自然光照下三种淡水贝类张闭壳的活动特征

刘洪波，陈修报，杨健

（中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，中国水产科学研究院长江中下游渔业生态环境和资源养护重点实验室，江苏 无锡 214081）

全世界有记录的淡水贝类总计约19个科，206个属，1 026种[1]。它们是全球水体生物多样性和淡水生态系统中关键环节之一[2]。湖泊系统通常拥有较高的贝类物种多样性，如中国东南部的太湖就曾发现有贻贝科Mytilidae、蚌科Unionidae、截蛏科Solecurtidae、蚬科 Cobiculidae、球蚬科 Sphaeriidae等5科31种贝类，而河蚬Corbicula fluminea、三角帆蚌Hyriopsis cumingii和背角无齿蚌Anodonta woodiana是其中的优势种[3]。这三种双壳贝类分布广、底栖性、对化学污染物高敏感，常被当作哨兵生物（sentinel organism），长短期监测环境中各种污染物[7-10]，或为传统的水产品[4，5]，或为重要的育珠蚌[4,6]。然而，传统的物理化学监测法均需处死活蚌样本、复杂的消解或抽提等前处理和昂贵的大型精密设备，得到的渔业环境胁迫无法反映实时的监测情况和迅速的环境保护决策。因此，20世纪70年代Cairns等提出了一种基于贝类或其他水生生物，在线或离线实时环境生物监测的生物早期预警系统（biological earlywarningsystem，BEWS）[11,12]。他设计了一种既能看到实时图像又可定量记录相关数据的自动监测装置，可持续监测活体水生生物的行为变化或反应（如贝壳运动昼夜节律变化[13]，游泳的逃避行为[14]或其他在不同生境下的行为、生理反应等）。双壳贝类非常符合BEWS的监测生物标准[15]。目前可利用附着在贝体的霍尔元件传感器（Hall element sensor）来测量贝壳运动，再依据建立贝开闭壳运动与水环境胁迫之间的对应关系来解析和评价环境条件的优劣。目前，以贝类作为感应生物所建立的BEWS系统在水环境质量的监察中发挥着越来越重要的作用[16]；但我国尚未见相关研究。正常情况下，贝类一般会长时间张壳呼吸或摄食，而受环境胁迫时会闭壳，且闭壳时间较长[15]。迄今，当作BEWS系统哨兵生物而用于持续和自动监测海洋环境的贝类有：紫贻贝Mytilus edulis、爱神蛤Astarte borealis、合浦珠母贝Pinctada fucata、菲律宾蛤仔Ruditapes philippinarum、太平洋贻贝Mytilus trossulus、欧洲大扇贝Pecten maximus和欧洲鸟尾蛤Cerastoderma edule等[16-19]。但淡水贝类的相关研究鲜有报道。

淡水贝类对水体环境的变化非常敏感，应答快速[15]。濒危的淡水珍珠蚌Margaritifera margaritifera闭壳肌收缩的间隔时间≤0.5s，收缩反应最迅速[16]。自然水体的无齿蚌Anodonta anatine和肿胀珠蚌Unio tumidus[20]以及实验室养殖的河蚬[13,21]张闭壳规律不同。由闭壳肌调节的张闭壳节律对水物理因子的变动应答明显，如河蚬在19.1～22.4℃时常保持5～10h/d的闭壳，而在3.1～4.3℃时闭壳时间却长达10～12h/d[13]。光照也影响地中海扇贝 Pecten jacobaeus、石蛏Lithophaga lithophaga[22]和淡水无齿蚌和肿胀珠蚌贝类[20]的张闭壳节律，这可能与其光感细胞有关[22,23]。

本研究用霍尔元件传感器实时感应和记录了3h河蚬、三角帆蚌和背角无齿蚌在自然光照下正常的张闭壳运动，比较分析了尚难定量的相关行为（如呼吸行为）规律，以便了解不同贝类正常的张闭壳运动特征，为开发相关BEWS系统及监测装置积累基础数据。

1 材料和方法

1.1 材料

河蚬用拖网采自江苏省无锡市太湖的浅滩（N=3），体质量（6.78±0.72）g，壳长（26.43±1.36）mm，壳高（24.62±1.23）mm，壳宽（16.87± 0.72）mm（平均值±标准差），根据壳长判断均已成年[24]。三角帆蚌（N=4）采自浙江省武义市的养殖池塘，5月龄，体质量（3.04±0.4）g，壳长（34.62±1.73）mm，壳高（31.85±1.33）mm，壳宽（6.73±0.59）mm。背角无齿蚌（N=3）采自江苏省无锡市南泉镇本研究室的标准化养殖池塘，5月龄，体质量（2.38±0.45）g，壳长（30.77±1.63）mm，壳高（20.13±1.07）mm，壳宽（9.31±0.75）mm。试验贝在持续曝气的塑料桶（50 cm×35 cm×30cm）中，在室内自然采光下，用自来水暂养7d。暂养期间，隔天投喂小球藻（Chlorella IndustryCo.,Ltd.,Tokyo,Japan），48h换水 75%。室内温度用空调调至20℃左右，水温是18℃，pH7.9～8.2，溶解氧（DO）含量为 7.7～8.2 mg/L。

1.2 方法

贝壳运动的记录方法及装置见图1。霍尔元件传感器测量装置的型号为DC-104R（Tokyo Sokki Kenkyujo Co.,Attenuator Amplifier,Japan），连有 4 个10mm×10mm×4mm的方形霍尔元件感应探头和4个直径为6 mm的圆形磁铁，胶粘于贝壳上。根据贝壳的张闭状态，以μV为单位记录霍尔元素感应探头与圆形磁铁间的电势差，记录频次为6次/秒。

用聚乙烯树脂将霍尔元件感应头和圆形磁铁粘在贝壳的边缘后，再将感应头和磁铁蜡封3h以上使其完全干燥。特制的水槽（130mm×400mm×100mm）中放1L曝气的自来水和3～4个贝，水槽里的曝气水用FPC100-1515型蠕动泵（Cheap Sun Japan Co.,Ltd.,Japan）以150mL/min的速率循环使用。试验前及试验过程中停止喂食。

每天早9点开始记录数据。每个贝的输出电压（Vh）用计算机连续记录10 800s/3h。测定完成时，擦干贝壳上的水分，取下霍尔元件感应头和圆形磁铁，以备下次试验待用。

将霍尔元件传感器固定在尺子的0mm刻度处，移动磁铁使之与传感器形成5mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm、11 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、24 mm、30mm等一系列的距离，记录每个距离下计算机显示的输出电压。本试验的最大输出电压是3 820μV，距离最远时的输出电压为0μV。然后做输出电压和张壳距离的适配曲线，代入试验时获得的实际输出电压，经公式换算后即得贝的实际张壳距离（L）。公式（1）表示贝闭壳时霍尔传感器和磁铁之间的距离Lc，公式（2）表示张壳时霍尔元件传感器和磁铁之间的距离L，公式（3）表示L与Lc的差即张壳状态贝壳之间的张壳幅度或距离（amplitude ofvalve opening，AVO）[25]。

图1 双壳贝类张闭壳运动时霍尔元件传感器监测装置Fig.1 Monitor system of Hall element sensor for recording the valve movement of mussel

本研究中，贝壳急速闭壳后缓慢张开的过程被定义为一次收缩（图2）。连续计数上述收缩次数即得 3h的闭壳收缩频率（FVA）[19]。

图2 计算双壳贝壳交替出现张壳和闭壳状态及相应闭壳收缩频率的示意图Fig.2 A sketch diagram for counting the frequency of valve adduction （FVA） event from opening to closing of mussel shells

2 结果与分析

图3是3种贝类在3h自然光照条件下连续记录的张闭壳活动状况，显示了在无外界干扰的正常生活状态下，贝壳每30min的平均张壳幅度（AVO，mm）。图3中每一次从波谷至波峰的过程被记录为响应种类贝壳的闭壳收缩活动[19]，可计数试验期间每种贝类的收缩次数，除以所测贝类的个数即得该种贝类壳收缩频率（FVA）和不同蚌张壳幅度的平均值和标准差（表1）。

表1 河蚬、三角帆蚌和背角无齿蚌3h的闭壳收缩频率和张壳幅度Tab.1 The frequency of valve adduction （FVA）and amplitude of valve opening（AVO）in Corbicula fluminea,Hyriopsis cumingii and Anodonta woodiana for 3 h

图3 河蚬（CF）、三角帆蚌（HC）和背角无齿蚌（AW）3h内张壳幅度的变化Fig.3 Variations in amplitude of valve opening（AVO）in Corbicula fluminea （CF）,Hyriopsis cumingii（HC）and Anodonta woodiana（AW）for 3 h

如图3所示，正常状态下贝类的壳都小幅地张开。滤水、呼吸、排泄等引起贝壳张闭壳幅度大多在1 mm左右，但霍尔元件感应器已可敏感地捕捉到这些细微的变化，清晰地定量记录下来。

不同淡水双壳贝类的张闭壳运动有自身的特点。由表1可知，河蚬的平均AVO最大，而FVA最小。这是因为河蚬通常在长时间开壳之后，会进行一次短暂的贝壳收缩（大约3s）。虽然三角帆蚌和背角无齿蚌的开闭壳模式较为相似，即平均的贝壳收缩时间为10s左右；但其细微的差别是：背角无齿蚌的平均AVO和FVA比三角帆蚌大。

3 讨论

正常情况下，贝类一般长期小幅张壳，以进行呼吸或摄食；而在受到环境胁迫时则转为长时间闭壳[15]。因此，三种淡水蚌或长时间小幅张壳或频繁地开闭壳应是正常状态。需要注意的是，三角帆蚌和背角无齿蚌均为5月龄的幼蚌，而河蚬为成贝。幼蚌的生理活动可能比成贝更加频繁，即前两者的FVA要大于河蚬。三角帆蚌和背角无齿蚌幼蚌的FVA模式与紫贻贝和北极圆蛤Arctica islandica[26,27]相近。本研究中3种淡水贝类均不喂食，故FVA和AVO的差异更能反映出这3种贝类呼吸、排泄等生理活动规律的一些种间差异。

笔者在研究这三种贝在3h遮光下连续的张闭壳运动状况上[25]，发现河蚬受到黑暗刺激后会迅速闭壳1h以上，再恢复至与自然光照相似的开闭壳运动模式；背角无齿蚌的AVO则在0.03～1.02mm之间摆动，表现为波浪状的活动规律；变幅最小的是三角帆蚌，无论光照与否，其每30 min的平均AVO均在0.5～1.0mm之间。河蚬、三角帆蚌和背角无齿蚌在3h无光期间平均收缩频率（FVA）分别提高至42次、69次和51次，原因可能是贝类夜晚的排泄活动较为频繁[20]。

目前测量贝壳在各种环境下张闭壳活动模式的电子装置有两种：一种是由Schuring和Geense[15]发明的开关型，输出的图像是贝壳张闭引起的磁场强度变化，主要记录贝壳的张闭壳状态。这种记录仪在欧洲应用最广[11,15]，特别是突破了实验室的限制，可在排污口、海湾、码头等水域监测现场海洋环境的污染[17]。我国也有在实验室成功应用的先例[28]。另一类是本研究所用的线性型。线性型霍尔元件传感器的输出电压与外磁场强度呈线性关系[25,29]。输出的电压值转换后可直观地反应不同贝种的张壳幅度、闭壳收缩一次大约需要的时间和实验时间内的呼吸频次等。线性型霍尔元件传感器尺寸小、频响宽、在2～30Hz内有较好的线性度[16]，动态特性好，记录的信息量大而全面[18]。连续型基于贝壳开闭壳运动的霍尔元件传感器记录仪首先在日本的实验室里应用[18,19]。据2014年和2015年的实地考察，目前传感器记录仪的应用已从室内到了室外，有效推广到了沿海珠贝养殖区，用于辅助马氏珠母贝Pinctada fucata martensii的健康养殖。日本研究者根据记录到贝壳运动偏离正常背景的状况，成功地监测和避免了异甲藻Heterocapsa circularisquama赤潮、缺氧等有害海洋环境因素对养殖育珠贝类的不利影响。本研究为该连续型霍尔元件传感器在我国的首次应用探索。

利用双壳贝类霍尔传感系统（开关型和线性型）监测水体环境在我国才刚刚起步，发展和应用前景十分广阔[28]。特别是在线生物监测技术（Online Biomonitoring），能通过受试水生生物的运动反应或应答来实现在线水质监测，对慢性污染和急性重大水质污染事件等的早期预警具有良好的应用前景，在发达国家的环保部门已得到有效地利用[11]。这为我国今后进一步研究提供了思路和理论导向。本研究只是室内初步探索，还有大量的室内室外工作有待开展，但结果已显示出：开发基于双壳贝类霍尔传感系统的水体污染早期监测预警装置具有很大的潜力和可行，值得从广度和深度上继续探索。