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Neue Verwitterungsanalyse zeichnet den geochemischen Fluss unter der Erdoberfläche genau nach

Verwitterung, bei der Gestein zu Erde zerfällt, wirkt sich auf das Erdklima, das Metallerzmanagement, die Schadstofferkennung und die Nahrungsmittelproduktion aus. Mit einer neuen Isotopenmethode verfolgte das Projekt IsoNose erfolgreich den Weg chemischer Elemente vom Gestein in die Pflanze.
Neue Verwitterungsanalyse zeichnet den geochemischen Fluss unter der Erdoberfläche genau nach
Die Erschließung der natürlichen Ressourcen an der Erdoberfläche erfolgt in einem beispiellosen Tempo und Ausmaß. Wenn diese Ausbeutung von Boden, Wasser und Edelmetallen nachhaltig sein soll, muss sie effizienter werden. Um dies zu erreichen, müssen die transformativen biogeochemischen Prozesse besser verstanden werden, wenn chemische Elemente vom Gestein in Böden, Pflanzen, durch das Grundwasser, in Flusswasser und in Erzlagerstätten gelangen.

Das EU-finanzierte Projekt IsoNose wurde ins Leben gerufen, um die jüngsten technologischen Fortschritte, insbesondere im Bereich der Massenspektrometrie, zu nutzen, um die Entstehung dieser natürlichen Ressourcen zu erforschen und so das Feld für bessere Verfahren zu öffnen. Das Projekt beleuchtet nicht nur die Art und Weise, wie die Erdoberfläche gelöste chemische Elemente überträgt, sondern auch, wie Metalle ihren isotopen Fingerabdruck verändern, wenn sie von Organismen aufgenommen werden.

Messung von Isotopen mit Massenspektrometrie

Gestein wird in Boden (Verwitterung) umgewandelt, wenn Wasser durch Gesteinsbrüche fließt und die daraus resultierenden chemischen Reaktionen primäre Mineralien in sekundäre Mineralien umwandeln. Dabei sammelt sich organischer Kohlenstoff in der Nähe der Erdoberfläche an und darunter verbleibt eine Bodenschicht. Dieser Prozess spielt sich im Laufe von Jahrtausenden ab.

Der Verfall des Gesteins führt dazu, dass jedes der eingefangenen chemischen Elemente wie Magnesium, Eisen oder Zink (als metallische Beispiele) unterschiedliche Wege geht. Einige dringen in die neu entstandenen Böden ein, andere werden von Pflanzen aufgenommen, andere in Flüssen aufgelöst. Um mehr über die Zusammensetzung und Umwandlung von metallischen Elementen zu erfahren, sammelte das IsoNose-Team Wirtsgestein, verwitterte Böden und Sedimente sowie Wasserproben für die Laboranalyse.

Die Analyse war abhängig von der Messung der Isotope dieser Elemente (ihrem unterschiedlichen Atomgewicht oder ihrer unterschiedliche Masse) in den Proben. Die Forscher nutzten die so genannte „Isotopenfraktionierung“. Das ist die Neigung bestimmter Isotope (mit größerer oder kleinerer Atommasse), sich in ein bestimmtes Material zu verschieben, das sich beispielsweise durch Verwitterung an der Erdoberfläche gebildet hat. Dies deutet dann auf die wahrscheinlichen Ursachen dieser Veränderungen hin (z. B. Klimawandel).

Mithilfe des Chromatographieverfahrens wog das Team zuerst die Proben, um die Elemente voneinander zu trennen, und festzustellen, wie viel von jedem Element sie enthielten. Anschließend wurden die Isotope mit einem Massenspektrometer gemessen. Dazu wurden die ionisierten Isotopenpartikel in ein Rohr mit einem elektrischen Feld injiziert, wobei die leichteren Isotope von den schwereren getrennt wurden und jede Probe einen Isotopenverhältniswert erhielt.

Professor Friedhelm von Blanckenburg erläutert: „Die Kombination dieser bestehenden Methode der induktiv gekoppelten Multikollektor-Massenspektrometrie mit einer Technik namens Femtosekunden-Laserablation erwies sich als äußerst leistungsfähig. Die Kombination misst sehr präzise gleichzeitig winzige Verschiebungen in der relativen Häufigkeit von metallischen Elementisotopen und chemischen Mengen an Feststoffen mit einer Auflösung von wenigen Tausendstel Millimetern.“

Auf dem Weg zu verbesserter Praxis und erweitertem Anwendungsbereich

Aus ökologischer Sicht kann die Forschung von IsoNose genutzt werden, um zu erklären, wie die Erdoberfläche das Klima und die Treibhausgase über Millionen von Jahren reguliert hat. Die Techniken können auch zur Identifizierung von Umweltschadstoffquellen und zur Bestimmung der Wirksamkeit von Sanierungsmaßnahmen eingesetzt werden.

Die Messung metallischer Isotope erhöht auch das Verständnis darüber, wie diese Elemente überhaupt in das Gestein gelangt sind, und bietet der Bergbauindustrie Erkenntnisse für einen nachhaltigeren Abbau. Professor von Blanckenburg: „Wir haben einen wissenschaftlichen Rahmen mit empirischen Daten für eine bessere Nutzung der Oberflächenressourcen der Erde geschaffen, sodass die Nutzung durch künftige Generationen nicht beeinträchtigt wird.“

Ein weiterer wahrscheinlicher Bereich der zukünftigen Forschung ist die Übertragung dieser Techniken auf Bodenbewirtschaftungspraktiken für die Erzeugung von Nahrungsmitteln, die den Bedürfnissen einer schnell wachsenden Weltbevölkerung von heute weit über sieben Milliarden Menschen besser gerecht werden kann. Die Messung metallischer Isotope könnte helfen, die Wege der Mineralstoffe vom Boden zu den Pflanzen genau zu verfolgen und so zu gezielteren Düngemitteln sowie zur Etablierung von Biomarkern für Krankheiten führen.

Abschließend sagt Professor von Blanckenburg: „Unsere Forscher werden IsoNose als Plattform nutzen, um dieses neue Feld in neue Bereiche wie Geowissenschaften, Umweltforensik, biomedizinische Wissenschaften und Prospektion von Bodenschätzen zu führen“.

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

IsoNose, Boden, Gestein, Verwitterung, Wasser, Mineralien, Metallelemente, Isotope, Erzlagerstätten, Massenspektrometer, Lebensmittelherstellung
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