穩(wěn)定碳同位素在海洋生態(tài)學(xué)上的應(yīng)用

高全賀 高孟春 彭艷超 吳斌斌

（1、中國海洋大學(xué)，山東 青島 266000 2、珠海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 珠海 519015）

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

利用穩(wěn)定碳同位素可以研究海洋生物地球化學(xué)過程、全球海洋通量、研究全球碳循環(huán)和全球氣候變化。穩(wěn)定碳同位素作為一種有效的手段在生物地球化學(xué)的研究中有著廣泛的應(yīng)用：1947年Urey發(fā)表了關(guān)于同位素物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)的文章，奠定了現(xiàn)代同位素地球化學(xué)的基礎(chǔ)。穩(wěn)定同位素生物地球化學(xué)領(lǐng)域的早期工作實(shí)際上還屬于探索性的調(diào)查，因?yàn)槟菚r(shí)人們對各種各樣的生物物質(zhì)和地球物質(zhì)的同位素組成知之甚少。

穩(wěn)定同位素研究的一個(gè)重要的突破發(fā)生在1960年前后，光合作用還原二氧化碳可以在不同程度上示蹤新陳代謝的產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)。穩(wěn)定同位素方法在經(jīng)歷了示蹤分子的相對反應(yīng)速度、同位素分餾的機(jī)理等基本原理的研究后轉(zhuǎn)向研究生物地球化學(xué)領(lǐng)域的具體問題。

20世紀(jì)80年代以來，國際學(xué)術(shù)界執(zhí)行了一系列全球性的大型國際海洋研究計(jì)劃。在這些計(jì)劃的發(fā)展過程中，人們認(rèn)識到海洋的諸多過程與生物資源變化密切相關(guān)，于是，多學(xué)科交叉綜合研究成為海洋生態(tài)學(xué)發(fā)展的生長點(diǎn)。穩(wěn)定碳同位素法正是應(yīng)這種需求應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)研究中。

1952年利用14C標(biāo)記測定初級生產(chǎn)力的方法開始推廣應(yīng)用于海洋調(diào)查。以穩(wěn)定同位素13C作為示蹤技術(shù)在海洋生態(tài)系研究食物鏈網(wǎng)和能量流，了解食物鏈網(wǎng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，揭示生態(tài)系中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

近海生態(tài)系統(tǒng)中水體生物事物網(wǎng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，其物質(zhì)和能量的流動過程也都是生態(tài)學(xué)家十分關(guān)注的問題，它不但有重要的理論意義，而且與生物資源的進(jìn)一步開發(fā)密切相關(guān)。但是，傳統(tǒng)的食性分析法極其繁雜。穩(wěn)定同位素方法從另一角度為研究營養(yǎng)關(guān)系提供了定量指標(biāo)。這一方法的基本前提是動物與其食物之間具有一種固定的同位素關(guān)系。

2 穩(wěn)定碳同位素的測定方法

2.1 樣品的預(yù)處理過程

常規(guī)的有機(jī)碳穩(wěn)定同位素比值分析主要包括3個(gè)過程：(1)有機(jī)物的氧化分解(燃燒過程)，(2)干擾物質(zhì)的去除，(3)碳同位素比值的質(zhì)譜分析。對碳穩(wěn)定同位素而言，就是要將樣品中的碳組分轉(zhuǎn)化成二氧化碳。樣品的預(yù)處理過程也就是將樣品轉(zhuǎn)化成可供質(zhì)譜儀測量的純凈氣體的過程。樣品中有機(jī)碳穩(wěn)定同位素的測定預(yù)處理步驟主要包括樣品的采集與保存、干燥、粉碎、氣化、純化過程等。

目前常用的有兩種方法：(1)真空熱解法。將所測樣品裝入石英管中，加入適量的CuO、Cu以及Ag或Pt作催化劑，抽真空密封后在800℃下反應(yīng)2h。最后，采用冷凍分離和冷凍吸附法提純并分離出供質(zhì)譜分析用的CO2。(2)濕式氧化法。對碳同位素測定因其回收率不如燃燒法，目前已基本不采用此法了。

2.2 質(zhì)譜儀分析

應(yīng)用質(zhì)譜儀測量被測生物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)之間的碳穩(wěn)定同位素比值的差，以國際通用的“δ“標(biāo)記法表示。詳細(xì)內(nèi)容可參考有關(guān)文獻(xiàn)。

3 穩(wěn)定碳同位素在生態(tài)系統(tǒng)研究中所解決的問題及其應(yīng)用前景

對生態(tài)系統(tǒng)尤其是海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究在國內(nèi)外均起步較晚，直到20世紀(jì)60年代后期有關(guān)海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、食物鏈和生物生產(chǎn)力等方面的研究才逐漸增多。20世紀(jì)80年代以來社會發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步為海洋科學(xué)發(fā)展提供了新的機(jī)遇，產(chǎn)生了一系列全球性的大型國際海洋研究計(jì)劃。目前穩(wěn)定碳同位素方法應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1 研究生態(tài)系統(tǒng)的碳源及能量來源

樣品有機(jī)碳的穩(wěn)定同位素組成用于研究生態(tài)系統(tǒng)的碳源及碳循環(huán)。主要包括以下研究內(nèi)容：

3.1.1 動物的食性分析。傳統(tǒng)研究食性的方法是消化道內(nèi)含物分析法。有機(jī)碳的穩(wěn)定同位素組成方法所取的樣品是生物身體的一部分或是全部，通過其穩(wěn)定同位素組成來確定其食性和食物來源，所得到的數(shù)據(jù)反映的是生物長期生命活動的結(jié)果，較消化道內(nèi)含物分析法穩(wěn)定準(zhǔn)確。

3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)的碳源。應(yīng)用同位素方法研究何種來源的碳驅(qū)動了食物網(wǎng)，這類研究包括了各種不同的生態(tài)系統(tǒng)，諸如河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，海洋環(huán)境，湖泊生態(tài)系統(tǒng)。

3.1.3 系統(tǒng)中的能量流動。通過測定生態(tài)系統(tǒng)中各種屬的穩(wěn)定碳同位素組成，確定各種屬之間的相互關(guān)系，進(jìn)一步分析確定系統(tǒng)的能量流動。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)各生物種屬所處的營養(yǎng)位置及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)

Fry和Quinones用以粒度篩分的浮游動物樣品來驗(yàn)證中型浮游動物群體生物量的減少是否伴隨有營養(yǎng)層次的增加，結(jié)果表明除新陳代謝因素以外，營養(yǎng)動力學(xué)對于控制浮游生物群落生物量減少的模式是重要的。Wada等在用同位素資料評價(jià)河口區(qū)有機(jī)質(zhì)的傳遞與歸宿以及食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，認(rèn)為可以用陸源有機(jī)質(zhì)和海洋源有機(jī)質(zhì)的混合而得到清楚的解釋。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的研究

生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的研究天然或人為造成的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化是一個(gè)廣泛感興趣的問題。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化可以反映在其組分種屬的營養(yǎng)級中。營養(yǎng)級的變化表示了生物攝食能量學(xué)或從初級生產(chǎn)者到消費(fèi)者的能流途徑的改變。在某些特定條件下，同位素示蹤方法也可用于研究魚、蝦的遷移。

4 應(yīng)用前景

現(xiàn)在穩(wěn)定同位素與其他方法相結(jié)合，已應(yīng)用于海洋生態(tài)系統(tǒng)的很多研究領(lǐng)域，其應(yīng)用前景十分廣闊。以下的研究課題將是近幾年的研究熱點(diǎn)：

4.1 針對近年來越來越嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化和赤潮危害進(jìn)行研究，應(yīng)用穩(wěn)定同位素示蹤赤潮主要種的發(fā)展變化，可以研究赤潮的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展過程和對水體及生態(tài)系統(tǒng)各營養(yǎng)層次的影響，赤潮消失原因及對赤潮的預(yù)防。Stree和Montagna曾對得克薩斯LangunaMadre發(fā)生的赤潮進(jìn)行穩(wěn)定碳同位素分析，但他們是研究赤潮發(fā)生后生態(tài)系統(tǒng)相應(yīng)的變化及如何保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的頂級捕食者對具有生物放大與積累作用的陸源污染物是十分敏感的利用這一特性，天然存在的碳穩(wěn)定同位素可以成為陸源污染物在食物鏈上傳遞、放大和積累的指示劑，是一種新的定量估計(jì)陸源污染物的現(xiàn)場生物放大作用的方法，與常規(guī)的污染調(diào)查相結(jié)合來研究陸源污染物的擴(kuò)散運(yùn)移規(guī)律以及在食物網(wǎng)中的生物放大與積累作用，可為環(huán)境污染的綜合治理提供科學(xué)技術(shù)支持。

4.3 應(yīng)用雙穩(wěn)定同位素示蹤劑對1個(gè)特定海洋生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵種的研究，可以定量地計(jì)算不同食物來源的比例，有助于弄清該關(guān)鍵種在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量流動中的作用，并在復(fù)雜的食物網(wǎng)中建立起連續(xù)的營養(yǎng)位置(trophic position)，而不只是離散的營養(yǎng)級(trophiclevel)在生態(tài)轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)研究中，同時(shí)測定碳、氮同位素組成，除建立物質(zhì)(能量)總量平衡方程式之外，還可以建立碳、氮同位素質(zhì)量平衡方程式在這種聯(lián)立方程式基礎(chǔ)上求解，有助于提高研究成果的可靠性。

4.4 在實(shí)驗(yàn)室受控條件下，測量動物在食性轉(zhuǎn)換過程中動物肌肉組織碳同位素組成的相應(yīng)變化過程，可能用于研究在更為復(fù)雜的現(xiàn)場條件下動物的食性轉(zhuǎn)換過程。

4.5 采用GC-C-IRMS新技術(shù)研究有機(jī)分子化合物系列的穩(wěn)定同位素組成在生物體內(nèi)的分布，進(jìn)而了解生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程，為我們更好地了解生物新陳代謝過程提供1個(gè)行之有效的方法。

[1]洪阿實(shí)，同位素海洋學(xué)的發(fā)展：回顧與展望[J]海洋環(huán)境科學(xué)，1994，13(1):53-56

[2]Urey H C.The therm odynamic propertie of isotopic substances.[J]J Chem Soc,1947,p 1:562～581

[3]蔡德陵、張淑芳、張經(jīng)，穩(wěn)定碳、氮同位素在生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用 [J]。青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)2002，32（2）：287-295