Natural abundances of stable isotopes of nitrogen and carbon (${\delta}^{15}N$ and ${\delta}^{13}C$) are being widely used to study N and C cycle processes in plant and soil systems. Variations in ${\delta}^{15}N$ of the soil and the plant reflect the potentially variable isotope signature of the external N sources and the isotope fractionation during the N cycle process. $N_2$ fixation and N fertilizer supply the nitrogen, whose ${\delta}^{15}N$ is close to 0%o, whereas the compost as. an organic input generally provides the nitrogen enriched in $^{15}N$ compared to the atmospheric $N_2$. The isotope fractionation during the N cycle process decreases the ${\delta}^{15}N$ of the substrate and increases the ${\delta}^{15}N$ of the product. N transformations such as N mineralization, nitrification, denitrification, assimilation, and the $NH_3$ volatilization have a specific isotope fractionation factor (${\alpha}$) for each N process. Variation in the ${\delta}^{13}C$ of plants reflects the photosynthetic type of plant, which affects the isotope fractionation during photosynthesis. The ${\delta}^{13}C$ of C3 plant is significantly lower than, whereas the ${\delta}^{13}C$ of C4 plant is similar to that of the atmospheric $CO_2$. Variation in the isotope fractionation of carbon and nitrogen can be observed under different environmental conditions. The effect of environmental factors on the stomatal conductance and the carboxylation rate affects the carbon isotope fractionation during photosynthesis. Changes in the environmental factors such as temperature and salt concentration affect the nitrogen isotope fractionation during the N cycle processes; however, the mechanism of variation in the nitrogen isotope fractionation has not been studied as much as that in the carbon isotope fractionation. Isotope fractionation factors of carbon and nitrogen could be the integrated factors for interpreting the effects of the environmental factors on plants and soils.
This paper presents a stable isotope chemistry of bone collagen and carbonate. Bone carbonate has the potential to provide additional isotopic information. However, it remains controversial as to whether archaeological bone carbonate retains its original biogenic signature. I used a novel application of bone density fractionation and checked the integrity of ${\delta}^{13}C_{apa}$ values using radiocarbon dating. Diagenesis in archaeological bone carbonate still remains to be resolved in extracting biogenic information. The combined use of bone density fractionation and differential dissolution method shows a large shift in the ${\delta}^{13}C_{apa}$ values. Although ${\delta}^{13}C_{apa}$ values are improved in lighter density fractions, a large percentage of contamination in bone carbonate was reported via $^{14}C$ dating compared to that noted with bone collagen.
Stable isotope analysis (SIA) is being used in various research fields including environmental science, ecology, biogeochemistry, forensics, and archeology. In this paper, for the purpose of enhancing applications and utilizations stable isotope analysis techniques to aquaculture research, we would like to introduce the background knowledge necessary to utilize stable isotope analysis techniques. In particular, with a focus on the approach using natural abundance, the principle of fractionation (change in isotope ratio) that occurs in the process of the integration of elements into biological tissues and how stable isotope ratios are determined by fractionation. This paper is intended to suggest whether SIA is used as a valuable tool in the fields of ecology and environmental science. With the understanding of the field of stable isotopes through this paper, various applications of stable isotope ratios are expected in fisheries science and aquaculture research in the future.
The bone density fractionation method is a potential palaeodietary tool in tracing lifetime dietary changes as well as separating diagenetically altered fractions. This paper presents a workable bone density fractionation method that uses a devised mathematical model and the particle size distribution. Different grinding methods, i.e., a Spex $LN_2$ mill, a Disc mill and a Micronising mill, were used to reduce archaeological bone particles to an appropriate size range, which was then analyzed by a Laser particle sizer. It was found that density profiles are in good agreement with the diagenetic parameters, and with their stable isotope results.
The 'Stable Isotope Analysis in R' (SIAR), one of the Bayesian mixing models for stable isotopes, has been proven to be useful for source apportionment of nitrates in rivers. In this study, the contribution ratios of nitrate sources were quantified by using the SIAR based on nitrogen and oxygen stable isotope measurements in the Yeongsan River. From the measurements, it was found that the values of δ15N-NO3 and δ18O-NO3 ranged from -8.2 ‰ to +13.4 ‰ and from +2.2 ‰ to +9.8 ‰, respectively. We further analyzed the contribution ratios of the five nitrate sources by using the SIAR. From the modeling results, the main nitrate source was found to be soil N (29.3 %), followed by sewage (26.7 %), manure (19.6 %), chemical fertilizer (17.9 %) and precipitation (6.3 %). From the results, it was found that the anthropogenic sources, i.e., sewage, manure and chemical fertilizer contribute 64.2% of the total nitrate inflow from the watershed. Due to the significant correlation of δ15N-NO3 and lnNO3- in this study, the fractionation factors reflecting the biogeochemical processes of stable isotope ratios could be directly obtained. This may make the contribution ratios obtained in this study more precise. The fractionation factors were identified as +3.64 ± 0.91 ‰ for δ15N-NO3 (p<0.01) and -5.67 ± 1.73 ‰ for δ18O-NO3(p<0.01), respectively, and were applied in using the SIAR. The study showed that the stable isotope method using the SIAR could be applied to quantitatively calculate the contribution ratios of nitrate sources in the Yeongsan River.
Park, Youngyun;Lee, Jin-Yong;Na, Won Jong;Kim, Rak-Hyeon;Choi, Pil Sung;Jun, Seong-Chun
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.18
no.3
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pp.1-10
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2013
This study was performed to summarize application of ${\delta}^{13}C$, ${\delta}^{37}Cl$ and ${\delta}D$ of trichloroethylene (TCE) to studies on environmental forensic field regarding identification of TCE sources and evaluation of contribution of TCE to groundwater using data collected from literatures. ${\delta}^{13}C$, ${\delta}^{37}Cl$ and ${\delta}D$ of TCE give some information regarding sources of TCE because they show specific value according to manufacturing method. Also, TCE do not show a significant isotopic fractionation owing to adsorption and dilution. The isotopic fractionation mainly occurs by biodegradation. In addition, isotopic fractionation factor for TCE is different according to a kind of microorganism participated in biodegradation. However, the isotopic data of TCE have to be applied with chemical compositions of TCE and other hydrogeologic factors because isotopic fractionation of TCE is influenced by various factors.
Kikuchi, Eisuke;Takagi, Shigeto;Shikano, Shuichi;Hideyuki, Doi
Korean Journal of Ecology and Environment
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v.38
no.spc
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pp.8-11
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2005
Carbon stable isotope ratios of producers varied in lake ecosystems. In tile present study, we tried to estimate the seasonal variations of carbon isotope ratios of phytoplankton and benthic diatoms in a strongly acidic lake ecosystem. Lake Katanuma is a volcanic, strongly acidic lake (average pH of 2.2), located in Miyagi, Japan. Only two algal species dominate in Lake Katanuma; Pinnularia acidojaponica as a benthic diatom, and Chlamydomonas acidophila as a green alga. Carbon isotope values of P. acidojaponica varied seasonally, while those of particulate organic matter, which were mainly composed of C. acidophila remained fairly stable. The differences suggested that $CO_2$ gas was more frequently limited for P. acidojaponica than C. acidophila, since high density patches of benthic diatoms were sometimes observed on the lake sediment. Generally, carbon concentration mechanisms (CCMs)of microalgae can fix bicarbonate in lakes, and affect the carbon isotope values of microalgae. While, in Lake Katanuma, CCMs of the microalgae may scarcely function because of high $CO_2$ gas concentration and low pH. This is the reason for low seasonal amplitude of carbon isotope values of phytoplankton relative to those in other lakes.
Background: The natural ratios of carbon (C), nitrogen (N), and sulfur (S) stable isotopes can be varied in some specific living organisms owing to various isotopic fractionation processes in nature. Therefore, the analysis of C, N, and S stable isotope ratios in ginseng can provide a feasible method for determining ginseng authenticity depending on the cultivation land and type of fertilizer. Methods: C, N, and S stable isotope composition in 6-yr-old ginseng roots (Jagyeongjong variety) was measured by isotope ratio mass spectrometry. Results: The type of cultivation land and organic fertilizers affected the C, N, and S stable isotope ratio in ginseng (p < 0.05). The ${\delta}^{15}N_{AIR}$ and ${\delta}^{34}S_{VCDT}$ values in ginseng roots more significantly discriminated the cultivation land and type of organic fertilizers in ginseng cultivation than the ${\delta}^{13}C_{VPDB}$ value. The combination of ${\delta}^{13}C_{VPDB}$, ${\delta}^{15}N_{AIR}$, or ${\delta}^{34}S_{VCDT}$ in ginseng, except the combination ${\delta}^{13}C_{VPDB}-^{34}S_{VCDT}$, showed a better discrimination depending on soil type or fertilizer type. Conclusion: This case study provides preliminary results about the variation of C, N, and S isotope composition in ginseng according to the cultivation soil type and organic fertilizer type. Hence, our findings are potentially applicable to evaluate ginseng authenticity depending on cultivation conditions.
With the advent of multi collector-inductively coupled plasma mass spectrometry, stable isotopic variations of non-traditional metal elements have provided important constraints on the sources of geologic materials. This review introduces the principles of magnesium isotopic fractionation and analytical methods. Recent case studies are also reviewed for the use of magnesium isotope signatures to decipher the source materials of I-, S-, and A-type granitoids in western North America, Australia, and China.
Korean mariculture Undaria pinnatifida was collected during the months of January, February, March, and December of 2010, as well as from January of 2011 to investigate the changes in the carbon and nitrogen stable isotope ratios (${\delta}^{13}C$ and ${\delta}^{15}N$) and heavy metal with respect to it growth and to identify the factors that influence such changes. The blades of U. pinnatifida showed ${\delta}^{13}C$ and ${\delta}^{15}N$ in the range (mean) of -13.11 to -19.42‰ (-16.93‰) and 2.99 to 7.57‰ (4.71‰), respectively. Among samples with the same grow-out period, those that weighed more tended to have higher ${\delta}^{13}C$ suggesting a close association between the carbon isotope ratio and growth rate of U. pinnatifida. Indeed, we found a very high positive linear correlation between the monthly average ${\delta}^{13}C$ and the absolute growth rate in weight ($r^2=0.89$). Nitrogen isotope ratio tended to be relatively lower when nitrogen content in the blade was higher, probably due to the strengthening of isotope fractionation stemming from plenty of nitrogen in the surrounding environment. In fact, a negative linear correlation was observed with the nitrate concentration in the nearby seawaters ($r^2=0.83$). Concentrations of Cu, Cd, Pb, Cr, Hg, and Fe in the blades showed a rapid decrease in their concentration per unit weight in the more mature U. pinnatifida. Specifically, compared to adult samples, Cu, Hg, and Pb were concentrated by 30, 55, and 73 folds, respectively, in the young blades. Therefore, U. pinnatifida tissue ${\delta}^{13}C$ is as an indirect indicator of its growth rate, while ${\delta}^{15}N$ values and heavy metal concentrations serve as tracers that reflect the environmental characteristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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