1、淡水双壳类壳体碳同位素研究：以河蚬（corbicula第 37 卷第 3 期2O08 年 5 月膨旅 fGEoCHICAVo1.37,No.3,275280May,2008淡水双壳类壳体碳同位素研究:以河蚬(corbiculafluminea,Miiller1774)为例闫慧一,李心清,周会,2(1.中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳 550002;2.中国科学院研究生院,北京 100049)摘要:双壳类壳体碳酸盐(文石)稳定同位素组成已被广泛地用于古气候和古环境重建研究中,但是双壳类壳体碳同位素组成所指示的气候和环境意义一直是争议的问题.对双壳类河蚬(corbicu
2、lafluminea)进行了室内养殖,并选取两个壳体样品(壳高,A=13mm,B=9mm),测定其生长部分壳体和生长期间水体碳同位素,研究表明,随着水体碳同位素的升高(6“CmC 由一 5.24%0 升至 1.41%o),两壳体碳同位素也随之升高,表明水体对壳体碳同位素的影响;,C 分布范围为一 4.76%o一 2.09%0,813C 为一 8.49%0 一一 2.89%.,壳体 A 和 B碳同位素均比预测平衡值偏负,表明壳体在形成过程中利用了新陈代谢产生的富集 c 的 C02.根据计算壳体 A 在实验中沉淀部分壳体利用新陈代谢碳的比例(值) 为 24%43%, 平均值为 33%;壳体 B 为
3、 33%75%,平均值为58%.M 值随生物的生长呈下降变化,这说明在实验中河蚬主要是通过增加对 DIC 的吸收和利用来满足壳体生长对物质量增加的需求.关键词:河蚬;碳同位素;新陈代谢;壳体中图分类号:P597 文献标识码:A 文章编号:03791726(2008)03 027506Stablecarbonisotopiccompositionoffreshwaterbivalveshell_Acasestudyofcorbiculafluminea(Miiller1774)YANHui 一,LEEXin-qingandZHOUHui1.StateKeyLaboratoryofEnvironm
4、entalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Gaiyang550002,China;2.GraduateuhofChineseAcademyofSciences,Belting100049,CMnaAbstract:rhestable:isotopiccompositionofthebivalveshel1.hasbeenwidelyused:inthepalaeoclimateandthepalaeoenvironmentreconstructionresearchbutthebivalveshellc
5、arbonisotopiccompositioninstructedtheclimateandenvironmentsignificancearestillindispute.Corbiculafluminea(Mailer1774)wasbredinthelaboratoryandtwoshellsamples(shellheight,A=13111111,B=9tuna)wereselectedtodeterminethecarbonisotopiccompositionoftheincrementshells(aragonite,CaCO3)andthehostwater.Theresu
6、ltsindicatethatthecarbonisotopiccompositionsofthetwoshellsincreasedasthe“CDIcvaluesofthehostwaterincreasedfrom一 5.24to1.41%.,showingtheinfluenceofnCDIcvalueson 血 eshellcarbonisotopes.CAvaluerangesfrom一 4.76%.t02.09and613CBfrom 一 8.49%0to 一 2.89.e 艿.CvaluesofshellsAand:Barebothmorenegativetl1anthepre
7、dictedequilibriumones,indicatingthattheshellhadusedthemetabolicCO2richin 挖Cduringtheirgrowthprocess.Theproportion(theMvalue)ofthemetaboliccarbonusedbyshellAisfrom24%to43%,withanaverageof33%bycalculation,andthatforshellBfrom33%to75%Jwithanaverageof58%.TheMvaluedecreasedastheshellsgrew.Thecorbiculaflu
8、mineamainlymetthe:needs0ftheincreaseincarbonduringitsshellgrowthbyincreasingabsorptionandutilizationofthedissolvedinorganiccarbonduringourexperiment.Keywords:corbiculafluminea;carbonisotope;metabolism;shell收稿日期(Received):20070713;改回日期(Revised):2007基金项目:国家自然科学基金(40403010)作者简介:H(1980 一),男 ,博士研究生,环境地球化
9、学专业.E-maihyanhuiehjhotmail.COln通讯作者(Correspondingauthor):LEEXinqing,E-mail:xJnqlngleehotmail.cOlll,Tel:+86-8515891611YANHuieta1.:Stablecarbonisotopiccompositionoffreshwaterbivalveshell276 膨销 fe2008 年0 引言自从 Ureyt1947 年第一次提出建议 ,用生物成因碳酸盐的同位素组成进行古气候环境的研究以来,生物壳体碳酸盐的稳定氧,碳同位素已经被大量应用在古气候,古环境研究中2-6.几十年来的研究表明
10、,双壳类生物壳体的氧同位素与水体达到了平衡并成为可靠的环境替代指标口 1.然而碳同位素的解释却比较复杂,这主要是由于生物壳体碳同位素来源的多样性及比例的不确定性造成的 1,这也成为壳体碳同位素应用的最大障碍.双壳类壳体是由外套膜增生形成的.EPF(extrapallialfluid)是存在于外套膜与壳体之间的液体,壳体的钙化就发生在.EPF 中,因此:EPF 的同位素组成直接影响着壳体的同位素组成131.影响 EPF同位素组成的因素有:水体同位素,生物新陈代谢产生的 CO2 和同位素动力学分馏作用等.KrantzetZ.【3】1McConnaugheyt 和 Gillikineta1.的研究均
11、发现双壳类生物由于生长速率相对较慢,在壳体形成过程中避免了同位素的动力学分馏.Kleinet口 Z.在研究双壳类壳体形成时,发现在双壳类生物中含有一种酶(carbonicanhydrase),它可以加速新陈代谢产生的 COz 和水体之间的氧同位素交换速率,使 EPF 始终与水体保持氧同位素的平衡 .这也是双壳类壳体氧同位素不存在生命效应并且记录着生存水体的氧同位素的主要原因.而影响 EPF 碳同位素组成继而影响壳体碳同位素组成的主要因素就是水体中溶解无机碳(DIC)和新陈代谢产生的C02o如果壳体与 DIC 之间达到碳同位素的平衡,则可以用壳体的碳同位素作为 DIC 的替代指标,进而可以利用其
12、进行古水体生产力,古大气 COz浓度及组成和古气候的研究8-91.这要求壳体在形成中没有新陈代谢产生的 CO 的参与,或者利用的比例是恒定的,可以通过计算将新陈代谢产生的 c02 的影响分离出去 .虽然一些比较古老的文献中提出双壳类壳体碳同位素组成可能与 DIC 平衡,是良好的 DIC 替代指标,可以反映的是 pH,水温和盐度等环境信息【7,16】,但近期大量研究表明其钙化时利用了部分新陈代谢释放出来的碳,与壳体外的 DIC 是不平衡的,这已经不存在争议口,93,“】 .目前存在的主要问题是壳体钙化利用的新陈代谢的碳的比例是多少,其随生长过程怎样变化以及多大程度上影响其对 DIC 的记录,是否
13、可以通过计算将其影响排除,从而使得壳体碳同位素有可能作为一种替代指标进行应用.为解决上述疑问,我们选择具有广泛地理分布的淡水双壳类河蚬(corbiculaflumia,MUller1774)进行室内培养研究,以期探明壳体在形成中新陈代谢 c02 的比例影响及其随生长过程的变化,从而为壳体碳同位索的解释及应用提供依据.1 材料和方法室内养殖的河蚬为(corbiculafluminea,Mailer1774)单种 ,于 2006 年 3 月 29 日取自贵阳花溪,将河蚬带回室内按壳高大小进行分类,并分布在养殖箱内.养殖箱底铺有厚约 1ClTI 经过水洗的细砂,并通有氧气泵.在养殖期间水箱内喂养玉米
14、饲料,食物研磨至 200 目.养殖用水采用花溪河水,每半个月取水样进行碳,氧同位素的测定,同时利用便携式水质监测仪测定水体的温度(),pH 等参数.与其他双壳类相似,河蚬壳体也具有分层结构,依次为角质层(几丁质), 纤维层和棱柱层(图 1).棱柱状碳酸盐层仅出现于壳体的后部,它可能是在壳体增厚过程中分泌而成,因此不宜作为时间序列研究的对象.而纤维层则覆盖于整个壳体,是壳体自后向前生长过程中依次分泌的产物,因此选用纤维层作为分析的对象.于 2007 年 3 月 22 日在水箱中取出两壳体样品(A 和 B),做壳体碳同位素时间序列研究,样品 A 和B 初始壳高分别为 9.0mm 和 6.0mm,取
15、出时壳高分别为 13.0mm 和 9.0mm,用双氧水在 50下去除蚬壳表层的几丁质层,用去离子水冲洗,烘干,利壳顶(MiiUerl774)sheHGeochimicalVo1.37lNo.3lpp.275280lMay,2008第 3 期闰慧等:淡水双壳类壳体碳同位素研究:以河蚬(corbiculafluminea,Miiller1774)为例用医用手术刀在蚬壳表面平行壳面纹饰轻轻刮削碳酸盐岩粉末样品,只在养殖期间生长的壳体部分上进行取样,刮削从壳体边缘开始,刮削的深度依纤维层的厚度和不刮削到其下的棱柱层碳酸盐为准,A和 B 壳体分别取粉末样品 4 个,0.2mg 样品量足以进行同位素的分析
16、.由于碳酸盐壳体中的有机物并不影响其磷酸法的氧,碳同位素分析,所刮削的样品在研磨至 200 目后直接进行 COz 气体的制备和氧,碳同位素分析.水样溶解无机碳同位素(6C 啪)利用环境地球化学国家重点实验室 MAT 一 252 测定,水样氧同位素(sOn)利用实验室连续流同位素质谱测定,.Cn和 1SOw 精度分别为 0.1%.和 0.2.壳体碳,氧同位素(813C和 81s0)利用实验室连续流同位素质谱测定,813C和 6 幅 O 精度均为 0.1,CDIC,“C和 6O 均相对于 VPDB 标准,6 埔 Ow 相对于VSMOW 标准.2 结果2.1 水体变化养殖期间水箱水体的理化参数和碳,
17、氧同位素变化情况见图 2.从图中可以看出,水温范围为 213l,平均为 27.pH 值变化范围 7.838.90,平均值为 8.42,总体偏碱性,符合河蚬生长要求.由于水体的蒸发,sow 呈现显着升高变化,从一 5.93%0升至 3.66%o,平均为一 3.28%o.Cc 总体亦呈升高变化,从一 5.24升至 1.41%o,平均为一 1.76,并与水温表现出一定的相关性,说明 6co 除受喂养的食物影响外,水体蒸发的贡献也不可忽视 02.2 河蚬壳体碳同位素样品 A 和 B 初始壳高分别为 9.0mm 和 6.0mm,取出时壳高分别为 13.0mm 和 9.0mm,在养殖期间分别生长了大约 4
18、mm 和 3mm.由表 1 可知,养殖期间随着河蚬的生长,壳体氧,碳同位素是逐渐升高的.壳体 A 氧同位素由一 7.03%0 升至 1.41,平均值为一 3.94%0;壳体 B 氧同位素由一 6.03%0 升至0.30%0,平均值为一 4.20%.;壳体 A 碳同位素由一4.76%.升至一 2.09,平均值为一 3.53;壳体B 碳同位素由一 8.49%0 升至一 2.89%0,平均值为一6.10%.壳体 A 碳同位素要比壳体 B 偏正.表 1 样品 A 和 B 壳体碳,氧同位素组成()Table1Carbonandoxygenisotopiccompositions()insamplesAa
19、ndB注:样号从 1 到 4 代表白壳体边缘到壳顶方向;r 为壳体 A 和 B碳,氧同位素的相关系数.图 2 水箱水体理化参数和碳,氧同位素变化情况Fig.2PhysicalandchemicalparametersandVariationofcarbonandoxygenisotopiccompositionsforthewaterinthewaterbox3 讨论本研究主要目的是探明壳体钙化利用的新陈代谢的碳的比例是多少,其随生长过程怎样变化以及多大程度上影响其对 DIC 的记录,是否可以通过计算将其影响排除,从而使得壳体碳同位素有可能作为一种替代指标进行应用.因此做如下几方面的讨论:一,
20、建立壳体时间序列,为定量数据对比建立基础;二,将壳体碳同位素与水体平衡值进行对比,并证明新陈代谢YANHuieta1.:Stablecarbonisotopiccompositionoffreshwaterbivalveshellp 一.】薏 8 暑 9J 一96.)0膨弦 fe2008 年作用是造成不平衡的主要因素;三,计算壳体钙化利用的新陈代谢的碳的比例及其随生长过程的变化情况,探讨是否可以通过计算将其影响排除,从而使得壳体碳同位素有可能作为一种替代指标进行应用.3.1 时间序列的建立几十年来的研究表明,双壳类生物壳体的氧同位素与水体达到了平衡并成为可靠的环境替代指标,利用壳体氧同位素与水
21、体计算平衡值的对比,可以建立壳体形成的时间序列,为实现定量数据的对比研究提供基础,这也是目前相关研究广泛采用的方法 8-211.本实验河蚬壳体的生长部分是在 2006 年 3 月29 日至 2007 年 3 月 2213 期间形成的,本研究利用这期间水体氧同位素值和水温数据,并利用 Grossman 公式221 计算壳体预测平衡值(.0.q|lil),将获得的壳体氧同位素值(艿 O)与 60qua 进行对比,从而确定采样点的形成时间(图 3).从图 3 可以看出,壳体 A 和 B 虽都采集 4 个样品,但氧同位素的对比表明,样品的沉积时间是不同的,这是个体差异的正常表现.3.2 壳体碳同位素的
22、变化Romaneketa1.的研究.1 证明 ,若与水体重碳酸盐达到碳同位素平衡,文石要比重碳酸盐富集 C,-,亳图 3 样品 A 和 B 壳体碳,氧同位素时问变化序列rig.3TimeseriesofcarbonandoxygenisotopiccompositionsinsamplesAandBCDic+2.7 是根据 Romaneketa1.231 的研究作为壳体碳同位素平衡值 ;0 根据 0 和水温及 Grossman 公式计算;壳体的生长部分是在2006 年 3 月 29 日至 2007 年 3 月 22 日期间形成的,图中虚线为利用氧同位素方法确定的 4 个采样点的沉积时间.约 2
23、.7%0.将 nCo.+2.7 作为壳体碳同位素平衡值,本实验其值范围为一 2.51%o 一 4.11%o,平均值为0.94%.,而样品 A 壳体碳同位素值为一 4.76%o 一一2.09%o,平均值为一 3.53%0,样品 B 壳体碳同位素值为一 8.49%0一 2.89%0,平均值为一 6.10%Oo样品 A 的 4 个采样点(14)61sC 值分别比平衡值偏负 3.79%o,5.64%.,3.68%0 和 2.46%0,样品 B依次为 4.59%0,6.44,8.83%0 和 6.00%0.而就同位素范围而言,壳体 A 碳同位素平均值比平衡值平均值偏负 4.44%.,壳体 B 碳同位素平
24、均值比平衡值平均值偏负 7.O1,这一不平衡以及偏负的现象表明壳体在形成过程中除了利用 DIC 外,还存在其他碳源.导致壳体碳同位素不平衡的原因主要有动力学分馏作用和新陈代谢作用.动力学分馏发生在 C02的水化和氢氧化过程中,含有心 C 和 0 的.C02 比含有重同位素的 COz 活跃,因此在壳体钙化过程中发生氧,碳同位素的同步分馏,可以造成 is0 约 4%.和“c 约 10%o 一 15%o 的亏损 ,所以动力学分馏使壳体的 6 坞 0 和 nC 呈一定的正相关关系,并且这种分馏作用主要存在于快速成骨成壳生物中 n,.141.虽然壳体的碳,氧同位素显示出一定的正相关性(ra=0.96r(0.05,2)=0.95,rB=0.72r(0.05,2)=0.95,见表 1),但是由于壳体氧同位素的平衡,表明动力学分馏作用不可能是壳体碳同位素偏负的原因.新陈代谢作用主要是指壳体在形成中利用了呼吸作用产生的富集耽 C 的 C02,其主要影响壳体的碳同位素,对氧同位素的影响很小甚至可以忽略 1 钔.本研究碳同位素的偏负及氧同位素的平衡表明新陈代谢作用是壳体碳不平衡的主要因素,这与相关研究的结论是一致的9,13-15,“】.3.3 新陈代谢作用的比例新陈代谢作用对壳体碳同位素的影响如
