海水酸化對青蛤耗氧率和排氨率的影響

高 山，梁 健，李永仁，馬云昆，郭永軍，閆喜武

( 1.天津農學院 水產學院，天津市水產生態及養殖重點實驗室，天津 300384； 2.大連海洋大學，遼寧省貝類良種繁育工程技術研究中心，遼寧 大連 116023 )

海水酸化對青蛤耗氧率和排氨率的影響

高 山1，梁 健1，李永仁1，馬云昆1，郭永軍1，閆喜武2

( 1.天津農學院 水產學院，天津市水產生態及養殖重點實驗室，天津 300384； 2.大連海洋大學，遼寧省貝類良種繁育工程技術研究中心，遼寧 大連 116023 )

在水溫(29.5±0.5) ℃、鹽度25條件下，用3個獨立循環水槽系統同時充入空氣和純CO2氣體，利用氣體質量流量計控制CO2的流量使海水pH為7.7±0.05和7.4±0.05,以pH 8.3 的天然海水為對照，研究海水酸化對青蛤耗氧率、排氨率及O∶N的影響。試驗結果表明，隨著海水酸化的加強，青蛤累計死亡數上升，呈正相關性，死亡率依次為pH 7.4>pH 7.7>pH 8.3；耗氧率隨pH的升高而降低，而較低的pH對青蛤排氨率有促進作用;O∶N值隨pH的降低而降低，一定范圍內的海水酸化會對青蛤的存活及代謝有影響，但這些影響對青蛤的生存和代謝并不致命，青蛤會隨著海水酸化時間來調節自身代謝以適應海洋酸化，本結果為青蛤對海洋酸化適應提供了基礎理論。

海洋酸化；青蛤；耗氧率；排氨率；O∶N

海洋是一個巨大的CO2收集庫，在全球碳循環中起重要作用, 自工業革命以來，海洋已吸收了人類活動所排放CO2總量的1/3以上, 對緩解全球變暖起了重要作用[1]。目前海洋的pH較工業革命前降低了0.1個單位，預測到21世紀末期將持續降低0.3～0.5個單位，到2300年大氣中增加的CO2含量將會引起pH降低0.7[2]。海洋酸化對海洋生態系統的平衡產生重大的影響，可能導致物種組成(珊瑚、貝類、棘皮動物、甲殼動物和魚類等)發生變化。貝類作為主要的鈣化生物，可加強海洋生態系統穩定性，防止海水富營養化。因此，近年來大多數研究以貝類作為主要對象探討海洋酸化對生態系統的影響。

青蛤(Cyclinasinensis)是中國南北沿海灘涂常見的重要經濟雙殼貝類，但在海洋酸化下對青蛤呼吸代謝的研究較少。本文研究了海水不同pH值下青蛤的排氨率及耗氧率的變化，探討海洋酸化條件下青蛤的呼吸代謝特征，為日益酸化中的海水養殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用青蛤采自獨流堿河河口灘涂，規格均勻，濕質量為(11.362±0.7) g，室內暫養14 d后，在天津市海升水產養殖公司的貝類育苗車間進行試驗，試驗水溫(29.5±0.5) ℃、鹽度25。

1.2 方法

1.2.1 海水酸化控制系統

試驗中，海水酸化控制系統主要由兩部分組成(圖1)：(1)氣體系統，主要為氣泵、CO2氣瓶、氣體質量流量控制器和積算儀；(2)3個獨立的循環水養殖系統，由水泵、加熱棒、生物濾盒和水槽組成。3個獨立的循環系統運行時，循環水的pH保持在3個水平，對照組僅充入空氣，海水的pH為8.3，其他兩組同時充入空氣和純CO2氣體，以pH計測定系統中海水的pH值，利用氣體質量流量計控制CO2的流量維持pH為7.7±0.05和7.4±0.05。

1.2.2 試驗過程

暫養結束后，將試驗青蛤置于3個養殖箱內，每箱130枚。試驗期間，早、中、晚投喂小球藻(Chlorellasp.)、等鞭金藻(Isochrysissp.)、角毛藻(Chaetocerossp.)和新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)混合餌料各1次，投喂后再次調試海水pH。每日統計青蛤死亡數，每3 d換水1/3。

圖1 試驗中海水酸化控制系統

分別于0、10、20、30、40 d，每組隨機抽取4枚青蛤測定體態特征及生理代謝指標，解剖，90 ℃下烘干軟體部至恒定質量。

采用封閉呼吸法測量耗氧率。每組取4枚青蛤放入4個呼吸瓶，另設空白對照，每組記錄3個試驗瓶和空白瓶的數據。青蛤開殼后計時，2 h后以碘量法測溶解氧質量濃度，按下式計算耗氧率(RR)：

RR/mg·(g·h)-1=V(C1-C2)/(m×t)

式中，V為呼吸瓶海水體積(L)，C1和C2代表試驗前后水中溶解氧質量濃度(mg/L)，m為青蛤軟體干質量(g)，t表示測試時間(h)。

利用次溴酸鹽氧化法測氨氮含量。按下式計算排氨率(ER)及O∶N：

ER/mg·(g·h)-1=V(C1-C2)/(m×t)

O∶N=(RR/16)/(ER/14)

式中，V表示呼吸瓶海水體積(L)，C1和C2代表試驗前后水中氨氮質量濃度(mg/L)，m為青蛤軟體干質量(g)，t表示測試時間(h)。

1.3 數據分析

采用Excel 2013和SPSS 18軟件進行數據分析。結果用平均數±標準差表示，進行單因素方差分析，Duncan顯著性檢驗，顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 試驗期間pH、鹽度和溫度的變化

試驗過程中，3個試驗組海水pH為8.30±0.20、7.70±0.10和7.40±0.10(圖2)。

圖2 海水pH變化

海水溫度在第14 d和18 d有兩次劇烈下降，其他時間基本約為29 ℃。海水鹽度變化穩定，為25.1～25.8(圖3)。

圖3 海水溫度和鹽度變化

2.2 青蛤死亡率

各試驗組均有死亡個體，正常海水pH試驗組死亡1枚。隨著海水酸化強度的增強，累計死亡數呈上升趨勢，表現出一定的正相關性。pH 7.40試驗組在試驗結束時死亡率達3.85%(圖4)。

圖4 不同pH梯度下各組青蛤的累積死亡個數

2.3 海水酸化對青蛤耗氧率的影響

在試驗前30 d，pH 8.3組青蛤耗氧率呈逐漸增加趨勢，但是差異不顯著(P>0.05)(圖5)。至第40 d時，其耗氧率有所下降，與第30 d和第20 d差異不顯著(P>0.05)，與第0 d和10 d差異顯著(P<0.05)。pH 7.7組青蛤耗氧率變化趨勢與pH 8.3相似，前30 d耗氧率呈增加趨勢，第30 d到達最大值，與第0、10 d和第40 d相比均差異顯著(P>0.05)，第40 d耗氧率有所下降，此時與第30 d和第0 d比差異顯著(P<0.05)，而與第20 d和第10 d比差異不顯著(P>0.05)。在整個試驗期間pH 7.4組青蛤的耗氧率均升高，10 d和0 d與40 d差異顯著(P<0.05)。但是20、30 d和40 d之間差異不顯著(P>0.05)

圖5 不同pH對青蛤耗氧率的影響

“※”表示同一時間下各試驗組間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一試驗組不同時間下差異顯著(P<0.05)，下同.

相同時間不同pH梯度下青蛤的耗氧率對比表明，除30 d外，其他各時間點試驗組青蛤的耗氧率均隨pH的降低而增加，大于對照組。在30 d時，pH 7.7組青蛤的耗氧率達最大值，而pH 7.4組降低，至40 d又呈遞增，pH 7.4組最大。只有在第10 d時，pH 8.3和pH 7.4耗氧率差異性顯著(P<0.05)。其他時間段4組的耗氧率差異均不顯著(P>0.05)。

2.4 海水酸化對青蛤排氨率的影響

各試驗組青蛤的排氨率隨時間的延長而增加(圖6)。方差分析結果表明，pH 8.3組各時間點的排氨率差異不顯著(P>0.05)。pH 7.7組前30 d的排氨率差異不顯著(P>0.05)，但第40 d時與前0 d和10 d的結果差異顯著(P<0.05)。pH 7.4組的變化趨勢與pH 7.7組類似，但第40 d只與第0 d的排氨率差異顯著(P<0.05)。

圖6 不同pH對青蛤排氨率的影

相同時間點各pH組青蛤的排氨率隨pH的降低而增大，各處理組均大于對照組，但各組之間的差異不顯著(P>0.05)。

2.5 酸化對青蛤O∶N比值的影響

pH 8.3組青蛤的O∶N比值先升后降，在20 d時最大。pH 7.7組青蛤的O∶N比值變化趨勢與對照組相似，在第20 d時達最大值，而后逐漸減小(圖7)。pH 7.4組青蛤的O∶N比值呈上升—下降—再上升的趨勢，在第10 d達最大值，第30 d時達最小值。相同pH梯度下不同時間點的O∶N比值差異不顯著(P>0.05)。

圖7 不同pH對青蛤O∶N比值的影響

同一時間，不同pH脅迫下的O∶N比值表明，第10 d和40 d時的O∶N比值隨pH降低而增加。而第30 d時正好相反，呈下降趨勢。但同一時間點上不同pH脅迫下O∶N比值的差異不顯著(P>0.05)。

3 討 論

3.1 pH對青蛤耗氧率的影響

隨著酸化時間的增加，酸化組青蛤的耗氧率逐漸高于對照組，這可能與青蛤自身提高呼吸代謝，抵抗外界不良環境有關。針對酸化的海水，海洋動物主要通過將能量轉移至關鍵的生化進程，以達到酸堿補償機制和離子內穩態，提高應對壓力的能量需求[3-4]。Rosas等[5]認為，當外界環境發生變化時，凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)可通過血淋巴滲透調節和離子調節來適應這種變化，對蝦會消耗體內儲存的能量來應對環境變化，勢必會導致機體代謝率的升高。從試驗結果也不難看出，pH 7.7組自開始到30 d時呼吸代謝一直增加，說明機體在不斷的適應環境變化帶來的壓力，至40 d時反而下降，更加說明了機體通過提高呼吸代謝正在逐步適應環境變化。當完全適應了嚴峻的環境后，呼吸代謝就會相對穩定。有學者[8]在研究柄海鞘(Styelaclava)耗氧率與pH的關系時發現，pH為7時柄海鞘的耗氧率最大，其呼吸代謝最旺盛，在pH 5～7的時柄海鞘的耗氧率隨pH的升高而增大，pH大于7以后其耗氧率隨pH的升高而降低。本試驗隨著酸化時間的增加耗氧率pH 7.4組>pH 7.7組>pH 8.3組，這與柄海鞘的研究成果[6]一致。Catarino等[7]發現，在19 d低溫及低pH(pH 7.7、pH 7.4)暴露導致海膽(Paracentrotuslividus)代謝比對照組高，結果也與本次試驗研究結果相符。但也存在著不同的研究結果，如當pH為6～9時，縊蟶(Sinonovaculaconstricta)的耗氧率變化并不明顯[8]；日本黃姑魚(Nibeajaponica)耗氧率影響變化很小[9]。隨著pH梯度的逐漸降低，尖紫蛤(Soletellinaacuta)耗氧率逐漸降低[10]。這些結果表明，不同的試驗對象其自身代謝不同，也可能與本次試驗酸化時間較短有一定關系。目前由于受條件限制，所以研究海水酸化長期脅迫貝類對能量代謝造成影響的文獻尚未見報道。

3.2 pH對青蛤排氨率的影響

隨著酸化時間的延長，試驗組的排氨率均呈逐漸遞增的狀態，且均大于對照組，排氨率pH 7.4組>pH 7.7組>pH 8.3組。Fernández-Reiriz 等[11]研究發現，在酸化條件下，槽蛤仔(Ruditapesdecussatus)幼體氨排泄率較正常情況下增加；Thomsen等[12]研究發現，貝類在嚴重酸化條件下生長減慢的主要原因是細胞能量需求的增加和氮損失的協同作用。本研究也論證了這個觀點，針對pH的降低導致排氨率反而逐漸升高這一現象，有的學者認為同論述耗氧率相同，排氨率的這種逐漸增長的狀態與自身抵抗外界不良環境有關。唐賢明等[13]指出, pH對魚的刺激直接導致魚代謝失調，而耗氧率、排氨率的增加正是魚產生應激反應、對不良環境進行積極對抗的結果，證明在酸化脅迫的情況下，出現較高的排氨率是自身抵抗不良環境的表現。然而也存在不同的報道，劉建業等[14]在研究鹽度和pH對合浦珠母貝(Pinctadafucata)耗氧率和排氨率的影響中指出，在pH 5～9隨pH的變化, 其排氨率呈先升后降趨勢, 在pH為8時達到最大，過高或過低的pH均會降低排氨率。同耗氧率相同，延長酸化時間，貝類排氨率可能降到一個固定值，最后趨于穩定。單純研究海洋酸化對貝類排氨率影響的文獻較少，大多都夾雜溫度、鹽度等共同作用下的能量代謝影響，鑒于條件限制，幾乎沒有長期對某一貝類進行酸化研究其能量代謝的報道。作為整個海洋生態系統來說，具有多樣性和復雜性，因此單一的較短時間的對某一海洋物種進行酸化研究充滿了局限性和偶然性，未來要對固定對象進行長期的探究，客觀的探究海水酸化給海洋生態帶來的危害。

3.3 pH對青蛤O∶N比值影響

盡管尚未證明O∶N比值差異值對機體的生長速率和個體大小有直接的影響，但是諸多的跡象表明O∶N比值的變化與機體所受的壓力密切相關[15]。在酸化初期，由于酸化帶來的不良生長環境，機體產生應激反應，伴隨著耗氧率和排氨率的增加，O∶N比值也會同樣增加。但到了第30 d出現明顯的下降。這一現象與大多學者的研究相符。金春華對溫度和鹽度對青蛤O∶N比值的影響表明，在適宜的范圍內升高溫度和鹽度O∶N比值會隨之增加，超過機體耐受范圍后反而會逐漸減小[16]。范德鵬等[17-18]也都證明了這點，當生存環境突變，機體就會相應產生應激性，代謝能力出現短暫升高，然后逐漸降低。本研究青蛤受到較低的酸化脅迫后開始出現短期的應激抵抗，但隨著脅迫時間增加，生理代謝受到抑制，O∶N比值開始下降，試驗組比對照組低，這也進一步說明較低的pH抑制青蛤的代謝，從而迫使青蛤要消耗自身體內蛋白質來為其新陳代謝供能。Mayzaud[19]認為, 機體以蛋白質代謝為主導地位時O∶N比值較低(7.0～9.3); 當脂肪和碳水化合物代謝占主導地位時O∶N比值通常大于24。本文中的O∶N比值均大于24，可能是因為試驗溫度較高，導致能量代謝值整體偏高。

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EffectofOceanAcidificationonRespirationRateandExcretionRateinClamCyclinasinensis

GAO Shan1, LIANG Jian1, LI Yongren1, MA Yunkun1, GUO Yongjun1, YAN Xiwu2

( 1.Tianjin Key Lab of Aqua-Ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China；2. Liaoning Engineering Research Center Breeding of Shellfish, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China )

The effects of pH 7.5±0.05 and pH 7.4±0.05 regulated by pure air and CO2levels on oxygen consumption rate, excretion rate and O∶N were studied in clamCyclinasinensiswith body weight of (11.362±0.7) g at water temperatare of (29.5±0.5) ℃ and a salinity of 25. The results showed that the cumulative mortality was found to be increased with the increase in seawater acidification, and that the order of mortality was expressed as pH 7.4>pH 7.7>pH 8.3. Respiration rate was decreased with the increase in pH, while lower pH led to promoted the excretion rate. The O∶N was shown to be decreased with the decrease in pH value and the ocean acidification in a certain range affected the survival and metabolism of the clam, but these effects were not fatal to the clam. The clam regulated metabolism to adapt to marine acidification, and the findings provides a basic theory for the adaptation of the clam to ocean acidification.

ocean acidification;Cyclinasinensis; respiration rate; excretion rate; O∶N

10.16378/j.cnki.1003-1111.2017.06.011

S968.31

A

1003-1111(2017)06-0758-05

2016-11-08；

2017-01-06.

國家“十二五”現代農業產業技術體系專項(CARS-48)；天津市農業科技成果轉化與推廣項目(201502350)；天津市基礎研究計劃項目(14JCTPJC00521)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(15JCYBJC30400)；天津市科技特派員項目(16JCTPJC46200).

高山(1990-)，男，碩士研究生；研究方向：海水酸化對貝類的影響.E-mail:331268746@qq.com.通訊作者：郭永軍(1969-)，男，研究員；研究方向：水產動物病害及免疫學. E-mail:guoyongjun@tjau.edu.cn.