Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse

Die Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalyse bestimmt mit einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer die stabilen 13C/12C bzw. 15N/14N-Verhältnisse und setzt sie ins Verhältnis zu den entsprechenden Isotopenverhältnissen von Standardmaterialen, dargestellt als δ13C bzw. δ15N-Werte.

Die Untersuchungen sind für alle Materialien möglich, die eines oder beide dieser Elemente enthalten. Haupteinsatzgebiet an der CEZA ist die Ernährungsrekonstruktion von Mensch und Tier, wofür zumeist aus Knochen oder Dentin extrahiertes Kollagen untersucht wird. Kohlenstoffisotopenanalysen sind außerdem am Apatit, der anorganischen Komponente von Knochen und Zähnen, durchführbar.

Anwendung

Ernährungsrekonstruktion

Die Bestimmung der δ¹³C bzw. δ¹⁵N-Werte in Kollagen dient der Erschließung der Nahrungszusammensetzung von Mensch und Tier. Darauf aufbauend lassen sich Fragen hinsichtlich der Differenzierung von Bestattungsgemeinschaften im Zugang zu Nahrungsmitteln in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und sozialem Status oder Veränderungen von Ernährungsgewohnheiten im Laufe der Zeit untersuchen. Serielle Analysen von Zahndentin und die Untersuchung der Veränderungen der Isotopenverhältnisse in Knochenkollagen oder Fingernägeln von Kleinkindern unterschiedlichen Lebensalters können über die Dauer des Stillens mit Muttermilch informieren. Die Untersuchung von Tierknochen gibt Nahrungsnetze zu erkennen und informiert über Haltungs- und Fütterungsstrategien von Haustieren. Daraus sind langfristige landschaftsgeschichtliche Veränderungen, wie z. B. Entwaldung, erkennbar. Die Analyse von Kulturpflanzenresten, insbesondere verkohlter Getreidekörner, zeugt vom Einsatz tierischer Exkremente zur Düngung als zentraler Aspekt der Landwirtschaftsgeschichte.

Andere Anwendungen

Jenseits des Einsatzes in der Archäometrie bieten stabile Isotopenanalysen von Kohlenstoff und Stickstoff zahlreiche Anwendungsgebiete in der Biologie, der Bodenkunde, Forensik und Lebensmittelanalytik.

Grundlagen

Ernährungsrekonstruktion

Stabile Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenverhältnisse im organischen Anteil von Knochen und Dentin (Kollagen) zeugen von der Art der zu Lebzeiten konsumierten Eiweiße (Proteine). Da Kollagen selbst ein Eiweiß ist, geht der darin gebundene Kohlenstoff überwiegend auf den Kohlenstoff aus dem Nahrungseiweiß zurück. Stickstoff ist ausschließlich in Eiweißen enthalten und kann deshalb nicht aus Fetten oder Kohlenhydraten verstoffwechselt werden.

Delta¹³C-Werte sind auch für den Kohlenstoff des strukturellen Karbonats im anorganischen Anteil von Knochen und Zähnen (Hydroxylapatit) bestimmbar. Sie spiegeln einen Querschnitt des Kohlenstoffs aus allen Makronährstoffen, also Fetten, Kohlenhydraten und Eiweißen wider. Analysetechnisch bedingt wird gemeinsam mit dem δ¹³C-Wert auch ein δ¹⁸O-Wert ermittelt.

Grund für die Veränderungen der Stickstoff- und Kohlenstoff-Isotopenanteile ist die Fraktionierung der stabilen Isotope bei biochemischen Reaktionen, wie der Photosynthese, der Verstoffwechslung der Nahrung und der Proteinbiosynthese.

Die δ¹³C-Werte zeigen vor allem den Anteil von C₃– und C₄-Pflanzen an der durchschnittlichen Ernährung an. Zu den Pflanzen mit C₃-Fotosynthesezyklus gehören die meisten Wild- und Kulturpflanzen Mitteleuropas, während Hirse, Mais und Zuckerrohr die bedeutendsten C₄-Nahrungspflanzen sind. Auch der Verzehr von Seefisch spiegelt sich in erhöhten δ¹³C-Werten wider. Wuchsstandorte unter Waldbedeckung oder im Offenland bzw. Unterschiede in der Wasserverfügbarkeit führen zu kleineren Differenzen innerhalb des Wertespektrums von C₃-Pflanzen.

Die δ¹⁵N-Werte verändern sich in erster Linie entlang von Nahrungsketten. Sie steigen von den Pflanzen über Pflanzenfresser bis hin zu Fleischfressern an und reflektieren damit den Anteil tierischer Proteine an der durchschnittlichen Ernährung. Durch die längeren Nahrungsketten im Meer werden hier besonders hohe δ¹⁵N-Werte erreicht, sodass sich auch der Verzehr von Seefisch in den Stickstoff-Isotopenverhältnissen des Knochenkollagens widerspiegelt. Weiterhin kann die Düngung von Anbauflächen mit tierischen Exkrementen zu erhöhten δ¹⁵N-Werten bereits in den Nahrungspflanzen führen. Dies erlaubt aufschlussreiche Erkenntnisse zu Bewirtschaftungsstrategien.

Andere Anwendungen

Auch für andere Anwendungen stabiler Stickstoff- und Kohlenstoff-Isotopenanalysen spielt die Isotopenfraktionierung eine zentrale Rolle. Je nach Material und Fragestellung unterscheiden sich die methodischen Grundlagen zur Unterscheidung von Ausgangs- oder Zielmaterialien anhand der Isotopenzusammensetzung.

Grenzen

Ernährungsrekonstruktion

Die Bestimmung von δ¹³C und δ¹⁵N-Werten ist ein routiniertes Analyseverfahren mit hoher Genauigkeit und Präzision. Beide an Kollagen bestimmte Isotopenverhältnisse bzw. die Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse des strukturellen Karbonats spiegeln einen Mittelwert der über Jahre hinweg konsumierten Lebensmittel wider. Einzelne Mahlzeiten oder kurzfristige Änderungen oder Engpässe in der Nahrungsversorgung sind anhand der Daten nicht erkennbar.

Grundsätzlich variiert die Isotopenzusammensetzung der Nahrungsmittel abhängig von den naturräumlichen Bedingungen und vom Klima und unterliegt anthropogenen Einflüssen und Bodenverbesserungsmaßnahmen, wie z.B. der Mistdüngung. Die Auswirkungen dieser Rahmenbedingungen sind über Vergleichsanalysen an Pflanzenresten oder Tierknochen ein gutes Stück weit nachvollziehbar, führen mitunter aber zu Mehrdeutigkeiten bezüglich der Dateninterpretation.

Grundsätzlich lassen sich über leichte stabile Isotopenanalysen eher grundlegende Trends der internen Differenzierung von Bestattungsgemeinschaften oder langfristige Veränderungen der Ernährung im Laufe der Zeit erschließen, als Aussagen über den Verzehr bestimmter Nahrungsmittel durch bestimmte Personen treffen.

Probenbeschaffenheit

Für die eigentliche Bestimmung von C- und N-Isotopenverhältnissen genügen meist wenige Mikro- bzw. Milligramm des Probenmaterials. Zuvor sind jedoch oft Extraktions- bzw. Aufreinigungsprozesse nötig, die das eigentliche Analysematerial aus einer größeren Probe isolieren. Wir empfehlen die Einreichung folgender Probenarten und -mengen:

Ernährungsrekonstruktion

Knochenproben für Kollagenextraktion

• Bevorzugtes Probenmaterial für die Ernährungsrekonstruktion mittels C- und N-Isotopenanalysen an Knochenkollagen sind Rippen. Sie werden zeitlebens umgebaut und reflektieren einen Querschnitt der Ernährung der letzten Lebensjahre. Sollten keine Rippen vorhanden sein, sind die Analysen auch an anderen Knochen möglich. Bestimmte Fragestellungen erfordern mitunter auch eine gezielte Auswahl anderer oder auch mehrer Skelettelemente pro Individuum. Die Proben sollten individualisiert und nach Skelettelement bestimmt sein.
• Optimale Probenmenge: ca. 5 cm langes Knochenfragment

Zahnproben für Kollagenextraktion

• C- und N-Isotopenanalysen sind auch an Kollagen aus Zahn-Dentin durchführbar. Hier kann entweder eine Probe vorzugsweise aus der Wurzel untersucht oder das gesamte Dentin seriell beprobt werden. Die Präparation von Teilproben ermöglicht es, Veränderungen der Nahrungszusammensetzung während der Ausbildung des Zahnes nachzuvollziehen.
• Für C- und N-Isotopenanalysen an Dentin sollte der gesamte Zahn eingereicht und das Vorgehen zur Beprobung abgesprochen werden.

Vergleichsproben

• Um Aussagen über die Nahrungszusammensetzung des Menschen zu treffen, bedarf es der Analyse von Vergleichsproben. Ideal sind hier Knochen von Tieren mit unterschiedlicher Nahrungsgrundlage (Pflanzenfresser, Allesfresser, Fleischfresser, Haustiere, Wildtiere) aus demselben zeitlichen und räumlichen Kontext.
• Optimale Probenmenge: ca. 5 cm lange, nach Tierart und Skelettelement bestimmte Knochen
• Für zeitliche und räumliche Kontexte Ackerbau-betreibender Gemeinschaften bietet die Beprobung pflanzlicher Makroreste (insbesondere verkohlter Getreidekörner) aussagekräftige Daten zur Charakterisierung der menschlichen Nahrungsgrundlage. Verkohlte Pflanzenreste können auch für sich selbst aussagekräftige Informationen bezüglich der Anbaustandorte und -strategien bieten.
• Optimale Probenmenge: 5 verkohlte Körner derselben Getreideart aus demselben Kontext bilden gemeinsam eine Probe

Knochen- und Zahnproben für δ¹³C-Bestimmungen an Apatit

• Für Kohlenstoff-Isotopenanalysen an Apatit genügen wenige Milligramm Probenmaterial. Im Interesse der Handhabung und Möglichkeit der Aufreinigung ist für Knochen ein Stück von mindestens ca. 1 cm Kantenlänge empfehlenswert.
• Für Untersuchungen an Zahnschmelz sollte der gesamte, nach seiner Position im Kiefer bestimmte Zahn eingereicht werden. Serielle Beprobungen (Gewinnung von mehreren, in horizontalen Streifen über die Zahnkrone angeordneten Streifen) sind möglich.
• Für die Bearbeitung bereits entnommener Proben bitten wir um Rücksprache.

Andere Anwendungen

• Für andere Arten von Proben bitten wir um Rücksprache.