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ISOTOPE - Wertvolle Informationsträger


Abb. 1-3: Nomenklatur eines Elements, Periodensystem der Elemente, stabile und radioaktive Isotope.

Was sind Isotope?

Isotope sind Atome eines Elementes (X) mit gleicher Protonenzahl (Z), aber unterschiedlicher Neutronenzahl (N). Die Summe der Protonen und Neutronen ist die Atommasse (A).

Die 92 Elemente unseres Periodensystems der Elemente haben über 1000 Isotope. Dabei wird zwischen stabilen Isotopen und radioaktiven Isotopen unterschieden.

 

 

 

 

 

 

Isotope als Informationsträger

Isotope sind im Allgemeinen wichtige und wertvolle Hilfsmittel zur Bestimmung

  • des Alters (Datierung)
  • der Herkunft, Genese und Entwicklung von Gestein, Wasser, Gasen und organischen Materialien bzw. Elementen und Verbindungen

Isotope in der Hydrogeologie

Isotopenmethoden sind aus der modernen Hydrogeologie nicht mehr wegzudenken und tragen dazu bei, einen möglichst detaillierten Einblick in den Wasserkreislauf zu gewinnen. Sie sind damit auch ein Werkzeug zur Optimierung der Bewirtschaftung eines Grundwasservorkommens bzw. eines Brunnens.

Messungen des Gehaltes an Umweltisotopen ermöglichen Beobachtungen von hydrologischen Systemen in großen räumlichen und zeitlichen Maßstäben. Sie gestatten insbesondere bei schwierigeren Grundwasserfließbedingungen eine Charakterisierung und Quantifizierung von beteiligten Grundwasserkomponenten und deren Inhaltsstoffe.

Angewandte Isotopensysteme in der Hydrogeologie

Medium         Isotopensystem Information
Wasser 18O/16O (δ18O) und 2H/1H (δ2H) an H2O Klimatische Bildungsbedingungen von Grundwasser (Höhenlage des Einzugsgebietes, eiszeitliche Neubildungen);
Anteile und Fließzeiten von Uferfiltrat und Niederschlagsabflüssen;
Verdunstungsprozesse;
Identifikation von Formationswässern;
Gesteins-Wasser-Interaktionen;
Wechselwirkungen mit gelösten Gasen (z.B. CO2, KWs)
  3H an H2O Mittlere Verweilzeit von jungen (< 55 a) Grundwässern;
Anteil an Jungwasserkomponenten in Grundwasser;
Bewertung der natürlichen Geschütztheit;
Identifikation von Deponiesickerwasser
Gelöste Inhaltsstoffe 34S/32S (δ34S)
an SO4, H2S und
18O/16O (δ18O) an SO4
Genese und Herkunft von gelöstem Sulfat und Schwefelwasserstoff;
Reduktions- und Oxidationsprozessen
  13C/12C (δ13C) an DIC, CO2, DOC, CH4 Bewertung des Kohlenstoffsystems,
Genese, Evolution und Interaktion anorganischer und organischer Kohlenstoffkomponenten
  14C an DIC, CO2, DOC, CH4 Datierung von alten Grundwässern;
Bewertung der natürlichen Geschütztheit;
Herkunft und Genese von Gasen
  15N/14N (δ15N) an NO3, NO2, NH4, N2 Evaluierung des Stickstoffsystems;
Herkunft und Abbauprozessen von gelösten Stickstoffkomponenten
  37Cl/35Cl 37Cl) an Cl- Genese und Herkunft von gelöstem Chlorid;
Entwicklung salinarer Wässer
  87Sr/86Sr Herkunft von Grundwasser;
Gesteins-Wasser-Wechselwirkungen
  223,224,226,228Ra Radiologische Bewertung;
Zuflussänderungen bei Pumpversuchen;
Gesteins-Wasser-Wirkungen
  234,235,238U Radiologische Bewertung;
Gesteins-Wasser-Wechselwirkungen
  134,137Cs, 90Sr, 239Pt, 131I, 129I Einfluss von möglichen anthropogenen Radionukliden (Tschernobyl, Fukushima, Kernforschungszentren, Medizin)
  85Kr mittlere Verweilzeit von jungem (< 55 a) Grundwasser;
Anteil an Jungwasserkomponenten in Grundwasser
  3He/4He, 36Ar/40Ar, 20,21,22Ne relatives Alter von Wasser;
Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen;
Herkunft und Entwicklung des Wassers
  39Ar mittlere Verweilzeit von mittelalten (mehrere Jahrhunderten) Grundwässern

Isotope und Lebensmittel

Herkunft und Authentizität unserer Lebensmittel bestimmen deren Qualität und Preis. Um die Authentizität von Lebensmitteln und Lebensmittelzusatzstoffen zu prüfen, werden Isotopenanalysen eingesetzt. Isotope stellen in vielen Fällen die einzige Methode zum Nachweis von Lebensmittelfälschungen dar. Konkret können über Isotopenmethoden folgende Informationen gewonnen werden:

  • Geographische Herkunft von Produkten
  • Nachweis illegaler bzw. nicht deklarierter Zusatzstoffe (z.B. Wasser, Zucker, Säuren) bzw. Ausgangsstoffe
  • Unterscheidung natürlicher bzw. synthetisch produzierter Produkte
  • Nachweis von biologischem oder konventionellem Anbau
Medium                           Isotopensystem     Information

Lebensmittel und
Lebensmittelinhaltsstoffe

δ13C Herkunft von Lebensmitteln;
Nachweis von illegalen Zusatzstoffen;
Authentizität von Lebensmitteln und Lebensmittelinhaltsstoffen
  δ18O, δ2H Herkunft von Lebensmitteln
  δ15N Anbauweise von Obst und Gemüse - bio oder nicht bio?
  δ34S Herkunft von Lebensmitteln
  δ 87Sr Herkunft von Lebensmitteln
  δ11B Anbauweise von Obst und Gemüse - bio oder nicht bio?
  134/137Cs, 90Sr, 239Pu, 131I Radiologische Bewertung (z.B. Einfluss von nuklearen Unfällen)

Isotope und Organische Schadstoffe

Organische Schadstoffe, wie LCKW und BTEX stellen starke Belastungen des Grundwassers dar. Oftmals ist eine Zuordnung des Schadens zu den Verursachern schwierig. Die Bestimmung von Kohlenstoffisotopenverhältnissen an den organischen Schadstoffen ermöglicht die Zuordnung des Schadens zu den Verursachern sowie qualitative und quantitative Aussagen zum biologischen Abbau (Natural Attenuation).

Medium Isotopensystem Information
Organische Schadstoffe δ13C an lHKWs, BTEX, PAKs
δ 2H, δ 37Cl an lHKWs
Verursacher des Schadens;
biologischer Abbau;
Alter des Schadens (Natural Attenuation)

Isotope und Rohstoffe

Isotope sind ein wichtiges Werkzeug um z.B. die Genese von Erdgas oder Erdöl zu evaluieren. Sie helfen zudem mit, mögliche Reservoire oberflächennah zu erkunden. Die Untersuchungen von Isotopen von Kohlenwasserstoffen geben Auskunft über die Bildungsmechanismen von z.B. Methan und die Reifegrade von höheren Kohlenwasserstoffen.

Im Zuge der Energiewende und des Klimaschutzes sollen nachwachsende Rohstoffe fossile Ausgangsstoffe ersetzen. Die Bestimmung des radioaktiven 14C gibt Auskunft, wie hoch der eingesetzte Anteil der nachwachsenden Rohstoffe in einem Produkt (z.B. Kunststoffe, biogene Schmierstoffe, Öle etc.) ist. So ist es auch möglich, die Abgase von z.B. Biomasseheizkraftwerken auf den Anteil nachwachsender Rohstoffe, die bei der Verbrennung eingesetzt werden, zu bestimmen.

Medium Isotopensystem Information
Erdgas δ13C und δ2H an CH4 und höheren Kohlenwasserstoffen Herkunft und Genese von Kohlenwasserstoffen;
Maturität von Reservoiren;
mögliche Erdgas- und Erdöllagerstätten
Erdöl δ13C und δ2H an Erdölkomponenten und einzelnen Kohleverbindungen Maturität von Erdöllagerstätten;
Bildung von Erdölreservoiren
Nachwachsene Rohstoffe δ13C, 14C an organischem Material Herkunft und Zusammensetzung von Sekundär-Brennstoffen

 

 

 

 

Akkredierung nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005

Durch die DAkkS nach DIN EN ISO 17025 akkreditiertes Prüflaboratorium
Die Akkreditierung bezieht sich auf die in der Anlage genannten Prüfverfahren

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