自然光照下三種淡水貝類張閉殼的活動特征

劉洪波，陳修報，楊健

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江中下游漁業(yè)生態(tài)環(huán)境和資源養(yǎng)護(hù)重點實驗室，江蘇 無錫 214081）

全世界有記錄的淡水貝類總計約19個科，206個屬，1 026種[1]。它們是全球水體生物多樣性和淡水生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。湖泊系統(tǒng)通常擁有較高的貝類物種多樣性，如中國東南部的太湖就曾發(fā)現(xiàn)有貽貝科Mytilidae、蚌科Unionidae、截蟶科Solecurtidae、蜆科 Cobiculidae、球蜆科 Sphaeriidae等5科31種貝類，而河蜆Corbicula fluminea、三角帆蚌Hyriopsis cumingii和背角無齒蚌Anodonta woodiana是其中的優(yōu)勢種[3]。這三種雙殼貝類分布廣、底棲性、對化學(xué)污染物高敏感，常被當(dāng)作哨兵生物（sentinel organism），長短期監(jiān)測環(huán)境中各種污染物[7-10]，或為傳統(tǒng)的水產(chǎn)品[4，5]，或為重要的育珠蚌[4,6]。然而，傳統(tǒng)的物理化學(xué)監(jiān)測法均需處死活蚌樣本、復(fù)雜的消解或抽提等前處理和昂貴的大型精密設(shè)備，得到的漁業(yè)環(huán)境脅迫無法反映實時的監(jiān)測情況和迅速的環(huán)境保護(hù)決策。因此，20世紀(jì)70年代Cairns等提出了一種基于貝類或其他水生生物，在線或離線實時環(huán)境生物監(jiān)測的生物早期預(yù)警系統(tǒng)（biological earlywarningsystem，BEWS）[11,12]。他設(shè)計了一種既能看到實時圖像又可定量記錄相關(guān)數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測裝置，可持續(xù)監(jiān)測活體水生生物的行為變化或反應(yīng)（如貝殼運(yùn)動晝夜節(jié)律變化[13]，游泳的逃避行為[14]或其他在不同生境下的行為、生理反應(yīng)等）。雙殼貝類非常符合BEWS的監(jiān)測生物標(biāo)準(zhǔn)[15]。目前可利用附著在貝體的霍爾元件傳感器（Hall element sensor）來測量貝殼運(yùn)動，再依據(jù)建立貝開閉殼運(yùn)動與水環(huán)境脅迫之間的對應(yīng)關(guān)系來解析和評價環(huán)境條件的優(yōu)劣。目前，以貝類作為感應(yīng)生物所建立的BEWS系統(tǒng)在水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)察中發(fā)揮著越來越重要的作用[16]；但我國尚未見相關(guān)研究。正常情況下，貝類一般會長時間張殼呼吸或攝食，而受環(huán)境脅迫時會閉殼，且閉殼時間較長[15]。迄今，當(dāng)作BEWS系統(tǒng)哨兵生物而用于持續(xù)和自動監(jiān)測海洋環(huán)境的貝類有：紫貽貝Mytilus edulis、愛神蛤Astarte borealis、合浦珠母貝Pinctada fucata、菲律賓蛤仔Ruditapes philippinarum、太平洋貽貝Mytilus trossulus、歐洲大扇貝Pecten maximus和歐洲鳥尾蛤Cerastoderma edule等[16-19]。但淡水貝類的相關(guān)研究鮮有報道。

淡水貝類對水體環(huán)境的變化非常敏感，應(yīng)答快速[15]。瀕危的淡水珍珠蚌Margaritifera margaritifera閉殼肌收縮的間隔時間≤0.5s，收縮反應(yīng)最迅速[16]。自然水體的無齒蚌Anodonta anatine和腫脹珠蚌Unio tumidus[20]以及實驗室養(yǎng)殖的河蜆[13,21]張閉殼規(guī)律不同。由閉殼肌調(diào)節(jié)的張閉殼節(jié)律對水物理因子的變動應(yīng)答明顯，如河蜆在19.1～22.4℃時常保持5～10h/d的閉殼，而在3.1～4.3℃時閉殼時間卻長達(dá)10～12h/d[13]。光照也影響地中海扇貝 Pecten jacobaeus、石蟶Lithophaga lithophaga[22]和淡水無齒蚌和腫脹珠蚌貝類[20]的張閉殼節(jié)律，這可能與其光感細(xì)胞有關(guān)[22,23]。

本研究用霍爾元件傳感器實時感應(yīng)和記錄了3h河蜆、三角帆蚌和背角無齒蚌在自然光照下正常的張閉殼運(yùn)動，比較分析了尚難定量的相關(guān)行為（如呼吸行為）規(guī)律，以便了解不同貝類正常的張閉殼運(yùn)動特征，為開發(fā)相關(guān)BEWS系統(tǒng)及監(jiān)測裝置積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

河蜆用拖網(wǎng)采自江蘇省無錫市太湖的淺灘（N=3），體質(zhì)量（6.78±0.72）g，殼長（26.43±1.36）mm，殼高（24.62±1.23）mm，殼寬（16.87± 0.72）mm（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），根據(jù)殼長判斷均已成年[24]。三角帆蚌（N=4）采自浙江省武義市的養(yǎng)殖池塘，5月齡，體質(zhì)量（3.04±0.4）g，殼長（34.62±1.73）mm，殼高（31.85±1.33）mm，殼寬（6.73±0.59）mm。背角無齒蚌（N=3）采自江蘇省無錫市南泉鎮(zhèn)本研究室的標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖池塘，5月齡，體質(zhì)量（2.38±0.45）g，殼長（30.77±1.63）mm，殼高（20.13±1.07）mm，殼寬（9.31±0.75）mm。試驗貝在持續(xù)曝氣的塑料桶（50 cm×35 cm×30cm）中，在室內(nèi)自然采光下，用自來水暫養(yǎng)7d。暫養(yǎng)期間，隔天投喂小球藻（Chlorella IndustryCo.,Ltd.,Tokyo,Japan），48h換水 75%。室內(nèi)溫度用空調(diào)調(diào)至20℃左右，水溫是18℃，pH7.9～8.2，溶解氧（DO）含量為 7.7～8.2 mg/L。

1.2 方法

貝殼運(yùn)動的記錄方法及裝置見圖1。霍爾元件傳感器測量裝置的型號為DC-104R（Tokyo Sokki Kenkyujo Co.,Attenuator Amplifier,Japan），連有 4 個10mm×10mm×4mm的方形霍爾元件感應(yīng)探頭和4個直徑為6 mm的圓形磁鐵，膠粘于貝殼上。根據(jù)貝殼的張閉狀態(tài)，以μV為單位記錄霍爾元素感應(yīng)探頭與圓形磁鐵間的電勢差，記錄頻次為6次/秒。

用聚乙烯樹脂將霍爾元件感應(yīng)頭和圓形磁鐵粘在貝殼的邊緣后，再將感應(yīng)頭和磁鐵蠟封3h以上使其完全干燥。特制的水槽（130mm×400mm×100mm）中放1L曝氣的自來水和3～4個貝，水槽里的曝氣水用FPC100-1515型蠕動泵（Cheap Sun Japan Co.,Ltd.,Japan）以150mL/min的速率循環(huán)使用。試驗前及試驗過程中停止喂食。

每天早9點開始記錄數(shù)據(jù)。每個貝的輸出電壓（Vh）用計算機(jī)連續(xù)記錄10 800s/3h。測定完成時，擦干貝殼上的水分，取下霍爾元件感應(yīng)頭和圓形磁鐵，以備下次試驗待用。

將霍爾元件傳感器固定在尺子的0mm刻度處，移動磁鐵使之與傳感器形成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等一系列的距離，記錄每個距離下計算機(jī)顯示的輸出電壓。本試驗的最大輸出電壓是3 820μV，距離最遠(yuǎn)時的輸出電壓為0μV。然后做輸出電壓和張殼距離的適配曲線，代入試驗時獲得的實際輸出電壓，經(jīng)公式換算后即得貝的實際張殼距離（L）。公式（1）表示貝閉殼時霍爾傳感器和磁鐵之間的距離Lc，公式（2）表示張殼時霍爾元件傳感器和磁鐵之間的距離L，公式（3）表示L與Lc的差即張殼狀態(tài)貝殼之間的張殼幅度或距離（amplitude ofvalve opening，AVO）[25]。

圖1 雙殼貝類張閉殼運(yùn)動時霍爾元件傳感器監(jiān)測裝置Fig.1 Monitor system of Hall element sensor for recording the valve movement of mussel

本研究中，貝殼急速閉殼后緩慢張開的過程被定義為一次收縮（圖2）。連續(xù)計數(shù)上述收縮次數(shù)即得 3h的閉殼收縮頻率（FVA）[19]。

圖2 計算雙殼貝殼交替出現(xiàn)張殼和閉殼狀態(tài)及相應(yīng)閉殼收縮頻率的示意圖Fig.2 A sketch diagram for counting the frequency of valve adduction （FVA） event from opening to closing of mussel shells

2 結(jié)果與分析

圖3是3種貝類在3h自然光照條件下連續(xù)記錄的張閉殼活動狀況，顯示了在無外界干擾的正常生活狀態(tài)下，貝殼每30min的平均張殼幅度（AVO，mm）。圖3中每一次從波谷至波峰的過程被記錄為響應(yīng)種類貝殼的閉殼收縮活動[19]，可計數(shù)試驗期間每種貝類的收縮次數(shù)，除以所測貝類的個數(shù)即得該種貝類殼收縮頻率（FVA）和不同蚌張殼幅度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（表1）。

表1 河蜆、三角帆蚌和背角無齒蚌3h的閉殼收縮頻率和張殼幅度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

圖3 河蜆（CF）、三角帆蚌（HC）和背角無齒蚌（AW）3h內(nèi)張殼幅度的變化Fig.3 Variations in amplitude of valve opening（AVO）in Corbicula fluminea （CF）,Hyriopsis cumingii（HC）and Anodonta woodiana（AW）for 3 h

如圖3所示，正常狀態(tài)下貝類的殼都小幅地張開。濾水、呼吸、排泄等引起貝殼張閉殼幅度大多在1 mm左右，但霍爾元件感應(yīng)器已可敏感地捕捉到這些細(xì)微的變化，清晰地定量記錄下來。

不同淡水雙殼貝類的張閉殼運(yùn)動有自身的特點。由表1可知，河蜆的平均AVO最大，而FVA最小。這是因為河蜆通常在長時間開殼之后，會進(jìn)行一次短暫的貝殼收縮（大約3s）。雖然三角帆蚌和背角無齒蚌的開閉殼模式較為相似，即平均的貝殼收縮時間為10s左右；但其細(xì)微的差別是：背角無齒蚌的平均AVO和FVA比三角帆蚌大。

3 討論

正常情況下，貝類一般長期小幅張殼，以進(jìn)行呼吸或攝食；而在受到環(huán)境脅迫時則轉(zhuǎn)為長時間閉殼[15]。因此，三種淡水蚌或長時間小幅張殼或頻繁地開閉殼應(yīng)是正常狀態(tài)。需要注意的是，三角帆蚌和背角無齒蚌均為5月齡的幼蚌，而河蜆為成貝。幼蚌的生理活動可能比成貝更加頻繁，即前兩者的FVA要大于河蜆。三角帆蚌和背角無齒蚌幼蚌的FVA模式與紫貽貝和北極圓蛤Arctica islandica[26,27]相近。本研究中3種淡水貝類均不喂食，故FVA和AVO的差異更能反映出這3種貝類呼吸、排泄等生理活動規(guī)律的一些種間差異。

筆者在研究這三種貝在3h遮光下連續(xù)的張閉殼運(yùn)動狀況上[25]，發(fā)現(xiàn)河蜆受到黑暗刺激后會迅速閉殼1h以上，再恢復(fù)至與自然光照相似的開閉殼運(yùn)動模式；背角無齒蚌的AVO則在0.03～1.02mm之間擺動，表現(xiàn)為波浪狀的活動規(guī)律；變幅最小的是三角帆蚌，無論光照與否，其每30 min的平均AVO均在0.5～1.0mm之間。河蜆、三角帆蚌和背角無齒蚌在3h無光期間平均收縮頻率（FVA）分別提高至42次、69次和51次，原因可能是貝類夜晚的排泄活動較為頻繁[20]。

目前測量貝殼在各種環(huán)境下張閉殼活動模式的電子裝置有兩種：一種是由Schuring和Geense[15]發(fā)明的開關(guān)型，輸出的圖像是貝殼張閉引起的磁場強(qiáng)度變化，主要記錄貝殼的張閉殼狀態(tài)。這種記錄儀在歐洲應(yīng)用最廣[11,15]，特別是突破了實驗室的限制，可在排污口、海灣、碼頭等水域監(jiān)測現(xiàn)場海洋環(huán)境的污染[17]。我國也有在實驗室成功應(yīng)用的先例[28]。另一類是本研究所用的線性型。線性型霍爾元件傳感器的輸出電壓與外磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系[25,29]。輸出的電壓值轉(zhuǎn)換后可直觀地反應(yīng)不同貝種的張殼幅度、閉殼收縮一次大約需要的時間和實驗時間內(nèi)的呼吸頻次等。線性型霍爾元件傳感器尺寸小、頻響寬、在2～30Hz內(nèi)有較好的線性度[16]，動態(tài)特性好，記錄的信息量大而全面[18]。連續(xù)型基于貝殼開閉殼運(yùn)動的霍爾元件傳感器記錄儀首先在日本的實驗室里應(yīng)用[18,19]。據(jù)2014年和2015年的實地考察，目前傳感器記錄儀的應(yīng)用已從室內(nèi)到了室外，有效推廣到了沿海珠貝養(yǎng)殖區(qū)，用于輔助馬氏珠母貝Pinctada fucata martensii的健康養(yǎng)殖。日本研究者根據(jù)記錄到貝殼運(yùn)動偏離正常背景的狀況，成功地監(jiān)測和避免了異甲藻Heterocapsa circularisquama赤潮、缺氧等有害海洋環(huán)境因素對養(yǎng)殖育珠貝類的不利影響。本研究為該連續(xù)型霍爾元件傳感器在我國的首次應(yīng)用探索。

利用雙殼貝類霍爾傳感系統(tǒng)（開關(guān)型和線性型）監(jiān)測水體環(huán)境在我國才剛剛起步，發(fā)展和應(yīng)用前景十分廣闊[28]。特別是在線生物監(jiān)測技術(shù)（Online Biomonitoring），能通過受試水生生物的運(yùn)動反應(yīng)或應(yīng)答來實現(xiàn)在線水質(zhì)監(jiān)測，對慢性污染和急性重大水質(zhì)污染事件等的早期預(yù)警具有良好的應(yīng)用前景，在發(fā)達(dá)國家的環(huán)保部門已得到有效地利用[11]。這為我國今后進(jìn)一步研究提供了思路和理論導(dǎo)向。本研究只是室內(nèi)初步探索，還有大量的室內(nèi)室外工作有待開展，但結(jié)果已顯示出：開發(fā)基于雙殼貝類霍爾傳感系統(tǒng)的水體污染早期監(jiān)測預(yù)警裝置具有很大的潛力和可行，值得從廣度和深度上繼續(xù)探索。