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La amplia distribución diferencial de los isótopos estables en la naturaleza permite su uso como trazadores naturales de procesos fisicoquímicos en los ecosistemas. Así, la concentración relativa de los isótopos de hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno o azufre, ha permitido realizar estudios sobre el patrón de movimiento de los animales, ya que las proporciones isotópicas geográficas se conservan en los tejidos de los individuos tras la migración.
También sobre cadenas tróficas, teniendo en cuenta que entre niveles tróficos sucesivos, se produce un ligero enriquecimiento en los isótopos pesados de C y N respecto de su dieta debido al propio metabolismo. Por otra parte, el N puede utilizarse como indicador de una eutrofización incipiente causada por el aumento de los aportes de nitrógeno antropogénico, ya que los vertidos residuales de origen humano suelen estar enriquecidos en este isótopo respecto al ambiente. Además su aplicación en ecofisiología vegetal permite determinar el tipo de fotosíntesis que utilizan las plantas (C3, C4 y CAM) en base a la relación entre C y C; y en ecología microbiana, para identificar funciones metabólicas de microorganismos crecidos sobre sustratos marcados con C, identificando cuáles lo han incorporado en su DNA, RNA o fosfolípidos.
