秦艷杰,宋曉楠,李霞,趙祥吉、2

(1.大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點實驗室,遼寧大連116023; 2.江西省上饒市鄱陽中學(xué),江西上饒333100)

海洋酸化和升溫對中間球海膽幼蟲發(fā)育和生長的影響

秦艷杰1,宋曉楠1,李霞1,趙祥吉1、2

(1.大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點實驗室,遼寧大連116023; 2.江西省上饒市鄱陽中學(xué),江西上饒333100)

為了研究海洋酸化和氣候變暖對海洋生物的聯(lián)合作用,按照文獻(xiàn) [4]和 [7]中對海洋環(huán)境變化的預(yù)測趨勢,設(shè)置了3組海水,即對照組 (pH為7.93～7.99,水溫T為18℃)、試驗組E3(在對照組基礎(chǔ)上pH減小0.3,T升高3℃)、試驗組E6(在對照組基礎(chǔ)上pH減小0.6,T升高6℃),在此條件下對中間球海膽Strongylocentrotus intermedius幼蟲的發(fā)育及生長情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:酸化及升溫海水對海膽孵化率沒有顯著影響;E3組海膽與對照組發(fā)育進(jìn)程一致,而E6組則較慢;E3和E6組海膽分別存活了18 d和12 d,分別發(fā)育至八腕幼蟲和四腕幼蟲階段,可見試驗海水環(huán)境嚴(yán)重影響海膽幼蟲的存活;E3組海膽幼蟲的生長在受精后的前10 d與對照組差異不顯著 (P＞0.05),之后顯著低于對照組 (P＜0.05),而E6組海膽幼蟲的生長在整個試驗階段均顯著低于對照組 (P＜0.05);將骨針長度分解為口后腕骨針長度和軀干部骨針長度,各組海膽的生長差異主要表現(xiàn)在口后腕骨針長度上;試驗組長腕幼蟲畸形均不同程度地表現(xiàn)為腕短小、萎縮、腕骨針折斷、骨針彎曲變形等。研究表明,中間球海膽對海洋酸化和氣候變暖的海洋環(huán)境非常敏感,如果按照預(yù)測趨勢,海洋環(huán)境變化將會對該海膽產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。

中間球海膽;海洋酸化;升溫;幼蟲發(fā)育;生長

隨著人類活動所排放的CO2日益增多,海洋吸收的CO2也將逐年增長,海水的化學(xué)性質(zhì)將顯著改變,從而導(dǎo)致海水逐漸酸化。有報道指出,自工業(yè)革命以來的250年里,海洋的酸性增加了30%,海洋表層海水的pH值下降了0.1個單位[1]。有預(yù)測表明,到2100年海水pH值將下降0.3～0.5個單位[2-4],到2300年可能下降0.77個單位[5]。一些特殊的環(huán)境也會影響pH,例如上升流區(qū)、深海區(qū)、潮間帶池塘等[6]。另外,人類活動使得溫室氣體和碳粒粉塵排放增加,這些物質(zhì)都具有吸熱和隔熱的功能,使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間發(fā)散,這也是引起地球升溫的原因之一[2]。自1975年以來,地球表面的平均溫度已經(jīng)上升了0.5℃,由溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖已成為人們關(guān)注的焦點?？茖W(xué)家預(yù)測:如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展,到2050年全球溫度將上升2～4℃[7]。

海水酸化可能通過影響酸堿平衡對生物造成影響,對浮游幼蟲階段的影響可能更加明顯[8]。國外已有報道表明,牡蠣Crassostrea gigas[9]、橈足類Calanusfinmarchicus[10]和棘皮動物海蛇尾Ophiothrix fragilis[11]都會受到酸化的影響。另外,pH的下降也會降低碳酸鈣的飽和度,增加石灰?guī)r的溶解度。因此,鈣化生物如珊瑚、有孔蟲、貝類、腕足動物和棘皮動物可能受到威脅[12]。國內(nèi)有關(guān)環(huán)境因子對中間球海膽Strongylocentrotus intermedius生長發(fā)育的研究只局限于餌料、鎘、農(nóng)藥等方面[13-15],至今尚未見溫度和海水酸化聯(lián)合作用對其影響的報道。本研究中,作者通過海水酸化和升溫雙因子聯(lián)動模擬試驗,研究了中間球海膽幼蟲生長、發(fā)育可能受到的影響,旨在揭示海水酸化和升溫對模式動物海膽幼蟲發(fā)育和生長的影響模式和規(guī)律,預(yù)測當(dāng)?shù)睾Ｑ笊镌诿媾R氣候變化時的反應(yīng)和命運,為海洋環(huán)境保護相關(guān)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗海膽選用殼徑為(6.07±0.18)cm且性腺發(fā)育成熟的種膽,取自大連新碧龍海產(chǎn)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 試驗海水環(huán)境的設(shè)置 根據(jù)全球氣候變化中海洋酸化日益嚴(yán)重及海水溫度日益上升的雙重趨勢,設(shè)置雙因子聯(lián)動試驗。試驗設(shè)對照組和兩個試驗組 (E3、E6),其中對照組海水pH為自然海水(pH為7.93～7.99),水溫T為18℃;E3組海水在對照組基礎(chǔ)上pH減小0.3,T升高3℃,記為pH-0.3&T+3℃;E6組海水在對照組基礎(chǔ)上pH減小0.6,T升高6℃,記為pH-0.6&T+6℃。各組均設(shè)2個重復(fù),試驗在10 L水槽中進(jìn)行。

試驗中通過注入CO2調(diào)節(jié)酸化環(huán)境,對照組pH基本維持穩(wěn)定,酸化試驗組需對pH、溶解氧進(jìn)行實時監(jiān)測,并適時補充CO2,使其pH浮動范圍＜0.1個單位,溶解氧飽和度＞90%。采用雷磁PHS-3C型精密pH計測定pH值,采用滴定法測定溶解氧。試驗過程中,每天用事先調(diào)整到相應(yīng)pH和溫度的海水將每組半量換水一次。

1.2.2 海膽幼蟲的培育及指標(biāo)的測定 2012年10月19日,選取性腺發(fā)育成熟的種膽,從圍口膜體腔注射1～2mL 50 g/L的KCl溶液,催產(chǎn)1～2min后開始排出精、卵。選取精、卵質(zhì)量好的個體各1個,將精、卵以約1 000∶1的比例進(jìn)行混合受精。受精后約5 h,海膽發(fā)育至32～64細(xì)胞期時倒入各組海水中避光進(jìn)行孵化,孵化密度為 40～50個/mL。幼體破膜孵化出來并上浮時進(jìn)行選育定量,同時計算各組幼蟲孵化率 (上浮的幼蟲數(shù)/受精卵總數(shù))。然后進(jìn)行幼蟲培育,培育密度為1～2個/mL,每天投喂4次角毛藻,每升水中投喂約1 mL餌料 (濃度為100～200萬個/mL)。

在選育定量后,每天對各組幼蟲的發(fā)育進(jìn)程進(jìn)行觀察,同時對各組幼蟲的密度進(jìn)行測定,統(tǒng)計畸形率。每兩天用篩絹網(wǎng)撈取1次海膽幼蟲,綜合參照Moulin等[6]和Brennand等[16]的方法測量海膽的生長情況,各測量指標(biāo)如圖1所示。每個試驗組測定不少于40個個體,在Olympus CKX41倒置相差顯微鏡下觀察、測量,并用Nikon D7000數(shù)碼相機進(jìn)行拍照。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 11.5軟件對各組幼蟲的生長指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析,用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果

2.1 各組海膽的發(fā)育進(jìn)程

各組海膽受精卵的孵化率均達(dá)到85%以上,且各試驗組間無顯著差別 (P＞0.05)。

當(dāng)試驗進(jìn)行到受精后第12天時,E6組用篩絹網(wǎng)撈取3次僅獲得18個個體并進(jìn)行生長指標(biāo)測量,受精后第14天時所有個體均嚴(yán)重畸形死亡;受精后第18天時,E3組僅獲得16個個體并進(jìn)行生長指標(biāo)測定;受精后第20天時,E3組用篩絹網(wǎng)僅撈得海膽八腕幼蟲2個,且均為畸形個體,無法繼續(xù)測量統(tǒng)計,因此試驗結(jié)束。從發(fā)育進(jìn)程來看,與對照組相比,雖然E3組幼蟲首先發(fā)育至四腕和六腕階段,E3組幼蟲在存活時間內(nèi)發(fā)育速度與對照組沒有顯著差異,但僅能發(fā)育至八腕幼蟲階段且全部畸形,其死亡高峰出現(xiàn)在受精后第16天。E6組發(fā)育速度較慢,僅發(fā)育至四腕幼蟲階段,未發(fā)現(xiàn)六腕幼蟲個體,且E6組在受精后第10天時出現(xiàn)大量死亡現(xiàn)象。

2.2 各組海膽的生長差異

將海膽骨針長度分解為口后腕骨針長度和軀干部骨針長度兩部分,口后腕骨針長度和軀干部骨針長度的比較見圖2。對于口后腕骨針長度來說,受精后第4～10天時,E3組海膽幼蟲與對照組無顯著性差異 (P＞0.05),而E6組明顯低于E3組和對照組 (P＜0.05);受精后第10天時,E6組海膽幼蟲的口后腕骨針長度的標(biāo)準(zhǔn)差最大,達(dá)到平均值的48.16%,顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),這時開始有部分個體出現(xiàn)腕骨針折斷、腕嚴(yán)重萎縮畸形的癥狀;受精后第12天時,3組海膽幼蟲的口后腕骨針長度依次為對照組＞E3組＞E6組 (P＜0.05),此時E6組幾乎所有個體腕變得非常短,而E3組幼蟲的口后腕骨針長度的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最大,為平均值的25.77%;從第14天開始,E6組無法繼續(xù)測量而終止試驗,而E3組海膽幼蟲的口后腕骨針長度在受精后第16～18天時顯著低于對照組 (P＜0.05),之后海膽幼蟲全部畸形死亡 (圖2)。

在試驗期間內(nèi),各組海膽幼蟲軀干部骨針長度的標(biāo)準(zhǔn)差均較小,各組個體維持穩(wěn)定,其中E6組在整個試驗階段均明顯低于對照組(P＜0.05),而E3組僅在受精后第12天時顯著低于對照組(P＜0.05),其余時間均與對照組水平相當(dāng)(P＞0.05,圖2)。各組海膽軀干部骨針長度的變化趨勢與口后腕骨針長度變化趨勢類似,只是標(biāo)準(zhǔn)差相應(yīng)減小。

從各組海膽口后腕骨針長度與軀干部骨針長度的比值 (PO/BR)來看,其標(biāo)準(zhǔn)差均較大。E6組的PO/BR在整個試驗階段均明顯低于對照組 (P＜0.05),E3組的PO/BR在受精后第4天時顯著低于對照組 (P＜0.05),其余時間均與對照組無顯著差異 (P＞0.05),直至受精后第16～18天時又出現(xiàn)顯著低于對照組的情形 (P＜0.05),并逐漸死亡。E6和E3組的PO/BR標(biāo)準(zhǔn)差最大值分別出現(xiàn)在第10天和第12天,分別為平均值的43.20%和25.30%。

2.3 各酸化試驗組海膽的畸形特征

顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn):對照組受精后第10天時,海膽幼蟲為典型的四腕幼蟲;受精后第16天時, 20%以上個體發(fā)育至六腕幼蟲;第 18天時54.76%的個體發(fā)育至六腕幼蟲;第20天時出現(xiàn)了少量八腕幼蟲個體 (圖3-A、B、C)。E3組海膽幼蟲發(fā)育速度與對照組相當(dāng),第10天時出現(xiàn)腕萎縮畸形、骨針外漏的個體 (圖3-D);受精后第16天和第20天時分別出現(xiàn)六腕幼蟲和八腕幼蟲,但與對照組相比個體較小,且腕明顯畸形、偏短(圖3-E、F)。E6組僅在受精后12天內(nèi)存活,受精后第10天時絕大多數(shù)個體腕短小且較鈍 (圖3-G),或者嚴(yán)重畸形,表現(xiàn)在腕絕大部分脫落,僅留有軀干部 (圖3-H、I)。

各試驗組海膽畸形情況也有所差異,以受精后第6天為例,對照組骨針平滑、完整,而E3組在部分個體中出現(xiàn)腕骨針斷裂 (圖3-J),E6組個體不僅出現(xiàn)骨針斷裂,同時還出現(xiàn)骨針彎曲變形的現(xiàn)象 (圖3-K)。

3 討論

pH和溫度是影響海洋生物生長、存活和繁殖的關(guān)鍵因素,針對這兩個因子對海洋生物精子活力、存活、幼蟲生長和鈣化的影響,國內(nèi)外學(xué)者曾做了大量的研究工作。發(fā)現(xiàn)用礦物酸調(diào)節(jié)導(dǎo)致的海水pH值下降會使巖牡蠣Saccostrea glomerata貝殼變薄,死亡率升高[17],導(dǎo)致海膽Salmonella typhimurium胚胎畸形率升高[18],影響金黃水母Chrysaora melanoter幼體的生長與存活[19]。自2003年海洋酸化一詞出現(xiàn)在 《Nature》雜志以來[1],國外學(xué)者針對CO2增多而導(dǎo)致的海洋酸化可能對海洋無脊椎動物的影響研究迅速展開。通過注入CO2調(diào)節(jié)海水pH的海水環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)也相繼建立[11,20],結(jié)果表明,同一設(shè)定pH下,注入CO2比用礦物酸調(diào)節(jié)海水對海洋生物的負(fù)面影響更大[21],因此認(rèn)為,通過注入CO2可以建立和模擬海水酸化理想的海水環(huán)境。近幾年,通過注入CO2而形成的酸化海水對無脊椎動物幼蟲發(fā)育的影響在中國也有報道,主要涉及對馬氏珠母貝Pinctadamartensii、櫛孔扇貝Chlamys farreri等的研究[22-24]。另外,CO2也是典型的溫室氣體,它的增加不僅使海水不斷酸化,同時也會和其他溫室氣體聯(lián)合起來使地球變暖。盡管海水酸化可能與溫度變化無關(guān)[25],但依據(jù)預(yù)測,海水酸度與溫度都同樣趨于上升的趨勢。與成體比較起來,幼蟲發(fā)育能夠忍受的溫度變化幅度較窄[26],且溫度的變化可能通過影響幼蟲分散的距離進(jìn)而影響群體的分布和結(jié)構(gòu)[27],也可能影響幼蟲的生長發(fā)育速度和存活[28-29]。

本試驗中根據(jù)未來對pH和溫度的預(yù)測趨勢,設(shè)置酸度和溫度的聯(lián)合變化試驗,對模式動物——中間球海膽進(jìn)行了幼蟲發(fā)育和生長的研究。研究結(jié)果與前人報道的研究結(jié)果相似。如巖牡蠣在pH-0.3時存活率較對照組下降了43%,在pH-0.5時存活率下降了72%,同時幼蟲的發(fā)育時間會隨著pH的降低而延長,或者說同一發(fā)育階段酸化條件下的幼蟲個體較小,且殼的畸形狀況增多[30];太平洋牡蠣Crossostrea gigas在酸化 (7.4)條件下幼蟲發(fā)育延緩且殼的鈣化程度降低,大多數(shù)個體沒有殼或者僅有部分殼[31];海蛇尾在pH為7.9和7.7時幼蟲存活率和個體大小均下降,且幼蟲畸形率升高[11];海膽Hemicentrotus pulcherrimus、Echinometra mathaei的胚胎在6個不同濃度CO2的酸化海水中發(fā)育至長腕幼蟲時,幼蟲的體積、腕的尺寸隨著CO2濃度的增加而減小,并且其形態(tài)、幼蟲的骨針發(fā)育畸形[9,32];海膽Psammechinusmiliaris、Heliocidaris erythrogramma也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象[33-34]。

但也有一些研究結(jié)果表明,海洋酸化對某些海洋生物的影響不大。如Moulin等[6]報道在潮間帶生活的海膽Paracentrotus lividus僅在pH低于7.4時發(fā)育才會受到影響,這個pH較其他潮下帶研究的結(jié)果要低,推測原因是該種海膽分布廣、適應(yīng)性強,潮間帶經(jīng)常變動的環(huán)境可能使海膽能夠更好地適應(yīng)未來的海水酸化條件。而且在這個pH下,親本經(jīng)受較大的pH下降后,其配子的受精率顯著提高,推測配子可以對pH脅迫很好地調(diào)整和適應(yīng)。另有報道,海膽S.droebachiensis在較低 pH 下(7.9和7.7)培育,其到達(dá)變態(tài)期的成功率甚至高于正常pH下 (8.0)的海膽,盡管可能使浮游期延長[35]。Clark等[36]觀察到北冰洋海膽Sterechinus neumayeri幼蟲受到低pH的影響較熱帶和溫帶地區(qū)的海膽要低。也有一些報道認(rèn)為,海膽受精和胚胎發(fā)育沒有受到酸化的影響[36-37]。這些結(jié)果表明,即使是分類地位相近的種類,其早期生活階段對海水酸化的反應(yīng)可能完全不同。這可能與生物的生活環(huán)境變異幅度、分布區(qū)域和種屬特異性有關(guān)。

圖1 海膽測量指標(biāo)示意圖Fig.1 Themorphometric indices of pluteus larvae

圖2 受精后不同時間各組海膽口后腕骨針長度和軀干部骨針長度的變化情況Fig.2 Changes in length of postoral arms and skeletal rod in all groups various days after fertilization

圖3 受精后不同時間各組海膽的形態(tài)以及受精后第6天時幼蟲的畸形特征Fig.3 Themorphological characteristics of p luteus larvae in different groups various days after fertilization,and the deform ity characteristics of 6-day old pluteus larvae in all groups

多數(shù)研究僅關(guān)注了海洋酸化對生物生長發(fā)育的負(fù)面影響,而對全球變暖因素的影響考慮較少。僅有的研究結(jié)果表明,海膽Tripneustes gratilla在可承受的溫度范圍內(nèi),幼蟲的生長與溫度呈正相關(guān),而與酸化程度呈負(fù)相關(guān)[27],表明pH降低會使幼蟲變小,且溫度在一定程度上能夠抵消酸化的負(fù)面效應(yīng)。本研究中也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象,如中間球海膽在pH-0.3&T+3℃的聯(lián)合作用下,海膽的生長、發(fā)育速度與對照組沒有顯著差別 (甚至個別個體快于對照組),也說明溫度的適當(dāng)升高可能會部分抵消酸化的負(fù)面效應(yīng),盡管這個過程僅持續(xù)到受精后第18天,之后幼蟲因大部分腕折斷、畸形而死亡。另外,本研究中還發(fā)現(xiàn),酸化環(huán)境下的海膽個體極易出現(xiàn)畸形的部位是腕部,出現(xiàn)骨針折斷、萎縮變短的情況,隨著酸化程度的上升,腕部畸形情況嚴(yán)重,且個體較小。海膽的腕對于其攝食、游泳和逃避敵害至關(guān)重要,而且也有研究表明,其攝食的成功率與腕的長度緊密相關(guān)[38]。幼蟲較小會導(dǎo)致浮游階段延長,使其被捕食的危險增加,從而使生存率和種群繁衍能力下降。

總之,中間球海膽對海水酸化和升溫的環(huán)境條件非常敏感,未來的海水環(huán)境將對海膽發(fā)育造成致命的威脅,好在海水環(huán)境的自然變化是一個較緩慢的過程,采用科學(xué)的方法提高海膽自身適應(yīng)環(huán)境的能力并使其健康地生存,將是今后研究的熱點。

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Effects of ocean acidification and warming on growth and development in larval sea urchin Strongylocentrotus intermedius

QIN Yan-jie1,SONG Xiao-nan1,LI Xia1,ZHAO Xiang-ji1,2
(1.Key Laboratory of Mariculture & Stock Enhancement in North China's Sea,Ministry of Agriculture,Key Laboratory of Marine Bio-resources Restoration and Habitat Reparation in Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Poyang Senior Middle School,Shangrao 333100,China)

Larval sea urchinStrongylocentrotus intermediuswere reared in conditions of changes in water temperature (T) and pH value (pH) (in control group,pH from 7.93 to 7.99,T=18℃;in E3 group,T=21℃ and pH value decreased by 0.3 from the level in the control group and in E6 group,T=24℃ and pH value decreased by 0.6 from the level in the control group for 20 d) to evaluate the effects of the joint effects ofwarming and increased acidification/p CO2on larval development and growth.Acidification and warming were not shown to affect on the hatching rates of fertilized eggs in sea urchin significantly,even though same development was found in both group E3 and control group,and lower developmentwas observed in group E6.Larval sea urchin was survival for 18 days in group E3 (as pluterus larvae with 8 arms) and for 12 days in group E6 (as pluterus larvaewith 4 arms),indicating effect of marine environment on survival of larval sea urchin.There were significantly shorter length of postoral arm,body rod and whole skeleton in E6 group than those in control during their living phases(P＜0.05),though there was similar growth rate in sea urchin larvae in both group E3 and control group in the first10 days after fertilization(P＞0.05),and then significant decrease in growth till death,indicating that elevated acidity/pCO2led to significant decrease in larval growth,especially in post oral arm.The dysmorphosis of pluterus larvae was characterized by short,atrophy,broked and/or bending arms in acidified conditions.The findings show thatS.intermediuslarvae will be negatively affected by exposure to the warming and acidified ocean.

Strongylocentrotus intermedius;ocean acidification;warming;larval development;growth

Q143

A

2095-1388(2013)05-0450-06

2013-04-15

遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計劃項目 (LJQ2011077);國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點實驗室資助項目 (201102)

秦艷杰 (1977-),女,副教授,博士。E-mail:qinyanjie@dlou.edu.cn