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同位素鉴别的应用

【来源/作者】北纳创联 【更新日期】2017-10-12

摘要:自然界中氮稳定同位素有14 N 和 15 N 两种, 14 N 和 15 N 的丰度分别为 99.64% 和 0.36%。氮是构成蛋白质的主要成分,生物体内的氮同位素 δ 15 N 主要与食物中蛋白质的含量、来源和类型有关。

1、 碳同位素

自然界中, 碳稳定同位素有两种存在形式, 即13 C 和 12 C, 它们的相对丰度分别为 98.9% 和 1.1%。空气中 CO2 的δ 13 C 基本是恒定的, 为 –7.8‰左右。植物中碳水化合物是通过光合作用得到的, 植物在光合作用的过程中,13 CO212 CO2 的反应速率慢一些, 从而造成植物体内13 C/12C 的比值与空气中CO 213 C/ 12 C 比值出现微小的偏差, 即为同位素的分馏效应, 碳同位素分馏效应主要与光同化途径有关。根据光同化途径的不同,陆地上的植物主要分为 3 类:C 3 植物、C4 植物以及兼有 C3 和 C4 代谢途径的植物。C3植物的 δ 13 C 变化范围一般在 –30‰~–24‰, 主要有甜菜、大豆和大米等;C4 植物的 δ 13 C 一般在 –12‰~–9‰,主要有高粱、 甘蔗和玉米等;许多兰科植物光同化作用属于兼有 C3和C4 代谢途径的植物,δ 13C 一般在 –30‰~–10‰之间; 海洋底栖藻类的 δ 13C 一般在 –21.2%~–12% 之间,可能是由于不同的碳源以及不同的光合作用( 梭化酶的同位素分馏作用 ) 途径引起的。海洋藻类的碳源为溶解的无机碳,其δ 13 C=0‰,高于空气中 CO 2 的 δ 13 C 值。此外还可能与环境温度、植物细胞内 CO 2 或 HCO 3 – 浓度等有关。同位素分馏效应在生物体新陈代谢的作用下沿着食物链传递, 在水产环境中,碳、氮同位素常被用来研究食物网营养关系。研究者们发现,通过食物链生物体对 δ 13 C 每一个摄食层次中富集指数不到1‰,分馏效应常常可以忽略不计,保留了食物中 δ 13 C 的特征,因此 δ 13C 值更多的是可以指示产地、食物中C 源和养殖方式,从而对其进行溯源。

食物中的δ 13 C 值大小主要取决于其组成的植物和动物的种类,养殖水产品所用的饲料中会添加玉米蛋白、小麦蛋白、大豆蛋白等植物性蛋白,给养殖生物提供氨基酸来源,与海洋自然环境中藻类等的δ13C 值差别较大,从而造成了喂养不同饲料的养殖场之间,养殖和野生生物体之间δ13C值的差异较大,以此来推断其养殖方式。众多研究者发现养殖的生物体内同位素均小于野生的生物体内同位素,如人工喂养C3 植物大豆和葵花籽油的海鲷比野生的海鲷具有更负的值。Serrano 等发现养殖海鲷的δ 13 C 比野生的低(2.9±0.4)‰;也有研究表明野生海鲈鱼总脂质的 δ13C和养殖的区别较大,养殖海鲈鱼的δ13C 低于野生的。这由人工喂养的陆地上的食物中δ13 C 较低引起的,除此之外,野生水产品的食物还可能含有浮游动物和甲壳纲,这将进一步加大了δ13C 值。但有的情况则相反,Schröder 等发现在各个生长阶段,养殖的类鲑鱼δ13 C 比野生的高,原因可能是喂养的食物中含较高的δ13C 值。有研究者专门研究了不同的喂养饲料对水产生物体内同位素的影响。用鱼粉 (δ13 C=–21.66‰ ) 和植物 (δ13 C= –25.62‰)喂养的虹鳟鱼的δ13 C值分别为(–20.47±0.34)‰和 (–23.96±0.38)‰ ,由此验证了生物体内δ13C 跟食物有关,据此可以预测食物中的碳源。

2、 氮同位素

自然界中氮稳定同位素有14 N 和 15 N 两种, 14 N 和 15 N 的丰度分别为 99.64% 和 0.36%。氮是构成蛋白质的主要成分,生物体内的氮同位素 δ 15 N 主要与食物中蛋白质的含量、来源和类型有关。生物体通过生物链在每一个摄食层次中,对δ 15 N的富集系数在3.0‰~3.4‰之间。 δ 15 N富集系数较大,因此 δ 15 N 常被用来划分食物链的营养等级。如刺参的 δ 15 N富集系数在 2.07‰~3.26‰之间,通常野生和养殖的食物所处的食物链等级不同,造成野生和养殖的生物体内 δ 15 N相差较大,以此便能有效区分野生和养殖的方式,对水产品进行溯源。Molkentin 等利用 δ 15 N 有效区分了有机和野生的鲑鱼,有机养殖的δ 15 N 比野生的值高; Schröder 等通过测定养殖和野生的类鲑鱼的δ15 N 值, 发现养殖鲑鱼的最小δ15 N值比野生鲑鱼的最高δ15 N 值高, 因此仅靠δ15 N 就能完全区分野生和养殖的鲑鱼; Serrano 等发现养殖海鲷的 δ15 N 比野生的要高 (1.5±0.2)‰,养殖喂养的食物皆为鱼和鱼油的混合物,而野生的鱼捕捉的食物主要有双壳类、棘皮动物 以及甲壳纲动物,养殖海鲷喂养的食物比野生食物位于更高级别的食物链上,这能很好地区分野生和养殖海鲷。

Moreno-Rojas 等研究了不同的饲料对生物体内δ 15 N 值的影响,结果表明用鱼粉 (δ 15 N=10.63‰ ) 和植物(δ15 N=3.06‰)喂养的虹鳟鱼中δ 15 N值分别为(12.38±0.57)‰和 (7.15±0.51)‰, 进一步验证了食物对生物体内氮同位素的影响。

由于野生生物在自然环境中的摄食习惯基本相同,所食的食物基本处在同一个营养层级上,从而造成了 δ 15 N 相差不大。王志锐测定了大连和青岛刺参的同位素 δ 13 C,δ 15 N 值,发现δ15 N 相差不大,但通过δ13 C 值可以鉴别两个海域的刺参来源。Kim 等利用δ13C 和δ15N 区分了不同国家的商品鱼(马鲛鱼、黄花鱼、青鳕 ),同样发现δ 15 N 相差较小,δ 13 C 更适合用来溯源。但通常科研工作者会将 δ 13 C, δ 15 N 结合对水产品进行溯源,从而达到更高的准确率。Anderson 等 利用 δ 13 C 和δ 15 N 区分野生和养殖的三文鱼,准确率达到90%以上;Ortea and Gallardo利用δ13 C 和δ15 N 区分野生和养殖的虾,准确率能达到100%。因此采用δ13C 或δ15N 进行溯源都有可能有一定的局限性,结合多参数分析能考虑到多方因素,取得更好的溯源效果。

3、 氢同位素

自然界中氢稳定同位素有1 H,2 H,3H3 种,2 H 的丰度很低,常用2 H/1 H 表示稳定氢同位素组成。随着温度的升高,在水蒸发的过程中,气相中的2 H 含量降低,导致液相中2 H的升高,从而使在低纬度地区( 温度高 ) 的水源中2 H 的含量高于高纬度地区的含量;在海拔越高的地方,气温越低,2 H 的含量也越低,并且整体呈现由海岸向内陆递减的趋势。生物体中的氢同位素主要与饮用水有关,因此生物体内的δ 2 H 同样具有纬度效应。研究表明牛肉和羊肉体内δ2 H 均随着纬度升高而呈减小的趋势, 并且与饮用水中的 δ 2 H 呈显著性正相关。马冬红等在对罗非鱼的研究中发现各地罗非鱼的 δ 2 H 差异显著,并且同样有随着纬度升高而减小的趋势。通过 δ 2 H 判别不同地区的罗非鱼,正确判别率可达到 80%。因此 δ 2 H 可作为地区判别的一项重要指标。Carter 等利用δ2H 和 δ13C 判别澳大利亚对虾和进口虾的正确率达到 90%。

4、 氧同位素

氧同位素有16 O,17 O,18 O 3 种, 常用18 O/16 O 表示氧同位素组成。氧同位素与氢同位素的分布规律相似, 水中的 δ 18 O受到温度的影响, 主要与蒸发速率和降雨量有关,因而,表层水中δ 18O 随着季节、纬度以及海拔的不同而不同 。与氢同位素类似,生物体中氧同位素与所食用的食物关系不大,主要与生物体饮用的水源有关。氧同位素已成功用于牛肉、 谷物、 葡萄酒、 食用油、 果汁等食品的溯源。

水中的δ18 O 影响着生物体中的δ 18O 值,在喂养相同饲料的养殖场,由于食物具有相同的δ 13 C 和 δ15N,无法根据δ13C 和δ15N 区分其来源,但不同养殖水源的δ18O值差别较大,造成鱼肉中δ18O 值差别很大,据此成功地区分了4个养殖场鱼的来源,并且发现鱼肉中δ 18O值与水中δ18O值有着很好的线性相关性(δ18O 鱼 =0.4407 δ18O 水+17.168 ;R 2=0.99,p< 0.05)。Bell 等发现苏格兰养殖场的海鲈鱼和希腊养殖场的海鲈鱼脂质中的δ18O值差别很大。在自然水源中δ 2 H和δ 18 O呈线性关系(δ2H= δ18O×8+10),由于生物体中的δ 2H和δ18O 均与其饮用水源中的δ 2 H 和δ18 O线性相关,研究表明,澳大利亚对虾和牛肉中均发现δ 2 H 和δ 18 O有着显著的线性相关性。

5、 硫同位素

自然界中硫同位素有32S,33 S,34S,36 S。它们的丰度分别为95.02%,0.75%,4.21%,0.02%。其中32 S和34S的丰度最高,通常被用在食品的掺假和溯源鉴别中。δ 34 S 主要受地质的影响,如不同类型的火成岩、不同成因及不同形成年龄的沉积岩,都具有各不相同的δ34S 值。δ 34 S 是地域来源的良好指标,δ 34 S 从土壤进入植物体,基本不发生明显的分馏,据此 δ 34 S 常被用于植物的溯源。植物通过食物链进入动物组织的过程中基本不发生明显的分馏,因此可被用来进行动物产地的溯源。有研究表明 δ 34 S 值在生物体内不同部位的差别较大,表明不同部位的硫同位素分馏效应不尽相同。δ 34S 常被用来与δ13C,δ15N 联合对牛肉和羊肉进行溯源研究,而在水产品中的溯源研究未见报道。由于动物体内的δ34S值跟饮食有关,从而使利用δ 34S 对水产品进行溯源具有一定的可行性。

6、 锶同位素

自然界中锶以84Sr,86Sr,87Sr 和88Sr 4 种同位素的形式存在,相对丰度分别为 0.56%, 9.86%, 7.02%, 82.56%。其中86 Sr,87Sr 常被用来对食品进行溯源;δ87Sr 是地域来源的良好指标;δ 87Sr 主要受到岩石结构差异以及地质年龄和初始 Rb/Sr 值的影响, 不受人类活动和气候的影响,在判别微地区产品中非常有效。δ 87 Sr 能有效对果汁、咖啡产地和乳品来源进行溯源, 有研究表明用,δ 87Sr 对肉制品进行溯源效果不理想,有可能与动物体内δ 87Sr 含量较低及变化较小有关,δ 87Sr 用于水产品中的溯源未见报道。

 

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【关键词】同位素 碳水化合物 环境 标准物质 北京标准物质网 

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