Die strukturchemische Charakterisierung von komplexen Mischungen im Beispiel natürlicher organischer Materie (NOM)

Natürliche organische Materie (NOM) ist ein in terrestrischen, linmnischen und marinen Ökosystemen vorkommendes, operationell hinsichtlich seiner Funktion und nicht primär hinsichtlich seiner Struktur definiertes, hochkomplexes Gemisch aus organischen und (einigen) anorganischen Bestandteilen. NOM wird durch (bio)chemische Zersetzung von pflanzlichen und tierischen Überresten, durch mikrobielle Nutzung von Naturstoffen und Biopolymeren, sowie durch abiotische Reaktionen gebildet. Auf globaler Ebene übersteigt die Menge refraktären organischen Kohlenstoffs in Form von NOM (3 • 1015g) jene sämtlicher industriell hergestellter organischer Verbindungen um mehrere Größenordnungen und jene der Vorläufer-Biomoleküle sehr deutlich.

Die enorme Komplexität von NOM bedingt, daß eine aussagekräftige Strukturaufklärung nur durch eine Kombination komplementärer Methoden erreichbar ist. "Harte" Daten, wie die Elementaranalyse, Gesamtacidität und physikalische Parameter scheinen zunächst gut definiert, weisen jedoch nur geringe Aussagekraft hinsichtlich struktureller Details auf. Nach unserer Überzeugung bietet die gemeinsame Analyse durch die drei hochkomplementären Methoden Kapillarelektrophorese (CE, allgemein: Hochleistungs-Kapillartrennverfahren), Massenspektrometrie und NMR-Spektroskopie die besten Voraussetzungen für eine aussagekräftige Strukturanalyse von NOM/HS.

Die an der schwierigen Matrix NOM/HS gewonnenen Kenntnisse über die Kombination analytischer Methoden und die Erstellung von Struktur/Wirkungsbeziehungen können i. a. sehr nutzbringend auf andere komplexe Systeme übertragen werden (Metaboliten-Fingerabdruck, Metaboliten-Profile, Metabolomik). Dies gilt für alle in den Lebenswissenschaften und in der Natur vorkommenden Systeme, deren Eigenschaften und Funktionen auf einem Zusammenwirken kovalenter und nicht-bindender Wechselwirkungen beruhen. Die zukünftige strukturchemische Charakterisierung von NOM/HS wird von den dramatischen Fortschritten in Empfindlichkeit und Auflösung bei der NMR-Spektroskopie (Cryo-Probenköpfe, Hochfeldmagnete) und der Massenspektrometrie (Bestimmung von Summenformeln durch FT-Ion-Cyclotron-Resonanz-Spektroskopie) besonders profitieren, welche die Definition immer größerer Struktureinheiten und die Stereochemie ihrer Verknüpfungen erlauben wird. Die Miniaturisierung der Trenntechniken und ihre Kopplung mit ultrahochauflösender Massenspektrometrie, um mit erhöhter Empfindlichkeit und Auflösung NOM-Proben ohne weitere Aufkonzentrierung messen zu können, und andererseits die Fähigkeit, NOM/HS im präparativen Maßstab mittels z.B. Free-Flow-Elektrophorese zu fraktionieren, um genügend Material für spektroskopische und Bindungsstudien zu gewinnen, werden als wichtige Tools der strukturchemischen NOM-Forschung an Bedeutung zunehmen. Sanfte Extraktionsmethoden werden weiterentwickelt (z.B. Gefriertrocknung, Umkehrosmose, C18- Festphasenextraktion), um repräsentative Proben der jeweiligen ökologischen Standorte analytisch weiter untersuchen zu können. Zusammen mit der (positionsspezifischen) Stabilisotopanalyse von Substanzgruppen und Einzelverbindungen wird diese Information das Verständnis von Herkunft, Reaktivität und Wechselwirkungen von NOM/HS mit der belebten und unbelebten Natur mit molekularer Präzision und Auflösung ermöglichen und auf diese Weise entscheidend zu wesentlich vertieften Einsichten über die Mechanismen am unteren Ende der Nahrungskette beitragen, die für das (Über)leben der höheren Lebensformen auf der Erde entscheidend sind.

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Quelle: Aktuelle Wochenschau der GDCh (03/2005)

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