Isotopenmassenspektrometer mit Flüssig- und Gaschromatograph und Elementaranalysator
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die substanz-spezifische Stabilisotopenanalyse (δ13C, δ15N, δ18O, δD) hat in den letzten Jahren zu einem beachtlichen Erkenntniszuwachs für die Identifizierung und Quantifizierung biogeochemischer Prozesse in der Umwelt beigetragen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technik ist ein wichtiger Baustein für weitere wissenschaftliche Fortschritte auf diesem Gebiet. Daher wurde ein Stabilisotopenmassenspektrometer mit Flüssigkeits- und Gaschromatographischer Kopplung und Pyrolyseeinheit nach dem neuesten Stand der Technik erworben mit dem Ziel, bisherige Limitierungen zu eliminieren und weitere innovative Methoden zu entwickeln. Insbesondere sind in den letzten Jahren erhebliche Verbesserungen in der Messempfindlichkeit und in der Funktion von wichtigen Gerätekomponenten wie z. B. dem Oxidationsofen (verbesserte Oxidation und Minimierung von Totvolumina) und der Nachweisempfindlichkeit um ca. Faktor 2 erreicht worden. Beides ist für die vorgesehenen substanzspezifischen Messungen von humusarmen Proben elementare Voraussetzung. Die Limitierung der Nachweisgrenze bei δ13C-Bestimmungen durch Fremd-C-Zugabe während der Derivatisierung bei gaschromatographischer Trennung wurde durch den Einsatz einer flüssigkeitschromatographischen Trennung verbessert. Allerdings sind mit diesem System keine substanzspezifischen δ15N-Messungen möglich, da es nur mit einer nasschemischen Oxidation betrieben werden kann. Daher wurde die mikrobielle N- Immobilisierung in Reisböden anhand von substanzspezifischen δ15N-Messungen von Aminozuckern mittels GC-C-IRMS gemessen. Für quantitative paläoökologische Fragestellungen eignen sich δD von n-Alkanen und δ18O von Zuckern. Im Rahmen des Projektes wurden die substanzspezifischen δ18O- und δD-Messungen an pflanzlichen und mikrobiellen Zuckern bzw. n-Alkanen am GC-TC-IRMS eingearbeitet und optimiert hinsichtlich Richtigkeit, Präzision und Mengenabhängigkeit und die Veränderungen der entsprechenden Isotopensignaturen während der Streuzersetzung in Abhängigkeit vom Klima untersucht. Ferner wurden Isotopensignaturen von Böden in Klimatransekt-Studien ermittelt und die Methoden auf geeignete Paläoklimaarchive angewendet. Da bislang unklar ist, wie hoch der Beitrag der Variablen Temperatur und Niederschlag zu den Isotopensignaturen von Zuckern und n-Alkanen in Böden ist, wurden diese in Höhentransekten untersucht. Temperatur- und Niederschlagsänderungen mit der Höhe sind bekannt und wir konnten auf ein umfassendes und gut bodenkundlich grundcharakterisiertes Probenarchiv für diese Untersuchungen zurückgreifen. Des Weiteren wurde untersucht, ob mit einer Kombination von δD in Alkanen und δ18O in (pflanzlichen) Zuckern eine Abschätzung des Deuterium-Exzesses und eine Modellierung des Evapotranspirationseffektes auf die 18O-Signatur bzw. Trennung des Humiditäts- und Temperatureffektes möglich sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2012) Absence of oxygen isotope fractionation/exchange of (hemi-) cellulose derived sugars during litter decomposition. Organic Geochemistry 42:1470-1475
Zech, Michael; Werner, Roland A.; Juchelka, Dieter; et al.
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(2013) A novel methodological approach for delta O-18 analysis of sugars using gas chromatographypyrolysis-isotope ratio mass spectrometry. Isotopes in Environmental and Health Studies 49:492-502
Zech, Michael; Saurer, Matthias; Tuthorn, Mario; et al.
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(2013) Biochemical pathways of amino acids in soil: Assessment by position-specific labeling and C-13-PLFA analysis. Soil Biology and Biochemistry 67:31-40
Apostel, Carolin; Dippold, Michaela; Glaser, Bruno; et al.
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(2014) Fate of low molecular weight organic substances in an arable soil: From microbial uptake to utilisation and stabilisation. Soil Biology and Biochemistry 77: 304-313
Gunina, Anna; Dippold, Michaela A.; Glaser, Bruno; et al.
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(2014) Improved delta C-13 analysis of amino sugars in soil by ion chromatography-oxidation-isotope ratio mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry 28: 569-576
Dippold, Michaela A.; Boesel, Stefanie; Gunina, Anna; et al.
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(2014) Oxygen isotope ratios (O-18/O-16) of hemicellulose-derived sugar biomarkers in plants, soils and sediments as paleoclimate proxy I: Insight from a climate chamber experiment. Geochimica et Cosmochimica Acta 126:614-623
Zech, Michael; Mayr, Christoph; Tuthorn, Mario; et al.
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(2015) Allocation of freshly assimilated carbon into primary and secondary metabolites after in situ C-13 pulse labelling of Norway spruce (Picea abies). Tree Physiology 35: 1176-1191
Heinrich, Steffen; Dippold, Michaela A.; Werner, Christiane; et al.
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(2015) Organic nitrogen uptake by plants: reevaluation by position-specific labeling of amino acids. Biogeochemistry 125: 359-374
Moran-Zuloaga, Daniel; Dippold, Michaela; Glaser, Bruno; et al.
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(2015) Release of nitrous oxide and dinitrogen from a transition bog under drained and rewetted conditions due to denitrification: results from a [N-15]nitrate-bromide double-tracer study. Isotopes in Environmental and Health Studies 51: 300-321
Tauchnitz, Nadine; Spott, Oliver; Russow, Rolf; et al.
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(2015) Sauna, sweat and science - quantifying the proportion of condensation water versus sweat using a stable water isotope (H-2/H-1 and O-18/O-16) tracer experiment. Isotopes in Environmental and Health Studies 51: 439-447
Zech, Michael; Boesel, Stefanie; Tuthorn, Mario; et al.
