鈣質(zhì)殼有孔蟲溶蝕率和體表結(jié)構(gòu)的影響

趙小慧，樊 超，桂 峰

（浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022）

大氣CO2濃度對全球氣候系統(tǒng)乃至各種生態(tài)系統(tǒng)起著關(guān)鍵的調(diào)控作用[1-2]，自20世紀(jì)50年代以來，大氣中CO2濃度升高和海洋酸化現(xiàn)象逐漸引起關(guān)注。工業(yè)革命以前，大氣中的CO2濃度大約為0.28‰，當(dāng)前CO2濃度水平已升高到0.391‰[3-4]。大氣CO2濃度升高導(dǎo)致的海洋酸化，也已成為人們迫切需要面對的嚴(yán)峻問題?，F(xiàn)代海洋酸化的研究最早可以追溯到20世紀(jì)50年代，REVELLE，et al[5]的研究表明，人類活動產(chǎn)生的很大部分CO2進(jìn)入海洋并改變海水的化學(xué)性質(zhì)。如果CO2排放仍保持當(dāng)前速度，到2100年pH將會下降0.3～0.4個單位，而到2300年下降最大幅度可達(dá)0.77個單位[6-7]，屆時所有海洋生物都將面臨著來自海洋酸化的巨大威脅。海洋酸化會影響初級生產(chǎn)者的外觀結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)的C、N元素比和光合作用能力以及對Fe元素的利用[8-9]，因此影響海洋的整個初級生產(chǎn)力過程，酸化還有可能導(dǎo)致海洋生物的基因表達(dá)受損[10]，增加幼體的畸變率和死亡率[11]，損害魚類的嗅覺等感官能力從而影響洄游和躲避敵害的能力[12-13]，嚴(yán)重影響生物的生存能力，對海洋生物乃至整個海洋系統(tǒng)造成不可估量的危害。

有孔蟲是海洋中最小的鈣化生物，是海洋生物鈣化的重要組成部分[14]，需要攝取海水中的Ca2+和CO32-來形成碳酸鈣質(zhì)殼體。幾乎所有的研究都表明海洋鈣化生物的鈣化活動對水體中碳酸鈣飽和度（或CO32-）是敏感的[15-18]，現(xiàn)如今海洋酸化趨勢加劇，如果有孔蟲長時間生活在酸化的海水中，不可避免會使有孔蟲生存受到威脅。加利福尼亞灣北部的格瓦納盆地有大量CO2排放，使該區(qū)域海水pH下降，PETTIT，et al[19]研究了不同pH梯度對有孔蟲的影響，表明酸化海水對其生存生長產(chǎn)生顯著且長期的負(fù)面影響。

長期以來，有孔蟲廣泛應(yīng)用于地質(zhì)古環(huán)境重建和現(xiàn)代海洋環(huán)境指示，前者主要利用化石群多樣性指數(shù)解釋古環(huán)境，后者使用活體組合多樣性指示現(xiàn)代環(huán)境問題。地質(zhì)歷史時期層出現(xiàn)過CO2高濃度期，海洋環(huán)境退化也會產(chǎn)生低pH值環(huán)境，海水酸化導(dǎo)致的有孔蟲個體保存能力降低，進(jìn)而引起有孔蟲組合生物多樣性指數(shù)的變化不可忽視。然而，目前對于該問題的研究還很缺乏，為數(shù)不多的研究也主要著眼于海水酸化對單個物種有孔蟲的影響。本實(shí)驗結(jié)合自然環(huán)境下的背景值，在實(shí)驗室模擬海洋酸化環(huán)境，并通過掃描電鏡觀察來探究海洋酸化對不同種微體有孔蟲（畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammonia beccarii，江蘇小希望蟲Elphidiella kiangsuensis和透明篩九字蟲Cribronon vitreum）產(chǎn)生的影響以及響應(yīng)差異。以期通過研究，為古環(huán)境重建與現(xiàn)代環(huán)境指示提供更加科學(xué)的生態(tài)學(xué)信息。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區(qū)位于浙江省舟山市長峙島謝家山（29°58′38″N，12°28′30″E），年平均氣溫 16 ℃左右，常年降水量 927～1 620 mm。舟山海域海水pH為7.80～8.20，具體pH隨天氣、氣溫等因素變化。

采集研究區(qū)優(yōu)勢種有孔蟲畢克卷轉(zhuǎn)蟲、江蘇小希望蟲和透明篩九字蟲[20]進(jìn)行酸化實(shí)驗。采樣位置如圖1，采樣現(xiàn)場基本環(huán)境數(shù)據(jù)見表1，三種有孔蟲的基本參數(shù)見表2。

圖1 研究區(qū)域地理位置及采樣地點(diǎn)Fig.1 Map showing the location of the study area

表1 采樣現(xiàn)場基本環(huán)境數(shù)據(jù)Tab.1 Sampling site basic environmental data

表2 畢克卷轉(zhuǎn)蟲、江蘇小希望蟲和透明篩九字蟲的基本參數(shù)[21]Tab.2 The basic parameters of A.beccarii,E.kiangsuensis and C.vitreum

1.2 實(shí)驗設(shè)計

本實(shí)驗設(shè)置1個正常海水對照組，4個緩沖溶液酸化脅迫組，每組設(shè)置5個平行樣。對照組使用的海水為過濾處理后充分靜置的潔凈海水，海水的pH為8.12。實(shí)驗組根據(jù)氣候變化預(yù)測，海水的pH每100年下降0.3～0.4個單位，未來100～300 a將導(dǎo)致海水pH下降約0.77個單位，pH依次設(shè)置為7.40、7.60、7.80、8.01。

1.3 樣品采集與預(yù)處理

使用平鏟從潮間帶采集樣品，選擇表層1 cm的沉積物，每個樣品的體積為10 cm3，置于采樣瓶中帶回實(shí)驗室備用。使用250目，孔徑63 μm標(biāo)準(zhǔn)銅篩沖洗有孔蟲樣品，去除淤泥及細(xì)小沙粒；取30%過氧化氫溶液50 mL，加250 mL蒸餾水，稀釋為5%過氧化氫溶液；用雙氧水沖洗有孔蟲砂樣，并在5%過氧化氫溶液中浸泡15min以充分去除有機(jī)質(zhì)，用蒸餾水充分沖洗后置于標(biāo)本盒中[22]。

在顯微鏡下挑取外形相似、個體大小基本相同、殼體完好的有孔蟲，將挑選出的3種有孔蟲分別放置在5個不同pH的溶液中，每組各放每種有孔蟲5個，緩沖溶液6 mL。

每天同一時間觀察有孔蟲的外形變化，記錄破損及消失的個數(shù)。

1.4 掃描電鏡觀察

每隔1天挑取不同pH溶液中不同種屬的有孔蟲，在掃描電子顯微鏡上觀察,記錄殼體房室、縫合線、表面孔隙等微結(jié)構(gòu)的改變。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

對所采集的有孔蟲結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行分析并對實(shí)驗組、對照組有孔蟲個數(shù)變化等作圖比較。本實(shí)驗定義有孔蟲的溶蝕率：溶蝕個數(shù)/有孔蟲總數(shù)。

2 實(shí)驗結(jié)果

2.1 有孔蟲殼體破損個數(shù)隨培養(yǎng)時間的變化

根據(jù)記錄觀察與數(shù)據(jù)做圖2～6。

圖2 24 h時有孔蟲破損個數(shù)圖Fig.2 The number of foraminifera damage after 24 hours

圖3 48 h時有孔蟲破損個數(shù)圖Fig.3 The number of foraminifera damage after 48 hours

圖4 72 h時有孔蟲破損個數(shù)圖Fig.4 The number of foraminifera damage after 72 hours

圖5 96 h時有孔蟲破損個數(shù)圖Fig.5 The number of foraminifera damage after 96 hours

圖6 120 h時有孔蟲破損個數(shù)圖Fig.6 The number of foraminifera damage after 120 hours

（1）從圖2、圖3、圖4可以看出：隨著時間的增加，畢克卷轉(zhuǎn)蟲，江蘇小希望蟲破損個體數(shù)增幅較大，透明篩九字蟲在時間超過24 h后溶蝕均比較嚴(yán)重；從圖5、圖6可以看出，培養(yǎng)時間較長，有孔蟲殼體出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象皆比較嚴(yán)重，透明篩九字蟲出現(xiàn)完全溶蝕現(xiàn)象。

（2）不同的pH下，在短時間內(nèi)海水的pH越低，有孔蟲的殼體破損越嚴(yán)重，在pH＞7.8的情況下，殼體所受影響較小。

2.2 有孔蟲殼體溶蝕率在不同pH下隨培養(yǎng)時間的變化

隨著pH降低，殼體耐受度降低，溶蝕率亦隨pH降低而增大。

在酸化海水的影響下，不同有孔蟲殼體溶蝕程度出現(xiàn)差別，在設(shè)定pH的范圍畢克卷轉(zhuǎn)蟲、江蘇小希望蟲樣品的最大溶蝕率分別為56.00%、61.33%，而透明篩九字蟲的溶蝕率高達(dá)100%。

2.3 不同屬種對pH變化的響應(yīng)節(jié)點(diǎn)

從圖4～6可以看出，透明篩九字蟲的響應(yīng)最迅速。

畢克卷轉(zhuǎn)蟲：pH=7.40時殼體在24 h內(nèi)便開始有破損，pH＞7.40時在48 h內(nèi)開始破損。隨著培養(yǎng)時間的增加，破損個數(shù)增多、破損程度加劇甚至消失；72 h時有孔蟲出現(xiàn)較多消失，之后消失速率減緩。pH越低，溶蝕作用越明顯。溶蝕速率增加比較穩(wěn)定。

江蘇小希望蟲：pH=7.40、pH=7.60、pH=7.80時殼體在24 h內(nèi)均開始破損，pH=8.01時殼體在48 h內(nèi)開始破損，隨培養(yǎng)時間增加，破損個數(shù)增多、破損程度加劇甚至消失，且48 h時出現(xiàn)溶蝕速率加劇的情況，72 h時有孔蟲出現(xiàn)較多消失，之后消失速率減緩。

透明篩九字蟲：pH=7.40、pH=7.60、pH=7.80時在24 h內(nèi)殼體均破損，pH=8.01時在48 h內(nèi)開始破損；時間大于72 h時除海水組，其他pH下，殼體的溶蝕情況均很嚴(yán)重甚至消失，時間為120 h時，透明篩九字蟲的殼體全部破損。

2.4 殼體表結(jié)構(gòu)變化

掃描電鏡下有孔蟲觀察結(jié)果如圖7～9所示。可以看出，未做處理的有孔蟲殼體光潔完整，表面壁孔清晰；而實(shí)驗組的有孔蟲，殼體出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。

在同一pH下，隨著培養(yǎng)時間的增加，三種有孔蟲殼體均出現(xiàn)更嚴(yán)重的溶蝕破損，縫合線逐漸變淺或消失，末室最先出現(xiàn)破損或脫落，并繼續(xù)向內(nèi)溶蝕（圖8）；相對于較高的pH（pH＞7.8），較低pH下培養(yǎng)較長時間，有孔蟲的基本殼體形態(tài)無法保持，殼體破損和房室剝落嚴(yán)重，甚至僅剩內(nèi)部核心部分，但不同種有孔蟲殼體溶蝕程度存在差異（圖9）；同一有孔蟲，pH降低使得有孔蟲殼體明顯變薄，殼體表面尤其是縫合線處變粗糙并出現(xiàn)較大孔洞或?qū)訝顒兟?，且pH越低，殼體剝落、破損程度越嚴(yán)重（圖 10）。

圖7 不同pH條件下3種有孔蟲的溶蝕率Fig.7 Dissolution rate of three foraminifera at different pHs

圖8 pH=7.8時隨培養(yǎng)時間增加有孔蟲殼體表面結(jié)構(gòu)對比Fig.8 At pH=7.8,the surface structure of the foraminifera shell was compared with the culture time

圖9 pH=7.6時培養(yǎng)72 h的有孔蟲Fig.9 pH=7.6 for 72 h foraminifera

圖10 培養(yǎng)48 h隨pH下降有孔蟲殼體表面細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)對比（以透明篩九字蟲為例）Fig.10 A comparative study on the surface structure of the foraminifera shell with the pH decrease at 48 h（with C.vitreum as an example）

3 討論

3.1 培養(yǎng)時間對有孔蟲溶蝕率的影響

從圖2～6可以看出，培養(yǎng)時間為48～72 h，pH在7.6～7.8的范圍內(nèi)，有孔蟲溶蝕速率加快；培養(yǎng)時間繼續(xù)增加，有孔蟲在pH為7.8～8.0范圍內(nèi)溶蝕速率加快，而此時pH在7.6至7.8的范圍內(nèi)的溶蝕速率減緩。這是由于低pH的有孔蟲殼體前期溶蝕嚴(yán)重，CaCO3的Ω（飽和度）增加，使后期有孔蟲殼體溶蝕速率減慢，且經(jīng)過前期的溶蝕，低pH的有孔蟲殼體破損嚴(yán)重，所剩殼體少；而較高的pH下有孔蟲前期溶蝕緩慢，CaCO3的Ω小，且殼體完好的較多、殼體較大，因此溶蝕在較長的培養(yǎng)時間下速率增加。相同的pH條件下，有孔蟲的溶蝕隨著時間的增加而嚴(yán)重，溶蝕率不斷上升。隨著pH降低、培養(yǎng)時長增加，各種有孔蟲殼體溶蝕情況均加劇。

3.2 不同有孔蟲溶蝕的閾值

不少有關(guān)有孔蟲殼體的溶蝕實(shí)驗側(cè)重于觀察殼體透明度變化與pH之間的關(guān)系、觀察殼壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)或是將選好的有孔蟲殼重新放入海水，定期觀察并稱量其損失，以此來研究殼體在不同深度海水中的溶解速度[23]，例如KUROYANAGI，et al[24]對有孔蟲Marginopora kudakajimensis進(jìn)行酸化海水實(shí)驗室培養(yǎng)，通過殼體重量、殼體尺寸、房室數(shù)量等探究了4個不同pH對有孔蟲生長產(chǎn)生的影響，并得出結(jié)論：工業(yè)化以來有孔蟲的數(shù)量已經(jīng)減少、pH應(yīng)保持在7.9～8.2之間，pH在7.7附近有孔蟲的鈣化速度將急劇下降并影響其存活。UTHICKE，et al[25]在巴布亞新幾內(nèi)亞淺層火山的實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，有孔蟲密度和多樣性隨著p CO2的增加而急劇下降，在pH=7.9時幾乎沒有有孔蟲存活。以上研究的閾值與本實(shí)驗中所設(shè)置的有孔蟲受酸化海水影響較小的pH范圍（pH＞7.80）大體一致，確定本實(shí)驗有孔蟲的溶蝕閾值為pH=7.80。

對鈣質(zhì)殼有孔蟲的溶解機(jī)理及控制因素也曾有人進(jìn)行過研究，PRAZERES，et al[26]研究了不同pH條件下，大型底棲有孔蟲Amphistegina lessonii和Marginopora vertebralis鈣化的生物化學(xué)過程和形態(tài)對海洋酸化的響應(yīng)。實(shí)驗測量了有孔蟲的生長率（表面積和浮力），鈣ATP酶（Ca-ATPase）和鎂ATP酶（Mg-ATPase）活性，并使用微型計算機(jī)斷層掃描圖像計算殼密度。發(fā)現(xiàn)與pH=8.1相比，在pH=7.6時浮力顯著降低，內(nèi)部房室密度降低并且Ca-ATPase和Mg-ATPase的酶活性增加，這兩種物種生長過程都受到二氧化碳濃度升高的影響，pH值是影響鈣化生化途徑差異變化的主要因素。

3.3 個體溶蝕差異的解釋

本研究模擬海洋酸化環(huán)境，通過對舟山海域畢克卷轉(zhuǎn)蟲、江蘇小希望蟲、透明篩九字蟲的海洋酸化響應(yīng)分析，從而探討不同種有孔蟲對海洋酸化的響應(yīng)差異。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)同一有孔蟲在不同pH下和同一pH下不同有孔蟲的溶蝕存在差異。根據(jù)掃描結(jié)果分析，殼體相對較薄的透明篩九字蟲明顯比其他兩個屬種有孔蟲溶蝕更嚴(yán)重，這說明殼體厚度和硬度的越小，有孔蟲的溶蝕速度越快；畢克卷轉(zhuǎn)蟲和江蘇小希望蟲溶蝕速率差別較小，但溶蝕個數(shù)和溶蝕率不同，推測酸化程度與有孔蟲腹背形態(tài)有關(guān)，本研究還發(fā)現(xiàn)，畢克卷轉(zhuǎn)蟲凸出的背部較凹陷腹部更早出現(xiàn)溶蝕，表明有孔蟲殼體凸出較凹陷更易出現(xiàn)溶蝕。海洋酸化對有孔蟲的影響，在殼體厚度和殼體形態(tài)方面，殼體厚度的影響明顯超過殼體形態(tài)。但作為對照組的海水組自始至終，有孔蟲殼體均沒有變化，表明海洋酸化對有孔蟲殼體產(chǎn)生的影響非常大。有孔蟲的溶蝕程度順序為透明篩九字蟲＞江蘇小希望蟲＞畢克卷轉(zhuǎn)蟲。

3.4 研究的不足

根據(jù)KEUL，et al[27]的研究，經(jīng)過為期3.5個周的實(shí)驗，觀察卷轉(zhuǎn)蟲屬（Ammonia sp.）在一系列的碳酸鹽化學(xué)操作下的響應(yīng)，認(rèn)為[CO32-]影響有孔蟲尺寸歸一化的權(quán)重參數(shù)（SNW）和增長率參數(shù)，確認(rèn)卷轉(zhuǎn)蟲有巨大的潛力作為[CO32-]的代理。本文實(shí)驗周期短，在有孔蟲殼體溶蝕與[CO32-]的定量關(guān)系之間沒有進(jìn)行深入探究，后期實(shí)驗中需繼續(xù)改進(jìn)。

淺海區(qū)域中影響鈣質(zhì)殼有孔蟲溶蝕的最直接因素為pH。自然環(huán)境下，溶解現(xiàn)象也是伴隨鈣化同時發(fā)生的，只是由于鈣化率大于溶解率，整個區(qū)域通常表現(xiàn)為凈鈣化[28]。因此活體有孔蟲正常的鈣化速率能夠產(chǎn)生碳酸鈣抵消一部分溶蝕作用。根據(jù)舟山海域的海水pH推測，目前舟山近岸的海水對有孔蟲活體的影響不大，但可能對死亡的有孔蟲產(chǎn)生較大影響。

有孔蟲殼體溶蝕可以反映出海洋環(huán)境的酸化程度，但有孔蟲至今尚未被廣泛地應(yīng)用于海洋酸化監(jiān)測的實(shí)踐，其主要原因有兩點(diǎn)，一是難以區(qū)分引起有孔蟲破損的具體因素，二是無法提供海水酸度與鈣質(zhì)殼有孔蟲動物群特征指標(biāo)之間的定量關(guān)系及其簡便實(shí)用的計算方法。這可以作為以后此類研究的重點(diǎn)方向。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)海洋酸化對有孔蟲畢克卷轉(zhuǎn)蟲、江蘇小希望蟲、透明篩九字蟲的鈣質(zhì)殼體產(chǎn)生一定影響，具體表現(xiàn)在：

（1）在海洋酸化影響下，有孔蟲的殼體會出現(xiàn)表面溶蝕，壁間橋消失等現(xiàn)象，在溶蝕過程中有孔蟲的溶蝕破損首先發(fā)生在末室，其次為縫合線，依次向內(nèi)到最后為初房。殼體表現(xiàn)為逐漸變薄，變透明，直至消失。且pH越低，培養(yǎng)時間越長，溶蝕情況愈嚴(yán)重。

（2）本研究選取的3個種中，透明篩九字蟲最易被溶蝕，溶蝕率高達(dá)100%，對pH降低最為敏感；殼體厚度對溶蝕率影響較大，畢克卷轉(zhuǎn)蟲、江蘇小希望蟲較透明篩九字蟲的殼體稍厚，溶蝕稍慢，溶蝕率分別為56.00%和61.33%。此外畢克卷轉(zhuǎn)蟲的溶蝕速率略小于江蘇小希望蟲，可能與腹背形態(tài)有關(guān)。

（3）pH 7.80可以界定為有孔蟲出現(xiàn)顯著溶蝕的閾值，透明篩九字蟲可作為研究區(qū)海域海洋酸化的指標(biāo)物種，并作為重建古環(huán)境海水pH的依據(jù)之一。

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