Fiskesymposiet Stabile nitrogen og karbon-isotoper som hjelpemiddel til å avdekke fiskens ernæring og trofisk posisjon. Sigurd Rognerud, NIVA

Transkript

1 Fiskesymposiet 2008 Stabile nitrogen og karbon-isotoper som hjelpemiddel til å avdekke fiskens ernæring og trofisk posisjon Sigurd Rognerud, NIVA

2 Stabile isotop analyser (SIA) - ny innsikt i økosystemers funksjon Kvantitativ metode som fikk vid anvendelse fra slutten av 1980-tallet på grunn av bedre instrumenter Dette ga en økt forståelse av faktorer som forårsaker forandring i forekomsten av stabile isotoper fra substrat til produkt en prosess som heter isotopisk fraksjonering. Fraksjonering innebærer oftest at den letteste isotopen foretrekkes i reaksjoner/prosesser dvs. diskrimineres mot den tyngste

3 Hva er stabile isotoper? Et elements stabile isotoper har samme antall protoner, men ulikt antall nøytroner (ulik vekt) og de er ikke radioaktive. De fleste element har mer enn en stabil isotop. Organisk materiale består av (H,C,N,O,S) og disse er mest aktuelle i økosystem analyser Gjennomsnittlige forekomst (%) lettest er vanlig, tyngre er sjeldnere. 1 H (99,985), 2 H (0,015), 12 C (98,89), 13 C (1,11), 14 N (99,63), 15 N (0,37), 16 O (99,759), 17 O (0,037), 18 O (0,204), 32 S (95,00), 33 S (0,76), 34 S (4,22), 35 S (0,014)

4 Isotopisk fraksjonering 1. Fysikalske prosesser (diffusjon) 2. Termodynamiske fraksjonering (fordamping) 3. Kinetiske fraksjonering (red/oks og biologiske prosesser) Et elements stabile isotoper har de samme kjemiske egenskapene, men ulike masse gjør at reaksjonshastigheten er forskjellig

5 SI metoden i økosystemforskning N og C -isotoper er mest benyttet i ferskvann, men S og O -isotoper også brukes i marine undersøkelser C-isotoper avdekker energistrømmen i økosystemet, fra energikildene (org-c i plantene) til fiskekjøtt N-isotoper fraksjonerer betydelig fra primærprodusent til konsumentenes og brukes til å klarlegge trofisk posisjon (kont. variabel).

6 Analyse stabile isotoper

7 SI- analysemetode - beregning SI uttrykkes i forhold til en standard og som ratio mellom sjelden (tung) og vanlig (lett) isotop: δ = (R prøve/r standard 1) x 1000 R = forholdet mellom tung og lett isotop. F.eks δ 13 C ( 13 C/ 12 C). Standardene er en kalkbergart (Pee Dee Belemnite) for karbon (gir negative verdier for δ 13 C i innsjøer) og atmosfærisk luft for nitrogen (oftest positive δ 15 N verdier)

8 Det er små endringer i isotopratio som skjer (0,001-0,030 %) atom% 13 C δ 13 C

9 Hvor raskt endres δ 13 C og δ 15 N signaturen i dyr når dietten endres? Endring skjer ved vekst (fortynning av gammel signatur ) eller omsetning av muskelmasse (erstatning av gammel vev med nytt uten ny vekst) f.eks i saktevoksende gammel fisk. Endringer i diett og signatur reflekteres i organismen med ulik hastighet: lever>blod>muskel>bein og hår (kollagen), fiskeskjell (skleroproteiner) Kan analysere arkivert materiale

10 Karbonkilder i innsjøer Landplanter : terrestriske insekter evt akvatiske Planktonalger: zooplankton-insektslarver dypet Påvekstalger: makroinvertebrater i belyst sone

11

12 δ 13 C signatur i planteplankton

13 δ 13 C signatur i påvekstalger

14 C-kilder innsjø - typiske δ 13 C verdier

15 SIA fremstilles i biplott Akvatiske økosystem har 3 energikilder

16 Justering for fettinnhold δ 13 C i fett er 4 8 lavere enn i protein. δ 13 C i dyr fra næringskjeden normaliseres til reint protein ved bruk av C/N forholdet: Fisk: δ 13 C * = δ 13 C+ 7 (C/N - 3,1)/C/N Næringsdyr: δ 13 C * = δ 13 C+ 6,3 (C/N 4,2)/C/N

17 Fettjusterte δ 13 C verdier for fisk og næringsdyr i Norge % ,5 0, ,5 1, ,5 2, ,5 Økning i δ 13 C ( ) ved fettjustering Gr.A: marflo, snegl, insektlarv., zoopl. Gr.B: skjoldkr., linsekr., fjærmygglarv. ørret, røye, sik, harr

18 δ 15 N reflekterer trofisk posisjon og N kilder til innsjøen Utskillelse av isotopisk lett urea og ammoniakk gir 3,5 økning i δ 15 N pr. trofisk nivå. Ved sult kan transaminering (glutaminsyre til aspargin syre) føre til δ 15 N økning i organismen. Primærprodusentenes N kilde er viktig for δ 15 N signaturen i næringskjeden. Kloakk og husdyrgjødsel 10-20, atmosfærisk NO 3 : 2-8, kunstgjødsel nær 0 som N 2 i luft. Denitrifikasjon og amoniakk-fordampning fraksjonerer betydelig. Konklusjon: Ved sammenligning av trofisk posisjon i ulike sjøer trengs en felles baselinje δ 15 N

19 Baselinje-δ 15 N primær konsument δ 15 N kan variere i N kildene i innsjøer over året Derfor benyttes primær konsumenter som lever relativt lenge som baselinjekorreksjoner δ 15 N i primær konsumenter som snegl, muslinger og vannlopper benyttes som baselinjekorreksjoner Snegl for fastsittende alger, muslinger og dapnier for planktonalger. Vi benytter oftest Lymnea peregra og Daphnia longispina.

20 Mageanalyser viktig bidrag Karbon fra 3 primærprodusenter. Dette krever mageanalyser av fisk for å beregne bidraget av de 3 i energistrømmene Forekomst i mage sier ikke noe om betydningen for konsumentens vekst. Mye dårlig mat. Bidrag av terrestrisk karbon kan vurderes i innsjøer med kort oppholdstid. Da er planteplankton og dyreplankton ikke tilstede. 2 endepunkt blandingsmodell

21 Storsjøen i Rendalen

22 Hardangervidda- 14 ureg. innsjøer

23 Hardangervidda- 7 regulert innsjøer- baselinje justert (δ13c-k, Lymnea peregra)

24 Oppsummering δ 13 C skiller betydelig på C-kildene, men lite opp i næringskjeden (ca.0.8 trofisk nivå i ferskvann). δ 15 N separerer betydelig (ca. 3,5 ) pr.trofisk nivå. Gir et kontinuerlig mål på trofisk posisjon. Omnivori er vanlig i mange økosystem. Individuelle signaturer- bestander har spesialister Isotopene viser et tidsintegrert bilde av assimilert mat, mens mageanalyser gir øyeblikksbilder Isotopene gir en god indikasjon på energistrømmen i et økosystem, men strukturen må bekreftes med mageanalyser. SI signaturene finnes i arkivert materiale.