ISOprint - Analytik zur Bestimmung des Isotopenfingerabdruck

"ISOPRINT" - Entwicklung von "Diffusionsgradienten in dünnen Schichten (DGT) - Multikollektor- ICP-MS-Techniken" für die Bestimmung des standortspezifische Isotopen Fingerabdrucks von S, Sr und Pb in Böden als Werkzeug für die Herkunftsbestimmung primärer landwirtschaftlicher Erzeugnisse Das Ziel dieses Projektes ist es, eine Technik zum Bestimmen des biologisch verfügbaren (bioverfügbaren) Anteils an Schwefel (S), Strontium (Sr) und Blei (Pb) aus dem Boden zu entwickeln. Anschließend wird die Isotopenzusammensetzung dieser Elemente analysiert. Die Motivation dahinter ist, dass eine ortsspezifische Variation der Isotopenzusammensetzung von S, Sr und Pb im Boden als spezifischer Fingerabdruck wirken kann. Dieser Fingerabdruck spiegelt sich in den Pflanzen wieder, die auf diesem Boden wachsen. Diese Unterschiede der Isotopie in den Böden kann beispielsweise durch Unterschiede in der Geologie verursacht werden, durch natürliche Prozesse (z.B. mikrobielle Aktivitäten) oder durch menschliche Aktivitäten (zum Beispiel durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen, die S oder Pb enthalten). Diffusive Gradient in Thin Films (DGT) stellt eine passive Beprobungstechnik dar. DGT nehmen Elemente aus dem Boden in der gleichen Weise wie Pflanzen auf - durch Diffusion. In dieser (bioverfügbaren) Fraktion wird in weiterer Folge die Isotopenzusammensetzung der untersuchten Elemente mit einem speziellen Massenspektrometer analysiert. Im Rahmen dieses Projektes wird eine neue Technik entwickelt, die den bioverfügbaren Anteil von S, Sr und Pb aus dem Boden beproben kann, ohne dass die Methode selbst eine Änderung in der Isotopenzusammensetzung dieser Elemente verursacht. jenen bioverfügbaren Teil von S, Sr und Pb beprobt, die auch von den Pflanzen aufgenommen wird (bioverfügbar Fraktion). Die Isotopenzusammensetzung dieser Elemente in der über die DGT bestimmten Fraktion entspricht derjenigen, die in den Pflanzen zu finden ist, die auf dem gleichen Boden gewachsen sind. die Herstellung einer direkten Verbindung eines landwirtschaftlichen Primärproduktes zu der in Böden gespeicherten chemischen Information erlaubt. Zum ersten Mal werden die bioverfügbar chemischen Isotopeninformationen direkt bestimmt. Im Rahmen dieses Projekts sollen neue DGT Schichten für S und Sr durch die Zusammenarbeit mit einem Unternehmen entwickelt werden, das seine Expertise in der Entwicklung neuer Harzmaterialien zur Verfügung stellt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden mit Gewächshaus- und Feldversuchen verglichen werden. Als Ziel dieses Ansatzes kann das ortsspezifische Isotopensignal bestimmt werden, das dazu verwendet wird, die Herkunft von Landwirtschaftlichen Produkten mit Hilfe eines spezifischen Fingerabdrucks zu bestimmen.

Die im Rahmen des ISOprint-Projekts durchgeführten analytischen Methodenentwicklungen ermöglichten die gezielte Analyse des Elementgehalts und der Isotopenzusammensetzung von Schwefel (S), Strontium (Sr) und Blei (Pb) in biologisch verfügbaren (bioverfügbaren) Fraktionen von Böden. Variationen in der Isotopenzusammensetzung dieser Elemente in bioverfügbaren Bodenfraktionen können als standortspezifischer Isotopen-Fingerabdruck (Signatur) wirken, der sich in Pflanzen widerspiegelt, die auf diesem Boden wachsen. Daher werden bioverfügbare S-, Sr- und Pb-Isotopensignaturen erfolgreich als Tracer in Studien zur Lebensmittelherkunft und -authentizität eingesetzt. Bisher wurden die bioverfügbaren Anteile von Elementen im Boden jedoch mithilfe chemischer Extraktionen bestimmt, die die Elementaufnahme durch Pflanzen nicht nachahmen und Probenmatrizen erzeugen, die die Isotopenverhältnisanalyse mittels Massenspektrometrie erschweren. Eine gezielte Probenahme mit der Diffusive Gradients in Thin Films (DGT)-Technik kann diese Probleme überwinden, da sie einen mechanistischen Ersatz für die elementare Bioverfügbarkeit bietet und eine Matrixtrennung und Analytvorkonzentration bereits während der Probenahme ermöglicht. In diesem Projekt wurden neue DGT-Techniken für die quantitative S-, Sr- und Pb- Probenahme in Böden entwickelt und vollständig validiert. Die Techniken verursachten keine signifikante Änderung der Isotopenzusammensetzung dieser Elemente, was eine genaue Bewertung der standortspezifischen bioverfügbaren Isotopeninformationen ermöglichte. Darüber hinaus wurde die DGT-Technik erfolgreich für die gleichzeitige Bestimmung von Sr- und Pb-Konzentrationen und Isotopenverhältnissen aus derselben Probe in einem einzigen Probenahmeschritt erweitert, was zuvor nicht möglich war. Die umfassende Bewertung der Isotopenzusammensetzung von bioverfügbarem S, Sr und Pb in einer Reihe von Böden demonstrierte die einzigartige Fähigkeit der entwickelten Methoden zur robusten Bodenunterscheidung je nach geografischer Lage. Gewächshaus- und Feldexperimente zeigten, dass die mittels DGT bestimmte ortsspezifische Isotopensignatur von Sr und Pb der von Pflanzen entspricht, die auf demselben Boden gewachsen sind, was die Anwendbarkeit der Methode für die Lebensmittelherkunft bestätigt. Darüber hinaus wurden mehrere projektbezogene Kooperationen im Bereich der DGT-basierten chemischen Bildgebung durchgeführt, die eine wissenschaftliche Grundlage für die Visualisierung und Quantifizierung bioverfügbarer Isotopensignaturen mit hoher räumlicher Auflösung lieferten. Die in diesem Projekt gewonnenen innovativen Methoden sind vielseitige Werkzeuge für die Umweltanalytik und Quellenverfolgung von S, Sr und Pb. Die Methoden eröffnen neue analytische Möglichkeiten für die Herkunftsbestimmung von landwirtschaftlichen Primärprodukten und können zusätzlich auf andere Disziplinen wie die Archäologie, (Lebensmittel-)Forensik, (Öko- )Geochemie und Umweltwissenschaften erweitert werden.