高全賀 高孟春 彭艷超 吳斌斌

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

1 國(guó)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(guò)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(duì)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(duì)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(wèn)題。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界執(zhí)行了一系列全球性的大型國(guó)際海洋研究計(jì)劃。在這些計(jì)劃的發(fā)展過(guò)程中，人們認(rèn)識(shí)到海洋的諸多過(guò)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(zhǎng)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(cè)定初級(jí)生產(chǎn)力的方法開(kāi)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(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，揭示生態(tài)系中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)與能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，逐漸受到國(guó)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(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，其物質(zhì)和能量的流動(dòng)過(guò)程也都是生態(tài)學(xué)家十分關(guān)注的問(wèn)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(kāi)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(yíng)養(yǎng)關(guān)系提供了定量指標(biāo)。這一方法的基本前提是動(dòng)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(cè)定方法

2.1 樣品的預(yù)處理過(guò)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(guò)程：(1)有機(jī)物的氧化分解(燃燒過(guò)程)，(2)干擾物質(zhì)的去除，(3)碳同位素比值的質(zhì)譜分析。對(duì)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(guò)程也就是將樣品轉(zhuǎn)化成可供質(zhì)譜儀測(cè)量的純凈氣體的過(guò)程。樣品中有機(jī)碳穩(wěn)定同位素的測(cè)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(guò)程等。

目前常用的有兩種方法：(1)真空熱解法。將所測(cè)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(duì)碳同位素測(cè)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(cè)量被測(cè)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(guó)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(wèn)題及其應(yīng)用前景

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)尤其是海洋生態(tài)系統(tǒng)的研究在國(guó)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(lái)社會(huì)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(guó)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(lái)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?jī)?nèi)容：

3.1.1 動(dòng)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(guò)其穩(wěn)定同位素組成來(lái)確定其食性和食物來(lái)源，所得到的數(shù)據(jù)反映的是生物長(zhǎng)期生命活動(dòng)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(lái)源的碳驅(qū)動(dòng)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(dòng)。通過(guò)測(cè)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(dòng)。

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

Fry和Quinones用以粒度篩分的浮游動(dòng)物樣品來(lái)驗(yàn)證中型浮游動(dòng)物群體生物量的減少是否伴隨有營(yíng)養(yǎng)層次的增加，結(jié)果表明除新陳代謝因素以外，營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)對(duì)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(píng)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(wèn)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(yíng)養(yǎng)級(jí)中。營(yíng)養(yǎng)級(jí)的變化表示了生物攝食能量學(xué)或從初級(jí)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(yú)、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(duì)近年來(lái)越來(lái)越嚴(yán)重的水體富營(yíng)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(guò)程和對(duì)水體及生態(tài)系統(tǒng)各營(yíng)養(yǎng)層次的影響，赤潮消失原因及對(duì)赤潮的預(yù)防。Stree和Montagna曾對(duì)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(jí)捕食者對(duì)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(chǎng)生物放大作用的方法，與常規(guī)的污染調(diào)查相結(jié)合來(lái)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(duì)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(lái)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(dòng)中的作用，并在復(fù)雜的食物網(wǎng)中建立起連續(xù)的營(yíng)養(yǎng)位置(trophic position)，而不只是離散的營(yíng)養(yǎng)級(jí)(trophiclevel)在生態(tài)轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)研究中，同時(shí)測(cè)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(cè)量動(dòng)物在食性轉(zhuǎn)換過(guò)程中動(dòng)物肌肉組織碳同位素組成的相應(yīng)變化過(guò)程，可能用于研究在更為復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件下動(dòng)物的食性轉(zhuǎn)換過(guò)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(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收過(guò)程，為我們更好地了解生物新陳代謝過(guò)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