穩定同位素技術在水產養殖中的應用

摘 要：綜述了穩定同位素技術在水產養殖領域的應用，探討了其在營養需求、養殖環境監測、水產品溯源等方面的重要性。同時還強調了樣品預處理的重要性，并提出了未來研究方向，包括建立和完善同位素分析模型，結合多種技術及分析方法擴大其在水產養殖中的應用。

關鍵詞：穩定同位素；水產養殖；溯源；樣品預處理

中圖分類號：S9"""" 文獻標志碼：A

文章編號：1004-6755（2025）02-0037-05

水產養殖過程中經常會遇到諸多環境和管理上的挑戰，包括養殖效率低下、環境污染以及產品質量等問題。穩定同位素技術的應用為水產養殖提供了新的視角和方法：通過分析生物體內的碳、氮、氫、氧等穩定同位素比率，研究者能夠追溯營養物質的來源，評估不同養殖策略的效率，監測養殖活動對環境的影響，以及提高水產品的質量和安全性。

1 穩定同位素技術

穩定同位素是指無放射性的原子核內質子數相同而中子數不同的原子，生態系統研究中最常用的同位素為¹³C、¹⁵N、2H、¹⁸O、³⁴S等。在研究中常用穩定同位素比值“δ”表示同位素富集程度^[1]，公式如下：

δ=RsampleRstandard-1×1 000‰

式中，Rsample是測定樣品中重同位素和輕同位素的比值；Rstandard是標準物質中重同位素和輕同位素的比值。生物的新陳代謝會導致同位素分餾，造成不同生物間同位素組成差異。生物的生理活動例如呼吸、排泄等，會造成食物中的重同位素在捕食者體內富集^[2]，而排出輕同位素。學者通常使用穩定同位素的不同富集程度來追溯消費者的食物來源、檢查營養相互作用、闡明食物網能量流動途徑^[3]，碳、氮穩定同位素隨營養級的變化通常分別為0.4‰和3.4‰^[4]，其中使用δ¹³C確定消費者的食物來源，使用δ¹⁵N確定營養級位置；δ2H、δ¹⁸O、δ³⁴S同位素主要用來反映生物養殖環境特點、追溯生物地理來源等。

2 在水產養殖中的應用

為了深入了解穩定同位素技術當前的應用趨勢，對中國知網上的文獻數據進行了相關關鍵字“穩定同位素技術”的篩選分析，使用VOSviewer 1.6.17軟件構建可視化結果，如圖1所示，結果表明，穩定同位素技術在水產養殖方面的研究主要集中在生物間營養關系、產品質量安全、產地溯源等方面，為水產養殖和資源保護提供了基礎數據和技術手段，在很大程度上促進水產養殖高質量發展。目前在水產養殖領域研究主要以δ¹³C、δ¹⁵N同位素為主，δ2H、δ¹⁸O、δ³⁴S等同位素為輔^[5]。

2.1 飼料效率和營養需求

飼料效率與營養需求是水產養殖中的重要研究領域，它們直接影響養殖成本和養殖動物的健康生長。魚類攝食組成受多方面因素影響，不同的食物對生物的生長貢獻率有著不同的作用，在水生動物的發育過程中，它們的飲食習慣經常會發生變化，特別是在幼體時期，其攝食行為更加多樣化。通過使用穩定同位素測量同化作用，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，對飼料的轉化效率及其食物來源做出較準確的分析，制定合理的飼料配置方案。例如李學梅等^[6]使用碳氮穩定同位素分析了不同餌料加施肥的組合中，施肥+1/2投飼方案對鳙（Aristichthys nobilis）的攝食貢獻最大，說明在減少投飼量的同時培育天然餌料可以有效提高飼料貢獻率，正確地使用餌料投入對生物的生長有著極為重要的影響。同時，從養殖成本角度看，通過降低成本來尋找餌料可替代品，也是穩定同位素分析方法的重要應用意義。例如有研究證明了在水產養殖飼料中使用成本更低的家禽副產品粉來替代魚粉的可行性^[7]；金波昌等^[8]比較了養殖過程中刺參（Apostichopus japonicus）對海泥和黃泥的營養吸收情況，發現兩者并無顯著性差異，表明了海泥代替黃泥的可操作性。

2.2 養殖環境測定

由于穩定同位素方法具有準確、穩定的結果，因此常常被用于周圍環境污染程度等研究^[9]。在水產養殖環境中，有機物質在沉積物中的來源主要由殘餌、死亡生物和魚類排泄物等組成。通過測定生物體內與周圍環境物質同位素含量，可探究其生長與周圍環境之間相互的影響，并且還可以應用于沉積物中有機污染物的溯源。例如，通過分析沉積物和水體中的有機污染物的同位素特征，可以確定污染物的來源。還有研究利用δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S穩定同位素方法發現，在鮭魚養殖區域的多毛綱的蠕蟲（Ophryotrocha cyclops）可能攝食懸浮物質和絮狀細菌，從而對養殖環境生態系統進行一定修復^[10]。Paula等^[11]通過穩定同位素法發現在養殖系統里添加甘蔗渣為碳源，可以增加海參（Holothuria scabra）對養殖廢棄物的吸收，顯著改善海參生長。同時，氫氧穩定同位素是水循環研究的良好示蹤劑，為評估水體的來源、蒸發率和水循環情況提供基礎^[12]。例如結合氫氧穩定同位素和水化等指標，揭示了地表水和地下水之間的相互轉化關系^[13]。綜上所述，穩定同位素技術對評估養殖活動對環境的影響和制定管理策略具有重要意義。

2.3 增殖放流評估

增殖放流對生態系統生物多樣性保護具有重要意義。使用同位素標記技術可以區分放流個體與自然種群，通過追蹤放流生物的生長和存活情況，了解它們在自然環境中的遷移和分布模式，評估放流效果，對研究魚類洄游路徑、資源分布與棲息環境關系及資源評估和管理策略具有重要意義。有研究對耳石δ¹³C值進行了測定分析，結果表明能夠區分幼體牙鲆（Paralichthys olivaceus）中的自然種群與人工放流種群^[14]。而且，還可以通過分析放流生物的同位素組成，了解它們在自然生態系統中的位置和營養狀態，探究放流生物與自然種群的相互作用。同位素標記法的優點是操作簡單、對魚體無害、適合長周期研究，但是成本高、檢測復雜，適合小規模使用^[15]。總體來說，穩定同位素技術為增殖放流提供了一種強有力的工具，助力資源的可持續管理，為水產養殖和資源保護提供長期的基礎數據。

2.4 生物調控

復合的生態養殖模式是一種可持續發展模式，將不同營養層次的生物組合在一個系統中，實現營養物質的循環利用和生態平衡。例如可以通過探究在生態系統中鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙攝食浮游生物的比例，以便設計放養魚類比例。這種養殖方式既可以提高經濟效益，還能促進養殖可持續發展。還可以利用穩定同位素的示蹤能力，來分析他們對不同來源自然食物的攝食能力，更準確地制作餌料組成方案。Xu等^[16]運用穩定同位素評價了多營養級綜合養殖模式中櫛孔扇貝（Chlamys farreri）與海帶（Saccharina japonica）的營養關系，發現櫛孔扇貝組織中有14%～43%的碳源貢獻來自于海帶。因此實際操作中適當加入海帶的養殖對櫛孔扇貝的養殖有著重要影響。一個沿岸多營養級綜合養殖池塘使用穩定同位素和脂肪酸進行分析，研究證明浮游植物與大型藻類爭奪營養物質，由于大型藻類在池塘中自然生長，不被魚類食用，因此池塘中應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速度^[17]。食物網使用穩定同位素分析法對水生動物生長過程中的食性轉變，捕食者與被捕食者間的動態關系等方面進行長期監測，探究生物種群間相互作用及整個生態系統的能量流動，這對于優化養殖系統設計和管理、維護生態系統的健康和穩定具有至關重要的意義^[18]。

2.5 水產品溯源

采用綠色環保和可持續養殖方法的水產品在市場上更受歡迎，并且具有較高的經濟價值。然而，消費者僅憑外觀很難辨別那些虛假偽劣產品。這些假冒產品嚴重侵犯了消費者的權益，穩定同位素技術作為追蹤產品來源的有效手段之一，如圖2所示，近年來被廣泛應用于此項研究中^[5]。一般可以分為產地溯源（混淆地域）和生產方式（混淆野生與有機養殖）鑒別兩種應用^[19]。通過分析不同地區同一元素的穩定同位素比例，可以實現對產品產地的追溯。例如馬冬紅等^[20]研究發現，不同地理來源的羅非魚的δ2H具有顯著差異；Carrera等^[21]研究發現，6個地區的鱈魚樣品δ¹³C和δ¹⁵N的組成具有顯著差異。穩定同位素信息記錄了水產品的生長條件和飲食模式等多種信息，可以作為追蹤魚類來源的可靠工具^[22]。但是，僅僅依靠穩定同位素技術分析野生與有機養殖水產品的來源存在一定的挑戰^[19]，因此需借助脂肪酸分析、氨基酸分析等手段共同探究^[5]。同時對于特定的鑒別，需要借助一些統計學方法如多元統計分析、主成分分析等建立定量的生產方式預測模型。例如有研究通過測定陽澄湖中華絨螯蟹（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同位素指紋圖譜進行了分析，成功鑒定出兩種蟹^[23]；Bell等^[24]測定了不同養殖方式下鱸魚（Dicentrarchus labrax）的δ¹³C、δ¹⁸O值、甘油δ¹⁵N和脂肪酸δ¹³C等，得出的數據結果與主成分分析結合起來可以有效用于區分野生和養殖鱸魚。使用多種技術與統計分析結合的方法使物種識別越來越精確，產地溯源準確性越來越高^[19]。

3 穩定同位素技術應用要點

當穩定同位素樣品采集、處理等過程中存在不確定性時，會影響同位素結果的營養關系判斷^[25]。因此規范穩定同位素生態學研究方法至關重要（圖3）。使用前，必須對所有樣品采集、處理工具進行酸洗或高溫預燒^[26]。樣品組織的選擇是進行穩定同位素分析的第一步。生物的不同組織代謝活性不同，肌肉與體內組織器官相比，脂質和無機碳酸鹽含量較少，可以提供生物的長期攝食信息，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]。因此在實際操作中，通常選用周轉速度較慢的白肌組織來代表長期的穩定同位素信號^[28]。小個體魚類通常取整條魚，去除內臟作為同位素分析對象。對于采集過程中易受到碳酸鹽影響的有機樣品（有機碎屑、沉積物有機物、水生植物等）進行酸化處理^[25]。在進行樣品同位素分析前，需先對樣品進行脂質提取^[25]。樣品通常采用60 ℃烘箱24～48 h烘干至恒重，或者進行冷凍干燥^[29]。

4 結語

同位素在養殖環境中的應用還處于初步階段。在今后的發展中，首先應該完善穩定同位素模型，探索穩定同位素技術與其他技術的結合應用，提供更全面的生態信息以提升溯源效果和市場監管能力；其次是擴大穩定同位素技術在水產養殖環境監測和評估中的應用，研究者可以提出更具針對性的管理策略，以促進養殖技術的創新和養殖模式的可持續發展。隨著科學技術的不斷進步和研究的深入，穩定同位素技術將在水產養殖環境監測、資源管理和產品溯源等方面發揮越來越重要的作用，未來的研究應關注多學科的交叉合作，推動水產養殖的綠色發展，不斷完善水產品產地溯源體系，更好地保護消費者權益和市場秩序，為水產養殖業的綠色發展和食品安全做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]

PETERSON B J，FRY B.Stable isotopes in ecosystem studies[J].Annual Review of Ecology amp; Systematics，1987，18（1）：293-320.

[2] 李昌，張新，楊蓉，等.基于碳、氮穩定同位素技術分析密云水庫魚類群落營養結構[J].應用與環境生物學報，2023，29（5）：1194-1202.

[3] 李云凱，張瑞，張碩，等.基于碳氮同位素技術研究重金屬在春季江蘇近海食物網中的累積[J].應用生態學報，2019，30（7）：2415-2425.

[4] POST D M.Using stable isotopes to estimate trophic position： models， methods， and assumptions[J].Ecology，2002，83（3）：703-718.

[5] 鄭丹，夏珍珍，彭西甜，等.穩定同位素技術在水產品養殖方式鑒別中的研究與應用[J].淡水漁業，2022，52（3）：28-37.

[6] 李學梅，朱永久，王旭歌，等.穩定同位素技術分析不同養殖方式下鳙餌料的貢獻率[J].中國水產科學，2017，24（2）：278-283.

[7] DANIEL B，HERZKA S Z，TERESA V M，et al.Protein retention assessment of four levels of poultry by-product substitution of fishmeal in rainbow trout （Oncorhynchus mykiss） diets using stable isotopes of nitrogen （δ¹⁵N） as natural tracers[J].Plos One，2014，9（9）：e107523.

[8] 金波昌，董雙林，林光輝.黃泥混合海藻粉投喂刺參的穩定碳同位素研究[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2013，43（7）：17-22.

[9] 白志鵬，張利文，朱坦，等.穩定同位素在環境科學研究中的應用進展[J].同位素，2007（1）：57-64.

[10] SALVO F，HAMOUTENE D，DUFOUR S C.Trophic analyses of opportunistic polychaetes （Ophryotrocha cyclops） at salmonid aquaculture sites[J].Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom，2015，95（4）：713-722.

[11] PAULA S，BRENDAN E，ANDREAS K，et al.Carbon supplementation promotes assimilation of aquaculture waste by the sea cucumber Holothuria scabra： Evidence from stable isotope analysis[J].Aquaculture，2022，547：737295.

[12] 劉聞明，李征.基于氫氧穩定同位素的地下水循環研究進展[J].黑龍江環境通報，2024，37（1）：13-15.

[13] 宋獻方，劉相超，夏軍，等.基于環境同位素技術的懷沙河流域地表水和地下水轉化關系研究[J].中國科學（D輯：地球科學），2007（1）：102-110.

[14] 王青林，于姍姍，靳曉敏，等.基于穩定同位素技術的增殖放流牙鲆群體鑒別[J].應用生態學報，2022，33（1）：261-267.

[15] 田敏，楊劍虹，范姝云，等.標志放流技術在漁業資源增殖中的應用[J].云南農業，2022（11）：60-62.

[16] XU Q，GAO F，YANG H.Importance of kelp-derived organic carbon to the scallop Chlamys farreri in an integrated multi-trophic aquaculture system[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2016，34（2）：322-329.

[17] NAHON S，DE B G V，QUENTAL-FEREIRA H，et al.Food web in Mediterranean coastal integrated multi-trophic aquaculture ponds： Learnings from fatty acids and stable isotope tracers[J].Aquaculture，2023，567，739292.

[18] 田金龍，李俊偉，董宏標，等.穩定同位素技術在水生動物食性研究的應用[J].水產學雜志，2023，36（5）：131-137.

[19] 唐華麗，高濤，王兆丹，等.穩定同位素比率質譜法在水產品溯源中的研究進展[J].食品與發酵工業，2020，46（10）：296-302.

[20] 馬冬紅，王錫昌，劉利平，等.穩定氫同位素在出口羅非魚產地溯源中的應用[J].食品與機械，2012，28（1）：5-7，25.

[21] CARRERA M，GALLARDO J M.Determination of the geographical origin of all commercial hake species by stable isotope ratio （SIR） analysis[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2017，65（5）：1070-1077．

[22] KIM H，KUMAR K S，SHIN K H.Applicability of stable C and N isotope analysis in inferring the geographical origin and authentication of commercial fish （Mackerel， Yellow Croaker and Pollock） [J].Food Chemistry，2015，172（apr.1）：523-527.

[23] XUE J，JIANG T，CHEN X，et al.Stable isotopic fingerprints of genuine and \"bathing\" cultured Chinese mitten crabs （Eriocheir sinensis） in Yangcheng Lake， China[J].Microchemical Journal，2024，199：110045.

[24] BELL J G，PRESTON T，HENDERSON R J，et al.Discrimination of wild and cultured European sea bass （Dicentrarchus labrax） using chemical and isotopic analyses[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2007，55（15）：5934-5941.

[25] 徐軍，王玉玉，王康，等.水域生態學中生物穩定同位素樣品采集、處理與保存[J].水生生物學報，2020，44（5）：989-997.

[26] LORRAIN A，SAVOYE N，CHAUVAUD L，et al.Decarbonation and preservation method for the analysis of organic C and N contents and stable isotope ratios of low-carbonated suspended particulate material[J].Analytica Chimica Acta，2003，491（2）：125-133.

[27] CHURCH M R，EBERSOLE J L，RENSMEYER K M，et al.Mucus： a new tissue fraction for rapid determination of fish diet switching using stable isotope analysis[J].Canadian Journal of Fisheries amp; Aquatic Sciences，2009，66（1）：1-5.

[28] VANDER ZANDEN M J，CLAYTON M K，MOODY E K，et al.Stable isotope turnover and half-life in animal tissues： A literature synthesis[J].PLoS One，2015，10（1）： e0116182.

[29] HAMILTON S K，LEWIS JR W M.Stable carbon and nitrogen isotopes in algae and detritus from the Orinoco River floodplain， Venezuela[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1992，56（12）： 4237-4246.

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）