海洋酸化对蟹类影响的研究进展

叶央芳 林维钏 任志明, 2 母昌考 王春琳

(1.宁波大学应用海洋生物学教育部重点实验室,宁波 315832;2.浙江海洋高效健康养殖协同创新中心,宁波 315832)

因过度燃烧化石燃料与砍伐森林等人类活动,已使大气中的二氧化碳(CO2)浓度大幅度增加。海洋吸收了其中约35%的CO2,水溶性的CO2可与H2O反应生成碳酸(H2CO3),H2CO3可解离成氢离子(H+)和碳酸氢根离子也形成因此,过多的二氧化碳溶于海水的结果是海水中的水溶性CO2、H2CO3、H+和含量增加,从而不可避免地引起海水pH下降,导致海水中碳酸盐平衡体系的变化,即“海洋酸化”(Ocean acidification,OA)[1]。在过去的65万年中,大气中的CO2从未超过300 μatm(标准大气压比)[2]。然而自19世纪工业革命的兴起,人类活动导致大气中的CO2从280 μatm升高到396 μatm,海洋pH已随之下降了0.1单位。若以当前CO2排放速度预测,2100年大气中的CO2将升高到800 μatm,海洋pH将降低0.3—0.5个单位;到2300 年,大气中的CO2将升高到3200 μatm,海洋pH将降低0.7—0.8个单位。这种下降速度将超过过去至少3亿年的速度[1,3]。

这种由于人类活动过量排放CO2所驱动的全球规模的海洋酸化,已迫使海洋生物生活在日益酸化的海水环境中,影响各种海洋生物的生长和繁殖[4,5]以及生物的多样性和群落结构[6,7]。其中对钙化生物的影响尤其明显,这是因为海洋酸化可导致碳酸钙的饱和度下降,从而影响钙化生物的钙化率和壳体的生长。例如海洋酸化可导致栉孔扇贝(Chlamys farreri)的钙化率降低[8];也可导致地中海贻贝(Mytilus galloprovincialis)与马氏珠母贝(Pinctada martensii)幼体的壳体生长缓慢,出现致畸致死效应[9—11];海洋酸化还引起多种地中海珊瑚(Oculina patagonica)碳酸钙骨架的消融[12]。

海水蟹是我国重要的水产经济动物,2017年的全国养殖和海洋捕捞总产量已达6.2×108kg,年产值约 64 亿元[13]。作为钙化生物,蟹类在合成外壳时需要几丁质和钙质,海洋酸化也不可避免地对其产生多种生理影响,甚至造成生存威胁。本文就海洋酸化对蟹类生长发育、生理与代谢、表型和行为等方面的影响及其可能的机制作一综述。

1 海洋酸化对蟹类的影响

1.1 海洋酸化对蟹类生长发育和生理与代谢的影响

人们关注钙化动物,是由于钙化动物对OA的敏感性[14]。然而,属于钙化动物的蟹类在不同OA条件下却表现出明显的种群差异(表1)。欧洲岸蟹(Carcinus maenas)天生具有对各种环境非生物因子的高度适应能力[15],有较多研究集中于岸蟹对OA的响应。如当岸蟹被急性暴露到高CO2分压的海水中时,能积极快速地在血淋巴中积累这种把血淋巴中的CO2转化成了以维持体内稳定pH的方式在之后的多个研究[16, 17]中得到证实。虽然这种方式能有效调节胞外pH,但对岸蟹的生理具有负面影响。如7d酸化(3200 μatm)导致岸蟹鳃中血淋巴的K+和氨浓度升高,排氨率增加[18];4周酸化(1800 μatm)导致岸蟹的代谢率和血淋巴流量分别降低了40%和30%[16];10周酸化(3500 μatm)引起岸蟹对蓝贻贝(Mytilus edulis)的摄食量降低41%[17]。

表 1 海洋酸化对蟹类生长发育、生理与代谢、表型和行为的影响Tab.1 Effects of ocean acidification on the growth,development,physiology,metabolism,phenotype and behavior of crabs

除了岸蟹,也有学者关注生活在潮间带具有应对复杂环境变化能力的岩瓷蟹(Petrolisthes cinctipes)对OA的响应[19,20],但这些研究更多的着眼于岩瓷蟹早期发育阶段的存活。因为蟹类早期发育阶段往往表现出相比于成蟹更敏感的对外界环境变化的特性,可能导致海洋酸化对蟹类胚胎、溞状幼体或幼蟹的生长和发育产生比成蟹更多的负面影响[21]。研究表明,短期(9d)酸化(pH 7.6)暴露引起岩瓷蟹胚胎的心率下降了37%,体积增加被延滞,存活率和最终的孵化成功率都受到影响。短期酸化对溞状幼体和幼蟹存活的影响不明显[22]。短期(＜10d)低pH(7.58)暴露还可导致岩瓷蟹胚胎的耗氧率和干重分别降低11%和6%。而岩瓷蟹幼体通过从蛋白质到脂类的代谢基质转变,避免了幼体在代谢、干重、蛋白质或脂类水平的显著波动。然而,酸化导致岩瓷蟹幼蟹的氮含量减少了7%,C/N比增加了6%,这可能会影响幼蟹的生长[23]。如果延长酸化时间到40d以上,岩瓷蟹溞状幼体的心率下降20%,但幼体的存活率仍然不受影响。长时间(49d)酸化却引起岩瓷蟹幼蟹的存活率下降约30%[22]。这意味着岩瓷蟹对海洋酸化的耐受性是暂时的,长期酸化对蟹类的生存可能是一个严重的威胁[24]。

也有研究者聚焦于广温性但偏冷的蜘蛛蟹(Hyas araneus)。如Walther等[25]研究发现当不同纬度的(黑尔戈兰岛54°N;斯瓦尔巴特群岛79°N)蜘蛛蟹溞状幼体暴露到酸化水体时,特别是3000 μatm的CO2时,碳氮比下降、发育时间延长和生长减慢。这些影响在斯瓦尔巴特蜘蛛蟹溞状幼体Ⅰ期和黑尔戈兰蜘蛛蟹大眼幼体期最为显著。Schiffer等[21,26]的研究也得到了类似结论,即如果在蜘蛛蟹胚胎发育期被暴露到高CO2分压(3100 μatm)的海水中后,可导致蜘蛛蟹溞状幼体Ⅰ期死亡率升高,发育时间延长,而耗氧率下降。在钙水平上,710 μatm酸化海水仅在酸化刚开始时导致黑尔戈兰和斯瓦尔巴特蜘蛛蟹大眼幼体钙含量的下降,随后很快恢复到正常水平,斯瓦尔巴特蜘蛛蟹大眼幼体的钙含量的恢复速度更快。3000 μatm酸化海水可引起这两种蟹溞状幼体Ⅰ期和Ⅱ期的钙含量下降,然而有趣的是,随着温度的升高,3000 μatm酸化海水导致斯瓦尔巴特蜘蛛蟹大眼幼体钙含量的升高[27]。

相比于前面三种蟹,对其他蟹类的研究报道比较有限,但也证明了海洋酸化对蟹类代谢和生长等方面的负面影响。如天鹅绒梭子蟹(Necora puber)在高CO2分压条件下,也像岸蟹一样积累以维持pH的稳定,该过程消耗的能量使天鹅绒梭子蟹的代谢被抑制,生长被延缓[28,29]。同样,珍宝蟹(Metacarcinus magister)应对酸化(3250 μatm)的方

尽管较长期(95d)酸化(pH 7.8和pH 7.5)对红皇蟹(Paralithodesca mtschaticus)幼蟹的钙化水平没有显著影响,但可导致红皇蟹幼蟹的死亡率达到100%[31]。较短期(一个月)酸化(pH 7.7)会诱导红皇蟹胚胎的眼睛变大,卵黄变小以及母蟹孵化期变长,这些胚胎孵化出的幼体体态较长,存活率下降[32]。较长期(98d)酸化(pH 7.6)也诱导了寄居蟹(Pagurus cirniticornis)幼蟹死亡率的显著提高[33]。酸化海水也显著延缓首长黄道蟹(Cancer magister)胚胎和早期幼体的发育,导致幼体的死亡率升高[34]。酸化海水还能导致佛罗里达石蟹(Menippe mercenaria)的孵化成功率降低28%,但孵化的幼蟹在形态上却无明显差异[35]。酸化海水(pH 7.8和pH 7.5)也能负面影响拜氏雪蟹(Chionoecetes bairdi)幼蟹的生长、存活和钙化水平[32]。Meseck等[36]通过观察暴露到酸化海水(pH 7.5和7.8)长达2年的拜氏雪蟹成蟹的血细胞,发现血细胞总量没有显著变化,但pH 7.5海水导致拜氏雪蟹死亡的血细胞数量明显增加,而且死细胞的凋亡速度明显高于清除速度。

海洋酸化不仅影响了浅层水域的蟹类,也影响了深海蟹。如24h的短期酸化(pH 7.1)可导致深海雪蟹(Chionoecetes tanneri)血淋巴的酸碱平衡遭到破坏,碳酸氢盐积累量仅为3 mmol/L,pH降低0.32个单位,引起酸中毒。但在24h后,深海雪蟹通过从周围环境中积累12 mmol/L碳酸氢盐,恢复了血淋巴的pH[37]。

1.2 海洋酸化对蟹类表型和行为的影响

尽管目前大量的研究集中于海洋酸化对蟹类生长发育和生理生化的影响,但有些研究者开始关注蟹类的表型和行为。如任志明等[38]发现三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)幼蟹甲壳微刺的排列方式会随着海水中CO2分压(380、750和1500 μatm)的提高而简单化,由正常的2—3个微刺排列逐渐变为单个微刺排列,甲壳中的甲壳素含量开始升高,甲壳厚度变薄,减少到正常蟹的70%,这些表型变化可能对梭子蟹猎食与防御天敌等方面造成负面影响。在行为方面,海洋酸化可通过抑制或改变嗅觉、觅食以及对周围环境的判断,从而改变蟹类的感觉和行为。如酸化海水(pH 6.8)可降低寄居蟹(Pagurus bernhardus)从次优寄居壳换成优质寄居壳的可能性,延长寄居蟹换壳的时间,酸化海水也显著降低寄居蟹触角的闪动速率和运动[39,40]。高CO2分压(750和3000 μatm)可引起蜘蛛蟹的活动能力下降,活动范围缩小,继而影响繁殖、觅食和反掠夺能力[41]。而对于大西洋青蟹(Panopeus herbstii)成蟹,高CO2分压(785 and 9274 μatm)胁迫71d可显著影响其捕食行为,缩短对猎物的消费和处理时间,以及不成功捕食尝试的持续时间[42]。高CO2分压(1200和2300 μatm)也影响了食用黄道蟹(Cancer pagurus)成蟹对食物的选择性,更倾向于选择粒径较小的贝类。同时也显著减低黄道蟹的取食率与捕食有效性,显著延长黄道蟹的觅食时间,破碎、处理和食用贝类的时间。这些影响随着酸化程度的提高而加剧,并在酸化解除2周内仍未恢复[43]。对于三疣梭子蟹Ⅰ期幼蟹,72h的酸化海水(750和1500 μatm)胁迫即引起幼蟹的焦虑行为,如群体整体的平均运动速度加快,对生活区域的巡视搜索加快,更趋向于黑暗环境[38]。

2 海洋酸化对蟹类的影响机制

2.1 海洋酸化对蟹类生理的影响机制

海洋酸化导致海洋生物体细胞内外积累高浓度的CO2,引起生物体呼吸酸化[44],降低血蓝蛋白对氧气的亲和力,从而造成心脏细胞受损、CO2中毒、肌肉收缩受阻以及各种生理过程变化,如酸碱调节和代谢活性的变化,最终影响生物的生长、发育和存活[24,45—47]。在高CO2分压下维持胞外pH有助于血碳酸过多症时胞内pH的稳定,才能确保最佳的酶功能。而维持胞外pH的最佳方法就是提高胞外的浓度,非碳酸氢盐缓冲作用和离子-交换方式是提高胞外浓度的两种方法[5,15,17,29]。当非-碳酸氢盐缓冲能力降低时,pH的稳定就需要借助与酸碱相关的离子交换作用[5,48]。离子交换包括离子交换、Na+/K+离子交换和H+-ATPase,主要发生在蟹类鳃[49,50]或触角腺[51]。当海水中CO2浓度升高时,CO2会顺着浓度梯度进入鳃细胞,在碳酸酐酶作用下被转化成一个假定的载体作用下,进入血淋巴,其中载体提供能量[52]。而H+则在V-型H+-ATPase作用下被泵出鳃细胞。尽管少量的甲壳溶解有助于胞外的积累[53],但活跃的传递机制主导了蟹类的缓冲作用。如热液喷口蟹(Xenograpsus testudinatus)在受到低pH(6.5)胁迫时,就是通过提高鳃上皮细胞中Na+/K+-ATPase和V-型H+-ATPase活性,以实现血淋巴中的累积[50]。这种通过酸碱等价的阳离子(如H+)和阴离子(如)运输直接与反荷离子(如Na+和Cl-)运输相关联,表明甲壳类动物的酸碱平衡和渗透调节具有紧密相关性[54,55]。Fehsenfeld等[56]报道了7d酸化(6810.3 μatm)引起了岸蟹鳃组织中与超渗透适应性响应有关的钙激活的氯通道、超极化激活的核苷酸门控的钾通道、四聚氰胺通道和整联蛋白基因表达的显著变化,以及一个假定的突触融合蛋白-结合蛋白和SLC4家族的交换蛋白基因表达的显著差异,进一步说明了酸碱平衡和渗透调节之间的协同关系。

鳃细胞中与渗透调节相关的基因表达、酶活性和代谢物水平的变化可引发能量转化和流向的波动[50,57],继而引发与能量相关的各种生理和代谢的变化。如高CO2分压(3300 μatm)导致蜘蛛蟹鳃中氧化磷酸化相关基因和热激蛋白基因表达的上调[58],从而引起能量代谢和应激反应的变化。又如岩瓷蟹幼体在受到酸化海水(pH 7.58)胁迫时,其分解代谢的底物由以脂类为主变为以蛋白质为主[23]。脂类在蟹类的生长和发育中具有重要作用,也能为蟹类响应环境压力时提供ATP[59],而蛋白质合成是一个耗能过程,一般在水生无脊椎动物的代谢受到抑制时其合成下降[60]。岩瓷蟹幼体代谢底物的转变可能正是酸化引起的能量分流所致。

值得关注的是,OA一方面提高了蟹类为维持稳定pH所需的能量需求,另一方面却抑制了蟹类的氧气消耗,降低了ATP的生成量[16,23,61],进而引起能量依赖的渗透调节酶如Na+/K+-ATPase和V-型ATPase活性的降低[5,50]。如蓝蟹在受到OA(pH 7.3)胁迫后失去了ATPase在渗透调节中的作用[62],在这种情况下,自由氨基酸含量升高了,可能承担起渗透调节作用[41]。此外,甘氨酸和脯氨酸等渗透调节物质水平在岸蟹受到极端的超高CO2分压(2600、16000和30000 μatm)胁迫时显著降低,可能也与岸蟹的渗透平衡有关[63]。这些OA导致的能量波动通常以损害蟹类正常生长和行为为代价[33,42,61]。

2.2 海洋酸化对蟹类行为的影响机制

目前对海洋酸化影响蟹类行为失常有三种解释。一是前面所述的以Pörtner[61]为代表的能量说,即海洋酸化诱导的系统性生理变化引起可利用能量的减少或代谢改变,从而影响正常的行为。二是Nilsson等[64]提出的神经机制,即酸化是通过改变海洋生物的神经功能,特别是γ-氨基丁酸(GABA)的作用来影响海洋生物的行为。GABA是一个普遍存在的神经递质抑制剂。在正常情况下,GABA结合到离子型GABAA受体,导致GABAA受体打开,阴离子(即Cl-)进入神经细胞,引起神经细胞超极化。当环境pH降低时,许多鱼类和甲壳类动物为了避免酸中毒,开始积累胞外离子同时消耗/交换Cl-到外界环境中[65,66]。胞外Cl-的减少改变了细胞膜内外的电化学梯度,Cl-借此通过GABAA受体从神经细胞出来,引起神经细胞去极化,从而导致海洋生物行为的变化。有研究报道,GABAA受体阻断剂gabazine能消除酸化对脊椎动物和无脊椎动物行为的影响[64,67],但Hamilton等[68]却发现gabazine并不能消除酸化对裂吻平鲉(Sebastes diploproa)幼鱼的焦虑。Charpentier和Cohen[69]也发现GABA参与了亚洲食草蟹(Hemigrapsus sanguineus)幼体对利它素的识别,gabazine只是导致亚洲食草蟹失去检测/处理利它素的能力,因此GABA与酸化所导致的行为变化无关。然而,任志明等[70]的研究显示,三疣梭子蟹幼蟹在暴露到酸化海水(750和1500 μatm)后,编码GABAA受体结合蛋白的基因的表达量显著上调,提示该结合蛋白可能参与了GABAA受体在响应海水酸化中的作用。

第三种对海洋酸化影响行为的解释是基于信号传导机制。蟹类作出行为反应需要信号分子对受体的激活,这些信号分子具有特定的功能基团、电荷、构型、疏水性和弹性[71]。当这些特性被低pH显著影响时,就不能激活受体,从而影响蟹类正常的行为。如在岸蟹中,7d的低pH(7.7)导致三肽和二肽信号分子(氨基乙酰基-L-组胺酰-L-赖氨酸、氨基乙酰基-氨基乙酰基-L-精氨酸和L-亮氨酰-L-精氨酸)的质子化以及构型和电荷分布的变化,降低信号分子的专一性,导致信号分子与其他信号受体的错配,影响真正信号受体的激活,从而影响岸蟹对卵的划水增氧行为[72]。这两个三肽物质及其结构类似物同样介导了青蟹(Rhithropanopeus harrisii)[73]和蓝蟹(Callinectes sapidus)[74]对卵的划水增氧行为。肽信号分子还参与蟹的幼体释放[75]和寄居蟹新壳的定位[76]。此外,信号受体特别是其活性位点也表现出对pH的敏感性,在低pH条件下被质子化,从而影响与配体结合时分子间作用力(如氢键结合力和静电作用力)的数量、类型和匹配。然而,通过提高信号分子的浓度可以缓解海洋酸化对蟹类行为的影响[77,78]。

尽管这三种酸化对蟹类行为影响的机制各不相同,但已有学者倾向于认为,OA对蟹类行为的影响是一个动物生理和代谢以及信号传递和行为决定共同参与的多因子作用结果[79]。如Haye等[39]认为蜘蛛蟹在海水酸化胁迫时表现出的触角摆动速率降低,对气味源定位的成功率降低以及整体活动能力的下降,不仅与离子调节被破坏有关,也与化学信息接收被阻断有关。

3 展望

当前海洋酸化的程度还不至于引起严重的对生物个体、种群、群落甚至生态水平的影响,而且绝大部分研究局限于实验室模拟和特殊生境(如热液喷口和潮间带),但人类活动干扰下的海洋酸化对海洋物种未来的适应性和种群动态将是一个巨大的考验[34]。要减少或消除海洋酸化的影响,首先要从源头抓起,即减少人类活动产生的碳排放量,这可能更多地取决于各国政府的政治决策和对环境的保护力度,还需要每个人的共同参与和努力。其次,从科学研究角度,需要研究者更深入全面地了解海洋酸化对海洋生物在生理和行为等方面的影响,揭示由此可能导致的各营养级生物之间的连锁反应,甚至对整个生态系统的影响。如海水酸化一方面负面影响了大西洋青蟹的捕食行为,但同时也影响了其食物牡蛎(Crassostrea virginica)的钙化率,这可能有助于大西洋青蟹对牡蛎的捕食[42]。另外,CO2排放量增加不仅仅是海洋环境问题,同时也带来全球变暖的气候问题,因此研究者还需关注多因子协同作用对海洋生物的联合效应[41]。如高CO2分压影响了蜘蛛蟹对温度的耐受性。710和3000 μatm酸化海水不同程度地降低了蜘蛛蟹成蟹对高温的适应性,从正常的25℃以上下降到23.5℃(710 μatm)和21.1℃(3000 μatm)[80]。尽管蜘蛛蟹溞状幼体的不同发育阶段对温度的耐受性存在差异,但高CO2分压(3300 μatm)均促使幼体对热的耐受温度变窄[58]。此外,无论是蟹类还是其他甲壳类动物,其鳃和肠道等组织栖息着数量庞大的微生物,这些微生物在宿主的营养和健康状态[81,82]及免疫和抗病能力[83]都发挥着中心地位作用。因此,研究这些微生物在蟹类应对海洋酸化中的协同作用有助于准确分析海洋酸化对海洋甲壳类动物的影响。