温度、盐度和pH对中华原钩虾呼吸和排泄的影响

(大连海洋大学辽宁省海洋生物资源恢复与生境修复重点实验室,辽宁大连116023)

摘要：为了研究中华原钩虾Eogammarus sinensis的基础代谢,采用控制微生态因子的方法,在密闭静水环境条件下,分别将平均湿质量为7.10 mg的中华原钩虾置于不同温度 (16、20、24、28、32℃)、不同盐度 (15、20、25、30、35)和不同pH(5、6、7、8、9)的呼吸瓶中4 h,然后测定其耗氧率和排氨率。结果表明:中华原钩虾的耗氧率在32℃时达最大值,为0.993 mg/(g·h),排氨率在28℃时达最大值,为0.062 00μg/(g·h),确定20～28℃是其适宜生长的温度范围;耗氧率和排氨率随盐度的升高先降低后升高,当盐度到达30时,中华原钩虾的耗氧率和排氨率均达到最低值,分别为0.500 mg/(g·h)和0.009 6μg/(g·h),确定盐度为30是中华原钩虾的等渗点;耗氧率和排氨率随pH值的升高先升高后降低,当pH为8时,耗氧率和排氨率均达到了最大值,分别为0.630 5mg/(g·h)和0.083 0μg/(g·h)。

中华原钩虾Eogammarus sinensis隶属于节肢动物门Arthropoda、甲壳纲Malacostraca、端足目Amphipoda、钩虾亚目Gammaridea、异钩虾科Anisogammaridae、原钩虾属Eogammarus,主要分布于黄渤海,营群居生活,一般栖息于潮间带的海藻丛中或隐居在石块下,喜食动植物碎片及藻类或动物尸体。适温范围很广,在水温为0～35℃时均能正常生活,但适盐能力较差,一般生活在盐度为30的海水中,较耐污染。

钩虾是一类小型的甲壳动物,广泛分布于淡海水中,具有重要的生物学和经济意义。钩虾是一类重要的环境指示生物,戴友芝等[1]利用包括钩虾在内的底栖动物研究了洞庭湖地区的污染状况,其研究结果与理化指标评价结果一致。在美国五大湖地区,钩虾已经被作为重要的水质污染指示种[2]。

在生态毒理学研究中,钩虾也是海洋沉积物毒性检验的理想受试生物。新西兰学者利用钩虾Paracalliope fluviatilis检测水中铜、砷和铬的毒性,并以此为依据推断水质的好坏。Driscoll等[3-4]则利用钩虾是分解者的特性监测毒素在淡水系统中聚集量的变化。王睿睿等[5]、闫启仑等[6]利用日本大螯蜚Grandidierella japonica作为检验毒性物质的受试生物,取得了较满意的结果。

钩虾营养丰富且繁殖快,也是鱼类的优质饵料,在海洋食物链中具有重要位置,是很多海生动物的活饵料。在浅海养殖中,已对其种群进行了移植,将某些种用于鱼虾类养殖的饵料。钩虾的壳中还含有甲壳素,提取钩虾中的甲壳素可用于医药、工业、农业和环境保护等方面。钩虾摄食藻类、小型水生动物和腐殖质,对水体的净化也起到了一定的作用。此外,某些钩虾类作为污损生物,能大量附着于养殖筏、网笼、浮标、船底等人工设施上,给人类的生产生活造成危害。因此,开展对钩虾的研究具有重要的意义。目前,关于中华原钩虾的繁殖、发育、生长等方面的研究国内已有报道[7-8]。本研究中,进行了中华原钩虾在不同温度、盐度、pH条件下耗氧率和排氨率的变化试验,以期找出其呼吸和排泄规律,为进一步了解其生理活动和代谢规律,进而为其开发和利用提供基础数据。

1 材料与方法

试验于2009年6月在辽宁省海洋生物资源恢复与生境修复重点实验室进行。试验用中华原钩虾成体采自大连市黑石礁海域潮间带的石块和海藻下,水温为16～18℃,盐度为30左右,pH为7.76～7.80。将钩虾带回实验室后,挑选活泼、健康的成虾个体置于培养箱中暂养。暂养期间连续充气,每两天换水一次,每天投饵两次,饵料为菲律宾蛤仔或牡蛎软体部分。暂养一周左右进行正式试验。试验用中华原钩虾成体平均体长为6.73 mm,平均湿质量为7.10 mg。

1.2.1 耗氧率和排氨率的计算耗氧率RO[mg/ (g·h)]、排氨率RN[μg/(g·h)]计算公式为

RO=V(Dt-D0)/(t·N), RN=V(Nt-N0)/(t·N)。

其中:Dt为试验水样的溶氧含量 (mg/L);D0为空白对照瓶内水样的溶氧含量 (mg/L);Nt为试验水样的氨氮含量 (μg/L);N0为空白对照瓶内水样的氨氮含量 (μg/L);V为试验用水的体积(L);t为试验时间 (h);N为试验生物的总湿质量 (g)。

依据《GB 17378.4—1998海洋监测规范第4部分海水分析》,采用碘量法测定溶氧含量,采用次溴酸钠氧化法测定氨氮含量。

1.2.2 温度试验试验容器选用1000 mL的呼吸瓶,取饥饿24 h的中华原钩虾于试验容器中。试验用沙滤海水的盐度为30,pH为7.78,试验前用滤膜过滤。试验设5个温度组:16、20、24、28、32℃,利用恒温水浴槽控温,各试验组水温控制在±1℃。试验温度以每天升温2℃的速度逐渐升高。达到给定温度后适应两天,正式试验前1天停止投喂。每个呼吸瓶中放入20只健康钩虾,每个温度组设3个平行,另设1个空白对照,试验时间为4 h。试验结束后,用酒精杀死钩虾,用滤纸吸干体表水分后,称量其湿质量。

1.2.3 盐度试验试验设5个盐度组:15、20、25、30、35。温度为 (22±1)℃,pH为8.0。每个盐度组设3个平行,另设1个空白对照,试验持续4 h。每个呼吸瓶中放入20只健康钩虾,呼吸瓶放在水浴槽中控制水温。低盐度水用纯水和自然海水调配而成,高盐度水用自然海水蒸煮而成。

1.2.4 pH试验试验设5个pH组:5、6、7、8、9。温度为 (22±1)℃,盐度为30。每个pH组设3个平行,另设1个空白对照,试验持续4 h。每个呼吸瓶中放入20只健康钩虾,呼吸瓶放在水浴槽中控制水温。采用1 mol/L的NaOH和1 mol/L的HCl调节海水的pH值,并用酸度计进行测定。

对试验数据采用SPSS 11.0软件进行单因子方差分析和多重比较,显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同温度下中华原钩虾的耗氧率和排氨率

从表1可见:温度为16～20℃时,中华原钩虾的耗氧率和排氨率均表现为上升趋势,24℃时两者同时下降达到最低值,28℃时中华原钩虾的耗氧率急速升高,到32℃时耗氧率达到最高,为0.993 mg/(g·h),而排氨率在28℃时即达到峰值[0.062 00μg/(g·h)],32℃时又出现了下降趋势。

多重比较结果表明:各温度组的耗氧率均有显著性差异 (P＜0.05),温度为16℃组的耗氧率显著低于其他各组 (P＜0.05);温度为16℃组的排氨率显著低于其他各组 (P＜0.05),24℃组与28℃组的排氨率有显著性差异 (P＜0.05),其余组间均无显著性差异 (P＞0.05)。

从表1还可见,在16～32℃温度范围内,中华原钩虾的 O/N值为 4.03～35.64,平均值为13.22,温度为16℃时,O/N值最高,为35.64。

2.2 不同盐度下中华原钩虾的耗氧率和排氨率

从表2可见:盐度为15～30时,耗氧率随盐度的增加呈降低的趋势;盐度为30时,耗氧率达到最小值,为0.500 mg/(g·h);盐度为35时,耗氧率急速升高达最大值,为0.696 mg/(g·h)。盐度为15～20时,排氨率则随盐度的增加呈升高的趋势;盐度为20时,排氨率达到最大值,为0.022 0μg/(g·h);随着盐度的进一步增加,排氨率又呈降低趋势,当盐度为30时,排氨率达到最低值,为0.009 6μg/(g·h)。

多重比较结果表明:盐度为30的组耗氧率显著低于其他组 (P＜0.05),盐度为35的组显著高于除15盐度组以外的其他组 (P＜0.05);各盐度组的排氨率无显著性差异 (P＞0.05)。当盐度为30时,其排氨率和耗氧率均达到最低,由此推断,中华原钩虾的等渗点约为30。

从表2还可见,在不同试验盐度下,中华原钩虾的O/N值为24.01～45.71,平均值为34.68,在盐度为30和35时,O/N值较高,分别为45.71和39.67。

2.3 不同pH下中华原钩虾的耗氧率和排氨率

从表3可见:随着pH值的增大,中华原钩虾的耗氧率和排氨率均呈现先升高后降低的变化趋势;当pH为6～8时,随着pH的增大,中华原钩虾的耗氧率和排氨率不断上升,当pH值为8时二者均出现峰值,分别为 0.630 5 mg/(g·h)和0.083 0μg/(g·h)。

多重比较结果表明,pH为8的组耗氧率显著高于其他组 (P＜0.05),该组的排氨率显著高于除pH为7的其余各组 (P＜0.05)。

从表3还可见,当pH为5～9时,中华原钩虾的O/N值为5.56～6.89,平均值为6.17,在pH值为8时O/N值最高,为6.89。

3 讨论

3.1 温度对中华原钩虾耗氧率和排氨率的影响

温度影响甲壳类动物的生理活动,耗氧率是动物有氧代谢强度的重要指标之一。在一定温度范围内,温度的高低与动物耗氧率大小成正比,水温升高,新陈代谢速率加快,耗氧率随之增大。本试验中,中华原钩虾耗氧率和排氨率随温度的升高整体呈增加的趋势,在28℃时均达到较大值;20℃时,温度对耗氧率和排氨率的影响差异较小;32℃时,温度对排氨率的影响也不显著,这可能是因为钩虾个体较小,对环境变化应激能力有限。从20～28℃时耗氧率和排氨率的总体变化可以判断出,中华原钩虾的最适生长温度为20～28℃。

氧氮比 (O/N)表示生物体内蛋白质、脂肪和碳水化合物分解代谢之间的关系。O/N值大,表明动物消耗的能量主要由脂肪和糖提供。Mayzalld[9]提出,O/N约为7时,生物体能量完全由蛋白质氧化提供;Ikeda[10]认为,O/N约为24时,生物体所需能量由蛋白质和脂肪氧化提供。如果主要由脂肪或碳水化合物提供,O/N将变为无穷大[11]。本研究结果表明,在16～32℃温度范围内中华原钩虾的O/N为4.025～35.64,说明在20～24℃范围内,中华原钩虾的代谢物质完全为蛋白质,在28～32℃范围内,代谢物质以蛋白质为主,在16～20℃范围内,代谢物主要由脂肪和碳水化合物提供。

3.2 盐度对中华原钩虾耗氧率和排氨率的影响

盐度影响甲壳类动物渗透压,虾蟹类在不同的盐度环境下,自身的代谢状况也有不同。Na+和Cl-是维持渗透压平衡的主要离子。甲壳动物体内Na+-K+-ATPase转运细胞中的Na+到血淋巴中,使细胞内Na+降低,促使外界的Na+进入体内,此代谢过程释放能量。当甲壳动物的体液达到等渗点时,因不需要进行渗透压调节,代谢率最小,耗氧率最低,生物体能量转换效率高,生理状态好[12-14]。很多虾类可以通过代谢的方式改变体内的渗透压来适应不同的盐度环境。Via[12]曾报道,小长臂虾Palaemonetesantennarius体液在等渗点时,耗氧量和代谢需要的能量都达到最小值。张硕等[13]发现,中国明对虾Fenneropenaeus chinensis在盐度为28时,耗氧率和排氨率最低。施正峰等[14]研究发现,日本沼虾 Macrobrachium nipponensis在盐度为3的淡水中,代谢最小,排泄能最低,有利于摄食的利用率。本研究中发现,中华原钩虾在盐度为30时代谢率最低,可以说明盐度30是中华原钩虾的最适生长盐度。

排氨率随着盐度的变化同时也能反映蛋白质在机体中的代谢状况。Chen等[15]、Lei等[16]研究发现,日本对虾Penaeus japonicas、中国明对虾和斑节对虾P.monndon在盐度为5～35时,排氨率随着盐度的降低而增加,并说明是由于外界渗透压的降低,使得对虾机体中自由氨基酸的浓度随之增高。Spaargaren[17]研究证明,在低盐度下,NH+4能够作为碱离子Na+和K+外的主要替代离子,使通过渗透调节作用渗入日本对虾体内的等渗水随NH+4-N产物的增高而增多。董双林等[18]曾报道过日本沼虾体内存在离子泵作用。Deshimaru等[19]研究发现,中国明对虾在盐度为5～28时机体内排氨率随盐度的降低而升高,本试验中发现,中华原钩虾排氨率随盐度的变化与中国明对虾的变化相同。本试验中的盐度是用NaCl调制,对中华原钩虾排氨率的影响有可能因药品不同而有区别,高浓度NaCl溶液和硬度较小的水质会影响中华原钩虾体内的渗透压调节,而水中的一价、二价阳离子含量的不同也可能是影响中华原钩虾耗氧率和排氨率的主要原因之一。

不同盐度下中华原钩虾的O/N值变化都在24以上,这可以判断出,在各试验盐度下,中华原钩虾对能量的要求主要以糖和碳水化合物为主。在盐度为30时,中华原钩虾的O/N达到最高,这时的代谢水平较为旺盛,这与30是其最适生长盐度结果相同。

3.3 pH对中华原钩虾耗氧率和排氨率的影响

水生生物在水体中能够适应一定范围内的pH变化。吴常文等[20]研究发现,杂交鲟 Hybrid stureno的耗氧率随环境pH值的变化而发生改变。张继红等[21]在研究柄海鞘时发现,耗氧率随pH的改变会发生变化,pH为7时,柄海鞘的耗氧率最大,代谢程度最高,pH为5～7时,柄海鞘的耗氧率随pH值的增大而增加,pH大于7以后,其耗氧率随pH值的增大而减小。唐贤明等[22]研究发现,盐度突变过程中,氮代谢可以为动物体提供能量,其代谢产物对离子渗透、酸碱调节也有较大的影响。本试验结果表明,当pH为5～6时,中华原钩虾的耗氧率和排氨率随pH值的增大而升高,并在pH为8时达到最大值,随后呈下降的趋势,因此,作者认为,高pH值和低pH值的海水环境都能使生物体内生理代谢强度相应减弱,可以说这是动物为适应自然环境而产生的进化机制。相关的资料中,关于pH对水生生物排泄的作用,主要是关于生理机能上的影响,具体的作用机理尚不明确。水中二氧化碳的浓度能引起pH的变化,而pH的变化可能会改变水中氨氮的化合态,所以本试验所得结果的机理还需做进一步的深入研究。当pH为8时,中华原钩虾的耗氧率和排氨率最高,这同时也表明,此时中华原钩虾的活动能力较强,消耗能量较大,代谢旺盛。

对于生物研究的另一个指标 O/N值,Widdows[23]认为,尽管尚未证明O/N差异值对机体的生长速率和个体生长状况有直接影响,但很多的迹象表明,O/N值的变化与机体所受的压力有密切的联系,O/N可以作为生物对环境适应程度的一项指标。本试验中,pH为5～8时,O/N值逐步升高,pH为8时,达到最大值,pH为8～9时又呈下降趋势。这说明当pH为5～8时,中华原钩虾体内蛋白质代谢水平降低,pH为8～9时蛋白质代谢水平上升,由于本试验中的O/N值都小于7,由此可认为,其对能量的需求主要是由蛋白质提供。

综上所述,本试验条件下,中华原钩虾的适宜生长温度为20～28℃,等渗点盐度为30,最适生长pH为8。

[1] 戴友芝,唐受印,张建波.洞庭湖底栖动物种类分布及水质生物学评价[J].生态学报,2000,20(2):227-282.

[2] McDonald B,Borden W,Lathrop J.Citizen stream monitoring:a manual for Illinois.Illinois Department of Energy and Natural Resource[M].ILENR/RE-WR-90/18,Springfield,Illinois,USA, 1990.

[3] Driscoll K S,Harkey G A,Landrum P F.Accumulation and toxico-kinetics of fluoranthene in sediment bioassays with freshwater amphipods[J].Environmental Toxicology and Chemistry,1997,16 (4):742-753.

[4] Driscoll K S,Landrum P F,Tigue E.Accumulation and toxicokinetics of fluoranthene in water-only exposureswith freshwater amphipods[J].Environmental Toxicology and Chemistry,1997,16(4): 754-761.

[5] 王睿睿,闫启仑,韩明辅,等.实验室培养端足类日本大螯蜚(Grandidierella japonica)对镉的毒理敏感性研究[J].海洋学报,2008,30(3):160-164.

[6] 闫启仑,王睿睿,韩明辅,等.实验室培养底栖端足类日本大螯蜚(Grandidierella japonica)F1代对Cd的急性毒性响应[J].海洋环境科学,2007,26(3):226-228.

[7] 薛素燕,赵法箴,方建光,等.温度和盐度对中华原钩虾幼体孵化、存活及生长的影响[J].水产学报,2012,36(7):1095-1101.

[8] 薛素燕.中华原钩虾繁殖发育生物学与生态学初步研究[D].青岛:中国海洋大学,2013.

[9] Mayzalld P.Respiration and nitrogen excretion of zooplankton IV: the influence of starvation on themetabolism and biochemical composition of some species[J].Mar Biol,1976,37:47-58.

[10] Ikeda T.Nutrition ecology ofmarine zooplankton[J].Mem Fac Fish Hokkaido Univ,1974,22:1-77.

[11] Conover R J.Respiration and nitrogen excretion by somemarine zooplankton in relation to their life cycles[J].Mar Biol Assoc UK,1968,48:49-75.

[12] Via D.Salinity response in brackish water populations of the freshwater shrimp Palaemonetes antennarius I:oxygen consumption[J].Comp Biochem Physio,1987,87A(2):471-478.

[13] 张硕,董双林,王芳.中国对虾生物能量学研究I:温度、体重、盐度和摄食状态对耗氧率和排氨率的影响[J].青岛海洋大学学报,1998,28(2):223-227.

[14] 施正峰,宋卫红,罗其智,等.日本沼虾能量收支和利用效率的初步研究[J].水产学报,1994,18(3):191-197.

[15] Chen J C,Ting Y Y.Lethal effect of ammonia and nitrite on Penaeus chinensis juveniles[J].Mar Biol,1995,107(3):427-431.

[16] Lei C H,Hsieh L Y,Chen C K.Effect of salinity on the oxygen consumption and ammonia-N excretion of young juveniles of the grass shrimp,Penaeusmonodon Fabricius[J].Bull Inst Zool Academia Sinica,1989,28:245-256.

[17] Spaargaren D H.Excretion of nitrogenous products by Penaeus japonicus Bate in relation to environmental osmotic condition[J]. Compn Biochem Physiol,1982,72:673-678.

[18] 董双林,堵南山,赖伟.日本沼虾生理生态学研究II:pH、Ca2+和NaCl对耗氧率和氨排泄的影响[C]//中国动物学会成立60周年纪念论文集.北京:中国林业出版社,1994:176-182.

[19] Deshimaru O,Keith R.Studies on a purified diet for prawnⅠ: basal composition of diet[J].Bull Jap Soc Fish,1974(40): 413-419.

[20] 吴常文,朱爱意,赵向炯.海水养殖杂交鲟对环境变化耐受性的实验研究[J].水产科学,2005,24(9):1-4.

[21] 张继红,方建光.几种常见海鞘的呼吸代谢研究[J].中国水产科学,2000,7(1):16-19.

[22] 唐贤明,隋璺,田景波,等.盐度对大菱鲆幼鱼耗氧率和排氨率的影响[J].南方水产,2006,2(4):56-66.

[23] Widdows J.Physiological indices of stress in Mytilus edulis[J]. Mar Boil Ass UK,1978,58:125-142.

Effect of temperature,salinity and pH on respiration and excretion in gammarid Eogammarus sinensis

CAO Shan-mao,SONG Bo,WANG Li-ming,SUN Kai,WANG Hong-yi
(Key Laboratory of Marine Bio-resources Restoration and Habitat Reparation in Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Abstract：Oxygen consumption rate and ammonia excretion ratewere determined in gammarid Eogammarus sinensis kept in a respiratory chamber for 4 h atwater temperature of 16,20,24,28 and 32℃,a salinity of15,20,25,30, and 35,and pH of 5,6,7,8,and 9 to study the basic metabolism of gammarid.It was fond that the oxygen consumption rate and ammonia excretion rate were increased as the temperature was increased,with themaximal oxygen consumption rate[0.993 mg/(g·h)]at 32℃,and the maximal ammonia excretion rate[0.062 00 μg/(g·h)]at28℃.The gammarid had the suitable growth range from 20℃ to 28℃.The oxygen consumption rate and ammonia excretion rate were shown to be decreased with the increase in salinity,with theminimal oxygen consumption rate[0.500mg/(g·h)]and the ammonia excretion rate[0.009 6μg/(g·h)]at30 which was the isotonic point of the gammarid.However,the 0.630 5 mg/(g·h)and the ammonia excretion rate[0.083 0 μg/(g·h)]were increased with increase in pH,with themaximal oxygen consumption rate and ammonia excretion rate at pH 8.

Key words：Eogammarus sinensis;oxygen consumption rate;ammonia excretion rate;temperature;salinity;pH