黃海小黃魚不同組織中δ15N的分布特征及其生態(tài)學(xué)意義*

譚魯玉 王玉堃 唐學(xué)璽 戴芳群,3 孫 耀,3① 金顯仕,3

(1. 中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院 青島 266003；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實驗室 青島 266071；3. 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 青島 266071)

穩(wěn)定同位素作為一種天然的示蹤物質(zhì)，在海洋生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用受到愈來愈廣泛的重視。其中，氮穩(wěn)定同位素的比值(δ15N)在相鄰營養(yǎng)級之間具有較高的富集系數(shù)，隨著營養(yǎng)級的增加而逐漸升高，平均為 3.4‰，被用來反映消費者在食物網(wǎng)中的營養(yǎng)級位置(Post, 2002)，再結(jié)合碳穩(wěn)定同位素的比值(δ13C)，已成為研究海洋生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要方法。由于穩(wěn)定同位素技術(shù)檢測精準靈敏，可以解決傳統(tǒng)胃含物分析法費時、費力等諸多問題，被廣泛用于分析魚類等水生生物的食物來源、食物的貢獻比例、營養(yǎng)級的確定、食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及洄游遷移路線等生態(tài)學(xué)問題(李忠義等, 2005)。

近年來，隨著研究的深入、穩(wěn)定同位素技術(shù)日益成熟，對魚類營養(yǎng)級位置的確定不再只局限于肌肉中δ15N值的分析，如王玉玉等(2014)發(fā)現(xiàn)，鳙(Aristichthy nobilis)和鰱(Hypophthalmichthys molitrix)的鱗片與肌肉中 δ15N值有強烈的線性關(guān)系，認為在研究魚類營養(yǎng)位置時，可采用魚鱗作為肌肉的替代組織。相關(guān)研究也表明，不同組織器官中的 δ15N值存在顯著的相關(guān)性(Suzuki et al, 2005; 曾慶飛等, 2012)。因此，魚鱗和耳石等不同組織器官中 δ15N值的探討已成為熱點，尤其是耳石作為一種研究魚類生態(tài)學(xué)問題的材料，已經(jīng)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注，如耳石非細胞性和代謝惰性(Campana et al, 1985)，使沉積在耳石中的生境元素能永久性保存，利用這一特性揭示某一生長階段生境特征，應(yīng)用于魚類混合群體識別、洄游路徑的判斷、深海魚深度的回推以及出生地溯源等(Gao et al, 2010; Thresher et al, 1994; Longmore et al,2011)。因此，希望通過本研究了解不同組織器官間δ15N值的差異，為今后魚類食性分析和營養(yǎng)級確定的材料選取提供借鑒。

小黃魚(Larimichthys polyactis)廣泛分布于中國東海、黃海和渤海以及朝鮮半島西岸海域，含有豐富的蛋白質(zhì)和人體所需的多種營養(yǎng)成分，食用價值高，屬廣食性魚類，其優(yōu)勢餌料類群為甲殼類和魚類，是位于水層底棲營養(yǎng)層次中的關(guān)鍵魚種(黃昊, 2010;單秀娟等, 2011)；由于過度捕撈和環(huán)境惡化等因素的影響，小黃魚產(chǎn)量逐年減少，其群體面臨日益衰退之勢(張國政等, 2010)。因此，本研究應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析 δ15N在小黃魚不同組織器官的分布特征，探討鱗片、背鰭、魚鰓、內(nèi)臟和耳石與肌肉中的δ15N值的相關(guān)性，為今后選用何種組織器官作為研究材料提供建議，也為漁業(yè)資源的合理利用與海洋經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預(yù)處理

小黃魚于2014年10月以拖網(wǎng)方式采自黃海中部海域(33°～34°30′N, 121°30′～124°30′E)。樣品采集后置于-20℃保存、備用。隨機選取20尾小黃魚樣品，對其分別采集了6種不同組織：肌肉、內(nèi)臟、耳石、魚鰓、背鰭和鱗片。小黃魚樣品取適量背部白肌，內(nèi)臟團樣品清除胃含物部分，剪取部分背鰭，蒸餾水洗去附著雜質(zhì)，取出小黃魚矢耳石，去除表面附著組織，置于30%雙氧水中清洗，以去除殘余附著有機組織，蒸餾水沖洗后烘干備用。取小黃魚樣品側(cè)線附近鱗片，蒸餾水浸泡，顯微鏡下以軟刷去除附著黏液后，使用蒸餾水沖洗數(shù)遍。所取材料均置于烘箱 60℃烘干，肌肉、內(nèi)臟、耳石和魚鰓組織于瑪瑙研缽中磨成粉末備用，魚鰭和魚鱗組織用無菌剪刀剪碎至均一接近粉狀備用。

1.2 同位素分析

所有樣品的測定在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境穩(wěn)定同位素實驗室完成。稱取2～4 mg樣品放入錫箔杯中，通過自動進樣器進入元素分析儀(Vario PYRO cube,德國Elementar公司)，通過燃燒與還原轉(zhuǎn)化為純凈的N2氣體，進入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100, 英國Isoprime公司)進行檢測。氮穩(wěn)定同位素組成用國際通用的δ值表示，按以下公式計算：

δ15N(‰) = (δ15N 樣品-δ15N 標準)/δ15N 標準×1000

實驗室采用 IAEA N1(δ15Nair=0.4‰)標定鋼瓶 N2參考氣，用 IAEA N1和USGS43(δ14Nair=8.44‰)對測定結(jié)果進行校正。

1.3 數(shù)據(jù)處理

分別測定小黃魚不同組織器官中的 δ15N值，應(yīng)用SPSS Statistics 21軟件對小黃魚的δ15N值進行單因素方差(One-way ANOVA)分析，LSD多重比較和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小黃魚不同組織器官中δ15N值的分布特征

從表1可以看出，小黃魚體長范圍為66～144 mm，平均值為 106 mm；肌肉中 δ15N 值范圍為 8.73‰～12.36‰，平均值為(10.72±1.02)‰；耳石中δ15N值范圍為5.75‰～9.04‰，平均值為(7.08±0.91)‰；內(nèi)臟中δ15N 值范圍為 8.00‰～11.44‰，平均值為(10.36±1.04)‰；魚鰓中δ15N值范圍為8.33‰～11.78‰，平均值為(10.29±0.98)‰；背鰭中 δ15N 值范圍為 8.65‰～11.98‰，平均值為(10.53±0.95)‰；鱗片中δ15N值范圍為 9.01‰～12.18‰，平均值為(10.59±0.88)‰。從顯著性差異來看，耳石中的 δ15N值極顯著低于其他組織器官(P<0.01)，而其他組織器官間δ15N值不存在顯著差異(P＞0.05)(表 2)。

從圖1可以看出，小黃魚不同個體同一組織器官的δ15N值不同；同一個體不同組織器官的δ15N值也不同。其中，耳石中的 δ15N值顯著低于其他組織器官，其他組織器官中 δ15N值相差較?。磺也煌瑐€體中δ15N值具有一定波動性。

2.2 小黃魚不同組織器官中δ15N值的相關(guān)性

從圖2可以看出，對小黃魚不同組織器官的δ15N值構(gòu)建線性模型。結(jié)果顯示，肌肉中的 δ15N值與其他組織器官中的 δ15N值呈正相關(guān)性。除耳石外，肌肉與其他組織器官的δ15N值均存在顯著的線性關(guān)系，其 R2＞0.741(表 3)。

從表4可以看出，小黃魚耳石中的δ15N值與體長的相關(guān)性不顯著(P＞0.05)，其 Pearson相關(guān)系數(shù)為0.295；肌肉、內(nèi)臟、魚鰓、背鰭和鱗片中的δ15N值與體長存在極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，其 Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.625、0.792、0.677、0.613和0.571。從組織器官來看，耳石和內(nèi)臟中的 δ15N值存在顯著正相關(guān)性(P<0.05)；其他組織器官的δ15N值均存在極顯著正相關(guān)性(P<0.01)。

表1 小黃魚體長和不同組織器官中δ15N的值(n=20)Tab.1 The length and δ15N value of different tissues of L. polyactis (n=20)

表2 小黃魚不同組織器官的δ15N值的差異(n=20)Tab.2 The differences of δ15N value among different tissues of L. polyactis(n=20)

圖1 小黃魚肌肉、鱗片、背鰭、魚鰓、耳石和內(nèi)臟中δ15N的分布Fig.1 The distribution of δ15N value of different tissues of L.polyactis

圖2 小黃魚耳石、內(nèi)臟、魚鰓、背鰭、鱗片與肌肉δ15N線性模型Fig.2 Linear models of δ15N in otolith and muscle, viscera and muscle, gill and muscle, fin and muscle, scale and muscle

表3 小黃魚肌肉中δ15N值與其他組織器官中δ15N的相關(guān)性Tab.3 Correlation of δ15N values between muscle and different tissues of L. polyactis

3 討論

應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)分析黃海小黃魚不同組織器官的 δ15N值。結(jié)果顯示，不同個體同種組織器官的δ15N值不同，同一個體不同組織器官的δ15N值也不同。研究表明，魚體中 δ15N值主要受蛋白質(zhì)的含量和類別影響(Ballantyne et al, 2001)，而不同組織器官的營養(yǎng)成分和結(jié)構(gòu)不同，因此，很大程度上導(dǎo)致δ15N值在不同組織器官間的差異。而針對小黃魚個體的耳石與其他組織器官的 δ15N值存在明顯差異，可能是由于耳石組成成分與其他組織器官不同，耳石主要由碳酸鈣鹽結(jié)晶形成，無機礦物質(zhì)含量占整個耳石的95%以上(Dilly et al, 1976; Radtke et al, 1983)，耳石中有機物含量相對較低，蛋白質(zhì)只占整個耳石的3%(高永華等, 2009)，因此，耳石中的δ15N值顯著低于其他組織結(jié)構(gòu)。本研究中，小黃魚其他組織器官δ15N 值的大小順序為肌肉＞鱗片＞背鰭＞內(nèi)臟＞魚鰓，結(jié)果與Suzuki等(2005)、劉保占(2013)研究結(jié)果相吻合。造成其他組織器官間 δ15N值的差異，可能是由于同一生物的不同組織器官對物質(zhì)的周轉(zhuǎn)率不同，導(dǎo)致同位素在生物體內(nèi)存在一定的分餾現(xiàn)象(Rounick et al, 1986; Post, 1976)。因此，通過對小黃魚不同組織器官 δ15N值的組成和差異的研究，希望為以后更深入研究同屬種魚類不同組織器官的穩(wěn)定同位素值提供借鑒。

表4 小黃魚組織器官δ15N值及體長的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.4 Pearson correlation coefficient of tissues and organs δ15N values of L.polyactis and their body length

從資源保護和生物可持續(xù)利用的因素角度考慮，分析其他組織器官 δ15N值的有效性具有重要意義。相關(guān)研究表明，不同組織器官與肌肉中 δ15N值相關(guān)性較高，北美和歐洲多種淡水魚及海水魚通過簡單回歸模型，已經(jīng)采用其組織器官中的 δ15N值估算肌肉組織穩(wěn)定同位素含量(Kelly et al, 2006; Fincel et al,2012; Blanco et al, 2009; Sinnatamby et al, 2008)。結(jié)合本研究的結(jié)果，小黃魚不同組織器官與肌肉 δ15N值的相關(guān)性較好，可以嘗試耳石、鱗片和魚鰭等組織作為研究材料，其原因是鱗片和魚鰭適合活體采樣，采樣成本低，可操作性強；耳石、鱗片和魚鰭樣品只需常溫保存，而且保存時間長；且魚鱗和耳石性質(zhì)穩(wěn)定，一旦長成，其成分和結(jié)構(gòu)不再變化。因此，使用魚鱗等非致命組織作為穩(wěn)定同位素分析的替代物，不會影響種群數(shù)量，特別適用于瀕危物種，且允許長時間監(jiān)測魚類食性變化和營養(yǎng)級的確定。

本研究中，小黃魚耳石和肌肉間的 δ15N值相關(guān)性較好，耳石中的 δ15N值可以反映魚類食性和營養(yǎng)級位置。Post(2002)研究表明，耳石中的δ15N值在相鄰營養(yǎng)級之間，沿著食物鏈以2.56‰數(shù)級逐級遞增。在生物營養(yǎng)級研究方面，Vandermyde等(2008)比較魚類耳石和肌肉中的δ15N值發(fā)現(xiàn)，耳石中的δ15N值低于肌肉 1.1‰，Delong等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，無脊椎動物中貝殼的δ15N值低于軟體組織(2.3～2.5)‰。而本研究中，小黃魚耳石中的 δ15N值低于肌肉 3.64‰，其結(jié)果與其他研究結(jié)果一致，即耳石中的 δ15N值低于肌肉。隨著魚體的生長，肌肉不斷的更新和修復(fù)為魚類生長提供能量，只能提供捕獲時的食性信息，而耳石生長過程中形成的日輪結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成相當穩(wěn)定，記錄著魚類整個生命歷程的食性信息，利用耳石中的 δ15N值分析魚類不同時期攝食水平，反演個體不同生長階段的營養(yǎng)位置；其次結(jié)合歷史和現(xiàn)代耳石中的 δ15N值重建魚類營養(yǎng)級和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，了解魚類生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)的變化，探討海洋生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)動力學(xué)的變動，為漁業(yè)的保護和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

穩(wěn)定同位素技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于研究魚類食性、營養(yǎng)級位置以及食物網(wǎng)能量流動路徑等問題，已經(jīng)成為海洋生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)動力學(xué)研究的重要手段之一。本研究對小黃魚不同組織器官中 δ15N值的分析，揭示了 δ15N值在不同組織器官的分布特征及相關(guān)性，為未來穩(wěn)定同位素技術(shù)在魚類生態(tài)學(xué)研究的發(fā)展提供了思路和基礎(chǔ)依據(jù)。

Ballantyne JS. Amino acid metabolism in Nitrogen excretion.San Diego: Academic Press, Calif, 2001, 77–107

Blanco A, Deuder OS, Box A. Muscle and scale isotopic offset of three fish species in the Mediterranean Sea: Dentex dentex,Argyrosomus regius and Xyrichtys novacula. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2009, 23(15):2321–2328

Campana SE, Neilson JD. Microstructure of fish otoliths. Journal Canadien Des Sciences Halieutiques et Aquatiques, 1985,42(5): 1014–1032

Delong MD, Thorp JH. Mollusc shell periostracum as an alternative to tissue in isotopic studies. Limnology and Oceanography Methods, 2009, 7(1): 436–441

Dilly PN. The structure of some cephalopod tatoliths. Cell and Tissue Research, 1976, 175(2): 147–163 Fincel MJ, Vandehey JA, Chipps SR. Non-lethal sampling of walleye for stable isotope analysis: A comparison of three tissues. Fisheries Management and Ecology, 2012, 19(4):283–292

Gao Y, Dettman DL, Piner KP, et al. Isotopic correlation (δO versus δC) of otolith in identification of groundfish stocks.Transactions of the American Fisheries Society, 2010,139(2): 491–501

Gao YH, Li Z, Qiao L, et al. Raman and FTIR characteristics of otolith of ornamental carp. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(10): 2689–2693 [高永華, 李卓, 喬莉,等. 鯉魚耳石的拉曼及紅外光譜特征研究. 光譜學(xué)與光譜分析, 2009, 29(10): 2689–2693]

Huang H. Recent progress and prospect of small Yellow croaker(Pseudosciaena polyactis Bleeker). Modern Fisheries Information, 2010, 129(9): 10–12 [黃昊. 小黃魚生物學(xué)研究進展. 現(xiàn)代漁業(yè)信息, 2010, 129(9): 10–12]

Kelly MH, Hagar WG, Jardine TD et al. Nonlethal sampling of sunfish and slimy sculpin for stable isotope analysis: How scale and fin tissue compare with muscle tissue. North American Journal of Fisheries Management, 2006, 26(4): 921–925

Li ZY, Jin XS, Zhuang ZM, et al.Applications of stable isotope techniques in aquatic ecological studies. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(11): 3053–3060 [李忠義, 金顯仕, 莊志猛,等. 穩(wěn)定同位素技術(shù)在水域生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(11): 3053–3060]

Liu BZ. The studies on the food web structures of Northern China Sea by stable isotopes analysis. Doctoral Dissertation of Dalian Maritime University, 2013, 1–126 [劉保占. 基于穩(wěn)定同位素組成分析中國北方海域食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究. 大連海事大學(xué)博士研究生學(xué)位論文, 2013, 1–126]

Longmore C, Trueman CN, Neat F, et al. Otolith geochemistry indicates life-long spatial population structuring in a deep-sea fish, Coryphaenoides rupestris. Marine Ecology Progress Series, 2011, 435(8): 209–24

Post DM. Using stable isotopes to estimate trophic position:Models, methods, and assumptions. Ecology, 2002, 83(3):703–718

Radtke RL. Chemical and structural characteristic of statoliths from the short finned squid Illex illecebrosus. Marine Biology, 1983, 76(1): 47–54

Rounick JS, Winterbourn MJ. Stable carbon isotopes and carbon flow in ecosystems. Bioscience, 1986, 36: 171–177

Shan XJ, Li ZL, Dai FQ, et al. Seasonal and annual variations in biological characteristics of small yellow croaker Larimichthys polyactis in the central and southern Yellow Sea. Progress in Fishery Sciences, 2011, 32(6): 7–16 [單秀娟, 李忠爐, 戴芳群, 等. 黃海中南部小黃魚種群生物學(xué)特征的季節(jié)變化和年際變化. 漁業(yè)科學(xué)進展, 2011, 32(6): 7–16

Sinnatamby RN, Dempson JB, Power M. A comparison of muscle and scale derived δ13C and δ15N across three life history stages of Atlantic salmon, salmo salar. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2008, 22(18): 2773–2778

Thresher RE, Proctor CH, Gunn JS, et al. An evaluation of electron probe microanalysis of otoliths for stock delineation and identification of nursery areas in a southern temperate groundfish, Nemadactylus macropterus (Cheilodactylidae).Fish Bull, 1994, 92(4): 817–840

Suzuki KW, Kasai A, Nakayama K et al. Differential isotopic enrichment and half-life among tissues in Japanese temperate bass (Lateolabrax japonicus) juveniles: Implications for analyzing migration. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2005, 62(3): 671–678

Vandermyde JM, Whitledge GW. Otolith delta N-15 distinguishes fish from forested and agricultural streams in southern Illinois.Journal of Freshwater Ecology, 2008, 23(2): 333–336

Wang YY, Xu J, Lei CG. Scale tissue of bighead carp and silver carp as nonlethal surrogates for muscle tissues in freshwater food web studies using stable isotopes. Lake Science, 2014,26(6): 853–856 [王玉玉, 徐軍, 雷春光. 鳙、鰱魚鱗作為穩(wěn)定同位素研究非致命采樣替代物的有效性. 湖泊科學(xué),2014, 26(6): 853–856]

Zeng QF, Gu XH, Mao ZG, et al. Effect of diet switch on turnover rates of tissue nitrogen stable isotopes in fish based on the enrichment-dilution approach. Acta Ecologica Sinica,2012, 32(4): 1257–1263 [曾慶飛, 谷孝鴻, 毛志剛, 等. 同位素富集–稀釋法研究食性轉(zhuǎn)變對魚類不同組織 N同位素轉(zhuǎn)化率的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(4): 1257–1263]

Zhang GZ, Li XS, Jin XS, et al. Changes of biological characteristics of small yellow croaker (Larimichthys polyactis) in the central and southern Yellow Sea. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(24): 6854–6861 [張國政, 李森,金顯仕, 等. 黃海中南部小黃魚生物學(xué)特征的變化. 生態(tài)學(xué)報, 2010, 30(24): 6854–6861]