厚壳贻贝的钙化和呼吸对海洋酸化的响应

厚壳贻贝的钙化和呼吸对海洋酸化的响应

章 恒，赵 晟，朱爱意

(浙江海洋学院海洋科学与技术学院，国家海水养殖设施工程技术研究中心，浙江舟山 316022)

摘要模拟了未来海洋酸化环境，采用碱度异常技术(Alkalinity anomaly technique)对生活在酸化海水中的厚壳贻贝的钙化率和呼吸率进行了测定。结果表明，厚壳贻贝的钙化和呼吸活动在酸化环境中发生显著变化，随着酸性程度的增加而骤降。当海水pH为7.80时，钙化率下降约43%，随后在pH 7.20时降至0。当海水酸碱度趋于中性时，呼吸率和耗氧率分别下降23.5%和11.0%，此时呼吸熵也明显变化。这些变化对厚壳贻贝而言是一个潜在的致命威胁。

关键词海洋酸化；厚壳贻贝；钙化；呼吸

中图分类号S968.3；Q143

基金项目国家科技部科技支撑计划项目(2012BAB16B02)；国家海洋局海洋公益性行业科研专项项目(201305009-3)。

作者简介章恒(1988- )，男，安徽宣城人，硕士研究生，研究方向：海洋生物生理生态。

收稿日期2015-06-30

自工业革命以来，日益严重的全球海洋环境问题愈加凸显。据科学家估计，目前海洋表层的pH与19世纪末相比降低了0.1个单位，预计100年以后降至7.6左右，海水中H+浓度是现在的3倍[5]，越发恶劣的海水环境对生态系统的多样性和物种的保护带来了前所未有的困难。科学家发现，意大利的有孔虫类在受酸化影响严重的那不勒斯附近海域生存艰难，目前24种有孔虫类中已经灭绝20种，仅有4种还生活在该海域。海洋生物尤其是类似于双壳贝类等钙化生物的生存正处在海洋酸化巨大的威胁中。

厚壳贻贝(Mytiluscoruscus)是全世界最重要经济贝类之一，我国浙江、福建等沿海地区早已推行厚壳贻贝规模化和工厂化养殖。目前，日益严重的海洋酸化问题很可能威胁厚壳贻贝的生存，进而对其养殖业的发展产生巨大影响。但是，目前国内尚未见到关于厚壳贻贝的生理活动对海洋酸化条件适应性的研究报道。笔者探讨了厚壳贻贝的钙化和呼吸活动在酸化环境里的变化以及其应对海洋酸化的生理调节。

1材料与方法

G=(TAi-TAf)×V×2-1×W-1×t-1

(1)

式中，G代表厚壳贻贝的钙化率(μmol/(g·h)FW)；TAi和TAf分别表示测定前后海水的TA(μmol/L)；V、W和t分别表示封闭体积的大小(L)、试验用厚壳贻贝的鲜重(g)和测定的时间(h)。

ΔDIC=ΔDICR-ΔDICG=DICf-DICi

(2)

式中，ΔDIC表示水体DIC的净变化量；ΔDICR和ΔDICG分别表示呼吸和钙化引起的DIC变化，DICi和DICf分别表示培养前后水体的DIC含量。同时，ΔDICG可表示为：

ΔDICG=(TAi-TAf)×2-1

(3)

由此推导出CO2呼吸率Rc(μmol/(g·h)FW)的表达式为：

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

(4)

1.2试验材料试验材料采用浮筏养殖的厚壳贻贝，采自东极庙子湖岛贻贝笩式养殖区(30°11′1.15″ N，122°41′2.56″ E)。采集的样品要做好保温措施，务必在4 h内带回实验室。试验前先对样品进行预处理，主要清除贻贝表面附着物和污物，然后采用半静水法饲养5 d。在饲养过程中保持水温为(25±1)℃，盐度为30.0‰，pH为8.10±0.01。试验所用厚壳贻贝选取壳高4～5 cm、湿重25 g左右的个体，共130只。

1.3试验方法设置8.10、7.80、7.50、7.20、7.00等不同pH梯度的试验海水，使用前在静置1 d。试验时，首先测定各梯度海水的溶解氧(DO)，再从各梯度海水中分别虹吸水样100 ml，用于测定海水中溶解无机碳(DIC)浓度和总碱度(TA)。虹吸的水样先经过孔径为0.65 μm的酸化纤维滤膜进行抽滤，然后测定其DIC和TA，尽量避免试验指标在非试验状态下的变化。将这3个指标分别测定3次，计算其平均值，作为试验海水的初始值。试验中将各梯度海水设置5个平行和1个对照，具体操作如下：向5 L密封瓶中注满试验海水，每个密封瓶中放入4个后壳贻贝，对照组不放贻贝，先使贻贝在瓶中适应试验海水环境，0.5 h后将瓶全部密封，静置培养2 h后测定其DO、DIC和TA。整个试验过程中，应始终保持室温恒定。

1.4数据统计与分析在计算试验前后各指标参数变化时应当减去对照组试验前后相应参数的变化。然后，通过试验指标分别计算厚壳贻贝不同pH下的钙化率G和呼吸率Rc，同时计算其耗氧率Ro和呼吸熵RQ。使用SPSS18.0统计软件对试验数据进行单因素方差分析(ANOVA)，P<0.05表示差异显著。

2结果与分析

试验前各组试验海水的DO都处于饱和状态，以保证厚壳贻贝的呼吸作用正常进行。钙化作用会导致水体TA有所变化，变化范围为-30～20 μmol/L；DIC在呼吸和钙化的共同作用下得以升高，上升幅度在120～180 μmol/L。封闭小水体环境试验的优点是可以提高钙化率测定的精准度，但是其缺点也很明显，就是不能避免由呼吸作用而引起pH下降。

测定了厚壳贻贝在不同 pH 条件下的钙化率G、二氧化碳呼出率Rc、耗氧率Ro、以及呼吸熵RQ。由表2可知，酸化对厚壳贻贝G、Rc和Ro的影响极显著，而其对RQ有显著影响，RQ在pH 7.20～8.10范围内没有明显变化，只在 pH 7.00显著降低。从图1～2可以看出，厚壳贻贝的钙化率G与 pH之间的相关系数最高，呈负线性相关，相关方程为：G= 0.541pH-3.946(R2=0.926，P<0.01)，而 Rc、 Ro与pH的曲线关系不显著，但也随着pH的下降而降低。从图1～2可以看出，随着酸性程度的逐渐增强，G、Rc、Ro均出现不同程度的下降，特别是G出现大幅下降，在pH为7.80时下降约43%；当pH接近 7.20时，G降低为0，但当pH小于7.20时G则变为负值。

表2不同pH下厚壳贻贝的钙化率和呼吸率

±SD

pH钙化率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：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

图1　厚壳贻贝在不同pH下的钙化率

3讨论

水中Ca2+的精细行为及其在生物地球化学循环中的作用机制，将有助于对贝类生物为应对未来海洋酸化的具体生理调节过程的研究。

目前已证实珊瑚、有孔虫类、翼足类、以及双壳贝类等类群的钙化率均在海洋酸化的作用下有所下降。尽管大多数研究已证实海洋酸化会削弱海洋生物的钙化作用，但是也有些科学家发现一定程度内的酸化将会增强某些类群的钙化。例如，Wood等[7]发现蛇尾虫(Amphiurafiliformis)的钙化作用也能随着酸化加剧而增强。研究表明，在一定范围内酸化海水中生长的蓝蟹(Callinectessapidus)和东方巨对虾(Penaeusplebejus)的钙化率相对有所升高。

3.2海洋酸化对厚壳贻贝呼吸的影响该研究表明，厚壳贻贝的呼吸率随着酸化加剧而降低。在pH7.80～8.10范围内，厚壳贻贝的呼吸率没有显著变化，说明厚壳贻贝的呼吸作用对酸化环境具有一定的适应能力，呼吸活动受酸化影响不大。当pH为7.0时，呼吸率和耗氧率显著降低，分别下降23.5%和11.0%，说明酸化程度的剧烈变化对厚壳贻贝的呼吸作用会产生负面影响。2012年，Liu等[8]发现翡翠贻贝(Pernaviridis)和合浦珠母贝(Pinctadafucata)在pH 7.4～8.1试验海水环境里，呼吸率并没有显著变化。张明亮等[9]研究表明栉孔扇贝的呼吸率在同样条件下随着pH的下降而显著降低。呼吸的减弱会影响贝类代谢的速度，从而导致其生长缓慢，不利于其正常生长发育。在pH7.20～8.10范围内，厚壳贻贝的代谢底物主要是碳水化合物，呼吸熵没有显著差异，证明在此区间酸化对厚壳贻贝的能量代谢方式没有显著影响。当pH为7.0时，能量代谢方式有显著变化，厚壳贻贝代谢底物转变为蛋白质，这将危害到其生存。研究表明，海湾扇贝(Argopectenirradians)、文蛤(Mercenariamercenaria)和东方牡蛎(Crassostreavirginica)的相关生理指标会随着海水CO2分压的增加而降低，如成活率、繁殖率和生长速度等。海湾扇贝培养36 d后，在250、390和1 500 mg/L的CO2分压的海水环境中其存活率分别仅有74%、43%和5.4%。此外，在pH为7.00时，厚壳贻贝的呼吸熵与其他试验组有显著差异，此时其能量代谢方式发生改变，代谢底物转换成蛋白质。这必将导致厚壳贻贝将分解更多的肌肉组织用于代谢，显然对其健康生长有害无益。

海洋生物的呼吸作用随着酸化加剧会显著下降，导致这种现象的原因可能在于控制海洋生物呼吸活动的相关酶的活性受到酸化的影响而降低，以及与其能量代谢相关的神经系统兴奋被抑制。活动性越强的海洋生物对海水pH的变化越敏感。海洋生物会采取一系列措施来挽救低pH对呼吸作用带来的消极影响，这些措施包括催快呼吸频率、扩大呼吸深度、对耗氧率先升后降以及一系列复杂的生理调节机制。在酸化环境中生活前期，海洋生物的高耗氧率会伤害到鳃区毛细血管，使毛细血管长期处于超负荷工作状态，抑制了水体中的溶氧通过呼吸作用进入生物体内。因此，海洋生物不得不最大限度地扩张呼吸容量，才能够保证机体正常的气体循环和能量代谢，以应对恶劣的环境条件。增加呼吸容量只是为了弥补鳃气体交换能力下降而导致的生物机体供氧不足的一种举措。

海洋酸化正在不遗余力地改变着海水化学组分和结构。当未来海水pH下降到7.2时，厚壳贻贝将不再产生贝壳，呼吸作用大幅下降，厚壳贻贝的生存将面临严重的威胁，厚壳贻贝养殖业也会因此而遭受巨大的损失。因此，今后针对海洋酸化研究，特别要注重从分子水平上解释贝类生物对海洋酸化的响应机理，为海洋贝类养殖水体的调控提供依据，在避免不必要的经济损失的同时，为预测未来海洋酸化、 海洋生态系统的变化和采取应对措施提供科学参考。

参考文献

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[9] 张明亮,邹健,方建光,等.海洋酸化对栉孔扇贝钙化、 呼吸以及能量代谢的影响[J].渔业科学进展,2011, 32(4): 48-54.