Isotopic composition of carbon (ẟ¹³C) and nitrogen (ẟ¹⁵N) in the hair of the order Rodentia of the Vologda Region

Full Text

Введение

Соотношение стабильных изотопов углерода и азота является важным показателем в экологических исследованиях. Изотопный состав широко используется при изучении трофической экологии животных [1–4]. Изотопный состав отражает как трофический уровень, так и особенности спектра питания животного [5]. Разрешающая способность изотопного анализа существенно увеличивается при совместном использовании соотношения стабильных изотопов нескольких элементов [6–10].

Стабильные изотопы углерода отражают изотопный состав первичных продуцентов, лежащих в основе пищевой цепочки [11]. В процессе фотосинтеза происходит снижение содержания тяжелого изотопа углерода (¹³C) в тканях растений по сравнению с атмосферным CO₂. Разница в значениях δ¹³C среди растений обеспечивает естественную систему маркеров для отслеживания рациона растительноядных животных [12].

Изотопный состав азота (ẟ¹⁵N) в тканях животных зависит от их положения в пищевой цепи [13]. В процессе метаболизма более активно участвует легкий изотоп азота ¹⁴N, и это приводит к относительному увеличению концентрации ¹⁵N у животного по отношению к его пище. Таким образом, при потреблении пищи содержание тяжелого изотопа ¹⁵N увеличивается в организмах, занимающих более высокие трофические уровни [3].

Анализ стабильных изотопов является инструментом в современных исследованиях экологических ниш [14; 15]. Значения δ¹⁵N и δ¹³C в двумерном пространстве для разных видов в сообществе позволяют учитывать занятость изотопных ниш каждым видом, а также перекрытие между видами [16; 17].

Цель исследования: определение соотношения стабильных изотопов углерода (ẟ¹³C) и азота (ẟ¹⁵N) в шерсти млекопитающих отряда Грызуны на территории Вологодской области.

Материалы и методы

Сбор материала проводили на территории Вологодской области с 2015 по 2021 гг. Образцы шерсти животных были получены от охотников на промысловые виды млекопитающих и из зоологических коллекций музеев природы Вологодской области. Были собраны образцы шерсти 7 видов млекопитающих отряда Rodentia: обыкновенный бобр – Castor fiber Linnaeus, 1758 (n = 41); лесная мышь – Apodemus uralensis Pallas, 1811 (n = 6); водяная крыса – Arvicola amphibius Linnaeus, 1758 (n = 26); ондатра – Ondatra zibethicus Linnaeus, 1766 (n = 17); азиатский бурундук – Eutamias sibiricus (Laxmann, 1769) (n = 5); обыкновенная летяга – Pteromys volans Linnaeus, 1758 (n = 8); обыкновенная белка – Sciurus vulgaris Linnaeus, 1758 (n = 49). Общий объем выборки составил 152 особи.

Подготовку проб для анализа проводили стандартным методом [18]. Небольшой клочок шерсти срезали с чучела или шкурки животного и помещали в бумажный конверт с этикеткой. Шерсть нарезали на фрагменты не более 1 мм: объем измельченного образца шерсти составлял 0,5–1 мл. Измельченные образцы дважды по 40 минут промывали в растворе хлороформ-метанола 2:1 с использованием ультразвуковой ванны и микроцентрифуги. Промытые образцы высушивали в лиофильной сушилке в течении 48 часов. Высушенные образцы шерсти массой 297–363 мг (330 ± 33 мг) помещали в стандартные оловянные капсулы в лабораторных условиях при температуре 22 ± 1°C и относительной влажности 30 ± 5% с использованием весов Mettler Toledo WXTS3DU balance (точность ±1 мкг). Изотопный состав шерсти определяли в двукратной повторности на изотопном масс-спектрометре (IRMS) Thermo Fisher Delta V Advantage с элементным анализатором (Isolink Flash IRMS) в Региональном центре коллективного пользования Череповецкого государственного университета. Для калибровки использовали эталонные материалы USGS-40 и USGS-41. Изотопный состав азота и углерода выражали в тысячных долях отклонения от международного стандарта, δ (‰).

Поправка на эффект Зюсса не была применена к набору данных. Результаты измерений представлены в виде среднего арифметического, медианы, минимальных и максимальных значений, нижнего и верхнего квартилей, стандартного отклонения и стандартной ошибки среднего. Статистический анализ результатов проводили с использованием программного обеспечения Statistica 12 (версия 12 StatSoft USA 2013). Нормальность распределения данных в выборке оценивали с помощью критерия Шапиро–Уилка. Для анализа данных мы использовали: медианный критерий – критерий Краскела–Уоллиса и коэффициент ранговой корреляции Спирмена, при которых различия считались значимыми при р ≤ 0,05.

Результаты и их обсуждение

Соотношение стабильных изотопов углерода в шерсти исследованных видов грызунов Вологодской области в среднем составляет −23,2 ± 0,2% и варьирует в пределах от −28,2‰ у обыкновенного бобра до −17,9‰ у обыкновенной белки (табл. 1, рис. 1). Полученные значения выше, чем у хищных животных (от −27,9‰ до −20,1‰), исследованных ранее на территории Вологодской области [19; 20]. Результаты показывают, что пищевые цепи исследованных грызунов построены на доминирующих в лесополосе исследуемой территории растениях с С3 типом фотосинтеза, поскольку значения δ¹³C у таких растений варьируют от −35‰ до −20‰ [21].

 

Таблица 1 – Соотношение стабильных изотопов ẟ¹³C и ẟ¹⁵N в шерсти грызунов Вологодской области

	N	Mean	Median	Min	Max	Q25	Q75	SD	SE
ẟ¹³C	152	−23,2	−23,9	−28,2	−17,9	−25,6	−20,5	2,9	0,2
ẟ¹⁵N	152	5,2	4,9	0,4	10,6	3,8	6,2	2,0	0,2

Примечание. N – количество образцов, Mean – среднее значение, Median – медиана, Min – минимальное значение в выборке, Max – максимальное значение в выборке, Q25% – нижний квартиль, Q75% – верхний квартиль, SD – стандартное отклонение, SE – стандартная ошибка среднего.

 

Рисунок 1 – Соотношение стабильных изотопов углерода (ẟ¹³C) в шерсти млекопитающих отряда Грызуны. Примечание здесь и далее: a, b, c – различные буквенные индексы, указывающие на наличие различий между видами (критерий Краскела–Уоллиса: p ≤ 0,05)

 

Соотношение стабильных изотопов азота в шерсти исследованных видов грызунов Вологодской области в среднем составляет 5,2 ± 0,2‰ и варьирует в пределах от 0,4‰ у обыкновенной белки до 10,6‰ у лесной мыши (табл. 1, рис. 2). Полученные значения ниже, чем у хищных животных (от 3,5‰ до 15,3‰), исследованных ранее на территории Вологодской области [19; 20].

 

Рисунок 2 – Соотношение стабильных изотопов азота (ẟ¹⁵N) в шерсти млекопитающих отряда Грызуны

 

Установлены статистически значимые различия δ¹³C в шерсти разных видов грызунов: шерсть обыкновенной белки (−19,7 ± 0,2‰) более обогащена тяжелым изотопом углерода по сравнению с шерстью обыкновенного бобра (−26,1 ± 0,2‰), лесной мыши (−24,9 ± 0,4‰), водяной крысы (−24,5 ± 0,2‰) и ондатры (−24,4 ± 0,5‰), а шерсть обыкновенной летяги (−22,4 ± 0,2‰) более обогащена тяжелым изотопом углерода по сравнению с шерстью обыкновенного бобра (−26,1 ± 0,2‰) (рис. 1). В ранее проведенном исследовании показано, что высокие значения δ¹³C в шерсти обыкновенной белки по сравнению с другими лесными грызунами связано с потреблением обогащенных ¹³C семян хвойных деревьев [4; 22].

Гидробионты, как правило, обеднены ¹³C [23]. Значения δ¹³C у бобра, водяной крысы и ондатры, которые ведут полуводный образ жизни и питаются прибрежными и водными растениями [24] близки к значениям, полученным в ранее проведенных исследованиях на территории Вологодской области для гидробионта выдры (−25,0 ± 0,7‰) [19].

Установлены статистически значимые различия ẟ¹⁵N в шерсти разных видов грызунов: шерсть лесной мыши (7,4 ± 0,9‰) и ондатры (6,6 ± 0,4‰) более обогащена тяжелым изотопом азота, по сравнению с шерстью азиатского бурундука (3,3 ± 0,5‰), обыкновенной летяги (3,3 ± 0,3‰) и белки (4,6 ± 0,3‰), а шерсть водяной крысы (5,8 ± 0,3‰) более обогащена тяжелым изотопом азота, по сравнению с шерстью обыкновенной летяги (3,3 ± 0,3‰) (рис. 2). Лесная мышь имеет высокую трофическую позицию среди грызунов, поскольку часто поедает животные корма (преимущественно беспозвоночных) наряду с семенами и ягодами [25]. Гидробионты – ондатра, водяная крыса и обыкновенный бобр имеют высокие значения ẟ¹⁵N, так как объекты водных экосистем обогащены ¹⁵N по сравнению с наземными [26].

Ткани потребителей обычно обогащаются тяжелыми изотопами азота по сравнению с их пищей. В среднем величина ẟ¹⁵N увеличивается на 2,5–5‰ на один трофический уровень [8; 27]. Наше исследование показало, что животные внутри одного отряда характеризуются высокой вариабельностью δ¹⁵N в шерсти, таким образом, млекопитающие отряда Грызуны могут занимать более одного трофического уровня.

Изотопный состав углерода и азота (изотопная ниша) млекопитающих определяется трофической нишей животных. Изотопные ниши бобра и белки не перекрываются изотопными нишами других исследованных видов, что является показателем того, что они эффективно разделяют трофические ниши и избегают конкуренции за ресурсы (рис. 3). Изотопные ниши лесной мыши, ондатры, водяной крысы перекрываются, так же как и изотопные ниши азиатского бурундука и обыкновенной летяги, что является показателем того, что формирование их трофических ниш происходило под влиянием сильной конкуренции (рис. 3).

 

Рисунок 3 – Соотношение стабильных изотопов углерода (ẟ¹³C) и азота (ẟ¹⁵N) в шерсти представителей отряда Грызуны

 

На примере обыкновенного бобра установлено, что соотношение тяжелых изотопов углерода (ẟ¹³C) и азота (ẟ¹⁵N) в шерсти животных отловленных в разных районах Вологодской области (Череповецкий район: n = 12, Кирилловский район: n = 24) статистически значимо не различаются (p > 0,005).

Анализ изменения изотопного состава (ẟ¹³C) шерсти грызунов с течением времени был проведен на примере ондатры, поскольку выборка представлена достаточным количеством образцов, собранных за период более 50 лет. Обнаружена отрицательная значимая корреляция между δ¹³C и датой отлова ондатры (р = 0,00) (рис. 4). Соотношение стабильных изотопов углерода (ẟ¹³C) в шерсти ондатры статистически значимо снизилось с 1958 (−24,9‰) по 2016 (−27,6‰) годы на 2,7‰ (рис. 4). Отмечено, что антропогенные выбросы углерода за последние столетия постепенно обогатили атмосферу легким изотопом углерода (¹²С). Это связано со сжиганием природных углеводородов, которые обеднены ¹³C и, таким образом, придают атмосфере более легкую углеродную подпись [28]. Проявление данного эффекта на биологических объектах свидетельствует об увеличении углеродного следа от хозяйственной деятельности человека на территории Вологодской области с по 1958 по 2016 годы.

 

Рисунок 4 – Корреляция между ẟ¹³C в шерсти ондатры и датой отбора проб

 

Выводы

1. Соотношение стабильных изотопов углерода (ẟ¹³C) в шерсти представителей отряда Грызуны в Вологодской области варьирует в широких пределах: от −26,1 ± 0,2‰ в шерсти обыкновенного бобра до −19,7 ± 0,2‰ в шерсти обыкновенной белки. Соотношение стабильных изотопов азота (ẟ¹⁵N) в шерсти представителей отряда Грызуны в Вологодской области варьирует от 3,3 ± 0,3‰ в шерсти обыкновенной летяги и азиатского бурундука до 7,4 ± 0,9‰ в шерсти лесной мыши.
2. Значения ẟ¹³C в шерсти млекопитающих отряда Грызуны выше, а ẟ¹⁵N ниже, чем в шерсти млекопитающих отряда Хищные, исследованных ранее на той же территории.
3. Шерсть гидробионтов (обыкновенного бобра, водяной крысы и ондатры) менее обогащена тяжелым изотопом углерода и более обогащена тяжелым изотопом азота, чем шерсть наземных представителей отряда Грызуны (обыкновенной белки, обыкновенной летяги и азиатского бурундука).
4. Среди наземных представителей у грызунов со значительной долей животной пищи в рационе (лесной мыши, белки) шерсть более обогащена тяжелым изотопом азота, по сравнению с шерстью преимущественных фитофагов (азиатского бурундука и обыкновенной летяги).
5. Перекрытие изотопных ниш у грызунов указывает на конкуренцию за пищевые ресурсы. Отсутствие перекрытия изотопных ниш указывает на эффективное разделение трофических ниш и избежание конкуренции.
6. Соотношения стабильных изотопов углерода и азота в шерсти бобра, отловленного в районах Вологодской области, различающихся геоморфологическими и природно-климатическими параметрами, статистически значимо не различаются.
7. Выявлено статистически значимое снижение содержания δ¹³C в шерсти ондатры за 50 лет (с 1958 по 2016 гг.) на 2,7‰, что является следствием внесения легкого ¹²C в экосистемы в результате антропогенной деятельности.

About the authors

Liubov Sergeevna Eltsova

Cherepovets State University

Email: lskhabarova@chsu.ru

researcher of Biology Department

Russian Federation

Olga Vasilyevna Duryagina

Cherepovets State University

Email: ovduriagina@chsu.ru

student of Faculty of Biology and Human Health

Russian Federation

Liudmila Victorovna Kuznetsova

Russian North National Park

Email: priroda.russever@mail.ru

head of Environmental Management and Science Department

Russian Federation

Elena Sergeevna Ivanova

Cherepovets State University

Author for correspondence.
Email: stepinaelena@yandex.ru

candidate of biological sciences, leading researcher, head of Ecological and Analytical Laboratory of Biology Department

Russian Federation

References

Supplementary files