Verwering, waardoor rots aarde wordt, heeft gevolgen voor het klimaat op aarde, beheer van metaalerts, detectie van vervuiling en voedselproductie. Met behulp van een nieuwe isotoopmethode, het IsoNose-project volgde met succes de reis van chemische elementen van gesteente naar planten.

Het benutten van natuurlijke hulpbronnen aan het aardoppervlak vindt plaats in een ongekend tempo en schaal. Als deze exploitatie van de bodem, water, en edele metalen moeten duurzaam zijn, het moet efficiënter worden. Dit bereiken berust op een beter begrip van de transformatieve biogeochemische processen die betrokken zijn wanneer chemische elementen van rots naar bodem reizen, in planten, door grondwater, in rivierwater en in ertsafzettingen.

Het door de EU gefinancierde IsoNose-project is opgezet om gebruik te maken van recente technologische vooruitgang, vooral op het gebied van massaspectrometrie, om de vorming van deze natuurlijke hulpbronnen te onderzoeken en zo het veld te openen voor betere praktijken. Het project wierp meer licht, niet alleen over de manier waarop het aardoppervlak opgeloste chemische elementen overdraagt, maar ook over hoe metalen hun isotoopvingerafdruk verschuiven, zoals ze worden opgenomen door organismen.

Isotopen meten met massaspectrometrie

Rots wordt omgezet in aarde, (verwering), wanneer water door rotsbreuken stroomt en de daaruit voortvloeiende chemische reacties primaire mineralen omzetten in secundaire mineralen, met organische koolstof die zich ophoopt nabij het aardoppervlak en een bodemlaag daaronder. Dit proces speelt zich doorgaans over duizenden jaren af

Rotsoplossing resulteert in elk van de chemische elementen die waren opgesloten, zoals magnesium, ijzer of zink (met metalen voorbeelden) om verschillende wegen te volgen. Sommigen reizen naar de nieuw gevormde bodems, andere worden geconsumeerd door planten, met sommige opgelost in rivieren. Om meer te weten te komen over de samenstelling en transformatie van metalen elementen in het bijzonder, het IsoNose-team verzamelde hostrock, verweerde bodem en sediment, evenals watermonsters, voor laboratoriumanalyse.

Analyse was afhankelijk van het meten van de isotopen van deze elementen (hun variërende atoomgewicht of massa) in de monsters. De onderzoekers maakten gebruik van zogenaamde 'isotopenfractionering' - de voorkeur van bepaalde isotopen (met zwaardere of lichtere atoomgewichten) om zich in een bepaald materiaal te verplaatsen dat zich door verwering aan het aardoppervlak heeft gevormd, bijvoorbeeld. Dit verwijst vervolgens naar de waarschijnlijke oorzaken van deze transformaties (zoals klimaatverandering).

Het team woog eerst de monsters om te bepalen hoeveel van elk element ze bevatten, met een proces dat chromatografie wordt genoemd en dat vervolgens wordt gebruikt om de elementen van elkaar te scheiden. Een massaspectrometer werd vervolgens gebruikt om de isotopen te meten door de geïoniseerde isotoopdeeltjes in een buis met een elektrisch veld te injecteren, het scheiden van de lichtere isotopen van de zwaardere, waarbij elk monster een isotoopverhoudingswaarde krijgt.

Als projectcoördinator prof.dr. Friedhelm von Blanckenburg, legt uit, "Het combineren van deze bestaande methode van 'multicollector inductief gekoppelde massaspectrometrie' met een techniek genaamd femtoseconde laserablatie bleek buitengewoon krachtig te zijn. De combinatie mat zeer nauwkeurig en tegelijkertijd kleine verschuivingen in de relatieve hoeveelheid isotopen van metalen elementen en chemische hoeveelheden op vaste stoffen met een resolutie van een paar duizendsten van een millimeter."

Op weg naar verbeterde praktijken en een groter bereik

Vanuit een milieuperspectief, IsoNose's onderzoek kan worden gebruikt om uit te leggen hoe het aardoppervlak klimaat en broeikasgassen heeft gereguleerd, over miljoenen jaren. De technieken kunnen ook worden ingezet om bronnen van milieuverontreinigende stoffen te identificeren, en om de effectiviteit van saneringsinspanningen te bepalen.

Het meten van metaalisotopen vergroot ook het begrip over hoe deze elementen in de eerste plaats in gesteente zijn ontstaan, de mijnbouwindustrie inzichten bieden voor een duurzamere winning. Zoals professor von Blanckenburg het stelt:"We hebben gezorgd voor een wetenschappelijk kader, met empirische gegevens, voor een beter gebruik van de hulpbronnen van het aardoppervlak op een manier die het gebruik door toekomstige generaties niet schaadt."

Een ander waarschijnlijk gebied van toekomstig onderzoek is om deze technieken over te dragen naar bodembeheerpraktijken, voor voedselproductie die beter kan voorzien in de behoeften van een wereldbevolking, nu ruim meer dan zeven miljard mensen en snel groeiend. Het meten van metallische isotopen kan helpen om de paden van minerale voedingsstoffen van bodem naar planten nauwkeurig te volgen en zo te leiden tot meer gerichte meststoffen, evenals de oprichting van biomarkers voor ziekten.

concluderend, Professor von Blanckenburg zegt:"Onze onderzoekers zullen IsoNose gebruiken als een platform om dit opkomende veld naar nieuwe gebieden te leiden, waaronder de geowetenschappen, milieu forensisch onderzoek, biomedische wetenschappen en prospectie van minerale hulpbronnen."