稳定同位素技术在水产养殖中的应用

摘 要：综述了稳定同位素技术在水产养殖领域的应用，探讨了其在营养需求、养殖环境监测、水产品溯源等方面的重要性。同时还强调了样品预处理的重要性，并提出了未来研究方向，包括建立和完善同位素分析模型，结合多种技术及分析方法扩大其在水产养殖中的应用。

关键词：稳定同位素；水产养殖；溯源；样品预处理

中图分类号：S9"""" 文献标志码：A

文章编号：1004-6755（2025）02-0037-05

水产养殖过程中经常会遇到诸多环境和管理上的挑战，包括养殖效率低下、环境污染以及产品质量等问题。稳定同位素技术的应用为水产养殖提供了新的视角和方法：通过分析生物体内的碳、氮、氢、氧等稳定同位素比率，研究者能够追溯营养物质的来源，评估不同养殖策略的效率，监测养殖活动对环境的影响，以及提高水产品的质量和安全性。

1 稳定同位素技术

稳定同位素是指无放射性的原子核内质子数相同而中子数不同的原子，生态系统研究中最常用的同位素为¹³C、¹⁵N、2H、¹⁸O、³⁴S等。在研究中常用稳定同位素比值“δ”表示同位素富集程度^[1]，公式如下：

δ=RsampleRstandard-1×1 000‰

式中，Rsample是测定样品中重同位素和轻同位素的比值；Rstandard是标准物质中重同位素和轻同位素的比值。生物的新陈代谢会导致同位素分馏，造成不同生物间同位素组成差异。生物的生理活动例如呼吸、排泄等，会造成食物中的重同位素在捕食者体内富集^[2]，而排出轻同位素。学者通常使用稳定同位素的不同富集程度来追溯消费者的食物来源、检查营养相互作用、阐明食物网能量流动途径^[3]，碳、氮稳定同位素随营养级的变化通常分别为0.4‰和3.4‰^[4]，其中使用δ¹³C确定消费者的食物来源，使用δ¹⁵N确定营养级位置；δ2H、δ¹⁸O、δ³⁴S同位素主要用来反映生物养殖环境特点、追溯生物地理来源等。

2 在水产养殖中的应用

为了深入了解稳定同位素技术当前的应用趋势，对中国知网上的文献数据进行了相关关键字“稳定同位素技术”的筛选分析，使用VOSviewer 1.6.17软件构建可视化结果，如图1所示，结果表明，稳定同位素技术在水产养殖方面的研究主要集中在生物间营养关系、产品质量安全、产地溯源等方面，为水产养殖和资源保护提供了基础数据和技术手段，在很大程度上促进水产养殖高质量发展。目前在水产养殖领域研究主要以δ¹³C、δ¹⁵N同位素为主，δ2H、δ¹⁸O、δ³⁴S等同位素为辅^[5]。

2.1 饲料效率和营养需求

饲料效率与营养需求是水产养殖中的重要研究领域，它们直接影响养殖成本和养殖动物的健康生长。鱼类摄食组成受多方面因素影响，不同的食物对生物的生长贡献率有着不同的作用，在水生动物的发育过程中，它们的饮食习惯经常会发生变化，特别是在幼体时期，其摄食行为更加多样化。通过使用稳定同位素测量同化作用，可以推断出被消化、并入组织并用于代谢功能的特定饮食成分，对饲料的转化效率及其食物来源做出较准确的分析，制定合理的饲料配置方案。例如李学梅等^[6]使用碳氮稳定同位素分析了不同饵料加施肥的组合中，施肥+1/2投饲方案对鳙（Aristichthys nobilis）的摄食贡献最大，说明在减少投饲量的同时培育天然饵料可以有效提高饲料贡献率，正确地使用饵料投入对生物的生长有着极为重要的影响。同时，从养殖成本角度看，通过降低成本来寻找饵料可替代品，也是稳定同位素分析方法的重要应用意义。例如有研究证明了在水产养殖饲料中使用成本更低的家禽副产品粉来替代鱼粉的可行性^[7]；金波昌等^[8]比较了养殖过程中刺参（Apostichopus japonicus）对海泥和黄泥的营养吸收情况，发现两者并无显著性差异，表明了海泥代替黄泥的可操作性。

2.2 养殖环境测定

由于稳定同位素方法具有准确、稳定的结果，因此常常被用于周围环境污染程度等研究^[9]。在水产养殖环境中，有机物质在沉积物中的来源主要由残饵、死亡生物和鱼类排泄物等组成。通过测定生物体内与周围环境物质同位素含量，可探究其生长与周围环境之间相互的影响，并且还可以应用于沉积物中有机污染物的溯源。例如，通过分析沉积物和水体中的有机污染物的同位素特征，可以确定污染物的来源。还有研究利用δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S稳定同位素方法发现，在鲑鱼养殖区域的多毛纲的蠕虫（Ophryotrocha cyclops）可能摄食悬浮物质和絮状细菌，从而对养殖环境生态系统进行一定修复^[10]。Paula等^[11]通过稳定同位素法发现在养殖系统里添加甘蔗渣为碳源，可以增加海参（Holothuria scabra）对养殖废弃物的吸收，显著改善海参生长。同时，氢氧稳定同位素是水循环研究的良好示踪剂，为评估水体的来源、蒸发率和水循环情况提供基础^[12]。例如结合氢氧稳定同位素和水化等指标，揭示了地表水和地下水之间的相互转化关系^[13]。综上所述，稳定同位素技术对评估养殖活动对环境的影响和制定管理策略具有重要意义。

2.3 增殖放流评估

增殖放流对生态系统生物多样性保护具有重要意义。使用同位素标记技术可以区分放流个体与自然种群，通过追踪放流生物的生长和存活情况，了解它们在自然环境中的迁移和分布模式，评估放流效果，对研究鱼类洄游路径、资源分布与栖息环境关系及资源评估和管理策略具有重要意义。有研究对耳石δ¹³C值进行了测定分析，结果表明能够区分幼体牙鲆（Paralichthys olivaceus）中的自然种群与人工放流种群^[14]。而且，还可以通过分析放流生物的同位素组成，了解它们在自然生态系统中的位置和营养状态，探究放流生物与自然种群的相互作用。同位素标记法的优点是操作简单、对鱼体无害、适合长周期研究，但是成本高、检测复杂，适合小规模使用^[15]。总体来说，稳定同位素技术为增殖放流提供了一种强有力的工具，助力资源的可持续管理，为水产养殖和资源保护提供长期的基础数据。

2.4 生物调控

复合的生态养殖模式是一种可持续发展模式，将不同营养层次的生物组合在一个系统中，实现营养物质的循环利用和生态平衡。例如可以通过探究在生态系统中鲢（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙摄食浮游生物的比例，以便设计放养鱼类比例。这种养殖方式既可以提高经济效益，还能促进养殖可持续发展。还可以利用稳定同位素的示踪能力，来分析他们对不同来源自然食物的摄食能力，更准确地制作饵料组成方案。Xu等^[16]运用稳定同位素评价了多营养级综合养殖模式中栉孔扇贝（Chlamys farreri）与海带（Saccharina japonica）的营养关系，发现栉孔扇贝组织中有14%～43%的碳源贡献来自于海带。因此实际操作中适当加入海带的养殖对栉孔扇贝的养殖有着重要影响。一个沿岸多营养级综合养殖池塘使用稳定同位素和脂肪酸进行分析，研究证明浮游植物与大型藻类争夺营养物质，由于大型藻类在池塘中自然生长，不被鱼类食用，因此池塘中应该引入食用大型藻类的物种（如海胆、鲍鱼），以提高浮游植物生物量并提高牡蛎生长速度^[17]。食物网使用稳定同位素分析法对水生动物生长过程中的食性转变，捕食者与被捕食者间的动态关系等方面进行长期监测，探究生物种群间相互作用及整个生态系统的能量流动，这对于优化养殖系统设计和管理、维护生态系统的健康和稳定具有至关重要的意义^[18]。

2.5 水产品溯源

采用绿色环保和可持续养殖方法的水产品在市场上更受欢迎，并且具有较高的经济价值。然而，消费者仅凭外观很难辨别那些虚假伪劣产品。这些假冒产品严重侵犯了消费者的权益，稳定同位素技术作为追踪产品来源的有效手段之一，如图2所示，近年来被广泛应用于此项研究中^[5]。一般可以分为产地溯源（混淆地域）和生产方式（混淆野生与有机养殖）鉴别两种应用^[19]。通过分析不同地区同一元素的稳定同位素比例，可以实现对产品产地的追溯。例如马冬红等^[20]研究发现，不同地理来源的罗非鱼的δ2H具有显著差异；Carrera等^[21]研究发现，6个地区的鳕鱼样品δ¹³C和δ¹⁵N的组成具有显著差异。稳定同位素信息记录了水产品的生长条件和饮食模式等多种信息，可以作为追踪鱼类来源的可靠工具^[22]。但是，仅仅依靠稳定同位素技术分析野生与有机养殖水产品的来源存在一定的挑战^[19]，因此需借助脂肪酸分析、氨基酸分析等手段共同探究^[5]。同时对于特定的鉴别，需要借助一些统计学方法如多元统计分析、主成分分析等建立定量的生产方式预测模型。例如有研究通过测定阳澄湖中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）与“沐浴蟹”的δ¹³C、δ¹⁵N、δ¹⁸O等值，借助单因素方差分析等方法对同位素指纹图谱进行了分析，成功鉴定出两种蟹^[23]；Bell等^[24]测定了不同养殖方式下鲈鱼（Dicentrarchus labrax）的δ¹³C、δ¹⁸O值、甘油δ¹⁵N和脂肪酸δ¹³C等，得出的数据结果与主成分分析结合起来可以有效用于区分野生和养殖鲈鱼。使用多种技术与统计分析结合的方法使物种识别越来越精确，产地溯源准确性越来越高^[19]。

3 稳定同位素技术应用要点

当稳定同位素样品采集、处理等过程中存在不确定性时，会影响同位素结果的营养关系判断^[25]。因此规范稳定同位素生态学研究方法至关重要（图3）。使用前，必须对所有样品采集、处理工具进行酸洗或高温预烧^[26]。样品组织的选择是进行稳定同位素分析的第一步。生物的不同组织代谢活性不同，肌肉与体内组织器官相比，脂质和无机碳酸盐含量较少，可以提供生物的长期摄食信息，其他组织如肝脏和血浆代谢速率快，可以提供生物短期摄食信息^[27]。因此在实际操作中，通常选用周转速度较慢的白肌组织来代表长期的稳定同位素信号^[28]。小个体鱼类通常取整条鱼，去除内脏作为同位素分析对象。对于采集过程中易受到碳酸盐影响的有机样品（有机碎屑、沉积物有机物、水生植物等）进行酸化处理^[25]。在进行样品同位素分析前，需先对样品进行脂质提取^[25]。样品通常采用60 ℃烘箱24～48 h烘干至恒重，或者进行冷冻干燥^[29]。

4 结语

同位素在养殖环境中的应用还处于初步阶段。在今后的发展中，首先应该完善稳定同位素模型，探索稳定同位素技术与其他技术的结合应用，提供更全面的生态信息以提升溯源效果和市场监管能力；其次是扩大稳定同位素技术在水产养殖环境监测和评估中的应用，研究者可以提出更具针对性的管理策略，以促进养殖技术的创新和养殖模式的可持续发展。随着科学技术的不断进步和研究的深入，稳定同位素技术将在水产养殖环境监测、资源管理和产品溯源等方面发挥越来越重要的作用，未来的研究应关注多学科的交叉合作，推动水产养殖的绿色发展，不断完善水产品产地溯源体系，更好地保护消费者权益和市场秩序，为水产养殖业的绿色发展和食品安全做出更大的贡献。

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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）