海水酸化對海洋生物影響的研究進(jìn)展

孫珮琦，楊濟(jì)淞，秦玉雪，2，崔久儒，薛佳欣，陳 雷，2

（1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023）

自工業(yè)革命以來，由于燃燒化石燃料、砍伐森林、工業(yè)化進(jìn)程加速，大氣中CO2迅速增加，在過去200 余年里，大氣中二氧化碳（CO2）水平增加了近40%，空氣-海洋間氣體交換導(dǎo)致海水pH 下降［1-3］。海水吸收緩解了大氣中CO2升高的速度，據(jù)統(tǒng)計，海水吸收碳量約占人類向大氣中增加碳量的1∕3［4］。海水對CO2的吸收直接導(dǎo)致基本化學(xué)平衡的改變和海水pH 的下降，這種現(xiàn)象被稱為海洋酸化［5］。人們認(rèn)為海水的緩沖能力可以抵消海洋環(huán)境中溶解CO2后帶來的影響，但已有研究報道了海水酸化對水生生物的多種不利影響［6-11］。海水酸化的加速也會對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的生物學(xué)影響。大氣中的CO2濃度預(yù)計每年以0.5%的幅度增加［12，13］。大氣中CO2增長速度比65 萬年前的增長速度提高了近100倍，多種海洋生物無法迅速適應(yīng)這種變化，這一現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注［14，15］。

海水酸化對不同海洋生物的生命過程影響不同。對于浮游動物、棘皮動物、軟體動物和珊瑚等需要通過鈣化反應(yīng)形成軀體內(nèi)外硬質(zhì)部分的生物，酸化的海水通過干擾生物鈣化進(jìn)程影響其生長發(fā)育［16］。海水酸化導(dǎo)致珊瑚白化現(xiàn)象頻發(fā)，危及碳酸鹽的沉積，珊瑚在珊瑚礁系統(tǒng)中變得越來越罕見，最終結(jié)果將是珊瑚礁群落多樣性減少［17，18］。海水酸化對生物的呼吸耗氧代謝過程產(chǎn)生消極影響。生活在酸化環(huán)境中的蝦夷扇貝（Mizuhop ectenyessoensis）通過增加乳酸脫氫酶活性刺激無氧代謝，誘導(dǎo)了氧化應(yīng)激反應(yīng)［19］。海水酸化使生物體免疫系統(tǒng)發(fā)生改變，影響其健康狀況。在CO2濃度升高時，橙線雀鯛（Acanthochromis polyacanthus）對警報氣味的反應(yīng)速度減慢［20］。海水酸化也會引起其他環(huán)境因子的變化，如CO2濃度升高可導(dǎo)致海水溫度的升高，這將提高生物體內(nèi)金屬離子富集、氧化還原反應(yīng)的速率等［21］。多重環(huán)境因子脅迫會加劇對海洋生物體的不利影響。本研究從生長發(fā)育、呼吸代謝、免疫系統(tǒng)、行為表現(xiàn)以及影響酸化效應(yīng)的環(huán)境因素5 個方面綜述海水酸化對海洋生物的影響，以此引起人們對空氣中CO2濃度升高現(xiàn)象的重視，提出減少CO2排放、科學(xué)保護(hù)海洋生物的建議。

1 海水酸化對海洋生物生長發(fā)育的影響

CO2的過度排放和由此造成的海水酸化將對海洋環(huán)境中的生物產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［22］?？安旒訑M石蟹（Paralithodes camtschaticus）在pH 為7.5 的環(huán)境下生活95 d，死亡率為100%［23］。巖瓷蟹（Petrolisthes cinctipes）溞狀幼體在pH 為7.5 的環(huán)境下心率下降20%，幼體的存活率不受影響，但長時間（49 d）酸化環(huán)境會使巖瓷蟹幼蟹的存活率下降30%［24］。pH 的降低會改變精子的活性，酸化導(dǎo)致精子和卵子結(jié)合受精成功率降低。Morita 等［25］研究了指形鹿角珊瑚（Acropora digitifera）精子鞭毛的活力，在pH 為8.0 時69%的精子是活動的，隨著pH 的降低精子活性隨之下降，當(dāng)pH≤7.7 時其活性不到20%。精子活力的降低顯著影響指形鹿角珊瑚的生命周期。Reuter等［26］使用精、卵接觸時間和精子濃度評估CO2升高對巨紫球海膽（Strongylocentrotus franciscanus）產(chǎn)卵受精的影響，發(fā)現(xiàn)精子游動速率降低了11.7%、運(yùn)動性減弱了16.3%，受精成功率降低了24.9%。

CO2濃度的增加導(dǎo)致海水中碳酸氫根離子（HCO3-）和氫離子（H-）濃度升高，鈣離子（Ca2+）濃度下降，最終碳酸鈣濃度下降［27，28］，因此在貝類幼蟲碳酸鈣質(zhì)外殼和骨骼合成階段，海水酸化很容易對其生長發(fā)育產(chǎn)生影響。6 種濃度CO2條件下飼養(yǎng)克氏原螯蝦（Procambarus clarkii）胚胎，待發(fā)育至羽狀幼蟲期，隨著CO2濃度的增加，幼蟲形態(tài)顯著變小，骨骼發(fā)育趨于異常［29］。Schalkhausser 等［30］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高濃度CO2處理的大西洋扇貝（Pecten maximus）幼蟲雖然完全脫殼，但幼蟲體積比對照的幼蟲體積小20%，并表現(xiàn)出鉸鏈凸出、畸形等異常形態(tài)。貽貝（Mytilus edulis）外殼在pH 為7.8 時比pH 為8.1 時小6.0%，殼厚下降12.0%，在pH 為7.6 時，孵化率更是降低了24%［31］。由此可見，海水酸化對其生長產(chǎn)生了消極影響。

海水酸化也會降低生物的耐熱性。大西洋扇貝冬季適宜溫度為3～5 ℃，在同等酸化條件下，生活在4 ℃條件下的個體死亡率較高，而在5 ℃條件下的個體存活了10 個月，說明在4 ℃達(dá)到了其較低的熱極限，從而導(dǎo)致死亡率上升［30］。Metzger 等［32］用血淋巴動脈血氧張力指標(biāo)評價了不同CO2濃度下黃道蟹（Cancer pagurus）的耐熱性。CO2濃度升高導(dǎo)致血淋巴中氧分壓顯著降低，有氧范圍的熱上限降低了5 ℃，即海水酸化會導(dǎo)致黃道蟹對熱的敏感性增強(qiáng)。在對蜘蛛蟹（Hyas araneus）幼蟲的觀察中也發(fā)現(xiàn)，CO2濃度的升高延長了其發(fā)育時間，降低了幼蟲的生長速率和對溫度的適應(yīng)性［33］。

2 海水酸化對海洋生物能量代謝的影響

Fernández-Reiriz 等［34］發(fā)現(xiàn)溝紋蛤仔（Ruditapes decussatus）幼體在pH 下降0.7 的水體中溶解氧濃度由每小時0.54 mg∕L 降到0.26 mg∕L，排氨率呈上升趨勢，由1.93 μg∕（g·h）升到4.65 μg∕（g·h），O∶N 的數(shù)值由369 降到83.3，O∶N 數(shù)值越低，蛋白質(zhì)代謝的比例越高，能量輸入的減少與攝入的減少、排泄的增加有關(guān)，這會導(dǎo)致溝紋蛤仔在未來高濃度CO2的海水中生長緩慢。在對貽貝的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)在低pH 下，盡管排泄率有所升高，但由于呼吸頻率的降低，O∶N 的數(shù)值由（21.0±2.7）降到（12.3±1.6）［35］。

塞內(nèi)加爾鰨（Solea senegalensis）在低pH 環(huán)境下，有氧適能下降，降低了用于飼料消化和同化的能量可用率，從而導(dǎo)致生長速率減緩［36］。美洲螯龍蝦（Homarus americanus）在正常條件下耗氧率為（1.065±0.185）mg∕（g·h），當(dāng)CO2濃度增加時，耗氧率降到（0.615±0.141）mg∕（g·h），且導(dǎo)致其氧化應(yīng)激和DNA 的損傷，線粒體氧化應(yīng)激可觸發(fā)細(xì)胞質(zhì)信號通路，使線粒體數(shù)量倍增，以滿足生存于高濃度CO2環(huán)境下的能量需求，最終引起用于生長的能量減少［37］。Jakubowska 等［38］在波羅的海中心觀察到pH和CO2分壓的巨大季節(jié)性波動，隨著pH 的減少，波羅的海蛤蜊（Macoma balthica）代謝率增加，在pH 為7.0 時提高了1.5 倍，在pH 為6.0 時提高了2.5 倍。酸堿調(diào)節(jié)的額外成本和生物礦化相關(guān)酶表達(dá)的代償性增加致使代謝率增加，較高的維護(hù)成本導(dǎo)致用于運(yùn)動、生長和繁殖的能量減少，進(jìn)而使其生長受到消極影響。

最大限度地減弱新陳代謝，減少能量消耗，將更多能量投入到生長和繁殖中，是南極無脊椎動物的生長策略。當(dāng)pH 降低為7.78 時，南極鴨嘴蛤（Laternula elliptica）的耗氧率升高2.3 倍，代謝差異也反映在蛋白質(zhì)的合成潛力上，隨著pH 的降低，查爾酮合成酶基因（CHS）表達(dá)水平與pH 呈負(fù)相關(guān)，代謝率隨pH 降低而升高［39］。

3 海水酸化對海洋生物免疫的影響

在不利的環(huán)境條件下，生物體保持高效的免疫調(diào)控能力可以增強(qiáng)其生存適應(yīng)性。雙殼類動物對疾病、惡劣環(huán)境等的生理反應(yīng)是由血淋巴中的血細(xì)胞介導(dǎo)的［40］。血細(xì)胞能通過吞噬作用殺死潛在的病原體。厚殼貽貝（Mytilus coruscus）在pH 為7.3 的環(huán)境中血細(xì)胞死亡率顯著升高，酯酶活性、血細(xì)胞數(shù)量、溶酶體數(shù)量顯著下降［41］。長牡蠣（Crassostrea gigas）在高濃度CO2環(huán)境下，出現(xiàn)血細(xì)胞凋亡、活性氧增加和部分抗氧化酶受到抑制的現(xiàn)象，其體內(nèi)的谷胱甘肽（GSH）能幫助其保持正常的免疫系統(tǒng)功能，但在海水酸化條件下消化腺中谷胱甘肽水平降低，而且mRNA 的表達(dá)被顯著抑制［42，43］。因此，海水酸化會增加雙殼類感染疾病的風(fēng)險。

機(jī)體酸堿平衡的失調(diào)往往伴隨氧化應(yīng)激反應(yīng)，同時激活抗氧化防御機(jī)制，從而影響多種抗氧化酶活性。在斑馬魚（Danio rerio）鰓組織中，酸化導(dǎo)致超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）的表達(dá)水平顯著升高［44］。長期暴露在高濃度CO2環(huán)境中也會改變蛋白質(zhì)的生物合成。金頭鯛（Sparus aurata）在pH 7.3 的海水中生活，乳酸脫氫酶（LDH）活性的增加和檸檬酸合成酶（CS）活性的下降，反映了低pH 環(huán)境可以導(dǎo)致氧化過程從有氧途徑向無氧途徑轉(zhuǎn)變［45］。

吞噬細(xì)胞可以識別、消除入侵生物體內(nèi)的外來異物，是重要的防御系統(tǒng)組成部分［46］。pH 降低可以抑制巨噬細(xì)胞的吞噬作用。綠海膽（Lytechinus variegatus）在pH 為7.6 時吞噬細(xì)胞減少，pH 為7.3 時吞噬細(xì)胞受損；棘球海膽（Echinometra luccunter）在pH 為7.6、7.3 的環(huán)境中，吞噬細(xì)胞分別減少了40%、50%［47］。紅海盤車（Asterias rubens）在pH 為7.7 的環(huán)境中生活一周后體腔細(xì)胞減少了近50%，而且其吞噬能力也降低了30%［48］。以上研究表明，在酸化的海洋環(huán)境中，海洋生物對病原體的抵抗能力會因?yàn)樽陨砻庖呦到y(tǒng)受損而降低。

4 海水酸化對海洋生物行為的影響

魚類雖然有一定的酸堿調(diào)節(jié)能力，但由于在感覺細(xì)胞膜上分布著大量電壓門控離子通道，外界環(huán)境離子的改變會影響這些電壓門控離子通道的活性，破壞海洋生物的神經(jīng)系統(tǒng)，影響其行為［49］。Nilsson 等［50］通過測試三帶雙鋸魚（Amphiprion percula）在高濃度CO2環(huán)境下對捕食者氣味的嗅覺反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其對捕食者氣味不排斥且被吸引，分析原因可能是用于緩沖血液pH 的細(xì)胞外HCO3-濃度增加會改變GABAA 受體的功能，改變其極性，從而對三帶雙鋸魚認(rèn)知和行為產(chǎn)生消極影響。將安邦雀鯛（Pomacentrus amboinensis）稚魚放入CO2分壓為86 Pa的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)其降低了對捕食者的防御反應(yīng)，表現(xiàn)為未改變覓食行為、未減少活動區(qū)域范圍，而且當(dāng)捕食者靠近時，在危急時刻缺少逃逸行為［51］。

幼魚的感知能力是影響其生存的重要因素。魚類耳石主要功能是聽覺和運(yùn)動平衡［52］，Bignami等［53］使用高分辨率微計算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）測量海水酸化下軍曹魚（Rachycentron canadum）幼體耳石的3D 大小和密度，在高濃度CO2分壓下，幼魚耳石的體積、表面積和密度顯著大于對照組，耳石的表面積體積比顯著降低，建立耳石在0.8 nm 振幅正弦聲波響應(yīng)下運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)耳石質(zhì)量的增加導(dǎo)致了位移幅度的增加，耳石位移幅度增加有助于魚類接收到更多的外源聲音。在黑海魚類中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。高濃度CO2環(huán)境下耳石質(zhì)量增加導(dǎo)致聽力范圍增大。一般情況下，移動范圍較廣的大洋區(qū)海洋生物通常長有相對于其體型較小的耳石［54］，這是為了適應(yīng)其特定生活習(xí)性而進(jìn)化的。當(dāng)高濃度CO2環(huán)境引起大洋區(qū)海洋生物耳石質(zhì)量增加時，周圍的感覺毛細(xì)胞將被擠壓，影響生物的感知能力，不益于種群繁衍和維持，可能會降低大洋區(qū)海洋生物的多樣性。

海水酸化影響海洋生物生長發(fā)育、呼吸代謝、免疫系統(tǒng)和行為的機(jī)理如表1 所示。

表1 海水酸化對海洋生物的影響機(jī)理

5 影響海水酸化效應(yīng)的因素

研究證明，有些生物對酸化的敏感性取決于溫度［55-57］。Comeau 等［55］研究發(fā)現(xiàn)在恒定溫度（0 ℃）時，蟠虎螺（Limacina helicina）呼吸速率不受CO2濃度的影響，但在升高溫度（4 ℃）時，其呼吸速率顯著增加。Lannig 等［56］研究發(fā)現(xiàn)，在15 ℃、高濃度CO2環(huán)境下長牡蠣的標(biāo)準(zhǔn)代謝率與對照組無顯著差異（P＞0.05），但是當(dāng)急劇升溫時，兩組的標(biāo)準(zhǔn)代謝率均上升，且在pH 為7.1 的環(huán)境下長牡蠣的標(biāo)準(zhǔn)代謝率升高幅度更大。Rodolfo-metalpa 等［58］研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，pH 為7.1、7.2 環(huán)境下生長的櫟珊瑚（Balanophyllia europaea）死亡率升高，總鈣化率在pH 為7.4 時降低30%，這是低pH 和高溫協(xié)同作用的結(jié)果。

海水pH 通過改變重金屬和非金屬的存在形式、吸附和氧化還原過程的速率，影響其對生物的毒性［59］。這個過程可能會加速有毒物質(zhì)在生物體內(nèi)的積累，影響生物的多種生理過程。鎘（Cd）是一種重有色金屬元素，對水生生物的生存、發(fā)育、繁殖都有不利影響［60，61］。褐牙鲆（Paral ichthysolivaceus）胚胎在pH 7.2～7.8、Cd2+濃度為0.01～0.05 mol∕L 條件下，過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）活性以及脂質(zhì)氧化終產(chǎn)物丙二醛（MDA）均呈顯著下降趨勢［62］。砷（As）廣泛分布于自然界中，具有一定的毒性和致癌性。砷誘導(dǎo)的毒性通常歸因于促氧化劑和抗氧化細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失衡的改變，從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)［63，64］。通過生物化學(xué)方法研究了海洋酸化和砷（As）對長牡蠣的聯(lián)合影響，長牡蠣在砷存在的環(huán)境中GSTs 活性顯著升高，表現(xiàn)為解毒機(jī)制的激活，在低pH 和砷（As）復(fù)合條件下觀察到GSTs 活性較低，表明在低pH 條件下長牡蠣對As 的解毒能力受到影響，碳酸酐酶（CA）活性在所有試驗(yàn)條件下均顯著降低，表現(xiàn)為受As和低pH 的共同影響［65］。

納米粒子（NPs）具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域［66，67］，但當(dāng)NPs 進(jìn)入海洋中會對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成生態(tài)風(fēng)險。厚殼貽貝作為濾食性生物，會攝取NPs，海水酸化會增加NPs 在厚殼貽貝組織器官中的積累，在NPs 和低pH 環(huán)境中生存一段時間，單位重量的耗氧量（SDA）顯著降低，SDA 反映了動物在食物消化和營養(yǎng)吸收過程中的能量需求，說明兩者復(fù)合脅迫導(dǎo)致代謝成本增加，使用于消化的能量減少，厚殼貽貝需要額外的能量來應(yīng)對納米粒子和海水酸化，代謝率峰值降低，酸化和NPs 處理導(dǎo)致厚殼貽貝消化過程中的部分代謝受到抑制［68］。

6 展望

海洋孕育了豐度的生物資源，海水酸化對海洋生物生長發(fā)育、呼吸代謝、免疫系統(tǒng)和行為都有嚴(yán)重影響，可能會導(dǎo)致物種數(shù)量的減少，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡。當(dāng)有海水溫度升高、重金屬離子超標(biāo)等其他環(huán)境因子協(xié)同作用時，海水酸化對生物體的影響將更加顯著［69，70］。為了減緩CO2濃度升高引起海水酸化現(xiàn)象，應(yīng)加大對清潔能源的開發(fā)和利用，減少、結(jié)束對化石燃料的依賴。同時，加大對海水酸化影響生物生理反應(yīng)的機(jī)理研究，提出科學(xué)保護(hù)海洋生物多樣性、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的舉措，實(shí)現(xiàn)人與海洋的和諧共生。