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Isotopenlabor

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Schematische Darstellung der Isotopenverteilung in einem Baum.
Abb.1: Isotope erlauben es, physische, chemische und biologische Prozesse in Organismen und Ökosystemen zu verfolgen.

Stabile Isotope kommen natürlicherweise in der Umwelt vor. Kohlenstoff zum Beispiel besteht nicht nur aus dem «normalen» 12C (d.h. Atomgewicht=12), sondern es gibt auch einen geringen Anteil von dem schwereren 13C. Beide Isotope werden von den Pflanzen bei der Fotosynthese aufgenommen, jedoch verändert sich dabei das Isotopenverhältnis. Je nach Klima und weiteren Umweltbedingungen findet man darum im Pflanzenmaterial ein anderes Isotopenverhältnis 13C/12C. Misst man dieses Verhältnis im Holz von Bäumen, so kann man etwa den Einfluss von Trockenheit rekonstruieren.

An der WSL betreiben wir mehrere Massenspektrometer zur Bestimmung der Isotopenverhältnisse, wobei nicht nur Isotope von Kohlenstoff, sondern auch von Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff analysiert werden. Mit diesem Instrumentarium können wir eine ganze Palette von wichtigen Fragen zum Nährstoff- und Wasserhaushalt in Wäldern beantworten. Insbesondere nützlich dabei ist die sogenannte komponenten-spezifische Isotopenanalyse, wobei einzelne Blattbestandteile, wie z.B. Zucker, untersucht werden.

Diese Analysen machen wir einerseits für WSL-interne Projekte, wird sind aber im Rahmen von Forschungsprojekten auch interessiert an der Zusammenarbeit mit anderen Institutionen.

 
Blick in unser Isotopenlabor: Rechts ist das Massenspektrometer zu sehen, links das Gerät zur Auftrennung der Komponenten.
Abb. 2: Blick in unser Isotopenlabor: Rechts ist das Massenspektrometer zu sehen, links das Gerät zur Auftrennung der Komponenten.
 

Neues Instrument: Laser-Ablation Massenspektrometer

Abb. 3: Laser-Ablation Massenspektrometer (LA-IRMS)

Dieses Instrument ermöglicht eine hochauflösende Isotopenanalyse organischer Materie, wie z.B. Baumringe, und kann die notwendigen zeitlichen Informationen für ein besseres Verständnis des Zusammenhangs zwischen klimatischen Faktoren, pflanzeninternen Prozessen und Baumwachstum liefern.

Der LA-IRMS-Aufbau besteht aus einem UV-Laser zur Ablation kleiner Holzproben, einem Cryoflex zur Sammlung des entstehenden CO2 mit Flüssigstickstoff-Fallen und einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer zur Messung des stabilen Kohlenstoffisotopenverhältnisses d13C. Der Laser schießt auf eine Probe, die sich in einer versiegelten Kammer befindet. Die Kammer ist zur präzisen Positionierung auf einem 3D-beweglichen Tisch montiert. Der bei der Laserablation entstehende organische Staub wird mit Helium durch einen Ofen transportiert, wo er zu CO2 verbrannt wird. Um genügend Material zu erhalten, ist eine Punktgröße von 100µm (0,1 mm) optimal. Der Laserabtrag dieser Materialmenge ist ausreichend für eine zuverlässige Analyse. Eine höhere räumliche Auflösung bis zu 30µm ist jedoch möglich, wenn Material aus mehreren Schüssen kombiniert wird.

 

XiBox – Experimentelle Anlage für zukünftige Waldforschung

Um Reaktionen und Anpassung von Bäumen auf das zukünftige Klima zu erforschen, haben wir eine neue experimentelle Anlage aufgesetzt, die XiBox – Experimental Box for high-resolution plant gas-exchange and isotope research under extreme conditions. Die modulare aufgebaute XiBox befindet sich aktuell in einer hölzernen, schalisolierenden Box im Grossraumlabor in Birmensdorf und ist in ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung sehr wahrscheinlich einzigartig auf der Welt.

Die Box ist ausgestattet mit Elektrik, Wasser, Internet, Mess- und Kalibrationsgasen, Klimagerät und einem automatisierten Ventilschaltsystem. Innerhalb der Box befindet sich eine neue, etwa 2 Quadratmetergrosse Klimakammer, die kontrollierte Klimabedingungen bis 42°C bei stabiler Feuchte und idealen Lichtbedingungen ermöglicht. Somit lassen sich Bäume oder andere Pflanzen unter sehr kontrollierten Klimabedingungen behandeln, die zum Beispiel trockene Sommer und Hitzewellen simulieren.

Mittels modernstem Gaswechselequipment können wir pflanzenphysiologische Prozesse, wie zum Beispiel die Photosynthese und Transpiration, online und hochaufgelöst untersuchen. Gleichzeitig ermöglichen zwei Isotopenlaserspektrometer hochaufgelöste Analysen von Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffisotopenverhältnissen an H2O und CO2, die noch tiefere Einblicke in die Pflanzenfunktionen gewähren. Die Kammer ist vielfältig einsetzbar und erweitert die Infrastruktur für zukünftige Waldforschung an der WSL.

Die XiBox im Grossraumlabor an der WSL Birmensdorf.
 

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