Using solid phase extraction to study organic matter in hydrothermal systems in the Russian Far East

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper describes the process of solid phase extraction as a method of natural waters sample preparation, in particular thermal waters, for subsequent instrumental analysis of organic matter of medium volatility. The author outlines main steps of this process, which consist of concentrating the target compounds of interest in the sorbent, purifying them from impurities, and changing the initial matrix to a more suitable medium for chromatographic analysis. The main advantages of this method of sample preparation over traditional liquid-liquid extraction are the effective absorption of a large number of organic compounds and possibility to store them for a long time before analysis without changing their composition and concentration, using small sample volumes and organic solvents. Solid phase extraction is suitable for both in vitro and on-site water sampling applications, in this way making easier field investigations of hard-to-reach hot springs. This sample preparation method needs a laboratory and field setup, as well as a device for conditioning and elution of sorbents, their description also provided in this paper. It also presents the main results of a long-term study of medium volatile organic compounds in thermal and cold waters from geothermal fields in the Far East. The aanalysis was carried out by the solid phase extraction method with the use of silica gel (C18) sorbent cartridges and gas chromatography-mass spectrometry. For the first time, a wide range of organic compounds have been identified for these deposits, including alkanes, aromatic hydrocarbons, carboxylic acids and their esters in hot water. The origin of these components is related to thermocatalytic processes of biogenic organic residue transformation. Biogenic terpenes and steroids are widely spread in cold waters within geothermal field areas.

About the authors

V. A. Poturay

Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН

Author for correspondence.
Email: poturay85@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3357-1737
Russian Federation, ул. Шолом-Алейхема 4, г. Биробиджан, 679016

References

  1. Abramov V.Yu. Formation organic carbon composition of compound carbon dioxide mineral waters of the Essentuky, Nagutsky deposits. Razvedka i okhrana nedr, 2014, no. 5, pp. 47–51. (In Russ.).
  2. Galimov E.M., Sevast’yanov V.S., Kamaleeva A.I., Kuznetsova O.V., Konopleva I.V., Vlasova L.N., Karpov G.A. Hydrocarbons from a volcanic area. Oil seeps in the Uzon caldera, Kamchatka. Geokhimiya, 2015, no. 12, pp. 1059–1068. (In Russ.). doi: 10.7868/S0016752515120043.
  3. Drugov Yu.S. Probopodgotovka v ekologicheskom analize (Sample preparation in environmental analysis), Yu.S. Drugov, A.A. Rodin. Saint-Petersburg: Anatoliya Publ., 2002. 755 p. (In Russ.).
  4. Zippa E.V., Bragin I.V. The estimation the N2-thermal waters temperature at the circulation depth, Sikhote-Alin, in Geologicheskaya evolyutsiya vzaimodeistviya vody s gornymi porodami (Geological evolution of water-rock interactions). Ulan-Ude: BSC SB RAS, 2020, pp. 61–64. (In Russ.).
  5. Klyuev N.A., Brodskii E.S. Modern methods of mass spectrometric analysis of organic compounds. Rossiiskii khimicheskii zhurnal, 2002, vol. 46, no. 4, pp. 57–63. (In Russ.).
  6. Kontorovich A.E., Bortnikova S.B., Kashirtsev V.A., Kostyreva E.A., Fomin A.N., Karpov G.A. Uzon volcano caldera (Kamchatka): a unique natural laboratory of the present-day naphthide genesis. Geologiya i geofizika, 2011, vol. 52, no. 8, pp. 986–990. (In Russ.).
  7. Lyamina L.A., Kharitonova N.A., Rastorguev A.V., Chelnokov G.A., Bragin I.V. Сonceptual model of the formation of nitrogen thermal waters in crystalline rock massifs (example of the Кuldur spa). Vestnik MGU. Seriya 4. Geologiya, 2022, no. 2, pp. 78–90. (In Russ.).
  8. Plyusnin A.M., Ukraintsev A.V., Chernyavskii M.K. Organic matter in carbonaceous mineral waters of Vitim plateau and East Sayan, in Geologicheskaya evolyutsiya vzaimodeistviya vody s gornymi porodami (Geological evolution of water-rock interactions). Ulan-Ude: BSC SB RAS, 2018. pp. 68–71. (In Russ.).
  9. Poturay V.A. Organic matter in hydrothermal systems of the Far East of different types and situations. Izvestiya TPU. Inzhiniring georesursov, 2018, vol. 329, no. 11, pp. 6–16. (In Russ.). doi: 10.18799/24131830/2018/11/204.
  10. Poturay V.A. Organic matter in ground- and surface waters in the area of the Annenskii geothermal field, Russian Far East. Geokhimiya, 2017, no. 4, pp. 372–380. (In Russ.). doi: 10.7868/S0016752517020054.
  11. Poturay V.A. Organic substance in surface waters and groundwters in Kuldur deposit of thermal waters, the Far East of Russia. Vestnik KRAUNTs. Nauki o Zemle, 2013, no. 1(21), pp. 169–182. (In Russ.).
  12. Poturay V.A. Organic Matter and Molecular-Weight Distribution of Hydrocarbons in the Annenskoe Thermal Waters (Far East, Russia). Geologiya i Geofizika, 2022, vol. 63, no. 10, pp. 1352–1368. (In Russ.). doi: 10.15372/GiG2021150.
  13. Poturay V.A. Composition and distribution of n-paraffines in nitrogen thermal waters of the Russian Far East. Tikhookeanskaya geologiya, 2017, vol. 36, no. 4, pp. 109–119. (In Russ.).
  14. Poturay V.A. Comparison of chemical composition of thermal, waste and ground waters of Kuldur district. Regional’nye problemy, 2010, vol. 13, no. 2, pp. 92–96. (In Russ.).
  15. Poturay V.A., Strochinskaja S.S., Kompanichenko V.N. Complex biogeochemical characteristics of the Tumnin springs thermal water. Regional’nye problemy, 2018, vol. 21, no. 1, pp. 22–30. (In Russ.).
  16. Raznitsin Yu.N., Savel’eva G.N., Fedonkin M.A. The hydrocarbon potential of paleo- and modern suprasubduction zones: tectonic, geodynamic, mineralogical-geochemical, and biochemical aspects. Tikhookeanskaya geologiya, 2018, vol. 37, no. 2, pp. 3–16. (In Russ.). doi: 10.30911/0207-4028-2018-37-2-3-16.
  17. Ukraintsev A.V., Plyusnin A.M. Application of solid-phase extraction method to analyse the composition of dissolved organic substances in carbonaceous mineral waters, in Baikal’skaya molodezhnaya nauchnaya konferentsiya po geologii i geofizike (Baikal Youth Scientific Conference on Geology and Geophysics). Ulan-Ude, 2019, pp. 90–92. (In Russ.).
  18. Shulga N.A., Peresypkin V.I. The genesis of hydrocarbons in hydrothermal deposits of the Lost City and Rainbow fields (Mid-Atlantic Ridge). Doklady Akademii nauk, 2012, vol. 445, no. 2, pp. 196–199. (In Russ.).
  19. Andrade-Eiroa A., Canle M., Leroy-Cancellieri V., Cerda V. Solid phase extraction of organic compounds: a critical review. Part I. Trends in Analytical Chemistry, 2016, vol. 80, pp. 641. doi: 10.1016/j.trac.2015.08.015.
  20. Andrade-Eiroa A., Canle M., Leroy-Cancellieri V., Cerda V. Solid phase extraction of organic compounds: a critical review. Part II. Trends in Analytical Chemistry, 2016, vol. 80, pp. 655. doi: 10.1016/j.trac.2015.08.014.
  21. Aubrey A., Cleaves H., Bada J. The role of submarine hydrothermal systems in the synthesis of amino acids. Origin of Life and Evolution of Biospheres, 2009, vol. 39, pp. 91–108. doi: 10.1007/s11084-008-9153-2.
  22. Badawy M.E.I., El-Nouby M.A.M., Kimani P.K., Lim L.W., Rabea E.I. A review of the modern principles and applications of solid-phase extraction techniques in chromatographic analysis. Analytical Sciences, 2022, vol. 38, pp. 1457–1487. doi: 10.1007/s44211-022-00190-8.
  23. Berrueta L.A., Gallo B., Vicente F. A Review of Solid Phase Extraction: Basic Principles and New Developments. Chromatographia, 1995, vol. 40, no. 7/8, pp. 474–483.
  24. Boschetti T., Etiope G., Toscani L. Abiotic methane in the hyperalkaline springs of Genova, Italy. Procedia Earth and Planetary Science, 2013, vol. 7, pp. 248–251. doi: 10.1016/j.proeps.2013.02.004.
  25. Faraji M., Yamini Y., Gholami M. Recent Advances and Trends in Applications of Solid-Phase Extraction Techniques in Food and Environmental Analysis. Chromatographia, 2019, vol. 82, pp. 1207–1249. doi: 10.1007/s10337-019-03726-9.
  26. Fedotov P.S., Malofeeva G.I., Savonina E.Yu., Spivakov B.Ya. Solid-Phase Extraction of Organic Substances: Unconventional Methods and Approaches. Journal of Analytical Chemistry, 2019, vol. 74, no. 3, pp. 205–212. doi: 10.1134/S1061934819030043.
  27. Fiebig J., Woodland A.B., Spangenberg J., Oschmann W. Natural evidence for rapid abiogenic hydrothermal generation of CH4. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2007, vol. 71, pp. 3028–3039. doi: 10.1016/j.gca.2007.04.010.
  28. Fu Q., Socki R.A., Niles P.B. Evaluating reaction pathways of hydrothermal abiotic organic synthesis at elevated temperatures and pressures using carbon isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2015, vol. 154, pp. 1–17. doi: 10.1016/j.gca.2015.01.027.
  29. Garcia-Sanchez B.E., Vara-Castro G.M., Kretzschmar Th., Sanchez-Avila J.I. Organic compounds in surface and groundwaters in the surrounding of a Mexican geothermal reservoir; case study Los Humeros, Puebla. Applied Geochemistry, 2022, vol. 147, 105442. doi: 10.1016/j.apgeochem.2022.105442.
  30. Gonsior M., Hertkorn N., Hinman N., Dvorski S.E.-M., Harir M., Cooper W.J., Schmitt-Kopplin P. Yellowstone Hot Springs are Organic Chemodiversity Hot Spots. Scientific Reports, 2018, vol. 8, 14155. doi: 10.1038/s41598-018-32593-x.
  31. Gonzalez-Barreiro C., Cancho-Grande B., Araujo-NespereiraP., Cid-Fernandez J.A., Simal-Gandara J. Occurrence of soluble organic compounds in thermal watersby ion trap mass detection. Chemosphere, 2009, no. 75, pp. 34–47. doi: 10.1016/j.chemosphere.2008.11.067.
  32. Konn C., Charlou J.L., Holm N.G., Mousis O. The production of methane, hydrogen, and organic compounds in ultramafic-hosted hydrothermal vents of the Mid-Atlantic Ridge. Astrobiology, 2015, vol. 15, no. 5, pp. 381–399. doi: 10.1089/ast.2014.1198.
  33. Leins A., Bregnard D., Vieth-Hillebrand A., Junier P., Regenspurg S. Dissolved organic compounds in geothermal fluids used for energy production: a review. Geothermal Energy, 2022, vol. 10, 9. doi: 10.1186/s40517-022-00220-8.
  34. Nye J.J., Shock E.L., Hartnett H.E. A novel PARAFAC model for continental hot springs reveals unique dissolved organic carbon compositions. Organic Geochemistry, 2020, vol. 141, 103964. doi: 10.1016/j.orggeochem.2019.103964.
  35. Ong C., Fowler A.P.G., Seyfried Jr. W.E., Sun T., Fu Q. Organic compounds in vent fluids from Yellowstone Lake, Wyoming. Organic Geochemistry, 2021, vol. 159, 104275. doi: 10.1016/j.orggeochem.2021.104275.
  36. Pourshamsi T., Amri F., Abniki M. A comprehensive review on application of the syringe in liquidand solid-phase microextraction methods. Journal of the Iranian Chemical Society, 2021, vol. 18, pp. 245–264. doi: 10.1007/s13738-020-02025-7.
  37. Sanchez-Avila J.I., García-Sanchez B.E., Vara-Castro G.M., Kretzschmar T. Distribution and origin of organic compounds in the condensates from a Mexican high-temperature geothermal field. Geothermics, 2021, vol. 89, 101980. doi: 10.1016/j.geothermics.2020.101980.
  38. Soniassy R. Water analysis: Organic micropollutants, R. Soniassy, P. Sandra, C. Schlett. Germany: Hewlett-Packard Company, 1994. 278 p.
  39. Sunguti A.E., Kibet J.K., Kinyanjui T.K. A review of the status of organic pollutants in geothermal waters. Journal of Nature, Science & Technology, 2021, vol. 4, pp. 19–28. doi: 10.36937/janset.2021.004.005.
  40. Szabo I., Varga C. Finding possible pharmacological effects of identified organic compounds in medicinal waters (BTEX and phenolic compounds). International Journal of Biometeorology, 2019, vol. 64, pp. 989–995. doi: 10.1007/s00484-019-01808-9.
  41. Ukraintsev A.V., Plyusnin A.M., Chernyavskii M.K. Ferruginous mineral waters of Western Transbaikalia: formation of gas, trace elements, and dissolved organic matter composition. Geochemistry International, 2024, vol. 62, no. 6. pp. 659–673. doi: 10.1134/S0016702924700307.
  42. Umoh U.U., Li L., He J., Chen L., Dong L., Jia G., Lahajnar N., Massoth G., Schwarz-Schampera U. Unusual aliphatic hydrocarbon profiles at hydrothermal vent fields of the Central and Southeast Indian Ridges and Mid-Indian Basin. Deep-Sea Research Part II, 2021, vol. 194, 104996. doi: 10.1016/j.dsr2.2021.104996.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Потурай В.A.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».