Ontogenetic and temperature-dependent changes in tolerance to hypoxia and hydrogen sulfide during the early life stages of the Manila clam Ruditapes philippinarum

菲律賓馬尼早期拉蛤仔對(duì)缺氧和硫化氫耐受性和溫度依賴(lài)的變化

來(lái)源：Marine Environmental Research 137 (2018) 177–187

 

一、論文摘要

論文摘要指出，由風(fēng)引起的、含有硫化氫（H?S）的缺氧水體上升流（稱(chēng)為“藍(lán)潮”）有時(shí)會(huì)導(dǎo)致沿海生物大規(guī)模死亡，包括耐缺氧的馬尼拉蛤。本研究在受控實(shí)驗(yàn)室條件下檢驗(yàn)了馬尼拉蛤?qū)?S的耐受性。通過(guò)人工受精或野外種群獲得的幼蟲(chóng)和稚貝被暴露于正常含氧水體，或含有不同濃度未電離H?S（0.2-52.2 mg/L）的缺氧水體中。24小時(shí)暴露實(shí)驗(yàn)揭示了蛤?qū)?S耐受性的個(gè)體發(fā)育變化：耐受性從幼蟲(chóng)階段到剛附著的稚貝階段增強(qiáng)，但隨著稚貝生長(zhǎng)而減弱。幼蟲(chóng)和稚貝對(duì)H?S的耐受性隨著水溫從20°C升高到28°C而減弱。 prolonged 48小時(shí)暴露于H?S會(huì)減弱稚貝的耐受性。通過(guò)24小時(shí)再充氧暫時(shí)中止H?S暴露，能提高稚貝承受重復(fù)H?S暴露的能力。

二、研究目的

本研究的主要目的是在受控實(shí)驗(yàn)室條件下，量化馬尼拉蛤在不同早期生命階段（從幼蟲(chóng)到稚貝）對(duì)主要環(huán)境壓力源——缺氧和硫化氫（H?S）——的耐受性。由于H?S是導(dǎo)致沿海缺氧事件中生物死亡的關(guān)鍵毒性物質(zhì)，但以往研究多基于總硫化物（TS）濃度，本研究旨在通過(guò)使用新型微傳感器直接測(cè)量具有生物毒性的未電離H?S濃度，以更準(zhǔn)確地評(píng)估其毒性效應(yīng)，并探究水溫、暴露時(shí)長(zhǎng)和間歇暴露模式對(duì)耐受性的影響，從而為理解野外大規(guī)模死亡事件和制定管理策略提供科學(xué)依據(jù)。

三、研究思路

研究采用了嚴(yán)格的受控實(shí)驗(yàn)室暴露實(shí)驗(yàn)思路：

 

樣本獲取：使用人工受精獲得的各發(fā)育階段幼蟲(chóng)（D形、殼頂、殼頂至全殼、全殼）和稚貝，以及從日本三河灣六條灘涂采集的野生稚貝（圖1，表1）。

 

 

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了一套密閉的實(shí)驗(yàn)容器系統(tǒng)（圖2），通過(guò)氮?dú)馄貧庵苽淙毖跛w，并通過(guò)添加硫化鈉來(lái)精確控制H?S濃度。使用丹麥Unisense H?S微電極直接測(cè)量未電離H?S的濃度。

 

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

核心實(shí)驗(yàn)：在20°C, 24°C, 28°C三個(gè)溫度下，進(jìn)行24小時(shí)暴露實(shí)驗(yàn)，設(shè)置對(duì)照組（ normoxia）、缺氧組（Hypoxia）以及缺氧+不同濃度H?S組。

延長(zhǎng)暴露：對(duì)稚貝進(jìn)行48小時(shí)連續(xù)暴露實(shí)驗(yàn)。

 

間歇暴露：對(duì)稚貝進(jìn)行24小時(shí)暴露→24小時(shí)恢復(fù)（normoxia）→24小時(shí)再次暴露的間歇模式實(shí)驗(yàn)。

 

觀測(cè)與測(cè)量：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在顯微鏡或肉眼觀察下統(tǒng)計(jì)存活率。同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)水體的溫度、溶解氧（DO）、pH和H?S濃度（數(shù)據(jù)見(jiàn)表2, 3, 4）。

 

 

 

數(shù)據(jù)分析：使用Tukey-Kramer檢驗(yàn)比較不同處理組間的平均存活率差異，以揭示H?S濃度、水溫、暴露時(shí)間及發(fā)育階段對(duì)存活率的顯著影響。

 

四、測(cè)量的數(shù)據(jù)、來(lái)源及研究意義

研究測(cè)量了多方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)及其意義如下：

 

存活率（Survival Rate）（數(shù)據(jù)主要來(lái)自圖3, 4, 5, 6, 7）：

 

 

 

 

 

數(shù)據(jù)：記錄了在不同H?S濃度、水溫、暴露時(shí)長(zhǎng)和發(fā)育階段下，馬尼拉蛤幼蟲(chóng)和稚貝的存活百分比。

 

研究意義：這是最直接的毒性終點(diǎn)指標(biāo)，直接反映了生物對(duì)不同壓力條件的耐受極限。數(shù)據(jù)顯示了耐受性隨發(fā)育階段、體型大小和水溫的非線性變化，為預(yù)測(cè)種群在環(huán)境災(zāi)害中的存活率提供了關(guān)鍵參數(shù)。

 

未電離硫化氫濃度（Un-ionized H?S Concentration）（數(shù)據(jù)來(lái)自表2, 3, 4）：

 

數(shù)據(jù)：使用Unisense微電極精確測(cè)量了實(shí)驗(yàn)期間容器中的未電離H?S濃度（單位：mg/L）。

 

研究意義：這是本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新。它避免了使用總硫化物（TS）可能帶來(lái)的誤差，直接量化了具有生物毒性的H?S分子的暴露水平，使得毒性評(píng)估更加準(zhǔn)確和可靠，為建立基于H?S（而非TS）的環(huán)境水質(zhì)基準(zhǔn)提供了寶貴數(shù)據(jù)。

 

水體理化參數(shù)（數(shù)據(jù)貫穿全文及表2, 3, 4）：

 

數(shù)據(jù)：包括水溫（°C）、溶解氧（DO, mg/L）、pH值。

 

研究意義：這些是定義實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)。低溶解氧（<0.5 mg/L） 是模擬缺氧事件的前提；恒定的pH（7.7） 確保了H?S在水體中的形態(tài)分布（未電離比例）穩(wěn)定，使H?S濃度測(cè)量具有可比性；水溫梯度則用于揭示溫度脅迫與H?S毒性的協(xié)同效應(yīng)。

 

生物個(gè)體參數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)自表1）：

 

數(shù)據(jù)：記錄了用于實(shí)驗(yàn)的蛤的發(fā)育階段（如D形、殼頂、稚貝） 和殼長(zhǎng)（Shell Length, mm）。

 

研究意義：這是分析耐受性個(gè)體發(fā)育變化的基礎(chǔ)。通過(guò)比較不同大小/階段的個(gè)體在相同脅迫下的存活率，直接揭示了生理耐受性如何隨生命周期變化。

 

五、研究結(jié)論

 

耐受性存在顯著的個(gè)體發(fā)育變化：馬尼拉蛤?qū)?S的耐受性并非單調(diào)遞增。耐受性從D形幼蟲(chóng)（最脆弱） 到剛附著的稚貝（0.7mm，耐受性最強(qiáng)） 期間增強(qiáng)，但隨著稚貝進(jìn)一步生長(zhǎng)（殼長(zhǎng)至11.9mm），耐受性反而減弱。這表明體型最大或最老的個(gè)體未必最耐脅迫。

水溫是關(guān)鍵的調(diào)控因子：升高水溫（從20°C到28°C）會(huì)顯著降低蛤在各個(gè)發(fā)育階段對(duì)H?S的耐受性。在28°C下，即使較低濃度的H?S也能導(dǎo)致高死亡率。這預(yù)示著在氣候變暖的背景下，未來(lái)藍(lán)潮事件可能對(duì)蛤種群造成更嚴(yán)重的打擊。

暴露時(shí)長(zhǎng)至關(guān)重要：48小時(shí)的連續(xù)暴露比24小時(shí)暴露導(dǎo)致更高的死亡率，表明耐受性隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰減。這意味著在野外，上升流持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)是決定種群存亡的關(guān)鍵因素之一。

生物具有一定的恢復(fù)能力：間歇暴露實(shí)驗(yàn)表明，在第一次24小時(shí)暴露后，給予24小時(shí)的恢復(fù)期（再充氧），稚貝應(yīng)對(duì)第二次H?S暴露的能力得到部分恢復(fù)。這揭示了生物體在反復(fù)脅迫事件中的彈性機(jī)制，但恢復(fù)并不完全。

 

H?S是導(dǎo)致死亡的關(guān)鍵毒性物質(zhì)：在所有的實(shí)驗(yàn)中，單純?nèi)毖踅M（無(wú)H?S）的存活率顯著高于缺氧加H?S的組。這證實(shí)了在野外藍(lán)潮事件中，H?S的存在是導(dǎo)致馬尼拉蛤大規(guī)模死亡的主要直接原因，而不僅僅是缺氧本身。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的H?S微電極（model H?S-N） 測(cè)量未電離H?S濃度，這一技術(shù)應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的研究意義：

 

實(shí)現(xiàn)了對(duì)關(guān)鍵毒性物質(zhì)的直接、精準(zhǔn)測(cè)量：傳統(tǒng)的毒性研究通常使用總硫化物（TS） 濃度作為指標(biāo)，但TS包括未電離H?S、HS?離子、S2?離子以及酸揮發(fā)性硫化物（如FeS）等。其中，只有未電離的H?S分子具有高毒性，能穿透生物組織，抑制細(xì)胞色素c氧化酶，導(dǎo)致呼吸障礙。HS?和S2?的毒性要低得多。Unisense微電極能夠選擇性直接測(cè)量未電離H?S的濃度，避免了TS指標(biāo)可能帶來(lái)的嚴(yán)重誤差，使暴露-效應(yīng)關(guān)系的評(píng)估前所未有的準(zhǔn)確。

揭示了真實(shí)的劑量-效應(yīng)關(guān)系：由于獲得了精確的H?S暴露數(shù)據(jù)（表2, 3, 4），本研究能夠建立可靠的劑量-效應(yīng)曲線（如圖3, 4, 5, 6, 7所示）。例如，研究可以明確得出“在24°C下，10.8 mg/L的H?S會(huì)使D形幼蟲(chóng)全部死亡”或“剛附著的稚貝能100%耐受21.0 mg/L的H?S”這樣的定量結(jié)論。這是使用TS數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了高質(zhì)量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

為野外監(jiān)測(cè)和模型建立提供技術(shù)依據(jù)：本研究驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)室可控條件下使用該微傳感器的可靠性。這鼓勵(lì)并支持在未來(lái)的野外調(diào)查中直接應(yīng)用該技術(shù)對(duì)實(shí)際藍(lán)潮事件中的H?S濃度進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，從而能夠更直接地將實(shí)驗(yàn)室得出的耐受閾值（如10 mg/L）與野外實(shí)測(cè)濃度進(jìn)行對(duì)比，準(zhǔn)確判斷災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，精確的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)也為建立預(yù)測(cè)種群動(dòng)態(tài)的生態(tài)模型提供了關(guān)鍵參數(shù)。

 

提升了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性與說(shuō)服力：使用國(guó)際專(zhuān)業(yè)的Unisense微電極系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度、可重復(fù)性和可信度。它使得不同研究之間的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行比較，推動(dòng)了該領(lǐng)域研究向更標(biāo)準(zhǔn)化、更精確的方向發(fā)展。

 

綜上所述，丹麥Unisense H?S微電極的應(yīng)用是本研究的技術(shù)核心之一。它將H?S毒性研究從傳統(tǒng)的、較為模糊的“總硫化物”水平，提升到了對(duì)特定毒性分子進(jìn)行精準(zhǔn)定量的新高度，從而得以揭示出耐受性隨發(fā)育階段、溫度和時(shí)間變化的精細(xì)規(guī)律，極大地增強(qiáng)了對(duì)馬尼拉蛤種群動(dòng)態(tài)的理解和預(yù)測(cè)能力。