穩(wěn)定同位素技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

摘 要：綜述了穩(wěn)定同位素技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用，探討了其在營(yíng)養(yǎng)需求、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)、水產(chǎn)品溯源等方面的重要性。同時(shí)還強(qiáng)調(diào)了樣品預(yù)處理的重要性，并提出了未來(lái)研究方向，包括建立和完善同位素分析模型，結(jié)合多種技術(shù)及分析方法擴(kuò)大其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定同位素；水產(chǎn)養(yǎng)殖；溯源；樣品預(yù)處理

中圖分類號(hào)：S9"""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6755（2025）02-0037-05

水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到諸多環(huán)境和管理上的挑戰(zhàn)，包括養(yǎng)殖效率低下、環(huán)境污染以及產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題。穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了新的視角和方法：通過(guò)分析生物體內(nèi)的碳、氮、氫、氧等穩(wěn)定同位素比率，研究者能夠追溯營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來(lái)源，評(píng)估不同養(yǎng)殖策略的效率，監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，以及提高水產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

1 穩(wěn)定同位素技術(shù)

穩(wěn)定同位素是指無(wú)放射性的原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子，生態(tài)系統(tǒng)研究中最常用的同位素為¹³C、¹⁵N、2H、¹⁸O、³⁴S等。在研究中常用穩(wěn)定同位素比值“δ”表示同位素富集程度^[1]，公式如下：

δ=RsampleRstandard-1×1 000‰

式中，Rsample是測(cè)定樣品中重同位素和輕同位素的比值；Rstandard是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中重同位素和輕同位素的比值。生物的新陳代謝會(huì)導(dǎo)致同位素分餾，造成不同生物間同位素組成差異。生物的生理活動(dòng)例如呼吸、排泄等，會(huì)造成食物中的重同位素在捕食者體內(nèi)富集^[2]，而排出輕同位素。學(xué)者通常使用穩(wěn)定同位素的不同富集程度來(lái)追溯消費(fèi)者的食物來(lái)源、檢查營(yíng)養(yǎng)相互作用、闡明食物網(wǎng)能量流動(dòng)途徑^[3]，碳、氮穩(wěn)定同位素隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)的變化通常分別為0.4‰和3.4‰^[4]，其中使用δ¹³C確定消費(fèi)者的食物來(lái)源，使用δ¹⁵N確定營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置；δ2H、δ¹⁸O、δ³⁴S同位素主要用來(lái)反映生物養(yǎng)殖環(huán)境特點(diǎn)、追溯生物地理來(lái)源等。

2 在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

為了深入了解穩(wěn)定同位素技術(shù)當(dāng)前的應(yīng)用趨勢(shì)，對(duì)中國(guó)知網(wǎng)上的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)關(guān)鍵字“穩(wěn)定同位素技術(shù)”的篩選分析，使用VOSviewer 1.6.17軟件構(gòu)建可視化結(jié)果，如圖1所示，結(jié)果表明，穩(wěn)定同位素技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的研究主要集中在生物間營(yíng)養(yǎng)關(guān)系、產(chǎn)品質(zhì)量安全、產(chǎn)地溯源等方面，為水產(chǎn)養(yǎng)殖和資源保護(hù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)手段，在很大程度上促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖高質(zhì)量發(fā)展。目前在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域研究主要以δ¹³C、δ¹⁵N同位素為主，δ2H、δ¹⁸O、δ³⁴S等同位素為輔^[5]。

2.1 飼料效率和營(yíng)養(yǎng)需求

飼料效率與營(yíng)養(yǎng)需求是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的重要研究領(lǐng)域，它們直接影響?zhàn)B殖成本和養(yǎng)殖動(dòng)物的健康生長(zhǎng)。魚類攝食組成受多方面因素影響，不同的食物對(duì)生物的生長(zhǎng)貢獻(xiàn)率有著不同的作用，在水生動(dòng)物的發(fā)育過(guò)程中，它們的飲食習(xí)慣經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，特別是在幼體時(shí)期，其攝食行為更加多樣化。通過(guò)使用穩(wěn)定同位素測(cè)量同化作用，可以推斷出被消化、并入組織并用于代謝功能的特定飲食成分，對(duì)飼料的轉(zhuǎn)化效率及其食物來(lái)源做出較準(zhǔn)確的分析，制定合理的飼料配置方案。例如李學(xué)梅等^[6]使用碳氮穩(wěn)定同位素分析了不同餌料加施肥的組合中，施肥+1/2投飼方案對(duì)鳙（Aristichthys nobilis）的攝食貢獻(xiàn)最大，說(shuō)明在減少投飼量的同時(shí)培育天然餌料可以有效提高飼料貢獻(xiàn)率，正確地使用餌料投入對(duì)生物的生長(zhǎng)有著極為重要的影響。同時(shí)，從養(yǎng)殖成本角度看，通過(guò)降低成本來(lái)尋找餌料可替代品，也是穩(wěn)定同位素分析方法的重要應(yīng)用意義。例如有研究證明了在水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中使用成本更低的家禽副產(chǎn)品粉來(lái)替代魚粉的可行性^[7]；金波昌等^[8]比較了養(yǎng)殖過(guò)程中刺參（Apostichopus japonicus）對(duì)海泥和黃泥的營(yíng)養(yǎng)吸收情況，發(fā)現(xiàn)兩者并無(wú)顯著性差異，表明了海泥代替黃泥的可操作性。

2.2 養(yǎng)殖環(huán)境測(cè)定

由于穩(wěn)定同位素方法具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定的結(jié)果，因此常常被用于周圍環(huán)境污染程度等研究^[9]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中，有機(jī)物質(zhì)在沉積物中的來(lái)源主要由殘餌、死亡生物和魚類排泄物等組成。通過(guò)測(cè)定生物體內(nèi)與周圍環(huán)境物質(zhì)同位素含量，可探究其生長(zhǎng)與周圍環(huán)境之間相互的影響，并且還可以應(yīng)用于沉積物中有機(jī)污染物的溯源。例如，通過(guò)分析沉積物和水體中的有機(jī)污染物的同位素特征，可以確定污染物的來(lái)源。還有研究利用δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S穩(wěn)定同位素方法發(fā)現(xiàn)，在鮭魚養(yǎng)殖區(qū)域的多毛綱的蠕蟲（Ophryotrocha cyclops）可能攝食懸浮物質(zhì)和絮狀細(xì)菌，從而對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行一定修復(fù)^[10]。Paula等^[11]通過(guò)穩(wěn)定同位素法發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖系統(tǒng)里添加甘蔗渣為碳源，可以增加海參（Holothuria scabra）對(duì)養(yǎng)殖廢棄物的吸收，顯著改善海參生長(zhǎng)。同時(shí)，氫氧穩(wěn)定同位素是水循環(huán)研究的良好示蹤劑，為評(píng)估水體的來(lái)源、蒸發(fā)率和水循環(huán)情況提供基礎(chǔ)^[12]。例如結(jié)合氫氧穩(wěn)定同位素和水化等指標(biāo)，揭示了地表水和地下水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系^[13]。綜上所述，穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)評(píng)估養(yǎng)殖活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響和制定管理策略具有重要意義。

2.3 增殖放流評(píng)估

增殖放流對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護(hù)具有重要意義。使用同位素標(biāo)記技術(shù)可以區(qū)分放流個(gè)體與自然種群，通過(guò)追蹤放流生物的生長(zhǎng)和存活情況，了解它們?cè)谧匀画h(huán)境中的遷移和分布模式，評(píng)估放流效果，對(duì)研究魚類洄游路徑、資源分布與棲息環(huán)境關(guān)系及資源評(píng)估和管理策略具有重要意義。有研究對(duì)耳石δ¹³C值進(jìn)行了測(cè)定分析，結(jié)果表明能夠區(qū)分幼體牙鲆（Paralichthys olivaceus）中的自然種群與人工放流種群^[14]。而且，還可以通過(guò)分析放流生物的同位素組成，了解它們?cè)谧匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)中的位置和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，探究放流生物與自然種群的相互作用。同位素標(biāo)記法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、對(duì)魚體無(wú)害、適合長(zhǎng)周期研究，但是成本高、檢測(cè)復(fù)雜，適合小規(guī)模使用^[15]?？傮w來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定同位素技術(shù)為增殖放流提供了一種強(qiáng)有力的工具，助力資源的可持續(xù)管理，為水產(chǎn)養(yǎng)殖和資源保護(hù)提供長(zhǎng)期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4 生物調(diào)控

復(fù)合的生態(tài)養(yǎng)殖模式是一種可持續(xù)發(fā)展模式，將不同營(yíng)養(yǎng)層次的生物組合在一個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用和生態(tài)平衡。例如可以通過(guò)探究在生態(tài)系統(tǒng)中鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙攝食浮游生物的比例，以便設(shè)計(jì)放養(yǎng)魚類比例。這種養(yǎng)殖方式既可以提高經(jīng)濟(jì)效益，還能促進(jìn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展。還可以利用穩(wěn)定同位素的示蹤能力，來(lái)分析他們對(duì)不同來(lái)源自然食物的攝食能力，更準(zhǔn)確地制作餌料組成方案。Xu等^[16]運(yùn)用穩(wěn)定同位素評(píng)價(jià)了多營(yíng)養(yǎng)級(jí)綜合養(yǎng)殖模式中櫛孔扇貝（Chlamys farreri）與海帶（Saccharina japonica）的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)櫛孔扇貝組織中有14%～43%的碳源貢獻(xiàn)來(lái)自于海帶。因此實(shí)際操作中適當(dāng)加入海帶的養(yǎng)殖對(duì)櫛孔扇貝的養(yǎng)殖有著重要影響。一個(gè)沿岸多營(yíng)養(yǎng)級(jí)綜合養(yǎng)殖池塘使用穩(wěn)定同位素和脂肪酸進(jìn)行分析，研究證明浮游植物與大型藻類爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由于大型藻類在池塘中自然生長(zhǎng)，不被魚類食用，因此池塘中應(yīng)該引入食用大型藻類的物種（如海膽、鮑魚），以提高浮游植物生物量并提高牡蠣生長(zhǎng)速度^[17]。食物網(wǎng)使用穩(wěn)定同位素分析法對(duì)水生動(dòng)物生長(zhǎng)過(guò)程中的食性轉(zhuǎn)變，捕食者與被捕食者間的動(dòng)態(tài)關(guān)系等方面進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，探究生物種群間相互作用及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)，這對(duì)于優(yōu)化養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定具有至關(guān)重要的意義^[18]。

2.5 水產(chǎn)品溯源

采用綠色環(huán)保和可持續(xù)養(yǎng)殖方法的水產(chǎn)品在市場(chǎng)上更受歡迎，并且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，消費(fèi)者僅憑外觀很難辨別那些虛假偽劣產(chǎn)品。這些假冒產(chǎn)品嚴(yán)重侵犯了消費(fèi)者的權(quán)益，穩(wěn)定同位素技術(shù)作為追蹤產(chǎn)品來(lái)源的有效手段之一，如圖2所示，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于此項(xiàng)研究中^[5]。一般可以分為產(chǎn)地溯源（混淆地域）和生產(chǎn)方式（混淆野生與有機(jī)養(yǎng)殖）鑒別兩種應(yīng)用^[19]。通過(guò)分析不同地區(qū)同一元素的穩(wěn)定同位素比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)地的追溯。例如馬冬紅等^[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同地理來(lái)源的羅非魚的δ2H具有顯著差異；Carrera等^[21]研究發(fā)現(xiàn)，6個(gè)地區(qū)的鱈魚樣品δ¹³C和δ¹⁵N的組成具有顯著差異。穩(wěn)定同位素信息記錄了水產(chǎn)品的生長(zhǎng)條件和飲食模式等多種信息，可以作為追蹤魚類來(lái)源的可靠工具^[22]。但是，僅僅依靠穩(wěn)定同位素技術(shù)分析野生與有機(jī)養(yǎng)殖水產(chǎn)品的來(lái)源存在一定的挑戰(zhàn)^[19]，因此需借助脂肪酸分析、氨基酸分析等手段共同探究^[5]。同時(shí)對(duì)于特定的鑒別，需要借助一些統(tǒng)計(jì)學(xué)方法如多元統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析等建立定量的生產(chǎn)方式預(yù)測(cè)模型。例如有研究通過(guò)測(cè)定陽(yáng)澄湖中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）與“沐浴蟹”的δ¹³C、δ¹⁵N、δ¹⁸O等值，借助單因素方差分析等方法對(duì)同位素指紋圖譜進(jìn)行了分析，成功鑒定出兩種蟹^[23]；Bell等^[24]測(cè)定了不同養(yǎng)殖方式下鱸魚（Dicentrarchus labrax）的δ¹³C、δ¹⁸O值、甘油δ¹⁵N和脂肪酸δ¹³C等，得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與主成分分析結(jié)合起來(lái)可以有效用于區(qū)分野生和養(yǎng)殖鱸魚。使用多種技術(shù)與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合的方法使物種識(shí)別越來(lái)越精確，產(chǎn)地溯源準(zhǔn)確性越來(lái)越高^[19]。

3 穩(wěn)定同位素技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

當(dāng)穩(wěn)定同位素樣品采集、處理等過(guò)程中存在不確定性時(shí)，會(huì)影響同位素結(jié)果的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系判斷^[25]。因此規(guī)范穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)研究方法至關(guān)重要（圖3）。使用前，必須對(duì)所有樣品采集、處理工具進(jìn)行酸洗或高溫預(yù)燒^[26]。樣品組織的選擇是進(jìn)行穩(wěn)定同位素分析的第一步。生物的不同組織代謝活性不同，肌肉與體內(nèi)組織器官相比，脂質(zhì)和無(wú)機(jī)碳酸鹽含量較少，可以提供生物的長(zhǎng)期攝食信息，其他組織如肝臟和血漿代謝速率快，可以提供生物短期攝食信息^[27]。因此在實(shí)際操作中，通常選用周轉(zhuǎn)速度較慢的白肌組織來(lái)代表長(zhǎng)期的穩(wěn)定同位素信號(hào)^[28]。小個(gè)體魚類通常取整條魚，去除內(nèi)臟作為同位素分析對(duì)象。對(duì)于采集過(guò)程中易受到碳酸鹽影響的有機(jī)樣品（有機(jī)碎屑、沉積物有機(jī)物、水生植物等）進(jìn)行酸化處理^[25]。在進(jìn)行樣品同位素分析前，需先對(duì)樣品進(jìn)行脂質(zhì)提取^[25]。樣品通常采用60 ℃烘箱24～48 h烘干至恒重，或者進(jìn)行冷凍干燥^[29]。

4 結(jié)語(yǔ)

同位素在養(yǎng)殖環(huán)境中的應(yīng)用還處于初步階段。在今后的發(fā)展中，首先應(yīng)該完善穩(wěn)定同位素模型，探索穩(wěn)定同位素技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，提供更全面的生態(tài)信息以提升溯源效果和市場(chǎng)監(jiān)管能力；其次是擴(kuò)大穩(wěn)定同位素技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估中的應(yīng)用，研究者可以提出更具針對(duì)性的管理策略，以促進(jìn)養(yǎng)殖技術(shù)的創(chuàng)新和養(yǎng)殖模式的可持續(xù)發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，穩(wěn)定同位素技術(shù)將在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源管理和產(chǎn)品溯源等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注多學(xué)科的交叉合作，推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的綠色發(fā)展，不斷完善水產(chǎn)品產(chǎn)地溯源體系，更好地保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益和市場(chǎng)秩序，為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的綠色發(fā)展和食品安全做出更大的貢獻(xiàn)。

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The application of stable isotope technology in aquaculture

XU Shiling， ZUO Yan， MA Longfei， YU Jia

（College of Ocean Science， Agricultural University of Hebei， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract：The application of stable isotope technology was reviewed in the field of aquaculture， its importance was discussed in nutritional needs， monitoring the farming environment， and tracing the origin of aquatic products. The importance of sample pretreatment was also emphasized. Future research directions were proposed， including the establishment and improvement of isotope analysis models， combining various technologies and analytical methods to expand its application in aquaculture.

Key words：stable isotope; aquaculture; traceability; sample pretreatment

（收稿日期：2024-09-23）