莖柔魚眼睛晶體微量元素地理差異及其與水溫關(guān)系

許巍，劉必林,2,3,4*，陳新軍,2,3,4，陳勇,5，操亮亮，桓夢瑤

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，上海 201306)

1 引言

莖柔魚（Dosidicus gigas）是廣泛洄游的大洋性淺海種，主要分布于東太平洋30°N～40°S的海域，近年來，其分布區(qū)域逐步向兩極擴(kuò)散，最北可達(dá)到阿拉斯加60°N，最南可達(dá)到智利南部50°S[1]。莖柔魚資源豐富，其豐度與補(bǔ)充量和環(huán)境息息相關(guān)[2–4]，在秘魯已形成了重要的近岸手工性漁業(yè)和公海工業(yè)性漁業(yè)[5?6]。20世紀(jì)90年代初，日本和韓國開始對秘魯海域的莖柔魚進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)性捕撈[7]。2001年我國漁船在秘魯公海開始捕撈[7]，目前已開發(fā)厄瓜多爾、秘魯和智利公海3大漁場，近年來最高年產(chǎn)量超過30萬t。

魚類眼睛晶體的生長是上皮細(xì)胞由“前極”開始不斷纖維化并延長至“后極”以及一層層累積的過程[8]。由于僅上皮細(xì)胞層和新形成的纖維層存在蛋白質(zhì)合成的細(xì)胞器以及其他代謝和分解過程[9]，眼睛晶體內(nèi)部成熟纖維細(xì)胞層的蛋白質(zhì)代謝不活躍，其中的微量元素一旦沉積將不會被替換，因此可反映魚類所對應(yīng)成長階段的生活史信息[10?11]。

目前，耳石[12?15]、內(nèi)殼[16?17]、角質(zhì)顎[18?19]等硬組織中的微量元素已被廣泛用于頭足類種群結(jié)構(gòu)[16,20]、棲息環(huán)境[21]和遷徙路線[22]等方面的研究。有研究報道[10,23–25]稱，由于魚類眼睛晶體記錄了其整個生命周期內(nèi)的生活史信息，因此可視為判定魚類種群的硬組織材料的有力補(bǔ)充。然而，截至目前關(guān)于頭足類眼睛晶體微量元素的報道見到的僅有1篇[26]。本研究采用LA-ICPMS測定厄瓜多爾、秘魯和智利公海莖柔魚眼睛晶體外緣的微量元素，比較微量元素地理區(qū)域間差異，分析微量元素濃度與莖柔魚棲息水溫的關(guān)系。

2 材料與方法

2.1 樣本采集和處理

本文從2015年和2017我國魷釣生產(chǎn)船在東南太平洋公海（圖1）生產(chǎn)時捕撈的漁獲物中隨機(jī)選取28尾莖柔魚作為實(shí)驗(yàn)樣本，其中厄瓜多爾公海10尾（3°21′～8°26′S，84°07′～91°52′W，胴長范圍為 210～357 mm，體質(zhì)量為 264～1 295 g），秘魯公海 13 尾（9°16′～15°22′S，79°45'～85°03'W，胴長范圍為 226～352 mm，體質(zhì)量為280～1 301 g），智利公海5 尾（37°06′～40°00′S，79°00'～83°00'W，胴長范圍為 301～470 mm，體質(zhì)量為 538～3 012 g）（表 1）。所有樣品在船上冷凍保存，在實(shí)驗(yàn)室解凍后進(jìn)行生物學(xué)測定、性別鑒定和性成熟劃分。測定胴長精確至1 mm，體質(zhì)量精確至1 g。用手術(shù)刀將眼睛角膜切口，用鑷子取出眼睛晶體，然后用去離子水沖洗、去污之后置于75%乙醇中保存。

表1 厄瓜多爾、秘魯和智利公海莖柔魚樣本信息Table 1 Sampling information of Dosidicus gigas in the high seas of Ecuador,Peru and Chile

2.2 眼睛晶體的處理

取出保存于75%酒精中的眼睛晶體，用游標(biāo)卡尺測定晶體最大直徑，精確至0.01 mm。由于眼睛晶體是由前后兩個部分組成（圖2），取出后將兩者分離，保存體積較大的后半部分(圖3a)，使其平放于塑料模具中（圖3b），倒入配置好的冷埋樹脂溶液進(jìn)行包埋（圖3c），在常溫避光處放置待其硬化；將硬化后的樹脂塊用強(qiáng)力熱熔膠黏于載玻片上，先將底部磨平（圖3d），然后倒轉(zhuǎn)180°研磨另一面（圖3e），研磨時先后以120目、600目、1 200目、2 500目水磨砂紙研磨成厚度約為0.5 mm的薄片，然后再用0.05 μm氧化鋁劑對薄片進(jìn)行拋光（圖3f）。

圖2 莖柔魚眼睛晶體示意圖Fig.2 Diagram of eye lens of Dosidicus gigas

圖3 眼睛晶體切片制作流程Fig.3 Flow charts of eye lens preparation

2.3 晶體微量元素的測定

為減少污染物對元素測試帶來的干擾，研磨后的晶體切片在電阻率大于18 Ω的去離子水中清洗5 min后在Class-100層流柱中晾干。在晶體的外緣選取1 個取樣點(diǎn)（圖 4）。

圖4 莖柔魚眼睛晶體外緣取樣點(diǎn)Fig.4 Spot in peripheral part of eye lens formed at newly ontogenetic phase of Dosidicus gigas

晶體微量元素濃度在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司利用LA-ICPMS完成。詳細(xì)的儀器參數(shù)和分析流程見文獻(xiàn)[27]。GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102 ArF 193 nm 準(zhǔn) 分子激 光器和 Micro-Las光學(xué)系統(tǒng)組成，ICPMS 型號為 Agilent 7700 e。激光剝蝕過程中采用氦氣（流速：0.7 L/min）作載氣，氬氣（流速：0.8 L/min）為補(bǔ)償氣以調(diào)節(jié)靈敏度，二者在進(jìn)入ICPMS之前通過一個T型接頭混合，激光剝蝕系統(tǒng)配置有信號平滑裝置。本次分析的激光束斑直徑和頻率分別為44 μm和5 Hz。微量元素濃度處理中采用玻璃標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BHVO-2G、BCR-2G、BIR-1G和SRM610進(jìn)行多外標(biāo)無內(nèi)標(biāo)校正。每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括20～30 s的空白信號和50 s的樣品信號。對分析數(shù)據(jù)的離線處理（包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正以及元素濃度計算）采用軟件ICPMSDataCal完成。

2.4 水溫數(shù)據(jù)的獲取

在http://iridl.ldeo.columbia.edu下載各采樣站點(diǎn)1 周前海表面溫度（Sea Surface Temperature,SST）均值數(shù)據(jù)，空間分辨率為 0.1°×0.1°。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用ANOVA分析各元素海區(qū)間的差異，利用線性回歸方程擬合各元素與SST關(guān)系。

3 結(jié)果

3.1 微量元素濃度

莖柔魚眼睛晶體全元素測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在儀器有效檢測范圍內(nèi)的元素有 Na23、Mg25、Al27、Si29、P31、K39、Ca43、Mn55、Fe57、Ni60、Cu63、Zn66、Sr88、Ba137和Pb共15種，其中P31濃度最高，之后從高到低依 次 為 Al27、Ca43、Si29、Na23、K39、Mg25、Zn66、Cu63、Fe57、Mn55、Ni60、Sr88、Ba137和 Pb（表 2）。按海區(qū)分析顯示（表2），厄瓜多爾公海P31濃度最高，之后依次為Al27、Ca43、Si29、Na23、K39、Mg25、Cu63、Zn66、Fe57、Ni60、Mn55、Sr88、Ba137和 Pb；秘魯公海 P31濃度最高，之后由高到低依次為 Al27、Ca43、Si29、Na23、K39、Mg25、Zn66、Fe57、Cu63、Mn55、Sr88、Ni60、Pb 和 Ba137；智利公海 P31濃度最高，之后由高到低依次為 Ca43、Al27、Na23、Si29、K39、Mg25、Zn66、Fe57、Cu63、Mn55、Ni60、Sr88、Ba137和Pb。

3.2 微量元素地理區(qū)域間差異

厄瓜多爾、智利和秘魯公海莖柔魚眼睛晶體濃度前 5 的微量元素均為 P31、Al27、Ca43、Si29、Na23，其中P31在3海區(qū)中濃度均為最高，其余4種元素在3海區(qū)中的濃度高低排序有所不同。ANOVA分析顯示，Mg25、Ni60、Cu63、Sr88和 Ba137等元素在 3 海區(qū)之間存在顯著差異（p<0.05，表3），然而在這些顯著差異的元素中至少在某兩個海區(qū)之間無差異（p>0.05，表2）；Na23、Al27、Si29、P31、Ca43、Mn55、Zn66和 Pb 等元素在兩兩海區(qū)之間均不存在顯著差異（p>0.05，表3）。

表2 厄瓜多爾、秘魯和智利公海莖柔魚眼睛晶體外緣微量元素濃度Table 2 Concentration of trace elements in peripheral eye lenses of Dosidicus gigas in the high seas of Ecuador,Peru and Chile

表3 厄瓜多爾、秘魯和智利公海莖柔魚眼睛晶外緣微量元素方差分析結(jié)果Table 3 ANOVA results of trace elements in peripheral eye lenses of Dosidicus gigas in the high seas of Ecuador,Peru and Chile

3.3 微量元素濃度與溫度的關(guān)系

線性回歸擬合分析顯示，Sr88、Ba137、Fe57和 Ni60濃度與SST呈顯著的線性遞減關(guān)系（p<0.05），除此之外，其他元素與SST均無顯著的線性關(guān)系（圖5），其關(guān)系式分別如下：

圖5 Sr88、Ba137、Fe57 和 Ni60 濃度與海表面溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系Fig.5 The negative relationships between SST with concentration of Sr88、Ba137、Fe57 and Ni60

Sr88=?22.242 SST+570.87 (R2=0.234 9,p=0.009)，

Ba137=?29.787 SST+658.92 (R2=0.312 5,p=0.002)，

Fe57=?205.49 SST+5 181.8 (R2=0.190 3,p=0.020 3)，

Ni60=?68.867 SST+1 608.7 (R2=0.271 5,p=0.004 5).

4 討論

4.1 微量元素與環(huán)境的關(guān)系

海洋生物硬組織微量元素的沉積是個復(fù)雜的過程，它受海水物理、化學(xué)特性，生物體年齡、生長、生理、代謝以及遺傳等因素影響[28]。近年來，有關(guān)頭足類耳石微量元素的報道比較多，研究認(rèn)為，耳石微量元素的富集與頭足類生活的水環(huán)境特性，如溫度、鹽度和食物等有關(guān)[13,29]。本研究發(fā)現(xiàn)，莖柔魚眼睛晶體外緣（捕撈死亡時）部分微量元素存在顯著的地理區(qū)域差異，類似的研究在莖柔魚[6]、藍(lán)旗金槍魚Thunnus orientalis[30]、巴塔哥尼亞犬牙魚Dissostichus eleginoides[31]和太平洋鯡Clupea pallasii[32]的耳石中也有報道。因此，眼睛晶體中微量元素的變化可以用來指示海洋生物生活水域的物理、化學(xué)特性。

海洋生物硬組織中的微量元素被廣泛用于重建其生活水溫。Swart等[33]報道，環(huán)圓菊珊瑚Montastraea annularis骨格中的Sr/Ca與SST關(guān)系顯著。Zacherl[34]研究發(fā)現(xiàn)，克萊特峨螺Kelletia Kelletii耳石中Sr和Ba與生活水溫呈反比關(guān)系。Campana[35]認(rèn)為，魚類耳石的微量元素可用來重建其棲息水溫。過去有相關(guān)研究是根據(jù)耳石中的微量元素濃度，重建了一些頭足類的棲息水溫[13,14,36–38]。本研究對莖柔魚眼睛晶體外緣的微量元素與捕撈地點(diǎn)的SST進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，Sr88、Ba137、Fe57和 Ni60濃度與SST呈顯著的線性遞減關(guān)系（p<0.05），這為通過眼睛晶體的微量元素推測莖柔魚的棲息水溫提供了基礎(chǔ)。

4.2 Sr、Ba 與棲息水溫的關(guān)系

Sr元素被認(rèn)為是頭足類棲息水溫重建的重要元素之一。Ikeda等[13,36]研究發(fā)現(xiàn)，太平洋褶柔魚Todarodes pacificus和水蛸Octopus dofleini耳石微量元素與棲息水溫呈明顯的負(fù)相關(guān)。Arkhipkin等[14]認(rèn)為，巴塔哥尼亞槍烏賊 Doryteuthis gahi 耳石中的微量元素與歷史綜合水溫呈反比例關(guān)系。日本海域長槍烏賊Loligo bleekeri耳石Sr/Ca明顯高于安達(dá)曼海和泰國灣的熱帶槍烏賊[38]。本研究中，水溫偏高的厄瓜多爾海域莖柔魚眼睛晶體Sr濃度明顯低于水溫偏低的秘魯和智利海域（表2），且線性回歸顯示，Sr88濃度與SST呈明顯的負(fù)相關(guān)（圖5，p<0.05），同樣的結(jié)果在莖柔魚的耳石中也有報道[6]。然而也有報道[39]稱，盡管厄爾尼諾年份水溫比正常年份高2.5℃，但是莖柔魚耳石中的微量元素卻沒有明顯差異。

本研究發(fā)現(xiàn)，莖柔魚眼睛晶體中Ba137濃度與SST呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這在莖柔魚[12]、巴塔哥尼亞槍烏賊[14]和黵烏賊Gonatus fabricii[37]的耳石也有報道。過去的研究認(rèn)為，Ba137濃度不僅與水溫呈負(fù)相關(guān)[40–41]，而且可反映水體中營養(yǎng)鹽的分布，即Ba濃度隨著水深的增加而增大[42]。因此，Ba被看作是上升流以及頭足類垂直移動的指示元素[14]。Arkhipkin等[14]認(rèn)為，福克蘭群島大陸架水域巴塔哥尼亞槍烏賊耳石中Ba137濃度高與該海域強(qiáng)烈的上升流有關(guān)。然而，Liu等[6]在莖柔魚耳石中卻沒有發(fā)現(xiàn)與此相匹配的Ba137地理區(qū)域間變化，這是因?yàn)樵撗芯坎捎玫氖嵌w微量元素，它是莖柔魚整個生命周期內(nèi)獲取的Ba137濃度的均值。本研究眼睛晶體外緣的微量元素代表其捕撈時的所經(jīng)歷的環(huán)境信息，Ba137濃度能夠反映其捕撈地點(diǎn)的環(huán)境信息。因此，水溫偏低、上升流發(fā)達(dá)的智利海域，莖柔魚眼睛晶體的Ba137濃度比厄瓜多爾和秘魯公海明顯偏高。研究還發(fā)現(xiàn)，莖柔魚眼睛晶體Fe57和Ni60濃度與SST呈明顯的線性負(fù)相關(guān)，這與在莖柔魚耳石中的研究結(jié)果一致[6]。

除此之外，其他元素濃度與SST無顯著的相關(guān)關(guān)系。綜合分析認(rèn)為，Sr88、Ba137、Fe57和 Ni60均可以看作莖柔魚生活水溫的指示元素，Ba137元素還可以看作莖柔魚生活水深以及上升流的指示元素。眼睛晶體微量元素可用來重建頭足類棲息環(huán)境。