Vakaiden isotooppien käytön periaatteet ravitsemustutkimuksessa Mikko Kiljunen Raisio 21.4.2015
Mitä ovat vakaat isotoopit? Alkuaineen isotoopit ovat atomeja, joissa on sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja massa vaihtelee Radioisotoopit' ( 14 C) hajoavat lähettäen säteilyä Vakaat isotoopit ( 12 C and 13 C) eivät hajoa, koska neutronien ja protonien yhdistelmä on pysyvä.
Mikä on δ-arvo alkuaine Mitattu suhde (R) % raskas % kevyt vety 2 H/ 1 H 0.015 99.985 2 H/ 1 H hiili 13 C/ 12 C 1.11 98.89 Kansainväinen standardi R, kansainvälinen standardi δ arvo Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) 0.00015575 δ D Standard Light Antarctic Precipitation (SLAP) 0.000089089 Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) 0.0112372 δ 13 C typpi 15 N/ 14 N 0.37 99.63 Air 0.003676 δ 15 N happi 18 O/ 16 O 0.204 99.759 18 O/ 16 O 18 O/ 16 O rikki 34 S/ 32 S 4.22 95.00 Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) 0.0020052 δ 18 O Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) 0.0020672 Standard Light Antarctic Precipitation (SLAP) 0.0018939 Canyon Diablo Triolite (CDT) 0.045005 δ 34 S Mitattavan näytteen ja standardin erot ovat hyvin pieniä ero ilmoitetaan promille-yksikköinä ( ), δ-arvona δ 13 C näyte = {( 13 C/ 12 C näyte) / ( 13 C/ 12 C standardi) - 1} x 1000 Näyte jolla R > standardi R saa positiivisen delta arvon (rikastunut, enriched) Näyte jolla R < standardi R saa negatiivisen delta arvon (köyhtynyt, depleted) Brian Fry, Stable Isotope Ecology, 2008
Isotooppikoostumus luonnossa 16 14 Geologia Ravintoketju rikastuminen 12 10 profundal invertebrates crayfish >9 m crayfish 6-9 m crayfish 3-6 m crayfish 0-3 m Fotosynteesi δ15n 8 6 Vesikemia Pelagial sources littoral invertebrates 4 perifyton/biofilm 2 terrestrial detritus 0 Ruokonen et al.2014-2 -37-32 -27-22 -17-12 δ13c
Vakaiden isotooppien fraktinaatio Tasapainoreaktiot Reaktionopeus sama molempiin suuntiin, esimerkiksi CO 2 vaihto merien ja ilmakehän välillä Kineettiset reaktiot Systeemi ei ole tasapainotilassa, jolloin reaktiotuotteet erottuvat fyysisesti lähtöaineista, biologiset prosessit Lähtöaine Raskaat isotoopit köyhtyvät reaktiotuoteessa Raskaat isotoopit rikastuvat jäännöksessä
Isotooppien sekoittuminen (mixing) Isotoopit sekoittuvat kun kaksi tai useampia lähtöaineita yhdistyvät Malleilla voidaan arvioida lähtöaineisen osuutta seoksessa esim. ravintokohteiden osuutta kuluttajan kudoksesta Lähtöaineilla pitää olla erilaiset isotooppikoostumukset!!! Source 1 Mixture Brian Fry, Stable Isotope Ecology, 2008
Menetelmää käytetty paljon ekologiassa 1. Ravintoketjutason mittaaminen Perustuu δ 15 N rikastumiseen ravintoketjussa 2. Ravinto-osuuksien laskeminen (mixing models) Kuluttaja kudoksen isotooppikoostumus (seos) kuvaa ravinnon koostumusta (lähteet) You are what you eat (DeNiro & Epstein 1978) useiden ravintokohteiden osuus kuluttajan ravinnosta voidaan arvioida (assimiloitu ravinto) 3. Vaellusmarkkerit Perustuu isotooppi arvojen maantieteelliseen vaihteluun KÄYTTÖ RAVITSEMUSTUTKIMUKSESSA VÄHÄISTÄ??!!
Mallintaminen (Mixing models) värien sekoittamista Monimutkaisempaa käytännössä Lähteiden määrä Fraktinaatio Lähteiden erot Lähde Punainen 1 δ 13 C = -10 50% δ 13 C = -30 50% Keltainen Lähde 2 δ 13 C = -20 Oranssi Seos
Yksinkertaisin malli -11 C 3 kasvit biisoni C 4 kasvit X Y -26-21 -15 δ 13 C -6 f X =(-6/-11) f Y = 1- f X f X = 0.54, f Y = 0.46 Biisonit assimiloivat 54% C 3 and 46% C 4 kasveja
Esimerkki luonnosta Taimenen ravinto: >35 cm Eläinplankton 10 cm Selkärankaiset Kalat Jensen et al. 2013
Isotoopit kuvaavat assimilaatiota 0.80 Jensen et al. 2013 Proportion 0.60 0.40 FISH BENTHIC INVERTEBRATES Isotooppitulokset -assimilaatio 0.20 0.00 10.0-14.9 15.0-19.9 20.0-24.9 25.0-29.9 30.0-34.9 >34.9 ZOOPLANKTON -pitkän ajan KA 100 Brown trout length (cm) 43 79 126 55 17 9 VS. Percentage of diet (%) 80 60 40 20 0 <15.0 15.0-19.9 20.0-24.9 25.0-29.9 30.0-34.9 >35.0 Brown trout Arctic charr Whitefish Surface insects Benthic invertebrates Benthic zooplankton Zooplankton Vatsa-analyysi -Ravinnonotto - Snap shot Brown trout length (cm)
Sovellettavuus ravitsemustutkimukseen Kalajauho Assimilaatio δ 15 N H:0, K:50, M:50 =Kalan kudos h H:33, K:33, M:33 =Annettu rehu Härkäpapu H:60, K:20, M:20 Maissi δ 13 C
Uusia menetelmiä Amino- ja rasvahappojen isotooppianalytiikka Voidaan estimoida yksittäisten AH ja RH käyttöä Vaatii vielä perustutkimusta lähteiden eroista Vielä varsin kallista
You are what you eat (DeNiro & Epstein 1978) Giuseppe Arcimboldo (1591) Andy Council (2007) KIITOS!