Фракционирование изотопа 13С в экосистеме районов Забайкалья

*Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, Республика Бурятия, Россия; ORCID: , e-mail:

Распределение и содержание стабильных изотопов легких элементов в различных видах биологических и абиотических систем существенно различаются. Особенности их распределения связаны с процессами фракционирования, т. е. с изменением соотношения изотопов в ходе многих биологических и геохимических процессов (Галимов, 2006). Способность к термодинамически упорядоченному распределению изотопов в сложных органических соединениях – специфическое свойство живых систем. В связи с этим изотопные методы анализа широко применяются при определении трофических связей. При выявлении подлинного природного происхождения сырья необходимо знать распределение изотопов углерода в цепи трофической связи. Вариации изотопных отношений углерода сырьевых материалов могут быть использованы для установления возможных фальсификаций сырья и продуктов питания.

В настоящее время большое значение приобретают вопросы обеспечения населения безопасными и качественными продуктами питания. Россельхознадзор сообщает о фальсификации четверти продуктов питания в России ¹ . Для выявления фальсификатов пищевых продуктов применяют методы анализа стабильных изотопов легких элементов водорода ( ² H/ ¹ Н), углерода ( ¹³ C/ ¹² С), кислорода ( ¹⁸ O/ ¹⁶ О), азота ( ¹⁵ N/ ¹⁴ N), а также изотопов серы ( ³⁴ S/ ³² S), т. е. основных биогенных элементов. Эти методы эффективны при определении географического происхождения источника сырья и выяснении подлинности его происхождения (натуральное или полученное в результате химического, биотехнологического и биохимического синтеза).

Аутентификация пищевой продукции с применением методов изучения стабильных изотопов углерода, азота, серы широко используется в странах Европы, США, Японии и др. В РФ данный метод в целях контроля качества и безопасности пищевых продуктов в рамках государственных программ по мониторингу рынка продовольствия используется с 2010 г. (Талибова и др., 2010а).

В процессе оценки подлинности происхождения сахара (тростниковый или свекловичный) создана база данных достоверного предела содержания изотопов углерода (в единицах промилле) (Колеснов и др., 2011). Для мониторинга рынка соков и образцов винодельческой продукции предложено определение стабильных изотопов кислорода (Колеснов и др., 2012а; 2012б). Также публикуются работы по изучению распределения стабильных изотопов углерода в виноградном растении и вине в зависимости от географического места произрастания растений (Оганесянц и др., 2013).

В обзоре (Талибова и др., 2010б) приводятся данные по использованию соотношения стабильных изотопов δ ¹³ С и δ ¹³ N в мясе разных групп животных для определения типа кормления и географического происхождения. В зависимости от рациона кормления величина δ ¹³ С в мясе всех групп животных существенно отличалась. Аналогичные работы проведены с мышечной, жировой и шерстной тканями крупного рогатого скота с использованием стабильных изотопов углерода, в ходе которых также установлено, что вид корма (кукурузный концентрат – С 4 -растение, бобовые – С 3 -растение, сено люцерны – С 3 -растение) влияет на содержание стабильных изотопов углерода δ ¹³ С. Авторы утверждают, что корм, полученный при органическом земледелии, характеризуется преимущественным содержанием С 3 -растений, и значение δ ¹³ С для органических продуктов обычно не превышает –24 ‰. Добавление в корм С ₄ -растений в количестве, например, 1 % приводит к повышению показателя δ ¹³ С до значения –23 ‰, т. е. углеродистое вещество может быть использовано для оценки условий откорма скота и места производства. В процессе изучения установлено, что внесение удобрений способствует повышению уровня ¹⁵ N в почве, а следовательно в мясе, молоке и других продуктах животного происхождения.

Таким образом, в мировой практике экологических исследований появляется все больше работ, в которых естественное соотношение изотопов С ¹² и С ¹³ , ¹⁴ N и ¹⁵ N используется для изучения процессов трансформации соединений в почвах, растениях, а также для определения трофических связей, что позволяет установить "память происхождения" (географию происхождения).

Целью настоящего исследования было выявление изотопной композиции соединений, содержащих углерод ¹³ С, соответствующей происхождению мясного сырья, представленного на рынке Республики Бурятии.

Материалы и методы

Анализ изотопного состава позволяет проследить движение вещества и энергии через биологические системы и оценить интенсивность многих экологических процессов. Изотопы углерода, которые мало фракционируются в трофических цепях, являются более стабильным "индикатором". Напротив, изотопы азота сильно фракционируются в трофических цепях и при деструкции органического вещества, что делает азот менее удобной меткой (Boutton, 1991). "Изотопная подпись" животных отражает интегральную информацию о его трофических связях, начиная с растений, формирующих почвенную среду пастбищ.

Для организации экспериментальных исследований углеродного изотопного состава растений, почвы, мяса КРС, приобретенного на рынках Республики Бурятия, были использованы имеющиеся данные по пастбищной растительности Мухоршибирского (51°02'19.5"N, 107°49'05.7"E), Иволгинского (51°44'56.5"N, 107°18'10.6"E), Еравнинского (52°36'12.7"N, 111°38'26.0"E) районов и почвам Мухоршибирского, Еравнинского районов.

Также объектами исследований послужили образцы мышечной ткани, выделенные из длиннейшей мышцы спины бычков (возраст 2–2,5 года). Сырье было приобретено на рынках, расположенных в восьми районах Забайкалья: Кабанском (52°04'53.7"N, 106°35'58.3"E), Бичурском (50°36'30.3"N, 107°34'01.1"E), Джидинском (50°40'52.7"N, 106°10'02.3"E), Закаменском (50°23'13.4"N, 103°17'01.8"E), Кижингинском (51°50'17.2"N, 109°54'22.1"E), Хоринском (52°09'28.6"N, 109°47'58.2"E), Заиграевском (51°50'33.3"N, 108°15'35.3"E), Агинском (51°06'04.7"N, 114°31'55.0"E). Для анализа отбирали не менее восьми образцов мяса из каждого района. Анализ географического распределения изучаемых районов показывает близость расположения таких районов, как Бичурский и Мухоршибирский, Иволгинский и Заиграевский, а также Еравнинский, Кижингинский и Хоринский.

Содержание стабильных изотопов определяли в Центре коллективного пользования изотопной масс-спектрометрии на базе Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН (Москва) с использованием масс-спектрометра Finnigan Delta V Plus. Соотношения изотопов углерода δ ¹³ C, ‰, рассчитывались по формуле

δ ¹³ C = 1000 ( ¹³ C/ ¹² C образец / ¹³ C/ ¹² C стандарт -

1),

где ¹³ C/ ¹² C образец – отношение ¹³ C/ ¹² C в исследуемом образце; ¹³ C/ ¹² C стандарт – отношение ¹³ C/ ¹² C в стандартном образце.

Результаты измерений приведены к стандарту PeeDeeBelemnite (PDB); аналитическая погрешность определения изотопного состава – не более 0,3 ‰.

Результаты и обсуждение

Изотопный состав углерода поступающих в почву органических остатков зависит от типа произрастающей растительности и связан с условиями ее произрастания. В природе наиболее распространены растения, в которых усвоение СО ₂ происходит по циклу Кальвина (С ₃ -растения). При этом в качестве первичного продукта образуется трехуглеродная фосфоглицериновая кислота. В С ₃ -растениях δ ¹³ С варьируется от –22 до –32 ‰ (в растениях российских территорий этот показатель составляет от –25,5 до –31,2 ‰), т. е. углерод, зафиксированный С ₃ -растениями, значительно обеднен тяжелым углеродом. Содержание изотопов углерода трав с пастбищных угодий разных районов Республики Бурятия представлено на рис. 1.

Рис. 1. Содержание δ ¹³ С в травах с пастбищных угодий, расположенных в районах (Буянтуева и др., 2012): 1 – Мухоршибирском (Stipa krylovii, Artemisia frigida, Carex duriuscula, Potentilla acaulis); 2 – Иволгинском (Stipa krylovii, Artemisia frigida, Potentilla acaulis);

3 – Еравнинском (Trifolium lupinaster, Galium verum, Bromopsis inermis) Fig. 1. The δ ¹³ С content in herbs and pastures of different districts (Buyantueva et al., 2012): 1 – Mukhorshibir (Stipa krylovii, Artemisia frigida, Carex duriuscula, Potentilla acaulis); 2 – Ivolginsky (Stipa krylovii, Artemisia frigida, Potentilla acaulis); 3 – Eravninsky (Trifolium lupinaster, Galium verum, Bromopsis inermis)

Приведенные данные свидетельствуют о том, что содержание стабильных изотопов углерода δ ¹³ С в разных видах трав составляет от –27,16 до –27,86 ‰ и соответствуют известному диапазону для биомассы наземных С ₃ -растений (от –22 до –32 ‰) (Моргун и др., 2008). В ходе исследования выявлено снижение содержания стабильных изотопов углерода (рис. 2, 3) в почве в среднем на 2,59 ‰ по сравнению с концентрацией указанных изотопов в произрастающих на ней травах, что является закономерным явлением при переходе с одного уровня на другой.

Рис. 2. Содержание δ ¹³ С на разных горизонтах почвы пастбищных угодий Мухоршибирского района (Цыбенов и др., 2016) Fig. 2. The δ ¹³ С content on different soil horizons pasture land of the Mukhorshibir district (Tzybenov et al., 2016)

Рис. 3. Содержание δ ¹³ С на разных горизонтах почвы пастбищных угодий Еравнинского района (Цыбенов и др., 2016) Fig. 3. The δ ¹³ С content on different soil horizons pasture land of the Eravninsky district (Tzybenov et al., 2016)

Из рис. 2, 3 видно, что содержание изотопов углерода δ ¹³ С в верхних слоях почв изученных районов составляет от –24,57 до –26,12 ‰.

В таблице указаны данные по изотопному составу углерода пастбищных угодий Монголии, Бурятии и Китая, представленные в работе (Буянтуева и др., 2012). В каштановых почвах Мухоршибирского района на глубине 20–40 см с максимальным содержанием карбонатов (50 %) изотопный состав имеет наиболее низкие значения (–13,23 ‰), что свидетельствует о более высоком содержании в них тяжелого изотопа углерода.

Таблица. Изотопный состав углерода (δ ¹³ С) почв пастбищных угодий Монголии, Бурятии и Китая (Буянтуева и др., 2012) Table. Isotopic composition of soils carbon (δ ¹³ С) of the rangelands of Mongolia, Buryatia and China (Buyantueva et al., 2012)

№ п/п	Название участка	Горизонт, см	Содержание карбонатов, %	13 δ С карб , ‰	Содержание ОВ*, %	δ 13 С ОВ, ‰	∆, ‰
Монголия
1	Участок 5 (AimagSukhbaatar)	0–20	–	–	2,87	–25,20	–
		20–40	–	–	2,54	–23,97	–
2	Участок 2 (AimagDornod)	0–20	–	–	3,15	–26,64	–
		20–40	–	–	2,73	–26,35	–
		40–50			2,15	–27,01	–
Бурятия
3	Участок 2 (Мухоршибирский р-н)	0–20	–	–	3,64	–24,57	–
		20–40	50,0	–	2,71	–13,23	6,78
		40–50	26,0	–7,85	1,12	–24,01	16,16
4	Участок 4 (Мухоршибирский р-н)	0–20	–	–	3,37	–24,96	–
		20–40	–	–	2,54	–23,79	–
		40–50	12,4	–7,90	1,44	–25,79	17,89
Китай
5	Участок 4 (Зун-Узэмчин, Мандах булаг, Хошуунуургацаа)	0–20	3,6	–14,53	4,30	–25,22	10,69
		20–40	14,4	–14,00	2,56	–25,19	11,19
		40–50	24,2	–10,67	1,27	–21,74	11,07
6	Участок 5 (Шилийн хот)	0–20	–	–	2,48	–27,86	–
		20–40	–	–	2,98	–26,12	–
		40–50	–	–	1,95	–25,62	–

Примечание. *ОВ – органическое вещество.

На глубине почвы 20–40 см (участок 2, Мухоршибирский район) с максимальным содержанием карбонатов (50 %) изотопный состав ¹³ С равен –13,23 ‰ (высокий уровень обогащения ¹³ С), тогда как на глубине 40–50 см с низким количеством карбонатов (26 %) эта величина составила –24,01. В процессе изотопного фракционирования углерода при образовании карбонатных новообразований обычно величина δ ¹³ С карбонатов на 14–16 ‰ больше, т. е. углерод карбонатов тяжелее, чем у органического вещества (Gerling, 1984). По данным, указанным в работе (Boutton, 1991), в почвах С ₃ -фитоценоза изотопный состав углерода карбонатов теоретически должен быть близким к величине –12 ‰, с чем согласуются данные, представленные в статье (Буянтуева и др., 2012) и приведенные нами для карбонатных горизонтов каштановых почв Мухоршибирского района Бурятии (см. таблицу "Изотопный состав углерода…"). Следует отметить, что в остальных образцах почв с пастбищных угодий Монголии, Бурятии и Китая при отсутствии карбонатов или же с низким их количеством в органическом веществе δ ¹³ С содержится от –23,79 до –24,47 ‰, что соответствует литературным данным.

Изотопный состав углерода карбонатов в почве определяется в основном двумя факторами: изотопным составом СО 2 почвенного воздуха и фракционированием в ходе осаждения СаСО 3 (Рысков и др., 1995). В целом почвенный СО 2 приблизительно на 5 ‰ "утяжелен" (обогащен ¹³ С изотопом) по сравнению с соответствующей растительностью и почвенным органическим веществом вследствие того, что "легкие" молекулы СО 2 диффундируют из почвы скорее, чем "тяжелые" (Quade et al., 1989). Изотопный состав δ ¹³ С карбонатных слоев приведенных почв по сравнению с органическим веществом представлен более низкими значениями (от –14,53 до –7,85 ‰), т. е. обогащен "тяжелым" изотопом (см. таблицу "Изотопный состав углерода…"). Вариации различий изотопного состава углерода карбонатов и органического вещества составили от –16,16 до –17,89 ‰ и отличаются от приводимых в литературе значений от –1,89 до –3,43 ‰. В карбонатных слоях почвенных образцов (40–50 см) Бурятии и Внутренней Монголии содержание изотопного состава составило от –7,90 до –7,85 ‰ и от –10,57 до –14,13 ‰ соответственно. Это объясняется фракционированием углерода в ходе осаждения CaCO 3 (Quade et al., 1989). Многие ученые отмечают, что современное состояние исследований пока не позволяет оценить разнообразие эффектов фракционирования изотопов в почве (Моргун и др., 2008). Однако данные изотопного состава углерода δ ¹³ С почвенных образцов вносят определенный вклад в понимание механизма процессов почвообразования.

Значения содержания стабильных изотопов углерода мышечной ткани крупного рогатого скота, выращенного в районах Забайкалья, представлены на рис. 4.

Образцы

Рис. 4. Содержание δ13С в мышечной ткани крупного рогатого скота, выращенного в районах Забайкалья: 1 – Кабанском; 2 – Бичурском; 3 – Джидинском; 4 – Закаменском;

5 – Кижингинском; 6 – Хоринском; 7 – Заиграевском; 8 – Агинском

Fig. 4. δ ¹³ C in the muscle tissue of cattle grown in different districts of Transbaikalia

Содержание стабильных изотопов углерода составляет от –24,28 до –25,84 ‰, следовательно, все образцы мясной продукции можно отнести к местному сырью, так как значения δ ¹³ С не превышают уровень –24,0 ‰ (Рысков и др., 1995). Однако нужно отметить, что в мышечной ткани КРС, выращенного в районах, где преобладают каштановые сухостепные почвы с близким расположением карбонатных горизонтов к верхнему гумусовому слою (Бичурский, Джидинский, Кижингинский, Хоринский, Заиграевский и Агинский районы) наблюдается некоторое "облегчение" концентрации δ ¹³ C (от –24,2 до –24,8 ‰).

Из рис. 4 видно, что мясо из Кабанского и Закаменского районов несколько отличается по содержанию стабильных изотопов углерода от остальных образцов; сведения по изотопному составу растительности и почвы данных районов отсутствуют, что указывает на необходимость дальнейших исследований в этом направлении. Возможно, "оставляют следы" различные загрязнения, так как почвы этих двух районов подвержены сильному антропогенному воздействию вследствие более высокого уровня развития промышленности (в Кабанском районе функционирует цементно-шиферное производство, а в Закаменском – предприятие горнодобывающей отрасли).

Заключение

Проведенные исследования состава мясного сырья из Забайкалья позволили выявить связь изотопного состава углерода мышечной ткани мяса из разных районов этого региона с изотопным составом углерода в растениях, произрастающих в регионе и служащих кормом крупному рогатому скоту, что указывает на присутствие "изотопной подписи" по трофической цепи "растения – почва – травоядные животные". Выявленная в ходе исследований изотопная композиция соединений, содержащих углерод ¹³ С, характерная для районов Забайкалья, указывает на то, что исследованные образцы мяса из торговой сети региона являются продуктами местного происхождения и могут быть отнесены к натуральному сырью.

Результаты проведенных исследований изотопного состава мясного сырья, почв и пастбищной растительности районов Забайкалья могут составить основу базы данных, позволяющую идентифицировать мясное сырье в зависимости от географического расположения района, типа разведения животных и выявить фальсифицированное привозное мясное сырье.