende Trennung der Partikel erreichen Eine Trennung von Diatomeenschalen allein auf der Basis unterschiedlicher Dichten ist f r die gegebene Fragestellung ebenfalls nicht geeignet 1 3 3 Trennung nach Partikelform Eine recht neue Methode zur Auftrennung und Analyse von Partikelgemischen Suspension ist die Feld Fluss Fraktionierung Field Flow Fractionation FFF Giddings amp Caldwell 1989 Giddings 1993 Janca 1993 Bei der Feld Fluss Fraktionierung wird die Suspension einem flachen Kanal aufgegeben durch den kontinuierlich ein Medium flie t Die Partikel werden durch eine u ere Kraft selektiv an eine der Kanalw nde z B Gravitationskraft Zentrifugalkraft gedr ckt Die Zentrifugalkraft kann z B in einem als Zentrifuge
101. ische Stoffe in Richtung geringerer magnetischer Kraftflussdichte Ein Verfahren das sich dieser Eigenschaft bedient wurde von Andres 1975 und Janer amp Jungner 1982 beschrieben Die einfache Apparatur besteht aus einem Elektromagneten dessen Kern V f rmig getrennt wurde Abb 3 In diese L cke wird der Probebeh lter gebracht Das zu trennende Material ist in einer konzentrierten Mn L sung Mn NO oder MnCl suspendiert Entsprechend der Formel 2 Xp H grad H Abb 3 Fm magnetische Kraft N Partikeltrennung im Magnetfeld Diamagnetische Partikel erfahren eine Kraft in Richtung abnehmender Xp magnetische Suszeptibilit t des Partikels Magnetfeldst rke bis diese im Gleichgewicht mit der H magnetische Feldst rke A m Gravitationskraft ist Xm magnetische Suszeptibilit t des Mediums Einleitung 17 wirken nun Kr fte auf die Partikel deren Gr e und Richtung von den magnetischen Partikeleigenschaften abh ngig sind Die in der magnetischen L sung suspendierten Partikel regeln sich gem dem Gleichgewicht zwischen magnetischer Kraft und Gravitationskraft ein ver ndert nach Janer amp Jungner 1982 und Fm Fy F Gravitationskraft N Volumen des Partikels m Pp Dichte des Partikels kg m Pm Dichte des Mediums kg m g Gravitationskonstante m s Jungner nutzt diese Methode um diamagnetische Quarzk rner der Siebfraktion g
102. ithin the frustule s SiO can under certain conditions represent a good proxy for climatic or ecological reconstructions Juillet 1980 Juillet amp Labeyrie 1987 Shemesh et al 1992 Especially in those cases where carbonates are not available for climate research diatoms seem to be a very promising alternative This is for example the situation in the high resolution sedimentary sequences of Westeifel Maar lakes The sedimentary sequences consist of turbidites siderit laminites and annually laminated diatomaceous gyttja but mostly lack any carbonates Negendank amp Brauer amp Zolitschka 1990 The problem however is to get highly purified diatom material for reliable oxygen isotope investigations This implies that minerogenic impurities have to be separated since they can easily alter the isotope signal of a diatom layer and thus lead to wrong results Additionally it is in many cases desirable to distinguish between diatom fractions of different sizes Le to distinguish between different diatom species It therefore was the aim of this work to develop a new method for separating quantitatively diatom frustules from lake sediments for investigations of the stable oxygen isotope composition in diatom 51 This method uses a new technique for separating particles depending on their sinking velocity in a liquid streaming through a narrow channel The technique to be used splits particles hydrodynamically into different size
103. ktion a und Doppelt logar thmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten Ergebnisse Siebfraktion 20 80 um des Fallensediments Die Siebfraktion gt 20 um des Fallensediments wurde in einer Stufe SPLITT fraktioniert Diatomeenschalen reicherten sich in Fraktion a an Anhang D Abb 64 Der Gehalt an Diatomeen im wesentlichen Synedra war jedoch im Bezug auf die Gesamtpartikelzahl gering Tab 9 Neben wenigen Mineralen fanden sich in Fraktion a vor allem Reste biogener Herkunft Diese Reste werden bei der Bildanalyse nicht ber cksichtigt Abb 27 Nach der Bestimmung der Korngr enverteilung ergab sich ein schon im Kapitel 3 2 5 1 beschriebenes Problem Obwohl nach einer Siebung bei 20 um alle kleineren Korngr en entfernt worden sein sollten wies die Gr enverteilung der gemessenen Partikel ein weiteres Maximum bei kleinsten Korngr en um 3 um auf Der Gehalt an Diatomeenschalen bez glich der Partikelzahl weist daher deutliche Unterschiede auf je nachdem ob gemessene Partikel lt 20 um mit ber cksichtigt werden oder nicht Aufgrund der geringen Anzahl gemessener Diatomeen sind die Angaben der Diatomeengehalte zus tzlich mit einem gr eren Fehler behaftet Tab 9 Diatomeengehalte und Flie raten f r die SPLITT Fraktionierung der Siebfraktion 20 80 um ZS7m990921 Es wurde nur ein Fraktionierungsschritt durchgef hrt Die Diatomeenschalen reicherten sich in Fraktion a an Der Anfangsgeha
104. l von Diatomeen so herauspr pariert werden dass m glichst keine Beimengungen anderer Sauerstoff enthaltender Substanzen vorhanden sind Dar ber hinaus ist es vielfach w nschenswert einzelne Diatomeenspezies getrennt zu erhalten zumindest nach bestimmten Gr enklassen zu fraktionieren was bis zu einem gewissen Grade einer Separierung von Diatomeenarten gleich kommt Wegen der im Vergleich zu Diatomeen mit Sicherheit isotopisch anders markierten minerogenen Komponenten in einem Sediment galt es ein Verfahren zur vollst ndigen Trennung von Diatomeen aus Sedimenten zu etablieren 1 1 Zielsetzung Es ging also darum eine Technik aufzubauen mit der eine quantitative Extraktion von Diato meenschalen aus limnischen Sedimenten erm glicht wird Von gro em Interesse ist hierbei eine hohe geochronologische Aufl sung zu erreichen Erst dadurch wird es m glich die Isoto penwerte in einen gr eren Zusammenhang besser einzuordnen sei es f r klimatologische oder f r kologische Fragestellungen bzw f r Zeitreihenanalysen Damit steht pro Analysegang nur wenig sediment res Material zu Verf gung Daher ist eine quantitative Extraktion der Schalen notwendig um gen gend Material f r eine Doppelmessung der Sauerstoffisotope zu erhalten Auch ist die Repr sentanz des Isotopenwertes dann fraglich wenn nicht ein Aliquot einer Ge samtprobe gemessen werden kann Die Gr enfraktionen einer Schalenprobe k nnen u U un terschiedliche Isotop
105. lassen die von der Ausgangssuspension nach Fraktion a gehen Rechts der Vergleich zwischen den aus der Bildanalyse gewonnen Daten und den aus der Optimierung erhaltenen Werten doppelt logarithmische Achsen l bis 4 Stufe 1 bis 4 der mehrstufigen SPLITT Fraktionierung 70 Ergebnisse 3 2 5 SPLITT Fraktionierung von Sedimentproben aus dem Holzmaar Eifel 3 2 5 1 SPLITT Fraktionierung einer Siebfraktion 10 20 um Holzmaar Aus den vorangegangenen Versu chen zur SPLITT Fraktionierung ergab sich dass je nach Ausgangs Proben lage des vorliegenden materials eine Unterteilung des Sediments in weitere Siebfraktionen vorteilhaft sein kann Es soll im Folgenden vorgestellt werden wie eine Siebfraktion im Bereich 10 20um SPLITT technisch aufzu bereiten st Als Ausgangsmaterial wurde rezentes Sediment aus dem Holzmaar verwendet Zus tzlich zu den schon beschriebenen vorge schalteten Aufbereitungsschritten wurde mit der Siebfraktion lt 20 um eine Siebung bei 104 durch gef hrt Die Siebfraktion 10 20 um wurde anschlie end in zwei Durch l ufen mit der SPLITT Zelle auf bereitet Mit dem zweiten Durchlauf Korngr enverteilung Minerale Siebfraktion x SPLITTala SPLITTalb kumulierte relative H ufigkeit 1 2 3 4 5 678910 20 30 40 50 Partikelgr e Feretmax um Abb 23 Ergebnis der SPLITT Fraktionierung einer Siebfraktion 10 20 um in zwei Stufen siehe auch Anhang D 2 3 Abb 56 Abb
106. ldet Tab 14 H ufigkeiten der Pixelmuster in Probe J2_31 Auszug der ersten 7 Muster aus dem Datensatz F r FCircle gilt je n her FCircle bei 1 liegt desto kreisf rmiger ist das Muster 123 x c 5 2419 gt D 5 I FCircle Fl che Pixelzahl H ufigkeit m Feretmax 8 Feretmin Anhang B Nr Pixelmuster 22 o BEER 2 22 100 0 1 oybyneH un un Hoy yneH 50 40 30 20 10 Imuster IXe P Nr 36 Abb dass in einem gro en Messdatensatz hier 54956 Partikel eine gro e Anzahl von Kombinationen der gemessenen Parameter vorkommen die bestimmte Pixelmuster repr sentieren H ufigkeiten Pixelmuster im Datensatz der Bildanalyse von Probe J2_31 Abszisse logarithmisch In der oberen Abbildung wird gezeigt hier 8649 Kombinationen Die untere Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus dem Datensatz und Beispiele f r die h ufigsten Pixelmuster 124 Anhang B 3 Absch tzung der Fehler bei der Bildanalyse Um die Frage zu kl ren ob interaktive und automatische Messung gleiche Ergebnisse liefern wurden Objekte mit einem Grafikprogramm erstellt und anschlie end sowohl interaktiv als auch automatisch vermessen Das Ergebnis zeugt von einer guten bereinstimmung der gemessenen Gr en Tab 18 Schlie lich wurde ei
107. le mit kompletter Ephiteka und Hypovalva in diesem Stadium sind bei vielen Diatomeen schon Komponenten des Hypocingulum vorhanden b Uniaxiales Wachstum mit weiteren Hypocinguli c Vollendung der Thekae Mitose Cytokinese d Tochterzellen beginnen sich zu trennen Neue Hypovalvae Eine Tochterzelle ist kleiner aus Round et al 1990 Si OH 4 Konzentration 2 Bindung an spezifische Bereiche des Silicalemmas der Vesikelmembran 3 Kondensation Hydroxylgruppen et al 1973 entwickelten ein Modell das die Kondensation durch die Hydroxylgruppen der Aminos uren Serin und Threonin einbezieht Pickett Heaps Tippit amp Andreozzi 1979 gehen von feinen Polysaccharidstr ngen aus die in das Lumen der Vesikel abgesondert werden und als Schablone dienen Wenn Silikate ber einen l ngeren Zeitraum in der Diatomeenzelle bevorratet werden k nnen hat dies vermutlich auch Einfluss auf die isotopische Zusammensetzung des Schalenmaterials Wie lange die Bevorratungszeit sein kann ist noch nicht gekl rt Sullivan amp Volcani 1981 legen einen Zusammenhang mit dem Zellzyklus der Diatomeen nahe Ebenso l sst sich vermuten dass die einzelnen unterschiedlich alten Schalenkomponenten verschiedene Isotopensignaturen besitzen Einleitung 13 1 3 M glichkeiten der Diatomeenextraktion anhand verschiedener Eigenschaften F r die Extraktion von Diatomeenschalen aus limnischen Sedimenten f r isotopische Untersuc
108. lie raten wurden nicht variiert V a V b Als Probensuspension wurde die Siebfraktion lt 20 um rezentes Sediment Holzmaar Eifel 1 Tischzentrifuge C4 12 von Jouan 2 Ergebnisse 0 1 0 01 1E 3 kumulierte relative H ufigkeit 1E 4 1 10 100 Partikelgr e 1 um Abb 14 nderung des Trennverm gens der SPLITT Zelle bei Variation der Eingangsflie raten Die Trennung erfolgt schlecht wenn V a gt V b wie im Fall U4 Ausgangssuspension ca 1 ig siehe auch Anhang D 2 1 Abb 49 und Abb 50 Flie raten U4 V a 60 ml min V b 50 ml min V a 57 ml min V b 51 8 ml min 9 1 2 Flie raten U6 20 ml min V b 50 ml min V a 36 8 ml min V b 33 5 ml min 9 0 4 Differenzen der Summen von Eingangs und Ausgangsflie raten sind durch das Messverfahren bedingt Doppelt logarithmische Darstellung der relativen kumulierten Partikelgr enh ufigkeiten verwendet Erwartungsgem zeigte sich dass bei Flie ratenverh ltnissen V a V b 2 1 ein nur schlechtes Trennungsergebnis erzielt wird Abb 14 Abb 49 Anhang D Der Anteil kleiner Korngr en ist in Fraktion b Ub4 immer noch sehr hoch Korngr en unter 10 um stellen mehr als 90 der Fraktion Ub4 Relativ zu Fraktion b ist Fraktion a verarmt an Korngr en ber 10 um Die Summenkurve f r Fraktion a Ua4 weist einen Knick bei ca 15 um auf der auf die
109. lt an Diatomeenschalen wurde nicht bestimmt Diatomeengehalt bzgl Gesamtpartikelzahl Fraktion a Fraktion b Ma V b ml min ml min Abb 27 SPLITT Fraktionierung eines Sedimentfallen Materials 7 m Wassertiefe Siebfraktion 20 80 um Nach einem Fraktionierungsschritt reicherten sich Diatomeenschalen in Fraktion a an siehe auch Anhang D 2 5 Abb 64 Probe ZM7m990921 Flie raten V a 58 8 ml min V b 77 9 ml min V a 103 8 ml min V b 33 8 ml min V a V b 0 75 0 19 1 ml min Doppelt logarithmische Darstellung 0 1 0 01 1E 3 kumulierte relative Haufigkeit ZS7 m a ZS7m b 1 10 Partikelgr e Feretmax um 1E 4 100 Ergebnisse 71 3 2 6 SPLITT Fraktionierung einer Sedimentprobe aus dem Huguang Maar S dchina Das aus einer Kerntiefe von ca 29 m stammende Material war soweit kompaktiert dass die in Kapitel 2 2 1 vorgeschlagene Aufbereitung nicht zu einer vollst ndigen Suspendierung der Partikel f hrte In der Suspension waren instabile Aggregate von kleinsten Partikeln Tone Feinschluff vorhanden die immer wieder Partikel in unterschiedlichen Mengen freisetzten Aus diesem Grund k nnen die aus der Bildanalyse gewonnenen Korngr enverteilungen nicht exakt das Ergebnis der SPLITT Fraktionierung widerspiegeln In den Summenkurven der b Fraktionen in Abb 28 ist deshalb eine berbetonung kleiner Korngr en vorhande
110. ml Lsg 1071 10 mol HCI 1 10 mol HCI gt pH 3 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 25 2 2 1 1 Ergebnisse mit unterschiedlichen Probenmaterialien Rezentes gefriergetrocknetes Sediment einer Kastengreiferprobe der obersten 15 20 cm des Seebodens des Holzmaars wurde durch vollst ndig suspendiert Frisches gefriergetrocknetes Material einer Sedimentfalle im Holzmaar wurde zwar gut suspendiert enthielt dagegen f r die Abtrennung der Diatomeenschalen noch zu viele organische Reste Limnisches Sediment aus dem Huguang Maar China st rker verfestigtes Material mit einem ungef hren Alter von 40000 Jahren Kerntiefe 2916 cm enthielt bei gleichem Arbeitsgang noch verschieden gro e Restaggregate wobei Diatomeenschalen zum gr ten Teil schon frei in Suspension waren Aufgrund der hier gewonnenen Erfahrungen kann das genannte Ablaufschema als Grundschema zum Aufschlu von limnischen Sedimenten verstanden werden Den Ergebnissen mit verschiedenen Sedimentproben folgend muss die Dauer der Behandlung und die H gt O gt Menge dem Material entsprechend angepasst werden 2 2 2 Siebung Nach Beendigung der Reaktion mit wurde die Suspension mit deionisiert auf 11 verd nnt und sich absetzen lassen Der schwach saure berstand wurde abgesaugt und der Bodensatz durch Aufsch tteln erneut auf ca 0 5 1 in H2O deionisiert suspendiert Es folgte im Anschlu eine Nasssiebung Als Siebgrenzen
111. mmer st rker werdenden Auswirkungen anthropogener Aktivit ten auf die nat rlichen Kreisl ufe unserer Erde werden nach heutiger Sicht die zuk nftige klimatische Entwicklung ver ndern Richtung und Ausma von Ver nderungen sind aber noch keineswegs klar vorher sehbar In diesem Rahmen ist die Erforschung der j ngsten erdgeschichtlichen klimatischen Entwicklung von gro er Bedeutung Denn ihre Verifizierung bietet einen guten Ansatz zum Verst ndnis anthropogen bedingter klimatischer Ver nderungen sowie deren m glicher Ursa chen ein Verst ndnis das im brigen zur Verbesserung von Klimamodellen unerl sslich ist Eddy amp Oeschger 1993 Overpeck 1995 Chanin 1996 Es besteht heute kein Zweifel dass f r die berpr fung von Klimamodellen anhand vergan gener Klimaepochen eine gro e Zahl gut gesicherter Pal odaten erforderlich ist Die Erhebung verl licher Pal odaten setzt nat rlich den Zugang zu entsprechenden Zeitarchiven voraus die sich bis auf den heutigen Tag m glichst ohne wesentliche Ver nderungen erhalten haben Zahl reiche derartige Archive sind in den letzten Jahren gewonnen worden im terrestrischen Bereich z B aus den Sedimenten von Maaren des Westeifeler Vulkanfelds Negendank amp Brauer amp Zolitschka 1990 Zur Gewinnung meteorologischer Daten aus Proxydaten von Klimaarchiven haben sich die stabilen Isotope gewisser leichter Elemente als sehr fruchtbar erwiesen Dabei handelt es sich in erster Linie um
112. mulierte relative H ufigkeit 1E 4 4 10 100 Partikelgr e Feretmax um Abb 18 Trennungsverm gen der SPLITT Zelle im FFDSF Modus d h es wird fast ausschlie lich Probensuspension die SPLITT Zelle gepumpt zeigt die Korngr en der Ausgangssuspension Siebfraktion lt 20 um Flie raten J1_6 Va 50 0 ml min V b 5 2 ml min V a 41 1 ml min V b 10 5 ml min Differenzen der Summen von Eingangs und Ausgangsflie raten sind durch das Messverfahren bedingt Doppelt logarithmische Darstellung der relativen kumulierten Korngr enh ufigkeiten der Probe auftritt Dieser Vorteil muss mit dem Nachteil eines schlechten Trennergebnisses erkauft werden Die schlechte Aufl sung der Fraktionierung macht ein mehrstufiges Arbeiten zwingend erforderlich Abb 18 zeigt das Ergebnis einer FFDS Fraktionierung Es wurde eine geringe Eingangsflie rate V b gew hlt um Ablagerungen im Bereich des Eingangs b der SPLITT Zelle zu verhindern Die Kurvenverl ufe der Fraktionen a b J1b6 zeigen ein hnliches Muster zu dem n Versuch S6 gefundenen siehe Kapitel 3 2 2 Erwartungsgem ist Fraktion a gegen ber der Ausgangssuspension 71 an gro en Korngr en verarmt Fraktion b enth lt einen h heren Anteil gro er Korngr en ist aber immer noch reich an kleinen Korngr en die das Gros der Fraktion ausmachen Ergebnisse 61 3 2 4 Quantitative SPLITT Fraktionierung in mehre
113. mungsfl chen und parabolischem Geschwindigkeitsprofil angenommen werden Ein Partikel ist hier in seiner Bewegung zwei Komponenten unterworfen Zun chst ist in Str mungsrichtung x und Zeit t die Partikelgeschwindigkeit gleich der Str mungsgeschwindigkeit 12 lt dt Die gravitativ bedingte Sinkgeschwindigkeit des Teilchens in Richtung y ist des weiteren dy 13 13 7 Die volumetrische FlieBrate V in der planaren Str mungsschicht in der sich das Partikel befindet ist gegeben durch 14 AV b dx b de v y b Breite des Kanals m Integriert tiber die gesamte Lange des Kanal ergibt sich 15 AV bLv y L L nge des Kanals m Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 33 Am Ende des Kanals wird ein Partikel auch seine vertikal gr te Auslenkung erfahren haben Die Gr e dieser Auslenkung bestimmt ob ein Partikel bei Ausgang a oder b abgezogen wird Ein Partikel erreicht im Idealfall nur dann Ausgang b wenn die Flie rate AV gr er ist als die Flie rate der Transportregion V t 16 AV gt V t Dies ist der einfachste Fall unter der Annahme einer monodispersen Menge von Partikeln einheitliche Dichte und Gr e die alle sofort nach dem Trenner in die Transportregion absinken Dabei wird auch vernachl ssigt dass der Trenner eine gewisse Dicke besitzt Der Trenner der verwendeten SPLITT Zelle nimmt immerhin 1 3 der Kanalh he ein 127 um Dies hat vor allem a
114. n Die gemessenen gr eren Partikel setzten sich aus Mineralk rnern und Aggregaten zusammen wobei sich die Aggregate hydrodynamisch hnlich zu den Mineralk rnern verhielten also ebenfalls abzutrennen waren Das Material wurde bei 20 um gesiebt um gr ere Aggregate zu entfernen F r die SPLITT Fraktionierung wurde die Siebfraktion lt 20 um verwendet da sich dort nach mikroskopischer Betrachtung die meisten Diatomeenschalen im wesentlichen Aulacoseira befanden Die SPLITT Fraktionierung wurde 2 Stufen durchgef hrt um zuerst gr ere Minerale Aggregate von den Diatomeenschalen zu trennen und anschlie end die Ton und Feinschlufffraktion Anhang D Abb 65 Abb 67 In Tab 10 ist zu sehen dass sich die m Ergebnisse Diatomeenschalen zuerst in Fraktion a anreicherten und mit der zweiten Fraktionierungsstufe in Fraktion b Hugalb Aufgrund der freigesetzten Partikel ist hier vermutlich der Anteil von 3 25 Diatomeenschalen bzgl der Gesamtpartikelzahl untersch tzt In Fraktion Hugala befanden sich noch wenige kleine Diatomeen und Schalenbruch Tab 10 Flie raten und Diatomeengehalte der SPLITT Fraktionierung der Probe Hug_F 15 u_2916 Die Fraktionierung wurde in zwei Schritten durchgef hrt F r den 2 Schritt wurde Fraktion a weiter verwendet In Stufe 1 wurden gr ere Mineralk rner abgetrennt in Stufe 2 die Tonminerale Der Anfangsgehalt an Diatomeenschalen betrug 0 57 der Gesamtpartikel Diatomeengehalt
115. n Mit h herer Flie rate der Transportegion V t verbessert sich die Aufl sung und vergr ert sich der Trenndurchmesser Fall 52 S zeigt die Korngr en der Ausgangssuspension Siebfraktion lt 20 um ca 1 ig Flie raten 51 5 0 ml min V b 20 0 ml min V a 13 3 ml min V b 12 8 ml min V a V b 0 25 Via Vib 1 0 V t 8 3 ml min Flie raten 52 5 0 ml min V b 20 0 ml min V a 15 0 ml min V b 10 8 ml min Via V b 0 25 V a V b 1 4 V t 10 ml min Doppelt logarithmische Darstellung der relativen kumulierten Korngr enh ufigkeiten 3 2 3 SPLITT Fraktionierung ohne Tr gerstrom FFDSF full feed depletion SPLITT fractionation Die zum Teil starke Verd nnung der Probenfraktionen infolge der geringen Konzentration der Ausgangssuspension und der Verd nnung w hrend der SPLITT Fraktionierung macht eine Aufkonzentrierung der Proben notwendig Insbesondere bei mehrstufigen SPLITT Fraktionierungen stellt dies einen wichtigen Zeitfaktor dar nebst der M glichkeit der Instabilisierung der Suspension Contado et al 1997 schlugen eine Methode vor bei der keine Tr gerfl ssigkeit in die SPLITT Zelle gepumpt wird Eingang b also geschlossen ist Der Vorteil best nde hier darin dass die Konzentration der Ausgangssuspension 1 Gew berschreiten darf vor allem aber darin dass im Laufe der Fraktionierung keine Verd nnung Ergebnisse 0 1 0 01 1E 3 ku
116. n ber dem Volumen aufweisen um eine gr tm gliche Reibung und damit ein langsames Absinken zu erzielen Dies wird z B auch durch Bildung bestimmter Kolonieformen oder langer Chitinforts tze an den Schalen erreicht Benthische Taxa zeigen dagegen eine gr ere Vielfalt an Schalenformen Hieraus folgt dass Diatomeen gleitend absinken und die Stokes sche Gleichung nicht ohne weiteres anwendbar ist Es h ngt viel davon ab wie sich die Schale in der Str mung orientiert e mit der Breitseite entgegen der Absinkrichtung langsames Sinken e mit der Schmalseite entgegen der Absinkrichtung gt schnelleres Sinken Die Tendenz im Vergleich zur Gr e relativ langsam abzusinken bietet wiederum einen Vorteil die Schalen k nnen mit SPLITT Fraktionierung von Mineralpartikeln getrennt werden die deutlich kleiner sind als sie selbst Der Anteil verbleibender Mineralpartikel l sst sich wiederum absieben Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 37 Um die Anwendbarkeit der SPLITT Fraktionierung zur Partikeltrennung realistisch einsch tzen zu k nnen m ssen diejenigen Faktoren bzw Randbedingungen die zu einer Einschr nkung des Trennverm gens f hren n her erl utert werden 2 3 3 1 Partikelgr e F r den Auftrennungsprozess muss ein gen gend langer Absinkweg zur Verf gung stehen Limitierend ist hier die Kanalh he Im allgemeinen wird davon ausgegangen dass f r ein gutes Trennungsergebnis der Trenndurchmesser
117. n ist sicher gegeben Lediglich bei Kontaminationen durch Tensidr ckst nde oder bei in den Ausgangsfl ssigkeiten vorhandenen Verunreinigungen kann es zu Problemen kommen Eventuell kann in Extremf llen auf andere Aufnahmetechniken zur ckgegriffen werden z B Rasterelektronenmikroskopie REM was andererseits Einfluss auf den Zeitbedarf und die Kosten hat Eine Massenbilanz f r eine SPLITT Fraktionierung kann mittels Bildanalyse nicht ohne weiteres aufgestellt werden Es werden mit der verwendeten Vergr erung und Aufnahmetechnik nur Partikel gt 2 um erfasst damit bleiben die Tonminerale au en vor Die Verwendung einer h heren Vergr erung hat wiederum Auswirkung auf die obere Messgrenze Aus den gemessenen L ngen der zu untersuchenden Objekte lassen sich nicht einfach Volumina berechnen Die Bildanalyse bietet ein gro es Potential bei der Analyse verschiedener Komponenten eines Sedimentes und wird hier sicherlich in Zukunft an Bedeutung gewinnen 90 IHskussion 44 Diatomeenextraktion 4 4 1 Vorbehandlung des Sediments Verschiedene Autoren Juillet Leclerc 1984 Leclerc amp Labeyrie 1987 Shemesh et al 1995 schlagen zur Suspendierung Disaggregierung von marinen Sedimentproben bei gleichzeitigem Entfernen der Organik starke oxidierende S uren vor HNO3 oder reduzierende L sungen von Hydroxylamin Essigs ure Diese Methodik birgt jedoch eine Reihe von Risiken Zum einen sind die genannten Reag
118. n zur Verf gung gestellt Das Material stammte aus dem obersten Zentimeter 0 1 cm eines Sedimentkerns und war vollst ndig suspendiert Die Suspension wurde sofort f r die SPLITT Fraktionierung verwendet Hydrographische Kenndaten des Bachsees Lage ca 50 km NE Bern max Tiefe 16m Seeflache 0 07 km Einzugsgebiet 1 87 km H he NN 2265 m 2 1 4 Kernmaterial aus dem Huguang Maar China Das getrocknete Sedimentmaterial aus dem Huguang Maar stammt aus einer Kerntiefe von 2916 cm und wurde auf ein Alter von etwa 40000 Jahren datiert Das Huguang Maar liegt im s dlichsten China 21 9 N 110917 E ca 200 km westlich von Macao Die maximale Wassertiefe betr gt heutzutage etwa 20 m 2 2 Vorbereitung des Sediments zur Diatomeenextraktion 2 2 1 Aufschluss des Sediments Die Abtrennung von Diatomeenschalen aus dem Sediment erfolgt in einer w sserigen Suspension An Sedimentproben aus dem Holzmaar und dem Huguang Maar wurden unterschiedliche Verfahren zur Suspendierung getestet Mechanische Verfahren e Ultraschallbad die Behandlung mit Ultraschall unterschiedlicher Intensit t und Dauer brachte keine gute Suspendierung und zerst rte einen Gro teil der Diatomeenschalen 22 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen e Sch ttler Ohne Hilfsstoffe wie z B Natriumdiphosphat Natriumpyrophosphat Na4P207 oder Natrium cyclo hexaphosphat Natrium hexametaphosphat NagP O l sst sich das
119. n diesem Fall eher an den Tonanteil im Sediment gebunden als an den Anteil organischen Materials Die Zugabe von Katalysatoren erscheint berfl ssig da im Sediment selbst gen gend katalytische Stoffe z B Fe Mn und Reaktionsoberfl che zur Verf gung stehen Durch katalytische Zersetzung geht ein Teil des H20 f r den Abbau organischen Materials verloren Hollemann Wiberg 1995 Dieser Anteil l sst sich durch Einstellung des pH Werts der L sung zwischen pH 1 4 vermindern Kirk Othmer 1994 Eine UV Bestrahlung mit den Wellenl ngen 254 nm und 366 nm zur Erzeugung von mehr freien HOe Radikalen erbrachte keinen effektiveren Abbau von organ schem Material Der photokatalytische Abbau von organischer Substanz durch ist ein mehrfach beschriebenes Verfahren Frimmel et al 1992 Giglio et al 1995 Kawaguchi amp Inagaki 1994 amp Beltran 1995 in der Abwasserreinigungs und Umwelttechnik Die Tatsache dass bei diesem Versuch unter UV Bestrahlung nicht mehr organische Substanz abgebaut wird Tab 1 ist vermutlich auf die zu geringe Leistung des UV Strahlers zur ckzuf hren aber auch auf die hohe Absorption der UV Strahlung an den Sedimentpartikeln Handlampe NU 15KL 2x15 W Konrad Benda UV Lampen Lampenleistung bei 254 nm 950 uW cm bei 366 nm 1200 uW cm in 15 cm Abstand 24 Tab 1 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen Versuchsschema zur berpr fung des Abbaus organisch
120. n im Vergleich zum Gesamtvolumen des Kanals Unter Einwirkung der Gravitationskraft beginnen die Partikel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abzusinken entsprechend ihrer hydrodynamischen Eigenschaften Sie treten in die Transportregion ein Abb 7 in der die eigentliche Auftrennung erfolgt Die Zeit die den Partikeln zur Auftrennung zur Verf gung steht wird durch die FlieBrate der Transportregion bestimmt Auf der Ausgangsseite wird der Gesamtstrom schlie lich durch einen Ausgangstrenner in zwei Teilstr me geteilt die so reguliert sind dass V a gt V b Die Kontaktfl che der Teilstr me am Ausgang wird als Ausgangstrennfl che OSP outlet splitter plane bezeichnet Abb 7 Unterhalb der Ausgangstrennfl che f hren alle Str mungsfl chen zu Ausgang b Da die Eingangsflie rate va kleiner als die Ausgangsflie rate V a ist entsteht ein sich berkreuzender Strom der die H he und die Flie rate der Transportregion kontrolliert Partikel die bis unterhalb der Ausgangstrennfl che abgesunken sind werden durch Ausgang b abtransportiert Partikel kaum abgesunken sind werden durch Ausgang a abgeleitet Unter der Annahme dass alle Partikel gleiche Dichte und Kugelform aufweisen l sst sich f r bestimmte vorgegebene Flie raten eine Korngr e bestimmen bei der 50 zum Ausgang a und 50 zum Ausgang b gelangen der Trenndurchmesser Irennungskorngr e oder cut off Durchmesser d SF1000HC von FFFractionation Salt Lake Ci
121. nd H202 erwies sich f r wenig verfestigtes Material am geeignetsten Die Dauer der Vorbehandlung muss dem Verfestigungsgrad des Sediments angepasst werden Inwieweit H20 die Isotopie des Schalenmaterials ver ndert ist zur Zeit offen Diskussion 91 4 4 2 Anpassung der SPLITT Fraktionierung an die vorgegebene Trennaufgabe Um eine geeignete Methodik f r die SPLITT Fraktionierung zu entwickeln die speziell auf die Fragestellung der Diatomeenextraktion zugeschnitten ist wurden verschiedene M glichkeiten der Einflussnahme auf das Trennergebnis untersucht Die Bedingungen f r die Einstellung der Flie raten an Ein und Ausg ngen welche in der Literatur beschrieben werden Giddings 1992 Gupta et al 1997 Jiang et al 1997 Springston et al 1987 erwiesen sich als nahezu optimal f r die vorliegenden Anwendungen Die durchgef hrten Untersuchungen zur Verifizierung einer optimalen Trennung von Diatomeenschalen aus Matrizes verschiedener Herkunft zeigten dass ein gutes Trennergebnis Abb 38 Abb 46 unter folgenden Bedingungen erzielt wird e Die EingangsflieBrate der Tr gerfl ssigkeit V b sollte deutlich gr er sein als diejenige der Diatomeensuspension gt 4fach Der Unterschied darf nicht zu gro gew hlt werden da sonst Turbulenzen induziert werden e Die Ausgangsflie rate V a sollte gr er sein als V b Vielfach hat sich folgende Einstellung zur Trennung bew hrt V b V a V a V b e Ei
122. ne Serie von Bildern vermessen bei denen die Schwellenwerte thresholds Anhang A 1 3 w hrend der Bildverarbeitung entweder fix gew hlt oder interaktiv ver ndert wurden Abb 37 Der fixe Schwellenwert wurde so vorgew hlt dass m glichst viele Objekte erfasst wurden subjektiv beurteilt der Hintergrund aber ausgeschlossen blieb Der Anteil an Artefakten kann hier h her sein Alle Objekte einschlie lich Diatomeenschalen wurden erfasst Die Partikelzahlen aus der interaktiven Messung liegen durchweg niedriger wobei die Differenz von Gr enklasse zu Gr enklasse etwa gleich gro ist Anders bei der Messung mit fixem Schwellenwert und interaktivem Ausschluss der Diatomeenschalen Hier sollte sich vor allem die Anzahl der mittelgro en bis gro en Partikel ver ndern also in dem Gr enbereich in dem sich auch die Schalen finden Die Testmessung zeigt wie erwartet diesen Zusammenhang Bei der interaktiven Messung der Diatomeenschalen ergab sich ein weiteres Problem damit dass es dem Auge des Betrachters berlassen blieb welches Objekt als Diatomeenschale identifiziert und gemessen wurde Es wurden auch gr ere Bruchst cke bei der Z hlung ber cksichtigt Je nachdem wie eng die Grenzen gesteckt sind nach denen der Betrachter ein Objekt als Schale ber cksichtigt k nnen die Messungen stark Schwanken Tab 17 Tab 15 Anhang B 12 Verteilung der H ufigkeiten der Partikelgr en Feretmax in 19 Klassen f r die Me
123. ne hohe Gesamtflie rate darf nicht zu Turbulenzen im Kanal f hren Bei schr ggestellter SPLITT Zelle kann die Gesamtflie rate niedriger eingestellt werden e Die Partikelkonzentration muss gering sein lt 1 Gew Jiang et al 1997 da es sonst zu Instabilit ten der Str mung kommen kann die von der unterschiedlichen Dichte zwischen Suspension und Tr gerfl ssigkeit herr hrt Eine Vorgabe f r die Suspension nur in Gewichtsanteilen macht allerdings wenig Sinn denn diese Angabe kann verschieden viele Partikel f r ein bestimmtes Volumen repr sentieren Eine generelle Angabe der maximalen Partikelkonzentration ist daher nicht m glich Die freie mittlere Wegl nge der Partikel muss gro genug sein damit es w hrend der Auftrennung nicht zu Partikel Partikel Interaktionen kommen kann e Es darf nicht zu Ablagerungen im SPLITT Kanal kommen da sich damit das Trennergebnis verschlechtert Die Gesamtflie rate muss entsprechend hoch gew hlt werden Speziell bei geringen Flie raten kann die Ablagerung durch Zus tze von z B Tensiden und oder Ethanol weitgehend verhindert werden e Es d rfen keine korrespondierenden Partikelgr en vorkommen d h Partikel deren Unterschiede hinsichtlich Form Volumen und Dichte zu gleichen Sinkgeschwindig 92 Thskussion keiten f hren Kapitel 2 3 1 F r die Extraktion der Diatomeenschalen bedeutet das dass vorweg geeignete Fraktionen gesiebt werden m ssen 4 4 3 SPLITT Frakti
124. neralk rner wurde eine gute Aufl sung der Trennung erreicht Ab Stufe 3 reicherten sich Diatomeen jeweils in Fraktion b an hier nicht dargestellt 2 31 zeigt die Korngr en der Ausgangssuspension Siebfraktion lt 20 um siehe Anhang D 2 2 Abb 51 Abb 55 1 Flie raten J2_3 1 9 8 ml min V b 30 0 ml min V a 30 3 ml min V b 9 9 ml min V a V b 0 3 V t 20 5 ml min 2 Flie raten 2 3 2 Va 5 0 ml min V b 20 3 ml min V a 19 7 ml min V b 6 0 ml min V a V b 0 3 V t 15 3 ml min 3 FlieBraten 2 3 3 Va 2 5 ml min V b 9 8 ml min V a 9 8 ml min V b 2 6 ml min V a V b 0 3 V t 7 3 ml min 4 Flie raten 2 3 4 Va 1 0 ml min V b 5 4 ml min V a 5 0 ml min V b 1 3 ml min V a V b 0 2 V t 4 4 ml min Differenzen der Summen von Eingangs und AusgangsflieBraten sind durch das Messverfahren bedingt Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten Ergebnisse 63 Es wurde versucht f r jeden Lauf nachzuvollziehen bei welcher Korngr e der Trenn durchmesser liegt Abb 20 Dazu wurden die absoluten Partikelzahlen in den Korngr en klassen der Ausgangssuspension sowie in den Fraktionen berechnet siehe Kap 3 1 4 Die Ermittlung des Trenndurchmessers gelang ob der gro en Z hlfehler Kapitel 3 1 3 bei sr eren Korngr en gt 10 um nur in
125. nreinigung auf den Isotopenwert der Probe ist denn Zeitbedarf und Kosten sind vom Arbeitsaufwand f r einen h heren Reinheitsgrad der Probe abh ngig Folgend soll exemplarisch eine Absch tzung vorgestellt werden in wieweit der 6 Wert stabiler Sauerstoffisotope n einer Diatomeenprobe ver ndert werden kann Sowohl im Silikat der Schalen als auch im Silikat von Mineralen sind die stabilen Sauerstoffisotope in unterschiedlicher H ufigkeit vorhanden 169 h ufig 180 selten Ausgedr ckt wird dies durch 16 18 18 37 Roa R mn Diat Diatomeen Min Minerale Diat i Repr sentiert wird die isotopische Zusammensetzung durch die relative Abweichung 0 gegen ber einem Standard Ihskussion 95 38 hu S tan dard Das Sauerstoffisotopen Verh ltnis in einer Probe Rprobe setzt sich wie folgt zusammen 18 18 ER 1 39 Diat Die Gleichung f r den 6 Wert f r Diatomeenschalen l sst sich umformen 5 O iat 40 Os de Romans Oo Gleiches gilt f r den Wert der Minerale In Gleichung 39 eingesetzt ergibt sich 16 SE O Yin 41 R probe e Es l sst sich weiter schreiben 2 O Om Gesamt Diat F r den Wert der Probe ergibt sich mit 41 und 42 nach weiteren Umformungen 16 Diat 16 16 SO Mi Diat 16 Gesamt Gesamt 43 8 0 Damit erhalten wir eine Gleichung aus der der Isotopenwert einer Mischprobe erre
126. ntration used was below 1 weight percent to minimise particle particle interaction which spoils resolution Sediment samples of different origin age compaction and diatom amount were tested In a first step a method was established to suspend the material in water with 30 In this process also most of the organic matter was removed to prevent agglomeration in the sample suspension Afterwards the samples were sieved into fractions of gt 80um 20 80um and lt 20 um The fractions lt 80 um were used for SPLITT fractionation The fraction 20 80 um was fractionated in one step Because of the small amount of grains with hydrodynamical properties similar to diatom skeletons it was relatively easy to get a clean diatom fraction The fraction lt 20 um was treated several times to enrich a sample fraction with diatoms Because of the high amount of mineral grains especially grains with equal sinking velocities it wasn t possible to get an entirely clean sample of diatom frustules To avoid problems related therewith an additional step was introduced by dividing the corresponding samples with 5 and 10 um sieves The resulting fractions do no more contain minerals with hydrodynamical properties of diatoms and therefore a separation of diatom frustules is again possible In addition a method was developed for analysing grain distribution and amount of diatom frustules using image processing methods For each SPLITT fractiona
127. o die Kontamination sem darf siehe Kap 4 4 5 4 4 4 SPLITT Fraktionierung gro er Korngr en Siebfraktion 20 80um Die H he des SPLITT Kanals setzt die obere Grenze f r den Bereich der trennbaren Korngr en Der Trennungsdurchmesser d sollte 1 10 der Kanalh he nicht berschreiten Jiang et al 1997 Im Falle der hier verwendeten SPLITT Zelle sind das d 40 um F r die bearbeiteten Sedimente wurde eine Siebfraktion von 20 80 um gew hlt da hier der mineralische Anteil gt 40 um vergleichsweise gering war Ein gr ere Menge von Mineralen mit Korngr en ber 40 um w rde zu Ablagerungen in der SPLITT Zelle oder zu Verstopfungen der Zu bzw Ableitungen f hren Sollen Korngr en gt 40 um getrennt werden muss f r die SPLITT Zelle eine gr ere Kanalh he gew hlt werden Jiang et al 1997 beschreiben eine Zelle f r die Fraktionierung von Partikeln aus einer Bodenprobe de bei ca 200 um mit einer Kanalh he von 1 65 mm Allerdings d rften Minerale von Korngr en gt 40 um mittels Vorsiebung weitgehend abtrennbar sein F r eine erfolgreiche Extraktion von Diatomeenschalen aus den Siebfraktionen gt 20 um ist folgendes zu beachten e Mit steigendem Partikeldurchmesser wird die Differenz der korrespondierenden Korngr en immer gr er Kapitel 2 3 1 Damit wird es immer einfacher eine passende S ebfraktion herzustellen e Ab etwa 50um Korngr e weicht die nach Stokes ermittelte Sinkgeschwindigkeit f
128. omeen unterschieden werden kann Es m ssen morphometrische bzw densitometrische Merkmale bestimmt werden in denen sich die Partikelklassen unterscheiden Dazu k nnen Trainings Bildserien eingesetzt werden in denen explizit nur eine Partikelklasse vorkommt Im Falle der analysierten SPLITT Fraktionen wurde auf ein automatisiertes Verfahren verzichtet da schon die Vorbedingung dass die Diskussion 87 Partikel alle perfekt von der Bildverarbeitung wiedergegeben sein m ssen nicht gegeben war Dies hatte einen deutlich erh hten Zeitbedarf f r die Bildanalyse zur Folge 4 1 2 4 Berechnung der Partikelmassen aus der L ngenmessung Das benutzte Messverfahren lieferte Kennwerte Feretmax Feretmin Fl che FCircle d e aus der Vermessung der 2 dimensionalen Abbildung Mikroskopbild von 3 dimensionalen Objekten Minerale Diatomeen gewonnen wurden Um aus den gegebenen Kennwerten auf ein Volumen und schlie lich auf eine Masse zu kommen m ssen Annahmen ber die r umliche Form der Objekte gemacht werden Dies wurde f r eine Sedimentprobe exemplarisch versucht Kapitel 3 1 4 Die erhaltenen Gesamtmassen der Minerale erwiesen sich um etwa 2 Gr enordnungen zu gro und damit unbrauchbar Erwartet wurde eine Gesamtmasse zwischen 0 1 und 0 8 g Untersuchungen m glicher Fehlerquellen durch falsche Berechnung der Verd nnung eine bersch tzung der Zahl kleiner Partikel lt 10 um oder eine bersch tzung der Zahl gro er Partikel z
129. on der Fraktionierung in der SPLITT Zelle sollte daher ein Bild von den zu erwartenden Partikelverteilungen zeigen Dazu wurde ein einfaches Modell aufgestellt in dem eine H ufiskeitsverteilung einer Probensuspension nach einem vorgegebenen Muster erzeugt wird Anschlie end wurde die Ausgangsmenge in zwei Fraktionen aufgeteilt Das Modell basiert auf 10 Korngr enklassen Die kleinste Klasse war der Bereich von 2 bis 4 um die gr te Klasse eine offenen Klasse gt 19 um Um den Vergleich f hren zu k nnen wurden die Bildanalysedaten ebenfalls in 10 Klassen eingeteilt Als Startwerte f r die Simulation dienten die Werte der Ergebnisse 49 a Simulation einer SPLITT Fraktionierung Start 9 Fraktiona u Fraktionb 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2 3 4 5 6 789 20 Gr enklasse um Gr enklasse um Abb 9 Simulation einer SPLITT Fraktionierung als Test f r die Zuverl ssigkeit der bildanalytischen Auswertung a Anteile in den Gr enklassen die bei einer Umverteilung der Ausgangsmenge zur Fraktion a gehen Ermittelte Werte aus der SPLITT Fraktionierung und die in der Simulation eingesetzten idealisierten Werte b Doppelt logar thmische Darstellung der kumulierten relativen Korngr enh ufigkeiten S mulierte Werte Start Fraktion a Fraktion b SPLITT Fraktionen 72 31 Ausgangssuspension J2 3a Fraktion a J2 3b Fraktion Flie raten V a 9 8 ml min V b 30 0 ml min Via 30
130. onierung in mehreren Stufen Siebfraktion lt 20 um Ein Hauptproblem bei der Extraktion von Diatomeenschalen ist das weite Spektrum unterschiedlicher Korngr en im Mineralanteil eines Sediments Insbesondere ein hoher Anteil kleiner Korngr en Schluff Ton erwies sich als ung nstig Zun chst wurde versucht ausschlie lich mit SPLITT Fraktionierung Diatomeen anzureichern Dazu sind in jedem Fall mehrere Fraktionierungsschritte notwendig in denen nach und nach zuerst gro e und zuletzt kleine Korngr en abgetrennt werden Die Versuchsergebnisse legen nahe dass eine schrittweise SPLITT Fraktionierung allein nicht sinnvoll ist In einem nat rlichen Sediment kommen mehrere Arten von Diatomeen vor die sich in Schalenform und Schalengr e unterscheiden Diatomeenschalen fraktionieren in der SPLITT Zelle Abh ngigkeit von ihrer Schalenform und gr e Daraus folgt dass eine einzige Fraktion von Diatomeenschalen mit schrittweiser SPLITT Fraktionierung nicht zu erreichen ist Vielmehr werden Fraktionen erhalten in denen bestimmte Schalenformen also Taxa und Schalengr en jeweils gemeinsam vorkommen neben einem mineralischen Anteil Bei schrittweiser SPLITT Fraktionierung ist zu erwarten dass immer ein mineralischer Anteil neben den Diatomeenschalen vorkommt Die Gr e dieses Anteils st abh ngig von den zu den Diatomeenschalen korrespondierenden Korngr en und von der Menge an Mineralen mit diesen Korngr en
131. pon in starker Verd nnung 1 2 3 4 5 6 78910 20 gt 1000 fach eingesetzt Es besteht hierbei Partikelgr e Feretmax um die Gefahr dass R ckst nde des Tensids Abb 30 Blindversuch mit deion und Agepon 2 ul auf 10001 gemessen werden k nnen Abb 30 Eine Die Summenkurve zeigt eine bimodale Verteilung In 21 Bildern wurden 611 Partikel gemessen die z T weitere Quelle f r eine Messverf lschung aus Tensidr ckst nden bestehen z T von Verunreinigungen aus Wasser bzw Luft herr hren sind Partikel die aus der Raumluft und aus doppelt logarithmische Darstellung nach der Bildverarbeitung als Artefakte mit den verwendeten Fl ssigkeiten stammen Fremdpartikel dieser Art k nnen nur mit erh htem Aufwand entfernt werden fusselfreie Kleidung gefilterte Raumluft gefiltertes Wasser Im Falle der SPLITT Fraktionen wurde darauf weitgehend verzichtet da in den meisten Proben der Anteil an Fremdpartikeln gegen ber der Partikelzahl der Probe gering war Eine Ausnahme stellten diejenigen Proben dar bei denen haupts chlich Korngr en gt 15 um gemessen werden sollten da hier die Partikelzahl der Proben gering war Die Wahl einer geringeren Vergr erung K nnte in diesem Fall helfen da so kleinste Partikel nicht mehr erfasst werden allerdings ohne Unterschied zwischen Fremdpartikeln und kleinen Mineralk rnern 4 1 1 3 Wahl der Okulare Vergr erung Die Vergr erung ist dem Messbereich der Part
132. portional zur Probenflie rate V a und Partikelkonzentration Giddings 1992 a pe t Vt und mit V V a ergibt sich Z Anzahl der Partikel V Volumen 34 Dee te Ad 9 n d Ad Differenz der Partikeldurchmesser bei F 1 und F 0 d Mittelwert der Partikeldurchmesser bei F 1 und F 0 Bei konstanter Flie rate V a ist der Partikeldurchsatz linear proportional zur Partikelkonzentration und Kanalfl che Die Flie rate V a kann bei gleich bleibendem Trenndurchmesser d zum einen nur unter Verschlechterung der Aufl sung erh ht werden zum anderen setzt der Beginn von Turbulenzen eine obere Grenze Die Partikelkonzentration sollte lt 1 betragen Jiang et al 1997 Gupta 1997 Bei zu hoher Partikelkonzentration beginnt die laminare Str mung instabil zu werden da die Dichte der Probensuspension deutlich die Dichte der Tr gerfl ssigkeit bersteigt Ist im Partikelgemisch der Probensuspension ein gro es Korngr enspektrum vorhanden k nnen kleinere Partikel durch absinkende gr ere Partikel mitgerissen werden Die Partikelkonzentration sollte diesem Fall noch niedriger gew hlt werden Ma gebend ist hier der Abstand der Teilchen untereinander nicht der Massenanteil Eine Erh hung des Durchsatzes ber die Kanalfl che kann durch eine ver nderte Geometrie der SPLITT Zelle erreicht werden oder durch parallele Verwendung mehrerer SPLITT Zellen 40 Ausgew hltes Verfahren zur Trenn
133. r Coulter Counier unse een 22 3 2 ERGEBNISSE DER SPLITT FRAKTIONIERUNGEN 53 227 nderung der E 22 KEE 57 3 2 3 SPLITT Fraktionierung ohne Tr gerstrom FFDSF full feed depletion SPLITT fractionation 59 3 2 4 Quantitative SPLITT Fraktionierung in mehreren Stufen E 61 3 2 4 1 Ermittlung des Trenndurchmessers mit einem Optimierungsverfahren EEN 67 3 2 5 SPLITT Fraktionierung von Sedimentproben aus dem Eifel 70 3 2 5 1 SPLITT Fraktionierung einer Siebfraktion 10 20 um Holszmaar 70 3 2 5 2 SPLITT Fraktionierung einer Siebfraktion 20 80 um Holzmaar en en enenenenen 71 3 2 5 3 SPLITT Fraktionierung eines Sedimentfallen Materials Holzmaar 13 3 2 6 SPLITT Fraktionierung einer Sedimentprobe aus dem Huguang Maar S dchina 3 2 7 SPLITT Fraktionierung einer Sedimentprobe aus dem Bachsee Schweiz Grindelwald 79 KE TL e ME 83 4 1 ANWENDBARKEIT DER BILDANALYSE F R SPLITT FRAKTIONEN AUS LIMNISCHEN SEDIMENTE 83 411 Mikr skon1e gt Pro envorbereituns dei 83 1521 Ge ele E EE 83 AM RS EN e E EE 84 4 1 1 3 Wander Okilarey Vergroberuns cn eating 84 Atkas CET 85 E 85 LLAI Erfassung kleiner Partikel eher ge 85 41 22 Ertassun2 grober gt Er EE 86 4 1 2 3 Erfassung von Di afonkenschalen nassen a ea 86 4 1 2 4
134. raktionierungsstufe in Fraktion a an und mit der 2 Stufe in Fraktion b Tab 11 Die Diatomeengehalte bez glich der Gesamtpartikelzahlen blieben gering F r eine Arten bestimmung ist nur die Fraktion mit den meisten Diatomeenschalen wichtig ohne das gr ere Verluste auftreten Entsprechend wurden die absoluten Schalenmengen ermittelt Tab 11 Diatomeengehalte der SPLITT Fraktionierung der Probe unter Angabe der FlieBraten Die Fraktionierung wurde in zwei Schritten durchgef hrt F r den 2 Schritt wurde Fraktion a weiter verwendet Die Prozentangaben sind bez glich der Gesamtpartikelzahl der jeweiligen Fraktion gerechnet Die Schalenzahlen wurden aus den Bildanalysedaten auf absolute Zahlen der jeweiligen Fraktion hochgerechnet F r die Schalenzahlen ergab sich ein Z hlfehler von ca 20 Der Anfangsgehalt an Diatomeenschalen betrug 0 26 4 325 821 Schalen Diatomeengehalt Frakt Probe V a Stufe 0 1 ml min i i i Fraktion a Fraktion b Schalenzahl Schalenzahl me a as eaves am KorngroBenverteilung der Minerale kumulierte relative Haufigkeit 1 2 4 5 678910 20 30 40 506070 1 2 3 4 5 678910 20 30 40 506070 Partikelgr e Feretmax um Partikelgr e Feretmax um Abb 29 SPLITT Fraktionierung in zwei Stufen eines Sediments aus dem Bachsee Schweiz Siebfraktion lt 20 um Das Sediment war sehr arm an Diatomeenschalen Mit zwei Fr
135. rdings Aufgabe des Aufschlussverfahrens das Wasser vor der eigentlichen Isotopenmessung zu entfernen F r eine einfache Absch tzung wird angenommen dass die Schalen nur aus 510 bestehen mit einem ZO 30 Den Zusammenhang zwischen der Ver nderung des urspr nglichen Wertes der Schalen bez glich unterschiedlicher Sauerstoff Anteile aus Mineralen verschiedener Isotopensignatur 6 Werte zeigt Abb 31 Ist beispielsweise der Isotopenwert der Minerale doppelt so gro wie der der Diatomeen hier 60 und soll die Abweichung nicht mehr als 0 5 betragen so ergibt sich ein maximaler zul ssiger Anteil an Mineralmasse von 1 7 Bei 250 ug Probeneinwaage d rfte dann nicht mehr als 4 2 ug Mineral vorhanden sein was einem Quarzkorn 2 6 g cm von etwa 146 um Durchmesser Kugel entsprechen w rde 1 0 0 8 0 5 0 3 0 0 ver O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 IM Gesamt Abb 31 nderung des 5 einer Mischprobe gegen ber einer reinen Diatomeenprobe in o bei Variation der Differenz zwischen den Werten von Diatomee und Mineral Beispiel 30 o und A 60 Differenz 30 Unter diesen Vorgaben verschiebt sich der O Wert bei 1 Mineralanteil um A 0 3 o Diskussion 97 4 5 Arbeitsaufwand bei der SPLITT Fraktionierung zur Trennung von Diatomeen In diesem Abschnitt soll ein berblick ber den Arbeitsaufwand respektive die Kosten f r
136. ren Stufen Aus den Ergebnissen der vorhergegangenen Versuche zur SPLITT Fraktionierung wurde ein Schema entwickelt das auf stufenweise ablaufenden SPLITT Fraktionierungen beruht F r den hier aufgef hrten Versuch wurde eine stark verd nnte Suspension lt lt 1Gew verwendet Das Material bestand aus der Siebfraktion lt 20 um eines rezenten Seesediments Holzmaar Eifel welches folgende Diatomeenarten enthielt Cyclotella Fragilaria Cocconeis Cymbella Es wurden jeweils 400 Suspension angesetzt Nach jedem Fraktionierungsschritt wurden die SPLITT Fraktionen bei 3000 Umdrehungen min 15 min lang zentrifugiert und aufkonzentriert Fraktion b wurde jeweils in kleinste Glasfl schchen Microvials 7 ml umgef llt Fraktion a wurde auf 400 ml angesetzt und weiter fraktioniert Insgesamt wurden 4 Fraktionierungsstufen mit folgendem Flie ratenschema durchgef hrt Tab 2 Flie raten der nacheinander durchgef hrten SPLITT Fraktionierungen Anf nglicher Gehalt an Diatomeenschalen 2 der Gesamtpartikelzahl Frakt Vb V a Stufe i ml min ml min 3 1 nl ms os me Im ersten und zweiten Durchlauf reicherten sich die Diatomeenschalen n Fraktion a an In Durchlauf drei und vier dagegen wurde jeweils Fraktion b mit Schalen angereichert Abb 51 Abb 55 D h bez glich der in dieser Sedimentprobe enthaltenen Diatomeenschalen scheint ab einer Flie rate f r die Transpor
137. rennmethoden Ed H Wagner amp E Blasius Springer Verlag 1 20 103 Zborowski M Williams P S Sun L Moore L R Chalmers J J 1997 Cylindrical Splitt and Quadrupole Magnetic field in application to Continuous Flow Magnetic Cell Sorting Journal of Liquid Chromatography amp Related Technologies 20 16 amp 17 2887 2905 104 Zhang J Williams 5 Myers M N Giddings J 1994 Separation of Cells and Cell Sized Particles by Continuous SPLITT Fractionation using Hydrodynamic Lift Forces Separation Science and Technology 29 18 2493 2522 105 Zolitschka 1990 Sp tquart re geschichtete Seesedimente ausgew hlter Eifelmaare Pal olimnologische Untersuchungen als Beitrag zur sp t und postglazialen Klima und Besiedlungsgeschichte Dissertation im Fach Geologie Universit t Trier Bedienungsanleitungen amp Benutzerhandb cher 106 Bedienungsanleitung Zentrifugen 4 12 CR 4 12 G 4 12 GR 4 12 Jouan GmbH 107 Benutzerhandbuch KS400 Imaging System Version 3 0 108 Instrument Manual for Series SF1000 SPLITT Particle Separator FFFractionation LLC Utah USA ABB ABB ABB ABB ABB ABB 107 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 1 FRUSTULUM EINER NAVICULOIDEN DIATOMEE EXPLOSIONSZEICHNUNG 2 2 6 6 11 2 WACHSTUM EINER DIATOMEENZELLE W HREND DES 7 5 12 3 PAR
138. rn Dr A L cke Herrn Dr R Wilhelm sei recht herzlich gedankt f r d e Hilfe bei der Entwicklung der Bildverarbeitungs Technik Unserem Techniker Herrn W Kn rchen m chte ich f r seine technische Hilfe und Unterst tzung danken Herrn Dr H Jungner vom Radiokarbon Datierungslabor der Universit t Helsinki gilt mein Dank f r die Anregungen zur Partikeltrennung mittels magnetischer Methoden Herrn Dr E Hegewald sei gedankt f r die Hilfestellung bei der Bestimmung der Diatomeenarten F r die Bereitstellung der Sedimentfallen Proben aus dem Holzmaar danke ich Herrn Dipl Geogr R Moschen Die Probe aus dem schweizer Bachsee wurde von Frau 5 Hausmann vom Geobotanischen Institut der Universit t Bern zur Verf gung gestellt Die Probe aus dem Huguang Maar China wurde mir von Dr J Mingram berlassen Daf r herzlichen Dank Den KollegInnen des ICG 4 insbesondere der Projektgruppe Isotopengeochemie und Pal okl ma sei f r ihre Unterst tzung Diskussionsfreudigkeit und die freundliche Aufnahme gedankt In diesem Sinne sei auch den KollegInnen des ICG 6 gedankt Sar und allen meinen Freunden danke ich f r die sch ne Zeit Mein gr ter Dank gilt meinen Eltern die mir diesen Lebensweg erm glicht haben
139. s Objekttr gers w hrend der Partikelgr enanalyse kann nicht ausgeschlossen werden Werden diese Partikel f r die Berechnung des Gehalts an Diatomeenschalen nicht ber cksichtigt st das Ergebnis der Fraktionierung bereits gut Tab 7 Entsprechend der Angaben in Kap 4 4 5 w rde beispielsweise ein minerogener Massenanteil von 10 bei einer Differenz der Sauerstoffisotopenwerte zwischen Mineral und Diatomee von A 5 die Probenmessung um lediglich 0 5 o verf lschen Tab 7 Diatomeengehalte der SPLITT Fraktionierung f r die Siebfraktion 20 80 um unter Angabe der verwendeten Flie raten Das Ergebnis wurde mit nur einer SPLITT Fraktionierung erzielt Die Gehalte an Diatomeenschalen sind einmal bez glich aller gemessener Partikel angegeben gesamt und unter Vernachl ssigung der Partikel lt 20 um Diatomeengehalt bzgl Gesamtpartikelzahl ml min J1 20 80um Fraktion a gt 20 um gesamt gesamt gt 20 um 56 6 71 100 32 9 81 9 89 0 78 7 97 1 1 9 3 4 V b Ergebnisse 73 Minerale gt 20 um kumulierte relative Haufigkeit 1 10 100 1 10 100 Partikelgr e Feretmax um Partikelgr e Feretmax um 40 S j Diatomeen Ausgangs Ausgangs suspension suspension a a 5 T 2 20 20 EE Ee E te o BE EE El 9 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 10 20 30 40 50 60 79 80 90 100 Korngr enklasse
140. sehr groben Schranken Berechnet wurde der Anteil von Fraktion a an der jeweiligen Ausgangssuspension Die untere und obere Fehlergrenze wurde wie folgt berechnet Zuerst wurde die Standardabweichung n Prozent vom Mittelwert der Wiederholungsmessungen J2_31 bis J2 ermittelt Anhang B 3 Tab 15 und Tab 16 Die untere Fehlergrenze wurde dann berechnet nach 35 x 53 O a Partikelzahl in Klasse n der Fraktion a On Partikelzahl in Klasse n der Ausgangssuspension Sn Standardabweichung in Prozent vom Mittelwert der Klasse n aus 72 31 bis J2_3111 Aus der Abtragung der Werte der Korngr enklassen ergeben sich die in Tab 3 ermittelten Trennungskorngr en d bei 50 Anteil Fraktion a Tab 3 Experimentelle Ermittlung des Trenndurchmessers im Vergleich zum theoretisch ermittelten In der Spalte Ermittelter sind die ermittelten Werte aus den Gleichungen 35 und 36 dargestellt Die Optimierungsmethode ist im Kapitel 3 2 4 0 erl utert Der theoretische wurde anhand der allgemeinen Gleichung f r den Trenndurchmesser Kapitel 2 3 3 Gleichung 35 f r Quarzkugeln errechnet Lauf Probe Ermittelter d um d nach Optimierungs Theoretischer d um Frakt methode um Ergebnisse Verglichen mit der Gr enverteilung der Diatomeenschalen in den Fraktionen lassen sich die Mineralkorngr en absch tzen welche etwa gleiche Sinkgeschwindigkeiten besitzen wie Diatomeenschalen F r r
141. sein dass sich nach dem Eintrocknen kein Tensidfilm ber das Pr parat lest Diagnostika Objekttr ger mit Lochmaske aus schwarzer hydrophober Epoxybeschichtung von Firma Roth 42 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen Es wurden unterschiedliche Beleuchtungsarten mit folgenden Ergebnissen getestet e Dunkelfeld ungen gende Erfassung der kleinsten Teilchen e Phasenkontrast der helle Lichtrand um die Partikel bereitet bei der Bildanalyse Schwierigkeiten Phasenkontrast wurde bei allen Bildern verwendet die direkt von den Suspensionen gemacht wurden e Hellfeld f r die Mikroskopie der Trockenpr parate erwies sich das Hellfeld am geeignetsten Des weiteren wurde eine F rbung mit einem Fluoreszenzfarbstoff SYTOX Green getestet Die F rbung brachte kein befriedigendes Ergebnis und es wurde auf weitere Versuche verzichtet Dennoch ist anzunehmen dass mit der st ndigen Entwicklung von Fluoreszenzfarbstoffen und F rbetechniken hier noch M glichkeiten f r die Sedimentmikroskopie bestehen Das Videosystem zur Aufnahme der Mikroskopbilder bestand aus Videokamera frame grabber Analog Digital Wandler und Videosoftware Videokamera und Fluoreszenz mikroskop wurden m Laufe der Arbeit ausgewechselt Es traten daher Ver nderungen in der Pixelzahl der Bilder sowie der gemessenen Gr enverteilung auf Die Bildformate hatten daher 716 x 572 und 752 x 548 Pixel und die Gr e eines Pixels
142. sgangsbild Ergebnisbild PETER EE ud en EK E 1 1 lt 5 1 TTT TTT TTT TTT TTT Schwellenwert 10 Schwellenwert 10 Differenz der Extrema 45 1 1 50 2 30 5 gt 50 30 Zylinder Filterung top hat Die Zylinder Filterung hebt punktf rmige Regionen maximaler Grauwerte hervor Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Zylinder Filters wird die Filtermatrize als Zylinder dargestellt der auf Oberflache der als H henkonturen dargestellten Grauwerte aufsitzt Nur Spitzen die den Hutdeckel durchstechen werden bernommen Es wird die Differenz zwischen dem maximalen Grauwert des u eren Matrizenbereichs Hutkrempe und dem maximalen Grauwert des inneren Matrizenbereichs Hutkopf ermittelt berschreitet die Differenz einen Schwellenwert die H he des Zylinders beh lt das Zentralpixel seinen Grauwert andernfalls wird ihm der minimale Grauwert des u eren Matrizenbereichs zugewiesen Die Zylinder Filterung kann jeweils am Ergebnisbild mehrfach wiederholt werden Anschlie end wird das Ergebnisbild vom Ausgangsbild subtrahiert 118 Anhang A A 1 3 Extraktion der Objekte Bin rbildumwandlung Schwellenwert threshold Aus dem Echtfarbbild bzw Grauwertbild muss ein Bin rbild erzeugt werden da mit der benutzten Software nur in Bin r
143. sgangsflie raten Die Wahl der Ausgangsflie raten hat ebenso wie die Wahl der Eingangsflie raten Einfluss auf die Trennungskorngr e und das Aufl sungsverm gen der Fraktionierung In Versuch S6 wurden alle Flie raten gleich gew hlt Eine Trennungskorngr e ist in diesem Fall nicht definiert da keine Transportregion existiert Eingangs und Ausgangstrennfl che fallen zusammen Diejenige Korngr e welche zu 100 Ausgang b erreicht ist nur von der Eingangsflie rate V a abh ngig d h von der Zeit die zum Durchqueren der Region zwischen oberer Wand und der Kanalmitte n tig ist Gleichzeitig sinken auch die feinsten Partikel schon in die nur zum Ausgang b f hrende Region Der Anteil kleiner Partikel in mn Ergebnisse 0 1 0 01 1E 3 kumulierte relative H ufigkeit 1E 4 Oh 1 10 100 Partikelgr e Feretmax um Abb 16 nderung des Trennverm gens der SPLITT Zelle bei Variation der Ausgangsflie raten Mit berkreuzender Str mung Transportregion ist die Aufl sung deutlich besser Fall 7 S zeigt die Korngr en der Ausgangssuspension Siebfraktion lt 20 um ca 1 ig Flie raten 56 Malz 30 0 ml min V b 30 0 ml min V a 30 3 ml min V b 29 4 ml min V a V b 1 0 V a V b 1 0 Flie raten 57 30 0 ml min V b 30 0 ml min V a 46 2 ml min V b 12 1 ml min V a V b 1 0 V a V b 3 8 Doppelt logarithmische Darstellung der relativen kumulier
144. spension ermittelten Anteile als Partikelmengen betrachtet und in die Modellfraktion a und b umverteilt wurden Tab 4 Tab 4 Erstellung eines Modells f r die Umverteilung von Partikel w hrend SPLITT Fraktionierung Umverteilung zur Partikel Modellfraktion b K Hier beispielhaft gezeigt anhand einer einzelnen Gr enklasse aus Bildauswertung Klasse Partikelzahl Anteil an Partikelmenge Umverteilung zur Partikel um Ausgangs Gesamtzahl auf 1000 Modellfraktion a suspension normiert Die ermittelten Partikelzahlen der Modellfraktionen a und b wurden in Anteile umgerechnet Danach wurden die quadratischen Abweichungen zwischen den Gr enklassen der Modellfraktionen und den tats chlichen SPLITT Fraktionen berechnet Das Optimierungsverfahren besteht nun darin dass die Umverteilung der Ausgangssuspension so angepasst wird dass die Unterschiede zwischen Modellfraktionen und den Bildanalysedaten der SPLITT Fraktionen m glichst gering sind Dabei wird die kleinste Summe der quadratischen Abweichungen als Optimum angesehen Tab 5 Optimieren der Umverteilung durch das Anpassen der Modellfraktionen an die Bildauswertedaten Hier beispielhaft gezeigt anhand einer einzelnen Gr enklasse aus Bildauswertung Klasse SPLITT SPLITT Partikel Modell Anteil an Partikel Modell Anteil an Summe der um Fraktiona Fraktionb fraktiona Fraktiona fraktion b Fraktion b quadratischen Ki K Abweichungen Erge
145. ssung von drei Bildserien derselben Probe J2_3i als Test f r die Zuverl ssigkeit der Bildauswertung Klasse um Minerale 100 Diatomeen 100 runde lange andere 2 5 a a Q 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 lt 30 gez hlte Partikel J2 J2_3ii Standardabweichung vom Mittelwert 25987 25682 26806 474 5948 2 19301 20393 502 74734 3 4629 4809 117 31818 2 1821 1933 68 080018 4 855 800 844 23 762716 3 394 352 381 17 556259 5 202 200 193 3 8586123 2 133 145 93 22 231109 18 21 13 15 3 3993463 21 7 3 3 1 8856181 44 0 2 3 1 2472191 75 2 0 0 0 942809 141 1 0 0 4714045 71 53071 55577 1065 0416 2 53073 55580 1065 6 1044 1000 40 5 4 458 410 378 32 876875 8 302 258 243 25 037749 9 339 376 379 18 190352 5 126 Tab 16 Anhang B Verteilung der H ufigkeiten der Partikelgr en Feretmax in 19 Klassen f r vier Wiederholungsmessungen derselben Bildserie von Probe J2_31 und die Standardabweichungen als Test f r die Zuverl ssigkeit der Bildauswertung Die Reproduzierbarkeit ist schlechter als erwartet Dies ist auf die interaktive nderung des Schwellenwerts w hrend der Bildverarbeitung zur ckzuf hren gez hlte Partikel Klasse um 2 31 2 2 31 3 2 31 4 5 vom Mittelwert SES 5 a Un 5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 lt 30 Minerale 100 Diatomeen 100 runde lange andere
146. stry 43 1 4 127 135 Blake J R Colombera P M Knight J H 1979 A One Dimensional Model of Sedimentation Using Darcy s Law Separation Science and Technology 14 4 pp 291 304 Blank G S Robinson D H amp Sullivan C W 1986 Diatom mineralization of silica acid VIII Metabolic requirements and the timing of protein syntheses Journal of Phycology 22 382 289 Bold H C Wynne M J 1978 Bacillariophyceae In Introduction to the Algae Structure and reproduction Canter Lund H Lund J W G 1995 Freshwater Algae their microscopic world explored Chanin M L 1996 New Issues on climate change formings European Review 4 2 143 164 Chapman D J 1913 A contribution to the the theory of electrocapillarity Phil Mag 15 457 481 Chapman V J Chapman D J 1973 Bacillariophyta In The Algae Contado C Dondi F Beckett R Giddings J C 1997 Separation of particulate environmental samples by SPLITT fractionation using different operating modes Analytica Chimica Acta 345 99 110 Dodge J D 1973 The Fine Structure of Algal Cells Donovan S K 1991 The Process of Fossilization Duda P E amp Hart R O 1973 Pattern Classification and Scene Analysis John Wiley amp Sons New York Eddy J A Oeschger 1993 Global changes in the perspective of the past Dahlem Workshop Reports Environmental Sciences Research Rep 12 Wiley amp Sons C
147. t 200 um f r Thermolumineszens Untersuchungen zu extrahieren Jungner pers Mitt Diatomeenschalen sollten ebenfalls diamagnetische Eigenschaften aufweisen da es sich um Skelette aus amorphem SiO handelt Die Permeabilit tskonstante ist jedoch von kristallinem Quarz verschieden Theoretisch lie en sich die Schalen daher magnetisch von Mineralen trennen Praktisch aber st Viskosit t der ben tigten paramagnetischen Mn L sung SO hoch dass kleine Partikel sich fast nicht mehr bewegen Bei geringerer Konzentration der L sung l sst sich die ben tigte magnetische Feldst rke nur unter hohem apparativem Aufwand erreichen Eine magnetische Trennung ist daher als einfache Methode nicht einsetzbar 19 2 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen In den folgenden Kapiteln werden die einzelnen Schritte des gew hlten Extraktionverfahrens f r Diatomeenschalen aus limnischen Sedimenten beschrieben Um einen berblick ber den Gesamtablauf des Verfahrens zu geben sei vorab ein Schema der einzelnen Verfahrensschritte dargestellt Aufschluss und Suspendierung des gefriergetrockneten Sediments S ebung Extraktion der Diatomeenschalen SPLITT Fraktionierung Bildanalyse der SPLITT Fraktionen zur Bestimmung des Diatomeenanteils 20 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 2 1 Herkunft des Probenmaterials Das Extraktionsverfahren wurde mit limnischen Sedimenten un
148. t denn selbst wenn die in der Probensuspension enthaltene Masse nur 0 1 betrug sollte die errechnete Masse um eine Gr enordnung h her liegen Vermutlich wurde die Anzahl gro er Partikel unterbewertet Eine Umrechnung der Volumina aus der Coulter Messung in Korngr en ber eine Ellipsoidgleichung 14 ergab gute bereinstimmung mit den Daten der Bildanalyse Abb 11 Die Vorstellung alle Mineralk rner w ren st bchenf rmig Ellipsoid kleine Halbachse 1 14 der Rotationsachse erscheint jedoch nicht realistisch Abb 11 Vergleich von Daten aus einer Coulter Messung Volumina der aus den Coulter Daten errechneten Partikelgr en und den Partikelgr en Feretmax aus der Bildanalyse derselben Probe Zum Verfahren siehe Anhang B Die Summenkurve der Volumina flacht im Bereich der kleinsten Volumina ab da diese Volumenklassen nicht besetzt sind d h keine Partikel gemessen wurden A Die Korngr en aus der Coulter Messung J2_3 Coulter Volumen wurden ber eine Ellipsoidgleichung Halbachse J2_3 Coulter errechnete Partikelgr e b 1 14 der Rotationsachse errechnet Coulter Doppelt logarithmische Darstellung der kumulierten relativen H ufigkeiten Volumina 100 Feretmax um Partikelgr en kumulierte relative H ufigkeit m J2_3 Bildanalyse Partikelgr e Feretmax Ergebnisse 53 3 2 Ergebnisse der SPLITT Fraktionierungen Die
149. t werden vergl Kap 3 2 4 Tab 8 Diatomeengehalte der SPLITT Fraktionierung f r die Siebfraktion lt 20 um 75711990921 und Angabe der Flie raten Die Fraktionierung wurde in zwei Schritten durchgef hrt F r den 2 Schritt wurde Fraktion a weiter verwendet Der Anfangsgehalt an Diatomeenschalen betrug 4 51 bzgl der Gesamtpartikelzahl Diatomeengehalt bzgl Frakt Stufe Probe ZS7m va 990921 Fraktiona a Fraktion b b ZS7m990921 ZS7ma ZS7mb ZS7maia ZS7maib kumulierte relative Haufigkeit kumulierte relative Haufigkeit Partikelgr e Feretmax um Diatomeenschalengr e um Abb 26 SPLITT Fraktionierung eines Sedimentfallen Materials in 2 Stufen 7 m Wassertiefe Siebfraktion lt 20 um In Fraktion b der 2 Stufe reicherten sich Diatomeenschalen an die im Vergleich zu den Diatomeen in Fraktion a sr ere Schalen besa en siehe b siehe auch Anhang D 2 5 Abb 61 Abb 63 a Korngr enverteilung der Minerale Aufgrund von Aggregatbildung sind in Fraktion ala gro e Korngr en bersch tzt Probe ZM7m990921 Flie raten 1 ZS7m V a 5 1 ml min V b 20 0 ml min V a 18 8 ml min V b 6 3 ml min V a V b 0 26 Vit 14 9 ml min 2 ZS7ma V a 0 8 ml min V b 2 7 ml min V a 2 4 ml min V b 0 9 ml min Vi a V b 0 3 0 1 9 ml min b Gr enverteilung der Diatomeenschalen nach der 2 Fraktionierungsstufe in Fra
150. t man alle Partikel lt 10 um sieht das Ergebnis wie folgt aus Tab 21 Tab 21 Gesamtmassen ohne die Partikel lt 10 um W rtel Quader Platte Ellipsoid Werte zur Berechnung der absoluten Partikelzahl Lochmaske Objekttr ger Gesamtmasse Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie 5 98 3 66 0 07 8 85 2 21 Gesamtvolumen der Suspension 132 Anhang Es ist augenscheinlich das allein eine bersch tzung der Partikelzahlen kleiner Korngr en nicht der Grund sein kann Es wurden zu viele gro e Partikel gemessen Werden alle Partikel gt 15 um vernachl ssigt zeigt sich nur eine geringf gige nderung der Massen Tab 22 Tab 22 Gesamtmassen ohne die Partikel 2 15 um W rfel Quader Kugel Ellipsoid Werte zur Berechnung der absoluten Partikelzahl Lochmaske Objekttr ger Gesamtmasse 17 43 10 68 0 21 25 82 6 45 Pipet Teilvolumen zur Mikroskopie Qz g Verdiinnung Gesamtvolumen der Suspension Selbst wenn nur der Bereich zwischen 10 und 15 um ber cksichtigt wird sind die ermittelten Gesamtmassen um etwa eine Gr enordnung zu gro 133 ANHANG C 1 Fehlerabsch tzung f r die Berechnung der Partikelmassen aus der L ngenmessung Zur Untersuchung m glicher Fehlerquellen bei der Berechnung der Partikelmassen aus der L ngenmessung mittels Bildauswertung wurden folgende Annahmen berpr ft a Die Verd nnung wurde falsch berechnet Selbst ein grob
151. t zwischen verschiedenen Partikelklassen Diatomee Mineral einer Suspension unterschieden wird Das Messprinzip beruht auf der Abh ngigkeit des Widerstands einer elektrolytischen Suspension vom Volumen eines Partikels innerhalb einer Kapillar ffnung Grover et al 1969 1972 In einer elektrolytischen Suspension wird ein elektrisches Feld angelegt das nur durch eine kapillarf rmige zylindrische ffnung f hrt Treten nichtleitende Partikel durch diese ffnung ndert sich der Widerstand und es wird ein Spannungssignal erzeugt W hrend der Messung wird laufend Suspension durch die ffnung gepumpt Die Art des Signals der Widerstands nderung ist davon abh ngig wie sich ein Partikel durch die ffnung bewegt Einfluss hat die Distanz des Bewegungspfads zur ffnungsmitte und die Orientierung von nichtsph rischen Partikeln innerhalb der ffnung Nach Signalverst rkung und Verarbeitung kann auf das effektive Volumen zur ckgeschlossen werden wenn der Formfaktor bekannt ist Das effektive Volumen unterscheidet sich insoweit vom realen Volumen eines Partikels als das z B Poren oder unterschiedlich elektrische Eigenschaften gleich gro er Partikel zu unterschiedlichen effektiven Volumina f hren Der Formfaktor ist abh ngig von der Orientierung des Partikels in der ffnung Die Dimension der ffnung muss den zu messenden Partikeln angepasst sein F r die Partikelmessung wurde eine 3 ige NaCl L sung verwendet die zuvor mit einem 0 2
152. ten Korngr enh ufigkeiten Fraktion b ist demnach auch von der Eingangsflie rate V a abh ngig In Abb 16 ist dies anhand der Kurvenverl ufe f r die Fraktionen a und b Sa6 Sb6 nachzuvollziehen Fraktion Sa6 ist gegen ber der Ausgangssuspension 5 verarmt an gro en Korngr en Fraktion b Sb6 enth lt einen h heren Anteil gro er Korngr en aber auch einen hohen Anteil kleinster Partikel Der Anteil mittlerer Korngr en scheint zu gering gemessen zu sein da die Kurve zum Teil unterhalb der Kurve der Ausgangssuspension 5 verl uft Auch in Versuch S1 S2 wurden die Eingangsflie raten konstant gehalten und nur die Ausgangsflie raten variiert Abb 17 wobei die Eingangsflie rate V b gt V a eingestellt wurde Bei 51 waren Ausgangsflie raten V a und V b etwa gleich Insbesondere Fraktion a Sal zeigt kaum einen Unterschied zur Ausgangssuspension S Wenn V a gt V b gew hlt wird d h ein von Eingang b nach Ausgang a berkreuzender Strom erzeugt wird sollte zum einen die Trennungskorngr e gr er werden zum anderen die Aufl sung verbessert Dieser Fall ist mit Versuch 52 veranschaulicht Fraktion Sb2 zeigt einen h heren Anteil gro er Korngr en als Fraktion 501 Ergebnisse 59 0 1 0 01 1E 3 kumulierte relative H ufigkeit 1E 4 1 10 100 Partikelgr e Feretmax um Abb 17 nderung des Trennverm gens der SPLITT Zelle bei Variation der Ausgangsflie rate
153. terschiedlicher Herkunft getestet Die Auswahl des Materials folgte dem Gedanken ein m glichst gro es Spektrum von Material aus unterschiedlichen Regionen unterschiedlichen Alters und unterschiedlichen Verfestigungsgrads zu testen 2 1 1 Material aus Sedimentfallen im Holzmaar Eifel Das Material stammte aus Sedimentfallen die in 7 m Wassertiefe ber dem Seetiefsten angebracht waren Die Fallen bestanden aus 2 parallelen R hren von 1 m L nge und 10 cm Durchmesser Der Sedimentations Zeitraum betrug 2 Wochen Zur Bearbeitung kamen zwei Proben im Sommer genommen wurden 7 9 1999 und 21 9 1999 Die Proben wurden am Probenahmetag eingefroren und anschlie end gefriergetrocknet Hydrographische Kenndaten des Holzmaars Scharf 1987 Lage 5097 N 6 53 E max Tiefe 19m Seefl che 0 058 km Einzugsgebiet 2 25 km H he NN 425 m 2 1 2 Rezentes Sediment aus dem Holzmaar Eifel Das Sediment wurde mit Hilfe eines Kastengreifers den obersten 15 20 cm des Seebodens entnommen Die Beprobungsstelle lag im Seetiefsten 19 m Zur Aufbewahrung wurde das Sediment in eine 2 l Flasche aus Polyethen PE gef llt und im K hlschrank bei ca 4 C gelagert Von der Gesamtprobe wurden Teilproben entnommen eingefroren und gefriergetrocknet Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 21 2 1 3 Rezentes Sediment aus dem Bachsee Schweiz Die Sedimentprobe aus dem Bachsee wurden von Sonja Hausmann Universitat Ber
154. tion subsamples from the two outlets were collected and photographed under the microscope The pictures were then evaluated using image processing software The photographs represented the particle size distribution of the fractions the amount of frustules and gave a cut off diameter at different in and outlet flowrates INHALTSVERZEICHNIS Re RTE EE 3 INHALTSVERZEICHNIS en By EINLEITUNG 9 Leit EEE ANNE 10 1 2 AUFBAD DER DIATOMEENSCHATE au inne itunes 11 1 3 M GLICHKEITEN DER DIATOMEENEXTRAKTION ANHAND VERSCHIEDENER EIGENSCHAFTEN 13 1 9 4 IrennungnachGr heder TE 13 132 dremm nach Diehteaer Ee 13 E ER 14 1 3 4 Trennung nach hydrodynamischen 15 1 3 5 Trennung nach elektrochemischen Eigenschaften 15 1 3 6 Trennung nach magnetischen Eigenschaften 16 2 AUSGEW HLTES VERFAHREN ZUR TRENNUNG VON DIATOMEENSCHALEN 19 2 1 HERKUNFT DES EE 20 2 1 1 Material aus Sedimentfallen im Elifel cccccccccccscsesesesesovenenesesesescsesesesencsenenesecesenescsess 20 24 2 Rezentes Sediment aus dem Holzmaar Eifel 222 22 20 2 1 3 Kezentes Sediment aus dem B chsee Schweiz en 21 2 1 4 Kernmaterial aus dem Huguang Maar Chile 24 2 2 VORBEREITUNG DES SEDIMENTS ZU
155. tregion V t V a V a ab etwa 8 ml min der Punkt erreicht an dem ein Gros der Schalen zu gleichen Teilen nach a und b fraktionieren Mit einer angenommenen FlieBrate V a 3 ml min und einem Dichteunterschied Quarz Wasser Ap 1 62 g cm errechnet sich ein Trenndurchmesser d 4 7 um Die zur Gr e betrachteten Diatomeenschalen korrespondierende Mineralkorngr e d rfte ber dem errechneten Wert liegen da langsamere Sinkgeschwindigkeiten zu erwarten sind wenn die Korngestalt vom Ideal der Kugelform abweicht Abb 19 zeigt die Korngr enverteilung der Minerale ohne Diatomeenschalen den Fraktionen Die sukzessive Abnahme der Korngr en mit jedem weiteren Fraktionierungsschritt ist gut nachzuvollziehen Ergebnisse Mehrstufige SPLITT Fraktionierung Korngr enverteilung der Minerale 1 S H ge K ct TR GO eessen Sigg 4 5 Se kumulierte relative H ufigkeit 2 x J2 3 J2 3ala S Z J2_3a1b A kumulierte relative H ufigkeit oe e 3 amp J2 3ala 2 3alala J2 3alalb kumulierte relative H ufigkeit 4 J2 3alala 1E 4 J2_3alalala 12 3alaiaib kumulierte relative Haufigkeit Partikelgr e Feretmax um Abb 19 Ergebnisse einer mehrstufigen SPLITT Fraktionierung anhand der Mineralverteilung ohne Diatomeenschalen Fraktion a wurde jeweils f r die n chste Stufe verwendet F r die Mi
156. tskraft Eingesetzt in Gleichung 5 ergibt sich 1 6 Van Vo Pr pn Bei Kugelform der Partikel gilt V Damit ergibt sich f r Gleichung 6 w gt T ee 5 m s 9 n g Gravitationskonstante m s Pp Dichte Partikel kg m Pm Dichte Medium kg m Dabei gelten die Voraussetzungen dass a die Partikel Kugelform haben b die Partikel starr und glatt sind Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 27 die Sinkgeschwindigkeit bestimmten Grenzen bleibt durch die hohe Sinkgeschwindigkeit bei Mineralen der Korngr e gt 50 um wird die Str mung um die Partikel turbulent nach Oseen aus K ster 1964 bei Korngr en lt 2 um n hert sie sich der Diffusionsgeschwindigkeit Batel 1962 d das Medium unendliche Ausdehnung haben soll d h der Abstand des Partikels zu einer Wand muss wesentlich mehr als die doppelte Prandtelsche Grenzschicht sein nderung des Mediumwiderstands e kein Gleiten der Partikel auftritt bei flachen K rpern Bedingung a ist meist nicht erf llt daher wird auf den Begriff des quivalentradius zur ckgegriffen und ein Korrekturfaktor eingef hrt Die Bedingungen b bis 4 sind in der hier beschriebenen Methodik meist erf llt werden aber sp ter noch diskutiert Ein Gemisch verschieden gro er Partikel gleicher Dichte l sst sich entsprechend Stokes Formel nach Korngr en auftrennen Ist das auch bei einem Gemisch von Partik
157. ty USA 31 von Dhatomeenschalen ahren zur Trennung Fert e hites Y Aussew TE d 2 4 Eingang Ausgang Acrylblock lt Teflond htung IC Glasplatte lt LEE SATTSAT ESSENSE SS TSS SSS TS CS eae ox 5 Si E Mylarfol otahifol Trenner 2 wie Eingang Ausgang SPLITT Zelle zur Trennung von Partikelgemischen im schematischen Abb 6 Aufriss nicht proportional dargestellt Da die Zelle symmetrisch aufgebaut ist gilt der gleiche Aufbau f r Ein und Ausgang Bue sny Ausgangs Transportreg 1S5P a Wa Abb 7 SPLITT Zelle im Schnitt schematische Darstellung nicht proportional inlet splitter plane OSP outlet splitter plane nach Giddings 1992 ISP 32 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen Zur Berechnung des Trenndurchmessers wird zun chst die Flie rate der Transportregion V t betrachtet Springston et al 1987 Existiert ein berkreuzender Strom d h unter der Voraus setzung lt V b und V a gt V b gilt 11 V t V a V b V b Damit ist V t der Anteil von V b der durch die Transportregion zu V a hin bergeht Au er in N he der Trennerkanten kann eine laminare Str mung mit planaren Str
158. uf der Ausgangsseite Konsequenzen da ein Partikel dort durchaus gegen die Trennerkante sto en kann Betrachtet man den Fall dass diese Partikel ber die Einstr mregion gleichm ig verteilt sind werden zum einen Partikel in die Transportregion eintreten w hrend andere noch innerhalb der Einstr mregion absinken Es werden also u U nicht alle Partikel zum selben Ausgang gelangen obwohl sie gleiche Dimension und Dichte besitzen Um die Fraktion F an Partikeln zu bestimmen die zu Ausgang b gelangen werden folgende Extremf lle beschrieben 17 0 f r V t 2AV 18 f r V t V a S AV F r alle anderen F lle gilt dass in der Einstr mregion Stromungsflachen existieren unterhalb derer die Partikel zu Ausgang b gelangen oberhalb derer zu Ausgang a Abb 8 Der Anteil F ist dann Abb 8 AV V t SEN Partikel B erreicht Ausgang b V t kann gem Gleichung 11 ersetzt werden 34 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 20 AN Via MER V a F r ein Partikelgemisch einheitliche Dichte unterschiedliche Gr en soll nun der Durchmesser bestimmt werden bei dem ein Partikel Ausgang b erreicht wenn es an der Grenze zur Transportregion startet also unter Vernachl ssigung der zuvor beschriebenen Situation Die Sinkgeschwindigkeit betr gt nach Stokes modifiziert Springston et al 1987 Ap HERE fo f fo Korrekturfaktor f r nichtsph risch
159. um Filter filtriert wurde um Verunreinigungen zu entfernen 2 Elzone PC 280 von Particle Data Europe Consdorf Luxemburg 0 2 um Filter von Sartorius 44 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Diatomeenschalen 2 6 Randbedingungen f r Isotopenmessungen an Diatomeenschalen Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Extraktion von Diatomeenschalen aus limnischen Sedimenten zu erreichen Dabei geht es in einem ersten Schritt um die Abtrennung s mtlicher minerogenen Beimischungen und in einem zweiten Schritt um die Separierung von verschiedenen Diatomeenarten Im zweiten Fall kann allerdings nicht unbedingt eine Trennung verschiedener Spezies voneinander durchgef hrt werden weil durchaus verschiedene Diatomeenspezies etwa gleiche Gestalt bzw Gr e besitzen Dennoch ist es interessant Diatomeenfraktionen unterschiedlicher Gr e zu generieren Diese garantieren zumindest die Trennung bestimmter Klassen von Diatomeen voneinander Immerhin ist nicht auszuschlie en dass unterschiedliche Diatomeenspezies biogen bedingt zu unterschiedlichen Werten der Sauerstoffisotopenverh ltnisse f hren Derartige intensive Untersuchungen stehen noch aus bed rfen jedoch in einem ersten Schritt der sauberen Trennung von anderen Sauerstoff enthaltenden Materialien Diese Bedingung wird durch die SPLITT Fraktionierung erf llt Die separierten Diatomeenschalen sollen f r eine Untersuchung der stabilen Sauerstoffisotope genutzt werden Eine wichtige
160. unde Schalenformen mehrheitlich Cyclotella ergab sich eine bimodale Gr enverteilung Die Schalengr en lagen haupts chlich bei etwa 6 um die Mehrzahl und bei etwa 12 um Abb 21 Ab dem 3 Fraktionierungsschritt reicherten sich die gr eren runden Schalen in Fraktion b an Langgestreckte nadelf rmige Schalenformen z B Fragilaria waren in einem Gr enbereich von 10 um bis ber 60 um vertreten ohne ein Maximum in einem bestimmten Gr enbereich aufzuweisen Alle anderen Schalenformen u a Cocconeis Cymbella Fragilaria wiesen in ihrer Gr enverteilung ein breites Maximum bei etwa 12 um auf Mit dem 4 Fraktionierungsschritt waren in den Fraktionen a und b deutlich unterschiedliche Schalengr en vorhanden In Fraktion a hatte die Gr enverteilung ihr Maximum bei etwa 10 um Cyclotella Fragilaria in Fraktion b lag das Maximum bei etwa 15 um Cyclotella Cocconeis Es wurde f r alle Durchl ufe der Anteil der nach fraktionierenden Schalen ermittelt Die Berechnung erfolgte mit der weiter oben angegebenen Gleichung f r die Mineralk rner Als Ergebnis ist festzustellen dass die meisten Diatomeenschalen nach fraktionieren n mlich mit jeweils ber 70 Damit ergibt sich die M glichkeit durch weitere S ebungen zuerst quantitativ den Feinanteil der Minerale zu entfernen und erst dann eine SPLITT Fraktionierung durchzuf hren Dies wurde auch in den theoretischen Betrachtungen in Kapitel 2 3 1 dargel
161. ung von Diatomeenschalen 2 3 4 Modifizierte SPLITT Fraktionierung Neben der hier beschriebenen SPLITT Fraktionierung mittels Sedimentierens kann die SPLITT Methodik modifiziert werden Giddings 1988 und Zhang et al 1994 beschreiben die Nutzung hydrodynamischer Auftriebskr fte zur Partikelfraktionierung Die Auftriebskr fte sind nur nahe der Kanalw nde grob genug Partikel weg von der Wand zu treiben Im Gleichgewicht zwischen hydrodynamischer Auftriebskraft und Gewichtskraft bilden die Partikel in der Str mung Lagen gleicher Partikelklassen und k nnen daher getrennt werden Levin et al 1989 f hrt eine elektrische SPLITT Zelle zur Trennung von Proteinen ein Die Kanalw nde werden durch Elektroden aufgebaut die ein elektrisches Feld innerhalb des Kanals erzeugen Hier bestimmen die elektrochemischen Eigenschaften der Partikel das Trennungsergebnis Magnetische Methoden werden von Zborowski et al 1997 und Fuh amp Chen 1998 beschrieben Zborowski nutzt ein Quadrupol Magnetfeld zur Trennung von Lymphocyten Fuh trennt technische Partikel Dynabeats Polystyrene Quarz Glas z T mit Pr bzw Pei belegt ber deren magnetische Eigenschaften Denkbar sind auch z B pH Thermo oder Dichtegradienten innerhalb des SPLITT Kanals zur Trennung von Partikeln Entsprechende Modifizierungen wurden in dieser Arbeit nicht verwendet da sie den Aufwand f r die Handhabung der Trennung stark vergr ert h tten 24 Entwicklung ein
162. uous SPLITT Fractionation Separation Science and Technology 32 10 1629 1655 Gouy G 1910 Constitution of the electric charge at the surface of an electrolyte Journal de Physique 9 457 467 Gouy G 1917 Electrocapillarity function Ann Physique 7 129 184 Hasle R Fryxell G A 1970 Diatoms Cleaning and mounting for light and electron microscopy Transactions of the American Microscopical Society 89 4 469 474 Hecky R E Mopper K Kilham amp Degens 1973 The amino acid and sugar composition of diatom cell walls Marine Biology 19 323 331 Hegewald E 1972 Untersuchungen zum Zetapotential von Planktonalgen Arch Hydrobiol Suppl 42 Falkau Arbeiten 8 1 Seiten 14 90 Henry D C 1931 The cataphoresis of suspended particles Part I The equation of cataphoresis Proc Roy Soc London A 133 Hickel B Hickel W 1980 Diatomeen Leben im Kieselpanzer bild der wissenschaft Sonderdruck 10 Hinchey J V Green O R 1994 A guide to the extraction of fossil diatoms from lithified or partially consolidated sediments Micropaleontology 40 4 368 372 Hoefs J 1997 Stable Isotope Geochemistry A Completely Revised Updated and Enlarged Edition Springer Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hong Kong Holleman A F Wiberg E Wiberg N 1995 Lehrbuch der Anorganischen Chemie 101 Auflage 45 46 47 48 49 50 31
163. wurden 80 um und 20 um gew hlt f r eine Mikrosiebung noch einmal 10 um und 5 um Die Kriterien f r die Wahl der Siebgrenzen waren zum einen die beschr nkte Verwendbarkeit der SPLITT Zelle f r Korngr en ber 40 um zum anderen die Korngr enverteilung im Sediment und die Gr en Verteilung der Diatomeenschalen Es wurde Suspension auf jeweils ein Sieb gegeben und solange gesp lt bis das Sp lwasser klar war Die hindurch gesp lte Fraktion wurde auf das n chste Sieb ge geben und gleich behandelt Die Siebfraktion lt 20 um war nach Beendigung des Siebens bei 2 g Einwaage auf etwa 5 H2O deionisiert suspendiert Es wurde mindestens 1 Tag sich ab setzen lassen Der Zeitbedarf f r die Siebung bis 20 um betr gt ca L Stunde f r eine Mikrosiebung mehr als 2 Stunden Analysesiebe von Betsch 20 cm Nylonsieb von BIOBLOCK Scientific 30 cm 26 Ausgew hltes Verfahren zur Trennung von Dratomeenschalen 2 3 Extraktion von Diatomeenschalen 2 3 1 Theoretischer Ansatz Grundlage einer Partikeltrennung ber die Fallgeschwindigkeit in einem Medium ist die von Stokes 1845 entwickelte Formel 4 F 6 m rnv F Reibungswiderstand N r Partikelradius m n dynamische Viskosit t des Mediums Pa s v Sinkgeschwindigkeit m s Aus ihr l sst sich die Sinkgeschwindigkeit eines Partikels wie folgt ableiten F 5 S 6 1 6 F r F gilt nach Gleichung 3 die um den Auftrieb verminderte Gewich
164. zeitlich k rzere Fraktionierung m glich ist Kap 3 2 3 Das folgende Kapitel 3 2 4 besch ftigt sich mit den Fragen ob es a sinnvoll ist Tonminerale mittels SPLITT Fraktionierung von den Diatomeenschalen abzutrennen und b wieviel Fraktionierungsschritte dazu notwendig sind Es wird des weiteren ein Verfahren vorgestellt mit dem man den Trenndurchmesser d aus den Bildauswerte Daten ermitteln kann Im Anschluss wird in zwei Kapiteln 3 2 5 3 2 5 2 diskutiert bei welchen Siebgr en eine Probensuspension in Siebfraktionen geteilt werden sollte bevor die SPLITT Zelle zum Einsatz kommt Mit den gewonnenen Erkenntnissen folgt die Anwendung der dargestellten Methode auf Sedimente unterschiedlicher Herkunft Kap 3 2 5 3 2 6 3 2 7 3 1 Ergebnisse der Partikelmessungen mittels Bildauswertung Im Rahmen dieser Arbeit wurden gem dem zuvor charakterisierten Bildauswerteverfahren insgesamt etwa 1900 Mikroskopbilder ausgewertet Die Ergebnisse sich im Laufe der Entwicklungsarbeit dieser Technik ergaben werden diskutiert und u a im Vergleich zur Partikelgr enmessung ber die nderung des elektrischen Widerstands bei Durchtritt der Partikel durch eine Kapillar ffnung Coulter Counter Messung Kapitel 3 1 4 dargestellt 3 1 1 Simulation einer SPLITT Fraktionierung Die ersten Ergebnisse aus der Bildanalyse warfen die Frage auf ob die erhaltene Korngr enverteilung f r die SPLITT Fraktionen realistisch ist Eine Simulati

Extraktion von Diatomeenschalen mittels SPLITT

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