Stable isotopes as tracers in aquatic ecosystems

Abstract

[EN]: The addition of stable isotopes (SI) of 13C and 15N has been used to study several aquatic processes, thus avoiding environmental disturbance by the observer. This approach, employed for the last three decades, has contributed to expanding our knowledge of food-web ecology and nutrient dynamics in aquatic systems. Currently, SI addition is considered a powerful complementary tool for studying several ecological and biogeochemical processes at the whole-aquatic-ecosystem scale, which could not be addressed otherwise. However, their contributions have not been considered jointly nor have they been evaluated with a view to assessing the reliability and scope of their results from an ecosystem perspective. We intend to bridge this gap by providing a comprehensive review (78 scientific publications reporting in situ 13C/15N additions at the whole-aquatic-ecosystem scale) addressing the main results arising from their use as tracers. Specifically, we focus on: (i) reasons for SI additions at the whole-ecosystem scale to study ecological processes, (ii) the paradigms resulting from its use and the insights achieved, (iii) uncertainties and drawbacks arising from these SI addition experiments, and (iv) the potential of this approach for tackling new paradigms. SI tracer addition at the ecosystem scale has provided new functional insights into numerous ecological processes in aquatic sciences (importance of subsidies in lakes; heterotrophy dominance in benthic food webs in lakes, wetlands and estuaries; the decrease in N removal efficiency in most aquatic ecosystems due to anthropogenic alteration; the recognition of hyporheic zones and floodplains as hot spots for stream denitrification; and high rates of internal N recycling in tidal freshwater marshes). However, certain constraints such as the high cost of isotopes, the maintenance of the new isotopic steady state, and avoidance of biomass changes in any compartment or pool during tracer addition bear witness to the difficulties of applying this approach to all fields of aquatic ecology and ecosystems. The future development of this approach, rather than expanding to larger and complex aquatic ecosystems, should include other stable isotopes such as phosphorus (P18O4).

[FR]: L’ajout d’isotopes stables (IS) de 13C et 15N est utilisé pour étudier plusieurs processus aquatiques, évitant ainsi la perturbation environnementale par l’observateur. Cette approche, employée depuis les trois dernières décennies, a contribué a`élargir nos connaissances de l’écologie des réseaux trophiques et de la dynamique des substances nutritives au niveau des systèmes aquatiques. Actuellement, l’ajout d’IS est considéré comme un outil complémentaire puissant permettant d’étudier plusieurs processus écologiques et biogéochimiques a` l’échelle de l’écosystème aquatique entier, ce qui ne pourrait pas être abordé autrement. Cependant, leurs contributions n’ont pas été considérées conjointement, ni été évaluées en vue de déterminer la fiabilité et la portée de leurs résultats d’une perspective écosystémique. Nous avons l’intention de combler ces lacunes en présentant une revue complète (de 78 publications scientifiques rapportant des ajouts de 13C/15N in situ a` l’échelle de l’écosystème aquatique entier) se penchant sur les principaux résultats découlant de leur utilisation comme traceurs. Spécifiquement, nous nous concentrons sur: (i) les raisons d’ajouter des IS a` l’échelle de l’écosystème entier afin d’étudier des processus écologiques; (ii) les paradigmes issus de leur utilisation et les connaissances acquises; (iii) les incertitudes et les inconvénients découlant de ces expériences d’ajout d’IS et (iv) la possibilité de dépasser les nouveaux paradigmes par cette approche. L’ajout de traceur isotopiques stables a` l’échelle écosystémique a fourni de nouvelles notions fonctionnelles au sujet des nombreux processus écologiques dans le domaine des sciences aquatiques (l’importance des contributions dans les lacs, la domination hétérotrophique des réseaux trophiques benthiques au niveau des lacs, des terres humides et des estuaires; la perte d’efficacité au niveau de l’élimination de l’azote dans la plupart des écosystèmes aquatiques en raison de changements anthropogéniques; la reconnaissance de zones hyporhéiques et de plaines inondables comme des points chauds susceptibles de dénitrification des cours d’eau et de hauts taux de recyclage interne de l’azote dans les marais d’eau douce a` marée). Cependant, certaines contraintes, telles que le coût élevé des isotopes, le maintien du nouvel état stable isotopique et l’évitement de changements de biomasse dans tout compartiment ou bassin pendant l’ajout de traceur, témoignent des difficultés d’appliquer cette approche a` tous les domaines d’écologie aquatique et a` tous les écosystèmes. Le développement de cette approche a` l’avenir, plutôt que de s’étendre aux écosystèmes aquatiques plus grands et complexes, devrait inclure d’autres isotopes stables, comme le phosphore (P18O4).