(中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所,中國(guó)科學(xué)院 海洋生物資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510301)

工業(yè)革命以來(lái),化石燃料燃燒等人類活動(dòng)向大氣中排放了大量的 CO2等溫室氣體,導(dǎo)致大氣中CO2濃度持續(xù)上升,由此引起的全球氣候逐漸變暖已成為當(dāng)今人類面臨的最重要的環(huán)境問(wèn)題之一[1]。世界氣象組織(WMO)與聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)建立的政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)表的研究報(bào)告稱大氣中的 CO2濃度已經(jīng)由工業(yè)革命前的 280 ppm上升到2007年的385 ppm[2]。海洋是一個(gè)巨大的碳庫(kù),在全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用,自工業(yè)革命以來(lái),海洋已經(jīng)吸收了人類活動(dòng)所排放CO2總量的1/3以上,對(duì)緩解全球變暖起了重要的作用[3]。海洋中的 CO2系統(tǒng)主要以碳酸氫根離子存在,并與海水中的碳酸、CO2(溶解態(tài))、CO2(氣態(tài))及碳酸根離子維系著一連串的化學(xué)平衡,形成碳酸鹽緩沖體系。更多的CO2溶解于海水中與海水發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生大量碳酸鹽和氫離子,導(dǎo)致海洋碳酸鹽化學(xué)平衡體系改變和表層海水 pH 值降低,酸性增強(qiáng)[4-5]。CO2濃度增加還將導(dǎo)致海水中CO23-濃度減少、碳酸鹽礦物過(guò)飽和程度降低和溶解度增加以及飽和度等于 1的碳酸鹽礦物飽和深度變淺,海洋上層適合鈣質(zhì)生物生存的空間會(huì)越來(lái)越小[5]。海水的這些變化將會(huì)影響很多生物物種,擾亂海洋食物鏈,打破海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡,引起另一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題“海洋酸化”[6]。2003 年,“海洋酸化”問(wèn)題第一次在《Nature》上被提出來(lái),隨后引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注,成為當(dāng)今國(guó)際海洋科學(xué)研究前沿領(lǐng)域的重要內(nèi)容[7-8]。

海水中CO2濃度增加導(dǎo)致海洋的平均pH值從工業(yè)化前的8.2降低到了目前的8.1。pH值是在對(duì)數(shù)層面上進(jìn)行測(cè)算的,衡量的是水中氫離子的數(shù)量,0.1個(gè)單位的降低意味著氫離子增加了 30%。如果不采取 CO2減排措施,預(yù)計(jì)到 2100年,大氣中CO2濃度將達(dá)到750 ppm,由此引起的海洋平均pH值下降可能達(dá) 0.3～0.4;到 2300年,大氣中 CO2濃度將達(dá)到1900×10–6,引起海洋 pH 值下降可能高達(dá) 0.7,幅度會(huì)超過(guò)過(guò)去 3 億年間的變化(降低 0.6),后果會(huì)類似于地球歷史上如隕石打擊或?yàn)?zāi)難性的甲烷水合物排放那樣的偶發(fā)災(zāi)難性事件[7-8]。

海洋貝類分布廣泛,數(shù)量巨大,種類繁多,是海洋食物網(wǎng)的重要組成部分,在海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有極其重要的作用,對(duì)海洋物質(zhì)循環(huán)及能量流動(dòng)起著不可估量的作用,另一方面,很多種類與人類關(guān)系密切,是人類重要的食物來(lái)源,具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[9-10]。海洋貝類在幼蟲(chóng)階段對(duì)外界環(huán)境的變化比較敏感,而幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)及存活情況對(duì)種群的可持續(xù)發(fā)展非常重要[11]。鑒于海洋貝類幼蟲(chóng)的重要性,探明海洋酸化對(duì)海洋貝類幼蟲(chóng)的影響尤為關(guān)鍵。但迄今為止中國(guó)關(guān)于海洋酸化對(duì)海洋貝類幼蟲(chóng)影響的研究尚未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。

馬氏珠母貝(Pinctada martensiiDunker)又稱合浦珠母貝,主要分布在中國(guó)廣東、廣西、海南、福建東山以及日本沿海[12]。其所產(chǎn)珍珠產(chǎn)量占中國(guó)整個(gè)海水珍珠產(chǎn)量的 95%以上,具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,還有重要的生態(tài)意義[13]。作者開(kāi)展了海洋酸化對(duì)馬氏珠母貝受精及幼蟲(chóng)生長(zhǎng)、存活影響等的研究,為海洋酸化對(duì)海洋生物影響的研究積累資料,同時(shí)為國(guó)家制定相關(guān)的環(huán)境保護(hù)政策提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2010年6月28日從廣東省深圳市大亞灣海區(qū)養(yǎng)殖的馬氏珠母貝中挑選性腺成熟,貝體健康的個(gè)體作為親貝[殼長(zhǎng)(5.31 ± 0.33)cm;殼高(5.58 ± 0.30)cm;質(zhì)量(2.48 ± 0.39) g],入池促熟。

1.2 CO2酸化海水的制備

根據(jù)預(yù)測(cè),大氣中 CO2濃度在 2100年和 2300年將分別達(dá)到750ppm和1900ppm,由此導(dǎo)致海洋的平均pH值分別下降約0.4和0.7[7-8]。本研究擬設(shè)置7.7和7.4兩個(gè)pH值梯度。構(gòu)建CO2充氣系統(tǒng),將高純 CO2分別通入容量為 10 L盛有海水的水族箱中,制備成不同pH值的CO2酸化海水,以正常海水為對(duì)照組(pH值約為8.1)[14]。用pH計(jì)監(jiān)測(cè)每個(gè)水族箱中pH值的變動(dòng)情況,每天測(cè)定各水族箱中pH值3次,以保持各試驗(yàn)組pH值的穩(wěn)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)三個(gè)組:pH8.1、pH7.7和pH7.4,每組設(shè)5個(gè)重復(fù)。7月1日在水溫為27℃,鹽度為31.50‰,pH分別為 8.1、7.7和7.4的條件下解剖取精卵進(jìn)行受精,觀察受精情況。在實(shí)驗(yàn)的第24小時(shí)在每個(gè)試驗(yàn)組取等量 D形幼蟲(chóng)作為實(shí)驗(yàn)材料,分別放置在pH8.1、pH7.7和pH7.4條件下,每組設(shè)5個(gè)重復(fù)。觀察各組幼蟲(chóng)生長(zhǎng)、存活及畸形情況,幼蟲(chóng)培養(yǎng)容器為 1 L的玻璃燒杯,幼蟲(chóng)初始培養(yǎng)密度均為 2～3個(gè)/mL。

1.4 幼蟲(chóng)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)的第2、4、8、24、36、48小時(shí)從每組中取等量海水,用4%甲醛固定,在顯微鏡下觀察第2、4、8小時(shí)受精情況,統(tǒng)計(jì)受精率。在顯微鏡下用目微尺測(cè)量第24、36、48小時(shí)幼蟲(chóng)的殼長(zhǎng)和殼高;觀察并記錄幼蟲(chóng)的密度、畸形情況等,每組每次測(cè)量50個(gè)幼蟲(chóng)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

存活率RS的計(jì)算公式為:

式中,d1代表各時(shí)間點(diǎn)幼蟲(chóng)的密度;d0代表實(shí)驗(yàn)初始時(shí)幼蟲(chóng)的密度?；温蕿槟骋粫r(shí)期畸形個(gè)體數(shù)占測(cè)量總個(gè)體數(shù)的百分率。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 13.0軟件處理,對(duì)不同組別幼蟲(chóng)在同一時(shí)間點(diǎn)的殼長(zhǎng)、殼高、存活率、畸形率等數(shù)據(jù)作單因素方差分析 (ANOVA),用 post hoc Turkey多重比較法分析其同一時(shí)間點(diǎn)在不同組別間的差異顯著性。

2 結(jié)果

在不同pH條件下馬氏珠母貝的受精率見(jiàn)圖1。從圖1可以看出,在pH為8.1的海水中馬氏珠母貝的受精率自實(shí)驗(yàn)開(kāi)始逐漸升高,在實(shí)驗(yàn)的第8小時(shí)達(dá)到(82.55 ± 6.09)%。在由CO2酸化的pH為7.7的海水中馬氏珠母貝的受精率緩慢升高,其變化范圍是 77.60 ± 3.59～78.65 ± 5.15。在由 CO2酸化的 pH為 7.4的海水中馬氏珠母貝受精率的變化趨勢(shì)與其他組別的變化趨勢(shì)相似,但其值小于同期其他組受精率的值。在同一時(shí)間點(diǎn)下,不同pH下馬氏珠母貝的受精率差異不顯著。

圖1 馬氏珠母貝在不同程度CO2酸化海水中的受精率Fig.1 Fertilization rates in control (pH 8.1) and low pH(pH 7.7 and pH 7.4) seawater of Pinctada martensii

由圖2可見(jiàn),各組幼蟲(chóng)殼長(zhǎng)的值在實(shí)驗(yàn)期間均逐漸升高,pH 8.1試驗(yàn)組幼蟲(chóng)的殼長(zhǎng)大于同期其他兩組幼蟲(chóng)殼長(zhǎng)的值,而pH 7.4試驗(yàn)組幼蟲(chóng)的殼長(zhǎng)小于同期其他兩組幼蟲(chóng)殼長(zhǎng)的值。pH為7.7和7.4條件下生長(zhǎng)的馬氏珠母貝幼蟲(chóng)殼長(zhǎng)在第24、36、48小時(shí)與pH 8.1海水中生長(zhǎng)的馬氏珠母貝幼蟲(chóng)殼長(zhǎng)差異顯著。

圖2 不同程度CO2酸化海水中殼長(zhǎng)的變化Fig.2 Variation of the shell lengths in control (pH 8.1) and low pH (pH 7.7 and 7.4) seawater

各組幼蟲(chóng)殼高的變化趨勢(shì)與殼長(zhǎng)的變化趨勢(shì)相似。由圖3可以看出pH 8.1海水中幼蟲(chóng)殼高在實(shí)驗(yàn)的第48小時(shí)為(65.85 ± 0.74)μm。pH 7.7海水中幼蟲(chóng)殼高的變化范圍是(63.16 ± 3.17) μm～(64.66 ± 1.33)μm。pH 7.4及7.7海水中幼蟲(chóng)殼高小于同期pH 8.1海水中幼蟲(chóng)的殼高。在實(shí)驗(yàn)的第24、36、48小時(shí),pH 7.7和7.4海水中幼蟲(chóng)殼高與pH 8.1海水中幼蟲(chóng)的殼高差異顯著。

圖3 不同程度CO2酸化海水中殼高的變化Fig.3 Variation of the shell heights in control (pH 8.1) and low pH (pH 7.7 and 7.4) seawater

各組幼蟲(chóng)的存活率均在實(shí)驗(yàn)的第24小時(shí)呈現(xiàn)最大值(圖4)。在pH 8.1海水中,幼蟲(chóng)的存活率在實(shí)驗(yàn)的第24～48小時(shí)期間沒(méi)有變化。在pH 7.7海水中,幼蟲(chóng)的存活率緩慢下降,在實(shí)驗(yàn)的 36～48小時(shí)期間與同期pH 8.1海水中幼蟲(chóng)的存活率差異不顯著。在pH 7.4海水中,幼蟲(chóng)的存活率在第36～48小時(shí)期間比其他兩組幼蟲(chóng)的存活率低,在實(shí)驗(yàn)的第36、48小時(shí)與其他兩組幼蟲(chóng)的存活率差異顯著。

圖4 幼蟲(chóng)在不同程度CO2酸化海水中存活率的變化Fig.4 Variation of the survival rates in control (pH 8.1)and low pH (pH 7.7 and 7.4) seawater

pH 8.1海水中的幼蟲(chóng)在實(shí)驗(yàn)期間無(wú)畸形個(gè)體出現(xiàn)(圖5)。pH 7.7海水中幼蟲(chóng)畸形率的變化范圍為0～(1.86 ± 0.34)%,在實(shí)驗(yàn)的第36、48小時(shí)與pH 8.1海水中幼蟲(chóng)的畸形率差異顯著。pH 7.4海水中幼蟲(chóng)的畸形率在實(shí)驗(yàn)的第48小時(shí)達(dá)到最大值 ((2.41 ±0.21)%)。pH 7.4海水中幼蟲(chóng)的畸形率在第24～48 小時(shí)期間高于同期其他兩組幼蟲(chóng)的畸形率,且與同期其他兩組幼蟲(chóng)差異顯著。

圖5 幼蟲(chóng)在不同程度CO2酸化海水中畸形率的變化Fig.5 Variation of the deformity rates in control (pH 8.1)and low pH (pH 7.7 and 7.4) seawater

3 討論

本研究是國(guó)內(nèi)第一次探討海洋酸化對(duì)海洋貝類受精的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示海水酸化至pH 7.4對(duì)馬氏珠母貝的受精率沒(méi)有顯著影響。Havenhand等[14]研究發(fā)現(xiàn)海水酸化對(duì)長(zhǎng)牡蠣(Crassostrea gigas)精子的活力和受精沒(méi)有影響。Kurihara等[15](研究顯示長(zhǎng)牡蠣的受精率在 CO2酸化的海水中下降。Frommel1等[16]研究表明 CO2引起的海水 pH下降對(duì)波羅的海鱈魚(yú)精子的活力沒(méi)有顯著影響。Havenhand等[17]研究發(fā)現(xiàn)紫海膽(Heliocidaris erythrogramma)在CO2酸化的海水中受精率下降。Kurihara等[18]認(rèn)為不同程度的海洋酸化對(duì)不同種的貝類以及相同種貝類不同群體的影響是不同的。這種現(xiàn)象可能是由于不同種貝類遺傳水平的差異所引起的其對(duì) CO2耐受能力的不同。

從試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看,雖然pH 7.7和pH 7.4海水中的馬氏珠母貝幼蟲(chóng)均能發(fā)育,但其受海洋酸化的影響程度卻有明顯的變化,pH 7.7和pH 7.4組的生長(zhǎng)顯著慢于 pH8.1組,這說(shuō)明幼蟲(chóng)的生理機(jī)能發(fā)生了改變。馬氏珠母貝幼蟲(chóng)的骨骼是由碳酸鈣構(gòu)成的,作者推測(cè)幼蟲(chóng)生長(zhǎng)變慢是由于在低 pH值下碳酸鈣同化率下降。這與 Kurihara等[15]在長(zhǎng)牡蠣幼蟲(chóng)中的研究結(jié)果一致。Miller等[19]報(bào)道,美洲牡蠣在pH 7.7條件下培養(yǎng)96 h至30 d,生長(zhǎng)速度顯著下降,然而同樣條件下培養(yǎng)的近江牡蠣生長(zhǎng)速度沒(méi)有顯著變化。

隨著發(fā)育時(shí)間的延長(zhǎng),pH 7.4組幼蟲(chóng)對(duì)酸化海水的耐受性逐漸下降,表現(xiàn)為其生長(zhǎng)速度下降的同時(shí),畸形率和死亡率顯著升高。Kurihara等[18]報(bào)道在無(wú)脊椎動(dòng)物中 1000 ppm CO2酸化的海水使胚胎發(fā)育的時(shí)間延長(zhǎng),從而降低這些種類胚胎的生存能力。就酸化海水與幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育和存活關(guān)系來(lái)看,海水酸化至少有兩方面的作用:(1)通過(guò)影響幼蟲(chóng)生理代謝過(guò)程中的能量收支,從而影響幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)存活。低pH環(huán)境中的幼蟲(chóng),新陳代謝的大部分能量用于維持滲透壓調(diào)節(jié)等,而用于維持生長(zhǎng)的能量減少了,從而導(dǎo)致生長(zhǎng)放慢或停止;(2)通過(guò)改變幼蟲(chóng)生命活動(dòng)中酶的活性,影響代謝率,從而影響幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育。因?yàn)殡S著發(fā)育的進(jìn)行,細(xì)胞增殖逐漸加快,而酸化環(huán)境促使代謝過(guò)程中的酶活性下降,因此用于抵抗外界環(huán)境的能量減少,導(dǎo)致幼蟲(chóng)死亡[10]。攝食是被海洋酸化影響的重要生理代謝因子之一。眾所周知,食物是否充足顯著影響無(wú)脊椎動(dòng)物的生長(zhǎng)存活及幼蟲(chóng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此海洋酸化對(duì)攝食的影響可以很好的解釋其對(duì)生長(zhǎng),存活和其他需要能量的生理代謝過(guò)程如鈣化等的影響[8]。Dupont 等[20]報(bào)道低 pH值下棘皮類動(dòng)物幼蟲(chóng)的攝食率顯著低于對(duì)照組。據(jù)Kurihara 等[21]對(duì) pH 值與海膽幼蟲(chóng)之間的影響關(guān)系的研究,低pH值海水中海膽幼蟲(chóng)小于對(duì)照組,而個(gè)體小的幼蟲(chóng)攝食幾率小于個(gè)體大的幼蟲(chóng),更容易受到饑餓困擾。因此,CO2通過(guò)影響幼蟲(chóng)食物的獲得情況來(lái)降低其環(huán)境適應(yīng)性。關(guān)于海洋酸化對(duì)馬氏珠母貝生長(zhǎng)發(fā)育影響的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

綜上所述,海洋酸化對(duì)馬氏珠母貝幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的影響,這種對(duì)幼蟲(chóng)群體的干擾將極大改變成年群體的數(shù)量,因此我們觀察到的海洋酸化對(duì)馬氏珠母貝幼蟲(chóng)的影響將會(huì)對(duì)其種群動(dòng)態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生潛在的影響。鑒于海洋貝類在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位及其顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。需開(kāi)展更進(jìn)一步的研究來(lái)揭示不同種貝類在遺傳及生理等水平上對(duì)海洋酸化的響應(yīng)及適應(yīng)情況。

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