Stabiele Isotopen en Voedselwebben Jack Middelburg Stefan Schouten Jaap Sinninghe Damsté
Stabiele Isotopen: zware en lichte 13 C en 12 C 15 N en 14 N 2 H en 1 H Lichte >>> Zware 99% vs. 1% Chemisch identiek, maar
Fractionatie Verschillen in isotoopverdelingen door fractionatie/discriminatie tijdens omzettingen Fractionatie vindt plaats als gevolg van fysische, chemische, maar vooral biologische processen. Fractionatie gebeurt vooral aan basis voedselweb: primaire productie en microbiologische omzettingen
Wat zijn stabiele isotopen? d 2 H d 13 C d 15 N 12 C: 6 protons +6 neutrons 98.9 % 13 C: 6 protons + 7 neutrons 1.1 % 14 C: 6 protons + 8 neutrons unstable d 18 O d 34 S
Hoe bepalen we stabiele koolstof isotopen? Eerst moeten we er een gas van maken... 44: 12 C 16 O 16 O CO 2 45: 13 C 16 O 16 O + 12 C 17 O 16 O 46: 12 C 18 O 16 O Amount 13 C
Basic principles continuous flow isotope mass spectrometer mv 2 / r = Hev or radius = (mass*velocity)/(ion charge*magnetic field strength)
Hoe bepalen we stabiele koolstof isotopen? Absolute isotope numbers are very difficult to measure accurately However, relative differences can be measured accurately Isotope Gas Mass Reference d 13 C CO 2 44/45/46 VPDB Delta notation d 13 C sample = ( 13 C/ 12 C) sample - ( 13 C/ 12 C) PDB ( 13 C/ 12 C) PDB X 1000 [ ] ( 13 C/ 12 C) PDB = 0.0112372
Isotope Lingo d 13 C = -21 d 13 C = -14 zwaar verrijkt. zeer positief d 13 C = -27 licht verarmt. zeer negatief
Fractionatie: Primaire Productie d 13 C plant = d 13 C substrate - Fractionatie factor ( ): Rubisco enzyme: 27 C3-plants: 20 C4-plants: 6 d 13 C substrate : CO 2 atm: -8 DIC ocean : + 1 Terrestrial C3 plants: -28 Terrestrial C4 plants: -14 Phytoplankton: -19
Stable carbon isotope ratios Westerschelde Anthropogenic and terrestrial (-26 o/oo) Seagrasses (-10 o/oo) Salt marsh macrophytes (-13 or -26 o/oo) Benthic algae (-15 to -20 o/oo) River plankton (-35 o/oo) Marine plankton (-18 to -21 o/oo)
Stabiele Isotope in Food Web You are what you eat Koolstof, zwavel You are what you eat + something Stikstof
d 13 C 0 DIC ocean -10 CO 2 atmosphere DIC river C4 plants Cons. -20 Marine Algae Cons. -30-40 C3 plants River Algae Cons. Cons. CO 2 source Consumer
Verrijking 15 N per trofisch niveau d 15 N: 3.4 heavier per trophic level Trophic position = 1+ (d 15 N consumer - d 15 N baseline )/3.4
Waarom Stabiele Isotopen? Voedsel: Tijdsgeïntegreerd beeld ipv maag inhoud Voedsel natuurlijke condities (ipv in kooien, etc) Alle heterotrofen, inclusief osmotrofen/microbes Foodwebs: Historische voedselwebben (musea) Snelle scan van structuur Integratie van alle organismen, end-to-end (E2E), want zelfde eenheid
Theorie en Praktijk 14 12 Predator Omnivore Voedselwebben zijn continue ipv Predator discreet d 15 N 10 8 6 4 2 meerdere bronnen Herbivore Herbivore variable isotope ratio van bronnen Consumer living on organisme leven op meer dan 1 multiple primary producers bron & omnivory Primary Producer Primary Producer Real food web -21-19 -17-15 d 13 C
Waddenzee? ISI: Ecology: 92496 hits Ecology & Isotopes: 986 hits Wadden Sea: 2361 hits Wadden Sea & Isotopes: 15 hits Mg, S and NO 3 isotopes Geen eén op voedselweb
Molenplaat in Zeeland Trophic shift Phytoplankton gebaseerde secundaire produktie: bv. kokkel Benthische algen gebaseerde secundaire produktie: b.v. wadslak Meeste organismen afhankelijk van beiden Nepthys en Eteone omnivore/carnivore Phytoplankton Benthic microalgae
Zandige site op Molenplaat Trophic shift Ook hier benthische en pelagische algen gevoed web Shift in base-line van 15 N Phytoplankton Benthic microalgae
Carbon flow in tidal flat community phytoplankton detritus Carbon input: Detritus deposition: 14% Phytopl. deposition: 48 % Suspension feeders: 6% Benthic prim. prod.: 32% filter feeding macrobenthos detritus phytobenthos bacteria deposit feeding macrobenthos Secondary production: Bacteria: 74% Macrofauna: 15 % Microbenthos: 10% Meiofauna: 2% nematodes meiobenthos Van Oevelen et al. (2006)
Hoe meten we microbes en benthisch algen polarlipid-derived-fatty-acids PLFA ( 13 C, 2 H) D-Alanine ( 13 C and 15 N); Constituent of peptidoglycan: cell wall of bacteria (living bacteria and their remains) rrna ( 13 C) DNA ( 13 C)
Component Specifieke IRMS 40 carbon atoms Elution in order of volatility ~ molecular weight 20 carbon atoms -20.4-20.3-27.4 Retention time
Subtidale zanden (Sylt) Evrard et al. 2010
Meerdere bronnen en onzekerheden vragen om mengmodellen Evrard et al. 2010
Ontogeny Macoma balthica Larven: phytoplankton Jong: microphytobenthos Volwassen: phytoplankton
Uitdagingen Relatieve belang van: Phytoplankton Benthische algen Allochtoon materiaal (direct of via bacteriën) Heterogeniteit binnen phytoplankton en microphytobenthos gemeenschappen en consequenties voedselweb
Uitdagingen Phytoplankton: lokaal geproduceerd of geïmporteerd uit de Noordzee Waterstoffen isotopen in voedselweb reconstructies: Noordzee vs. Waddenzee Waterkolom vs. sediment
Waarom? Waddenzee wisselt uit met Noordzee en ecosysteem budget laten zien dat er netto organisch materiaal geïmporteerd wordt. Benthische algen productie is vergelijkbaar met phytoplankton productie: zeer weinig kennis. Microbes zijn de link tussen element fluxen en voedselweb.