海水鹽度對厚殼貽貝呼吸和鈣化的影響

徐晴晴，趙 晟

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

全球氣候變暖已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的重要問題，根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告中指出1880-2012年期間全球陸地和海洋綜合平均表面溫度升高了0.85℃。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、減少CO2等溫室氣體排放、增加碳匯已成為世界各國減緩變暖趨勢、進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[1]。海洋作為地球上第二碳庫，大約吸收了35%的人為排放CO2。隨著對海洋碳匯的深入研究，在國際社會的推動下，海洋碳匯逐漸成為人們應(yīng)對氣候變化問題、生物多樣性的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等全球治理熱點領(lǐng)域的匯聚點。海洋貝類作為海洋物質(zhì)流與能量流重要的驅(qū)動者，其濾食、呼吸和鈣化作用對海洋碳循環(huán)特別是近海碳循環(huán)有著重要的作用。近海受陸地徑流輸入和大氣降水的影響，鹽度可能呈現(xiàn)出季節(jié)性的變化。胡登輝在對東海及黃海南部2003-2008年間5 a走航觀測發(fā)現(xiàn)鹽度最高為在冬季，大約值為34.55，受長江淡水輸入的影響，向南鹽度逐漸降低，夏季，由于降水集中使得沿岸沖淡水勢力加強(qiáng)、范圍擴(kuò)大，東海北部以及黃海南部海表鹽度最低[2]；而全球變暖導(dǎo)致兩極冰川融化，將降低海水鹽度[3]。近海鹽度的變化可能對貝類鈣化和呼吸產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變近海碳循環(huán)的格局。因此，認(rèn)清鹽度變化對貝類的貝殼鈣化和呼吸產(chǎn)生哪種影響，將有助于人類對近海碳循環(huán)短期變化和長期變化進(jìn)行預(yù)測。厚殼貽貝Mytilus coruscus屬軟體動物門Mollusca，俗稱淡菜、青口，為溫水性種，主要分布在我國黃海、渤海和東海沿岸，以浙江沿海資源量最大[4]。厚殼貽貝具有肉質(zhì)鮮美、營養(yǎng)豐富、蛋白質(zhì)含量高、生長繁殖快、抗病能力強(qiáng)、易于人工養(yǎng)殖等優(yōu)點，是浙江舟山海域具有重要經(jīng)濟(jì)價值的養(yǎng)殖貝類之一[5]。本文主要以浙江舟山海域具有重要經(jīng)濟(jì)價值的養(yǎng)殖貝類[4-5]——厚殼貽貝為例，通過堿度異常技術(shù)（Alkalinity anomaly technique）研究其在不同鹽度條件下的貝殼鈣化率和呼吸率，并結(jié)合其養(yǎng)殖區(qū)的實際情況探究厚殼貽貝對近海碳循環(huán)的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

厚殼貽貝于2016年2月取自浙江舟山東極青浜島，清洗貝殼表面，除去污損生物后，馴養(yǎng)于40 L水箱中，其馴養(yǎng)海水為靜置后取上層清澈的長峙島近岸海水，全天曝氣且1 d 1次完全換水，并每天定時投喂微綠球藻Nannochloris oculata，馴養(yǎng)1周后進(jìn)行實驗。馴養(yǎng)過程中，海水溫度為17±0.5℃，pH為7.8±0.5，鹽度為 30.0±0.4。馴養(yǎng)結(jié)束后，取殼長 67～75 mm，殼高 27～30 mm，平均濕重為 33.34±1.27 FWg的厚殼貽貝進(jìn)行實驗。

1.2 實驗原理

本研究通過采用堿度異常技術(shù)研究厚殼貽貝在不同鹽度條件下的鈣化率和呼吸率的變化。堿度異常技術(shù)廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外對貝類、珊瑚等海洋生物的鈣化速率的測定[6-8]研究中，主要是通過生物封閉式養(yǎng)殖過程中水體總堿度（TA）的變化，來估算生物的鈣化速率。海洋貝類通過鈣化反應(yīng)，生成1 mol的碳酸鈣，將會消耗2 mol的碳酸氫根離子，同時降低2 mol的TA。而貝類在進(jìn)行呼吸作用時又將消耗1 mol的碳酸根離子，生成2 mol的碳酸氫根離子，由此水體中TA將不變。而在養(yǎng)殖過程中水體中的氮磷等營養(yǎng)鹽濃度由于貝類的代謝活動將有所增加，使得水體TA發(fā)生微小的變化，但在計算過程中這些微小變化是可以忽略不計[9]。

因此，厚殼貽貝的鈣化速率G（μmol/（FWg·h））可以用公式（1）表示：

其中：G為厚殼貽貝的鈣化率（μmol/（FWg·h））；TAi和TAf分別表示養(yǎng)殖前后海水的TA（μmol/L）；V為養(yǎng)殖水體的體積（L）；M為厚殼貽貝的鮮重（FWg）；T為實驗養(yǎng)殖時間（h）。

貝類鈣化導(dǎo)致水體中溶解無機(jī)碳（DIC）含量下降，但是呼吸作用產(chǎn)生的CO2在水中生成HCO3-，又使水體中的DIC濃度增加?？梢娝w中DIC含量的變化是鈣化和呼吸共同作用的結(jié)果，由此水體DIC變化量可以用公式（2）表示：

其中：ΔDIC表示養(yǎng)殖水體DIC的凈變化量；ΔDICR和ΔDICG分別表示由呼吸和鈣化引起的DIC變化；DICi和DICf分別表示養(yǎng)殖前后水體的DIC量。

同時，ΔDICG可用公式（3）表示為：

由此可推出，CO2呼吸率RC（μmol/（FWg·h））的表達(dá)式（4）為：

厚殼貽貝耗氧率Ro（μmol/（FWg·h））的表達(dá)式（5）為

1.3 實驗與測定

實驗海水取自舟山市長峙島近海岸，鹽度為30，靜置沉淀并過濾后，通過添加NaCl分析純試劑和自來水調(diào)至15、20、25、30和35共5個鹽度梯度。配置的海水在使用前靜置1 d。

實驗開始前分別從各個梯度中利用虹吸法取海水水樣進(jìn)行對溶解氧（DO）、海水總堿度（TA）和溶解無機(jī)碳（DIC）濃度的測定。根據(jù)《GB17378.3-2007海洋監(jiān)測規(guī)范》，其中DO水樣取樣后使用改進(jìn)的Winkler法直接測定，TA水樣用0.45 μm濾膜過濾后，加0.02%體積飽和氯化汞（HgCl2）溶液密封-20℃冷藏保存后測定，DIC水樣加0.02%體積飽和HgCl2溶液直接頂空密封4℃冷藏保存后測定。實驗前將每個鹽度梯度海水取樣3次，測定并計算其TA、DIC、DO平均值作為實驗海水初始值。每個梯度設(shè)置1個空白對照組和5個平行組，在4 L呼吸瓶中分別充滿相應(yīng)鹽度梯度的海水，每個平行組各放入3只貽貝，對照組無貽貝，放入后適應(yīng)30 min后將瓶密封，靜置2 h后取樣測定養(yǎng)殖后水體DO、TA、DIC濃度，同時測每個瓶中貽貝的總濕重。

TA測定使用Smartchem200全自動化學(xué)分析儀采用pH法測定，測量相對偏差為±3 μmol/L。DIC測定使用的是由美國Apollo公司生產(chǎn)的AS-C3型溶解性無機(jī)碳分析儀（Total Dissolved Inorganic Carbon Analyzer）。其測定原理為在強(qiáng)酸的作用下，將海水中主要以H2CO3、HCO3-、CO32-形式存在的溶解無機(jī)碳統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)化為CO2氣體后，通過高純度載氣N2經(jīng)過干燥系統(tǒng)，后進(jìn)入差分非色散紅外分析儀-LI-7000分析儀，按照濃縮時間曲線計算積分面積，從而量化樣品中CO2的總量，得出水樣中的DIC濃度，其精密度≤±0.1%。

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS18.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素分析，其中P＜0.05為差異顯著，并采用origin作圖分析。

2 數(shù)據(jù)與結(jié)果

各鹽度梯度的實驗海水的初始條件數(shù)據(jù)見表1。2 h的培養(yǎng)時間后，由于厚殼貽貝的呼吸作用，呼吸瓶內(nèi)實驗水體的pH大約下降了0.1，DO下降了1.52～3.51 mg/L，由于厚殼貽貝的鈣化作用，水中TA下降了19.87～37.01 μmol/L，同時在呼吸和鈣化的共同作用下，水體中DIC含量上升了47.70～207.71 μmol/L。

表1 不同鹽度下各實驗的初始條件數(shù)據(jù)Tab.1 Initial condition data for each experiment under different salinity

根據(jù)上述公式（1）、（4）和（5）計算得其不同鹽度下厚殼貽貝的鈣化率、呼吸率和耗氧率見表2，可見厚殼貽貝的鈣化和呼吸作用都受到鹽度的顯著影響（P＜0.05）。在養(yǎng)殖過程中厚殼貽貝的鈣化率隨著鹽度的增加，呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢，其中當(dāng)鹽度為25達(dá)到最高，為0.36±0.03 μmol/（FWg·h），低鹽度（15）和高鹽度（30、35）下鈣化率相對較低，在鹽度為35時其值最小，為0.19±0.04 μmol/（FWg·h）（表2和圖1）。

表2 不同鹽度下厚殼貽貝的鈣化率、呼吸率和耗氧率情況Tab.2 The calcification rate,respiration rate,and oxygen consumption rate of M.coruscus at different salinities

呼吸率也呈現(xiàn)出單峰變化趨勢，先增加后減少，其中當(dāng)鹽度為30時到達(dá)最高，值為3.83±0.38 μmol/（FWg·h），鹽度為15‰時呼吸率最低，為0.69±0.14 μmol/（FWg·h）（圖2）。而厚殼貽貝的耗氧率在低鹽度下相對較低，而在鹽度為25～35時耗氧率較高，尤其是鹽度為25，其值到達(dá)最大為2.81±0.08 μmol/（FWg·h）（圖3）?？梢姾駳べO貝在鹽度為25時其鈣化和呼吸作用都較為強(qiáng)烈，這時厚殼貽貝向外釋放出的CO2的速率將達(dá)到最高。

圖1 不同鹽度下厚殼貽貝鈣化率的變化趨勢Fig.1 The changing trend of calcification rate in M.coruscus with different salinity

圖2 不同鹽度下厚殼貽貝呼吸率的變化趨勢Fig.2 The changing trend of respiration rate of M.coruscu with different salinities

圖3 不同鹽度下厚殼貽貝耗氧率的變化趨勢Fig.3 The trend of oxygen consumption rate of M.coruscu with different salinities

3 分析與討論

實驗結(jié)果顯示厚殼貽貝的鈣化率、呼吸率和耗氧率皆受到鹽度變化的明顯影響，其中厚殼貽貝的鈣化率隨著鹽度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，且在鹽度為25達(dá)到最高。這與MALONE，et al[10]通過同位素標(biāo)記法對紫貽貝M.edulis鈣化率的研究和張明亮等[11]在對不同鹽度下櫛孔扇貝Chlamys farreri鈣化率研究結(jié)果一致?？梢婝}度為25時是厚殼貽貝進(jìn)行鈣化作用的最佳鹽度。而在低鹽度（15）和高鹽度（35）下鈣化率表現(xiàn)為較低值，其鈣化率相對鹽度為25的下降了38.9%、47.2%?？梢娫诘望}度和高鹽度下厚殼貽貝的鈣化作用受到一定的抑制作用。DICKINSON，et al[8]研究發(fā)現(xiàn)低鹽度（16）下，美洲簾蛤Mercenaria mercenaria由于對基礎(chǔ)能源需求的大幅度增加，而這些能量的不足，導(dǎo)致簾蛤減少生長，外殼角質(zhì)層廣泛損害。VELEZ，et al[12]在對菲律賓蛤仔Ruditapes philippinarum的生理活動的影響研究中發(fā)現(xiàn)，低鹽度14誘導(dǎo)碳酸酐酶（CA）活性補(bǔ)償酸堿失衡，鹽度35抑制CA活性，而CA活性的減少可能抑制貝類殼的生長和生物礦化作用?？梢娫谶^高和過低的鹽度下由于貝類生理活動受到抑制，將導(dǎo)致貝類的生物鈣化作用受到一定的限制。

在實驗中厚殼貽貝在較高鹽度（25～30）下都體現(xiàn)出高呼吸率和高耗氧率，其原因可能是在高鹽度下厚殼貽貝由于呼吸和代謝作用增加，消耗水體中氧氣增加。國內(nèi)外對不同鹽度條件下貝類的呼吸和代謝活動的研究表明，在一定范圍內(nèi)，貝類的呼吸代謝活動隨著鹽度的上升而增加，但是超過該范圍，其代謝活動將會受到抑制而減弱，且不同的貝類存在差異。史寶等[13]研究發(fā)現(xiàn)毛蚶Arca subcrenata的耗氧率在鹽度為32達(dá)到峰值，紫血蛤Sanguinolaria violacea在鹽度為36取得最大值[14]，栗志民等[15]研究表明皺肋文蛤Meretrix lyrata在鹽度為23呈現(xiàn)出最大耗氧率，而櫛孔扇貝在鹽度為25時達(dá)到最大[11]。

鹽度作為海水中重要的環(huán)境影響因子，近海岸的鹽度由于入?？诤恿鞯妮斎?、沿岸流、季節(jié)性降水等影響，呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，而貝類往往為了適應(yīng)該變化而做出相應(yīng)的反應(yīng)來調(diào)節(jié)自身的生理變化狀態(tài)。許多學(xué)者研究表明在低鹽度的脅迫下，貝類往往會通過釋放游離氨基酸庫（FAA）的排出和合成[16]、關(guān)閉進(jìn)出水管、閉合貝殼等生理活動來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，從而降低鹽度脅迫對貝類生理機(jī)體的損害。楊杰青[17]在對文蛤M.meretrix的研究發(fā)現(xiàn)在16～24內(nèi)文蛤的呼吸排泄作用還有濾水率和攝食率都呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，且在20的鹽度下體現(xiàn)為最適鹽度達(dá)到最大，在不合適的鹽度下，攝食和濾水作用都會受到明顯的影響，后對文蛤肌肉、鰓、外套膜的熱休克蛋白（heat shock protein,HSP）基因?qū)}度變化的表達(dá)情況分析可知在過高或過低的鹽度下都將影響文蛤各組織部位的HSP70基因的過度表達(dá)，以提高體內(nèi)細(xì)胞的自身保護(hù)。王貴寧等[18]在對菲律賓蛤仔的攝食率和清濾率的研究發(fā)現(xiàn)，在高鹽環(huán)境中蛤仔的攝食率下降，表明貝類的自身調(diào)節(jié)能力已適應(yīng)不了海水的滲透壓的改變，使得貝類生理活動不正常，從而導(dǎo)致攝食率的下降。鹽度除了對貝類的生物鈣化、能量代謝、基因表達(dá)和生長發(fā)育的影響、對貝類的免疫能力[19-20]、貝類的附著能力[21]和鰓纖毛運動等有著很大的影響。

厚殼貽貝在浙江近海養(yǎng)殖產(chǎn)量大，而在浙江的舟山近海海域，由于其地理環(huán)境的特殊性，地處長江入?？谑艿竟?jié)性的輸入，東海黑潮的影響等，其鹽度變化較大。根據(jù)對2016年舟山東極養(yǎng)殖厚殼貽貝海域的水質(zhì)分析，其海水鹽度的變化范圍為21～31，呈現(xiàn)出季節(jié)性變化，夏季由于長江口降水輸入量增大和范圍擴(kuò)增，平均值為24，冬季相對較高，平均為30（圖4）。厚殼貽貝的呼吸和鈣化作用都受到鹽度變化的影響。結(jié)合實驗結(jié)果和舟山近海海域的鹽度變化，可知厚殼貽貝在夏季鹽度最低時，其呼吸和鈣化作用將會提高從而加強(qiáng)CO2的釋放。

圖4 2016年舟山東極島附近海域鹽度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of salinity in the sea near Zhoushan Dongji island,2016

3 結(jié)論

（1）厚殼貽貝的呼吸率和鈣化率都受到鹽度變化的影響。隨著鹽度的增加，厚殼貽貝的鈣化率和呼吸率都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，其中鈣化率在鹽度為25達(dá)到最大值，為0.36±0.03 μmol/（FWg·h）；呼吸率在鹽度為30時達(dá)到最大，為3.83±0.38 μmol/（FWg·h）。

（2）在低鹽狀態(tài)下，厚殼貽貝的鈣化、呼吸和耗氧率都明顯較低，其可能原因為低鹽環(huán)境下，厚殼貽貝為保護(hù)身體機(jī)能受到損害，從而降低自身的生理代謝活動。

（3）對于近海岸的鹽度多變的環(huán)境下，厚殼貽貝的呼吸鈣化將受到明顯的影響，對于夏季低鹽的環(huán)境下，厚殼貽貝的呼吸和鈣化作用可能會體現(xiàn)相對較高的狀態(tài)，釋放CO2活躍。