Isotope von Elementen sind wie Geschwister. Sie haben die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen, aber eine andere Anzahl an Neutronen als die Primärform des Elements. Dieser Unterschied bei den Neutronen hat keinen Einfluss auf ihre chemischen Eigenschaften. Stattdessen können Wissenschaftler verfolgen und messen, wie sich die Isotope durch die Umwelt bewegen.
Umweltwissenschaftler und Biologen messen Verhältnisse stabiler Isotope gemeinsamer Elemente. Sie untersuchen auch Isotopenverhältnisse in gängigen Molekülen wie N2 und CO2. Sie verwenden diese, um biologische Proben zu messen und zu untersuchen, wie sie durch die Umwelt wandern.
Das Environmental Molecular Sciences Laboratory – eine Benutzereinrichtung des Department of Energy Office of Science – verfügt über eine Reihe von Werkzeugen zur Messung von Isotopen. Das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS) ermöglicht Wissenschaftlern hochpräzise Messungen von Isotopen in organischen und anorganischen Materialien. Das IRMS ist so empfindlich und präzise, dass es selbst unglaublich kleine Mengen an Isotopenunterschieden in natürlichen Proben messen kann. Wissenschaftler, die das IRMS verwenden, untersuchen am häufigsten Isotope von Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Die Proben können aus Pflanzen, Mikroben, Erde oder fossilem Material stammen. Sie können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sein.
Um die Probe zu analysieren, nutzen Wissenschaftler zunächst thermische und chemische Methoden, um sie in die gasförmige Form zu überführen. Sie wandeln anorganische und organische Materialien in Gase wie CO2, N2, CO und andere um. Wenn die Maschine organische Proben verbrennt, fängt das Werkzeug den bei der Verbrennung entstehenden Sauerstoff und das Wasser ein. Es lässt nur CO2- und N2-Gas in das Isotopenverhältnis-Massenspektrometer gelangen. Anschließend ionisiert es diese Gase.
Die Maschine trennt diese ionisierten Moleküle innerhalb eines Magnetfelds nach Probenmasse. Das Massenspektrometer wiegt dann den Anteil der Isotopenelemente in jedem Molekül. Es könnte beispielsweise das Verhältnis von 13C-Isotop zu 12C-Isotop in CO2 gewichten. Wissenschaftler vergleichen die Ergebnisse mit bekannten Isotopenstandards. Dieser Prozess ermöglicht es Wissenschaftlern, die genaue Isotopenzusammensetzung der Probe abzuleiten. Es hilft ihnen, die Daten direkt mit Daten in der Literatur vergleichbar zu machen.
Wissenschaftler nutzen diese Informationen, um zu verstehen, wie sich Nährstoffe zwischen Ökosystemen bewegen. Es hilft ihnen auch dabei, zu untersuchen, wie sich Wechselwirkungen zwischen Mikroben und Umweltbedingungen auf Prozesse in Pflanzen auswirken. Zu diesen Prozessen gehören die Photosynthese, die Art und Weise, wie die Pflanze ihren Wurzeln Kohlenstoff zuordnet, wie sie Chemikalien von ihren Wurzeln an den umgebenden Boden abgibt, wie sie Kohlenstoff zirkuliert und wie sie Stickstoff nutzt.
Diese Daten liefern Einblicke in verschiedene wissenschaftliche Bereiche, darunter die Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften rund um Pflanzenwurzeln, die Beziehungen zwischen Atmosphäre und Land sowie biologische Prozesse auf molekularer Ebene. Diese Bereiche prägen unser Verständnis des Nährstoffkreislaufs durch Ökosysteme und das globale Klima sowie den Wasserkreislauf. Sie tragen auch dazu bei, die wissenschaftliche Grundlage für die Herstellung besserer Biokraftstoffe zu schaffen.
Nur ein einziges Neutron kann die Eigenschaften eines Elements verändern – und unser Verständnis von biologischen und umweltbedingten Prozessen.