Vor Isotope 1-Einführung und Überblick - e

Christiane Werner Agrar‐Ökosystemforschung
WS 2013/14
Einführung und Überblick
Stabile Isotope
global
continental
community
individuum
organs
organelles
adapted from Osmond and Chow 1988, . Funct. Plant Biol., 15, 1‐9; continental scale from Bowen 2010, Annu. Rev. Earth Planet. Sci, 38, 161‐87
Stable Isotope
• Isotope sind verschiedene Atomarten (Nuklide) des gleichen Elements, die die
gleiche Anzahl an Protonen aber unterschiedliche Anzahl an Neutronen und damit
unterschiedliche Kernmassen besitzen
Stabile Isotope
•Stabile (nicht radioaktive) Isotope sind mit einer geringen Abundanz überall in der
Umwelt vorhanden
Element
Hydrogen
Carbon
Nitrogen
Isotope
1
H
D
12
98.90
1.10
14
N
N
99.630
0.370
O
O
18
O
99.759
0.037
0.204
C
13
C
15
16
Oxygen
Average
Abundance
99.985
0.015
17
Stabile Isotope
Notation
Isotopenverhältnisse werden als absolute Verhältnisse der Isotope
angegeben (Isotope ratio). Zum Beispiel für Kohlenstoff:
Delta Notation
Delta Notation
Da es sich um sehr kleine Mengen handelt, wird immer das Verhältnis
zwischen leichtem und schweren Isotop (R = 13C/12C), relative zu einen
internationalen Standard gemessen
= [ R sample – R standard]
R standard
die Werte werden im allgemeinen als ‰ (Promille; per mil) angegeben
Standards für stabile Isotope
der internationalen Atomenergiebehörde (IAEA, Wien)
1
H
δD
Standard Mean
Ocean Water
δ13C
Pee Dee Belemnite
1,0076
6
C
12,011
7
N
δ15N
Atmospheric N214N
O
δ18O
Standard Mean
Ocean Water
14,007
8
15,999
Fraktionierung
Fraktionierungsfaktoren, 
•Moleküle mit schweren Isotopen diffundieren langsamer, sind
reaktionsträger und haben stärkere Bindungen die schwerer gebrochen
werden
•Der Fraktionierungsfaktor ist definiert als das Verhältnis der
Isotopenverhältnisse zweier chemischer Komponenten A und B
Fraktionierung
• Equilibriums Fraktionieruung
Chemical
equilibrium
- Kinetische Fraktionierung
Concentration
gradient
+
+
+
+
- - -+ - + + - - +- - +
+
-+
+ +
+
+ ++
+
-
- - - - -- - +
- -+
- - + - + - + - - + -+
++
- +
+ + - -+ - +
- +- + + + ++ ++ - + + -
+ = schwere Isotope
- = leichte Isotope
Fraktionierungsprozesse. Beispiel Wasserkreislauf
Niederschlag
Evaporation
leichte Isotope
schwere Isotope
Fraktionierungsprozesse: Beispiel Wasserkreislauf
Oxygen
Soil Water -1.5 ‰
Ground Water – 5 ‰
Geografische Verteilung des 18O des Niederschlags
– Abhängig von:
– Klima (Temperatur); Geographie (Höhe); Entfernung zum Ozean
δ18O in source water ‐ global distribution Strong effect of source water
 No known fractionation during water uptake by roots
More negative
δ18O in high
altitudes
More negative
δ18O at high
latitudes
Less negative
δ18O in areas
with high
evaporation
Bowen and Wilkinson (2002) Geology 30: 315-318
Herkuftsnachweis
Ehleringer et al. Nature 2000
17
Point of origin and forensic applications
 δ18O of water carries geographic information
 Orange juice
Freshly squeezed or reconstituted from concentrates?
Analyses of δ18O of sugars, citric acid and water
(Houerou et al. 1999 RCMS)
 Illegal drugs, Anthrax attacks in USA
δ18O of microbial spores linearly related to δ18O of culture water
(Kreuzer-Martin et al. 2003 PNAS)
Beispiel: Paleoklima (Eiskernbohrungen: Vostok)
aus Ehleringer & Curling 2002
Klimaaufzeichnung mit stabilen Isotopen
•
Analyse der Isotopenverhältnisse 13C/12C, 18O/16O, D/H in...
–
Jahresringen
Abb. 1
–
Eisbohrkernen (und deren Inklusionen)
–
Sedimenten
–
Fossilien (Zähne, Pollen...)
–
Tropfsteinen
–
Torfmooren
–
Korallen
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
 Hochauflösende Klimarekonstruktionen
durch Systeme, die zeitliche Schichtungen
aufweisen
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Migrationsrouten
• Wichtig: Analyse kontinuierlich wachsende Gewebe
Beispiel, Wanderung der Wale:
•Isotopensignal aus dem Horn der
Barten (Wachstum zwischen 70
(Jährlinge) und 30 cm/a (Adulte))
Isotopensignal des Gehäuses der epizoischen
Seepocke Cryptolepas Rhachianecti
Wachstum: 0,12mm/d
Migrationsrouten
Isotopenverhältnis des
Wassers ändert sich mit
der Temperatur und der
Salinität
Der Grauwal
unternimmt die
längste Wanderung
aller Säugetiere!
16.000-22.000 km/a
Nutzung verschiedener Wasserquellen
Nachweis durch die
unterschiedliche Signatur
von Regen und
Grundwasser durch
stabile Isotopenanalyse
Hydraulischer Lift
Neuverteilung des
Bodenwassers durch die
Wurzeln
aus Schulze et al. 2002
Water uptake by plants
(Ehleringer and Dawson 1991)
Fraktionierungsprozesse in Stoffwechselwegen
• Verschiedene Enzyme diskriminieren unterschiedlich stark gegen
schwere Isotope
• Je mehr Stoffwechselwege durchlaufen werden (Nahrungskette)
desto stärker die Anreicherung
In Pflanzen sind 2 Hauptprozesse für die Diskriminierung verantwortlich:
a) Fraktionierung während der Diffusion von CO2 in Luft (+4.4 ‰)
b) Fraktionierung während der Erstfixierung von CO2:
Rubisco (Ribulosebisphosphat-Carboxylase/Oxygenase: C3) +30 ‰
PEPC (PEP-Carboxylase: C4)
+2 ‰
RubisCO
 Häufigste Protein der Welt
 Diskriminierung gegen 13CO2
Weniger 13C wird in Kohlenhydrate eingebaut
Substrat

13C-Diskriminierung
Struktur RubisCO
Produkt
(13C) ist variabel
13C bei C3-Pflanzen typischerweise zwischen ca. 15-25 ‰
Abhängig von CO2-Konzentration im Blatt (Ci)
Simplified model for C3 plants (Farquhar et al. 1982)
Diskrimination (
Graham
Farquhar
Discrimination () against 13C is driven by stomata &
leaf nitrogen (RUBISCO)
ci
  a  (b  a )
ca
Organic
matter
depleted in
13C
Cc
a - discrimination during diffusion
gi
Cc
b - discrimination during carboxylations,
i.e. Rubisco
Ci
ci/ca - ratio of internal to external CO2
partial pressure
gs
3 CO2
2 CO2
Enriched in 13C
-6‰
Ca
Source CO2
-8‰
•  der Blatttrockenmasse gibt eine Langzeitintegration der ci/ca, und
somit der Wassernutzungseffizienz (WUE = NP/TR)
• Genetisches Screening für Genotypen mit besonders hoher
Wassernutzungseffizienz, Anpassung and Trockenstress
Retro-diffused CO2/H2O/leaf water
Carbohydrates
Online, instantaneous 
C
H2O CH
C
C CH2OH
O
Bulk organic material / cellulose
C
hours/
days
months/years
TIME
Stable Isotopes and Plants
„Classical use“
C4 plants
Absolute frequencies
n = 1000
80
C3 plants
60
40
20
0
CO2
-35
-30
-25
-20
-15
13Cleaf [‰]
-10
-5
C3
C4
13C-Verhältnisse von C3/C4-Pflanzen
Cerling et al. 1998
13C-Verhältnisse von C3/C4-Pflanzen
You are what you eat …..
….plus a few ‰!!
Cerling et al. 1998
You are what you eat!
δ15N (‰) of hair
Ernährungsgewohnheiten der Bevölkerung von Oxford, UK
Macho et al. (1999)
14N
„Less classical use“
Nahrungsaufnahme/Verhalten
Animal behavioral ecology: Foraging strategies of sea lions
•Food sources
•Trophic level
•population
Galapagos project (Jana Jeglinski, Prof. Trillmich, Bielefeld)
Galapagos project Albino in der Seelöwenpopulation
Photo Jeglinski,
Galapagos Projekt
Der Albino zeigt deutlich andere
Isotopenwerte im Vergleich der
Population:
- andere Nahrungsaufnahme
(nachts, in künstennahen
Gewässern)
Jeglinski et al., submitted
13C verschiedener Ökosystemkomponenten
Atmosphärenchemie und globale Klimaveränderung
CO2‐Flüsse zwischen Ökosystem und Atmosphäre
Korkeichenstand, Portugal
Werner et al. 2006, Unger et al 2010
Ökosystem Kohlenstoffkreislauf
NEE
Net ecosystem
exchange (NEE)
Trees
Herb-shrub layer
Roots
Soil
Isotopenanalysen ermöglichen:
•Auftrennung der Netto-CO2-Flüsse in photosynthetische und respiratorischen Komponenten
•Besseres Verständnis der Auswirkungen globaler Klimaveränderungen (z.B.
Temperatur- vs. CO2-Erhöhung) auf die CO2-Fixierung der Ökosysteme
(Senkenstärke) (Unger et al. 2010)
Photosynthetic discrimination
stomata closed
open
370 ppm
-8‰
Drought
Discrimination depends on
assimilation and stomatal conductance
100
300ppm
ppm
--26‰
‰
+
-+
Respired CO2 carries the signature of
photosynthetic discrimination
- 19
25 ‰
Substrate for autotrophic and
heterotrophic respiration
Respired CO2
isoFACE: 13CO2/12CO2‐Exposure System
• Kranzberger Forst
1 mm
Grams et al. (2011) Trees – Structure and Function
Analyse der Fraktionierung in der Atmung
Neue Erkentnisse zeigen:
•Hohe temporäre Dynamik in der Ökosystematmung (Werner et al. 2006)
• Isotopenfraktionierung in der Dunkelatmung (Ghashghaie et al. 2003)
Neue Methoden: In-tube Incubation method (Werner et al. 2007):
Tunable Laser Diode: neue optische Methode zur Bestimmung der
Isotopenverhältnisse (z.B. Bowling et al. 2003)
Zeitlich hochauflösende Messungen werden das Verständnis
der Dynamik z.B. der Ökosystemrespiration verbessern
Wichtiger Beitrag zum Verständnis der Auswirkungen
globaler Klimaänderungen auf die CO2-Fixierung in
Ökosystemen
Messung der Atmung: in‐tube incubation method
Zeitlich hochauflösende Messungen
werden das Verständnis der Dynamik
z.B. der Ökosystemrespiration
verbessern
In-tube und Lasertechnologie
soils
roots
foliage
Materials are placed
in an exetainer
within 2 min after
collection and flushed
with CO2-free air
Needle connected to the
IRMS
Dark incubation (3
min)
µGas
Autosampler
Werner et al. 2007 Rapid Commun. Mass Spectrom., 21:1352-1360
Fraktionierung in der Respiration
Starch
(TCHERKEZ ET AL., 2003)
Glucose
C‐C‐C‐C-C‐C
13C  –25 ‰
Sucrose
Glycolysis
Pyruvate
C-C-C
13C‐enriched
PDH
CO2 (–21 ‰)
Fatty acids 13C  –33 ‰) II° metabolites
2
Acetyl‐CoA
Overall respired
-21 ‰
CO2 ≈ -25
C-C
1
Krebs
Cycle
CO2
CO2
Priault et al. 2009, Werner & Gessler 2011 Übersichtsartikel
(–26 ‰)
13C‐depleted
(–28.4 ‰)
PTR-MS: volatile organic compounds (VOC)
CRDS: δ13CO2, CO2 and H20
C1-labelled pyruvate
C-C-C
C2-(3)-labelled Pyruvate
C-C-C
Isotope als Marker: z.B. 15N (99%)
Markierungsexperimente erlauben die Analyse der Konkurrenz um
Ressourcen (e.g. Stickstoff, Wasser) in natürlichen Systemen
Beispiel: Markierungsexperiment (Labelling) mit
angereichertem Stickstoffdünger (15NH4; 15NO3,
Glycin) in einem Stickstofflimitiertem Systemen
(Tundra McKane et al. 2002, Sandmagerrasen V.
Stahl et al. 2011):
Nachweis von Nischendifferenzierung durch
unterschiedliche Ressourcennutzung (Zeitpunkt,
Bodentiefe, N-Form)
Bedeutung des anthropogenen Stickstoffeintrags
Nachweis des Stickstoffeintrags durch N2Fixierung
Beispiel: Veränderung der Ökosysteme durch
Neophyten
•Akazien fixieren durch Symbiose mit
Köllchenbakterien Luftstickstoff fixieren
• Der Stickstoffeintrag durch N-fixierer ist über die
Isotpensignatur nachweisbar
•Der Zusätzliche Stickstoffeintrag durch invasive
Arten in limitierten Systemen gefährdet die
natürliche Artenvielfalt
Acacia longifolia
Acacia longifolia
Nachweis des Stickstoffeintrags durch N2-Fixierung
eines Neophyten (ISOSCAPES)
Acacia stand
15N= 0.64‰
20m
Hellmann et al 2011
Anwendungsbeispiel: Überführung von Dopingsündern
Floyd Landis - Radfahrer
Justin Gatlin - Sprinter
Forensik
Überblick
Ehleringer & Curling 2002
Literatur
Bowling DR, Sargent SD, Tanner BD, Ehleringer JR. 2003. Tunable diode laser absorption spectroscopy for stable isotope studies of
ecosystem-atmosphere CO2 exchange. Agricultural and Forest Meteorology 118: 1-19.
Ehleringer JR, Casale JF, Lott MJ, Ford VL. 2000. Tracing the geographical origin of cocain. Nature 408: 311-312.
Ehleringer JR, Cerling TE. 2002. Stable Isotopes. In: Mooney HA, Canadell J, eds. Encyclopedia of Global Environmental Change. London:
John Wiley and Sons, 544-550.
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Ghashghaie J, Badeck F, Lanigan G, Nogúes, S., Tcherkez G, Deléens E, Cornic G, Griffiths H. 2003. Carbon isotope fractionation
during dark respiration and photorespiration in C3 plants. Phytochemistry Reviews 2: 145-161.
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composition and N status of native Mediterranean species. Acta Oecologia 37: 43-50. (doi:10.1016/j.actao.2010.11.005)
McKane RB, Johnson LC, Shaver GR, Nadelhoffer KJ, Rastetter EB, Kwiatkowski BL, Laundre JA, Murray G. 2002. Resource-based
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Physiology 30: 1499-1514. doi:10.1093/treephys/tpq092
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Wegener F., Beyschlag W. & Werner C. (2010) The magnitude of diurnal variation in carbon isotopic composition of leaf dark respired CO2
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