von Dr. Gesa Schulz, Universität Hamburg

Isotope sind verschiedene Atome eines Elements, die die gleiche Anzahl von Protonen aber unterschiedlich viele Neutronen im Atomkern haben und sich somit in ihrer atomaren Masse unterscheiden.  Unterteilt werden sie in stabile und instabile Isotope, wobei letztere über die Zeit radioaktiven Zerfall vorweisen. Die Analyse von stabilen Isotopen ist in den Naturwissenschaften ein häufig und vielseitig eingesetztes Werkzeug, denn durch sie ist es möglich herauszufinden, wo ein Stoff herkommt und welche Umwandlungsprozesse stattgefunden haben. Denn auch wenn die Unterschiede in den atomaren Massen winzig klein sind, führen sie dennoch zu einer unterschiedlichen „Reaktionsfreudigkeit“ der verschiedenen Isotope eines Elementes. Die chemischen Bindungen zwischen so genannten „schweren“ Isotopen, die mehr Protonen haben als ihre „leichten“ Verwandten, sind stärker und daher reagieren schwere Isotope langsamer. Ein Beispiel: bei mikrobiologischer Umsetzung verwenden die Mikroorganismen in der Regel lieber die leichten Isotope, und lassen die stärker gebundenen, schweren Isotope zurück. Diesen Prozess nennt man „kinetische Fraktionierung“ und er ermöglicht uns anhand von Isotopenanalytik Umsatzprozesse und Quellen von Elementen mit stabilen Isotopen zu untersuchen.

Auf der SO305 untersuchen wir unteranderem den Stickstoffkreislauf. Stickstoff ist eines der wichtigsten Elemente für biologische Systeme, denn er ist ein lebensnotwendiger Nährstoff für alle Organismen. Stickstoff existiert in verschiedenen Formen, die reaktiv oder nicht reaktiv sein können, und kann schnell von Mikroorganismen umgesetzt werden. Die meisten Organismen können aber nur den reaktiven Stickstoff aufnehmen und verarbeiten. Ist zu wenig reaktiver Stickstoff verfügbar, ist das Leben im Ozean „Stickstofflimitiert“. Stickstoff besitzt zwei stabile Isotope: das viel häufiger vorkommende leichte ¹⁴N (99.635 %) und das seltene schwere ¹⁵N (0.365 %).

In der Bucht von Bengalen ist Stickstoff wichtig, da seine Umsatzprozesse abhängig vom Sauerstoff sind. Hier gibt es bereits eine ausgeprägte sauerstoffarme Zone, und wir untersuchen derzeit, wie der zunehmende Stickstoffeintrag durch anthropogene Einflüsse die ablaufenden Prozesse verändert. Denn wird eine kritische Schwelle von Sauerstoff im Wasser unterschritten, kann es zu einem Stickstoffabbau kommen, bei dem an niedrigen Sauerstoffkonzentrationen angepasste Mikroorganismen reaktiven Stickstoff zu N₂ umwandeln. So findet aktuell etwa 30-50 % aller reaktiver Stickstoffverluste in Sauerstoffminimumzonen statt, obwohl sie nur etwa 0.1 % des Meeresvolumens ausmachen. In der Bucht von Bengalen ist diese kritische Schwelle bisher noch nicht unterschritten, aber durch zunehmenden Einträge und den Klimawandel steht das System möglicherweise vor einem Kipppunkt.

Als Arbeitsgruppe „Biogeochemie im Erdsystem“ der Universität Hamburg in Kooperation mit „Aquatische Nährstoffkreisläufe“ des Helmholtz-Zentrum Hereon widmen wir uns dem Stickstoffkreislauf mit Hilfe von stabilen Isotopen: wir nehmen Proben für die natürlichen stabilen Isotope in der Wassersäule, und filtrieren große Mengen Wasser, um auch die Isotope des Stickstoffs gebunden an die Partikel im Wasser zu bestimmen. An Bord können wir die Isotope nicht messen, wir nehmen unsere Proben alle mit zurück nach Deutschland. Während der Fahrt sind wir vor allem am Filtrieren. Entweder in kleinen Mengen über Spritzenvorsatzfilter, um das Filtrat eingefroren mitzunehmen, oder in großen Mengen für die Filter, an denen wir den partikulären Stickstoff untersuchen. 

Neben der ganzen Filtration nutzen wir auch Isotope in Inkubationsversuchen, bei denen wir Prozessraten bestimmen. Dabei messen wir nicht, welche Isotope natürlich vorkommen, sondern markieren unsere Proben gezielt mit schwerem ¹⁵N-Stickstoff. Über die Zeit können wir dann verfolgen, in welchen Stoffen wir das schwere Isotop wiederfinden und darüber die Prozessraten berechnen.

Am Ende der Fahrt stehen wir also vor großen Mengen gefrorener und gekühlter Proben (planmäßig ca. 80 L Wasser und 200 Filter), die zurück nach Deutschland transportiert werden müssen, um dann ihre Isotopensignatur im Labor zu messen.