Stoffkreisläufe und Isotope

Entwicklung und Status von Ökosystemen sind engstens verknüpft mit Kreisläufen nicht nur von Wasser, sondern auch von so elementaren Stoffen wie Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S) und Eisen (Fe) sowie deren Verbindungen. Mit Ausnahme des Phosphors, von dem nur ein stabiles Isotop (31P) existiert und keine wesentliche Quelle für die radioaktiven Isotope, liegen für die anderen aufgeführten Elemente jeweils mehrere stabile oder langlebige Isotope vor. Ein wichtiges Beispiel ist der Kohlenstoff mit den stabilen Isotopen 12C und 13C und dem noch schwereren Isotop 14C, das radioaktiv ist mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren.

Blätter im Wald

Der Kohlenenstoff-Kreislauf im Wald ist durch die Prozesse Photosynthese, Atmung, Wuchs und Absterben bestimmt.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Je nach Lokalität sind an den Kreisläufen dieser Stoffe unterschiedlichste Pools, also Stoffspeicher wie zum Beispiel der Boden, Bäume oder das Grundwasser, beteiligt, die über Umsetzungsprozesse und die damit einher gehenden Stoffströme mit einander verbunden sind. Abbildung 1 zeigt beispielhaft den sich in einem natürlichen Waldgebiet etablierenden Kohlenstoff-Kreislauf, der durch die Prozesse Photosynthese, Atmung, Wuchs und Absterben bestimmt ist. Ebenso stellt aber auch eine Schadstofffahne im Untergrund, die Abbau- oder Umsetzungsprozessen unterliegt, ein Pool dar. Im Allgemeinen sind die einzelnen Pools (in Abbildung 1: Atmosphäre, Boden, Pflanzen, Tiere) bereits von vornherein durch eine individuelle Häufigkeitsverhältnisse ihrer (zumeist stabilen) Isotope markiert. Prozesse wie Pflanzenatmung oder tierische Nahrungsaufnahme verbinden die Stoffspeicher (Pools), die wiederum spezifische Änderungen der Isotopie der beteiligten Stoffe bewirken. Ein ganz anderes Beispiel stellt ein See (Pool 1) dar, dessen Wasser in die Atmosphäre (Pool 2) verdunstet (Prozess). Dabei verbleiben bevorzugt diejenigen Wassermoleküle mit den schwereren Isotopen im See und reichern sich dort als messbarer Parameter der Verdunstung an. Isotopenmethoden bieten so eine hervorragende Möglichkeit, die Stoffströme solcher Systeme zu erfassen. Radioaktive Isotope (3H, 14C) können dabei über die im jeweiligen System geltenden Zeitskalen Aufschluss geben.

Kohlenstoff

Das CO2 in der Atmosphäre ist der Speicher, aus dem die einzelnen Kohlenstoff-Teil-Kreisläufe der Biosphäre gespeist werden. Hierzu gehören der Wasserkreislauf mit dem gelösten anorganischen und organischen Kohlenstoff (DIC = dissolved inorganic carbon bzw. DOC = dissolved organic carbon) ebenso wie die beispielhaft in Abbildung 1 dargestellten Pfanze- und Boden-gebundenen Kreisläufe.

Kohlenstoff-Kreislauf in einem natürlichen Wald

Abbildung 1: Kohlenstoff-Kreislauf in einem natürlichen Wald (Original ist animiert) mit Beiträgen des Wasserkreislaufs und der Energie-Zufuhr durch Sonneneinstrahlung.
Quelle: GNU-Lizenz für freie Dokumentation

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Da Art und Umfang des im Boden gespeicherten organischen Kohlenstoffs weit reichende Bedeutung sowohl für das Pflanzenwachstum als auch für den atmosphärischen CO2-Gehalt haben, ist die Dynamik der organischen Bodensubstanz Gegenstand umfangreicher aktueller Forschungsarbeiten. Pflanzen bauen bei ihrem Wachstum Kohlenstoff mit einer bestimmten Isotopie ein, die nicht nur vom atmosphärischen CO2

Mikroorganismen in Boden und Wasser können z.B. im Rahmen natürlicher Abbauprozesse (Natural Attenuation) in unterschiedlichster Weise zum Abbau von Schadstoff-Kontaminationen beitragen. Dieser Abbau hinterlässt isotopische Spuren im dabei produzierten anorganischen Kohlenstoff (CO2, Bicarbonat etc.), weswegen neben der direkten Untersuchung des verbliebenen Schadstoffs jene Kohlenstoff-Spezies als Abbau-Indikatoren genutzt werden.

Stickstoff

Stickstoff bildet mit etwa 80 % den größten Anteil an der Erdatmosphäre, wobei davon mehr als 99,6 % als 14N-Isotop vorliegen und nur knapp 0,4 % als 15N. Stickstoff ist sehr reaktionsträge und damit für den Aufbau organischer Substanz zwar unverzichtbar, aber nur schlecht verfügbar. Daher werden für die Düngung N-O- und N-H-Verbindungen wie Nitrat und Ammoniak mit wesentlich höherer Bioverfügbarkeit eingesetzt.

Düngeversuch Bad Lauchstädt

Düngeversuchsfelder in Bad-Lauchstädt, Sachsen-Anhalt. UFZ-Wissenschaftler untersuchen in langjährigen Versuchen den Einfluss von Dünger auf das Pflanzenwachstum sowie den Stofffluss der im Dünger enthaltenen Stickstoffverbindungen.
Foto: Norma Neuheiser/UFZ

Stickstoff-Kreislauf

Abbildung 2: Stickstoff-Kreislauf zwischen den Pools Atmosphäre, Biosphäre und Pedosphäre.
Quelle: Von Brummfuss für Wikipedia - de.wikipedia.org

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Im Boden findet die Fixierung und Umsetzung durch Mikroorganismen statt (Abbildung 2). Innerhalb der dabei auftretenden Umsetzungsprozesse werden auch klimarelevante Gase wie N2O (Lachgas) erzeugt. Übertriebener Düngereinsatz zusammen mit erheblichen Emissionen von Stickoxiden aus Verbrennungen (Kraftfahrzeuge und Hausbrand) und von Ammoniak aus Tierhaltung (Gülle, Mist) führen zur Eutrophierung (Überdüngung) von Böden, Grund- und Oberflächenwässern. Die Isotopenverhältnisse des Stickstoffs und des Sauerstoffs des als Endprodukt dabei hauptsächlich auftretenden Nitrats geben Auskunft über die häufig fragliche Nitratquelle und mögliche Umsetzungsprozesse.

Nitrat im Grundwasser muss nicht immer schädlich sein: Es kann unter anaeroben Bedingungen den Mikroorganismen in Boden und Wasser die erforderliche Energie liefern, um Schadstoff-Kontaminationen wie z.B. halogenisierte Kohlenwasserstoffe abzubauen. Auch diese im Zusammenhang mit Natural Attenuation-Verfahren auftretenden Prozesse lassen sich durch charakteristische Isotopie-Muster nachvollziehen.

Schwefel

Schwefelquelle

Schwefelquelle in Neuseeland. Neben Schwefelquellen ist der Vulkanismus eine der Hauptquellen von Schwefel.
Foto: Dr. Matthias Gehre/UFZ

Die natürlichen Hauptspeicherorte für Schwefel sind marine Salzablagerungen sowie Sulfidminerale, die entweder vulkanischen Ursprungs sind oder in marinen oder limnischen Sedimentationsbecken gebildet wurden. Sowohl durch natürliche unterirdische Laugungsprozesse als auch durch Folgeerscheinungen bergbaulicher Tätigkeit kann Schwefel aus diesen Speichern mobilisiert und in Stoffkreisläufe von Atmosphäre, Boden und Wasser einbezogen werden. Die Mobilisierung von Sulfiden ist insofern problematisch, als dass nicht nur Schwefel, sondern auch große Mengen Säure freigesetzt werden. So setzt die Verbrennung fossiler Rohstoffe große Mengen Schwefel in die Atmosphäre frei, die letzten Endes vorrangig in Form von Sulfat aus der Atmosphäre auf die Landoberfläche niedergehen (atmosphärische Deposition). Einen Teil der Schwefeldeposition nehmen Pflanzen auf. Der andere Teil wird entweder in der Bodenzone fixiert oder in das Grund- und Oberflächenwässer ausgewaschen. Durch die verringerte Schwefeldeposition und intensive landwirtschaftliche Nutzung hat sich in den letzten Jahrzehnten örtlich ein Schwefeldefizit im Boden entwickelt, das durch gezielte Schwefeldüngung kompensiert werden muss.

Schematische Darstellung des terrestrischen Schwefelkreislaufs.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des terrestrischen Schwefelkreislaufs.

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Bakterielle Sulfatreduktion kann auf natürliche Weise zu einer mineralischen Fixierung von Schwefel führen. Dies wirkt einerseits der Mobilisierung des Schwefels aus den Quellen entgegen, andererseits können durch diesen mikrobiellen Prozess organische Schadstoffe abgebaut werden.

Charakteristische Isotopeneffekte geben Wissenschaftlern Rückschlüsse sowohl auf die Mischungsprozesse von Schwefel aus verschiedenen Quellen als auch auf mikrobielle Schwefelumsetzungsprozesse wie Oxidation oder Reduktion (Abbildung 3). Dies gilt insbesondere bei der Anwendung eines dualen Isotopensystems, also bei der gekoppelten Betrachtung der Schwefel- und Sauerstoffisotope im Sulfatmolekül.

Ansprechpartner

Allgemeine Fragen und Analytik

Dr. Matthias Gehre
Department Isotopenbiogeochemie, UFZ
Tel. 0341 235 1361
matthias.gehre@ufz.de

Stoffkreisläufe und Environmental Forensic

PD Dr. Hans H. Richnow
Dept. Isotopenbiogeochemie, UFZ
Tel. 0341 235 1212
hans.richnow@ufz.de

Wasserkreislauf

Dr. Stephan Weise
Dept. Isotopenhydrologie, UFZ
Tel 0345-5585 435
stephan.weise@ufz.de

Isotopes in Environmental and Health Studies

Dr. Gerhard Strauch
Dept. Hydrogeologie, UFZ
Tel 0341 235 1985
gerhard.strauch@ufz.de

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