（水产养殖专业论文）微囊藻对食物网的贡献——碳、氮稳定同位素标记实验.pdf

微囊藻对食物网的页献一一碳、氮稳定同位素标记实验 微囊藻对食物网的贡献 一一碳、氮稳定同位素标记实验 摘要 近年来，稳定同位素技术已经广泛应用于生态系统研究，包括食物网结构和营 养关系等方面，成为了水生生态学中最为有效和重要的研究手段。 本研究应用自然碳、氮稳定同位素探讨了太湖食物网结构和营养级关系，并在 梅梁湾水华爆发期间对部分太湖主要鱼类、浮游动物、底栖动物、微囊藻、高等植 物及附着生物进行了碳、氮稳定同位素比值分析。结果表明，6 ”c 值范围为 2 8 4 4 d 一1 9 8 8 o ，并且在水生生物体内没有稳定的富集现象；6 1 5 n 值范围为 + 1 2 3 6 o + 2 5 6 8 o ，随营养层次升高有明显的富集趋势。梅梁湾6 ”c 和6 1 5 n 值的 范围较大，说明了该湖区食物来源的多样性。其中6 1 5 n 值同其它湖泊生态系统相比 明显偏高。通过8 1 3 c 值发现，微囊藻是鲢、鳙鱼、浮游动物以及摇蚊幼虫的碳源之 一；狐尾藻的附着生物与狐尾藻的碳同位素有一定差别。通过8 1 5 n 值分析发现，浮 游动物为棒花鱼、刀鲚、大银鱼等几种主要鱼类以及秀丽白虾提供了约3 7 , - - 一9 4 的食物来源。 于2 0 0 6 年1 1 月，应用1 3 c 的稳定同位素标记技术探讨了太湖微囊藻参与浮游 动物食物网的方式和途径。一个上下无底的透明的有机玻璃圆柱( 直径1 5m ，高 1 7m ) 放在太湖梅梁湾湖区，形成一个分割丌的小型生态系统。将标记的适量的微 囊藻酸化后倒入圆柱中( 1 0 6c e l l s1 。1 ) 。采集的样品包括浮游动物、p o m 和细菌。 标记的1 3 c 在微囊藻倒入桶中后很快在细菌中表现出来。通过对试验桶中浮游动物、 p o m 和细菌的采集数据得出结论：太湖中微囊藻能够被浮游动物所利用，但是被 浮游动物利用的形式尚不清楚，可能是微囊藻碎屑也可能是分解的微囊藻和细菌。 细菌可能在微囊藻参与食物网的过程中起到了重要的作用。 在室内模拟实验中，通过对微囊藻进行碳、氮稳定同位素的标记实验，研究了 微囊藻碳源在食物网中的循环。试验过程中采集了浮游动物、摇蚊幼虫、水蚯蚓、 萝b 螺、环棱螺、秀丽白虾幼虾和成虾等，通过6 1 3 c 和6 1 5 n 值证实了微囊藻的物 质和能量均能够被这些水生生物所利用。其中，浮游动物、秀丽白虾幼虾和萝b 螺 利用微囊藻来源的物质能量的程度最高，而其他生物也在不同程度上利用了微囊藻 华中农业人学2 0 0 8 届硕j ：学位论文 的能量。由此可见，不管通过什么方式和机制，微囊藻能够被其它水生生物利用可 能是一个包括太湖在内的富营养化且其它浮游植物较少的水体的一种普遍现象。但 是，被其它生物利用的微囊藻的机制和形式尚不能确定，微囊藻碎屑和来自微囊藻 的细菌对其它生物能量的贡献还需要进一步的研究。分解微囊藻的细菌可能对微囊 藻参与食物网有着重要的作用，可能是因为细菌的分解才使得微囊藻更适合其它生 物利用。 关键词：8 1 3 c ；6 1 5 n ；食物网；微囊藻；鱼类；浮游动物 n 微囊藻对食物网的贡献一一碳、氮稳定同位素标记实验 c o n t r i b u t i o no fm i c r o c y s t i st of o o dw e b s - - - - s t a b l ei s o t o p el a b e l i n ge x p e r i m e n t s a b s t r a c t f o rt h ep a s tf e wy e a r s ，s t a b l ei s o t o p e so fc a r b o na n dn i t r o g e n ，a sap o w e r f u l a p p r o a c ht os t u d yt h es t r u c t u r ea n dd y n a m i c so ff o o dw e b sa n dt r o p h i cr e l a t i o n s h i p s ， h a v eb e e ni n c r e a s i n g l yu s e di nt h es t u d i e so naw i d ev a r i e t yo fe c o s y s t e m sa n db e c o m e o n eo ft h em o s te f f e c t i v ea n du s e f u lm e t h o di na q u a t i ce c o l o g ys t u d i e s i nt h i st h e s i s ， s t a b l ei s o t o p e so fc a r b o na n dn i t r o g e nw e r eu s e dt os t u d yt h ec o n t r i b u t i o no fm i c r o c y s t i s t of o o dw e b si nm e i l i a n gb a yo fl a k et a i h u t h es t r u c t u r eo ff o o dw e b sa n dt r o p h i cl e v e l sw e r es t u d i e dd u r i n gt h ep e r i o do f m i c r o c y s t i sb l o o m si nl a k et a i h u t h ec a r b o na n dn i t r o g e ns t a b l ei s o t o p ev a l u e so f f i s h e s ，z o o p l a n k t o n ，b e n t h i ca n i m a l s ，m i c r o c y s t i s ，m a c r o p h y t e sa n dp e r i p h y t o nw e r e a n a l y z e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o w e dt h a t8 1 3 co ft h es a m p l e sr a n g e df r o m 2 8 4 4 。t o 一1 9 8 8 o a n dt h e r ew e r en oe v i d e n ta n ds t a b l ee n r i c h m e n t 8 1 5 nv a l u e s r a n g e df r o m + 1 2 3 6 ot o + 2 5 6 8 o ，a n dt h e yw e r ee n r i c h e df r o ml o wt r o p h i cl e v e lt ot h e h i g h e rt r o p h i cl e v e l i tc o v e r e dal a r g ee x t e n to f t h e8 1 3 ca n d6 1 5 nv a l u e si nm e i l i a n gb a y , i n d i c a t i n gal a r g ea n dv a r i o u sf o o ds o u r c e s 8 15 no f t h es a m p l ei nl a k et a i h uw a sm u c h h i g h e rt h a no t h e rl a k e sr e p o r t e db e f o r e m i c r o c y s t i sw e r ep a r to ft h ec a r b o ns o u r c eo f b i g h e a dc a r p ，s i l v e rc a r p ，z o o p l a n k t o na n dc h i r o n o m u sb a s e do n6 1 3 cd a t a 6 1 3 co f m y r o p h 7 l l u m v e r t i c i l l a t u ma n dp e r i p h y t o no nm y r i o p h ) 7 l l u mv e r t i c i l l a t u mw e r e d i f f e r e n t i a lf r o me a c ho t h e lw h i c hi n d i c a t e dad i f f e r e n tf o o ds o u r c ef o rp e r i p h y t o no n m y r i o p h y l l u mv e r t i c i l l a t u mo t h e rt h a nm y r i o p h y l l u mv e r t i c i l l a t u m 8 1 5 nv a l u e si n d i c a t e d t h a tz o o p l a n k t o nw e r et h em a i nf o o ds o u r c e ( a c c o u n to f3 7 , - - - 9 4 o ft h ef o o dr a t i o s ) f o rp r o t o s a l a n xh y a l o c r a n i u sa n do t h e rf e wk i n d so ff i s h e sa n dp a l a e m o nm o d e s l u s 1 3 c l a b e l i n ge x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt oe v a l u a t em i c r o c y s t i sa sc a r b o nr e s o u r c e f o rc r u s t a c e a np l a n k t o ni nl a k et a i h ud u r i n gn o v e m b e l2 0 0 6 ap o l y v i n y lc h l o r i d e ( p v c ) c y l i n d e re n c l o s u r ew a ss e t i nt h eh y p e r e u t r o p h i cm e i l i a n gb a y ( l a k et a i h u ， c h i n a ) l a b e l e dm i c r o c y s t i sw e r ek i l l e dw i t hh y d r o c h l o r i ca c i da n da d d e dt ot h ec y l i n d e r i i i 华中农业大学2 0 0 8 届硕1 j 学位论文 ( 10 6c e l l1q ) z o o p l a n k t o n ，p a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r ( p o m ) a n db a c t e r i aw e r ec o l l e c t e d 1 3 co fb a c t e r i aw e r eo v e r p r i n t e db yt h el a b e l e dm i c r o c y s t i sa ss o o na st h e yw e r ea d d e di n t h ee n c l o s u r e c r u s t a c e a np l a n k t o na c c u m u l a t e d1 3 cs h o r t l ya f t e r1 3 ca p p e a r e di np o m a n db a c t e r i a m i c r o c y s t i sd e t r i t u sa n dt h ea t t a c h e db a c t e r i as e e m e dt ob eu t i l i z e db y c r u s t a c e a np l a n k t o na sa ni m p o r t a n tf o o ds o u r c ei nl a k et a i h u d u r i n gt h e s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ，t h ef l o w o fc a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c eo f m i c r o c y s t i si na q u a t i cf o o dw e b sw e r es t u d i e df r o mc a r b o na n dn i t r o g e nd o u b l el a b e l i n g m e a s u r e s z o o p l a n k t o n ，c h i r o n o m u s ，l i m n o d r i l u s ，r a d i x ，b e l l a m y a ，l a r v a ea n da d u l t so f pm o d e s l u sw e r ec o l l e c t e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t i tw a sa p p r o v e df r o m6 1 3 ca n d 5 1 5 n v a l u e st h a ts u b s t a n c ea n de n e r g yf r o mm i c r o c y s t i sc o u l db eu t i l i z e db yo t h e ra q u a t i c c r e a t u r e s d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，z o o p l a n k t o n ，l a r v a eo f 只m o d e s l u sa n dr a d xc o u l d m a k eag o o du s a g eo ft h es u b s t a n c ea n de n e r g yf r o mm i c r o c y s t i s o t h e ra q u a t i cc r e a t u r e s c o u l da l s om a k eu s eo fc a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c eo fm i c r o c y s t i si naw a y r e g a r d l e s so f t h ew a ya n dm e c h a n i s m ，m i c r o c y s t i sc a r b o nr e s o u r c eb e i n gu t i l i z e db yz o o p l a n k t o nm a y b eac o m m o np h e n o m e n o ni nl a k et a i h ua n do t h e rl a k e sw i t hm i c r o c y s t i sb l o o m sa n da l o wa b u n d a n c eo fo t h e rf o o dr e s o u r c e s h o w e v e r ，t h em e c h a n i s mo fm i c r o c y s t i sc a r b o n r e s o u r c eb e i n gu t i l i z e db yo t h e ra q u a t i cc r e a t u r e sw a sn o tc l e a r t h ec o n t r i b u t i o nr a t eo f m i c r o c y s t i sd e t r i t u sa n dt h ea t t a c h e db a c t e r i at oo t h e ra q u a t i cc r e a t u r e sn e e df u r t h e rs t u d y b a c t e r i aa t t a c h e do nt h em i c r o c y s t i sd e t r i t u sm a yi m p r o v et h ef o o dq u a l i t yi nl a k et a i h u ， a n dt h e ym a yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h et r o p h i cp r o c e s s k e y w o r d s ：8 1 3 c ；8 1 5 n ；f o o dw e b s ；m i c r o c y s t i s ；f i s h ；z o o p l a n k t o n i v 微囊藻对食物网的贡献一一碳、氮稳定同位素标记实验 缩略表 i f ：同位素分馏( i s o t o p ef r a t i o n a t i o n ) i e ：同位素效应( i s o t o p ee f f e c t ) e i e ：平衡效应( e q u i l i b r i u mi s o t o p ee f f e c t ) k i e ：动力效应( k i n e t i ci s o t o p ee f f e c t ) t p ：营养级位置( t r o p h i cp o s i t i o n ) t i n ：总无机氮( t o t a li n o r g a n i cn i t r o g e n ) t n ：总氮( t o t a ln i t r o g e n ) t p ：总磷( t o t a lp h o s p h o r o u s ) c o d 化学耗氧量( c h e m i c a lo x g e nd e m a n d ) p o m 颗粒有机物( p a r t i c l e so r g a n i cm a t t e r ) e p a ：二十碳五烯酸( e i c o s a p e t a e n o i ca c i d ) d h a ：二十二碳六烯酸( d o c o s a h e x a e n o i c a ) p p l ：蛋白磷酸酶1 ( p r o t e i n p h a t a s e1 ) p p 2 a 蛋白磷酸酶2 a ( 2 ap r o t e i n p h a t a s e ) v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密 乙 如需保密，解密时间年 月日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生张季乡馋 帆炒3 年钿之日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 文的全部或部分内容。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 学位论文作者始季犯铅铷签名= 吾o n 冬 签名日期：加。猡年f 月乙日 签名日期：弘州彦年占月砂日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 微囊藻对食物网的贡献一一碳、氮稳定i 叫位素标记实验 第一章碳、氮稳定同位素技术在水生生态学研究中的应用 近2 0 年来，稳定同位素技术已经成为研究生态系统特征与过程的重要手段之 一。其原因主要是稳定同位素的分馏效应使得不同元素的同位素在自然界中各种生 物地球化学过程中产生了丰度的变化，造成不同物质或同一物质内部的同位素分布 不均匀。这些信息帮助生态学家提高甚至纠正了以往对生态系统的认识，解决了很 多生态学家用其他技术不能解决的问题，开阔了我们的生态学研究视野。 稳定同位素技术在揭示有机物质在食物网中的循环路径和探究消费者之间的营 养关系方面具有很大的优势( h a n s s o na n dt r a n v i k ，2 0 0 3 ；k r i t z b e r ge ta l ，2 0 0 4 ； m c c a l l i s t e r e t a l ，2 0 0 4 ) 。稳定同位素的主要优点在于样品采集对被研究的生态系统 影响非常小，同时也更好的反应了生态系统中物质循环和能量流动以及生物与生物、 生物与环境间的中长时间尺度的变化。但是，这个技术也不是完美无缺的。由于各 种生物生理生态特征的差别，和环境条件变化的不确定性，多种误差并存。最近的 研究表明，通过同位素质量混合动态模型对生态系统的时空变化进行跟踪，可以减 少误差，提高同位素标记技术估算无机营养和有机物对食物网和生态系统贡献的准 确性( r e i t e re ta l ，2 0 0 2 ；h a m i l t o ne ta 1 ，2 0 0 4 ，c a r p e n t e re ta 1 ，2 0 0 5 ) 。随着该技术 和稳定同位素质谱仪的普及，越来越多的生态学家将有机会使用稳定同位素标记技 术解决他们在研究中遇到的难题，并逐步完善和发展该技术。 1 1 稳定同位素基本特征概述 同位素是指具有相同质子数和不同中子数的原子。根据稳定性不同，同位素被 分为放射性同位素和稳定同位素两大类。能自发的进行某种核蜕变的同位素称为放 射性同位素，而不能进行某种核蜕变的同位素称为稳定同位素( s c h i m e l ，1 9 9 3 ) 。而 自然界天然存在的同位素被称为天然同位素，通过人工合成得到的同位素被称为人 工同位素。 由原子量的变化使得元素化学性质核物理性质发生改变的现象称为同位素效 应( i s o t o p ee f f e c t s ) 。虽然同一元素的不同同位素之间的理化性质差异微小，但是经 过物理、化学和生物的过程之后，体系同的不同部分( 例如反应物和产物) 的同位 素组成仍将发生微小的、但可以测量的改变，这种现象称为同位素分馏( i s o t o p e f r a c t i o n a t i o n ) ，其程度与同位素质量差成正比。 华中农业人学2 0 0 8 届硕i ：学位论文 图1 1 生态系统中6 ”c 的循环分配情况。单箭头表示c 0 2 的流动方向，双箭头表示 同位素分馏达到的平衡( 自p e t e r s o na n df r y1 9 8 7 ) f i g u r e1 - 1t h e6 1 3 cd i s t r i b u t i o ni ne c o s y s t e m s s i n g l ea r r o w si n d i c a t ec 0 2 f l u x e s t h ed o u b l ea r r o ws i g n i f i e sa ne q u i l i b r i u mi s o t o p ef r a c t i o n a t i o n ( f r o mp e t e r s o n a n df r y1 9 8 7 ) 平衡效应( e q u i l i b r i u mi s o t o p ee f f e c t ) ：是不同化合物之间、不同相之间或单个分 子之间发生同位素分配变化的反应。反应前后的分子数、化学组分不变，只是同位 素浓度在分子组分间重新分配。原则是重的同位素倾向于高键能的分子。例如，当 c 0 2 水合形成h c 0 3 - 时，由于同位素平衡效应，1 3 c 积累在h c 0 3 。，而1 2 c 积累在 c 0 2 ( m o o k e ta l ，1 9 7 4 ) 。 动力效应( k i n e t i ci s o t o p ee f f e c t ) ：是指物理或化学反应过程中同位素质量不同所 引起的反应速率的差异。在不可逆反应中，结果总是导致轻同位素在反应产物中富 集。例如，水生植物光合作用时，优先吸收1 2 c 0 2 ，导致水中的无机碳库1 3 c 富集。 但是，在植物光合作用旺盛时，有时由于受水中碳源的限制，植物的同位素分馏效 应下降，植物的6 1 3 c 上升。因此6 好c 可以用作植物生长和大气c 0 2 浓度变化的指 标。又如，水蒸发时，h 2 1 6 0 比h 2 1 8 0 蒸发的快，因此水域的6 1 8 0 值上升。 2 微囊藻对食物网的贡献一一碳、氮稳定h 位素标记实验 图1 2 生态系统中6 1 5 n 的循环分配情况( 自p e t e r s o na n df r y1 9 8 7 ) f i g u r e1 - 2t h e6 1 s nd i s t r i b u t i o ni ne c o s y s t e m s ( f r o mp e t e r s o na n df r y1 9 8 7 ) 1 2 稳定同位素分析结果的表达 一般定义稳定同位素比值为某一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度 之比，例如1 3 c 1 2 c 和1 5 n 1 4 n 等。但是在实际的质谱分析过程中所涉及到的相应分子 的质量差比值极难测准，一方面是因为在质谱仪测定同位素的过程中存在分馏现象， 另一方面因为同位素地球化学研究中处理的同位素比值变化及其微小，为测定增加 了相当大的难度。 实际测量工作中是采用相对测量法，即将所测样品( s a m p l e ) 的同位素比值与 相应的标准物质( s t a n d a r d ) 的同位素比值做比较。比较结果称为样品的稳定同位素 比率，即6 值，其定义为： 8 x ：( r s a m p l e - - r s t a n d a r d ) 1 0 0 0 r s 鼬缸暇 式中，x 代表所测定的重同位素( 例如1 3 c 和1 5 n ) 的千分值，r 。锄讲。代表质谱 仪所测得的同位素比值，对碳同位素是1 3 c 1 2c ，对于氮同位素是1 5 n 1 4n ( 图1 2 ) 。 国际通用的标准物质对碳同位素是美国南卡罗来纳州p e e d e e 建造中白垩纪的拟箭 石( p d b ) ，对于氮同位素是大气氮。所得的比值就是重同位素的比值。当6 值为负 3 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 值时，表明样品的重同位素含量低于标准物质的含量( m a r i o t t i ，1 9 8 4 ；f r ye ta 1 ， 2 0 0 2 ) 1 3 样品的稳定性同位素分析 1 3 1 样品保存 妥善的保存方法是保证样品同位素比值精度的一个首要条件。生物样品通常的 保存方法是浸泡在1 0 福尔马林( l o r r a i ne ta 1 ，2 0 0 3 ；e d w a r d se ta 1 ，2 0 0 2 ) ，或者 是7 5 的乙醇，更为标准的方法是1 0 福尔马林浸泡两星期，随后转移到7 0 9 0 的乙醇中( a r r i n g t o na n dw i n e m i l l e r ，2 0 0 2 ) 。相比于冷冻保存的样品，福尔马林和乙 醇引起了氮稳定同位素的显著波动，变化幅度在一0 1 8 0 5 3 o 之间。目前，冷冻是 最理想的样品保存方法，研究表明，冷冻样品与冷冻干燥样品的稳定同位素比率没 有什么显著差异( b o s l e ya n dw a i n r i g h t ，1 9 9 9 ；s a r a k i n o se ta l ，2 0 0 2 ) 浮游植物和悬 浮质样品采集主要是使用预烧过的玻璃纤维滤膜( 5 5 0o c ) 过滤水样获得( h o b s o n e ta 1 ，1 9 9 7 ) 。如果样品含有碳酸钙( 如沉积物和悬浮质样品) ，要对样品进行酸化 ( d e n i r oa n de p s t e i n 。1 9 7 8 ) 。有研究表明，用盐酸酸化的过程会影响样品的氮同位 素比率( b u n ne ta 1 ，1 9 9 5 ；p i n n e g a ra n dp o l u m i n ，1 9 9 9 ) ，所以，在样品需要酸化处理 的情况下，应该分为两部分，一部分酸化用于碳稳定同位素比率测定，另一部分不 酸化用于氮稳定同位素比率测定。 1 3 2 样品处理 对于土壤和生物样品，目前的同位素分析通常包括以下几个步：样品采集、归 类、干燥、研磨、包装和质谱分析。首先，采来的样品要进行分类、描述、清除杂 质。如果样品含有碳酸钙，对样品要进行酸化，以除去无机碳( 6 1 3 c 值常高于有机 物) ，样品在6 0 。c 干燥后研磨成粉，以保证样品完全均匀。每个样品所需的重量 因分析项目( 1 3 c 或1 5 n ) 和样品有机物含量不同而异，一般在1 5 毫克之间。然后 把称好的样品装入小锡囊( t i n c a p s u l e ) 。对水样品做同位素分析比较复杂，本实验中 没有用到。 4 微囊藻对食物网的贞献一一碳、氮稳定同位素标记实验 1 3 3 质谱分析 用于稳定同位素分析的仪器称为稳定同位素质谱仪。质谱仪只能分析纯气体。 样品必须在高温下气化，所产生的c 0 2 和n 2 通过冷冻技术分别分离纯化。在质谱 仪里，c 0 2 或n 2 被离子化，离子在磁场的作用下按不同质荷比在飞行管里分离， 被收集器收集和记录。现在的质谱仪大都有能力完成从样品气化，提纯和分析整个 过程，并且从一个有机样品可以得到6 1 3 c ，8 1 5 n ，c 和n 四个数值。因此节省大 量的人力，材料和时间，分析费用也大大降低。由于利用质谱仪进行稳定性同位素 分析时所需样品量极少，样品被污染的几率极大，所以样品制备的基本要求是处理 过程中不能发生或者尽量减少同位素分馏，并且没有外来物质进入。具体要求是： ( 1 ) 转换率趋近于1 0 0 ，保证稳定同位素组成不变。这要求除了样品向待测气体 转换的化学反应外，没有消耗待测元素的次级反应；( 2 ) 所用试剂、盛放器皿均不 含有可能与待测样品进行化学反应( n - - i 以引起同位素组成改变的化学反应) 的物质； ( 3 ) 待测气体化学性质稳定，并且质量数易于检测；( 4 ) 测量系统中和测量过程 中不存在与待测气体质量数相同或相近的其他气体分子( 徐军，2 0 0 5 ) 。 1 4 稳定同位素分析数据解释 1 4 1 生物体稳定同位素比率的变化特征 d e n i r o 和e p s t e i n ( 1 9 7 8 ) 使用已知碳稳定同位素组成的食物饲养了一些生物 物种，发现与食物相比，消费者的碳稳定同位素比率增加了约1 ，变化范围为 0 6 2 7 o ) 。这种增加对某些生物来说可以忽略不计( h a i n e sa n dm o n t a g u e ，1 9 7 9 ； f o c k e na n db e c k e r , 1 9 9 8 ；p o s t2 0 0 2 ) 。因此，动物的8 1 3 c 值主要由食物的稳定同位素 决定，与动物生长关系不大。而且，动物在吸收食物中的营养时”c 分馏效应不明 显，所以动物的6 1 3 c 值与所吸收的营养几乎是一样的( d e n i r oa n de p s t e i n ，1 9 7 8 ) 。 因此，动物的6 1 3 c 值是研究食物来源，迁徙洄游的有力工具。因为动物排泄的n 废 物中的n h “含1 4 n 比食物高，从而导致了高营养级生物的氮稳定同位素相对较高。 与食物相比，动物的氮同位素值平均高于其食物的同位素值3 4 o ( m i n a g a w aa n d w a d a ，1 9 8 4 ；a l t a b e ta n ds m a l l ，1 9 9 0 ) 。因此动物的8 1 5 n 值往往用来衡量动物在食物 网中营养位置。 5 华中农业人学2 0 0 8 届硕| ：学位论文 当生物食性发生变化时，主要有两种机制引起生物的同位素比率变化：一种 就是个体的生长，即生长过程中新生组织对旧组织同位素组成的稀释作用；另一种 就是个体组织的代谢周转速度，即新生组织对旧组织的替换作用，这种机制在生物 没有净增长的情况下依然起作用。因此，食物改变后，在生物体内同位素的变化速 度因生物的生理生长情况而异。不同组织反应食性转变侯的稳定同位素的速度也不 同( j o h a n n s s o ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。t i e s z e n ( 1 9 8 3 ) 报道肝脏的代谢周转速度最快，而 毛发的速度最慢。 1 5 稳定性同位素技术在水生态系统研究中的应用 1 5 1 生物食性发生变化的研究 碳、氮稳定同位素可以用于判断生物生命过程中食性转变，已有研究主要包括： 水生态环境的恶化引起的生物食性的改变；个体发育过程中的食性转变；外来物种 入侵后食物网结构的变化以及食性的转变( m i t c h e l le ta l ，1 9 9 6 ；k i d de ta l ，1 9 9 9 ； v a n d e r z a n d e ne t a l ，1 9 9 9 b ) ；凶猛鱼类的种内相残导致的食性和营养级变化( g r e y e ta 1 ，2 0 0 2 ；h a r v e ye ta 1 ，2 0 0 2 ) ；同时，具有不同稳定性同位素特征的不同生境中 的生物体组织会有不同的稳定同位素组成，这种差异可以用于追踪生物在不同食物 网间的洄游( h e s s l e i ne ta l ，1 9 9 1 ；k l i n ee ta l ，1 9 9 8 ) 。g u 等( 2 0 0 1 ) 分析了溯河产 卵的墨西哥湾鲟鱼及其可能的食物来源的碳稳定同位素比率，发现鲟鱼肌肉和淡水 食物来源的碳稳定同位素比率相差高达11 d ，这说明了墨西哥湾鲟鱼生长所需的食 物几乎全部来源于海洋中，尽管这种鲟鱼每年有大约半年的时间要在淡水中度过。 1 5 2 外来营养物质的输入和污染物质生物积累 稳定性同位素技术也用来评价人类活动( 通过大量的有机物输入) 对水生态系 统的影响。人类排放的污水稳定性同位素比率通常比污水所排入的生态系统本身的 稳定同位素比率高很多( h e a t o n ，1 9 8 6 ；l a k ee ta 1 ，2 0 0 1 ) 科学家已经证明污染物的 高稳定性同位素比率可以通过食物网传递到高营养级生产物中( h a n s s o ne t a l ，1 9 9 7 ； w a y l a n da n dh o b s o n ，2 0 0 1 ) 。一些多年生初级生产者( 例如珠蚌) 组织的6 ”n 可以 反应排入污水的6 1 5 n ( f r y ，1 9 9 9 ) ，并且已经证明和人口密度成显著的正相关关系 ( c a b a n aa n dr a s m u s s e n ，1 9 9 6 ) 。a t w e l l 等人( 1 9 9 8 ) 通过研究北极的一个海洋生 6 微囊藻对食物网的贡献一一碳、氮稳定同位素标记实验 态系统食物网不同生物类群( 包括颗粒有机物、无脊椎动物、鱼类、鸟类和哺乳动 物) 6 1 5 n 和h g 含量发现两者有显著的线形关系，证明了h g 在食物网中的生物积累作 用。 1 5 3 几种混合模型的应用 当食物来源在两种或两种以上时，可以用稳定同位素混合模型来评价不同食物 在食性中所占的比例( b i l b ye ta 1 ，1 9 9 6 ) 。当有两种食物来源并且两种食物来源的 同位素比率不同时，那么评价每种食物来源在消费者食性中所占的比重的公式为( 以 碳稳定同位素为例) ： k c a r b o n - 1 一盟篙铲 式中，k a r b 鲫为食物a 对消费者的贡献比例，6 1 3 c a 和6 1 3 c b 分别代表食物a 和食物b 的同位素比率，6 1 3 c 表示碳同位素的富集( 通常被认为等于0 o ) ，8 1 3 c c o n 。一为 消费者同位素比率。 由于6 ”n 在各食物营养级中有稳定的富集作用( 通常为3 4 o ) 。所以6 l s n n - a j 以 用于评价消费者在食物网中的营养级位置，公式如下： 脚帅伽i t i o n = 2 - + 一塑焉 式中，6 1 5 n b 雠为生态系统食物网的初级生产者或初级消费者的氮稳定同位素比 率( 即壮1 时，6 1 5 n b 黜为初级生产者的6 1 5 n ，而护2 时，6 1 5 n b 撇为初级消费者的6 ”n ； 当消费者的营养级大于2 时一般为非整数值，v a n d e rz a n d e n 等( 1 9 9 7 ) ，8 1 5 n c o n s u 一 为消费者氮同位素比率，6 1 5 n 为营养级传递过程中的富集值( 平均为3 4 d ， m i n a g a w aa n dw a d a ，1 9 8 4 ) 。当消费者利用两种6 1 5 n 不同食物来源时( 如杂食性鱼 类同时利用敞水区和沿岸带食物) ，消费者的营养级计算公式为： 脚h i cp o s i t i 伽珊盟型辩垡幽 式中0 【为两种食物来源其中一中对消费者氮的贡献比例。0 【的计算公式为： 口= 甓惫 7 华中农业人学2 0 0 8 届硕1 ：学位论文 近年来，陆源有机物在水生态系统中的作用引起了广泛的重视。通过对食物网 各营养级的同位素分析，从而对陆源有机物在不同营养型的水生态系统作用有了一 个清晰的了解。在淡水生态系统中，经常用到的一个混合模型是用来分析陆源营养 物质与内源营养物质在总生产力中所占的比例( r a u ，1 9 8 0 ；p a l m e re ta 1 ，2 0 0 1 ；c l o e r n e ta 1 ，2 0 0 2 ) ，其计算公式一般为： 口z 肠c 办历。聆。“sc=i主宰亳13主三三：差：三兰三若13 陆地碳源( 外源) 同位素值( 6 1 3 c a l l o c h t l l o n 吣) 采用实测值或标准值( - 2 8 d ) 。 本地碳源( 内源) 同位素值( 6 1 3 c 卸妣h t l l 伽。) 即浮游植物，附生藻类或大型植物的6 1 3 c 。 细菌利用d 0 1 3 c 分馏一般为一2 o ( k r i t z b e r ge ta 1 ，2 0 0 4 ) ，动物摄食时1 3 c 分馏为 1 o ( p e t e r s o na n df r y ，1 9 8 7 ) 。在多种营养物质来源共同存在且无法确定时，可以 通过人工添加稳定同位素标记的方法来进行判断( h i r o n se ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 1 6 应用稳定同位素技术判断生物食物网结构的l a $ 0 因素 首先同位素的分馏是造成生物组织间同位素组成差异的主要因素之一。富含脂 肪的组织的6 1 3 c 通常相对较低( t i e s z e ne ta l ，1 9 8 3 ) 。其次，在野外采集的动物样 品中所处营养状态对其稳定同位素组成也有明显的影响。h o b s o ne t a l ( 1 9 9 3 ) 通过 研究半饥饿状态下鹌鹑发现其肌肉、肝脏、骨骼和血液的1 5 n 有显著增加。而生物在 食物缺乏时，组织中的1 3 c 也会增加( h a i n e sa n dm o n t a g u e ，1 9 7 9 ) ，其原因主要是呼 吸作用将1 3 c 较低的c 0 2 排出体外( p e r k i n sa n ds p e a k m a n ，2 0 0 1 ) 。研究者发现生物 年龄的变化也会影响到生物稳定同位素比率的变化( k i r i l u ke ta 1 ，1 9 9 5 ，s c h w a r c ze t a l ，1 9 9 8 ) 。g a n n e s 等( 1 9 9 7 ) 认为在用动物的稳定同位素比率判断不同食物网贡 献比例的过程中，存在可能引起错误判断的主要三个原因为：( 1 ) 对不同组成的食 物的吸收效率不同；( 2 ) 同位素分馏；( 3 ) 营养物质在特定组织间的分配不同。 1 7 研究地点概况 1 7 1 地理位置 太湖是我国第三大淡水湖泊，它位于长江下游地区，介于北纬3 0 。5 5 4 0 ” 3 1 0 3 3 5 0 ”、东经1 1 9 。5 3 4 5 ”1 2 0 0 3 6 1 5 ”之间，地跨江、浙二省，北临无锡，东连苏 8 微囊藻对食物网的贡献一一碳、氮稳定同位素标记实验 州，南邻湖州西接宜兴、长兴，整个流域面积为3 6 5 0 0k m 2 。实际湖泊水域面积为 2 3 3 8k m 2 ，平均水深1 9m ，最大水深3 3 3m ，湖泊总蓄水量约4 4 4 亿m 3 。长期以 来，太湖已成为上海、无锡、苏州等大、中城市最重要的供水源地，且集供水、蓄 洪、灌溉、养殖、航运、旅游等多种功能于一体，因此，其水环境状况直接影响着 这一地区的经济发展。 梅梁湾系太湖北端一较大湖湾，地处无锡市郊，面积约1 2