Using bioenergetics models to predict stable isotope ratios in fishes

Abstract

To describe temporal dynamics of stable isotope ratios in fishes, we developed a bioenergetics-based model that links isotope ratios to growth, as influenced by fish size, temperature, diet, and prey quality. The model includes error terms for isotope ratios, diet proportions, and fractionation. The model accurately predicted temporal δ 15 N dynamics of lake trout (Salvelinus namaycush) in a diet-switch experiment but was less successful for δ 13 C, possibly because of variable fractionation. The model was then used in three heuristic applications. In a diet-validation scenario, a model derived from limited knowledge of rainbow smelt (Osmerus mordax) diet reasonably estimated δ 13 C and δ 15 N compared with a null model but inaccurately estimated prey consumption. In a scenario where adult lake trout briefly cannibalized stocked lake trout fingerlings, the detectability of a cannibalism-induced δ 15 N increase depended on predator size, duration of cannibalism, and sample size. In a scenario where seasonal isotopic variability occurred at the base of a food web, variation propagated to higher trophic levels depended on consumer size and diet. Our approach is most valuable when used to examine multiple diet combinations that produce observed stable isotope ratios; one can then identify the most reasonable diets through field tests or other observations. Résumé : Dans le but de décrire la dynamique temporelle des rapports d'isotopes stables chez les poissons, nous avons mis au point un modèle basé sur la bioénergétique qui relie les rapports isotopiques à la croissance, elle-même influencée par la taille du poisson, la température, le régime alimentaire et la qualité des proies. Le modèle comprend des termes d'erreur pour les rapports isotopiques, les proportions du régime alimentaire et le fractionnement. Le modèle a permis de prédire avec précision la dynamique temporelle du δ 15 N chez le Touladi (Salvelinus namaycush) dans une expérience de changement de régime; il a été moins efficace dans la prédiction de δ 13 C, peut-être à cause du fractionnement variable. Le modèle a aussi servi dans trois applications heuristiques. Dans un scénario de validation du régime alimentaire, un modèle élaboré à partir d'une connaissance limitée du régime alimentaire de l'Éperlan arc-enciel (Osmerus mordax) a permis l'estimation adéquate de δ 13 C et de δ 15 N par rapport à un modèle nul, mais n'a pu déterminer correctement la consommation des proies. Dans un second scénario dans lequel des touladis se sont, pendant une courte période, alimentés par cannibalisme d'estivaux de touladis ensemencés, la possibilité de détection de l'augmentation de δ 15 N reliée au cannibalisme dépendait de la taille du prédateur, de la durée du cannibalisme et de la taille de l'échantillon. Dans un dernier scénario où la variation isotopique saisonnière se produisait à la base du réseau alimentaire, la variation qui se propageait aux niveaux trophiques supérieurs dépendait de la taille du consommateur et de son régime alimentaire. C'est dans l'exame...

The impact of metabolism on stable isotope dynamics: a theoretical framework

“…The isotopic composition of reserve in turn impacts the isotopic composition of structure (figure 6c). The amplitude of the variations of the isotopic composition of both reserve and structure is decreasing as the individuals grow (figure 6b,c) which is consistent with observed patterns (Harvey et al 2002, and references therein). The differences in d 15 N at the whole body level are also explained by the differences in reserve density between the two individuals as in simulation 2 (figure 6d ).…”

“…At present, we can study the impact of variable temperature and variable food densities. Short-term starvation situations where maintenance costs can be paid from reserve can also be studied, an issue that was not taken into account in the bioenergetic approach developed by Harvey et al (2002) for fish muscle for instance. Strong starvation situations where maintenance costs cannot be covered by reserve are, however, more complex.…”

“…Kiriluk et al 1995;Harvey et al 2002). In simulation 3, we study this pattern by simulating a seasonal variation in the d 15 N of the food.…”

“…Several models have been developed to investigate some of these factors (e.g. Ponsard & Averbuch 1999;Harvey et al 2002;Olive et al 2003;Marin-Leal et al 2008). But the number of processes involved and the variability of observed patterns led Wolf et al (2009) to renew their call both for more experiments and the development of theoretical models.…”

Feeding Ecology of Juvenile Yellowfin Tuna from Waters Southwest of Taiwan Inferred from Stomach Contents and Stable Isotope Analysis

“…Stable isotope analysis can provide further information to that obtained from the analyses of stomach contents (Pauly et al 1998;Pinnegar et al 2003) and can be used to determine diet or niche shifts (Grey 2001;Post 2003;Hammerschlag-Peyer et al 2011) or to acquire accurate data regarding feeding habits (Harvey et al 2002). Stable isotope analyses are based on measurements of the carbon and nitrogen isotope compositions of an organism's tissues, which contain information about the food or nutrient sources of the organisms consumed.…”