Biologischer Schadstoffabbau führt zu einer Verschiebung der Isotopensignatur

Das Vorkommen von schweren Isotopen in einem Molekül (z. B. 13C in einem Schadstoff) hat zur Folge, dass sich dessen Zusammenhalt minimal erhöht. Dadurch wird die enzymatische Spaltung der Moleküle mit schweren Isotopen etwas erschwert und sie reichern sich beim Abbau im verbleibenden Schadstoff an. Der prozentuale Anteil von 13C im Schadstoff kann z. B. von 1.09% auf 1.10% anwachsen, ausgedrückt in δ‰-Werten steigt er von -19.3‰ auf -10.2‰. Je nach Enzymsystem ist diese sog. Isotopenfraktionierung mehr oder weniger stark. Jedes Enzym, das einen Schadstoff spalten kann, führt zu einem spezifischen, konstanten Anreicherungsfaktor (ε), der unabhängig von der Temperatur und den Wachstumsbedingungen der Mikroorganismen ist.

Vor allem der sterische Ort des schweren Isotops innerhalb eines Moleküls disponiert die enzymatische Spaltung. Nur wenn das Isotop an der reaktiven Stelle des vom Enzym angegriffenen Moleküls liegt, kann eine signifikante Isotopenfraktionierung stattfinden. Die Wahrscheinlichkeit, dass beispielsweise ein 13C-Atom die reaktive Stelle in einem Schadstoff besetzt, verringert sich mit der Zahl aller C-Atome im Molekül. Je kleiner das abzubauende Schadstoffmolekül ist, desto größer ist der Fraktionierungseffekt. Für große Moleküle (>12 C-Atome) liegt die biologische Isotopenfraktionierung deshalb in der Regel unter der Nachweisgrenze.

Bei der Synthese einer Substanz (z. B. eines Schadstoffs) ist der Einbau von schweren Isotopen in die Moleküle abhängig von bestimmten kinetischen Bedingungen. Dies kann zu einer marginalen, noch messbaren Verschiebung des prozentualen Isotopenanteils in dieser Substanz führen. Unterschiedliche, z. B. geographisch oder technisch bedingte Synthesebedingungen erzeugen deshalb verschiedene Isotopensignaturen derselben Substanz. Auf dieser Basis können in einer Altlast unterschiedliche Kontaminationsherde ermittelt werden.

Ebenso können physikalische Prozesse wie Verdunstung (z. B. bei deuteriertem Wasser) oder Desorption Veränderungen im Isotopengehalt der beteiligten Substanzmengen bewirken.