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水生态环境中碳氮氧稳定同位素技术的使用

来源:环境科学研究 作者:杨蓉,李垒
发布于:2021-07-22 共15145字

  摘    要: 稳定同位素技术是研究环境和生态系统中元素循环途径的重要方法. 稳定同位素的丰度变化反映了自然界和生物体内混合、分馏双重作用的结果,因此可作为指标计算混合物的来源贡献,或研究造成分馏的化学反应和生物代谢路径. 从20世纪中期确立稳定同位素的基础原理,70年间该技术在地球化学、环境科学、生态学、微生物学、食品科学等领域获得了大量有价值的成果. 其中,水体作为自然环境的重要组成和人类社会的重要资源,已有诸多研究涉及稳定同位素在水环境中污染物溯源、水生态系统元素迁移转化、水生生物营养来源和营养关系等方面的应用. 通过梳理常见的碳、氮、氧稳定同位素在水环境和水生态领域的研究进展,发现污染物和食物来源分析已不局限于定性识别,基于数学模型的混合物组分定量评估方法正得到越来越多的应用;同时,为开展水体脱氮强度和通量估算、水生生物营养级计算及食物网分析,精确测量18O、15N和13C的富集程度、通过试验和调研获取运算所需的基础参数都是关键步骤. 虽然在实际应用中存在待完善之处,稳定同位素技术的前沿研究仍昭示了其整体化、精细化的发展方向. 未来与计算科学的方法学进步相结合,将为水科学研究提供更有力的技术支撑.

  关键词 :     稳定同位素;分馏;多元混合模型;硝酸盐溯源;食性分析;营养级;

  Abstract: Stable isotope technique is an important method to study element cycle in the environment and ecosystems. The change in the abundance of stable isotopes reflects the results of mixing and fractionation in nature and organisms, therefore, it can be used as an indicator to calculate the source contribution of a mixture, or study the chemical reactions and biological pathways that cause fractionation. Since the establishment of the basic principle of stable isotopes in the middle of the last century, the technology has obtained many valuable achievements in geochemistry, environmental science, ecology, microbiology, food science and other fields during the past 70 years. Among them, there have been many studies on the application of stable isotopes to evaluate the pollutant sources, element migration and transformation, food sources and nutritional relations in aquatic environment, which is an essential component of nature andasignificant resource of human society. By summarizing the research progress of common carbon, nitrogen and oxygen stable isotopes in the field of water environment and ecology, it is found that the analysis of pollutants and food sources is not limited to qualitative identification. In fact, the quantitative assessment method of mixture components based on mathematical models has been increasingly used. Meanwhile, to evaluate the intensity and flux of denitrification, or conduct the trophic level calculation and food-web analysis, it is important to measure the enrichment degree of 18O,15N and 13C accurately, and get the appropriate basic parameters for model by experiment and survey. Although some aspects still need to be optimized for practical applications, the research front of stable isotope technology shows its development direction of integrity and fineness. Combining with methodological progress of computational science, stable isotopes will provide more powerful technical support for water science research.

  Keyword: stable isotope; fractionation; multivariate mixed model; nitrate source identification; diet analysis; trophic level;

  稳定同位素指核结构稳定、不发生或不易发生放射性衰变、半衰期极长的一系列核素. 1912年,英国物理学家John Thomson发现天然氖由20和22两种不同质量数的原子组成,首次证明了常态元素稳定同位素的存在. 该技术的发展始于20世纪中期的稳定同位素地球化学领域,自然界常见的氢、碳、氮、氧、硫等元素都有超过一个的稳定同位素,研究者测定各类天然物质中元素的同位素组成,分析变化规律并推测原因所在.
 

水生态环境中碳氮氧稳定同位素技术的使用
 

  近年来,稳定同位素技术在地球化学、环境科学、生态学、微生物学、食品科学等领域得到了广泛利用[1,2,3]. 应用重点并非探究同位素丰度的分布特征,而是将其作为观测手段研究过程、开展溯源. 物理、化学和生物过程都可造成稳定同位素的丰度差异,反之稳定同位素化学性质相同,其变化不影响过程,因此可作为示踪剂为回溯环境、生物等多种因素对元素的共同作用提供科学有效的依据.

  水是生物不可或缺的基础物质,水生态环境不仅是环境科学和生态学的研究对象,其污染状况、物种分布等信息也是水资源管理的重要支撑. 随着色谱质谱联用和傅立叶变换核磁共振技术的诞生,同位素的检测手段愈加丰富,研究成本大幅降低,已有大量研究涉及稳定同位素在水体污染物溯源、水生生物食物网研究等不同方向的应用. 聚焦研究中最常见的碳、氮、氧稳定同位素,介绍了分馏和混合的基础理论及模型,水质分析方面,以氮素和硝酸盐为例探讨了N、O稳定同位素及以IsoSource和SIAR为代表的混合模型在污染物迁移转化和溯源中的应用;水生态方面,基于C、N稳定同位素特征、浓缩系数和基线生物选择综述了该技术在营养级、生态位和食性分析中的应用.

  1、稳定同位素分馏和混合的基础理论

  1.1、 改变同位素丰度变化的驱动力:分馏作用

  1.1.1、分馏作用的定义

  同位素中子数的差异使其质量和原子间结合力不同,也导致了地球化学及生物化学过程中扩散和反应速率的差异. 最终表现为同位素分馏(isotopic fractionation)效应,即一种元素的同位素以不同比例在不同物相中分配. 通常而言,轻同位素优先参与化学反应,造成动力学非平衡分馏[4]. 而当反应已达到化学平衡,不同化合物对重同位素的竞争导致了热力学平衡分馏.

  分馏效应形成了具有不同同位素丰度的物质库. 2H、13C、15N和18O等重同位素在环境中的绝对丰度低,一般接近或低于1%. 为了放大细微变化,便于比较,一般用样品和国际公认标准物质同位素比值的千分差描述稳定同位素含量,记作δ. δ值越大(越正)表示重同位素越多,越小(越负)表示轻同位素越多[5].

  1.1.2 、自然分馏

  自然界的物理过程和化学反应均会造成同位素分馏. 以氮素为例,挥发、扩散、水解、固氮、硝化、反硝化等反应体系具有不同的同位素分馏特征. 氨化作用造成的分馏仅为±1‰左右. 但硝化作用会在反应物里富集15N,浓缩系数在-12‰到-29‰之间;氨挥发也会导致NH4+里15N含量上升,氮的轻同位素更易于以NH3的形式挥发[6,7]. 李荣富等[8]的综述总结了15N在氮循环过程各环节中的分馏系数,并指出并不是所有环节的同位素分馏都得到了清晰阐述,如硝酸盐异化还原、厌氧氨氧化的分馏效应就暂未明确.

  1.1.3 、营养分馏

  生物的新陈代谢会导致同位素分馏. 呼吸和排泄优先排出营养元素的轻同位素,造成食物中的重同位素在捕食者体内富集. 研究[9,10]表明. 13C一般富集0~1‰,而15N的浓缩系数通常可达到3‰~4‰,并随着食物链进一步放大. 因此,与食物组成相近的δ13C常被用于追溯水体中捕食者的食物组成和贡献,富集程度更高的δ15N则用于开展水生态系统的营养水平研究[11,12,13,14].

  1.2 、计算源贡献的理论及方法:多源混合模型

  分馏和混合是稳定同位素研究中的两个重要概念. 分馏作用导致物质库之间的同位素丰度差异,而多个物质库的相互混合进一步造成环境中稳定同位素的复杂分布. 混合模型用数学方法推断混合物中各物质库的贡献率,被广泛应用于污染物定量溯源和捕食者食性分析.

  作为最基础的混合模型,质量平衡模型(mass-balance model)可用于n种同位素和n+1个来源的溯源计算. 最常用的是双同位素和3来源的定量评估,可以避免单一同位素的区分度不够(如NO3-里的15N). 但也有研究[15]指出质量平衡模型未考虑不确定性的影响,在混合物具有多种来源时不能使用. 为解决多来源的问题,2003年,Phillips等[16]通过对质量平衡方程组的反复迭代提出了IsoSource模型. IsoSource适用于n种同位素和>n+1个源,获得的不是点估计,而是分布. 2008年,Parnell等人开发的SIAR(stable isotope analysis in R)模型引入了不确定性和同位素分馏的考虑,其基于狄利克雷分布和贝叶斯算法,结合似然函数和逻辑先验分布计算贡献率. 吴文欢等[17]对以上三者的适用情境和使用技巧进行了详细论述.

  除质量平衡模型、IsoSource和SIAR外,IsoError、IsoEconc、IsotopeR、MixSIR等模型也在污染物溯源中有所应用,冯建祥、Hopkins等[18,19]的综述比较了它们的原理、特征和优缺点. 但在实际使用中为避免误用,还需仔细评估背景资料是否充分,科学问题、试验设计和模型选择是否合理[20].

  2 、N/O双同位素在水体氮素迁移转化及溯源中的应用

  2.1、反硝化脱氮

  氮循环是生物地球化学循环中的重要环节,生态系统中氮的输入、转化、利用和消除都是被长期探讨的科学课题. N/O双同位素用于脱氮过程研究,提供了用稳定同位素探讨元素迁移转化的范例.

  厌氧条件下反硝化菌有偏好地利用轻同位素转化成N2和N2O,造成15N和18O富集在剩余的NO3-中. 二者的同位素分馏系数比值约为2,即δ15N升高1‰,δ18O相应上升0.5‰[6]. Xue等[7]认为,实际情况下15N和18O以1.3∶1到2.1∶1之间的比例富集都可以推论反硝化的发生. 表1总结了一些分馏系数的比值. 综合脱氮前的N/O同位素比例和分馏系数之比,Panno[21]、Houlton等[22]分别试算了密西西比河和森林中因反硝化损失的氮量,为研究氮素迁移转化提供了新方法.

  表1水体脱氮过程中氮氧同位素分馏系数对比
表1水体脱氮过程中氮氧同位素分馏系数对比

  2.2、硝酸盐溯源

  我国许多地方的地表水和地下水正在面临硝酸盐污染[29,30]. 六成分图、派珀图等是硝酸盐污染分析的经典方法[31],但随着同位素方法的建立和推广,N/O双同位素被广泛用于氮源定性识别. 1998年Kendall等[6]根据大量试验结果提出了利用N/O双同位素示踪不同来源硝酸盐的经验方法,利用δ15N的差异区分来自肥料和降水中NH4+硝化、土壤氮素、有机肥与污水的硝酸盐,再通过δ18O的差异区分来自硝酸盐肥料和大气降水的硝酸盐. 此方法得到了后续研究的证实[7,32,33].

  N/O同位素溯源研究通常需要结合水化学和其他同位素数据. 例如,Min等[34]用δ15N联合NO3-浓度解释了生活污水和化肥对韩国洛东江流域地下水硝酸盐的贡献;Nyilitya等[35]利用NO3-、Cl-浓度、硼(boron, B)浓度和δ11 B探讨了肯尼亚基苏木城和Kano平原地下水硝酸盐来源及转化;Wang等[36]比较了Cl-与NO3-浓度、NO3-/Cl-比值的相关性,以讨论云南程海氮素的来源和反硝化的发生;以及在赣江流域开展的研究[37]中,分析了δ15N和NO3-水平、NO3-/Cl-比值的关系. 此外,研究地点的背景信息(如土地使用情况)[31,37]、排放负荷和入水负荷[38]等也常被用作综合分析.

  在氮源定性识别的基础上,能量化污染源贡献率的定量评估方法也逐渐受到青睐. 研究者将一系列数学模型用于地表水和地下水的硝酸盐来源探讨,得到氮源的相对贡献. 近年来,IsoSource和SIAR在我国各地得到了越来越多的应用(见表2).

  表2 稳定同位素在硝酸盐定量溯源中的应用
表2 稳定同位素在硝酸盐定量溯源中的应用

  3、 C/N双同位素在水生生物营养谱构建和食性研究中的应用

  3.1 、营养级估算

  稳定同位素在营养生态学的应用始于20世纪90年代中期. 以营养分馏为基础,聚焦水生生物体内的15N含量可反映生态系统中不同物种的营养水平. Vender等[57]发现传统食物分析和稳定同位素法得到的342种鱼类的营养级无显着性差异,证明了新方法的可靠性. 稳定同位素计算结果用连续数值标示生物在食物网中所处位置,与传统方法获得的正整数相比更能反映其在生态系统中的真实状况[58].

  捕食者和食物之间较确定的δ15N差值是稳定同位素用于营养级关系计算的基础,根据实际需要选用有针对性的浓缩系数和基线生物是开展研究的前提. 通过试验或文献调研,Minagawa等[10]提出15N浓缩系数的平均值(±误差)为3.4±1.1‰,其后Post[59]和Mccutchan[60]的结论分别为3.4±0.98‰和2.2±0.18‰. Mccutchan同时发现针对不同的食物结构和捕食者部位,15N呈现出不同的富集模式. Zanden等[61]按照生物分类(鱼类和无脊椎动物)、栖息地(海水和淡水)、调查方式(实验室和野外)及食物类型(肉食和植食)比较了15N的浓缩系数,发现后两者有显着性差异(P<0.05),但整体在3‰上下. 国内万祎和蔡德陵等[62,63,64]分别通过渤海湾水生生物网调查和鳀鱼养殖试验得出了3.8‰和2.5‰的15N浓缩系数并得到应用,但很多研究还是采用3.4‰[65,66,67].

  通常情况下浮游植物的数量变动剧烈,不适合反映水域时间和空间的平均信息,因此基线生物多选用研究水域中常年存在、食性单一的浮游动物或底栖动物[68]. 如李红燕、魏虎进等[63,69]以水体浮游动物优势种中华哲水蚤、太平洋纺锤水蚤、针刺拟哲水蚤作为基线生物,以其δ15N值为基线值. 也有研究[59]认为浮游动物易受外界干扰、季节波动明显,应选择个体较大、生活周期长的螺类和双壳类,如已有实际应用的福寿螺[66]、铜锈环棱螺[65]、珠蚌[70]、栉孔扇贝[67]、翡翠贻贝[68]等. 在国内,稳定同位素技术曾被用于三峡库区、太湖等淡水水域和象山港、胶州湾、流沙湾等海域的连续营养谱构建,所调查的生物、使用的基线生物和浓缩系数等详见表3.

  表3 稳定同位素在国内水域营养谱构建中的应用
表3 稳定同位素在国内水域营养谱构建中的应用

  3.2、生态位研究

  利用δ13 C-δ15 N散点图量化营养结构和生态位的方法为食物网研究提供了新思路. 在用δ13 C-δ15 N二维坐标关联同位素含量和营养功能群的基础上[77],提出δ15N 差值(δ15N Range, NR),δ13C 差值(δ13C range, CR)、总面积(Total area, TA)、平均离心距离(Mean distance to centroid, CD)、平均最邻近距离(Mean nearest neighbor distance, NND)和平均最邻近距离标准差 (Standard deviation of nearest neighbor distance, SDNND)六个指标,分别表示营养层次、食源多样性、占据生态位或食物网中营养多样性的总量、营养多样性平均水平、群落的整体密度和营养生态位分布的均匀程度[78]. 此方法量化了食物网的营养结构多样性程度和冗余度,有利于评价生态系统中每个物种的功能及生态位变化.

  张文博、谢斌等[79,80]使用δ13 C-δ15 N散点图研究了海洋渔场中小型消费者的C/N稳定同位素比值,分别分析了华南海陵湾、陵水湾两个水域和连云港海州湾不同季节的水生生物NR、CR、TA、CD、NND、SDNND时空变化. 盖珊珊、俞雅文等[81,82]将此方法用于不同生物的生态位研究,探讨了两种鱼类和两种蟹类生态位的宽度和重叠程度. 其中,盖珊珊等除NR、CR和TA外,还计算了标准椭圆面积(Standard Ellipse Area, SEA)和营养生态位重叠面积(Overlap Area, OA). SEA被认为比TA更好,且更不易受样本数量干扰[83]. OA量化了生态位的重叠程度,能更好地评价不同物种利用食物资源的竞争强弱.

  3.3、 食物源分析

  胃含物分析是开展食性研究的经典方法,通过直接解剖动物胃肠道并分析其中残留食物组成了解其食物来源. 实际应用中发现其具有一系列局限性,包括样本量小时偶然性强、不适于难以解剖的小型动物、只能反映较短时间内的摄食状况、食物残渣偏向难消化的食物类型等[84]. 与之相比,生物体内某些组织的稳定同位素具有较长的周转时间,可用来研究长生命周期内消费者对食物的代谢和吸收[85,86].

  与定性判断氮源类似,可通过对比捕食者和不同来源食物的同位素值分析食物组成. 例如,当几种潜在食源的δ13C值差异显着,消费者的δ13C落在颗粒有机物和固着藻类之间,可认为这二者是主要食物[65]. 张波等[87]根据生物的δ13C值由栖息水层加深逐渐增大,提出了崂山湾鳅虎鱼不同生命阶段摄食不同深度水生生物的变化规律. 崔莹等[88]结合中华绒螯蟹各发育阶段特点和C/N同位素比值分析其洄游期食物组成,强调了结合稳定同位素与生活习性开展分析的必要性. 定量分析方面,混合模型同样被用于食物贡献率计算,表4总结了部分应用. 此时要注意通过胃含物、文献查阅等传统方法确定食源范围,避免取回的样品缺失重要的食物来源;另外尤其针对15N等营养分馏较明显的同位素,需要选取合适的分馏系数[89].

  表4 稳定同位素在水生生物食性研究中的应用
表4 稳定同位素在水生生物食性研究中的应用

  4、 其他特定化合物稳定同位素技术

  利用N/O同位素进行硝酸盐溯源是针对化合物(或离子)中某元素开展的稳定同位素分析(compound-specific isotope analysis, CSIA)应用之一. 在环境科学领域,CSIA也被用于卤代烃、多环芳烃等有机污染物的溯源[96]. 而在微生物系统结构和生物化学过程解析方面,Ohkochi等[3]分离纯化了日本Kaiike湖中的光合色素并测定其C/N稳定同位素组成,解释了与色素相关的自养微生物的生活深度、同化途径和生物功能. Isaji等[97]测定了意大利某盐场中营养盐、叶绿素的δ15N变化,以此探讨底栖微生物中氮素的转化途径及铵态氮在初级生产中的循环利用.

  前文所述C/N同位素分析食源和营养级的研究都是将个体或组织(如肌肉)作为对象,检测同位素的整体丰度. 目前已知15N浓缩的主要原因是氨基酸代谢里的脱氨基反应有较明显的同位素分馏,导致排泄出更轻的氮同位素[10]. 因此有研究者分离作为生物标记物的氨基酸并测定其δ15N,从中获得与食物链相关的信息. 其理论基础是:生物体内以谷氨酸为代表的一类氨基酸可显着富集15N(约8‰),而苯丙氨酸等的15N含量随食物链富集程度较弱(约0.4‰),二者的δ15N值携带了浓缩系数和基线的双重信息[98]. 另有研究[99]认为,利用谷氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、赖氨酸等多种氨基酸的δ15N计算营养级可能比仅采用谷氨酸和苯丙氨酸更准确. Ishikawa等[100]总结了氨基酸氮元素的CSIA方法在食物网生态学中的应用. 于灏等[101]综述了以脂肪酸为目标化合物的CSIA在海洋食物网研究中的进展.

  随着进一步研究,还出现了针对化合物特定位置元素开展的稳定同位素分析(position -specific isotope analysis, PSIA),以获得更详细的分子内同位素分布信息[102]. 例如,一氧化二氮中氮素的PSIA方法可被用于研究硝化和反硝化过程,且在一定程度上推算二者发生的比例[103]. PSIA可以解答CSIA提出的问题,加深我们对元素在环境中归趋与去向的理解.

  5、结论与展望

  稳定同位素技术为研究自然和生物过程中的元素迁移转化提供了新手段,其在水环境和水生态领域得到快速发展,在模型方法逐渐完善的同时积累了大量有价值的数据. 但在实际应用中,还存在以下需要深入解决的问题:

  a)磷是水生态系统中的重要元素,与水域富营养化关系密切. 然而除31P外,P的其他同位素均具有放射性,无法类比C/N/O的方法研究水体中P的来源和转化. 考虑到自然界中P通常以磷酸盐形式出现,目前已出现了用PO43-中O的稳定同位素开展P循环分析与来源解析的方法. 但由于该领域起步较晚,经验不足,目前仍存在诸多问题.

  b)自然界的同位素比值极其复杂,其原因部分归结于同位素分馏系数随环境条件发生变化,且往往与混合同时发生. 因此需要认识到二者的不可分割,并在研究之前深入理解该水域中影响同位素分馏的可能因素. 以SIAR为代表、基于贝叶斯算法的模型纳入了分馏效应和不确定性的考量,建议优先选用较新的模型进行计算.

  c) 正确的参数传入是模型获得可靠结果的基础. 以营养级研究为例,获取适当的浓缩系数对后续估算十分关键. 然而目前在用的许多浓缩系数或为实验室的分馏试验结果,通常是特定生物饲喂单一来源食物所得;或为野外营养级富集结果,受野外环境复杂食源影响较大;或为二者平均,可能会掩盖多种因素对营养分馏的影响. 因此,模型的基础参数需结合实际情况谨慎选用,必要时开展进一步试验和讨论.

  整体同位素—CSIA—PSIA的进展揭示了稳定同位素技术深入化、精细化的发展趋势. 随着计算科学的发展,新的算法让基于大量数据的复杂计算变得方便快捷. 未来的研究可能依托多种计算机模型开展,如更加优化的质量守恒模型、分子/原子间相互作用模型、食物网模型等,水体中污染物的转化归趋、及水生态系统各物种相互作用都是尺度巨大、变化众多的复杂过程,方法学的进步将极大有助于稳定同位素为水科学研究提供更加合理和明确的证据.

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作者单位:北京市南水北调水质监测中心 北京市水科学技术研究院
原文出处:杨蓉,李垒.碳氮氧稳定同位素技术在水生态环境中的应用[J/OL].环境科学研究:1-15[2021-07-22].https://doi.org/10.13198/j.issn.1001-6929.2021.07.03.
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