Neben dem im Trinkwasser enthaltenen Sauerstoff stellt auch der Sauerstoffanteil des Futters (H2OFutter
und Futter-O) einen signifikanten Input für die Körperzusammensetzung eines Landsäugetieres dar und kann somit zur Variabilität der δ18O-Werte verschiedener Körperbestandteile beitragen. Damit muss Sauerstoff, der über die Nahrung aufgenommen wird, als wichtige Variable verstanden werden (Bryant & Froelich 1995, Kohn 1996, Boner & Förstel 2004). So stammen laut Bryant & Froelich (1995) zum Beispiel ca. 20 % des Sauerstoffes im Gewebswasser aus der Oxidation organischer Materie. Der Einfluss von atmosphärischem Sauerstoff ist zwar ebenfalls groß, jedoch ist δ18O(O2) im Gegensatz zu δ18O(H O ) und δ18O(Futter-O) weitestgehend konstant (Dole et al. 1954, Kroopnick & Craig 1972,
Horibe et al. 1973). Laut dem an Nagern entwickelten Modell von Podlesak et al. (2008) setzt sich der δ18O-Wert des Körperwassers zu 56 % aus Trinkwasser, zu 30 % aus atmosphärischem Sauerstoff und zu immerhin 15 % aus dem im Futter enthaltenen Sauerstoff zusammen. Dieser zusätzliche Einfluss des Futters kann die Interpretation von δ18O-Verhältnissen in organischen Geweben erschweren (Fraser et al. 2006, O'Brien & Wooller 2007). Generell gilt zwar, dass die δ18O-Werte von Wasser und Nahrung am selben Ort parallel variieren und somit zusammenpassen sollten, jedoch spielen dabei verschiedene Anreicherungs- und Fraktionierungsfaktoren eine Rolle und außerdem müssen das Trinkwasser der Tiere und das Wasser der Futterpflanzen nicht zwangsläufig aus denselben Quellen stammen (Hobson 1999, Bowen et al. 2005, O'Brien & Wooller 2007). Letztgenanntes ist sehr wahrscheinlich auch in dieser Studie der Fall: Während es sich beim Trinkwasser um isotopisch sehr einheitliches Grundwasser handelt, erhielten die Futterpflanzen ihr Wasser aus dem lokalen Niederschlagswasser und dem Boden. Im Mittel entspricht dieses (wie oben erläutert) zwar wahrscheinlich dem Grund- bzw. Trinkwasser, jedoch kann es hier zu deutlich höheren (saisonalen) Schwankungen kommen, die sich dann auf δ18O(H2OFutter) und δ18O(Futter-O) übertragen und schließlich auch im Körpergewebe bemerkbar machen können (Biondi et al. 2013).
Eine mögliche saisonale bzw. futterwechselbedingte Variation zeigte sich auch im Gewebswasser der Testindividuen (zwischen erster und zweiter Schlachtung). Laut Boner & Förstel (2004) gibt es grundsätzlich zwei Hauptursachen für saisonale Schwankungen der δ18O-Werte im Futter, nämlich einerseits die Schwankungen im Niederschlags- und damit den Pflanzen zur Verfügung stehenden Wassers (Dansgaard 1964) und andererseits die stärkere Anreicherung an 18O aufgrund von Fraktionierungsereignissen bei der Transpiration an den Blattstomata der Futterpflanzen in der wärmeren Wachstumsphase (Dongmann et al. 1974, Förstel 1978, Burk & Stuiver 1981). Zusätzlich zu den Schwankungen von δ18O(H2Ometeor) reagiert das Blattwasser also sensibel auf klimatische Veränderungen in der Wachstumssaison, wodurch das Niederschlagswasser noch einmal fraktioniert wird (Gonfiantini et al. 1965, Dongmann et al. 1972, Zundel et al. 1978). Wie stark diese Anreicherung in den Blättern (und auch anderen Pflanzenteilen) ausfällt, ist abhängig von der jeweiligen Pflanzenphysiologie und –anatomie, der Temperatur und Luftfeuchtigkeit und weiteren Faktoren, welche die Evapotranspiration beeinflussen können (Epstein et al. 1977, Leaney et al. 1985, Sternberg 1989, Yakir 1992, Holbach et al. 1994, Leyden et al. 2006).
Pflanzen- bzw. Futterwasser ist generell gegenüber dem Umweltwasser isotopisch signifikant an 18O angereichert (Houerou et al. 1999, Schmidt et al. 2001, Thiem et al. 2004, Daux et al. 2008), wie auch in dieser Studie. Dieser Effekt ist jedoch einerseits von klimatischen und artspezifischen Faktoren abhängig und andererseits auch innerhalb ein und derselben Pflanze nicht einheitlich. Während das Wasser in Wurzeln und Stängeln isotopisch noch am ehesten dem Niederschlagswasser entspricht, steigen die δ18O-Verhältnisse in Richtung Blätter immer mehr an (Merlivat 1978, Dunbar & Wilson 1983, Sponheimer & Lee-Thorp 1999, Barbour et al. 2004, Luz et al. 2009, Cernusak et al. 2016). Das Blattwasser ist dementsprechend am stärksten angereichert, weil die Blätter den photosynthetisch und transpirativ aktivsten Bestandteil der Pflanze darstellen (Gonfiantini et al. 1965, Dongmann et al.
1974, Epstein et al. 1977, Sternberg 1989, Yakir 1992). Dasselbe gilt auch für die organischen Bestandteile der Pflanze, die dem Pflanzenwasser gegenüber wiederum abermals fraktioniert sind. So weist Blatt-Zellulose zum Beispiel höhere δ18O-Werte auf, als Wurzel-Zellulose (Epstein et al. 1977, Sternberg 1989, Yakir 1992, Tredget et al. 1993).
Zusätzlich spielt dabei auch die Wurzeltiefe der jeweiligen Pflanze eine Rolle, da flache Wurzeln Wasser aus oberen Erdschichten aufnehmen, welches bereits vor der Aufnahme zusätzlich evaporativ fraktioniert sein kann, was bei Wasser aus tieferen Schichten nicht mehr möglich ist (Brunel et al. 1991, Busch et al. 1992, Dodd et al. 1998, Adams & Grierson 2001, Tang & Feng 2001, Cook & O’Grady 2006, Barbour 2007). Obwohl die Transpiration von Wasser an den Blattstomata den größten Einfluss auf die
Diskussion (Sauerstoff)
Fraktionierung innerhalb der Pflanze hat, spielen auch noch andere Faktoren eine Rolle, wie zum Beispiel die Freisetzung von Sauerstoff aus Wasser im Zuge der Photosynthese oder der umgekehrten Reaktion bei der Zellatmung (Dole et al. 1954, Lane & Dole 1956). Das Verhältnis zwischen δ18O(H2Ometeor) und δ18O(H2OFutter) ist also hochkomplex und kann zu einer großen und schwer vorhersagbaren Variation im Futter führen (Luz et al. 1984). Auch die Pflanzenart und somit die Ernährungsweise spielen eine Rolle. So wird in Gras laut einigen Studien 18O stärker angereichert, als in anderen Blattpflanzen (Gat & Bowser 1991, Wang & Yakir 1995, Helliker & Ehleringer 2000, Gan et al. 2003, Ogée et al. 2007).
In diesem Experiment weist das Gras von allen Futtertypen eher die niedrigsten δ18O-Werte (sowohl H2OFutter, als auch Futter-O) auf. Allerdings ist die Stichprobengröße, besonders der δ18O(H2OFutter )-Proben gering und somit nicht zwangsläufig repräsentativ. Außerdem ist das Herkunftsgebiet des Schweinefutters relativ groß, wodurch auch kleinräumige klimatische Unterschiede eine Rolle gespielt haben könnten, sodass das für die Graspflanzen verfügbare Niederschlagswasser (oder die transpirationsrelevanten Klimafaktoren) dort allgemein zu niedrigeren standortspezifischen Werten geführt haben könnte. Vor allem aber ist das Gras die einzige Blattpflanze, welche an die Schweine verfüttert wurde. Getreide und Kartoffeln sind als Samen und Knollen Speichergewebe, in denen andere (heterotrophe) Stoffwechselprozesse eine zusätzliche Rolle spielen können.
Laut Dongmann et al. (1974) beträgt die minimale Anreicherung von δ18O(Blattwasser) gegenüber dem Bodenwasser +2.5 ‰ und die maximale Anreicherung 21 ‰. Bryant & Froelich (1995) gibt dagegen Werte von + 10 bis + 25 ‰ Anreicherung an (basierend auf: Dongmann et al. (1974), Förstel (1978), Farris & Strain (1978)). Die in dieser Studie maximal ermittelbare Differenz zwischen dem niedrigsten δ18O(TW) und dem höchsten δ18O(H2OFutter)-Wert beträgt 5.97 ‰ und die Differenz der Mittelwerte beträgt 3.31 ‰. Beide fallen somit in die von Dongmann et al. (1974) angegebene Spanne, sind jedoch niedriger als von Bryant & Froelich (1995) zitiert. Jedoch ist der Vergleich von Trinkwasser und Futterwasser nicht optimal, da das Trinkwasser wie gesagt nicht saisonal schwankte, wie vermutlich das pflanzenverfügbare Niederschlagswasser. Geht man von den δ18O(H2Ometeor)-Werten des OIPC aus, so beträgt die maximale Differenz 8.91 ‰, was noch immer nicht die minimale Anreicherung nach Bryant & Froelich (1995) erreicht. Die minimale Differenz zwischen Messwerten und OIPC-Monatswerten wiederum ist negativ, das heißt es gibt OIPC-Werte für das Niederschlagswasser in bestimmten Monaten, die sogar höher liegen als die niedrigsten δ18O(H2OFutter)-Werte. Von diesen Vergleichen ausgehend, kann man annehmen, dass sich die isotopische Anreicherung im Futter gegenüber dem Umweltwasser bestätigt hat, jedoch eher in unteren Bereich des Spektrums liegt, vorausgesetzt die Proben und Schätzwerte sind repräsentativ. Das Futter- bzw. Pflanzenwasser scheint hier also weniger stark angereichert zu sein, als in manchen Quellen angegeben. Dabei ist allerdings zu beachten, dass es sich nicht bei allen Futterpflanzen um Blätter handelt und somit eine geringere Anreicherung in Körnern, Früchten, Knollen etc. ohnehin zu erwarten ist.
Noch komplexer ist das Zustandekommen der δ18O-Verhältnisse in den organischen Molekülen von (Futter-)Pflanzen. Die Sauerstoffatome in Pflanzenmolekülen stammen ursprünglich aus drei verschiedenen anorganischen Ausgangsstoffen: CO2, H2O und O2. Diese stammen aus unterschiedlichen Quellen und können deshalb sehr unterschiedliche δ18O-Werte aufweisen. Hinzu kommt, dass es innerhalb der Pflanze zu verschiedensten Inkorporations- und Fraktionierungsreaktionen kommt, welche verschiedene Isotopeneffekte zur Folge haben können.
Diese sind zwar teilweise im globalen Mittel bekannt, die genauen Reaktionen die für sie verantwortlich sind dagegen, sind nur grob erforscht (Roden et al. 2000, Schmidt et al. 2001, Chesson et al. 2010). So ist beispielsweise mittlerweile sehr gut bekannt und ausgiebig erforscht, dass der δ18 O-Wert von Zellulose gegenüber dem entsprechenden Pflanzenwasser um ungefähr 27 ± 4 ‰ erhöht ist,
Stängel,…), der Art der Photosynthese (C3 oder C4-Pflanzen) oder der Pflanzenart bzw. dem Stoffwechselstatus (Epstein et al. 1977, Burk & Stuiver 1981, Edwards et al. 1985, Sternberg 1989, Yakir et al. 1990, Yakir 1992, Schmidt et al. 2001). Der Effekt, der hierfür hauptsächlich verantwortlich gemacht wird, ist eine Gleichgewichtsfraktionierung zwischen Carbonylgruppe und Wasser. Jedoch tragen mehrere Effekte zum δ18O-Wert von Zellulose bei, die sich dann in den meisten Pflanzen(-teilen) zu einem globalen Mittel von + 27 ± 4 ‰ mitteln, obwohl große speziesspezifische Unterschiede existieren (DeNiro & Epstein 1979, Sternberg 1989, Schmidt et al. 2001). So kann es teilweise auch zu Abweichungen von diesem Wert kommen. Auch die δ18O-Werte anderer organischer Pflanzenmoleküle, wie organische Säuren, Kohlenhydrate, Alkohole und Ester zeigen mit dem Pflanzenwasser korrelierte Werte, die meist für das jeweilige Molekül spezifisch sind (z.B. Acylgruppe ca. + 19 ‰ gegenüber dem Blattwasser), abhängig vom Ursprung der Ausgangsstoffe und deren Biosynthesewege (Schmidt et al. 2001).
Der Sauerstoff in der Trockenmasse der Futterpflanzen stellt eine bunte Mischung all dieser verschiedenen Stoffe und Isotopenverhältnisse dar. Hinzu kommt die Tatsache, dass die vom Konsumenten aufgenommene Nahrung nicht zu einhundert Prozent verdaut wird, sodass unklar ist, welche Isotopie tatsächlich in den Organismus gelangt. Die Verdaulichkeit hängt einerseits von intrinsischen Faktoren der Nahrung ab und andererseits von extrinsischen Faktoren des Verdauungssystems. Die genauen Fraktionierungsvorgänge zwischen δ18O(Futter-O) und den tierischen Körperbestandteilen sind also unbekannt (Bryant & Froelich 1995). Aufgrund dieser hohen Komplexität organischer Pflanzenmoleküle und deren Sauerstoffisotopenverhältnisse und den Ungewissheiten bei der Aufnahme in den Organismus, ist man hier auf statistische Schätzwerte und Vereinfachungen angewiesen. Laut Bowen et al. (2009) ist δ18O(Futter-O) gegenüber dem aufgenommenen Umweltwasser um ca. 35.4 ‰ erhöht, basierend auf Vergleichen zwischen Messungen an regionalen pflanzlichen Produkten und den zugehörigen OIPC-Werten. Die in dieser Arbeit erhobenen δ18O(Futter-O)-Daten sind im Mittel gegenüber dem Trinkwasser um 34.92 ‰ und gegenüber dem OIPC-Jahresmittel um 34.18 ‰ erhöht, was hervorragend zu dieser Angabe passt.
Allerdings ist die Variabilität der Messergebnisse um diesen Mittelwert sehr hoch: Die minimale Differenz (zwischen höchstem δ18O(TW)- und niedrigstem δ18O(Futter-O)-Wert) beträgt 23.81 ‰ und die maximale (zwischen niedrigstem δ18O(TW)- und höchstem δ18O(Futter-O)-Wert) 43.08 ‰ und auch beim entsprechenden Vergleich mit den monatlichen OIPC-Schätzungen, bzw. deren Jahresmittel erhöht sich die Bandbreite durch die Variation der δ18O(Futter-O)-Ergebnisse entsprechend. Als mögliche Gründe hierfür sind Unterschiede im Wasser-Input der verschiedenen Futterpflanzen, physiologische Unterschiede zwischen dem Pflanzen, unterschiedliche Transpirationsraten im Verlauf des Jahres und an verschiedenen Standorten, die oben genannte Komplexität beim Zustandekommen des globalen δ18O(Futter-O)-Wertes, sowie der relativ große Radius, aus dem das Futter stammte, zu nennen. Von Bryant & Froelich (1995) wird angegeben, dass Zellulose und andere Komponenten von Pflanzen (wie Zucker) in der Regel δ18O-Werte zwischen ca. + 10 ‰ und + 25‰ aufweisen.
Die hier gemessenen δ18O(Futter-O)-Verhältnisse pflanzlicher Futterquellen liegen zwischen 19.55 ‰ und 31.82 ‰, im Mittel bei 25.16 ‰, also tendenziell über diesem Richtwert, wobei vor ausschließlich das Hochenergiefutter, also Getreide und Kartoffeln die 25 ‰ übersteigen, was möglicherweise auf spezielle Stoffwechselwege bei der Synthese von Speichergeweben zurückzuführen sein könnte. Die Differenz zwischen δ18O(Futter-O) und δ18O(H2OFutter) liegt in dieser Studie für Gras bei 30.01 ‰ und für Kartoffeln bei 32.05 ‰, was gut zu der Angabe von Roden et al. (2000) passt, die für die Differenz zwischen Pflanzenwasser und organischen Bestandteilen einen groben Richtwert von ca. 30 ‰ angeben. Auch zu der oben erläuterten globalen mittleren Korrelation zwischen Pflanzenwasser und Zellulose (27 ± 4 ‰) passen diese Werte recht gut, obwohl Zellulose mit Sicherheit nicht den größten Anteil am Futter hat um vor allem nicht der von den Schweinen am meisten aufgenommene Stoff ist bzw. kaum verdaut wird.
Diskussion (Sauerstoff)
Die große Komplexität beim Zustandekommen der δ18O(Futter-O)- und δ18O(H2OFutter)-Verhältnisse und deren große Spannweite verdeutlicht, dass die Ernährungsweise, insbesondere ein Futterwechsel oder eine individuelle Nahrungspräferenz einen starken Einfluss auf die δ18O-Werte der Konsumenten haben kann, was sich auch in verschiedenen Studien bestätigt hat (Kornexl et al. 1997, Sponheimer &
Lee-Thorp 1999, Bahar et al. 2005, Perini et al. 2009, Biondi et al. 2013). Zwar wurden zu wenige Futterproben gemessen, um eindeutig saisonale Unterschiede erkennen zu können, jedoch fand im Leben der untersuchten Testindividuen ein Futterwechsel zu mehr Niedrigenergiefutter (Gras und Silage) statt. Da Hoch- und Niedrigenergiefutter sich in ihren δ18O(Futter-O)-Werten signifikant unterscheiden, ist dieser Wechsel der Futterzusammensetzung ein zu berücksichtigender Faktor beim Zustandekommen der Variabilität der δ18O-Werte innerhalb der Schweineproben. Brot und Molke stellen eine sehr diverse Stichprobe dar, die jedoch in gleichbleibend sehr geringen Mengen verzehrt wurde und deshalb vermutlich wenig zu inter- und intraindividuellen Unterschieden beigetagen hat.
Die hier gemessenen Werte sind gut vergleichbar mit einer ähnlichen Fütterungsstudie, die von Tuross et al. (2008) durchgeführt wurde. Auch hier wurden Schweine, deren Futter und Trinkwasser untersucht und auch hier lagen alle Schweinewerte zwischen denen des Trinkwassers und denen der Futter-Trockenmasse.
Im Allgemeinen verhalten sich die erhobenen Messwerte am Futter also entsprechend den Erwartungen: Das Futterwasser ist gegenüber dem Trink- bzw. Umweltwasser leicht angereichert und es besteht ein eindeutiger Offset zwischen Futterwasser- (bzw. auch Trinkwasser-) und Futter-Trockenmasse-Isotopie, der sich (wenn auch hoch variabel) ungefähr im zu erwartenden Bereich befindet. Besonders bei den Futterwasserproben, aber auch bei der Trockenmasse ist allerdings die geringe Stichprobengröße zu berücksichtigen, welche die Aussagekraft der Ergebnisse schmälert. Das Hinzuziehen von zusätzlichen, nicht in relevanten Mengen konsumierten Futtertypen (Apfel, Stroh,…) erhöht das Spektrum möglicher Isotopeneinflüsse und erhöht die Wahrscheinlichkeit, das gesamte, über die Nahrung verfügbare δ18O-Spektrum abzubilden. Dies wiederum bedeutet, dass Modelle, die mit diesem Input gespeist werden, vermutlich nicht deswegen eine ausreichend große Spannweite der Schweineproben voraussagen, weil bestimmte Futterquellen nicht berücksichtigt wurden, sondern aus anderen Gründen nicht weit genug greifen bzw. ohne weitere Modifikationen nicht universell einsetzbar sind. Die gemessenen Daten des Futters können also als valide Grundlage für die Modellrechnungen angesehen werden.