开发钕同位素标记物：能否从多种海洋物种和组织类型中提取钕？

镧同位素分析在海洋动物追踪中的应用研究，测试了五种酸解方法对六类海洋动物九种组织类型的有效性，发现镧浓度普遍低于100 ng/g且差异显著，提出需预先检测浓度并优化提取方法。

　　

作者列表：Arieli Trist?o Rézio | Justin L. Payne | Ming-Tsung Chung | Susie Ritch | Robert Klaebe | Zoe A. Doubleday

研究机构：澳大利亚南澳大利亚大学未来产业研究所

摘要

钕同位素比值在追踪海洋动物的移动和起源方面具有独特的作用。然而，海水和海洋动物组织中的钕（Nd）浓度较低，这使得同位素分析变得具有挑战性。以往关于海洋动物中钕同位素比值的研究主要集中在双壳类动物上，对于样本制备方法和钕浓度变化的信息有限。我们在六类海洋动物（辐鳍鱼、甲壳类、软体动物、头足类、双壳类、海参）以及九种组织类型（软组织和硬组织）上测试了五种基于热板的酸消化方法，并使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测量了钕的浓度。本研究获得的钕浓度数据与其他已发表的海洋生物数据进行了比较。除了鱼耳石、骨骼和肌肉（其中钕含量极低）外，所有动物样本中的钕均被成功提取。实验表明，浓硝酸（HNO₃）、8M HNO₃和50%王水是最有效的酸处理方法。样本中的钕浓度在物种、组织类型和个体之间存在显著差异，范围从低于1 ng/g到370 ng/g不等；而已发表的文献中记录的钕浓度通常低于100 ng/g。我们的研究结果表明，钕同位素分析在许多生物类群中具有广泛的应用前景，但对于某些钕浓度极低的类群或组织类型可能不太可行。我们建议在进行同位素分析前先检测钕的浓度。我们希望鼓励进一步探索利用钕同位素来追踪海洋动物的移动路径、连通性和起源。

引言

轻稳定同位素的分析极大地推动了生态学和年代学研究，以及我们对自然环境的理解（Hobson, 1999; Soto et al., 2013）。例如，稳定碳和氮同位素标记物被广泛用于海洋系统中，以研究许多物种的栖息地利用、移动模式、觅食行为和营养生态（Carrera and Gallardo, 2017; Cherel and Hobson, 2005; González-Solís et al., 2011）。尽管轻稳定同位素的测量和应用已经非常成熟，但由于它们受到多种环境和生物因素的影响，因此在追踪海洋物种的移动路径或生物产品（如海产品）的来源方面存在局限性（DeNiro and Epstein, 1978; Trueman and Glew, 2019）。虽然稳定氧同位素在追踪不同海洋物种方面表现出一定的效果，但它们通常表现出明显的纬度趋势（Martino et al., 2022a, 2022b），且应用范围较为有限（Doubleday et al., 2022）。放射性同位素提供了一个有前景的替代方案，因为可以在测量过程中校正任何仪器或生物因素导致的偏差（Harrington et al., 1998; Won et al., 2021）。因此，生物体内的放射性锶同位素比值（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）可以直接反映环境中的同位素状况，无需进行生物校正。放射性锶同位素比值已在陆地和淡水系统中成功用于追踪鱼类等物种的移动路径以及生物材料（包括农产品）的起源（?berg, 1995; Barnett-Johnson et al., 2008; Kramer et al., 2022）。然而，由于锶离子在海水中的停留时间较长（约3–5 × 10⁶年），⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值在海洋系统中并不适合作为来源追踪工具（Veizer, 1989）。 钕（Nd）同位素，特别是¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值（用ε_Nd表示），作为放射性标记物在海洋系统中具有潜力，其特性与锶同位素相似。海洋系统中的ε_Nd值受大陆地质和河流输入的影响（Goldstein and Jacobsen, 1987; Goldstein et al., 1984）。然而，与锶不同，钕离子在海洋中的停留时间较短（约500年），导致海水中的钕同位素比值存在较大差异（Lacan et al., 2012）。海洋学家已广泛使用钕同位素比值来追踪海洋 currents和水体混合过程（Goldstein and Hemming, 2014; Gu et al., 2019）。此外，还通过分析化石鱼牙中的钕同位素比值来了解河流对地质时间尺度上水体混合的贡献（Stewart et al., 2016）。不过，利用钕同位素比值追踪海洋物种或材料的研究较为罕见，目前仅限于在日本、韩国和中国收集的五种双壳类动物（Saitoh et al., 2018; Tanaka et al., 2022; Won et al., 2021; Zhao et al., 2019）。 在海洋环境中使用钕的主要挑战在于，其在海水和海洋动物组织中的浓度都非常低（海水中的浓度约为15-45 pmol kg^-1，双壳类碳酸盐壳中的浓度约为2-60 ng/g）。相比之下，锶（Sr）在海洋动物组织中的浓度要高得多（例如，碳酸盐组织中超过1000 ppm，角蛋白结构如鲸须板中为5-40 ppm）（Campana, 1999; Vighi et al., 2019）。这种低浓度要求通过精细的分离、纯化和测量才能获得高精度的同位素比值（Saitoh et al., 2018; Tanaka et al., 2022）。尽管有一些研究从海洋动物组织中提取了钕及其他稀土元素，但这些研究并未关注同位素比值（N?rregaard et al., 2022; Queirós et al., 2023）。因此，目前关于不同动物类群在分析同位素比值前的样本制备方法缺乏指导。此外，关于不同海洋生物类群和组织类型中钕浓度变化情况的信息有限，也不清楚钕同位素分析是否适用于广泛的生物类群，这可能给希望在该领域开展研究的研究人员带来困难。 本研究旨在开发从多种动物类群和组织类型中提取钕的方法和知识，以支持未来的钕同位素分析工作。研究分为两个阶段：1）测试不同的酸处理方法来溶解组织；2）使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）比较不同生物类群和组织类型中的钕浓度，并整理已发表的海洋动物组织中钕浓度的数据。

样本采集

样本收集

本研究分析了多种脊椎动物和无脊椎动物及其组织类型（表1）。所有样本均来自澳大利亚南部地区，海参样本的来源未知（表1）。样本来源于海鲜市场（牡蛎、鱼类和海参）、先前研究中的样本（藤壶和章鱼）（Boultby et al., 2024; Hua et al., 2023），或由商业渔民捐赠（螃蟹）。

结果

结果

在第一阶段的研究中，不同组织中的钕浓度范围从鱼肌肉中的0.18 ng/g到藤壶壳中的370 ng/g不等。在鱼耳石样本中，仅在两种酸处理方法下检测到钕，其中一种处理方法下的钕浓度低于0.7 ng/g，另一种方法未检测到钕（图1）。因此，未进一步分析鱼耳石样本。在所有酸处理方法中，鱼眼晶状体、肌肉和骨骼以及牡蛎肌肉中的钕含量都非常低（平均为2 ng/g）。

讨论

我们研究了从多种海洋动物组织中提取钕的不同方法，最终目的是分析钕同位素比值。关键步骤和决策点总结在图6中。研究表明，不同生物类群和组织类型的钕浓度存在显著差异，但总体而言浓度较低，几乎所有研究样本和文献报道的钕浓度均低于100 ng/g。这些结果对于理解同位素分析的应用具有重要意义。

结论

本研究显示，可以使用不同的消化方法从多种海洋动物和组织类型中提取钕，并且钕同位素比值有可能用于追踪多种海洋生物类群。然而，不同物种、组织类型甚至个体之间的钕含量存在较大差异，这在开展钕同位素研究时需要予以考虑。尽管如此，仍需进一步研究海洋动物组织中的钕含量。例如，还需要更多研究来……

作者贡献声明

Robert Klaebe：撰写、审稿与编辑、资源准备、实验设计。Zoe A. Doubleday：撰写、审稿与编辑、数据可视化、研究监督、方法论制定、资金申请、概念构思。Ming-Tsung Chung：撰写、审稿与编辑、研究监督、方法论制定。Susie Ritch：撰写、审稿与编辑、资源准备、实验设计。Arieli Tristao Rezio：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资源准备、方法论制定、数据管理、概念构思。

数据可用性声明

原始补充数据可在Open Science Framework仓库中获取，访问链接为：https://osf.io/mjwyu/?view_only=39148bf700324cad86082a49cb94121f。手稿接受后，数据将公开发布。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究由澳大利亚研究委员会（Australian Research Council）颁发的Future Fellowship（FT190100244）资助，资助对象为ZAD。ATR还获得了南澳大利亚大学提供的国际博士奖学金。同时，我们感谢Kuo-Fang Huang博士、Arpita Biswas博士和Shawn Lu博士在实验中的重要支持和指导。图6使用BioRender.com工具制作。