8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

1/28

Stabiele Isotopen en

VoedselwebbenJack Middelburg

Stefan Schouten

Jaap Sinninghe Damst

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

2/28

Stabiele Isotopen:

zware en lichte13

C en12

C15N en 14N2H en 1H

Lichte >>> Zware99% vs. 1%

Chemisch identiek,

maar

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

3/28

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

4/28

Fractionatie

Verschillen in isotoopverdelingen

door fractionatie/discriminatie tijdens

omzettingen

Fractionatie vindt plaats als gevolg van

fysische, chemische, maar vooral biologische

processen.

Fractionatie gebeurt vooral aan basis

voedselweb: primaire productie en

microbiologische omzettingen

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

5/28

Wat zijn stabiele isotopen?

12C: 6 protons +6 neutrons 98.9 %13C: 6 protons + 7 neutrons 1.1 %14C: 6 protons + 8 neutrons unstable

d 2H

d 13C

d 15N

d 18O

d 34S

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

6/28

CO2

44: 12C16O16O

45: 13C16O16O

+ 12C17O16O

46: 12C18O16O

Amount 13C

Hoe bepalen we stabiele koolstof isotopen?

Eerst moeten we er een gas van maken ...

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

7/28

Basic principles continuous flow isotope mass spectrometer

mv2 / r = Hev

or

radius = (mass*velocity)/(ion charge*magnetic field strength)

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

8/28

Absolute isotope numbers are very difficult to measure accurately

However, relative differences can be measured accurately

d 13C

Isotope Gas Reference

CO2 VPDB

Mass

44/45/46

d

13

Csample =

(13C/12C)sample - (13C/12C)PDB

(13C/12C)PDBX 1000 []

Delta notation

(13C/12C)PDB = 0.0112372

Hoe bepalen we stabiele koolstof isotopen?

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

9/28

Isotope Lingo

d13

C = -21

d13C = -27

d13C = -14 zwaar

verrijkt

. zeer positief

licht

verarmt

. zeer negatief

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

10/28

Fractionatie: Primaire Productie

13Cplant= 13Csubstrate- Fractionatie factor ():

Rubisco enzyme: 27

C3-plants: 20

C4-plants: 6

d13Csubstrate

:

CO2atm: -8

DICocean: + 1

Terrestrial C3 plants: -28

Terrestrial C4 plants: -14

Phytoplankton: -19

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

11/28

Salt marsh

macrophytes

(-13 or -26 o/oo)

Benthic algae

(-15 to -20 o/oo)

River plankton

(-35 o/oo)

Anthropogenic

and terrestrial

(-26 o/oo)

Marine plankton

(-18 to -21 o/oo)

Stable carbon isotope ratios Westerschelde

Seagrasses

(-10 o/oo)

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

12/28

Stabiele Isotope in Food Web

You are what you

eat

Koolstof, zwavel

You are what you eat

+ something

Stikstof

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

13/28

d13C

0

-10

-20

-30

DIC ocean

CO2atmosphere

C4 plants

Marine Algae

C3 plants

Cons.

Cons.

Cons.

CO2source Consumer

DIC river

River Algae

-40

Cons.

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

14/28

d15

N: 3.4 heavier per trophic level

Trophic position =

1+ (d15Nconsumer- d15Nbaseline)/3.4

Verrijking 15N per trofisch niveau

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

15/28

Waarom Stabiele Isotopen?

Voedsel:

Tijdsgentegreerd beeld ipv maag inhoud

Voedsel natuurlijke condities (ipv in kooien, etc)

Alle heterotrofen, inclusief osmotrofen/microbes

Foodwebs:

Historische voedselwebben (musea)

Snelle scan van structuur

Integratie van alle organismen, end-to-end (E2E),

want zelfde eenheid

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

16/28

Theorie en Praktijk

2

4

6

810

12

14

-21 -19 -17 -15

13C

15N

Primary Producer

Predator

Herbivore

Primary Producer

Predator

Herbivore

Consumer living on

multiple primary producers

Omnivore

Real food web

Voedselwebben zijn continue ipv

discreet

meerdere bronnen variable isotope ratio van bronnen

organisme leven op meer dan 1

bron & omnivory

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

17/28

Waddenzee?

ISI:

Ecology: 92496 hits

Ecology & Isotopes: 986 hits

Wadden Sea: 2361 hits

Wadden Sea & Isotopes: 15 hits

Mg, S and NO3 isotopes

Geen en op voedselweb

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

18/28

Molenplaat in Zeeland

Trophic

shift

Benthic microalgaePhytoplankton

Phytoplankton

gebaseerde secundaire

produktie: bv. kokkel

Benthische algen

gebaseerde secundaireproduktie: b.v. wadslak

Meeste organismen

afhankelijk van beiden

Nepthys en Eteoneomnivore/carnivore

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

19/28

Zandige site op Molenplaat

Ook hier benthische

en pelagische algengevoed web

Shift in base-line van15N

Trophic

shift

Benthic microalgaePhytoplankton

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

20/28

meiobenthos

bacteria

nematodes

deposit feeding

macrobenthos

filter feeding

macrobenthos

phytoplankton

phytobenthos

detritus

detritus

Carbon flow in tidal flat community

Carbon input:

Detritus deposition: 14%Phytopl. deposition: 48 %

Suspension feeders: 6%

Benthic prim. prod.: 32%

Secondary production:

Bacteria: 74%

Macrofauna: 15 %

Microbenthos: 10%

Meiofauna: 2%

Van Oevelen et al. (2006)

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

21/28

Hoe meten we microbes en

benthisch algen

polarlipid-derived-fatty-acids

PLFA (13C, 2H)

D-Alanine (13C and 15N);

Constituent of peptidoglycan: cellwall of bacteria (living bacteria and

their remains)

rRNA (13C)

DNA (13C)

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

22/28

Component Specifieke IRMS

Retention time

Elution in order of volatility ~ molecular weight

20 carbon atoms

40 carbon atoms

-20.3-20.4-27.4

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

23/28

Subtidale zanden (Sylt)

Evrard et al. 2010

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

24/28

Meerdere bronnen en onzekerheden vragen om

mengmodellen

Evrard et al. 2010

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

25/28

Ontogeny

Macoma balthica

Larven: phytoplankton

Jong: microphytobenthos

Volwassen: phytoplankton

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

26/28

Uitdagingen

Relatieve belang van:

Phytoplankton

Benthische algen

Allochtoon materiaal (direct of via bacterin)

Heterogeniteit binnen phytoplankton en

microphytobenthos gemeenschappen en

consequenties voedselweb

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

27/28

Uitdagingen

Phytoplankton: lokaal geproduceerd of

gemporteerd uit de Noordzee

Waterstoffen isotopen in voedselweb

reconstructies:

Noordzee vs. Waddenzee

Waterkolom vs. sediment

8/12/2019 Jack Middelburg Wad Dens Leute Ls

28/28

Waarom?

Waddenzee wisselt uit met Noordzee en

ecosysteem budget laten zien dat er netto

organisch materiaal gemporteerd wordt.

Benthische algen productie is vergelijkbaar

met phytoplankton productie: zeer weinig

kennis.

Microbes zijn de link tussen element fluxen envoedselweb.