生物过程常涉及大的同位素分馏。对于碳、氮、硫,生物学过程是造成同位素分馏的最重要原因。多数情况下,由初始生产者或自养生物的有机物的初始生产过程中产生最大的同位素分馏,包括所有植物和许多细菌。最重要的有机质生产方式是光合作用,但有机质也可由化能合成作用产生,如洋中脊的热液通道中。在初始生产过程中,碳和氮同位素均出现大的分馏。其他的一些分馏在随后的反应中也可发生并直到食物链上的异养生物消耗原始生产者,但这些一般较小。
生物过程是碳同位素比值变化的主要原因。这些过程中最重要的是光合作用。光合作用的碳同位素分馏主要是动力学原因。Park & Epstein (1960)提出分馏以几步进行。随后的研究解释了这几步中的分馏。
对于陆生植物 (它们使用大气中的CO2 ),第一步是CO2 通过气孔扩散进入到叶片边缘和叶内的边界层。海藻与水生植物光合作用能利用溶解的CO2或
地球化学
与溶解有关的平衡分馏为+0.9‰ (13 CO2 更易于溶解),在 CO2 水解与分解过程中+7.0‰～+8.0‰的平衡分馏。
多数植物使用核酮糖、二磷酸、羧化酶、加氧酶 (RUBISCO)催化反应,该反应中核酮糖、二磷酸、羧化酶与一个分子的CO2 反应生成3 个分子的 3-磷酸甘油酸,羧化作用过程中形成含3 个碳原子的化合物。碳随后被还原,形成羧化酶与新生核酮糖二磷酸。这些植物称为C3 植物,此过程为Benson-Calvin环,或简称为Calvin环。C3植物占现今植物的 90%,包括藻、自养细菌,并且是栽培植物 (如小麦、水稻、坚果类)的主体。核酮糖二磷酸羧化存在着动力学分馏,几种方法确定在高等陆生植物中是-29.4‰。细菌羧化具不同的反应机制与较小的分馏,约为-20‰。因此,将单个分馏综合,预期陆生植物分馏为-34‰。实际观察到的总分馏在-20‰～-30‰之间。观察到的总分馏与预期总分馏间的不一致看起来是植物组织中的碳同位素分馏的量取决于植物内部 CO2 的浓度与外部环境的比值。
其他光合作用作用路径是 Hatch-Slack环,是C4 植物所采用的,包括热带草与有关的作物,如玉米与甘蔗。这些作物使用磷酸烯醇丙酮酸盐羧化酶 (PEP)来初步固定碳并形成草酰乙酸盐,是一种含4 个碳的化合物。在此阶段发生非常小的分馏,大约-2.0‰～-2.5‰。磷酸烯醇丙酮酸盐羧化过程中,CO2 以草酰乙酸盐的形式被固定在外叶肉内并作为C4 酸的一部分 (为苹果酸盐或天冬氨酸盐)被带到内部的维管束鞘细胞中,而脱羧化并由核酮糖、二磷酸 (RuBP)再次固定下来。维管束鞘细胞中的环境几乎是封闭系统,因此,几乎所有的碳被带到那里由 RuBP 再固定,这一阶段几乎没有分馏。C4 植物平均的δ13 C为-13‰,分馏看起来取决于环境的CO2 浓度。
第三组植物为CAM植物,具独特的代谢作用,称为景天酸代谢。这些植物一般利用C4 植物路径,但在一定条件下可使用C3 植物路径。这些植物一般适应于干旱环境,包括菠萝与许多仙人掌,它们的δ13 C处于C3 与C4 植物之间。
固碳作用中,碳同位素分馏也依赖于温度。因此,冷水浮游生物比温水生物的分馏要高。这种现象也反映了动力学效应,温度增高溶解度降低,在温水中溶解的可利用的CO2 一般较少。较大量的 CO2 被利用,其结果是较小的分馏。大洋表面水因为光合作用过程中12 C的摄入,一般富集13 C;深水富集12 C (图7-4)。有机质通过水柱向下同时分解与重新矿化即由细菌作用转化为无机碳,深水富集12 C与总溶解无机碳 (DIC)。
图7-4 北大西洋总溶解无机碳与δ 13 C 随深度变化
(据 White,2000)
本质上,几乎所有的有机质通过光合作用产生。随后的反应将光合作用产生的碳水化合物转换成为有机体使用的其他各类有机化合物,在这些反应中进一步发生分馏。这些分馏在动力学上是由部分富集12C的有机C-H键和富集13C的有机C-O键造成的。12 C 在呼吸中优先消耗 (因为键较弱并反应较快),使残余有机质富集13 C。因此,有机体的碳同位素组成在食物链向上端更正的方向漂移 (图7-5)。
图7-5 各种海洋与陆生物中的氮、碳同位素组成
(据 White,2000)