稳定同位素生物考古学的概念、简史、原理和目标

上世纪70年代末以降,考古遗址中出土生物材料的稳定同位素分析,在考古学和生物考古研究领域越来越发挥重要作用,成为现代考古学研究的重要组成部分。国内外学界常将其定位为分析技术,从未从学科层面予以考虑和重视。鉴于同位素分析的重要性以及学科发展的迫切性,将其由分析技术层面上升至学科层面实属大势所趋。本文将之前的"稳定同位素分析"首次命名为"稳定同位素生物考古学"(简称为同位素生物考古学),将其列为广义概念下生物考古学的重要学科分支之一。本文详细介绍了稳定同位素生物考古学的概念、研究简史、分析原理和研究目标;在分析原理上,除已有的"我即我食"和"我非我食"之外,还首次提出了"我即我是"和"我即我居";并对今后如何深入开展研究进行了展望。

稳定同位素生物考古学的学科规范、认知误区和分析模型

自20世纪70年代以来,稳定同位素生物考古学在科技考古研究中的重要性越发凸显。21世纪初以降,本学科的发展进入“快车道”,吸引了大量的自然科学学者和考古学者涉足其中。然而,学科的快速发展不可避免地暴露出与稳定同位素分析密切相关的一些重要问题,如学科规范有所欠缺、一些认知误区仍然存在等。近些年来,国际学界业已开始关注这些问题并提出了相应的对策或建议。本研究拟在笔者之前反思的基础上,基于近些年以来的研究实践和思考,结合国际学界在此方面的认知,详细阐述了稳定同位素生物考古的学科规范(包括同位素的术语规范、同位素的测试规范、成岩作用的检验规范),重点聚焦和澄清同位素生物考古研究的8个认知误区。最后,首次构建了科学诠释同位素数据的分析模型。本项工作对于规范稳定同位素生物考古学的学科建设、聚焦重要科学问题或考古学问题具有重要意义。

稳定性同位素^(15)N的生物富集--以2024年江苏卷生物学第21题第(4)问为例

2024年江苏卷生物学试题第21题第(4)问:研究保护区内动物的食物结构,常用的方法有直接观察法、胃容物分析法、粪便分析法.若调查湖泊下层鱼类的食性,在上述方法中优先选用.对于食性庞杂的鱼类,可检测其所在水域中不同营养级生物体内稳定性同位素^(15)N含量,从而判断该鱼类在生态系统中的营养地位,其依据的生态学原理是.

基于碳氮稳定同位素的珠江口南沙海域渔业生物群落营养结构研究

根据2015年秋季珠江口南沙海域拖网渔业生物的调查,采用碳(C)、氮(N)稳定同位素技术,分析了珠江口南沙海域渔业生物的碳氮稳定同位素基本特征,构建了连续营养级谱,并探讨了食物网中鱼类营养级历史变化特征。结果表明:珠江口南沙海域秋季渔业生物δ^(13)C介于–29.22‰--–20.67‰,均值为(–25.89±2.08)‰,δ15N介于10.55‰-15.66‰,均值为(12.44±1.41)‰。以小型浮游动物的氮稳定同位素平均值作为基准值构建渔业生物的营养级谱,发现珠江口南沙海域鱼类的营养级范围为2.72-4.23,甲壳类的营养级范围为2.99-3.99,且各种类生物营养级跨度大。与Fishbase鱼类生态学数据库记录进行对比,发现64%的鱼类其营养级均值位于历史营养级数据范围内,27%的鱼类营养级低于历史营养级水平,只有9%的鱼类营养级高于历史营养级水平。珠江口南沙海域渔业生物总体处于受人类活动影响较大,食物网受干扰较多的状态。研究初步建立了珠江口南沙海域渔业生物群落营养结构,旨在为该海域的渔业资源科学管理和可持续利用提供理论依据。

基于稳定性同位素核酸探针技术的同化利用玉米秸秆碳微生物群落演替研究

[目的]研究秸秆分解过程中同化利用秸秆碳源的微生物生态演替过程,明确参与秸秆分解的主要微生物类群,为秸秆高效利用提供科学依据。[方法]采用^(13)C标记高丰度玉米秸秆。微宇宙室内培养试验的供试土壤为华北平原石灰性潮土。共设置3个处理:不添加秸秆(soil)、添加自然丰度秸秆(soil+^(12)C-straw)和添加13C标记秸秆(soil+^(13)C-straw)。培养30天时,结合同位素示踪与高通量测序等技术,测定秸秆添加对土壤有机碳的激发效应,分析利用秸秆碳源的细菌、真菌群落结构及其与土壤胞外酶活性的关系。[结果](1)秸秆添加显著提高了土壤CO^(2)排放,添加秸秆对土壤有机碳的激发效应在培养第1天达到峰值,土壤和秸秆CO^(2)排放比例均在培养第3天达到峰值。(2)整个培养时期共发现参与秸秆碳同化利用的细菌微生物操作分类单元(operational taxonomic units,OTU_(s))238个,真菌OTU_(s)24个。细菌OTU_(s)主要属于细菌变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)与绿弯菌门(Chloroflexi),真菌OTU_(s)主要为子囊菌门中的粪壳菌纲(Sordariomycetes)。(3)秸秆分解不同时期的微生物群落结构存在显著差异,在整个培养时期,以热单胞菌属(Thermomonas)与溶杆菌属(Lysobacter)为代表的7个细菌属快速响应秸秆添加,以假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)与土生单胞菌属(Terrimonas)为代表的6个细菌属延迟响应;两个真菌属枝鼻菌属(Cladorrhinum)与葡萄穗霉属(Stachybotrys)表现为对秸秆添加的快速响应,新赤壳属(Neocosmospora)与unclassified_f_Halosphaeriaceae为延迟响应。(4)曼特尔分析表明,细菌热单胞菌属(Thermomonas)、溶杆菌属(Lysobacter)、绿弯菌门(Chloroflexi)以及真菌裂壳菌属(Schizothecium)与碳氮转化相关土壤胞外酶活性呈显著正相关关系。[结论]外源秸秆添加对土壤有机碳产生正激发效应,显著增加了土壤CO^(2)排放。同化秸秆碳源的微生物随培养时间延长发生群落演替,细菌的热单胞菌属(Thermomonas)、溶杆菌属(Lysobacter)、绿弯菌门(Chloroflexi)以及真菌的裂壳菌属(Schizothecium)在玉米秸秆分解过程中具有重要作用,可为秸秆高效腐熟菌剂的研发提供依据。

基于稳定同位素的水生生物食物链结构特征分析

稳定碳、氮同位素(δ^(13)C、δ^(15)N)技术是研究水生态系统中物质循环、能量流动的重要手段.应用水生生物摄食过程中碳、氮稳定同位素比率会伴随食物链传递过程中分馏作用而变化的特征,以北京地区永定河流域山区河道、永定河流域平原河道、潮白河流域山区河道、北运河流域平原河道为研究对象,共布设30个样点,探究不同流域河道水生生物食物网结构变化特征,定量反映其水生生物摄食关系、营养级、食物网的冗余程度,揭示水生生物食物网结构、物质循环特征.结果表明:①北京地区不同流域河道δ^(13)C、δ^(15)N具有显著的空间异质性,不同流域呈现不同上升趋势,永定河流域、潮白河流域山区河道均总体呈现“L”型阶梯上升趋势,永定河流域平原河道呈现“”型上升趋势,北运河流域呈现“│”型上升趋势.②永定河流域、潮白河流域河道鱼类δ^(15)N总体稳定在8‰~18‰之间,显著大于北运河流域δ^(15)N(5‰~15‰).③不同流域鱼类δ^(15)N、δ^(13)C形成的矩阵与浮游动物、浮游植物、水生植物δ^(15)N、δ^(13)C形成的矩阵重叠比例呈现潮白河流域<永定河流域山区河道、永定河流域平原河道<北运河流域的特征,其中北运河流域重叠比例高达53.73%,这反映了北运河流域浮游动物、浮游植物、水生植物的冗余程度较高.④水生生物在不同流域摄食关系上表现出显著差异性,且高营养级肉食性鱼类对小型鱼类摄食比例为60%~82%,无明显偏好性,相对营养级较低的杂食性鱼类摄食偏好上总体体现出一致性,对底栖动物摄食比例总体在50%以上.未来,采用鱼类δ^(15)N、不同流域各类生物δ^(15)N、δ^(13)C分布矩阵并与新兴技术、统计方法等结合,可进一步深层次、精细化指导水生态系统结构功能评价、水生态系统调控等工作.

^(13)C稳定同位素在陆地生态系统植物-微生物-土壤碳循环中的应用

绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO_(2),是陆地生态系统的主要碳(C)源,量化光合C在植物-土壤系统间的分配,对于明确C的周转与存留、预测气候变化背景下植被和土壤C库潜力具有重要意义。^(13)C稳定同位素技术具有准确性和易操作性,在C循环研究中被广泛应用,为探究植物-土壤系统C分配、土壤微生物群落结构、C利用效率和土壤C矿化为CO_(2)通量变化等特性提供重要技术支撑。本研究首先介绍^(13)C稳定同位素的发展和标记方法,主要有^(13)C脉冲(单次与多次)标记、^(13)C连续标记、借助C_(4)土壤种植C_(3)植物确定^(13)C丰度以及不改变植被条件鉴定自然^(13)C丰度等。其次总结该技术在植物-微生物-土壤系统C循环中的应用:主要包括^(13)C同位素标记在植物-土壤系统C分配,^(13)C自然丰度技术在树木生长轮和植物群落水平C循环、土壤有机C形成与分解过程中的应用;在土壤微生物方面,概述^(13)C稳定同位素在磷脂脂肪酸、氨基糖、芯片-稳定同位素探针、纳米二次离子质谱同位素成像、荧光原位杂交-纳米二次离子质谱技术等微生物标志物上的应用。接着总结^(13)C稳定同位素方法的缺点,即^(13)C样品检测价格昂贵、由于^(13)C分馏作用影响^(13)C丰度检测不准确及^(13)C标记与微生物标志物技术结合对^(13)C标记丰度要求较高等。最后,对未来^(13)C同位素示踪技术研究提出展望:在理论上,需探究^(13)C标记底物在植物-土壤-微生物系统C分配、转化和固持的作用机制和影响机制,构建统计与验证模型;在应用上,应注重交叉学科的运用,将地理信息系统、遥感等地学技术与^(13)C稳定同位素相结合,从更广泛、更全面的角度推进陆地生态系统C循环研究。

基于同位素的极区海洋生物泵运转及机制研究

生物泵是极区海洋净吸收大气CO_(2)的重要路径之一,也是连接海洋上层和底栖生态系统的关键环节。本文概述近10年来应用放射性核素和稳定同位素的独特指示功能,系统地开展普里兹湾、阿蒙森海、宇航员海、白令海、楚科奇海和加拿大海盆等南北极海域生物泵运转规律及维系机制的研究,探究了生物固碳、颗粒有机碳输出、有机物降解、营养盐再生和有机物埋藏等过程的动力学特征及空间变化规律,揭示了淡水组分、颗粒物浓度和痕量营养盐Fe等环境因子对生物泵的影响。研究发现,海冰融水、冰川融水/河水等淡水组分通过改变水体层化、光可获得性和营养盐供给等影响了生物固碳速率、Fe吸收速率和颗粒有机碳(POC)输出通量的空间变化;有机物降解及硝化作用主导着营养盐再生过程;南极底层水形成和颗粒物跨陆架输送影响生物泵的表-底耦合状况。同时,面对未来气候变化和人类活动的双重压力,亟待加强生物泵与食物网相互作用的研究,以准确掌握极区海洋生态系统变化的规律及机制。

稳定性同位素探测技术在微生物生态学研究中的应用

稳定性同位素标记技术同分子生物学技术相结合而发展起来的稳定性同位素探测技术(stableisotopeprobing,SIP),在对各种环境中微生物群落组成进行遗传分类学鉴定的同时,可确定其在环境过程中的功能,提供复杂群落中微生物相互作用及其代谢功能的大量信息,具有广阔的应用前景。其基本原理是:将原位或微宇宙(microcosm)的环境样品暴露于稳定性同位素富集的基质中,这些样品中存在的某些微生物能够以基质中的稳定(性同位素为碳源或氮源进行物质代谢并满足其自身生长需要,基质中的稳定性同位素被吸收同化进入微生物体内,参与各类物质如核酸(DNA和RNA)及磷脂脂肪酸(PLFA)等的生物合成,通过提取、分离、纯化、分析这些微生物体内稳定性同位素标记的生物标志物,从而将微生物的组成与其功能联系起来。在介绍稳定性同位素培养基质的选择及标记方法、合适的生物标志物的选择及提取分离方法的基础上,举例阐述了此项技术在甲基营养菌、有机污染物降解菌、根际微生物生态、互营微生物、宏基因组学等方面的应用。

罗平生物群产出层位氧碳稳定同位素的初步研究

为了解云南罗平地区新近发现的罗平生物群的古环境信息,我们对其产出层位——中三叠统关岭组二段大凹子剖面的碳酸盐岩进行了全岩氧碳稳定同位素测试。测试结果显示,中三叠世安尼期Pelsonian亚期大凹子剖面δ13C值分布范围在-4.5‰～1.1‰之间,平均为-3.03‰,δ18O值分布在-5.2‰～-1.0‰之间,平均为-3.36‰。同位素数据的相关性分析显示大凹子剖面的同位素值受后期大气水参与的成岩作用影响较小。结合沉积学和古生物学的证据,我们提出了一个假说:δ13C值明显偏负的层位主要是由硫酸菌的还原作用所导致。这种活动所释放的H2S也部分解释了罗平生物群大规模死亡的原因。在排除掉成岩作用的影响之后,本剖面δ13C分布在-3.0‰～1.1‰之间,平均值为-1.44‰,δ18O分布在-3.5‰～-2.5‰之间,平均值为-2.94‰。尽管如此,与同时期其他有关剖面相比,大凹子剖面δ13C值仍然偏低,对此我们进行了探讨和解释,并利用高水位时期的δ18O数据作为基本资料对罗平地区的古海水温度进行了恢复。结果显示其温度值分布在27～32℃之间,平均为29℃左右,说明罗平地区当时气候比较温暖。

土壤养分对作物茎叶稳定碳同位素组成和生物产量的影响

在盆栽条件下 ,对甘肃省河西地区 3个灌漠土的养分限制因子进行了研究 ,并在此基础上对高粱茎叶组织稳定C同位素组成 (δ13 C)和生物产量进行了比较分析。 3种土壤的养分限制因子分别为 :金昌小井子农场土壤为P、N、Mn、Zn ,各元素缺乏程度为P >Mn >Zn >N ;武威湖里土壤为P >N ;武威白云土壤为N >Zn >Mn。作物茎叶δ13 C值的变化规律为 :3种土壤的最佳处理 (OPT)的作物茎叶δ13 C值均高于各自的其余处理 ,小井子农场、武威湖里及武威白云作物茎叶组织的δ13 C值分别为 - 12 .0‰ ,- 12 .3‰及 - 12 .3‰ ,与不施肥条件 (CK)相比作物δ13 C值的增加幅度分别为 16 .6 3%、17.15 %和 13.17%。在所有减元素处理中 ,作物茎叶组织δ13 C值与其对应的生物产量表现为相同的变化趋势 ,在最佳处理中 ,土壤养分充足、作物生长状况良好 ,因而作物茎叶组织δ13 C值最高 ,而在所有减元素处理中 ,由于减元素使得其处理的营养不足影响作物生长 ,进而引起作物茎叶δ13 C值的降低。小井子农场土壤的高粱茎叶δ13 C值 -N及 -P处理分别为 - 13.8‰及 - 13.7‰ ,武威湖里 -P处理为 - 14 .8‰ ,居最低 ,武威白云 -N及 -Zn分别为 - 13.4‰及 - 13.3‰。在加元素处理中 ,3种土壤的高粱茎叶组织δ13

大亚湾冬季不同粒级浮游生物的氮稳定同位素特征及其与生物量的关系

生物量在营养级上的分布作为一种生态系统的指示指标,可以指示因人类干扰和环境变化导致的生态系统的改变,揭示生态系统功能的差异性。调查了冬季大亚湾不同区域各粒级浮游生物的生物量大小及其氮稳定同位素丰度比值(δ15N)与环境因子的关系,通过构建营养级谱比较了大亚湾不同区域浮游食物网结构的差异。研究结果显示,浮游生物的δ15N值基本随着粒径的增大而增加,但100—212μm粒级的δ15N值为5.08‰,略低于1.2—100μm粒级的5.58‰。>500μm粒级的δ15N值最大,平均为8.16‰。在湾口和敞水带的S1、S9站各粒级的δ15N都要小于其他站位,而各粒级δ15N的最大值一般都出现在湾底的S8站。在各粒级颗粒物中,1.2—100μm粒级的δ15N最适合用来指示水体的环境状况,受陆源输入影响较小的海域的δ15N值小。生物量与氮稳定同位素构建的营养级谱的斜率与总溶解氮的浓度和氮磷比呈显著负相关关系。处于湾口的站位的营养级谱的谱线要更陡峭一些,表明该处捕食者/被捕食者的比率更低。

非传统稳定同位素在生物考古领域的应用

几十年来,放射性同位素锶（Sr）、铅（Pb）和稳定同位素氢（H）、碳（C）、氮（N）,氧（O）、硫（S）是用于人类及动物遗骸研究的同位素体系。随着质谱测试技术的发展,特别是多接受电感耦合等离子体质谱（MCICP-MS）、热电离质谱仪（TIMS）等的出现,使得对于原子质量大于40（一直到铀）的天然稳定同位素体系的分析变得容易,为生物考古学领域发展打开了新的视角。

稳定同位素技术在污染环境生物修复研究中的应用

稳定同位素技术主要应用于地球化学,它是将人工合成的同位素标记特定的化合物,追踪标记物在生命活动中的变化规律,目前该项技术也广泛应用于环境微生物学、生态学、生物医学等领域.生物修复是利用存在于土壤、地下水和海洋等环境中的生物特别是微生物将有毒、有害的污染物降解为二氧化碳和水,或转化为无害物质,从而使污染的生态环境修复为正常生态环境的过程.这些降解微生物都来自于小部份可培养微生物,对于大部份未可培养降解微生物,通常在实验室条件下很难得到.而利用稳定同位素技术,如13C标记底物,收集利用该底物的微生物核酸,就可以得到具有降解作用的功能微生物,为环境污染生物修复提供重要的菌源和功能基因.环境中的许多物质都可以用SIP来标记,这些标记物主要有PLFA-SIP、DNA-SIP、RNA-SIP等,它们都可以用来在复杂样本中进行有特殊代谢功能微生物的鉴定和分析,在利用微生物进行生物修复中具有重要的意义.

稳定性同位素探针技术在土壤功能微生物原位鉴定的应用

新近发展起来的稳定性同位素探针技术(SIP)与分子生物学方法结合,能够定向发掘复杂环境中参与特定生态过程的微生物资源,是土壤功能微生物原位鉴定的有效手段,具有广阔的应用前景。其原理是环境样品中的功能微生物代谢同化同位素标记的底物,通过对其生物标志物(即DNA、RNA、PLFA等)进行提取、分离、鉴定和比对分析,以此获取介导土壤物质转化和循环过程的功能微生物的直接信息。本文在分别介绍SIP技术在土壤功能微生物原位鉴定过程中的各种前处理方法、生物标志物选择及后续鉴定方法的基础上,综述了SIP技术在研究驱动土壤有机污染物生物降解、碳氮循环等过程的功能微生物原位鉴定的应用进展,展望了SIP技术在土壤微生物基因组学方面的应用前景。

长江口海域悬浮颗粒有机物的稳定氮同位素分布及其生物地球化学意义

对2006年2，5，8，11月份长江口海域表层水体中的悬浮颗粒物（SPM）进行稳定氮同位素分析，根据不同季节、不同区域内其伊。N值的变化研究水体中氮的迁移、转化等生物地球化学过程，揭示其环境行为，从而对该海域的氮循环机制进行探索。研究发现：该海域悬浮颗粒有机物的稳定氮同位素组成（δ^15Np）分布范围较宽，在0．6‰～8．2‰之间，具有明显的时空分布特点，反映了不同程度的陆源输入和氮的生物地球化学过程的影响。口门内，表层水体中δ^15Np的变化主要受长江径流的陆源输入影响，生物地球化学作用影响较弱；最大浑浊带，水体中的悬浮颗粒有机氮受微生物的降解活动影响明显，各季节均存在不同程度的颗粒物分解作用；外海区，陆源输入减弱，悬浮颗粒物的伊。Np值主要受微藻的同化吸收作用以及一定程度的颗粒物分解作用影响。

地下水中稳定铬同位素的生物地球化学作用

铬是地下水中常见的一种变价重金属污染物,在自然界中广泛分布且应用广泛。将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)是地下水铬污染防治中的主要策略。在Cr(Ⅵ)的非生物还原过程中存在铬同位素分馏现象,通过地下水中铬同位素组成的变化情况可以定量地指示Cr(Ⅵ)的还原程度和速率。这被认为是一个重要发现,在地下水铬污染防治中有着广阔的应用前景。文中对铬与铬的来源、地下水中铬同位素的测定方法、铬同位素的生物地球化学作用、铬同位素在地下水污染防治中的应用等进行了系统综述。研究认为:微生物广泛参与地下水中铬的氧化与还原作用,并有可能产生显著的铬同位素分馏。地下水中被还原的Cr(Ⅵ)在微生物作用下有可能被活化,用非生物还原条件下的铬同位素分馏规律指示地下水中Cr(Ⅵ)还原程度可能会产生较大的误差。开展地下水中铬同位素的生物地球化学作用研究,特别是生物氧化Cr(Ⅲ)过程中的铬同位素分馏规律研究,对于更全面地认识铬同位素的指示作用具有重要意义。

生物标志物藿烷类的单体碳稳定同位素研究

对 5个广东泥炭样品和 3个准噶尔盆地西北缘原油样品中支链烷烃和环烷烃进行了分离 ,应用色谱 -同位素比值质谱 (GC -IRMS)测定了其中藿烷类单体碳稳定同位素比值 ,研究它们的碳同位素组成变化 ,结果表明泥炭中藿烷类δ1 3C为 - 2 1 .7‰～ - 34.4‰ ,与湖相页岩和原油中藿类相比 ,相对富集1 3C ;同一样品中 ,不同碳数和不同构型的藿烷之间 ,δ1 3C相差 4.4‰～ 1 2 .8‰ ,说明同一沉积环境中可能生长具有不同碳同位素组成藿类先质的多种微生物 ,相对亏损1 3C的C2 9βα、C2 9ββ、C31 βα藿烷可能来自甲烷菌 ,相对富集1 3C的C2 9αβ、C30 αβ藿烷可能来自化学自养型细菌 ;准噶尔盆地原油中藿烷类碳同位素δ1 3C为 - 30 .6‰～ - 53.4‰ ,原油之间藿烷δ1 3C值具有明显差别 ,它们指示克乌断裂带东部原油来自二叠系 。

稳定同位素^(15)N标记螺旋藻的生物合成

15N-螺旋藻是一种重要的同位素示踪剂,应用于生命科学、药物代谢、病理代谢等研究中。由于15N原料十分昂贵,15N-螺旋藻只能由室内小规模生物培养而获得。本工作就室内培养螺旋藻的温度、光照强度、pH等条件进行了探索。结果显示,室温25℃、连续光照、光照强度3 000~4 000 lux、初始pH9.0是室内培养15N-螺旋藻的适宜条件。采用正交设计进行配方优化,优选出培养15N-螺旋藻配方。在优化条件下培养15N-螺旋藻,15N的原料成本投入大幅降低,产品丰度>98%。

基于生物质谱的乙酸酐稳定同位素标记定量蛋白质组学方法的建立与优化

建立了一种基于生物质谱的乙酸酐稳定同位素标记,定量蛋白质组学研究方法,优化了影响标记效率的各种条件。在pH8.0的Na2B4O7/H3BO3缓冲体系中,当乙酸酐摩尔浓度25倍过量于肽段摩尔量,22℃反应30 min时,标记即可完全。对多对H6/D6-乙酸酐标记肽段在基质辅助激光解吸电离质谱中的动态范围及定量准确度进行了考察,并通过串联质谱分析确定了乙酰化位点。结果表明:在10倍和30倍动态范围内,线性关系良好(r=0.99,r=0.98),理论值和观测值的偏差分别为0.5%和20%。