Isotope in Umwelt- und Biowissenschaften
Mit dem Kompetenzzentrum "Isotope in Umwelt- und Biowissenschaften" am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) wird eine wissenschaftliche Tradition fortgeführt, die in Leipzig bereits in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts begann. Damals wurden zwei Institute der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR auf dem Leipziger Standort des UFZ gegründet, mit denen eine weltweit herausragende Forschung auf dem Gebiet der angewandten Radioaktivität und der Stabilen Isotopen begann.
Isotope sind ein bedeutendes Werkzeug zur Charakterisierung des Wasserkreislaufs, mit deren Hilfe Rückschlüsse
auf die Herkunft und das Alter des Wassers möglich sind.
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Seit dieser Zeit wurde und wird bereits an unterschiedlichsten landwirtschaftlich, biologisch und medizinisch orientierten Fragen des
Stickstoff- und Protein Metabolismus im System "Boden-Pflanze-Tier-Mensch" geforscht, aber auch mit natürlichen Isotopenkonzentrationen von
2H, 3H, 13C, 14C, 15N, 18O, 34S, 86Sr/87Sr, 137Cs, 210Pb und 222Rn
in Bereichen wie isotopengeochemischer und radiogeochronologischer Forschung an Wassersystemen und -resourcen gearbeitet.
Auf dem Gebiet der natürlichen Radioaktivität wurden in dieser Zeit Probleme von Bergbaufolgeschäden in Boden und Wasser erforscht.
Mit der Gründung des UFZ 1992 wurden weite Teile dieser Forschung übernommen und in ein umweltpolitisches Gesamtkonzept eingebunden. Heute bietet das Kompetenzzentrum "Isotope in Umwelt- und Biowissenschaften" am UFZ neben einer methodisch sehr breiten Analytik mit hervorragender instrumenteller Ausstattung ein umfangreiches Expertenwissen für vielfältige Anwendungen der Isotopentechnik in der modernen Umweltforschung. Das Isotopen-Kompetenzzentrum am UFZ bündelt die Forschungsaktivitäten und bearbeitet unter anderem die folgenden Arbeitsschwerpunkte.
1. Analyse terrestrischer biogeochemischer Stoffkreisläufe mit stabilen Isotopen
Biogeochemische Stoffkreisläufe gestalten und beeinflussen entscheidend die Funktionen der Ökosysteme. Die Charakterisierung und Parametrisierung der Stoffkreisläufe ist für die Beurteilung der Ökosystemfunktionen (ecosystem service) entscheidend, und stabile Isotope (im Wesentlichen von H, C, N, O und S) bilden ein umfangreiches Werkzeug in diesem Arbeitsfeld. Isotopentechniken in Verbindung mit mikrobiologischen und geochemischen Techniken besitzen ein hohes Potential wichtige Aufgaben im Bereich der Ökosystemfunktionen, Modellierung und Landnutzung zu bearbeiten. In diesem Bereich gilt es, neue interdisziplinäre Forschungsfelder zu entwickeln.
2. "Environmental Forensic" zur Analyse von Quellen, Transportwegen und Senken von (anthropogenen) Kontaminanten
Die Signatur stabiler wie auch radioaktiver Isotope erlaubt, in gewissen Umfang Informationen über die Herkunft von Stoffen im allgemeinen und organischen Verbindungen im besonderen zu gewinnen. Isotopenuntersuchungen werden beispielsweise in der Qualitätssicherung von Nahrungsmitteln und landwirtschaftlichen Produkten erfolgreich eingesetzt. Multidimensionale Isotopensignaturen bieten Potential zur Charakterisierungen der Herkunft und Verbreitung von organischen Stoffen in Umwelt. Die Isotopenfraktionierung kann zur Charakterisierung und Quantifizierung von Abbauprozessen eingesetzt werden. Multidimensionale Isotopensignaturen für die Analyse von Quellen, Transportpfaden und Senken anthropogener Kontaminanten sind beispielsweise Arbeitsfelder mit erheblichem Potential für die europäische Chemikalienrichtlinie (REACH) sowie die europäische Wasserrahmenrichtlinie (WRRL). Darüber hinaus können sie in Markierungsexperimenten zur Analyse von Struktur, Funktion und Aktivität mikrobieller Prozesse eingesetzt werden.
3. Charakterisierung des Wasserkreislaufes
Die isotopische Charakterisierung des Wasserkreislaufes mit allen seinen Kompartimenten in Raum und Zeit ist seit Jahrzehnten eine Domäne der Isotopenforschung. Die Nutzung der Isotopentracer - stabiler und natürlicher radioaktiver Isotope - reicht von der Bewertung von Ressourcengröße und -dynamik bis zur Erstellung konzeptioneller und Validierung numerischer Modelle auf dem Gebiet der Hydrologie und Hydrogeologie. Die Ressource Wasser und der terrestrische Teil seines Kreislaufs in der Umwelt sind ein zentrales Thema am UFZ. In der interdisziplinären Verknüpfung mit geochemischen und molekularbiologischen Techniken oder der Modellierung erschließen sich neue Forschungsfelder.
