تحليل النظائر

تمت دراسة نسبة الهيدروجين ^-2 ، المعروف أيضًا بالديوتيريوم ، إلى الهيدروجين ^-1 في كل من الأنسجة النباتية والحيوانية. ترتبط نظائر الهيدروجين في الأنسجة النباتية بقيم المياه المحلية، لكنها تختلف بناءً على التجزئة أثناء عملية التمثيل الضوئي والنتح وغيرها من العمليات في تكوين السليلوز. وجدت دراسة أجريت على نسب النظائر في أنسجة نباتات نامية في منطقة صغيرة في تكساس أن أنسجة نباتات التمثيل الضوئي الحمضي (CAM) كانت أغنى بالديوتيريوم مقارنةً بنباتات التمثيل الضوئي من نوع C4 . ^{[ 14 ]} تعكس نسب نظائر الهيدروجين في الأنسجة الحيوانية النظام الغذائي، بما في ذلك مياه الشرب، وقد استُخدمت لدراسة هجرة الطيور ^{[ 15 ]} والشبكات الغذائية المائية. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تساعدنا نظائر الكربون في تحديد مصدر الإنتاج الأولي المسؤول عن تدفق الطاقة في النظام البيئي. ويبقى انتقال الكربون ^-13 عبر المستويات الغذائية ثابتًا نسبيًا، باستثناء زيادة طفيفة (إثراء أقل من 1 بالألف). وتشير الاختلافات الكبيرة في نسبة نظير الكربون ^-13 (δ13C ) بين الحيوانات إلى اختلاف مصادر غذائها، أو إلى أن شبكاتها الغذائية تعتمد على منتجين أوليين مختلفين (مثل أنواع مختلفة من العوالق النباتية، وأعشاب المستنقعات). ولأن نسبة نظير الكربون ^-13 (δ13C ) تدل على المصدر الأصلي للمنتجين الأوليين، فإن هذه النظائر تساعدنا أيضًا في تحديد التحولات في الأنظمة الغذائية، سواء كانت قصيرة الأجل أو طويلة الأجل أو دائمة. وقد ترتبط هذه التحولات بالتغيرات الموسمية، مما يعكس وفرة العوالق النباتية. ^{[ 13 ]} وقد وجد العلماء أن هناك نطاقات واسعة من قيم نسبة نظير الكربون ^-13 (δ13C ) في تجمعات العوالق النباتية في منطقة جغرافية واحدة. ورغم أن السبب وراء ذلك غير مؤكد تمامًا، إلا أن هناك عدة فرضيات تفسر هذه الظاهرة. تشمل هذه العوامل اختلاف النظائر ضمن تجمعات الكربون غير العضوي المذاب (DIC) باختلاف درجة الحرارة والموقع، وتأثير معدلات نمو العوالق النباتية على امتصاصها لهذه النظائر. وقد استُخدمت نسبة نظير الكربون ¹³ (δ13C ) في تحديد هجرة الحيوانات اليافعة من المناطق الساحلية المحمية إلى المواقع البحرية البعيدة عن الشاطئ، وذلك من خلال دراسة التغيرات في أنظمتها الغذائية. وقد أجرت دراسة أجراها فراي (1983) تحليلاً للتركيب النظائري في الروبيان اليافع في المسطحات العشبية بجنوب تكساس. وجد فراي أن الروبيان في بداية الدراسة كان لديه قيم نظائرية تتراوح بين -11 و-14‰ لنظير الكربون δ13، وبين 6 و8‰ لنظيري النيتروجين ^{δ15 والكبريت} δ34 ^. ومع نضوج الروبيان وهجرته إلى عرض البحر، تغيرت القيم النظائرية لتصبح مشابهة لتلك الموجودة لدى الكائنات الحية في عرض البحر (δ13C ⁼ -15‰، و ^δ15N = 11.5‰، وδ34S ⁼ 16‰). ^{[ 18 ]}

على الرغم من عدم وجود زيادة في نسبة نظير الكبريت ^-34 بين المستويات الغذائية، إلا أن هذا النظير المستقر يُعدّ مفيدًا في التمييز بين المنتجين القاعيين والمنتجين السطحيين ، وبين منتجي العوالق النباتية ومنتجي المستنقعات . [ ^{13 ] ومثل} الكربون ^-13 ، يُمكن أن يُساعد أيضًا في التمييز بين أنواع العوالق النباتية المختلفة باعتبارها المنتجين الأوليين الرئيسيين في الشبكات الغذائية. وتُساعد الاختلافات بين كبريتات وكبريتيدات مياه البحر (حوالي 21‰ مقابل -10‰) العلماء في عمليات التمييز. يميل الكبريت إلى أن يكون أكثر وفرة في المناطق الأقل تهوية، مثل النظم القاعية ونباتات المستنقعات، مقارنةً بالنظم السطحية والأكثر تهوية. وبالتالي، تكون قيم δ34S أصغر ^في النظم القاعية ^. [ ^{13 ]}

تشير نظائر النيتروجين إلى المستوى الغذائي للكائنات الحية (مما يعكس وقت أخذ عينات الأنسجة). يوجد مكون إثراء أكبر مع δ ^15N لأن احتفاظه أعلى من احتفاظ ^14N . يمكن ملاحظة ذلك من خلال تحليل فضلات الكائنات الحية. ^{[ 13 ]} أظهر بول الماشية وجود نقص في ^15N مقارنةً بالنظام الغذائي. ^{[ 19 ]} عندما تتغذى الكائنات الحية على بعضها البعض، تنتقل نظائر 15N إلى المفترسات. وبالتالي، تراكمت لدى الكائنات الحية الأعلى في ^الهرم الغذائي مستويات أعلى من 15N ⁽ وقيم δ ^15N أعلى ) مقارنةً بفرائسها والكائنات الأخرى التي تسبقها في الشبكة الغذائية. أظهرت العديد من الدراسات على النظم البيئية البحرية أن هناك في المتوسط ​​إثراءً بنسبة 3.2‰ من ^15N مقارنةً بالنظام الغذائي بين أنواع الكائنات الحية ذات المستويات الغذائية المختلفة في النظم البيئية. ^{[ 13 ]} في بحر البلطيق، هانسون وآخرون. وجد (1997) أنه عند تحليل مجموعة متنوعة من الكائنات الحية (مثل المواد العضوية الجسيمية (العوالق النباتية)، والعوالق الحيوانية ، والميسيدات ، والسبرات، والسمك الرملي، والرنجة)، كان هناك تجزئة واضحة بنسبة 2.4‰ بين المستهلكين وفرائسهم الظاهرة. ^{[ 20 ]}

بالإضافة إلى تحديد الموقع الغذائي للكائنات الحية، أصبحت قيم δ15N شائعة الاستخدام في التمييز بين مصادر المغذيات الأرضية والطبيعية. فعندما تنتقل المياه من خزانات الصرف الصحي إلى طبقات المياه الجوفية، تصل المياه الغنية بالنيتروجين إلى المناطق الساحلية. ويحتوي نترات مياه الصرف الصحي على تركيزات أعلى من نظير النيتروجين ^{-15 N} مقارنةً بالنترات الموجودة في التربة الطبيعية في المناطق القريبة من الشاطئ. ^{[ 21 ]} بالنسبة للبكتيريا، يُعد امتصاص نظير النيتروجين ^-14 N أسهل من امتصاص نظير ^{النيتروجين-15} N لأنه عنصر أخف وأسهل في الاستقلاب. وبالتالي، ونظرًا لتفضيل البكتيريا لنظير النيتروجين-14N عند القيام بالعمليات البيوجيوكيميائية ، مثل نزع النتروجين وتطاير الأمونيا، يُزال نظير النيتروجين ^-14 N من الماء بمعدل أسرع من نظير ^{النيتروجين-15} N، مما يؤدي إلى دخول كمية أكبر من نظير النيتروجين-15N إلى طبقة المياه الجوفية. وتبلغ نسبة نظير ^{النيتروجين-15 N} في هذه الحالة حوالي 10-20 بالألف، مقارنةً بقيم نظير النيتروجين ^-15 N الطبيعية التي تتراوح بين 2-8 بالألف. ^{[ 21 ]} عادةً ما يكون النيتروجين غير العضوي المنبعث من خزانات الصرف الصحي وغيرها من مياه الصرف الصحي البشرية على شكل${\displaystyle {\ce {NH4+}}}$بمجرد دخول النيتروجين إلى مصبات الأنهار عبر المياه الجوفية، يُعتقد أنه نظرًا لزيادة كمية النيتروجين ^-15 الداخلة، ستزداد أيضًا كمية النيتروجين ^-15 في مخزون النيتروجين غير العضوي المُوَصَّل، وبالتالي يزداد امتصاصه من قِبَل الكائنات المنتجة. ورغم سهولة امتصاص النيتروجين ^-14 ، إلا أن وفرة النيتروجين ^-15 ستؤدي إلى زيادة الكميات المُستوعبة عن المعدل الطبيعي. ويمكن دراسة مستويات δ15N هذه ^في الكائنات الحية التي تعيش في المنطقة وغير المهاجرة (مثل النباتات المائية الكبيرة ، والمحار، وحتى بعض الأسماك). ^{[ 20 ] [ 22 ] [ 23 ]} وتُعد هذه الطريقة لتحديد المستويات العالية من مدخلات النيتروجين طريقة شائعة بشكل متزايد في محاولة رصد مدخلات المغذيات إلى مصبات الأنهار والنظم البيئية الساحلية. وقد ازداد اهتمام مديري البيئة بقياس مدخلات المغذيات البشرية المنشأ إلى مصبات الأنهار، لأن زيادة المغذيات قد تؤدي إلى التخثث ونقص الأكسجين ، مما قد يُؤدي إلى انقراض الكائنات الحية من المنطقة تمامًا. ^{[ 24 ]}

استُخدم تحليل نسبة ^18O إلى ^16O في أصداف محار دلتا كولورادو لتقييم الامتداد التاريخي للمصب في دلتا نهر كولورادو قبل بناء السدود في المنبع. ^{[ 25 ]}