海洋中碳稳定同位素的生物地球化学PPT文件格式下载.ppt
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种类、代谢途径和温度。
(1)无机碳体系中的碳同位素交换无机碳酸盐系统包括一系列化学平衡反应相互转化的多种化学相:
CO2(水溶)+H2O=H2CO3
(1)H2CO3=H+HCO3-
(2)HCO3-=H+CO32-(3)CO32-+Ca2+=CaCO3(4)每个平衡反应都有同位素交换。
13C趋向富集在高价碳中,即CH4(13C最亏损)COCO2CO3-(13C最富集)(4)式形成固体矿物,最常见的矿物是方解石和文石。
(2)光合作用中的碳同位素分馏(A)生物分馏植物光合作用CO2(外部)CO2(内部)有机分子6CO2+11H2OC6H22O11+6O2单向反应空气中12CO2键比13CO2易破裂,所以光合作用时植物组织优先吸收12CO2,有机物中富集12C,而空气则富集13C。
植物中碳同位素分馏分三步:
a优先吸收12C,溶解于细胞质中。
分馏由动力学引起,主要取决于大气中CO2的浓度,浓度越低分馏越小。
b溶解在细胞质中的12CO2通过酶的作用转移到磷酸甘油酸中,使残余的CO2富集13C。
c植物磷酸甘油酸合成各种有机物进一步分馏,总趋势是蛋白质、果酸最重(-17),纤维素次之(-23),类脂化合物最轻(-30),原因可能是动力学分馏。
(B)影响植物碳同位素分馏的内在因素,图171,总结了高等植物、藻类和微生物的13C值的范围。
C3和C4植物的13C范围明显不同,而形成甲烷的细菌表现出极大的变化范围。
低温处的浮游植物有更高的13C消耗量,所以温度可能是分馏程度增强的主要原因。
浮游植物的13C含量是由温度、代谢途径以及DIC池中的同位素组成共同决定的。
动物:
取决于食物通过食物链吸收C合成有机物,此过程分馏并不显著,所以动物的同位素组成与其食用物质的同位素组成相似。
基于这点,可用来估测其食物的碳源。
这种方法要求所食用的所有食物种类都必须列出,且彼此能够用同位素很好的区分。
(C)影响植物碳同位素组成的外部因素(a)碳源:
陆生植物(大气,13Cco2=-7)海洋生物(HCO3-,13CHCO3-=0)所以海洋植物较陆地植物普遍富13C大陆水一般富12C,所以淡水植物相对于海生植物贫13C,特别是在细菌活动强烈、又与外界混合不好的还原性盆地中的水中,溶解的13C更负。
海洋浮游植物陆生C3C4和CAM:
河口区陆生,(b)呼吸作用夜间,植物呼出的CO2的13C接近植物组织(很负),与空气中CO2混合可改变CO2的13C。
植物种类不同,则呼吸速率不同,对周围CO2影响程度不同。
光照时间的长短,影响光合强度、CO2同化速率及富13C的产生速率。
(c)大气CO2同位素组成变化区域性变化:
草原、森林比都市、工业区低日变化(白天、晚上)、年变化(春季、秋季)(d)温度效应:
植物生长、CO2同化速率、无机碳酸盐体系的平衡。
但影响小,不超过23。
3.1.3大气和水圈中的碳同位素,大气圈
(1)大气CO2
(2)大气CO2的13C记录(3)CH4水圈
(1)海水碳酸盐
(2)沉积物碳酸钙(孔隙水碳酸盐),大气圈,
(1)大气CO2大气中CO2含量占0.03%,有正常的日变化、季节变化和区域性变化。
日变化:
白天,光合作用,CO2下降,13C上升。
晚上,呼吸作用,呼出CO2,13C下降。
图P164上图,当CO2浓度最小时,13C最高,为-7。
季节变化、区域性变化:
生物活动的结果。
现象:
自北向南,季节性旋回变化幅度减小。
原因:
高纬度植物的生理活动有更强的季节性。
陆地主要集中于北半球,所以季节效应在南半球不明显。
现实:
大气中CO2含量升高。
监测资料表明,大气中CO2浓度增加速率为1.510-6/年,同时13C/12C比值变小。
假设:
燃烧石油和煤1015g/年,则大气CO2的13C减小速率为0.02/年。
事实:
监测结果比上述结果小的多。
燃烧释放的CO2一部分留在大气圈,另一部分被大洋和陆地植物吸收。
(2)大气CO2的13C记录树木:
生长层与大气保持同位素平衡,停止生长即停止与外界的同位素交换,来保持原有的同位素记录。
冰芯:
保存着良好的CO2记录。
对冰芯的包体CO2研究表明,冰期比间冰期的CO2浓度低,13C低约0.3。
有孔虫:
当浮游植物有更高的生产力,浮游有孔虫壳体的13C必然偏重,而同期低栖有孔虫由于大量有机质的降解而记录轻值。
(3)甲烷形成条件自然源:
缺氧,细菌还原;
牛胃、白蚁人工源:
石油和煤的燃烧等大气中含量甲烷的13C平均值为-47,其值有季节变化、南北半球差异(生物活动)。
350年前的冰芯中提取的CH4的13C比现在低2。
水圈,
(1)海水碳酸盐海水中的5种状态:
CO2、H2CO3、HCO3-(主要含碳物相)、CO32-和有机碳。
浓度与组成受pH及温度的影响。
表层13C约为+2。
随深度增加,贫13C的有机物和生物碎屑不断氧化分解,导致13C减小,到达一定深度达到稳定值。
表层水中的DIC的13C是与大气CO2同位素平衡的。
由于光合作用优先摄取12C,真光层中同位素平衡不易形成。
相对来说,生物钙一旦形成就很少分馏,可以用生物CaCO3中的13C来估计DIC来源,所以可用贝壳来估算储藏处的水深和水量。
有孔虫的13C最接近表层水中HCO3-中的13C值。
同位素值的相似性表明所测定的这些有孔虫来自表层的生物,它的钙源是来自表层碳酸氢根池。
(2)沉积物碳酸钙(孔隙水碳酸盐)界面处孔隙水13C与海水一致两过程:
有机物分解生成轻CO2;
CaCO3分解成重CO2。
均可进入孔隙水,取决于两过程的相对强度。
总效应是上层孔隙水的13C比上覆底层水小。
沉积物/水界面以下几十厘米内,13C表现出陡峭的梯度。
沉积物中细菌的甲烷化作用富碳沉积物中,硫酸盐CH4CH4的逸出使孔隙水富集13C。
注明:
孔隙水不一定是封闭体系,孔隙水中C的丢失和获得也会对它的碳同位素影响。
细菌还原,3.1.4生物圈中的同位素,生物圈:
包括所有活物质的总量,植物、动物、微生物及生物遗留物如煤和石油等。
天然有机物生物相关产物:
化石燃料,
(1)天然有机物陆生植物:
大气CO2,13C(-24-34)低海生生物:
HCO3-,13C(-6-19)高13C不同,代谢方式不同动物:
13C取决于食物海生生物比陆生植物“重”判断海洋沉积物的来源注意:
不同的生物组织有不同的13C值若海洋沉积物的13C介于其间,可能反应混合关系。
(2)化石燃料煤:
取决于成煤植物的种类和它们的生长环境,成煤过程中溢出的CH4和其他碳氢化合物的量比总碳量是很少的,所以形成过程中,分馏不明显,平均13C值接近陆生植物的值(约-25),与成煤过程和年龄无明显关系。
石油:
陆生和海生植物利用碳源不同,13C范围显著不同。
其13C为-17-33。
天然气:
CH4(主要)海洋环境:
CO2的还原生物成因(主要)(-110-50)(-110-50)淡水环境:
醋酸盐发酵(-65-50)热成因:
有机质埋藏较深。
先断裂12C-12C键,残留物中优先富集13C;
随温度升高,12C-13C键断裂,使甲烷中13C升高。
所以形成的甲烷比母体有一部分亏损(-50-20),3.1.5海洋碳稳定同位素研究示例,
(1)研究长江口中POM的来源和运输(蔡德陵)理论依据:
陆源有机碳和海洋有机碳的13C值不同,前者(-24-34)低,后者(-6-19)高。
是区分有机物来源的良好标志。
取样:
长江口不同站位,两航次分别在径流量和生产力高的夏季(1980.6)和低的冬季(1981.11)进行。
长江口:
洪水期POM的13C为-23.4-19.7,在两碳库值之间,河口区是河流有机碳和海洋有机碳混合的结果。
枯水期,13C为-26.4-23.7,表明陆源有机碳占优势。
(2)大气和海洋中13C的研究(焦秀玲)全球变暖与CO2浓度升高有关。
植物光合作用,优先12C,使化石燃料中13C值低,燃烧时放出CO2,空气中CO2升高,而13C逐渐减小。
研究13C,了解大气与海洋的相互作用,海洋吸收、储存、转移CO2的能力及大气中CO2变化倾向,预测世界范围内的气候变化趋势。
(3)有孔虫13C在古海洋学中应用有孔虫CaCO3的13C与海水溶解碳酸盐的13C相关,可用来研究:
底栖有孔虫13C反映森林植被面积。
指示冰期间冰期过渡时期大量冰融水的注入。
底栖与浮游有孔虫13C的差值反映的古生产力底栖有孔虫碳同位素示踪深层水演化。
(4)单体分子碳同位素在古海洋学中的应用单体化合物的碳同位素是将色谱分离与稳定同位素比值测定结合在一起的方法,在探索有机物质来源、古环境信息等方面有着有机质整体的13Corg和传统生物标志物不可替代的优点。
突出表现为:
不同生物有机体合成相同的生物标志物常常具有不同的碳同位素分馏,因而单体碳同位素值有来源方面的特异性;
只要该化合物碳骨架能完整保存,单体生物标志化合物13Corg组成不像总有机质13Corg那样会受降解作用影响。
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- 海洋 稳定 同位素 生物 地球化学