實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)第五章穩(wěn)定性核素在水生生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用及方法ppt課件

1、 穩(wěn)定性同位素是天然存在于生物體內(nèi)的不具有放射性的一類穩(wěn)定性同位素是天然存在于生物體內(nèi)的不具有放射性的一類同位素。除磷以外，幾乎一切具有生物學(xué)意義的元素如碳、同位素。除磷以外，幾乎一切具有生物學(xué)意義的元素如碳、氫、氧、氮和硫等均存在兩種或兩種以上的穩(wěn)定性同位素方氫、氧、氮和硫等均存在兩種或兩種以上的穩(wěn)定性同位素方式，即具有一樣原子和質(zhì)子序數(shù)，但不同中子數(shù)目、且不具式，即具有一樣原子和質(zhì)子序數(shù)，但不同中子數(shù)目、且不具放射性的元素方式。放射性的元素方式。 自然界中碳的同位素有自然界中碳的同位素有7 7種種(10-16C)(10-16C)，其中，其中，12-13C12-13C為穩(wěn)定為穩(wěn)定性同位素。穩(wěn)

2、定性同位素之間沒(méi)有明顯的化學(xué)性質(zhì)差別，但性同位素。穩(wěn)定性同位素之間沒(méi)有明顯的化學(xué)性質(zhì)差別，但其物理化學(xué)性質(zhì)其物理化學(xué)性質(zhì)( (如在氣相中的傳導(dǎo)率、分子鍵能、生化合成如在氣相中的傳導(dǎo)率、分子鍵能、生化合成和分解速率等和分解速率等) )因質(zhì)量上的不同常有微小的差別，導(dǎo)致了物質(zhì)因質(zhì)量上的不同常有微小的差別，導(dǎo)致了物質(zhì)反響前后在同位素組成上有明顯的差別。反響前后在同位素組成上有明顯的差別。1 1、前言、前言 碳元素和氮元素分別有兩種中子數(shù)不同的穩(wěn)定性同位素，即碳元素和氮元素分別有兩種中子數(shù)不同的穩(wěn)定性同位素，即12C12C和和13C13C以及以及14N14N和和15N15N，其中重同位素，其中重同位素

3、( (如如13C13C和和15N)15N)在生物在生物體內(nèi)的含量非常低。對(duì)于體內(nèi)的含量非常低。對(duì)于12C12C和和13C13C來(lái)講，來(lái)講，12C12C占大氣穩(wěn)定性碳占大氣穩(wěn)定性碳同位素總量的同位素總量的98.8998.89 左右，左右，13C13C占其總量的占其總量的1.11.1左右，左右，13C/12C13C/12C的比值為的比值為0.0111230.011123左右。大氣氮?dú)庵凶笥?。大氣氮?dú)庵?4N 14N 和和15N 15N 的相的相對(duì)豐度分別為對(duì)豐度分別為99.6499.64和和0.360.36， 15N/14N 15N/14N的比值為的比值為0.0036130.003613。 通常情

4、況下，測(cè)定穩(wěn)定性同位素的絕對(duì)含量無(wú)太大意義，而通常情況下，測(cè)定穩(wěn)定性同位素的絕對(duì)含量無(wú)太大意義，而是將其與國(guó)際規(guī)范比對(duì)后進(jìn)展比較研討，普通用是將其與國(guó)際規(guī)范比對(duì)后進(jìn)展比較研討，普通用13C13C和和15N15N來(lái)分別表示某種物質(zhì)中這兩種穩(wěn)定性同位素的豐富度來(lái)分別表示某種物質(zhì)中這兩種穩(wěn)定性同位素的豐富度(enrichment)(enrichment)。2 2、根本原理、根本原理 由于同位素之間在物理化學(xué)性質(zhì)上的差別，使反響由于同位素之間在物理化學(xué)性質(zhì)上的差別，使反響物和生成物在同位素組成上有所差別，這種景象稱物和生成物在同位素組成上有所差別，這種景象稱作同位素效應(yīng)作同位素效應(yīng)(Isotope e

5、ffect)(Isotope effect)。 同位素效應(yīng)主要有兩種表示方法：同位素效應(yīng)主要有兩種表示方法： 同位素分餾同位素分餾(Isotope fractionation(Isotope fractionation，也有譯作同，也有譯作同位素分差或同位素分別位素分差或同位素分別) ) 同位素判別同位素判別(Isotope discrimination(Isotope discrimination，) )。 “同位素分餾是指某一反響中底物的同位素組同位素分餾是指某一反響中底物的同位素組成遭到改動(dòng)，使產(chǎn)物具有不同的同位素組成；成遭到改動(dòng)，使產(chǎn)物具有不同的同位素組成； 而而“同位素判別是指某一反

6、響過(guò)程或某催化劑同位素判別是指某一反響過(guò)程或某催化劑對(duì)重同位素有識(shí)別和排斥的作用，致使產(chǎn)物的重同對(duì)重同位素有識(shí)別和排斥的作用，致使產(chǎn)物的重同位素含量減少的景象。位素含量減少的景象。 很顯然，這兩個(gè)名詞的內(nèi)涵是嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)的，同很顯然，這兩個(gè)名詞的內(nèi)涵是嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)的，同位素分餾指的是反響物同位素組成改動(dòng)的效果，而位素分餾指的是反響物同位素組成改動(dòng)的效果，而同位素判別指的是呵斥同位素組成改動(dòng)的一種過(guò)程同位素判別指的是呵斥同位素組成改動(dòng)的一種過(guò)程或緣由?；蚓売伞?同位素分餾程度可用同位素分餾因子同位素分餾程度可用同位素分餾因子(Fractionation factor)(Fractionation fac

7、tor)來(lái)衡量，普通用來(lái)衡量，普通用來(lái)表來(lái)表示。在化學(xué)研討中，示。在化學(xué)研討中，被定義為反響物與產(chǎn)物之被定義為反響物與產(chǎn)物之問(wèn)的碳同位素比值，即：?jiǎn)柕奶纪凰乇戎?，即：同位素效?yīng)的大小也可用同位素判別來(lái)表：同位素效應(yīng)的大小也可用同位素判別來(lái)表：在自然界中，任一元素的重同位素含量與輕同位素相在自然界中，任一元素的重同位素含量與輕同位素相比低得多，因此用絕對(duì)豐度來(lái)表示某種物質(zhì)的同位素比低得多，因此用絕對(duì)豐度來(lái)表示某種物質(zhì)的同位素組成比較困難。所以通常運(yùn)用相對(duì)量來(lái)表示物質(zhì)的同組成比較困難。所以通常運(yùn)用相對(duì)量來(lái)表示物質(zhì)的同位素組成，也就是同位素比率位素組成，也就是同位素比率(Isotope ratio

8、)(Isotope ratio)或或單位單位( (以以 表示表示) )。3 3、穩(wěn)定性碳、氮同位素比值的測(cè)定方法、穩(wěn)定性碳、氮同位素比值的測(cè)定方法 最初，對(duì)于穩(wěn)定性同位素含量測(cè)定是經(jīng)過(guò)離線最初，對(duì)于穩(wěn)定性同位素含量測(cè)定是經(jīng)過(guò)離線(offline)(offline)熄滅法進(jìn)展，該方法不僅操作繁瑣，而且費(fèi)時(shí)熄滅法進(jìn)展，該方法不僅操作繁瑣，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。費(fèi)力。 目前同位素比值可以在線目前同位素比值可以在線(online)(online)測(cè)定，氣體樣品測(cè)定，氣體樣品的制備和同位素含量的測(cè)定實(shí)現(xiàn)了流程化操作，因此省的制備和同位素含量的測(cè)定實(shí)現(xiàn)了流程化操作，因此省時(shí)省力，且準(zhǔn)確度高。時(shí)省力，且準(zhǔn)確度高。

9、國(guó)內(nèi)有很多科研院所均可承當(dāng)這方面的測(cè)試任務(wù)，國(guó)內(nèi)有很多科研院所均可承當(dāng)這方面的測(cè)試任務(wù)，如中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研討所和蘭州地質(zhì)所等。如中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研討所和蘭州地質(zhì)所等。詳細(xì)操作方法如下：詳細(xì)操作方法如下：樣品在樣品在7070恒溫下枯燥恒溫下枯燥48h48h至恒重，充分研磨，以至恒重，充分研磨，以Finnigan MAT DELTAPLusXLFinnigan MAT DELTAPLusXL同位素質(zhì)譜儀和元素分同位素質(zhì)譜儀和元素分析儀進(jìn)展測(cè)定，二者的操作界面為析儀進(jìn)展測(cè)定，二者的操作界面為ConFlow IllConFlow Ill。制備條件：氧化爐溫度為制備條件：氧化爐溫度為900

10、 900 ，復(fù)原爐溫度為，復(fù)原爐溫度為680 680 ，柱溫為，柱溫為40 40 。測(cè)定結(jié)果以測(cè)定結(jié)果以13C13C和和15N15N表示：表示：式中，式中，15N/14N15N/14N是樣品和規(guī)范品是樣品和規(guī)范品( (大氣中的氮?dú)獯髿庵械牡獨(dú)? )的氮同位素的氮同位素比率，也即樣品和規(guī)范品所產(chǎn)生比率，也即樣品和規(guī)范品所產(chǎn)生N2N2中中30/2830/28的絕對(duì)同位素比；的絕對(duì)同位素比；13C/12C13C/12C是樣品和規(guī)范品是樣品和規(guī)范品(PDB)(PDB)的碳同位素比率，也即樣品和的碳同位素比率，也即樣品和規(guī)范品熄滅所產(chǎn)生規(guī)范品熄滅所產(chǎn)生CO2CO2中中45/4445/44的絕對(duì)同位素比。

11、的絕對(duì)同位素比。整個(gè)分析過(guò)程整個(gè)分析過(guò)程( (包括樣品處置和分析包括樣品處置和分析) )的精度為的精度為0.20.2。這里的規(guī)范品分別是取自美國(guó)南卡羅來(lái)那州這里的規(guī)范品分別是取自美國(guó)南卡羅來(lái)那州Pee Dee RiverPee Dee River河區(qū)的一種古生物化石河區(qū)的一種古生物化石美洲擬箭石美洲擬箭石(PDB)(PDB)和大氣中的和大氣中的N2N2。當(dāng)然，不同的測(cè)試單位對(duì)于同位素的測(cè)定方法、運(yùn)用的儀當(dāng)然，不同的測(cè)試單位對(duì)于同位素的測(cè)定方法、運(yùn)用的儀器型號(hào)、參照的規(guī)范品以及測(cè)定精度的要求都有所差別。器型號(hào)、參照的規(guī)范品以及測(cè)定精度的要求都有所差別。15N15N是是N N的穩(wěn)定性同位素，它的含

12、量可以被質(zhì)譜和發(fā)射光譜準(zhǔn)確地檢測(cè)出，因此在氮循環(huán)的諸的穩(wěn)定性同位素，它的含量可以被質(zhì)譜和發(fā)射光譜準(zhǔn)確地檢測(cè)出，因此在氮循環(huán)的諸多方面得到了廣泛地運(yùn)用，尤其是在一些常規(guī)方法不能得到準(zhǔn)確結(jié)果的領(lǐng)域，如氮的礦質(zhì)化、多方面得到了廣泛地運(yùn)用，尤其是在一些常規(guī)方法不能得到準(zhǔn)確結(jié)果的領(lǐng)域，如氮的礦質(zhì)化、硝化、硝化、NH4+-NNH4+-N的同化、的同化、N N的生物固定、反硝化作用以及對(duì)其它氮循環(huán)研討方法準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)的生物固定、反硝化作用以及對(duì)其它氮循環(huán)研討方法準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)上。上。在傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素動(dòng)力學(xué)研討中，主要經(jīng)過(guò)建立氮素收支質(zhì)量平衡來(lái)定量分析氮素在傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)氮素動(dòng)力學(xué)研討中，主要經(jīng)過(guò)建

13、立氮素收支質(zhì)量平衡來(lái)定量分析氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。2020世紀(jì)末，由于元素分析儀和同位素質(zhì)譜儀分析精度的提高，利用天然存世紀(jì)末，由于元素分析儀和同位素質(zhì)譜儀分析精度的提高，利用天然存在的在的15N15N來(lái)研討生物體或生態(tài)系統(tǒng)中氮元素循環(huán)與周轉(zhuǎn)成為熱點(diǎn)。來(lái)研討生物體或生態(tài)系統(tǒng)中氮元素循環(huán)與周轉(zhuǎn)成為熱點(diǎn)。 氮同位素被廣泛運(yùn)用于生物氮循環(huán)的示蹤研討，這是由于在氮同位素被廣泛運(yùn)用于生物氮循環(huán)的示蹤研討，這是由于在氮的固定作用和同化作用中所發(fā)生的同位素分餾會(huì)改動(dòng)有機(jī)氮的固定作用和同化作用中所發(fā)生的同位素分餾會(huì)改動(dòng)有機(jī)質(zhì)或無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽中氮的天然同位素豐度，硝化和反硝化所呵質(zhì)或無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽中氮的天

14、然同位素豐度，硝化和反硝化所呵斥的無(wú)機(jī)氮斥的無(wú)機(jī)氮15N15N值的改動(dòng)也會(huì)間接影響光協(xié)作用所產(chǎn)生的有值的改動(dòng)也會(huì)間接影響光協(xié)作用所產(chǎn)生的有機(jī)物的同位素比值。機(jī)物的同位素比值。 RobinsonRobinson對(duì)氮同位素方法作了比較全面的述評(píng)，他歸納了對(duì)氮同位素方法作了比較全面的述評(píng)，他歸納了3 3個(gè)個(gè)運(yùn)用層次：運(yùn)用層次： 15N15N示蹤劑示蹤劑( (指運(yùn)用濃縮指運(yùn)用濃縮15N15N同位素標(biāo)志化合物同位素標(biāo)志化合物) )、 15N15N天然示蹤劑天然示蹤劑( (指指15N15N在天然存在的范圍內(nèi)在天然存在的范圍內(nèi)) )、 15N15N作為氮循環(huán)的作為氮循環(huán)的 (integrator) (int

15、egrator)，后者能用于獲得氮循環(huán)，后者能用于獲得氮循環(huán)過(guò)程的定量信息，檢測(cè)反硝化作用，確定生態(tài)系統(tǒng)的氮的輸過(guò)程的定量信息，檢測(cè)反硝化作用，確定生態(tài)系統(tǒng)的氮的輸入和損失。入和損失。 NavaNava等以天然碳氮穩(wěn)定性同位素等以天然碳氮穩(wěn)定性同位素13C13C和和15N15N作為舌齒作為舌齒鱸循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中顆粒有機(jī)物的示蹤劑，研討顆粒物來(lái)源鱸循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中顆粒有機(jī)物的示蹤劑，研討顆粒物來(lái)源及分布特征。及分布特征。 分析了飼料分析了飼料(13C(13C為為-22.1-22.1，15N15N為為11.9)11.9)、糞便、糞便(13C(13C為為-24.0-24.0，15N15N為為6.4)

16、6.4)，生物膜，生物膜(13C(13C為為- -25.125.1，15N15N為為12.9)12.9)在養(yǎng)殖系統(tǒng)中的變動(dòng)規(guī)律。在養(yǎng)殖系統(tǒng)中的變動(dòng)規(guī)律。 當(dāng)固液分別機(jī)去除了殘餌后，水體中懸浮顆粒的同位素比率當(dāng)固液分別機(jī)去除了殘餌后，水體中懸浮顆粒的同位素比率13C13C和和15N15N分別從分別從-23.8-23.8和和7.97.9變化為變化為-24.9-24.9和和8.38.3，被分別的顆粒物中剩余飼料占，被分別的顆粒物中剩余飼料占29% 29% 、糞便占、糞便占71%71%。氮。氮轉(zhuǎn)換效率與魚類對(duì)飼料的代謝、水處置安裝的效率、生物濾轉(zhuǎn)換效率與魚類對(duì)飼料的代謝、水處置安裝的效率、生物濾器中生

17、物膜構(gòu)造及代謝效能有關(guān)。器中生物膜構(gòu)造及代謝效能有關(guān)。 這些結(jié)果對(duì)于養(yǎng)殖系統(tǒng)管理、建立轉(zhuǎn)換模型、優(yōu)化水處置安這些結(jié)果對(duì)于養(yǎng)殖系統(tǒng)管理、建立轉(zhuǎn)換模型、優(yōu)化水處置安裝均有指點(diǎn)作用。裝均有指點(diǎn)作用。 ThomanThoman等經(jīng)過(guò)測(cè)定氮素庫(kù)中氮素濃度及同位素組成，定量分等經(jīng)過(guò)測(cè)定氮素庫(kù)中氮素濃度及同位素組成，定量分析紅擬石首魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物過(guò)濾器的反硝化過(guò)程，析紅擬石首魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物過(guò)濾器的反硝化過(guò)程，與飼料的同位素組成相比，各氮庫(kù)中與飼料的同位素組成相比，各氮庫(kù)中15N15N均出現(xiàn)富集，如硝氮均出現(xiàn)富集，如硝氮庫(kù)中庫(kù)中15N15N提高了提高了1717，闡明循環(huán)系統(tǒng)中反硝化作用明顯，輕，闡明循環(huán)系統(tǒng)中反硝化作用明顯，輕氮同位素被反硝化處置后以氮?dú)夥绞结尫诺酱髿庵?，?jīng)過(guò)反氮同位素被反硝化處置后以氮?dú)夥绞结尫诺酱髿庵校?jīng)過(guò)反硝化