稳定同位素分析技术在农田生态系统土壤碳循环中的应用

加强农田土壤碳动态变化过程和调控机制的认识,对于深入认识陆地生态系统碳循环过程和准确估算全球碳平衡有着重要意义。稳定碳同位素作为一种天然的示踪物,较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在农田生态系统土壤碳循环研究中得到广泛应用。采用稳定碳同位素自然丰度法或示踪技术,研究农田生态系统大气-作物-土壤连续体中碳同位素变化规律,能够较真实地反映土壤有机碳的累积及其分解转化过程。本文概述了农田生态系统碳素循环诸过程中的13 C同位素分馏机制,稳定碳同位素质谱分析技术的基本原理与方法,以及近年稳定碳同位素自然丰度或示踪法在农田生态系统土壤碳循环研究中的一些应用实例,并针对当前研究存在的问题进行总结。

稳定性碳同位素技术在生态学研究中的应用

植物光合作用是自然界产生碳同位素分馏的最重要过程 ,也是碳同位素技术在生态学研究中应用的基础。最初 ,碳同位素主要应用于光合途径的鉴别。随着技术的不断完善和研究的不断深入 ,目前此项技术在生态学研究的许多领域都得到了广泛的应用。作者从植物叶片、功能群、群落冠层、生态系统以及全球等几个不同的尺度上 。

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。

基于稳定碳同位素技术的痕量动物油和植物油的区分检验研究

本文以鸡油和猪油为例,旨在运用稳定碳同位素技术建立区分痕量动物油与植物油的区分检验方法。先在实验室内制备猪油和鸡油样品,然后运用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、气相色谱-同位素比值质谱仪(GC-IRMS)和元素分析-同位素比值质谱仪(EA-IRMS)对猪油和鸡油的脂肪酸组成与其全油和脂肪酸的稳定碳同位素比值进行了研究。结果显示:鸡油的δ13C值处于-21.58‰至-18.30‰(脂肪酸:-21.58‰^-18.30‰;全油:-19.82‰^-19.30‰)的区间;猪油的δ13C值处于-22.16‰至-16.15‰(脂肪酸:-22.16‰^-16.15‰;全油:-18.70‰^-16.83‰)的区间;鸡油和猪油的δ13C值与大多数植物油的δ13C值存在显著差异。因此,基于动物油与植物油在δ13C值方面存在的显著差异性,建立区分痕量动物油和植物油的高灵敏的检验方法。

稳定性同位素技术与Keeling曲线法在陆地生态系统碳/水交换研究中的应用

稳定性同位素技术和Keeling曲线法是现代生态学研究的重要手段和方法之一。稳定性同位素能够整合生态系统复杂的生物学、生态学和生物地球化学过程在时间和空间尺度上对环境变化的响应。Keeling曲线法是以生物过程前后物质平衡理论为基础,将CO2或H2O的同位素组成(δD、δ13C或δ18O)与其对应浓度测量结合起来,将生态系统净碳通量区分为光合固定和呼吸释放通量,或将整个生态系统水分蒸散区分为植物蒸腾和土壤蒸发。在全球尺度上,稳定性同位素技术、Keeling曲线法与全球尺度陆地生态系统模型相结合,还可区分陆地生态系统和海洋生态系统对全球碳通量的贡献以及不同植被类型(C3或C4)在全球CO2同化量中所占的比例。然而,生态系统的异质性使得稳定性同位素技术和Keeling曲线法从冠层尺度外推到生态系统、区域或全球尺度时存在有一定程度的不确定性。此外,取样时间、地点的选取也会影响最终的研究结果。尽管如此,随着分析手段的不断精确和研究方法的日趋完善,稳定性同位素技术和Keeling曲线法与其它测量方法(如微气象法)的有机结合将成为未来陆地生态系统碳/水交换研究的重要手段和方法之一。

基于稳定性同位素核酸探针技术的红壤微生物底物利用策略研究

外源活性碳底物输入强烈影响土壤微生物的生长,但是在系统发育分类水平上,细菌和真菌对活性底物的动态响应及利用特征和微生物群落组成的关系仍不清楚。以红壤为研究对象,采用;C标记葡萄糖为底物进行模拟培养并定期取样,利用稳定性同位素核酸探针(DNA-based stable isotope probing,DNA-SIP)和高通量测序技术分析活性的真菌和细菌类群,并探讨不同微生物利用葡萄糖来源碳的动态特征。研究发现,微生物群落对葡萄糖的利用符合从细菌向真菌演替的r/K选择策略。在细菌群落中,隶属于富营养菌的变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)对活性底物的利用能力显著高于寡营养菌的酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)。和细菌的底物利用策略不同,真菌子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)在整个培养期间均可以利用葡萄糖和土壤原有组分。因此,葡萄糖的连续加入并未改变不同营养类型细菌的底物利用策略,而真菌对底物的利用具有广谱性特征,活性底物可诱导真菌对土壤原有组分的利用。

稳定碳同位素分析技术及其在地球化学中的应用

随着稳定同位素分析测试技术的逐步完善,碳同位素在地球化学中的应用也越来越广泛。总结了碳稳定同位素分析技术在环境地球化学、生态地球化学和油气地球化学中的应用。概述了生物修复研究中功能微生物的鉴定、不同环境介质中溯源研究、植被类型研究、生态链中物质能量流动研究,并重点阐述了单体烃分子系列碳同位素在油气地球化学研究中的应用。

碳稳定同位素技术在林木遗传改良中的应用

在植物水分利用特征研究领域,以δ^(13)C值和△值为分析指标的稳定同位素技术以其快速、简便的特点已逐渐被人们所接受。测定林木的δ^(13)C值来鉴定林木水分利用效率应用于遗传育种和节水生理方面的研究是目前的一个主要研究方向;植物碳稳定同位素,虽然是由遗传控制的,但环境效应仍然存在,光照和水分的可利用性是控制植物叶片δ^(13)C值的主要环境因子,影响上述2个因子的其他环境因素则会对δ^(13)C值产生间接影响, 研究环境对δ^(13)C值的影响对于我们了解不同树种的水分利用特点,并根据生境选择合适的树种具有指导意义。与在作物上应用相比,碳稳定同位素技术在林木上应用还处在探索时期,进一步加强对碳稳定同位素技术的应用研究,对于提高育种效率和水平具有重要意义。

碳、氮、氧稳定同位素生产技术现状及发展趋势

碳、氮、氧稳定同位素从分离成功至今已经走过了半个多世纪的历程;生产能力实现了从百克级实验室规模到数公斤级批量生产,以及百公斤级大规模生产三个阶段的跨越;而分离技术方面也实现了从热扩散法、色谱法、离子交换法为代表的第一代分离技术,以化学交换法、精馏法为代表的第二代分离技术,以及以物料循环利用、能源耦合、节能减排等技术创新为特点的第三代大规模生产技术的提升。当前,13 C的生产全部是低温精馏法,15 N的生产方法是NO/HNO3化学交换法及NO低温精馏法,18 O的生产方法是水精馏法、NO低温精馏法及O2低温精馏法。这些分离方法共同的特点是在工艺上实现能源高度耦合、物料循环利用、达到了规模化生产,并实现了节能减排。今后,继续通过科技创新,开发环境友好、原料价廉易得、低能耗、低成本、大规模生产的分离技术将是稳定同位素分离产业不断发展的主旋律。

稳定同位素探针技术在环境微生态领域的应用

介绍了稳定同位素探针技术的概况,并对稳定同位素探针技术在环境微生态领域中的应用和其局限性进行了概述,为探索微生物种群结构和功能等微生态学研究提供了强有力手段。

^(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。

基于碳氮稳定同位素特征差异的三七真伪判别

利用稳定同位素质谱技术,分析三七及其伪品(莪术、姜黄、菊叶三七、竹节参、水三七、景天三七)的碳、氮稳定同位素比值特征,探讨该技术用于三七真伪判别的可行性。建立元素分析-稳定同位素质谱法,测定三七、三七伪品中δ^(13)C值、δ^(15)N值,结果表明三七与伪品δ^(13)C值有显著差异(P<0.05)。通过测定三七、三七伪品中δ^(13)C值这一关键鉴别因子,结合δ^(15)N值,可将三七与这几类伪品分开;对随机购买的三七粉样品的真伪鉴别结果表明,稳定同位素质谱技术能有效鉴别三七真伪,可用于对市售三七类中药材的真伪鉴别,以期为三七类制品的质量安全提供技术支撑。

应用稳定同位素探针技术在多环芳烃环境行为与归宿研究新进展

多环芳烃（PAHs）由于其持久性、生物富集效应和＂三致＂作用,对人类健康和生态环境构成极大威胁。其中,高环PAHs的高生物毒性和低生物可利用性使其具有高残留和高风险的特点,其环境行为和自然衰减逐渐成为当前研究热点。微生物降解是环境PAHs自然衰减的重要途径,也是PAHs污染土壤的主要修复手段。现阶段PAHs降解微生物的研究主要针对低环PAHs,依靠传统分离培养技术,其环境降解和代谢途径已相对清晰。

稳定同位素探针技术结合宏基因组学在探究环境污染物微生物转化/降解过程中的应用进展

稳定同位素探针技术(SIP)结合宏基因组学在环境污染物微生物转化/降解研究中的应用已逐渐成为趋势.该组合技术不依赖纯培养方法,能够从复杂自然环境中鉴定出具有特定代谢功能的微生物类群,揭示污染物的微生物代谢途径,在研究污染物的原位微生物转化/降解过程方面具有显著优势.本文综述了该组合技术在探究不同环境介质中烃类化合物及其衍生物、有机农药、重金属和新型污染物微生物转化/降解过程中的应用进展,包括功能微生物的识别和污染物微生物转化/降解机制的解析等.最后,基于该组合技术的应用现状进行了展望,提出未来该组合技术与多种原位表征技术的联用将为微生物驱动污染物的转化/降解机制研究提供更准确全面的信息.

稳定碳同位素技术在土壤有机碳循环中的研究进展与展望

土壤有机碳库是陆地生态系统中的重要组成部分,其发生微弱变化将影响植物-土壤-大气系统中碳循环的动态平衡变化。随着稳定碳同位素技术的不断提升,其天然丰度法、同位素脉冲标记法、稳定同位素探针等技术已广泛应用于陆地生态系统有机碳循环的研究中,为土壤碳库中有机碳循环的研究提供了较为准确、全面的技术路线支撑。本文在总结稳定碳同位素概念及原理的基础上,阐述了稳定碳同位素技术在古气候构建、土壤固碳潜力、土壤有机碳与根际微生物作用关系、光合碳在土壤中转移规律及土壤呼吸区分等方面的应用前景及研究进展,并指出稳定同位素技术在土壤有机碳相关研究中应加强的方面与未来发展的趋势。

鱼油原料中DHA、EPA的碳稳定同位素测定的方法

建立单分子稳定同位素技术(GC/C-IRMS),用于测定鱼油原料鳀鱼和其主要食物桡足类浮游动物的DHA(二十二碳六烯酸,22:6n3)、EPA(二十碳五烯酸,20:5n3)的碳同位素特征。试验证明鱼体脂质的DHA、EPA会保留不同生长环境中食物来源的碳同位素特征,导致不同生长环境中鱼体脂质的DHA、EPA碳同位素值的显著差别。通过对比鱼油产品和鱼油原料的DHA、EPA碳同位素特征,能够准确区分不同种类鱼油,对鱼油产品的品质进行"深度鉴别",是鱼油品质检测的重要补充。

溶解无机碳稳定同位素分析样品的前处理方法及黄渤海夏季数据初步分析

设计并优化了一套海水中溶解无机碳(DIC)稳定同位素(δ13CDIC)的预处理装置,并通过光腔衰荡光谱法对其进行分析测定.在整个预处理及测定过程,通过向海水样品中添加磷酸并在高纯氮气的吹扫下使用气体采样袋收集其产生的CO_(2)气体,随后将气体采样袋连接Picarro G2121-i型仪器进行δ13CDIC的测定.通过对影响因素的研究确定了预处理条件为:海水样品体积30 mL,85%(V/V)浓磷酸使用量1 mL,吹扫流速150 mL·min^(−1),吹扫时间4 min 20 s,仪器测定时间约10 min.在此条件下DIC回收率超过99%,且δ13CDIC的测定标准偏差小于0.1‰,极差小于0.2‰.基于此条件,对2019年夏季黄渤海典型断面不同水层的δ13CDIC进行了测定.表层海水中δ13CDIC数据大部分集中在−0.5‰与0.5‰之间,其中黄海表层平均值为−0.2‰±0.5‰;底层海水中δ13CDIC在−2.0‰至−0.4‰的范围内,平均值为−1.3‰±0.5‰.这种表层高、底层低的整体趋势主要受控于海气交换、光合作用、呼吸/矿化作用等生物地球化学过程,也与这两个海域经常发生夏季底层水耗氧酸化现象一致.本研究为海水中δ13CDIC水样的前处理提供了一种经济、高效的手段.

小哺乳动物化石牙齿釉质碳、氧同位素测试方法简介及应用前景

探讨古环境和古气候变化与哺乳动物演化之间的关系是目前古生物学研究领域中的一个热点,而哺乳动物化石牙齿釉质的碳、氧同位素分析是恢复古环境和古气候的一个重要手段。以往的哺乳动物化石牙齿釉质稳定同位素分析多集中在大哺乳动物化石,这主要是受到技术手段的限制,所需的样品量较大所决定的。但最近几年随着激光和离子显微探针技术的应用,对小哺乳动物化石(如啮齿类和兔形类)的牙齿釉质碳、氧同位素的分析和应用日趋成熟和广泛。除了传统的化学处理方法之外,对小哺乳动物化石牙齿釉质碳、氧同位素的分析还有以下三种方法:1)激光剥蚀气相色谱/同位素比值质谱分析;2)直接激光氟化技术;3)离子显微探针技术(SHRIMPII)。这些技术需要的样品量少,对标本的破损小,准确度和精密度高,所以在小哺乳动物化石和一些珍贵标本(如古人类化石)的稳定同位素分析中起到了重要作用。相对于大哺乳动物化石,小哺乳动物化石数量多、演化速度快,更能反映多个层位长时间序列的古环境和气候变化;而且小哺乳动物通常没有长距离迁徙的行为,栖息地局限,所以更能准确反映化石埋藏地点的古环境和气候状况。

植物光合碳在根际土壤中的微生物转化与SIP技术

光合碳是"大气-植物-土壤"系统碳循环的重要组成部分,也是土壤有机碳的重要来源。根际土壤微生物在植物光合碳转化过程中起到关键作用。由稳定性同位素标记技术与分子生物学技术相结合发展起来的稳定性同位素探测技术(stable isotope probing,SIP),可确定参与碳转化的微生物群落结构和功能,以及复杂群落中微生物相互关系,在研究有机碳和微生物相互作用关系方面具有广阔的应用前景。简要概述了光合碳在植物地下部的分配,总结了根系分泌物和微生物之间的关系,介绍了利用PLFA-SIP、RNA-SIP和DNA-SIP技术研究碳转化相关微生物的优势,提出了该技术目前存在的一些问题,展望了其在微生物生态研究上的应用。