海水盐度对厚壳贻贝呼吸和钙化的影响

2019-01-14徐晴晴

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2018年5期

徐晴晴，赵晟

（浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山 316022）

全球气候变暖已经成为世界各国关注的重要问题，根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告中指出1880-2012年期间全球陆地和海洋综合平均表面温度升高了0.85℃。发展低碳经济、减少CO2等温室气体排放、增加碳汇已成为世界各国减缓变暖趋势、进行可持续发展的必然选择[1]。海洋作为地球上第二碳库，大约吸收了35%的人为排放CO2。随着对海洋碳汇的深入研究，在国际社会的推动下，海洋碳汇逐渐成为人们应对气候变化问题、生物多样性的保护和可持续发展等全球治理热点领域的汇聚点。海洋贝类作为海洋物质流与能量流重要的驱动者，其滤食、呼吸和钙化作用对海洋碳循环特别是近海碳循环有着重要的作用。近海受陆地径流输入和大气降水的影响，盐度可能呈现出季节性的变化。胡登辉在对东海及黄海南部2003-2008年间5 a走航观测发现盐度最高为在冬季，大约值为34.55，受长江淡水输入的影响，向南盐度逐渐降低，夏季，由于降水集中使得沿岸冲淡水势力加强、范围扩大，东海北部以及黄海南部海表盐度最低[2]；而全球变暖导致两极冰川融化，将降低海水盐度[3]。近海盐度的变化可能对贝类钙化和呼吸产生影响，进而改变近海碳循环的格局。因此，认清盐度变化对贝类的贝壳钙化和呼吸产生哪种影响，将有助于人类对近海碳循环短期变化和长期变化进行预测。厚壳贻贝Mytilus coruscus属软体动物门Mollusca，俗称淡菜、青口，为温水性种，主要分布在我国黄海、渤海和东海沿岸，以浙江沿海资源量最大[4]。厚壳贻贝具有肉质鲜美、营养丰富、蛋白质含量高、生长繁殖快、抗病能力强、易于人工养殖等优点，是浙江舟山海域具有重要经济价值的养殖贝类之一[5]。本文主要以浙江舟山海域具有重要经济价值的养殖贝类[4-5]——厚壳贻贝为例，通过碱度异常技术（Alkalinity anomaly technique）研究其在不同盐度条件下的贝壳钙化率和呼吸率，并结合其养殖区的实际情况探究厚壳贻贝对近海碳循环的影响。

1 材料与方法

1.1 实验材料

厚壳贻贝于2016年2月取自浙江舟山东极青浜岛，清洗贝壳表面，除去污损生物后，驯养于40 L水箱中，其驯养海水为静置后取上层清澈的长峙岛近岸海水，全天曝气且1 d 1次完全换水，并每天定时投喂微绿球藻Nannochloris oculata，驯养1周后进行实验。驯养过程中，海水温度为17±0.5℃，pH为7.8±0.5，盐度为 30.0±0.4。驯养结束后，取壳长 67～75 mm，壳高 27～30 mm，平均湿重为 33.34±1.27 FWg的厚壳贻贝进行实验。

1.2 实验原理

本研究通过采用碱度异常技术研究厚壳贻贝在不同盐度条件下的钙化率和呼吸率的变化。碱度异常技术广泛应用在国内外对贝类、珊瑚等海洋生物的钙化速率的测定[6-8]研究中，主要是通过生物封闭式养殖过程中水体总碱度（TA）的变化，来估算生物的钙化速率。海洋贝类通过钙化反应，生成1 mol的碳酸钙，将会消耗2 mol的碳酸氢根离子，同时降低2 mol的TA。而贝类在进行呼吸作用时又将消耗1 mol的碳酸根离子，生成2 mol的碳酸氢根离子，由此水体中TA将不变。而在养殖过程中水体中的氮磷等营养盐浓度由于贝类的代谢活动将有所增加，使得水体TA发生微小的变化，但在计算过程中这些微小变化是可以忽略不计[9]。

因此，厚壳贻贝的钙化速率G（μmol/（FWg·h））可以用公式（1）表示：

其中：G为厚壳贻贝的钙化率（μmol/（FWg·h））；TAi和TAf分别表示养殖前后海水的TA（μmol/L）；V为养殖水体的体积（L）；M为厚壳贻贝的鲜重（FWg）；T为实验养殖时间（h）。

贝类钙化导致水体中溶解无机碳（DIC）含量下降，但是呼吸作用产生的CO2在水中生成HCO3-，又使水体中的DIC浓度增加。可见水体中DIC含量的变化是钙化和呼吸共同作用的结果，由此水体DIC变化量可以用公式（2）表示：

其中：ΔDIC表示养殖水体DIC的净变化量；ΔDICR和ΔDICG分别表示由呼吸和钙化引起的DIC变化；DICi和DICf分别表示养殖前后水体的DIC量。

同时，ΔDICG可用公式（3）表示为：

由此可推出，CO2呼吸率RC（μmol/（FWg·h））的表达式（4）为：

厚壳贻贝耗氧率Ro（μmol/（FWg·h））的表达式（5）为

1.3 实验与测定

实验海水取自舟山市长峙岛近海岸，盐度为30，静置沉淀并过滤后，通过添加NaCl分析纯试剂和自来水调至15、20、25、30和35共5个盐度梯度。配置的海水在使用前静置1 d。

实验开始前分别从各个梯度中利用虹吸法取海水水样进行对溶解氧（DO）、海水总碱度（TA）和溶解无机碳（DIC）浓度的测定。根据《GB17378.3-2007海洋监测规范》，其中DO水样取样后使用改进的Winkler法直接测定，TA水样用0.45 μm滤膜过滤后，加0.02%体积饱和氯化汞（HgCl2）溶液密封-20℃冷藏保存后测定，DIC水样加0.02%体积饱和HgCl2溶液直接顶空密封4℃冷藏保存后测定。实验前将每个盐度梯度海水取样3次，测定并计算其TA、DIC、DO平均值作为实验海水初始值。每个梯度设置1个空白对照组和5个平行组，在4 L呼吸瓶中分别充满相应盐度梯度的海水，每个平行组各放入3只贻贝，对照组无贻贝，放入后适应30 min后将瓶密封，静置2 h后取样测定养殖后水体DO、TA、DIC浓度，同时测每个瓶中贻贝的总湿重。

TA测定使用Smartchem200全自动化学分析仪采用pH法测定，测量相对偏差为±3 μmol/L。DIC测定使用的是由美国Apollo公司生产的AS-C3型溶解性无机碳分析仪（Total Dissolved Inorganic Carbon Analyzer）。其测定原理为在强酸的作用下，将海水中主要以H2CO3、HCO3-、CO32-形式存在的溶解无机碳统统转化为CO2气体后，通过高纯度载气N2经过干燥系统，后进入差分非色散红外分析仪-LI-7000分析仪，按照浓缩时间曲线计算积分面积，从而量化样品中CO2的总量，得出水样中的DIC浓度，其精密度≤±0.1%。

实验数据采用SPSS18.0统计软件进行单因素分析，其中P＜0.05为差异显著，并采用origin作图分析。

2 数据与结果

各盐度梯度的实验海水的初始条件数据见表1。2 h的培养时间后，由于厚壳贻贝的呼吸作用，呼吸瓶内实验水体的pH大约下降了0.1，DO下降了1.52～3.51 mg/L，由于厚壳贻贝的钙化作用，水中TA下降了19.87～37.01 μmol/L，同时在呼吸和钙化的共同作用下，水体中DIC含量上升了47.70～207.71 μmol/L。

表1 不同盐度下各实验的初始条件数据Tab.1 Initial condition data for each experiment under different salinity

根据上述公式（1）、（4）和（5）计算得其不同盐度下厚壳贻贝的钙化率、呼吸率和耗氧率见表2，可见厚壳贻贝的钙化和呼吸作用都受到盐度的显著影响（P＜0.05）。在养殖过程中厚壳贻贝的钙化率随着盐度的增加，呈现出先增加后减少的变化趋势，其中当盐度为25达到最高，为0.36±0.03 μmol/（FWg·h），低盐度（15）和高盐度（30、35）下钙化率相对较低，在盐度为35时其值最小，为0.19±0.04 μmol/（FWg·h）（表2和图1）。

表2 不同盐度下厚壳贻贝的钙化率、呼吸率和耗氧率情况Tab.2 The calcification rate,respiration rate,and oxygen consumption rate of M.coruscus at different salinities

呼吸率也呈现出单峰变化趋势，先增加后减少，其中当盐度为30时到达最高，值为3.83±0.38 μmol/（FWg·h），盐度为15‰时呼吸率最低，为0.69±0.14 μmol/（FWg·h）（图2）。而厚壳贻贝的耗氧率在低盐度下相对较低，而在盐度为25～35时耗氧率较高，尤其是盐度为25，其值到达最大为2.81±0.08 μmol/（FWg·h）（图3）。可见厚壳贻贝在盐度为25时其钙化和呼吸作用都较为强烈，这时厚壳贻贝向外释放出的CO2的速率将达到最高。

图1 不同盐度下厚壳贻贝钙化率的变化趋势Fig.1 The changing trend of calcification rate in M.coruscus with different salinity

图2 不同盐度下厚壳贻贝呼吸率的变化趋势Fig.2 The changing trend of respiration rate of M.coruscu with different salinities

图3 不同盐度下厚壳贻贝耗氧率的变化趋势Fig.3 The trend of oxygen consumption rate of M.coruscu with different salinities

3 分析与讨论

实验结果显示厚壳贻贝的钙化率、呼吸率和耗氧率皆受到盐度变化的明显影响，其中厚壳贻贝的钙化率随着盐度的增加呈现出先增加后减小的趋势，且在盐度为25达到最高。这与MALONE，et al[10]通过同位素标记法对紫贻贝M.edulis钙化率的研究和张明亮等[11]在对不同盐度下栉孔扇贝Chlamys farreri钙化率研究结果一致。可见盐度为25时是厚壳贻贝进行钙化作用的最佳盐度。而在低盐度（15）和高盐度（35）下钙化率表现为较低值，其钙化率相对盐度为25的下降了38.9%、47.2%。可见在低盐度和高盐度下厚壳贻贝的钙化作用受到一定的抑制作用。DICKINSON，et al[8]研究发现低盐度（16）下，美洲帘蛤Mercenaria mercenaria由于对基础能源需求的大幅度增加，而这些能量的不足，导致帘蛤减少生长，外壳角质层广泛损害。VELEZ，et al[12]在对菲律宾蛤仔Ruditapes philippinarum的生理活动的影响研究中发现，低盐度14诱导碳酸酐酶（CA）活性补偿酸碱失衡，盐度35抑制CA活性，而CA活性的减少可能抑制贝类壳的生长和生物矿化作用。可见在过高和过低的盐度下由于贝类生理活动受到抑制，将导致贝类的生物钙化作用受到一定的限制。

在实验中厚壳贻贝在较高盐度（25～30）下都体现出高呼吸率和高耗氧率，其原因可能是在高盐度下厚壳贻贝由于呼吸和代谢作用增加，消耗水体中氧气增加。国内外对不同盐度条件下贝类的呼吸和代谢活动的研究表明，在一定范围内，贝类的呼吸代谢活动随着盐度的上升而增加，但是超过该范围，其代谢活动将会受到抑制而减弱，且不同的贝类存在差异。史宝等[13]研究发现毛蚶Arca subcrenata的耗氧率在盐度为32达到峰值，紫血蛤Sanguinolaria violacea在盐度为36取得最大值[14]，栗志民等[15]研究表明皱肋文蛤Meretrix lyrata在盐度为23呈现出最大耗氧率，而栉孔扇贝在盐度为25时达到最大[11]。

盐度作为海水中重要的环境影响因子，近海岸的盐度由于入海口河流的输入、沿岸流、季节性降水等影响，呈现出一定的变化规律，而贝类往往为了适应该变化而做出相应的反应来调节自身的生理变化状态。许多学者研究表明在低盐度的胁迫下，贝类往往会通过释放游离氨基酸库（FAA）的排出和合成[16]、关闭进出水管、闭合贝壳等生理活动来调节细胞内的渗透压，从而降低盐度胁迫对贝类生理机体的损害。杨杰青[17]在对文蛤M.meretrix的研究发现在16～24内文蛤的呼吸排泄作用还有滤水率和摄食率都呈现出先升后降的趋势，且在20的盐度下体现为最适盐度达到最大，在不合适的盐度下，摄食和滤水作用都会受到明显的影响，后对文蛤肌肉、鳃、外套膜的热休克蛋白（heat shock protein,HSP）基因对盐度变化的表达情况分析可知在过高或过低的盐度下都将影响文蛤各组织部位的HSP70基因的过度表达，以提高体内细胞的自身保护。王贵宁等[18]在对菲律宾蛤仔的摄食率和清滤率的研究发现，在高盐环境中蛤仔的摄食率下降，表明贝类的自身调节能力已适应不了海水的渗透压的改变，使得贝类生理活动不正常，从而导致摄食率的下降。盐度除了对贝类的生物钙化、能量代谢、基因表达和生长发育的影响、对贝类的免疫能力[19-20]、贝类的附着能力[21]和鳃纤毛运动等有着很大的影响。

厚壳贻贝在浙江近海养殖产量大，而在浙江的舟山近海海域，由于其地理环境的特殊性，地处长江入海口受淡水季节性的输入，东海黑潮的影响等，其盐度变化较大。根据对2016年舟山东极养殖厚壳贻贝海域的水质分析，其海水盐度的变化范围为21～31，呈现出季节性变化，夏季由于长江口降水输入量增大和范围扩增，平均值为24，冬季相对较高，平均为30（图4）。厚壳贻贝的呼吸和钙化作用都受到盐度变化的影响。结合实验结果和舟山近海海域的盐度变化，可知厚壳贻贝在夏季盐度最低时，其呼吸和钙化作用将会提高从而加强CO2的释放。