稳定氮同位素
氮同位素概念与原理简介
稳定碳,氮同位素标准样品
自然界碳同位素的丰度
自然界中主要存在三种碳同位素,分别是碳-12(12C)、碳-13(13C)和碳-14(14C)。
它们的丰度差异很大,在自然界中分布不均匀。
碳-12是碳的主要稳定同位素,在自然界中的丰度约为98.89%。
它是构成有机物和无机碳化物的主要成分。
碳-13是另一种稳定同位素,其天然丰度约为 1.11%。
由于其相对质量较重,在一些生物过程中会发生同位素分馏效应,导致不同环境中13C的丰度略有差异。
这种差异被广泛应用于同位素示踪和年代测定等领域。
碳-14是碳的放射性同位素,其丰度极其稀少,约为1×10^-12。
它主要来源于高能宇宙射线与大气中的氮原子反应产生。
碳-14的半衰期约为5730年,被广泛应用于考古学年代测定和环境示踪研究。
碳同位素的丰度分布反映了自然界中这些同位素形成和演化的过程,对于研究地球化学循环及环境变化等具有重要意义。
氮的同位素
氮的同位素
氮有两种天然同位素：氮-14和氮-15，大气氮中两同位素的相对丰度分别为99.634‰、0.366%。
对空气中氮同位素测定表明,到50km高处,其同位素组成保持稳定。
氮-14 是两种稳定的 (非放射性) 氮同位素之一，占了天然氮的 99.636% 。
氮-14 是非常少见的质子和中子的个数都是奇数的核素 (都是七个) ，而且是唯一一个成为最丰富的核素的奇-奇核素。
每个质子和中子都贡献了自旋
±1/2，形成了自旋为1的氮-14核。
和所有原子序数超过锂的元素一样，氮-14 和氮-15 在宇宙中的来源是恒星核合成，是碳氮氧循环中的一个必经核素。
氮-14 是天然存在的放射性同位素碳-14的来源。
在高层大气中，一些宇宙射线造成涉及氮-14的核反应，形成碳-14，会衰变成氮-14，半衰期5,730 ± 40 年。
氮-15 是一种稀有的氮的同位素。
两种形成氮-15 的来源分别是氧-15的正电子发射和碳-15的贝塔衰变。
氮-15是所有同位素中中子俘获截面最低的核素之一。
氮-15 频繁在 NMR 里被使用(氮-15核磁共振波谱法)。
不像更常见的氮-14，具有整数自旋，因此具有四极矩，15N 的自旋不是整数（3/2）。
这为NMR提供了优势，例如更窄的线宽。
植物n15同位素
植物N-15同位素：探索植物氮代谢的关键在植物科学研究中，同位素标记技术为我们提供了深入探索植物生理过程的独特视角。
其中，N-15同位素作为一种稳定同位素，在植物氮代谢研究中发挥着关键作用。
1. N-15同位素的特点N-15是氮元素的一种稳定同位素，其原子核中有15个质子。
与常见的N-14相比，N-15的自然丰度较低，仅为0.365%。
这种稀有性使得N-15成为了一种理想的示踪剂，可以在复杂的生物系统中追踪氮元素的流向。
2. N-15同位素在植物研究中的应用•氮素吸收与转运：通过给植物施加标记有N-15的氮肥，可以追踪植物如何吸收、转运和利用这些氮素。
这对于了解植物对氮素的利用效率、优化施肥策略具有重要意义。
•氮代谢途径研究：N-15同位素可以帮助我们了解植物体内氮代谢的关键途径，如硝酸盐还原、氨基酸合成等。
这对于理解植物如何适应不同的氮素供应条件至关重要。
•植物与微生物的相互作用：在植物与根际微生物的相互作用中，N-15同位素可以帮助我们揭示氮素在这些复杂生态系统中的流动和转化过程。
3. N-15同位素的优势与挑战•优势：N-15同位素示踪技术具有高灵敏度、高特异性和可量化等优点，能够为我们提供关于植物氮代谢的深入见解。
•挑战：N-15同位素的稀有性使得实验成本相对较高，且需要高精度的分析技术来准确测量。
4. 展望未来随着同位素分析技术的不断进步，N-15同位素在植物氮代谢研究中的应用将更加广泛。
这不仅有助于我们更深入地理解植物氮代谢的生理机制，还为农业生产中的氮肥管理和环境保护提供了科学依据。
总之，N-15同位素作为一种独特的示踪剂，为植物氮代谢研究开辟了新的途径。
通过不断探索和应用这一技术，我们有望更加深入地了解植物氮代谢的奥秘，为农业生产和生态保护做出更大的贡献。
新疆青铜早期多种生物遗存的C、N稳定同位素分析
新疆青铜早期多种生物遗存的C、N稳定同位素分析目录1. 内容概要 (2)1.1 研究的背景和意义 (2)1.2 研究区域和材料 (3)1.3 同位素分析的基本原理 (4)1.4 文献综述 (5)2. 研究方法 (6)2.1 样品采集与处理 (7)2.2 C、N稳定同位素的测试方法 (9)2.3 数据处理与分析方法 (9)3. 新疆青铜早期遗存概述 (10)3.1 新疆地区的历史背景 (12)3.2 青铜时代文化的特点 (12)3.3 青铜时代的生物遗存分布情况 (14)4. 生物遗存的C、N稳定同位素分析 (14)4.1 植物遗存的同位素分析 (16)4.1.1 植硅体的同位素分析 (16)4.1.2 植物叶片的同位素分析 (17)4.2 动物遗存的同位素分析 (18)4.2.1 骨肉同位素分析 (19)4.2.2 骨冠同位素分析 (20)4.3 环境物质的C、N稳定同位素分析 (21)4.3.1 土壤的同位素分析 (22)4.3.2 水质的同位素分析 (24)5. 数据分析与讨论 (24)5.1 遗存的C、N稳定同位素数据 (25)5.2 饮食习惯与生存环境分析 (26)5.3 社会经济活动与文化发展 (28)1. 内容概要本报告内容概要主要围绕新疆青铜早期多种生物遗存进行展开，通过对其进行C（碳）、N（氮）稳定同位素分析，以揭示该时期生物遗存所反映的生态环境变迁、食物资源利用状况以及人类生活方式等重要信息。
分析对象涵盖了植物、动物及人类遗骸等多种生物遗存，力图从多个角度全面阐述新疆青铜早期的生态环境和人类活动特征。
报告首先介绍了研究背景、目的和意义，接着概述了研究区域概况及材料来源，然后详细阐述了分析方法及流程，并对分析结果进行了全面系统的介绍。
对研究结果进行了总结和讨论，并结合相关文献和背景进行了深入的分析和解释。
1.1 研究的背景和意义位于中国西北部，是一个具有丰富自然资源和多元文化背景的地区。
氮稳定同位素示踪水体氮污染研究
氮稳定同位素示踪水体氮污染研究氮输入超标会引起发水体富营养化、水生生物死亡等一系列环境问题，通过研究水体氮浓度、氮同位素值的时空分布特点和成因，能定性的判别水体氮污染的来源及其转化机制。
本文结合该学科领域的研究成果，对氮同位素示踪技术运用到水体氮异常的研究中作出综述，有以下成果：论述了两种常用的氮稳定同位素示踪技术的（15N自然丰度法、15N同位素稀释法）的机理及运用;氮的来源及转化过程中的分馏效应;对有机氮同位素的研究中，颗粒有机氮（PON）的δ15N 值再结合13C、C/N比值可以综合判断有机颗粒物的来源，并可作为生态系统中氮的生物地球化学反应及转化过程的识别标志。
标签：氮稳定同位素;水环境;颗粒态有机氮随着工农业生产的发展，氮污染已成为水环境问题研究的热点，世界许多地方水环境中的氮含量都超过了相关机构规定的饮用水中N03一含量的上限值，这也给人们的身体健康带来极大隐患。
迄今，许多学者已将氮稳定同位素应用到判别水中氮污染来源以及水循环过程中氮的转化机制之中.对水体中氮稳定同位素也进行了广泛的探索。
通过对氮稳定同位素的研究，可以有效的判别水体中氮异常的来源，了解氮的转化机制和沿途的变化，从而有效地防范和控制水体氮污染一、氮稳定同位素示踪技术（一）15N自然丰度法氮有14N和15N两种稳定同位素，其中14N豐度为99.64‰，15N丰度为0.36‰[1]。
不同物质中有着不同的14N和15N的同位素比值（δ15N），并且，δ15N 在不同的地质背景和含水介质中也有所相异，所以研究水体中的自然氮同位素值对判断区域地质环境有着重要的现实意义的。
通过研究地表水氮浓度、氮同位素值的时空分布特点和成因，能定性判别水体氮污染的来源及其转化机制。
（二）15N同位素稀释法氮循环过程中在沿途的变化会引起氮同位素的分馏效应，通过加入15N标记体，经过相关的生物化学过程测定15N标记体原子百分比变化可以示踪物质转化迁移途径与程度。
氮 氧 稳定同位素
氮氧稳定同位素氮和氧是生命中最重要的元素之一，它们的稳定同位素在地球科学、环境科学、气候科学和生态学等领域中发挥着至关重要的作用。
本文将详细介绍氮和氧的稳定同位素及其在不同领域中的应用。
氮在自然界中存在着两种常见的同位素，即氮-14（14N）和氮-15（15N）。
14N为最常见的氮同位素，占氮元素的99.6%左右，而15N仅占0.4%左右。
它们的原子量分别为14和15，因此氮的稳定同位素可以用δ15N值来表示，其计算公式如下：δ15N（‰）= （Rsample / Rstandard -1） * 1000其中，Rsample为样品中15N/14N的比例，Rstandard为标准样品中15N/14N的比例，‰表示千分之一。
氮的稳定同位素在地球科学研究中被广泛应用。
例如，它们可以用于研究岩石、矿物和土壤中的氮同位素组成，以推断地球各层之间的物质循环和化学变化。
此外，氮的稳定同位素也可以用于研究古气候和古环境，例如通过分析从化石和地球表面中提取的氮同位素数据，可以了解古生态系统的变化、古气候的演变以及生物地球化学循环等方面的信息。
在生态学研究中，氮的稳定同位素也起着重要的作用。
植物吸收土壤中的氮元素后，会兼具14N和15N两种同位素，但不同类型的植物对两种同位素的利用程度有所不同。
因此，对于给定的土壤环境，不同植物的δ15N值也有所不同。
通过比较不同植物的同位素组成，可以了解各种植物在土壤中吸收氮元素的方式、植物之间的竞争关系、土壤中氮源的供应情况等生态学信息。
氧在自然界中存在着三种同位素，即氧-16（16O）、氧-17（17O）和氧-18（18O），它们的相对丰度分别为99.76%、0.04%和0.20%。
其中，氧的稳定同位素主要是指18O同位素，其计算公式如下：在医学领域中，氧的稳定同位素也有应用。
例如，通过分析患者体内氧同位素的分布情况，可以了解人体水分代谢的情况，从而帮助医生诊断疾病并制定治疗方案。
利用氮稳定同位素比的氮循环解析利用氮稳定同位素比的氮循环解析
利用氮稳定同位素比的氮循环解析Nitrogen cycle study by 15N natural abundance木庭启介Keisuke Koba青年人才培养基地 特任副教授Associate Professor, Strategic Division of Young Researchers研究领域：环境Keywords: Nitrogen, nitrification, denitrification, isotopeURL ：http://www.tuat.ac.jp/~keikoba/1. 研究研究（（技术技术、、开发开发））简介·背景与目的由于氮限制着植物的生长，而且近年来氮的大气沉淀不断增加，生态环境中氮含量过高（氮饱和状态），因此有很多针对氮循环的研究。
我们认为，可以利用微量的样本测定对氮循环解析非常有用的15N 自然存在比，再将其应用到各种生态类用途。
·内容内容（（研究研究、、技术技术、、开发开发））说明以前一直作为N2气体测定的氮同位素比换为大气浓度更低的N2O 测定后，需要的样本量减少为以前的1/1000。
实际上，利用反硝化细菌或叠氮化氢可以将氮化合物100%转换为N2O ，再测定氮稳定同位素比。
2. 研究研究（（技术技术、、开发开发））的独创性·与其他方法与其他方法（（产业方面的竞争技术产业方面的竞争技术））之间的区别等在传统的元素分析计-稳定同位素质量分析计的组合中，需要100微克左右的样本，但在我们的系统中，通过作为N2O 测定，仅用0.1微克左右的氮便可测定。
3. 今后的展开·关于设想中的市场及对其所做的贡献等在污水处理厂等氮循环非常动态的生态环境以及食品产地判定等测定要求严格的场合，我们的微量同位素比测定系统将更为有效。
另外根据有机栽培和无机栽培蔬菜所用氮源的氮（氧）同位素比不同的原理，准确判别蔬菜产地也将变为可能。
4. 相关资料文献、、参考事项相关资料、、文献·主要论文Koba et al. 2009, Biogeochemistry of nitrous oxide in groundwater in a forested ecosystem elucidated by nitrous oxide isotopomer measurements、Geochimica et Cosmochimica Acta, 73, 3115-3133.·过去3年的补助金获取情况2010年度1)住友财团“植物氮同位素比的森林‘代谢化’判定指标有效性验证”。
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d18O (per mil)
氮来源示踪 Trace the of sources of N
•High natural backgrounds, especially in arid and semi-arid environments.
•Widespread use as fertilizer.
•Byproduct of animal waste.
A DELTA 15-N = +10 ‰ means there is 10 parts per thousand (or permil) more 15-N in the sample than in the standard. A DELTA 15-N = -10 ‰ means there is 10 parts per thousand (or permil) less 15-N in the sample than in the standard.
Example:
For N, the ratio of 15N/14N in Air is about 1/250.
If a sample has 1% more 15N than Air (=1/250), its ratio would be: 1.01/250. This 1% corresponds to +10‰.
positive vs. negative -10 ‰ is more positive than -20 ‰ .
氮同位素及其循环
Nitrogen Isotopes and Nitrogen Cycling
17
16
15
不同氮源的δ15 N值分布图
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 1 天然气；2 火成岩；3 火山气；4 受粪肥污染土壤中的氮；5 动物粪便(厩肥)或污水中的 NO3-；6 沉积岩中的有机质；7 石油；8 非豆科植物；9 垦植土壤和受生活污水污染土壤中 的氮；10 土壤有机氮矿化形成的NO3- ；11天然土壤中的氮 ；12 雨水；13 煤；14 受化肥和 工业废水污染土壤中的氮；15 含氮化肥的NO3-；16 豆科植物；17 泥炭
氮同位素及其循环 Nitrogen Isotopes and Nitrogen Cycling
Delta (d) value = Ratio - sample Ratio standard x 1000
Ratio
standard
Where Ratio is the ratio of 2 isotopes of an element, such as 15N/14N for nitrogen, for a sample or a standard.
环境介质中NO3-的示踪
NO3
d15N
Just using 15-N isotope
Cannot easily distinguish between:
(1) a manure source and
(2) a fertilizer source that has denitrified to have the same d15N as manure.
Addition of diazotroph
NO3
N to nitrate pool
= 0 to -1‰
[Nitrification]
0 0
100
200
% of Original Pool
氮同位素分馏 Nitrogen Isotope Fractionation
20
Nitrification = 0 to -20‰
第五讲 稳定氮同位素
氮同位素及其循环 Nitrogen Isotopes and Nitrogen Cycling
稳定氮同位素: 14N: 99.64% 15N: 0.36%
standard = N2 in air (15N/14N = 0.00368) measured as: N2 典型氮库的同位素组成: Nitrate, rain: -13 to +2 Organic N, soil: 0 to +9 Fertilizer: -5 to +5 Animal waste: +8 to +22
氮同位素分馏 Nitrogen Isotope Fractionation
Global average = 4.5 to 5.0 ‰
20
Pelagic denitrification
= -20‰
d15N 10
Nitrate uptake = -5‰
Sediment denitrification = -0‰
氮同位素及其循环 Nitrogen Isotopes and Nitrogen Cycling
People usually find the negative d values a bit confusing, but they are just
a product of what material was chosen as the standard.
(w/r to products)
0 to -24 ‰; -10 ‰ -4 to –5 ‰
0 to -15 ‰; -3 to -27 ‰ -10 ‰
0 to -20 ‰
mM NO3; µM NO3 µM NO3
mM NH4; µM NH4 µM NH4
Concentration dependent
-20 to -40 ‰ ~0‰
氮来源示踪
Trace the of sources of N
NH4的示踪:
The d15N of NH4 derived from volatilization of NH3 from animal waste lagoons is very low compared to the d15N of other N sources.
If a sample has 1% less 15N than Air -- (= 0.99/250), this is -10‰.
氮同位素及其循环 Nitrogen Isotopes and Nitrogen Cycling
heavy vs. light isotopes the “heavy” isotope is the one with more neutrons; it is also generally the less abundant isotope.
d15N 10
Ammonium uptake = (-5‰ ??)
Addition of diazotroph
NH4
N to NH4 pool
= 0 to -1‰
Ammonification
= (-3 to -5‰ ??)
0
0
100
200
% of Original Pool
氮同位素分馏 Nitrogen Isotope Fractionation
enriched vs. depleted remember to state what isotope is in short supply: does “enriched nitrogen” mean that: the nitrogen is enriched in heavy nitrogen OR the nitrogen is enriched in light nitrogen?
Hence, during the reaction NO3 N2, the resulting N2 has a lower d15N than the residual NO3. Biological fractionations can make it very difficult to identify sources and quantify mixing proportions.
Hog Waste in
Hog
Lagoon
Mature Lagoon
Lagoon
maturation
Residual waste
d15Nhog +3‰
d15Nwaste +2‰
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d15NNH3 -15 to -25‰
d15NNH4 +30‰
氮来源示踪 Trace the of sources of N
Process
NO3 assim: culture, field
NH4 assim: culture field
Nitrification
Denitrification, pelagic sediment N2 Fixation
Ammonification
Enrichment factor () Comments
et al., 2002)
氮来源示踪 Trace the of sources of N
地下水环境中NO3可能经历了反硝化作用过程，因此，当用15-N对地下水中 NO3进行示踪时：对化学肥料来源？ 动物排泄物？？
How to estimate
the effects of de-nitrification can be estimated using:
During biological processes (e.g., assimilation, nitrification, denitrification), the lighter isotope (14N) ends up being concentrated in the products while the heavier isotope (15N) ends up being concentrated in the residual reactants.