同位体分析

重水素としても知られる 2H^と1H の比率は、^植物組織と動物組織の両方で研究されています。植物組織の水素同位体は、局所的な水の値と相関していますが、光合成、蒸散、およびセルロース形成におけるその他のプロセス中の分画に基づいて変化します。テキサスの狭い地域で生育する植物の組織の同位体比に関する研究では、CAM植物の組織はC4植物に比べて重水素が濃縮されていることがわかりました。^{[ 14 ]動物組織の水素同位体比は、飲料水を含む食事を反映しており、鳥の渡り[ 15 ]や水生食物網[ 16 ] [ 17 ]}の研究に使用されています。

炭素同位体は、生態系におけるエネルギーの流れを担う一次生産源を特定するのに役立ちます。栄養段階を通じた¹³ Cの移動は、わずかな増加 (濃縮 < 1 ‰) を除いて、比較的同じままです。動物間の δ ¹³ C の大きな違いは、それらの動物が異なる食物源を持っているか、食物網が異なる一次生産者 (つまり、異なる種の植物プランクトン、湿地草) に基づいていることを示しています。δ ¹³ C は一次生産者の元の源を示すため、同位体は、短期、長期、または永続的な食性の変化を特定するのにも役立ちます。これらの変化は、植物プランクトンの量を反映して、季節の変化と相関することさえあります。^{[ 13 ]科学者は、地理的な地域全体で植物プランクトン集団の δ 13} C 値の範囲が広いことを発見しました。これがなぜなのかは完全にはわかっていませんが、この現象にはいくつかの仮説があります。これらには、溶存無機炭素プール（DIC）内の同位体が温度や場所によって変化する可能性があり、植物プランクトンの成長速度が同位体の取り込みに影響を与える可能性があるという点が含まれます。δ ¹³ C は、幼生動物の食性の変化を調べることで、保護された沿岸域から沖合域への移動を決定するために使用されてきました。Fry (1983) による研究では、南テキサスの海草藻場に生息する幼生エビの同位体組成が調査されました。フライは、研究開始時のエビの同位体値がδ ¹³ C = -11～-14‰、δ ¹⁵ Nとδ ³⁴ Sが6～8‰であることを発見した。エビが成熟して沖合に移動するにつれて、同位体値は沖合の生物に似た値（δ ¹³ C = -15‰、δ ¹⁵ N = 11.5‰、δ ³⁴ S = 16‰）に変化した。^{[ 18 ]}

栄養段階間で³⁴ Sの濃縮は見られませんが、この安定同位体は底生生産者と浮遊生産者、湿地生産者と植物プランクトン生産者を区別するのに役立ちます。^{[ 13 ] 13} Cと同様に、食物網における主要な一次生産者であるさまざまな植物プランクトンを区別するのにも役立ちます。海水中の硫酸塩と硫化物の違い (約 21‰ 対 -10‰) は、科学者が区別するのに役立ちます。硫黄は、浮遊系や好気性が高い系よりも、底生系や湿地植物などの好気性の低い領域でより豊富になる傾向があります。したがって、底生系ではδ ³⁴ Sの値が小さくなります。^{[ 13 ]}

窒素同位体は、生物の栄養段階の位置を示します（組織サンプルが採取された時点を反映しています）。δ ^{15 N の保持率は14} Nよりも高いため、δ 15 Nの濃縮成分が大きくなります。これは、生物の排泄物を分析することで確認できます。^{[ 13 ]}牛の尿では、食事と比較して¹⁵ Nが枯渇していることが示されています。 ^{[ 19 ]}生物が互いに食べると、¹⁵ N 同位体は捕食者に移行します。したがって、栄養ピラミッドの上位の生物は、食物網でその前の獲物や他の生物と比較して、より高いレベルの¹⁵ N（およびより高い δ ¹⁵ N 値）を蓄積しています。海洋生態系に関する多数の研究では、平均して、生態系内の異なる栄養段階の種間で、食事と比較して¹⁵ N が 3.2‰ 濃縮されていることが示されています。^{[ 13 ]}バルト海では、Hansson らは、 （1997）は、さまざまな生物（粒子状有機物（植物プランクトン）、動物プランクトン、アミ類、ニシン、ワカサギ、ニシンなど）を分析したところ、消費者とそれらの見かけ上の餌との間に2.4‰の明らかな同位体分別があることを発見した。^{[ 20 ]}

生物の栄養段階に加えて、δ ¹⁵ N 値は、陸起源と自然起源の栄養素を区別するために一般的に使用されるようになりました。水が浄化槽から帯水層に流れると、窒素を豊富に含む水が沿岸地域に供給されます。廃水中の硝酸塩は、沿岸域の自然土壌で見られる硝酸塩よりも^{15 N の濃度が高くなっています。 [ 21 ]細菌にとって、 15} Nよりも¹⁴ Nを取り込む方が都合が良いのは、14 Nの方が軽い元素で代謝しやすいためです。したがって、細菌が脱窒やアンモニアの揮発などの生物地球化学的プロセスを実行する際に好むため、 ^{14 Nは15} Nよりも速い速度で水から除去され、より多くの¹⁵ N が帯水層に流入します。15 N はおよそ 10〜20‰ ですが、自然の¹⁵ N 値は 2〜8‰ です。^{[ 21 ]}浄化槽やその他の人間由来の汚水から排出される無機窒素は通常、${\displaystyle {\ce {NH4+}}}$^{窒素が地下水を介して河口域に入ると、流入する15} Nが多いため、供給される無機窒素プールにも¹⁵ Nが多くなり、窒素を取り込む生産者によってより多く取り込まれると考えられています。 ¹⁴ N の方が取り込みやすいにもかかわらず、¹⁵ N がはるかに多いため、通常よりも多くの量が同化されます。 これらの δ ¹⁵ N のレベルは、その地域に生息し、移動しない生物 (マクロ植物、二枚貝、さらには一部の魚類など) で調べることができます。^{[ 20 ] [ 22 ] [ 23 ]}この高レベルの窒素流入を特定する方法は、河口域や沿岸生態系への栄養塩流入を監視する試みにおいて、ますます一般的な方法になりつつあります。 環境管理者は、栄養塩の過剰が富栄養化や低酸素状態を引き起こし、その地域から生物を完全に排除する可能性があるため、河口域への人為的な栄養塩流入を測定することにますます関心を寄せています。^{[ 24 ]}

コロラドデルタの二枚貝の殻における^18Oと^16Oの比率の分析は、上流のダム建設以前のコロラド川デルタの河口の歴史的な範囲を評価するために使用された。 ^{[ 25 ]}