海洋中碳稳定同位素的生物地球化学ppt课件.ppt

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1、第三章海洋稳定同位素生物地球化学09海洋化学李文君3.1碳稳定同位素3.1.1碳同位素概况3.1.2分馏机理3.1.3大气和水圈中的碳同位素3.1.4生物圈中的碳同位素3.1.5海洋碳稳定同位素研究示例3.1.1碳同位素概况1存在形式自然碳（金刚石、石墨）氧化碳（CO32-、HCO3-、CO2和CO）还原碳（煤、甲烷、石油等合物）多种氧化价态是同位素分馏的有利条件2丰度稳定同位素12C:98.89%13C:1.11%放射性同位素14C存在两大重要碳库：海洋碳酸盐——重同位素多，δ13C平均值接近0‰有机碳——轻同位素多，-25‰左右变化这两个沉积碳库存

2、在同位素质量平衡：δ13C输入=f有机δ13C有机+（1-f有机）δ13C碳酸盐f有机,即有机碳进入沉积物的比例若已知特定时期的δ输入、δ有机和δ碳酸盐，可计算得f有机，对重建地壳氧化还原平衡有重要意义。注意：f有机以全球平衡为前提，与生物生产力无关。即与有机物合成无关，而与有机物埋藏有关。f有机高，只能说明有高的平均埋藏水平，但生物生产力可能高或低。3.1.2分馏机理主要的两个分馏机理：（1）无机碳体系中的碳同位素交换：使碳酸盐富集13C（2）光合作用过程中的动力学效应：有机物富集12C，残余CO2富集13C生物分馏的影响因素很多，但分馏程度主要取决

3、于：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）→CO→CO2→CO3-（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+11H2O→C6H22

4、O11+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循环名称形成特

5、点特点δ13C(‰)范围C3循环(Calvin)利用rubisco酶与一个CO2生成3个3-磷酸甘油酸，合成三碳糖。循环长，分馏大。-23～-3890%植物C4循环(HatchandSlack)用磷酸烯醇丙酮酸羟基酶(PEF)固定碳短循环，分馏小，-12～-14少数：玉米、甘蔗CAM循环以crassulacean酸代谢为特征，采用C3和C4两种代谢方式介于C3与C4之间介于C3与C4之间肉质植物：仙人掌图171总结了高等植物、藻类和微生物的δ13C值的范围。C3和C4植物的δ13C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

6、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，δ13Cco2=-7‰)海洋生物(HCO3-,δ13CHCO3-=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

7、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δ13C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δ13C接近植物组织（很负），与空气中CO2混合可改变CO2的δ13C。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

8、影响小，不超过2‰～3‰。3.1.3大气和水圈中的碳同位素大气圈（1）大气CO2（2）大气CO