氮同位素概念与原理简介
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同位素、生物标识物和胞外酶分 析在生态学研究中的应用
Yakov Kuzyakov; 徐兴良; Bahar Razavi; Anna Gunina
xuxingl@hotmail.com
2016.06.09
同位素应用的尺度
生物圈同位素循环 景观生态学与同位素地图 群落生态学与入侵物种 食物链与食物网、营养级 植物竞争与生态位分化 生活史与动物迁徙 植物-微生物关系
参考书目
Boutton TW，Yamasaki SI (eds.) 1996 Mass Spectrometry of Soils. Marcel Dekker, NY Ehleringer JR, Hall AE, Farquhar GD (eds). 1993. Stable Isotopes and Plant-Carbon-Water Relationships. Academic Press Inc., San Diego, California Yakir D, Silveira L, Sternberg L. 2000. The use of stable isotopes to study ecosystem gas exchange. Oecologia 123: 297–311 Clark ID, Fritz P 1997. Environmental isotopes in hydrogeology. Rundel PW, Ehleringer JR, Nagy KA (eds.) 1989. Stable Isotopes in Ecological Research. Springer Verlag, New York. Brian F. 2006 Stable Isotope Ecology. Springer Michener R, Lajtha K. 2008 Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science, 2nd Edition, Wiley-Blackwell 郑永飞,陈江峰 编著 2000 稳定同位素地球化学 科学出版社 林光辉 2013 稳定同位素生态学 高等教育出版社
标准物质 氢同位素 碳同位素 标准平均大洋水SMOW δD=0‰, δ18O=0‰ V-SMOW国际原子能机构配置 美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石 化石PDB (已用完) δ13C=0‰, δ18O=30.86‰ V-PDB国际原子能机构配置 空气 标准平均大洋水SMOW Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite),简称 CDT
产物与底物的 同位素比值 某同位素在不同物相中的 δ值之差：ααP，∆>0表 示产物富集(enrichment) 重同位素;∆<0表示产物贫 化(deletion)重同位素
底物与产物的同位 素比值
同位素分馏类型
热力学平衡分馏(Thermodynamic equilibrium fractionation)： 当体系的其他物理、化学性质不发生变化，同位素在不同物质或者物相 中维持不变，这种状态叫同位素平衡； 在体系处于同位素平衡状态时，同位素在两种物相中的分馏称为同位素 平衡分馏。 动力学非平衡分馏(Kinetics isotope fractionation )： 指偏离同位素平衡与时间有关的分馏，如单向反应，开放系统中的水气 蒸发、水汽冷凝、扩散、结晶；原因：轻同位素结合键易断开，结果： 生物化合和生物地球化学过程中排斥重同位素。 非质量相关分馏(Mass independent fractionation)： 不服从质量相关分馏的同位素分布，如在放电或激光作用下可以发生
同位素示踪法应用原理
在所研究生态系统中，重同位素与轻同位 素行为具有一致的行为； 在同位素稀释技术中，需假定库大小恒定， 形态未随时间发生变化；
同位素研究的计算
依据标记前后的原子质量守恒定律，主要有3种 方式： 1. 低丰度的标记实验，包括自然丰度法，通常 采用混合模型(mixing model)进行计算 (Phillips & Gregg 2001,Phillips et al.(2005), www.epa.gov/wed/pages/models.htm); 2. 高丰度的标记实验，多采用原子百分超，通 过原子百分含量进行计算(Brian F. 2006 Stable Isotope Ecology)； 3. 直接采用原子质量守恒进行计算；
内
容
基本概念 应用原理
15N同位素应用
A-电子 N-中子 Z-质子
等中子
等电子
同位素
基本概念
同位素isotope：质子数相同而中子数不同的 原子
同位素类型
稳定性同位素
如13C和12C，15N和14N
放射性同位素
如87Rb87Sr
Байду номын сангаас
指某一同 位素在所 有各种同 位素中的 相对份额
基本概念
同位素丰度 (isotope abundance)
混合模型
利用2源混合模型来区分对每一个源的利用状况
δT表示总δ值，δA和δB表示A源和B源的同位素比值，fA表示来 自A源的比例（%）。fA可以由下式计算 例如测得一种木本植物木质部水的δ18O为-10.0‰（δT），当地的 雨水和土壤水δ18O分别为 -8.0‰（δA）、-15.0‰（δB），
雨水对该植物水分来源的贡献为71.4%，而土壤水贡献28.6%。
混合模型
植被变化导致土壤有机质的性质改变，可以用同位 素组成的变化来指示土壤有机质的变化速率 SOC中来自于C4- C(fC4)
fC4
δ C SOM − δ C C = 13 δ C C − δ 13C C
13 13
4 3
3
δ13CSOM：土壤中来自C3、C4植物总13C δ13CC4：玉米残留物中δ13C平均值 δ13CC3：未经扰动热带森林土壤中δ13C
0
实际工作中通常采用相对 测量法，即将待测样品的 同位素比值跟一标准物质 的同位素比值相比较，其 结果为δ，per mil
同位素标准物质
标准物质的要求： 组成均一、性质稳定 数量较大，可长期使用 化学制备和同位素测量简便 大致在天然同位素比值的中值，或极值附近 可以作为世界范围的零点
同位素标准物质
氮同位素 氧同位素 硫同位素
内
容
自然丰度法 示踪法
基本概念 应用原理
15N同位素应用
稳定性同位素自然丰度法 应用原理
指同位素质量 差异所引起的 物理与化学性质上的差异， 使物质反应前后同位素含量 产生较明显的差异，其程度 跟同位素质量成正比。
指某一反应 过程或者催 化剂对重同 位素具有的 识别和排斥 现象，从而 导致产物重 同位素含量 减少
研究内容
生物—环境 水分 CO2浓度 温度 营养元素 有机质 环境污染 重金属污染 有机污染物 大气沉降 地下水
同位素应用的三个方面
监测（被动的） – 自然丰度 – 长期的人类活动影响 – 事故 实验（主动的） – 标记与示踪 模型模拟 – 量化参数
内
容
基本概念 应用原理
15N同位素应用
fractionations in plant primary metabolism
稳定性同位素自然丰度法 应用原理
同位素分馏表示方法
同位素分馏因子 (isotope fractionation)
∆=α-1
同位素分馏值 (discrimination)
αp=RP/RS
αs=RS/RP
∆m-n=δm-δn
同位素效应 (isotope effect)
同位素分馏 (isotope fractionation) 同位素判别 (isotope discrimination)
指系统中，某一个元 素的同位素以不同的 比例分配到两种物质 或者两相中的现象， 是同位素效应的具体 表现
根本原因是同位素 的质量差异
12C/13C
指同一元素 各同位素的 相对含量
绝对丰度
相对丰度
自然界中同位素丰度变化的主要因素
与核合成相关的过程 同位素分馏
放射性元素衰变
原子百分含量 原子百分超 原子比率
基本概念
同位素测定结果的表示方法
标准物质
R=
IH_atom% IL_atom%
某一元素的重同 位素与轻同位素 的比值
一般定义
实测值
R Sa δ ( 00 ) = ( - 1) × 1000 R Std
Yakov Kuzyakov; 徐兴良; Bahar Razavi; Anna Gunina
xuxingl@hotmail.com
2016.06.09
同位素应用的尺度
生物圈同位素循环 景观生态学与同位素地图 群落生态学与入侵物种 食物链与食物网、营养级 植物竞争与生态位分化 生活史与动物迁徙 植物-微生物关系
参考书目
Boutton TW，Yamasaki SI (eds.) 1996 Mass Spectrometry of Soils. Marcel Dekker, NY Ehleringer JR, Hall AE, Farquhar GD (eds). 1993. Stable Isotopes and Plant-Carbon-Water Relationships. Academic Press Inc., San Diego, California Yakir D, Silveira L, Sternberg L. 2000. The use of stable isotopes to study ecosystem gas exchange. Oecologia 123: 297–311 Clark ID, Fritz P 1997. Environmental isotopes in hydrogeology. Rundel PW, Ehleringer JR, Nagy KA (eds.) 1989. Stable Isotopes in Ecological Research. Springer Verlag, New York. Brian F. 2006 Stable Isotope Ecology. Springer Michener R, Lajtha K. 2008 Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science, 2nd Edition, Wiley-Blackwell 郑永飞,陈江峰 编著 2000 稳定同位素地球化学 科学出版社 林光辉 2013 稳定同位素生态学 高等教育出版社
标准物质 氢同位素 碳同位素 标准平均大洋水SMOW δD=0‰, δ18O=0‰ V-SMOW国际原子能机构配置 美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石 化石PDB (已用完) δ13C=0‰, δ18O=30.86‰ V-PDB国际原子能机构配置 空气 标准平均大洋水SMOW Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite),简称 CDT
产物与底物的 同位素比值 某同位素在不同物相中的 δ值之差：ααP，∆>0表 示产物富集(enrichment) 重同位素;∆<0表示产物贫 化(deletion)重同位素
底物与产物的同位 素比值
同位素分馏类型
热力学平衡分馏(Thermodynamic equilibrium fractionation)： 当体系的其他物理、化学性质不发生变化，同位素在不同物质或者物相 中维持不变，这种状态叫同位素平衡； 在体系处于同位素平衡状态时，同位素在两种物相中的分馏称为同位素 平衡分馏。 动力学非平衡分馏(Kinetics isotope fractionation )： 指偏离同位素平衡与时间有关的分馏，如单向反应，开放系统中的水气 蒸发、水汽冷凝、扩散、结晶；原因：轻同位素结合键易断开，结果： 生物化合和生物地球化学过程中排斥重同位素。 非质量相关分馏(Mass independent fractionation)： 不服从质量相关分馏的同位素分布，如在放电或激光作用下可以发生
同位素示踪法应用原理
在所研究生态系统中，重同位素与轻同位 素行为具有一致的行为； 在同位素稀释技术中，需假定库大小恒定， 形态未随时间发生变化；
同位素研究的计算
依据标记前后的原子质量守恒定律，主要有3种 方式： 1. 低丰度的标记实验，包括自然丰度法，通常 采用混合模型(mixing model)进行计算 (Phillips & Gregg 2001,Phillips et al.(2005), www.epa.gov/wed/pages/models.htm); 2. 高丰度的标记实验，多采用原子百分超，通 过原子百分含量进行计算(Brian F. 2006 Stable Isotope Ecology)； 3. 直接采用原子质量守恒进行计算；
内
容
基本概念 应用原理
15N同位素应用
A-电子 N-中子 Z-质子
等中子
等电子
同位素
基本概念
同位素isotope：质子数相同而中子数不同的 原子
同位素类型
稳定性同位素
如13C和12C，15N和14N
放射性同位素
如87Rb87Sr
Байду номын сангаас
指某一同 位素在所 有各种同 位素中的 相对份额
基本概念
同位素丰度 (isotope abundance)
混合模型
利用2源混合模型来区分对每一个源的利用状况
δT表示总δ值，δA和δB表示A源和B源的同位素比值，fA表示来 自A源的比例（%）。fA可以由下式计算 例如测得一种木本植物木质部水的δ18O为-10.0‰（δT），当地的 雨水和土壤水δ18O分别为 -8.0‰（δA）、-15.0‰（δB），
雨水对该植物水分来源的贡献为71.4%，而土壤水贡献28.6%。
混合模型
植被变化导致土壤有机质的性质改变，可以用同位 素组成的变化来指示土壤有机质的变化速率 SOC中来自于C4- C(fC4)
fC4
δ C SOM − δ C C = 13 δ C C − δ 13C C
13 13
4 3
3
δ13CSOM：土壤中来自C3、C4植物总13C δ13CC4：玉米残留物中δ13C平均值 δ13CC3：未经扰动热带森林土壤中δ13C
0
实际工作中通常采用相对 测量法，即将待测样品的 同位素比值跟一标准物质 的同位素比值相比较，其 结果为δ，per mil
同位素标准物质
标准物质的要求： 组成均一、性质稳定 数量较大，可长期使用 化学制备和同位素测量简便 大致在天然同位素比值的中值，或极值附近 可以作为世界范围的零点
同位素标准物质
氮同位素 氧同位素 硫同位素
内
容
自然丰度法 示踪法
基本概念 应用原理
15N同位素应用
稳定性同位素自然丰度法 应用原理
指同位素质量 差异所引起的 物理与化学性质上的差异， 使物质反应前后同位素含量 产生较明显的差异，其程度 跟同位素质量成正比。
指某一反应 过程或者催 化剂对重同 位素具有的 识别和排斥 现象，从而 导致产物重 同位素含量 减少
研究内容
生物—环境 水分 CO2浓度 温度 营养元素 有机质 环境污染 重金属污染 有机污染物 大气沉降 地下水
同位素应用的三个方面
监测（被动的） – 自然丰度 – 长期的人类活动影响 – 事故 实验（主动的） – 标记与示踪 模型模拟 – 量化参数
内
容
基本概念 应用原理
15N同位素应用
fractionations in plant primary metabolism
稳定性同位素自然丰度法 应用原理
同位素分馏表示方法
同位素分馏因子 (isotope fractionation)
∆=α-1
同位素分馏值 (discrimination)
αp=RP/RS
αs=RS/RP
∆m-n=δm-δn
同位素效应 (isotope effect)
同位素分馏 (isotope fractionation) 同位素判别 (isotope discrimination)
指系统中，某一个元 素的同位素以不同的 比例分配到两种物质 或者两相中的现象， 是同位素效应的具体 表现
根本原因是同位素 的质量差异
12C/13C
指同一元素 各同位素的 相对含量
绝对丰度
相对丰度
自然界中同位素丰度变化的主要因素
与核合成相关的过程 同位素分馏
放射性元素衰变
原子百分含量 原子百分超 原子比率
基本概念
同位素测定结果的表示方法
标准物质
R=
IH_atom% IL_atom%
某一元素的重同 位素与轻同位素 的比值
一般定义
实测值
R Sa δ ( 00 ) = ( - 1) × 1000 R Std