海洋酸化對馬氏珠母貝受精及早期發(fā)育的影響

(中國科學(xué)院 南海海洋研究所,中國科學(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,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)境問題之一[1]。世界氣象組織(WMO)與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)建立的政府間氣候變化專門委員會(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,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,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)生物生存的空間會越來越小[5]。海水的這些變化將會影響很多生物物種,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)境問題“海洋酸化”[6]。2003 年,“海洋酸化”問題第一次在《Nature》上被提出來,隨后引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注,成為當(dāng)今國際海洋科學(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值是在對數(shù)層面上進(jìn)行測算的,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,幅度會超過過去 3 億年間的變化(降低 0.6),后果會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源,具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[9-10]。海洋貝類在幼蟲階段對外界環(huán)境的變化比較敏感,而幼蟲的生長及存活情況對種群的可持續(xù)發(fā)展非常重要[11]。鑒于海洋貝類幼蟲的重要性,探明海洋酸化對海洋貝類幼蟲的影響尤為關(guān)鍵。但迄今為止中國關(guān)于海洋酸化對海洋貝類幼蟲影響的研究尚未見詳細(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]。作者開展了海洋酸化對馬氏珠母貝受精及幼蟲生長、存活影響等的研究,為海洋酸化對海洋生物影響的研究積累資料,同時(shí)為國家制定相關(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(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,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,以正常海水為對照組(pH值約為8.1)[14]。用pH計(jì)監(jiān)測每個(gè)水族箱中pH值的變動(dòng)情況,每天測定各水族箱中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)。觀察各組幼蟲生長、存活及畸形情況,幼蟲培養(yǎng)容器為 1 L的玻璃燒杯,幼蟲初始培養(yǎng)密度均為 2～3個(gè)/mL。

1.4 幼蟲測量

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量第24、36、48小時(shí)幼蟲的殼長和殼高;觀察并記錄幼蟲的密度、畸形情況等,每組每次測量50個(gè)幼蟲。

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)幼蟲的密度;d0代表實(shí)驗(yàn)初始時(shí)幼蟲的密度。畸形率為某一時(shí)期畸形個(gè)體數(shù)占測量總個(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,對不同組別幼蟲在同一時(shí)間點(diǎn)的殼長、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與其他組別的變化趨勢相似,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,各組幼蟲殼長的值在實(shí)驗(yàn)期間均逐漸升高,pH 8.1試驗(yàn)組幼蟲的殼長大于同期其他兩組幼蟲殼長的值,而pH 7.4試驗(yàn)組幼蟲的殼長小于同期其他兩組幼蟲殼長的值。pH為7.7和7.4條件下生長的馬氏珠母貝幼蟲殼長在第24、36、48小時(shí)與pH 8.1海水中生長的馬氏珠母貝幼蟲殼長差異顯著。

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

各組幼蟲殼高的變化趨勢與殼長的變化趨勢相似。由圖3可以看出pH 8.1海水中幼蟲殼高在實(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海水中幼蟲殼高小于同期pH 8.1海水中幼蟲的殼高。在實(shí)驗(yàn)的第24、36、48小時(shí),pH 7.7和7.4海水中幼蟲殼高與pH 8.1海水中幼蟲的殼高差異顯著。

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

圖4 幼蟲在不同程度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海水中的幼蟲在實(shí)驗(yàn)期間無畸形個(gè)體出現(xiàn)(圖5)。pH 7.7海水中幼蟲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海水中幼蟲的畸形率差異顯著。pH 7.4海水中幼蟲的畸形率在實(shí)驗(yàn)的第48小時(shí)達(dá)到最大值 ((2.41 ±0.21)%)。pH 7.4海水中幼蟲的畸形率在第24～48 小時(shí)期間高于同期其他兩組幼蟲的畸形率,且與同期其他兩組幼蟲差異顯著。

圖5 幼蟲在不同程度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

本研究是國內(nèi)第一次探討海洋酸化對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對馬氏珠母貝的受精率沒有顯著影響。Havenhand等[14]研究發(fā)現(xiàn)海水酸化對長牡蠣(Crassostrea gigas)精子的活力和受精沒有影響。Kurihara等[15](研究顯示長牡蠣的受精率在 CO2酸化的海水中下降。Frommel1等[16]研究表明 CO2引起的海水 pH下降對波羅的海鱈魚精子的活力沒有顯著影響。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 CO2耐受能力的不同。

從試驗(yàn)的結(jié)果來看,雖然pH 7.7和pH 7.4海水中的馬氏珠母貝幼蟲均能發(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組的生長顯著慢于 pH8.1組,這說明幼蟲的生理機(jī)能發(fā)生了改變。馬氏珠母貝幼蟲的骨骼是由碳酸鈣構(gòu)成的,作者推測幼蟲生長變慢是由于在低 pH值下碳酸鈣同化率下降。這與 Kurihara等[15]在長牡蠣幼蟲中的研究結(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,生長速度顯著下降,然而同樣條件下培養(yǎng)的近江牡蠣生長速度沒有顯著變化。

隨著發(fā)育時(shí)間的延長,pH 7.4組幼蟲對酸化海水的耐受性逐漸下降,表現(xiàn)為其生長速度下降的同時(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,從而降低這些種類胚胎的生存能力。就酸化海水與幼蟲的生長發(fā)育和存活關(guān)系來看,海水酸化至少有兩方面的作用:(1)通過影響幼蟲生理代謝過程中的能量收支,從而影響幼蟲的生長存活。低pH環(huán)境中的幼蟲,新陳代謝的大部分能量用于維持滲透壓調(diào)節(jié)等,而用于維持生長的能量減少了,從而導(dǎo)致生長放慢或停止;(2)通過改變幼蟲生命活動(dòng)中酶的活性,影響代謝率,從而影響幼蟲的生長發(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脊椎動(dòng)物的生長存活及幼蟲的競爭力。因此海洋酸化對攝食的影響可以很好的解釋其對生長,存活和其他需要能量的生理代謝過程如鈣化等的影響[8]。Dupont 等[20]報(bào)道低 pH值下棘皮類動(dòng)物幼蟲的攝食率顯著低于對照組。據(jù)Kurihara 等[21]對 pH 值與海膽幼蟲之間的影響關(guān)系的研究,低pH值海水中海膽幼蟲小于對照組,而個(gè)體小的幼蟲攝食幾率小于個(gè)體大的幼蟲,更容易受到饑餓困擾。因此,CO2通過影響幼蟲食物的獲得情況來降低其環(huán)境適應(yīng)性。關(guān)于海洋酸化對馬氏珠母貝生長發(fā)育影響的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

綜上所述,海洋酸化對馬氏珠母貝幼蟲的生長發(fā)育有顯著的影響,這種對幼蟲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馬氏珠母貝幼蟲的影響將會對其種群動(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。需開展更進(jìn)一步的研究來揭示不同種貝類在遺傳及生理等水平上對海洋酸化的響應(yīng)及適應(yīng)情況。

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