钙质壳有孔虫溶蚀率和体表结构的影响

赵小慧，樊 超，桂 峰

（浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山 316022）

大气CO2浓度对全球气候系统乃至各种生态系统起着关键的调控作用[1-2]，自20世纪50年代以来，大气中CO2浓度升高和海洋酸化现象逐渐引起关注。工业革命以前，大气中的CO2浓度大约为0.28‰，当前CO2浓度水平已升高到0.391‰[3-4]。大气CO2浓度升高导致的海洋酸化，也已成为人们迫切需要面对的严峻问题。现代海洋酸化的研究最早可以追溯到20世纪50年代，REVELLE，et al[5]的研究表明，人类活动产生的很大部分CO2进入海洋并改变海水的化学性质。如果CO2排放仍保持当前速度，到2100年pH将会下降0.3～0.4个单位，而到2300年下降最大幅度可达0.77个单位[6-7]，届时所有海洋生物都将面临着来自海洋酸化的巨大威胁。海洋酸化会影响初级生产者的外观结构、细胞内的C、N元素比和光合作用能力以及对Fe元素的利用[8-9]，因此影响海洋的整个初级生产力过程，酸化还有可能导致海洋生物的基因表达受损[10]，增加幼体的畸变率和死亡率[11]，损害鱼类的嗅觉等感官能力从而影响洄游和躲避敌害的能力[12-13]，严重影响生物的生存能力，对海洋生物乃至整个海洋系统造成不可估量的危害。

有孔虫是海洋中最小的钙化生物，是海洋生物钙化的重要组成部分[14]，需要摄取海水中的Ca2+和CO32-来形成碳酸钙质壳体。几乎所有的研究都表明海洋钙化生物的钙化活动对水体中碳酸钙饱和度（或CO32-）是敏感的[15-18]，现如今海洋酸化趋势加剧，如果有孔虫长时间生活在酸化的海水中，不可避免会使有孔虫生存受到威胁。加利福尼亚湾北部的格瓦纳盆地有大量CO2排放，使该区域海水pH下降，PETTIT，et al[19]研究了不同pH梯度对有孔虫的影响，表明酸化海水对其生存生长产生显著且长期的负面影响。

长期以来，有孔虫广泛应用于地质古环境重建和现代海洋环境指示，前者主要利用化石群多样性指数解释古环境，后者使用活体组合多样性指示现代环境问题。地质历史时期层出现过CO2高浓度期，海洋环境退化也会产生低pH值环境，海水酸化导致的有孔虫个体保存能力降低，进而引起有孔虫组合生物多样性指数的变化不可忽视。然而，目前对于该问题的研究还很缺乏，为数不多的研究也主要着眼于海水酸化对单个物种有孔虫的影响。本实验结合自然环境下的背景值，在实验室模拟海洋酸化环境，并通过扫描电镜观察来探究海洋酸化对不同种微体有孔虫（毕克卷转虫Ammonia beccarii，江苏小希望虫Elphidiella kiangsuensis和透明筛九字虫Cribronon vitreum）产生的影响以及响应差异。以期通过研究，为古环境重建与现代环境指示提供更加科学的生态学信息。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区位于浙江省舟山市长峙岛谢家山（29°58′38″N，12°28′30″E），年平均气温 16 ℃左右，常年降水量 927～1 620 mm。舟山海域海水pH为7.80～8.20，具体pH随天气、气温等因素变化。

采集研究区优势种有孔虫毕克卷转虫、江苏小希望虫和透明筛九字虫[20]进行酸化实验。采样位置如图1，采样现场基本环境数据见表1，三种有孔虫的基本参数见表2。

图1 研究区域地理位置及采样地点Fig.1 Map showing the location of the study area

表1 采样现场基本环境数据Tab.1 Sampling site basic environmental data

表2 毕克卷转虫、江苏小希望虫和透明筛九字虫的基本参数[21]Tab.2 The basic parameters of A.beccarii,E.kiangsuensis and C.vitreum

1.2 实验设计

本实验设置1个正常海水对照组，4个缓冲溶液酸化胁迫组，每组设置5个平行样。对照组使用的海水为过滤处理后充分静置的洁净海水，海水的pH为8.12。实验组根据气候变化预测，海水的pH每100年下降0.3～0.4个单位，未来100～300 a将导致海水pH下降约0.77个单位，pH依次设置为7.40、7.60、7.80、8.01。

1.3 样品采集与预处理

使用平铲从潮间带采集样品，选择表层1 cm的沉积物，每个样品的体积为10 cm3，置于采样瓶中带回实验室备用。使用250目，孔径63 μm标准铜筛冲洗有孔虫样品，去除淤泥及细小沙粒；取30%过氧化氢溶液50 mL，加250 mL蒸馏水，稀释为5%过氧化氢溶液；用双氧水冲洗有孔虫砂样，并在5%过氧化氢溶液中浸泡15min以充分去除有机质，用蒸馏水充分冲洗后置于标本盒中[22]。

在显微镜下挑取外形相似、个体大小基本相同、壳体完好的有孔虫，将挑选出的3种有孔虫分别放置在5个不同pH的溶液中，每组各放每种有孔虫5个，缓冲溶液6 mL。

每天同一时间观察有孔虫的外形变化，记录破损及消失的个数。

1.4 扫描电镜观察

每隔1天挑取不同pH溶液中不同种属的有孔虫，在扫描电子显微镜上观察,记录壳体房室、缝合线、表面孔隙等微结构的改变。

1.5 数据处理与分析

对所采集的有孔虫结构照片进行分析并对实验组、对照组有孔虫个数变化等作图比较。本实验定义有孔虫的溶蚀率：溶蚀个数/有孔虫总数。

2 实验结果

2.1 有孔虫壳体破损个数随培养时间的变化

根据记录观察与数据做图2～6。

图2 24 h时有孔虫破损个数图Fig.2 The number of foraminifera damage after 24 hours

图3 48 h时有孔虫破损个数图Fig.3 The number of foraminifera damage after 48 hours

图4 72 h时有孔虫破损个数图Fig.4 The number of foraminifera damage after 72 hours

图5 96 h时有孔虫破损个数图Fig.5 The number of foraminifera damage after 96 hours

图6 120 h时有孔虫破损个数图Fig.6 The number of foraminifera damage after 120 hours

（1）从图2、图3、图4可以看出：随着时间的增加，毕克卷转虫，江苏小希望虫破损个体数增幅较大，透明筛九字虫在时间超过24 h后溶蚀均比较严重；从图5、图6可以看出，培养时间较长，有孔虫壳体出现溶蚀现象皆比较严重，透明筛九字虫出现完全溶蚀现象。

（2）不同的pH下，在短时间内海水的pH越低，有孔虫的壳体破损越严重，在pH＞7.8的情况下，壳体所受影响较小。

2.2 有孔虫壳体溶蚀率在不同pH下随培养时间的变化

随着pH降低，壳体耐受度降低，溶蚀率亦随pH降低而增大。

在酸化海水的影响下，不同有孔虫壳体溶蚀程度出现差别，在设定pH的范围毕克卷转虫、江苏小希望虫样品的最大溶蚀率分别为56.00%、61.33%，而透明筛九字虫的溶蚀率高达100%。

2.3 不同属种对pH变化的响应节点

从图4～6可以看出，透明筛九字虫的响应最迅速。

毕克卷转虫：pH=7.40时壳体在24 h内便开始有破损，pH＞7.40时在48 h内开始破损。随着培养时间的增加，破损个数增多、破损程度加剧甚至消失；72 h时有孔虫出现较多消失，之后消失速率减缓。pH越低，溶蚀作用越明显。溶蚀速率增加比较稳定。

江苏小希望虫：pH=7.40、pH=7.60、pH=7.80时壳体在24 h内均开始破损，pH=8.01时壳体在48 h内开始破损，随培养时间增加，破损个数增多、破损程度加剧甚至消失，且48 h时出现溶蚀速率加剧的情况，72 h时有孔虫出现较多消失，之后消失速率减缓。

透明筛九字虫：pH=7.40、pH=7.60、pH=7.80时在24 h内壳体均破损，pH=8.01时在48 h内开始破损；时间大于72 h时除海水组，其他pH下，壳体的溶蚀情况均很严重甚至消失，时间为120 h时，透明筛九字虫的壳体全部破损。

2.4 壳体表结构变化

扫描电镜下有孔虫观察结果如图7～9所示。可以看出，未做处理的有孔虫壳体光洁完整，表面壁孔清晰；而实验组的有孔虫，壳体出现溶蚀现象。

在同一pH下，随着培养时间的增加，三种有孔虫壳体均出现更严重的溶蚀破损，缝合线逐渐变浅或消失，末室最先出现破损或脱落，并继续向内溶蚀（图8）；相对于较高的pH（pH＞7.8），较低pH下培养较长时间，有孔虫的基本壳体形态无法保持，壳体破损和房室剥落严重，甚至仅剩内部核心部分，但不同种有孔虫壳体溶蚀程度存在差异（图9）；同一有孔虫，pH降低使得有孔虫壳体明显变薄，壳体表面尤其是缝合线处变粗糙并出现较大孔洞或层状剥落，且pH越低，壳体剥落、破损程度越严重（图 10）。

图7 不同pH条件下3种有孔虫的溶蚀率Fig.7 Dissolution rate of three foraminifera at different pHs

图8 pH=7.8时随培养时间增加有孔虫壳体表面结构对比Fig.8 At pH=7.8,the surface structure of the foraminifera shell was compared with the culture time

图9 pH=7.6时培养72 h的有孔虫Fig.9 pH=7.6 for 72 h foraminifera

图10 培养48 h随pH下降有孔虫壳体表面细节结构对比（以透明筛九字虫为例）Fig.10 A comparative study on the surface structure of the foraminifera shell with the pH decrease at 48 h（with C.vitreum as an example）

3 讨论

3.1 培养时间对有孔虫溶蚀率的影响

从图2～6可以看出，培养时间为48～72 h，pH在7.6～7.8的范围内，有孔虫溶蚀速率加快；培养时间继续增加，有孔虫在pH为7.8～8.0范围内溶蚀速率加快，而此时pH在7.6至7.8的范围内的溶蚀速率减缓。这是由于低pH的有孔虫壳体前期溶蚀严重，CaCO3的Ω（饱和度）增加，使后期有孔虫壳体溶蚀速率减慢，且经过前期的溶蚀，低pH的有孔虫壳体破损严重，所剩壳体少；而较高的pH下有孔虫前期溶蚀缓慢，CaCO3的Ω小，且壳体完好的较多、壳体较大，因此溶蚀在较长的培养时间下速率增加。相同的pH条件下，有孔虫的溶蚀随着时间的增加而严重，溶蚀率不断上升。随着pH降低、培养时长增加，各种有孔虫壳体溶蚀情况均加剧。

3.2 不同有孔虫溶蚀的阈值

不少有关有孔虫壳体的溶蚀实验侧重于观察壳体透明度变化与pH之间的关系、观察壳壁的微细结构或是将选好的有孔虫壳重新放入海水，定期观察并称量其损失，以此来研究壳体在不同深度海水中的溶解速度[23]，例如KUROYANAGI，et al[24]对有孔虫Marginopora kudakajimensis进行酸化海水实验室培养，通过壳体重量、壳体尺寸、房室数量等探究了4个不同pH对有孔虫生长产生的影响，并得出结论：工业化以来有孔虫的数量已经减少、pH应保持在7.9～8.2之间，pH在7.7附近有孔虫的钙化速度将急剧下降并影响其存活。UTHICKE，et al[25]在巴布亚新几内亚浅层火山的实验研究发现，有孔虫密度和多样性随着p CO2的增加而急剧下降，在pH=7.9时几乎没有有孔虫存活。以上研究的阈值与本实验中所设置的有孔虫受酸化海水影响较小的pH范围（pH＞7.80）大体一致，确定本实验有孔虫的溶蚀阈值为pH=7.80。

对钙质壳有孔虫的溶解机理及控制因素也曾有人进行过研究，PRAZERES，et al[26]研究了不同pH条件下，大型底栖有孔虫Amphistegina lessonii和Marginopora vertebralis钙化的生物化学过程和形态对海洋酸化的响应。实验测量了有孔虫的生长率（表面积和浮力），钙ATP酶（Ca-ATPase）和镁ATP酶（Mg-ATPase）活性，并使用微型计算机断层扫描图像计算壳密度。发现与pH=8.1相比，在pH=7.6时浮力显着降低，内部房室密度降低并且Ca-ATPase和Mg-ATPase的酶活性增加，这两种物种生长过程都受到二氧化碳浓度升高的影响，pH值是影响钙化生化途径差异变化的主要因素。

3.3 个体溶蚀差异的解释

本研究模拟海洋酸化环境，通过对舟山海域毕克卷转虫、江苏小希望虫、透明筛九字虫的海洋酸化响应分析，从而探讨不同种有孔虫对海洋酸化的响应差异。实验发现同一有孔虫在不同pH下和同一pH下不同有孔虫的溶蚀存在差异。根据扫描结果分析，壳体相对较薄的透明筛九字虫明显比其他两个属种有孔虫溶蚀更严重，这说明壳体厚度和硬度的越小，有孔虫的溶蚀速度越快；毕克卷转虫和江苏小希望虫溶蚀速率差别较小，但溶蚀个数和溶蚀率不同，推测酸化程度与有孔虫腹背形态有关，本研究还发现，毕克卷转虫凸出的背部较凹陷腹部更早出现溶蚀，表明有孔虫壳体凸出较凹陷更易出现溶蚀。海洋酸化对有孔虫的影响，在壳体厚度和壳体形态方面，壳体厚度的影响明显超过壳体形态。但作为对照组的海水组自始至终，有孔虫壳体均没有变化，表明海洋酸化对有孔虫壳体产生的影响非常大。有孔虫的溶蚀程度顺序为透明筛九字虫＞江苏小希望虫＞毕克卷转虫。

3.4 研究的不足

根据KEUL，et al[27]的研究，经过为期3.5个周的实验，观察卷转虫属（Ammonia sp.）在一系列的碳酸盐化学操作下的响应，认为[CO32-]影响有孔虫尺寸归一化的权重参数（SNW）和增长率参数，确认卷转虫有巨大的潜力作为[CO32-]的代理。本文实验周期短，在有孔虫壳体溶蚀与[CO32-]的定量关系之间没有进行深入探究，后期实验中需继续改进。

浅海区域中影响钙质壳有孔虫溶蚀的最直接因素为pH。自然环境下，溶解现象也是伴随钙化同时发生的，只是由于钙化率大于溶解率，整个区域通常表现为净钙化[28]。因此活体有孔虫正常的钙化速率能够产生碳酸钙抵消一部分溶蚀作用。根据舟山海域的海水pH推测，目前舟山近岸的海水对有孔虫活体的影响不大，但可能对死亡的有孔虫产生较大影响。

有孔虫壳体溶蚀可以反映出海洋环境的酸化程度，但有孔虫至今尚未被广泛地应用于海洋酸化监测的实践，其主要原因有两点，一是难以区分引起有孔虫破损的具体因素，二是无法提供海水酸度与钙质壳有孔虫动物群特征指标之间的定量关系及其简便实用的计算方法。这可以作为以后此类研究的重点方向。

4 结论

综上所述，本研究发现海洋酸化对有孔虫毕克卷转虫、江苏小希望虫、透明筛九字虫的钙质壳体产生一定影响，具体表现在：

（1）在海洋酸化影响下，有孔虫的壳体会出现表面溶蚀，壁间桥消失等现象，在溶蚀过程中有孔虫的溶蚀破损首先发生在末室，其次为缝合线，依次向内到最后为初房。壳体表现为逐渐变薄，变透明，直至消失。且pH越低，培养时间越长，溶蚀情况愈严重。

（2）本研究选取的3个种中，透明筛九字虫最易被溶蚀，溶蚀率高达100%，对pH降低最为敏感；壳体厚度对溶蚀率影响较大，毕克卷转虫、江苏小希望虫较透明筛九字虫的壳体稍厚，溶蚀稍慢，溶蚀率分别为56.00%和61.33%。此外毕克卷转虫的溶蚀速率略小于江苏小希望虫，可能与腹背形态有关。

（3）pH 7.80可以界定为有孔虫出现显著溶蚀的阈值，透明筛九字虫可作为研究区海域海洋酸化的指标物种，并作为重建古环境海水pH的依据之一。

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