Flusseinträge unter globalem Wandel –
Erforschung des Schicksals der Amazonas Flussfahne

09.04.2021 – Isotope: Einblicke in den Kreislauf der Elemente

Wie wir in unserem ersten Post erklärt haben, ist das Verständnis der biologischen Kohlenstoffpumpe des Amazonas von großer Bedeutung. Da die wichtigsten Kohlenstoffsenken in stickstofflimitierten Bereichen der Amazonasfahne entdeckt wurden, ist es für unser Verständnis der Zukunft des Planeten Erde wichtig, die Nutzung und Umwandlung von Stickstoff in diesem komplexen System besser zu überblicken.

Den Kreislaufs eines Elements genau zu verstehen, ist sehr komplex, da eine Vielzahl an Parametern eine Rolle spielt (Verbrauch, Produktion, gelöste Gase, Austausch zwischen Wasser und Atmosphäre uvm). Eine interessante Möglichkeit, die wichtigsten Prozesse und Umwandlungen eines Elements, wie in unserem Fall Stickstoff (N), einzugrenzen, ist die Betrachtung von Isotopen. Wir betrachten und untersuchen nur die stabilen Isotope, nicht die radioaktiven Isotope.

Isotope eines Elements sind Atome, die die gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben. Diese Isotope - oder verschiedene Versionen desselben Elements - besitzen ähnliche chemische Eigenschaften, können sich aber in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden. N hat zwei stabile Isotope: ¹⁴N und ¹⁵N, wobei ¹⁴N in der Natur die häufigste Form ist (> 99 %). Die Massenunterschiede zwischen ¹⁴N und ¹⁵N reichen aus, um bei physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen zwischen den Mengen an ¹⁴N und ¹⁵N zu unterscheiden. Aufgrund seiner Anzahl an Neutronen bildet ¹⁵N stärkere Bindungen mit anderen Atomen. Das heißt, diese Bindungen sind schwerer zu brechen. Daher wird das leichte Isotop oft "bevorzugt" und reagiert schneller. Die Bevorzugung eines Isotops gegenüber einem anderen, während einer Reaktion, wird Fraktionierung genannt und kann durch einen Fraktionierungsfaktor quantifiziert werden. Aber genug komplizierte Hintergrundinformationen.

Betrachten wir zum Beispiel das Phytoplankton, das in einer Umgebung lebt, in der sowohl ¹⁴N als auch ¹⁵N verfügbar sind. Da es leichter zu verarbeiten ist, beginnt das Phytoplankton, das ¹⁴N zu verbrauchen, wodurch das restliche Wasser mit ¹⁵N angereichert wird. Es könnte also möglich sein, eine Umgebung mit Phytoplankton von einer Umgebung ohne Phytoplankton zu unterscheiden! Und das nur durch Betrachtung des Verhältnisses zwischen den Isotopen. Zusätzlich ist es auch möglich, die genaue Menge eines Nährstoffes (z.B. Nitrat oder Ammonium) zu messen, die vom Phytoplankton aufgenommen wird, indem man seine Umgebung mit ¹⁵N anreichert. Nach einer gewissen Inkubationszeit lassen sich dann die Veränderungen der isotopischen Zusammensetzung des Phytoplanktons bestimmen. Diese Anreicherungs-Methode funktioniert so gut, da die aufgenommenen Nährstoffe sich chemisch verändern, sodass sie die leichte Form des Isotops in geringeren Mengen enthalten. Mit dem schweren Isotop angereicherte Nährstoffe, z.B, ¹⁵N-Nitrat kann man übrigens kaufen – Shoppen für Biogeochemiker!

Noch interessanter wird es, wenn wir wissen, dass die Fraktionierung prozessspezifisch ist und in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen variiert. Die Fraktionierung führt zu Veränderungen in der Isotopenzusammensetzung des Produkts relativ zum Ausgangs-Stoff und zum verbleibenden Pool des Elements. Diese winzigen Unterschiede sind mit Hilfe des Isotopenverhältnisses in Bezug auf atmosphärischen N messbar und ermöglichen es uns, die einzelnen Schritte der Umwandlung vom Substrat zum Produkt zu verstehen, was N-Isotope zu einem sehr gut geeigneten Tracer für biogeochemische Prozesse macht. Diese Isotopenverhältnisse werden mit "δ" geschrieben, und deshalb ist dieses Zeichen so deutlich auf unserem Logo hervorgehoben.

Text von Choisnard N., Umbricht J., Voss M. (IOW) | Fotos zum Vergrößern anklicken