Förvittring, genom vilken sten blir jord, har konsekvenser för jordens klimat, hantering av metallmalm, upptäckt av föroreningar och livsmedelsproduktion. Med hjälp av en ny isotopmetod, IsoNose-projektet följde framgångsrikt kemiska grundämnens resa från sten till växter.

Att utnyttja naturresurserna på jordens yta sker i en aldrig tidigare skådad takt och omfattning. Om denna exploatering av mark, vatten, och ädla metaller ska vara hållbara, det måste bli mer effektivt. Att uppnå detta vilar på bättre förståelse av de transformativa biogeokemiska processerna som är involverade när kemiska element färdas från sten till jord, till växter, genom grundvattnet, i flodvatten och i malmfyndigheter.

Det EU-finansierade IsoNose-projektet inrättades för att använda de senaste tekniska framstegen, speciellt inom området masspektrometri, att utforska bildandet av dessa naturresurser och på så sätt öppna fältet för bättre praxis. Projektet gav ytterligare ljus, inte bara om hur jordens yta överför lösta kemiska grundämnen utan också om hur metaller ändrar sitt isotopfingeravtryck, eftersom de tas upp av organismer.

Mätning av isotoper med masspektrometri

Sten omvandlas till jord, (förvittring), när vatten rinner genom bergsprickor och de efterföljande kemiska reaktionerna omvandlar primära mineraler till sekundära mineraler, med organiskt kol som ackumuleras nära jordens yta och ett jordlager kvar under. Denna process utspelar sig vanligtvis över tusentals år

Stenupplösning resulterar i vart och ett av de kemiska grundämnena som hade fångats, som magnesium, järn eller zink (med metalliska exempel) för att följa olika vägar. Vissa reser in i de nybildade jordarna, andra konsumeras av växter, med några upplösta i floder. För att lära dig mer om sammansättningen och omvandlingen av metalliska element specifikt, IsoNose-teamet samlade värdrock, väderbiten jord och sediment, samt vattenprover, för labbanalys.

Analysen berodde på att mäta isotoper av dessa element (deras varierande atomvikt eller massa) i proverna. Forskarna använde sig av så kallad "isotopfraktionering" - preferensen för vissa isotoper (med tyngre eller lättare atomvikter) för att flytta in i ett givet material som bildades på jordens yta genom vittring, till exempel. Detta antyder sedan de troliga orsakerna till dessa omvandlingar (som klimatförändringar).

Teamet vägde först proverna för att bestämma hur mycket av varje element de innehöll, med en process som kallas kromatografi som sedan används för att separera elementen från varandra. En masspektrometer användes sedan för att mäta isotoperna genom att injicera de joniserade isotoppartiklarna i ett rör med ett elektriskt fält, skilja de lättare isotoperna från de tyngre, ger varje prov ett isotopförhållandevärde.

Som projektkoordinator professor Friedhelm von Blanckenburg, utarbetar, "Att kombinera denna befintliga metod av 'multikollektorinduktivt kopplad masspektrometri' med en teknik som kallas femtosekundlaserablation visade sig vara extremt kraftfull. Kombinationen mätte mycket exakt och samtidigt små förskjutningar i den relativa mängden metalliska elementisotoper och kemiska mängder på fasta ämnen. med en upplösning på några tusendels millimeter."

Mot förbättrad praxis och utökad räckvidd

Ur ett miljöperspektiv, IsoNoses forskning kan användas för att förklara hur jordens yta har reglerat klimat och växthusgaser, över miljoner år. Teknikerna kan också användas för att identifiera källor till miljöföroreningar, samt att fastställa effektiviteten av saneringsinsatser.

Att mäta metalliska isotoper ökar också förståelsen för hur dessa grundämnen kom till i berget från början, ger gruvindustrin insikter för mer hållbar utvinning. Som professor von Blanckenburg uttrycker det, "Vi har tillhandahållit en vetenskaplig ram, med empirisk data, för ett bättre utnyttjande av jordens ytresurser på ett sätt som inte kommer att försämra användningen av framtida generationer."

Ett annat troligt område för framtida forskning är att överföra dessa tekniker till markhanteringsmetoder, för livsmedelsproduktion som mer effektivt kan möta behoven hos en global befolkning, nu långt över sju miljarder människor och snabbt växande. Att mäta metalliska isotoper kan hjälpa till att exakt spåra vägarna för mineralnäringsämnen från jord till växter och på så sätt leda till mer riktade gödningsmedel, samt etablering av biomarkörer för sjukdomar.

Avslutande, Professor von Blanckenburg säger, "Våra forskare kommer att använda IsoNose som en plattform för att leda detta framväxande område till nya områden, inklusive geovetenskap, miljökriminalteknik, biomedicinska vetenskaper och prospektering av mineraltillgångar."