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第5章：稳定性核素在生态系统研究中的应用及方法（2学时）•稳定性同位素是天然存在于生物体内的不具有放射性的一类同位素。除磷以外，几乎所有具有生物学意义的元素如碳、氢、氧、氮和硫等均存在两种或两种以上的稳定性同位素形式，即具有相同原子和质子序数，但不同中子数目、且不具放射性的元素形式。•自然界中碳的同位素有7种(10-16C)，其中，12-13C为稳定性同位素。稳定性同位素之间没有明显的化学性质差别，但其物理化学性质(如在气相中的传导率、分子键能、生化合成和分解速率等)因质量上的不同常有微小的差异，导致了物质反应前后在同位素组成上有明显的差异。1、前言•碳元素和氮元素分别有两种中子数不同的稳定性同位素，即12C和13C以及14N和15N，其中重同位素(如13C和15N)在生物体内的含量非常低。对于12C和13C来讲，12C占大气稳定性碳同位素总量的98.89％左右，13C占其总量的1.1％左右，13C/12C的比值为0.011123左右。大气氮气中14N和15N的相对丰度分别为99.64％和0.36％，15N/14N的比值为0.003613。•通常情况下，测定稳定性同位素的绝对含量无太大意义，而是将其与国际标准比对后进行比较研究，一般用δ13C和δ15N来分别表示某种物质中这两种稳定性同位素的丰富度(enrichment)。2、基本原理•由于同位素之间在物理化学性质上的差异，使反应物和生成物在同位素组成上有所差异，这种现象称作同位素效应(Isotopeeffect)。•同位素效应主要有两种表示方法：•同位素分馏(Isotopefractionation，也有译作同位素分差或同位素分离)•同位素判别(Isotopediscrimination，△)。“同位素分馏”是指某一反应中底物的同位素组成受到改变，使产物具有不同的同位素组成；而“同位素判别”是指某一反应过程或某催化剂对重同位素有识别和排斥的作用，致使产物的重同位素含量减少的现象。很显然，这两个名词的内涵是紧密联系的，同位素分馏指的是反应物同位素组成改变的效果，而同位素判别指的是造成同位素组成改变的一种过程或原因。•同位素分馏程度可用同位素分馏因子(Fractionationfactor)来衡量，一般用α来表示。在化学研究中，α被定义为反应物与产物之问的碳同位素比值，即：同位素效应的大小也可用同位素判别来表：在自然界中，任一元素的重同位素含量与轻同位素相比低得多，因而用绝对丰度来表示某种物质的同位素组成比较困难。所以通常使用相对量来表示物质的同位素组成，也就是同位素比率(Isotoperatio)或δ单位(以‰表示)。3、稳定性碳、氮同位素比值的测定方法最初，对于稳定性同位素含量测定是通过离线(offline)燃烧法进行，该方法不仅操作繁琐，而且费时费力。目前同位素比值可以在线(online)测定，气体样品的制备和同位素含量的测定实现了流程化操作，因而省时省力，且精确度高。国内有很多科研院所均可承担这方面的测试工作，如中国科学院广州地球化学研究所和兰州地质所等。具体操作方法如下：•样品在70℃恒温下干燥48h至恒重，充分研磨，以FinniganMATDELTAPLusXL同位素质谱仪和元素分析仪进行测定，二者的操作界面为ConFlowIll。•制备条件：氧化炉温度为900℃，还原炉温度为680℃，柱温为40℃。•测定结果以δ13C和δ15N表示：•式中，15N/14N是样品和标准品(大气中的氮气)的氮同位素比率，也即样品和标准品所产生N2中30/28的绝对同位素比；•13C/12C是样品和标准品(PDB)的碳同位素比率，也即样品和标准品燃烧所产生CO2中45/44的绝对同位素比。•整个分析过程(包括样品处理和分析)的精度为±0.2‰。•这里的标准品分别是取自美国南卡罗来那州PeeDeeRiver河区的一种古生物化石——美洲拟箭石(PDB)和大气中的N2。当然，不同的测试单位．对于同位素的测定方法、使用的仪器型号、参照的标准品以及测定精度的要求都有所差异。4、具体应用•15N是N的稳定性同位素，它的含量可以被质谱和发射光谱准确地检测出，因而在氮循环的诸多方面得到了广泛地应用，尤其是在一些常规方法不能得到准确结果的领域，如氮的矿质化、硝化、NH4+-N的同化、N的生物固定、反硝化作用以及对其它氮循环研究方法准确性的检验上。•在传统的水产养殖系统氮素动力学研究中，主要通过建立氮素收支质量平衡来定量分析氮素的迁移转化规律。20世纪末，由于元素分析仪和同位素质谱仪分析精度的提高，利用天然存在的δ15N来研究生物体或生态系统中氮元素循环与周转成为热点。•氮同位素被广泛应用于生物氮循环的示踪研究，这是因为在氮的固定作用和同化作用中所发生的同位素分馏会改变有机质或无机营养盐中氮的天然同位素丰度，硝化和反硝化所造成的无机氮δ15N值的改变也会间接影响光合作用所产生的有机物的同位素比值。•Robinson对氮同位素方法作了比较全面的述评，他归纳了3个应用层次：•15N示踪剂(指应用浓缩15N同位素标记化合物)、•δ15N天然示踪剂(指15N在天然存在的范围内)、•δ15N作为氮循环的(integrator)，后者能用于获得氮循环过程的定量信息，检测反硝化作用，确定生态系统的氮的输入和损失。•Nava等以天然碳氮稳定性同位素（δ13C和δ15N）作为舌齿鲈循环水养殖系统中颗粒有机物的示踪剂，研究颗粒物来源及分布特征。•分析了饲料(δ13C为-22.1‰，δ15N为11.9‰)、粪便(δ13C为-24.0‰，δ15N为6.4‰)，生物膜(δ13C为-25.1‰，δ15N为12.9‰)在养殖系统中的变动规律。•当固液分离机去除了残饵后，水体中悬浮颗粒的同位素比率（δ13C和δ15N）分别从-23.8‰和7.9‰变化为-24.9‰和8.3‰，被分离的颗粒物中剩余饲料占29%、粪便占71%。氮转换效率与鱼类对饲料的代谢、水处理装置的效率、生物滤器中生物膜结构及代谢效能有关。•这些结果对于养殖系统管理、建立转换模型、优化水处理装置均有指导作用。•Thoman等通过测定氮素库中氮素浓度及同位素组成，定量分析红拟石首鱼循环水养殖系统中生物过滤器的反硝化过程，与饲料的同位素组成相比，各氮库中15N均出现富集，如硝氮库中δ15N提高了17‰，表明循环系统中反硝化作用明显，轻氮同位素被反硝化处理后以氮气形式释放到大气中，通过反硝化作用实现了9～21%的氮素去除率。•蔡德陵等利用天然存在的碳氮稳定同位素作为示踪剂，研究了在受控条件下鲈鱼体内不同组织的碳氮稳定同位素组成的变化规律，初始体重、摄食水平、水温等生态因子对其碳氮稳定同位素值有显著影响，为分析鲈鱼体内营养物质和能量的流动及周转提供了可靠信息。