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Isotopenanalyse Gesicherte Herkunft durch Analyse stabiler Isotope

Autor / Redakteur: Hilmar Förstel* und Karl Gebhardt** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Da ein Wald nur langsam wächst, kann der Einsatz von ungeeignetem forstlichen Saatgut erst nach vielen Jahren erkannt werden. Eine Überprüfung des eingesetzten Materials zu einem frühen Zeitpunkt ist also wünschenswert. Lesen Sie, wie die stabile Isotopenanalyse bei dieser Kontrolle hilft.

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1 Ernte von Bucheckern mithilfe von ausgelegten Netzen in einem zugelassenen Bestand. Bild: Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt
1 Ernte von Bucheckern mithilfe von ausgelegten Netzen in einem zugelassenen Bestand. Bild: Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Forstvermehrungsgut-Gesetz FoVG schreibt vor, dass forstliches Vermehrungsgut nur aus „geprüften“ Beständen zur Aufforstung eingesetzt werden darf. Nicht nur rein wirtschaftliche, sondern auch ökologische Gesichtspunkte sprechen für den Einsatz angepasster oder einheimischer Pflanzen. Aus billigem Saatgut wachsen zwar zunächst auch neue Pflanzen, doch deren Erfolg oder Misserfolg kann man erst nach vielen Jahren erkennen. Dabei ist es dem Saatgut äußerlich nicht anzusehen, woher es stammt und ob die angegebene Herkunft richtig ist.

Die Gewinnung von Forstsaatgut ist keineswegs einfach: Für Bucheckern müssen z.B. großflächig Netze ausgelegt werden (s. Abb. 1) und auf Nadelbäumen müssen Pflücker bis in die Baumspitzen klettern. Daher liegt es nahe, Gewinne durch die Einfuhr von billig geerntetem, niedrigpreisigem Saatgut aus anderen Regionen, zu erzielen. Dieses Saatgut genügt allerdings oftmals nicht den Anforderungen.

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Bei der Analyse dieses Saatguts haben sich zwar genetische Kontrollmethoden als wichtiges Arbeitsmittel bewährt, doch sind Populationen oftmals schwer abzugrenzen und die Gene werden durch den jährlichen Pollenflug immer wieder neu verteilt. Daher ist eine Absicherung durch Referenzproben von Jahr zu Jahr erforderlich.

So wie die Genetik eine Eigenschaft ausnutzt, die dem Material von Natur aus mitgegeben wird, so nutzt die Analyse der stabil-isotopen Zusammensetzung auch eine solche unverfälschbare Eigenschaft aus. Der Unterschied zwischen beiden Methoden besteht darin, dass der genetische Fingerabdruck unabhängig vom Wachs-tumsort erhalten bleibt, während der isotope Fingerabdruck den Ort des Wachstums widerspiegelt, da die Pflanze ihre Substanz aus Elementen der unmittelbaren Umgebung aufbaut.

Die wichtigsten Elemente, die die Biomasse bilden, bestehen aus mindestens zwei stabilen Isotopen, wobei das leichtere Isotop den Hauptanteil bildet (s. Tab. 1)

So ergibt sich das markanteste geografische Muster daraus, dass 98 Prozent des freien Wassers auf der Erdoberfläche im Ozean vorliegen, aber nur ein wesentlich geringerer Anteil über die Luftmassen als Niederschlag über die Kontinente verteilt wird. Daraus resultiert derzeit ein gut bekanntes und konstantes Muster, das als Grundlage für Herkunftsanalysen mithilfe der Isotope des Wasserstoffs und Sauerstoffs dient. Für den Kohlenstoff kommen außer einem grundsätzlichen Effekt der Photosynthese in der praktischen Anwendung aber nur weniger ausgeprägte klimatische Einflüsse hinzu. Aussagekräftiger dagegen sind die Prägungen durch den Boden, auf dem der Bestand stockt, also die Quellen für den Stickstoff und für den Schwefel.

Schnelle und präzise Analytik

Um in der Praxis die Frage nach der Herkunft des Saatguts schnell und preisgünstig beantworten zu können, muss die Methode die Unterschiede in der natürlichen Variation im Material erfassen können und gut reproduzierbar sein. Dazu bietet sich die Stabilisotopen-Verhältnismessung (isotope ratio mass spectrometry IRMS) in der Open-split-Technik an, bei der die Probenaufbereitung zu einfachen Messgasen von einem Elementanalysator oder einem Pyrolyseofen übernommen wird. Die erreichte Reproduzierbarkeit reicht mit Hinblick auf die natürliche Variation im Material selbst aus.

Der einzige Nachteil dieser Kombination besteht darin, dass nur eine geringe Probenmenge im mg-Bereich eingesetzt werden kann. Daher muss das Probenmaterial hinreichend zerkleinert werden, um eine repräsentative Probe zu erhalten. Allerdings muss auch darauf hingewiesen werden, dass die Probe aus dem gesamten Erntegut eines Bestandes zu entnehmen ist, da im Material und im Bestand Streuungen beobachtet wurden.

Für Forstsaatgut kann sein Wasseranteil nicht für die Beurteilung herangezogen werden. Für trockenes Material sind die 13C/12C und 15N/14N-Verhältnisse diejenigen Messparameter, die am einfachsten zu bestimmen sind. Im Elementanalysator wird das Material zunächst bei 1000 ºC unter Zugabe von Sauerstoff verbrannt, wobei CO2 und NOx entsteht. Danach werden in einer mit Kupfer gefüllten Säule bei 600 ºC die Stickoxide zu elementarem Stickstoff reduziert. Schwefel wird in ähnlicher Weise zu Schwefeldioxid oxidiert. Organisch gebundener Sauerstoff und Wasserstoff werden pyrolytisch bei Temperaturen um 1500 °C im Helium-Trägergasstrom zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt, wobei dieser Prozess eine vollkommene Abwesenheit von Sauerstoff erfordert. Dies wird durch ein neu entwickeltes Reaktionsrohr aus einem spezifisch gesintertem Siliciumcarbid erreicht, das selbst keinen Sauerstoff enthält und auch keinen aus der Luft durchlässt.

In der Abbildung 2 wird die Grundausstattung zur Messung des 13C/12C- und 15N/14N-Verhältnisses dargestellt. Die Anordnung zur Messung des 34S/32S ist analog. Allerdings ist dabei darauf zu achten, dass keine kalten Stellen im Messsystem die Auskondensation von Wasserdampf und damit die Bildung schwefeliger Säure fördern. Das Pyrolysesystem erfordert Öfen mit hoher Temperatur und einer guten Abdichtung nach außen.

Zur Umsetzung wird das Material in kleine Kapseln aus Zinn oder Silber eingewogen und darin verschlossen. Für die Messung des 13C/12C und 15N/14N-Verhältnisses dient der an den Ausgang der GC-Trennung angeschlossene Wärmeleitfähigkeitsdetektor noch dazu, den Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff in der Probe zu bestimmen. Die hohe Reproduzierbarkeit wird dadurch erreicht, dass einmal in jeden Messlauf regelmäßig Proben bekannter Zusammensetzung eingefügt werden, das Messgas jeder Probe direkt mit einem laborinternen Gas verglichen wird und internationale Bezugswerte, die Primary Reference Materials PRM sowohl von der Internationalen Atomenergiebehörde in Wien IAEA als auch vom National Institute of Standards and Technology Gaiherburg USA NIST verteilt werden. Abweichungen von diesen Standards werden, da die Angaben auf einer Atom-%-Skala als kleine Zahlen unübersichtlich wären, als Abweichungen vom internationalen PRM in ‰ angegeben (Delta-Wert):

Der δ-Wert (Delta-Wert) in ‰ errechnet sich nach der Formel: s. Abbildung in Bildergalerie

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