厚殼貽貝的鈣化和呼吸對(duì)海洋酸化的響應(yīng)

章 恒，趙 晟，朱愛意

(浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，國(guó)家海水養(yǎng)殖設(shè)施工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022)

摘要模擬了未來海洋酸化環(huán)境，采用堿度異常技術(shù)(Alkalinity anomaly technique)對(duì)生活在酸化海水中的厚殼貽貝的鈣化率和呼吸率進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，厚殼貽貝的鈣化和呼吸活動(dòng)在酸化環(huán)境中發(fā)生顯著變化，隨著酸性程度的增加而驟降。當(dāng)海水pH為7.80時(shí)，鈣化率下降約43%，隨后在pH 7.20時(shí)降至0。當(dāng)海水酸堿度趨于中性時(shí)，呼吸率和耗氧率分別下降23.5%和11.0%，此時(shí)呼吸熵也明顯變化。這些變化對(duì)厚殼貽貝而言是一個(gè)潛在的致命威脅。

關(guān)鍵詞海洋酸化；厚殼貽貝；鈣化；呼吸

中圖分類號(hào)S968.3；Q143

基金項(xiàng)目國(guó)家科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB16B02)；國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201305009-3)。

作者簡(jiǎn)介章恒(1988- )，男，安徽宣城人，碩士研究生，研究方向：海洋生物生理生態(tài)。

收稿日期2015-06-30

自工業(yè)革命以來，日益嚴(yán)重的全球海洋環(huán)境問題愈加凸顯。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，目前海洋表層的pH與19世紀(jì)末相比降低了0.1個(gè)單位，預(yù)計(jì)100年以后降至7.6左右，海水中H+濃度是現(xiàn)在的3倍[5]，越發(fā)惡劣的海水環(huán)境對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和物種的保護(hù)帶來了前所未有的困難?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，意大利的有孔蟲類在受酸化影響嚴(yán)重的那不勒斯附近海域生存艱難，目前24種有孔蟲類中已經(jīng)滅絕20種，僅有4種還生活在該海域。海洋生物尤其是類似于雙殼貝類等鈣化生物的生存正處在海洋酸化巨大的威脅中。

厚殼貽貝(Mytiluscoruscus)是全世界最重要經(jīng)濟(jì)貝類之一，我國(guó)浙江、福建等沿海地區(qū)早已推行厚殼貽貝規(guī)模化和工廠化養(yǎng)殖。目前，日益嚴(yán)重的海洋酸化問題很可能威脅厚殼貽貝的生存，進(jìn)而對(duì)其養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。但是，目前國(guó)內(nèi)尚未見到關(guān)于厚殼貽貝的生理活動(dòng)對(duì)海洋酸化條件適應(yīng)性的研究報(bào)道。筆者探討了厚殼貽貝的鈣化和呼吸活動(dòng)在酸化環(huán)境里的變化以及其應(yīng)對(duì)海洋酸化的生理調(diào)節(jié)。

1材料與方法

G=(TAi-TAf)×V×2-1×W-1×t-1

(1)

式中，G代表厚殼貽貝的鈣化率(μmol/(g·h)FW)；TAi和TAf分別表示測(cè)定前后海水的TA(μmol/L)；V、W和t分別表示封閉體積的大小(L)、試驗(yàn)用厚殼貽貝的鮮重(g)和測(cè)定的時(shí)間(h)。

ΔDIC=ΔDICR-ΔDICG=DICf-DICi

(2)

式中，ΔDIC表示水體DIC的凈變化量；ΔDICR和ΔDICG分別表示呼吸和鈣化引起的DIC變化，DICi和DICf分別表示培養(yǎng)前后水體的DIC含量。同時(shí)，ΔDICG可表示為：

ΔDICG=(TAi-TAf)×2-1

(3)

由此推導(dǎo)出CO2呼吸率Rc(μmol/(g·h)FW)的表達(dá)式為：

Rc=ΔDICR×V×W-1×t-1=(2ΔDIC+TAi-TAf)×V×2-1×W-1×t-1

(4)

1.2試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料采用浮筏養(yǎng)殖的厚殼貽貝，采自東極廟子湖島貽貝笩式養(yǎng)殖區(qū)(30°11′1.15″ N，122°41′2.56″ E)。采集的樣品要做好保溫措施，務(wù)必在4 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)前先對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，主要清除貽貝表面附著物和污物，然后采用半靜水法飼養(yǎng)5 d。在飼養(yǎng)過程中保持水溫為(25±1)℃，鹽度為30.0‰，pH為8.10±0.01。試驗(yàn)所用厚殼貽貝選取殼高4～5 cm、濕重25 g左右的個(gè)體，共130只。

1.3試驗(yàn)方法設(shè)置8.10、7.80、7.50、7.20、7.00等不同pH梯度的試驗(yàn)海水，使用前在靜置1 d。試驗(yàn)時(shí)，首先測(cè)定各梯度海水的溶解氧(DO)，再從各梯度海水中分別虹吸水樣100 ml，用于測(cè)定海水中溶解無機(jī)碳(DIC)濃度和總堿度(TA)。虹吸的水樣先經(jīng)過孔徑為0.65 μm的酸化纖維濾膜進(jìn)行抽濾，然后測(cè)定其DIC和TA，盡量避免試驗(yàn)指標(biāo)在非試驗(yàn)狀態(tài)下的變化。將這3個(gè)指標(biāo)分別測(cè)定3次，計(jì)算其平均值，作為試驗(yàn)海水的初始值。試驗(yàn)中將各梯度海水設(shè)置5個(gè)平行和1個(gè)對(duì)照，具體操作如下：向5 L密封瓶中注滿試驗(yàn)海水，每個(gè)密封瓶中放入4個(gè)后殼貽貝，對(duì)照組不放貽貝，先使貽貝在瓶中適應(yīng)試驗(yàn)海水環(huán)境，0.5 h后將瓶全部密封，靜置培養(yǎng)2 h后測(cè)定其DO、DIC和TA。整個(gè)試驗(yàn)過程中，應(yīng)始終保持室溫恒定。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析在計(jì)算試驗(yàn)前后各指標(biāo)參數(shù)變化時(shí)應(yīng)當(dāng)減去對(duì)照組試驗(yàn)前后相應(yīng)參數(shù)的變化。然后，通過試驗(yàn)指標(biāo)分別計(jì)算厚殼貽貝不同pH下的鈣化率G和呼吸率Rc，同時(shí)計(jì)算其耗氧率Ro和呼吸熵RQ。使用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，P<0.05表示差異顯著。

2結(jié)果與分析

試驗(yàn)前各組試驗(yàn)海水的DO都處于飽和狀態(tài)，以保證厚殼貽貝的呼吸作用正常進(jìn)行。鈣化作用會(huì)導(dǎo)致水體TA有所變化，變化范圍為-30～20 μmol/L；DIC在呼吸和鈣化的共同作用下得以升高，上升幅度在120～180 μmol/L。封閉小水體環(huán)境試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高鈣化率測(cè)定的精準(zhǔn)度，但是其缺點(diǎn)也很明顯，就是不能避免由呼吸作用而引起pH下降。

測(cè)定了厚殼貽貝在不同 pH 條件下的鈣化率G、二氧化碳呼出率Rc、耗氧率Ro、以及呼吸熵RQ。由表2可知，酸化對(duì)厚殼貽貝G、Rc和Ro的影響極顯著，而其對(duì)RQ有顯著影響，RQ在pH 7.20～8.10范圍內(nèi)沒有明顯變化，只在 pH 7.00顯著降低。從圖1～2可以看出，厚殼貽貝的鈣化率G與 pH之間的相關(guān)系數(shù)最高，呈負(fù)線性相關(guān)，相關(guān)方程為：G= 0.541pH-3.946(R2=0.926，P<0.01)，而 Rc、 Ro與pH的曲線關(guān)系不顯著，但也隨著pH的下降而降低。從圖1～2可以看出，隨著酸性程度的逐漸增強(qiáng)，G、Rc、Ro均出現(xiàn)不同程度的下降，特別是G出現(xiàn)大幅下降，在pH為7.80時(shí)下降約43%；當(dāng)pH接近 7.20時(shí)，G降低為0，但當(dāng)pH小于7.20時(shí)G則變?yōu)樨?fù)值。

表2不同pH下厚殼貽貝的鈣化率和呼吸率

±SD

pH鈣化率G∥μmol/(g·h)FW呼吸率Rc∥μmol/(g·h)FW耗氧率Ro∥μmol/(g·h)呼吸熵RQ8.070.42±0.03a2.34±0.14a2.65±0.04a0.88±0.04a7.790.24±0.03b2.28±0.10a2.58±0.03b0.89±0.04a7.480.21±0.04b2.16±0.10b2.50±0.04b0.88±0.05a7.190.04±0.06c2.05±0.04b2.41±0.06c0.85±0.03a6.98-0.20±0.04d1.79±0.10c2.36±0.02c0.76±0.04b

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖1　厚殼貽貝在不同pH下的鈣化率

3討論

水中Ca2+的精細(xì)行為及其在生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用機(jī)制，將有助于對(duì)貝類生物為應(yīng)對(duì)未來海洋酸化的具體生理調(diào)節(jié)過程的研究。

目前已證實(shí)珊瑚、有孔蟲類、翼足類、以及雙殼貝類等類群的鈣化率均在海洋酸化的作用下有所下降。盡管大多數(shù)研究已證實(shí)海洋酸化會(huì)削弱海洋生物的鈣化作用，但是也有些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一定程度內(nèi)的酸化將會(huì)增強(qiáng)某些類群的鈣化。例如，Wood等[7]發(fā)現(xiàn)蛇尾蟲(Amphiurafiliformis)的鈣化作用也能隨著酸化加劇而增強(qiáng)。研究表明，在一定范圍內(nèi)酸化海水中生長(zhǎng)的藍(lán)蟹(Callinectessapidus)和東方巨對(duì)蝦(Penaeusplebejus)的鈣化率相對(duì)有所升高。

3.2海洋酸化對(duì)厚殼貽貝呼吸的影響該研究表明，厚殼貽貝的呼吸率隨著酸化加劇而降低。在pH7.80～8.10范圍內(nèi)，厚殼貽貝的呼吸率沒有顯著變化，說明厚殼貽貝的呼吸作用對(duì)酸化環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，呼吸活動(dòng)受酸化影響不大。當(dāng)pH為7.0時(shí)，呼吸率和耗氧率顯著降低，分別下降23.5%和11.0%，說明酸化程度的劇烈變化對(duì)厚殼貽貝的呼吸作用會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。2012年，Liu等[8]發(fā)現(xiàn)翡翠貽貝(Pernaviridis)和合浦珠母貝(Pinctadafucata)在pH 7.4～8.1試驗(yàn)海水環(huán)境里，呼吸率并沒有顯著變化。張明亮等[9]研究表明櫛孔扇貝的呼吸率在同樣條件下隨著pH的下降而顯著降低。呼吸的減弱會(huì)影響貝類代謝的速度，從而導(dǎo)致其生長(zhǎng)緩慢，不利于其正常生長(zhǎng)發(fā)育。在pH7.20～8.10范圍內(nèi)，厚殼貽貝的代謝底物主要是碳水化合物，呼吸熵沒有顯著差異，證明在此區(qū)間酸化對(duì)厚殼貽貝的能量代謝方式?jīng)]有顯著影響。當(dāng)pH為7.0時(shí)，能量代謝方式有顯著變化，厚殼貽貝代謝底物轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)，這將危害到其生存。研究表明，海灣扇貝(Argopectenirradians)、文蛤(Mercenariamercenaria)和東方牡蠣(Crassostreavirginica)的相關(guān)生理指標(biāo)會(huì)隨著海水CO2分壓的增加而降低，如成活率、繁殖率和生長(zhǎng)速度等。海灣扇貝培養(yǎng)36 d后，在250、390和1 500 mg/L的CO2分壓的海水環(huán)境中其存活率分別僅有74%、43%和5.4%。此外，在pH為7.00時(shí)，厚殼貽貝的呼吸熵與其他試驗(yàn)組有顯著差異，此時(shí)其能量代謝方式發(fā)生改變，代謝底物轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)。這必將導(dǎo)致厚殼貽貝將分解更多的肌肉組織用于代謝，顯然對(duì)其健康生長(zhǎng)有害無益。

海洋生物的呼吸作用隨著酸化加劇會(huì)顯著下降，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能在于控制海洋生物呼吸活動(dòng)的相關(guān)酶的活性受到酸化的影響而降低，以及與其能量代謝相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)興奮被抑制?；顒?dòng)性越強(qiáng)的海洋生物對(duì)海水pH的變化越敏感。海洋生物會(huì)采取一系列措施來挽救低pH對(duì)呼吸作用帶來的消極影響，這些措施包括催快呼吸頻率、擴(kuò)大呼吸深度、對(duì)耗氧率先升后降以及一系列復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)機(jī)制。在酸化環(huán)境中生活前期，海洋生物的高耗氧率會(huì)傷害到鰓區(qū)毛細(xì)血管，使毛細(xì)血管長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，抑制了水體中的溶氧通過呼吸作用進(jìn)入生物體內(nèi)。因此，海洋生物不得不最大限度地?cái)U(kuò)張呼吸容量，才能夠保證機(jī)體正常的氣體循環(huán)和能量代謝，以應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境條件。增加呼吸容量只是為了彌補(bǔ)鰓氣體交換能力下降而導(dǎo)致的生物機(jī)體供氧不足的一種舉措。

海洋酸化正在不遺余力地改變著海水化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)。當(dāng)未來海水pH下降到7.2時(shí)，厚殼貽貝將不再產(chǎn)生貝殼，呼吸作用大幅下降，厚殼貽貝的生存將面臨嚴(yán)重的威脅，厚殼貽貝養(yǎng)殖業(yè)也會(huì)因此而遭受巨大的損失。因此，今后針對(duì)海洋酸化研究，特別要注重從分子水平上解釋貝類生物對(duì)海洋酸化的響應(yīng)機(jī)理，為海洋貝類養(yǎng)殖水體的調(diào)控提供依據(jù)，在避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，為預(yù)測(cè)未來海洋酸化、 海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化和采取應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)參考。

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