图1 磷虾暂养水箱
Fig.1 A culture tank of Antarctic krill
摘要：为了解南极磷虾Euphausia superba对盐度变化的适应能力,基于海上水箱试验,采用渐变式(16.2～54.5)和急变式(15.9～55.2)两种不同的盐度变化方法对南极磷虾个体在不同盐度下行为状态进行观察和记录,分析了南极磷虾的耐盐性。结果表明:南极磷虾在低盐度下的适宜临界盐度为26左右,极限临界盐度为16左右;南极磷虾在高盐度下的适宜临界盐度为43左右,极限临界盐度为55左右。研究表明,南极磷虾对盐度的变化具有一定的适应能力,但适应范围有限。
关键词：南极磷虾;水箱;盐度;耐受性
南极磷虾通常是指南极大磷虾Euphausia superba(以下简称磷虾),为甲壳类浮游动物[1-2],广泛分布于环南极大陆架水域,且集中分布于200 m以浅水层,为目前地球上数量最大、繁衍最成功的单种生物资源之一[3-5]。磷虾是南大洋海洋生态系统中的重要组成部分,同时也具有较高的渔业生产潜力[6-7]。
南大洋海洋环境较复杂,生境变化会在较大程度上影响到磷虾的生存、丰度和时空分布[8]。研究环境因子对磷虾影响的方式较多,而基于个体行为的实验室暂养研究则是其中较为重要和直接的途径之一。一些学者从温度[9-10]、酸度[11]对磷虾的适应性进行了研究,并得出了一些初步的结论,但盐度作为海水的特性之一,对水生生物机体的生理行为反应影响较大,不同盐度下的水生生物会表现出不同的适应状态[12],而关于盐度对南极磷虾行为及其响应的影响研究较为缺乏。为了更全面地了解磷虾对周围生境的适应能力,作者在南极磷虾渔船上的加工间对磷虾进行了盐度渐变式、急变式变化的耐受性试验,研究了磷虾对盐度的耐受状况,以及在其过程中不同盐度对磷虾行为的影响,以期为更好地开展以磷虾为中心的南极海洋生态系统动力学研究提供基础数据,也为磷虾行为生态学研究提供科学依据。
1.1 材料
试验样本采集时间为2015年5月9日,采集地点为南极南设得兰群岛附近水域,采样时环境海水温度为-0.2℃,采集的磷虾活体从大型拖网船“龙达轮”中层拖网中取得。将随机采集的磷虾活体置于船舱加工间300 L水箱中(图1)暂养24 h。暂养水体为现场采集的自然海水,水温为-0.2～0.5℃,盐度为33.6～34.5,光照强度为60～90 lx,pH为7.80～7.89。暂养期间不投饵料,每12 h换水1次,每次换水2/3,然后将水底的粪便、杂质等从底部排水口排出。
试验水箱(50 cm×40 cm×30 cm)为容积100 L的白色塑料水箱(图2)。水箱装有充氧、过滤和水循环三合一的循环泵系统。使用TES-1322A电子照度计对暂养室内的光照进行测定。每隔8 h充氧1次,每次充氧0.5 h。在试验过程中,用YM-2007盐度酸度计和电子温度计来测定水体的盐度、pH和温度。
图1 磷虾暂养水箱
Fig.1 A culture tank of Antarctic krill
图2 磷虾盐度试验水箱
Fig.2 A tank used in Antarctic krill saline tolerance trials
1.2 方法
1.2.1 渐变式盐度试验 向与暂养水箱盐度相同的试验水箱中放入磷虾活体后,于设定好的时间间隔条件下逐步改变试验水箱中的盐度,从而观察磷虾的行为变化。试验开始时,从暂养水箱中随机选取96尾活性较强的磷虾个体。试验盐度设置为低盐度组和高盐度组,每组设1个重复,每个重复24只磷虾。低盐度组的磷虾体长为(41.83±4.45) mm,体质量为(0.51±0.17)g,重复组磷虾体长为(41.35±4.78)mm,体质量为(0.50±0.19) g;高盐度组的磷虾体长为(42.18±4.74)mm,体质量为(0.56±0.17)g,重复组磷虾体长为(42.35±5.58)mm,体质量为(0.56±0.23)g。各组磷虾个体体长、体质量无显著性差异(P＞0.05)。将选取的磷虾分别放入4个盛有自然海水的试验水箱中,记录自然海水盐度下磷虾的行为状态。依次调节盐度,降低或升高2,2 h内观察水箱内磷虾个体状态,重复上述步骤,至磷虾个体开始出现活动异常,将此时的盐度定义为磷虾的适宜临界盐度。继续调节盐度,依次降低或升高1,至出现处于休克或者死亡状态的个体,将此时的盐度定义为磷虾的极限临界盐度。
1.2.2 急变式盐度试验 将暂养水箱内的磷虾活体直接放入不同盐度的恒温试验水箱中,观察南极磷虾个体的行为变化。从暂养水箱中随机选取200尾活性较强的磷虾,分成10组,用电子游标卡尺测量磷虾,体长为32.30～52.70 mm,其中5组用于低盐度试验,每组20只虾,5组磷虾的平均体长分别为(40.72±5.85)、(42.90±4.79)、(40.78± 4.80)、(40.17±3.64)、(40.79±3.99)mm,各组磷虾个体体长无显著性差异(P=0.401＞0.05);将选取的磷虾分别放入盐度为34.4、30.2、25.8、19.7和15.9的水箱中。另选5组用于高盐度试验,每组20只虾,5组磷虾的平均体长分别为(40.35±4.26)、(42.89±4.62)、(42.09±4.13)、(40.94±4.79)、(41.10±5.11)mm,各组磷虾个体体长无显著性差异(P＞0.05);将选取的磷虾放入盐度为34.4、39.2、43.2、50.5、55.2的水箱中。用电子温度计测定试验水体的水温为(0.3± 0.1)℃,用电子照度计测得试验光照强度为(65± 5)lx,试验时观察所有组磷虾活体的行为状态,每次观察时间为5 min,对行为状态变化明显的个体每隔1 h或0.5 h观察记录1次,记录相应盐度下磷虾的个体数以及所对应的状态。
试验海水盐度的配制采用以下方式:高盐度试验用水采用南极自然海水加海盐(蓝色珍品)配制,低盐度试验用水采用自然海水和海水淡化水配制,并使用盐度计进行校准。通过调节盐度的变化观察不同盐度下磷虾行为状态的变化,试验过程中磷虾的状态分为4种:正常游动、间歇横卧(时而游动,时而横卧)、横卧、休克或死亡[17]。
1.3 数据处理
试验数据用Excel软件进行处理,采用平均值±标准差(mean±S.D.)表示,并利用SPSS 19.0软件对磷虾的体长进行Kolmogorov-Smirnov检验分析,差异性水平设为0.05。
2.1 磷虾对渐变式盐度的耐受性
低盐度渐变组盐度范围为16.2～34.4,试验持续时间为30 h。从表1可知:当盐度为26.8～34.4时,试验磷虾均可正常游动;当盐度为26.0时,有4%的磷虾个体开始出现间歇横卧;随着盐度的降低,不适个体数量逐渐增加,盐度为24.5时,磷虾在1 h内不适个体比重增加,且有4%～8%的个体开始横卧;盐度为19.6时,大部分磷虾出现不适情况,但多数仍可以长时间存活,有4%的磷虾个体出现休克或死亡;当盐度降低到17.4时,在2 h内有21%的磷虾个体出现休克或死亡,试验个体的不适情况开始严重;当盐度降低到16.2时,处于休克或死亡的个体数量继续增加,且所有个体均无法正常游动。
高盐度渐变组盐度范围为34.4～54.5(表2),试验时间为34 h。从表2可知:当盐度为34.4～41.2时,磷虾个体均能正常游动;当盐度为42.8和43.6时,均有4%的磷虾个体开始间歇横卧;随着盐度的增加,不适个体的磷虾数量逐渐增加,盐度为50.3时,在2 h内不适个体比重增加,且有部分磷虾开始横卧或上浮,有8%的磷虾个体开始出现休克和死亡;当盐度上升到54.5时,60%的磷虾处于休克或死亡状态,已无正常游动的磷虾个体存在。
表1 低盐度渐变式试验组磷虾状态
Tab.1 States of Antarctic krillEuphausia superbain gradual saline change trials under with salinity condition
试验个体状态占比试验时间/h test time盐度salinity status of individuals/%正常游动间歇横卧横卧休克或死亡normal swimming intermittent laying on laying on shock or death试验组重复组试验组重复组试验组重复组试验组重复组34.4100100000000 2 32.5100100000000 4 30.5100100000000 6 28.7100100000000 8 26.8100100000000 1026.09696440000 1225.29292880000 1424.583911384000 1623.176881688400 1822.26579221313800 2021.150582925211700 2220.338423833252500 2419.617295042292544 2618.3817383829292517 2817.444252942462921 0 3016.200172129335446
表2 高盐度渐变式试验组磷虾状态
Tab.2 States of Antarctic krillEuphausia superbain gradual change trails under high salinity condition
试验个体状态占比试验时间/h test time盐度salinity status of individuals/%正常游动间歇横卧横卧休克或死亡normal swimming intermittent laying on laying on shock or death试验组重复组试验组重复组试验组重复组试验组重复组34.4100100000000 2 36.4100100000000 4 38.2100100000000 6 40.1100100000000 8 41.2100100000000 1042.896100400000 1243.69696440000 1444.59292880000 1645.1798313138400 1846.2757917138800 2047.263672517131700 2248.542502925292500 2449.033384229253300 2650.317175842213388 2851.7138334233292121 3052.344293329253838 3253.444171738384242 0 3454.50081333255863
2.2 磷虾对急变式盐度的耐受性
低盐度急变式试验共设5个盐度组,其盐度分别为15.9、19.7、25.8、30.2、34.4,除第5组外,其他4组均进行了24 h试验。由表3可知:盐度为30.2和34.4时,有5%～10%的磷虾个体出现间歇横卧现象;当盐度为25.8时,磷虾出现不适现象的数量增加,且在12 h时有5%的磷虾开始出现横卧现象;盐度为19.7时,磷虾迅速地出现不适个体,14 h时磷虾开始出现休克或死亡现象,14 h之后,死亡或休克的个体随时间的延长快速增加;盐度为15.9的试验组内,0.5 h内,部分磷虾个体迅速出现不适,3 h时磷虾全部处于横卧、休克和死亡状态,无磷虾个体游动,在5 h时磷虾全部休克或死亡。
高盐度急变式试验共设5个盐度组,其盐度分别为34.4、39.2、43.2、50.5、55.2,除第5组外,其他4组均进行了24 h试验。由表3可知:盐度为34.4和39.2时,有5%的磷虾个体出现间歇横卧;当盐度为43.2时,磷虾个体异常活动的数量增加,10 h时有磷虾开始出现横卧现象;盐度为50.5时,磷虾个体出现不适的时间趋短,12 h时磷虾个体开始出现休克或死亡现象;盐度为55.2时,0.5 h内,快速出现不适个体,且有20%的磷虾个体出现休克或死亡,3 h时磷虾个体全部休克或死亡。
由表1可知,在低盐度渐变试验中,盐度为26.0～34.4时,磷虾个体大部分能正常游动,只有少部分个体出现间歇横卧现象,随着盐度的降低,磷虾行为开始变化,盐度为26.0时,磷虾开始出现间歇横卧现象,盐度为16.2时,大部分磷虾休克或者死亡。结合低盐度急变试验情况(表3),当盐度为25.8时,磷虾开始出现间歇横卧的不适现象,当盐度为15.9时,大部分磷虾个体处于休克或死亡状态。综合低盐度渐变式和急变式试验情况可知,南极磷虾适宜耐受盐度为26左右,极限耐受盐度为16左右。
由表2可知,在高盐度渐变试验中,盐度为34.4～43.2时,大部分磷虾个体能正常游动,随着海水盐度逐渐升高,磷虾出现快速游动,上浮现象比较明显,且当盐度为42.8、43.6时,有4%的磷虾开始出现间歇横卧现象,当盐度升高至54.5时,90%以上的磷虾个体处于横卧、休克或死亡的状态。结合高盐度急变试验情况(表3),当盐度为43.2时,磷虾开始出现不适现象,当盐度为55.2时,3 h时磷虾已全部休克或死亡。综合高盐度渐变式和急变式试验情况可知,南极磷虾的适宜耐受盐度为43左右,极限耐受盐度为55左右。
表3 低(高)盐度急变式试验组磷虾状态
Tab.3 States of Antarctic krillEuphausia superbain sharp saline change trails under low(high)salinity condition
注:表3中()内的数值表示高盐度或者高盐度下的试验结果
Note:the number in brackets in the table 3 indicates hight salinity or results with high salinity condition
试验个体状态占比/%组次No.盐度salinity试验时间/h test time status of individuals正常游动间歇横卧横卧休克或死亡134.4(34.4) 2100(100)0(0)0(0)0(0)…100(100)0(0)0(0)0(0) 2495(95)5(5)0(0)0(0) 230.2(39.2) 2100(100)0(0)0(0)0(0)…100(100)0(0)0(0)0(0) 2490(95)10(5)0(0)0(0) 325.8(43.2) 295(90)5(10)0(0)0(0) 490(85)10(15)0(0)0(0) 690(85)10(15)0(0)0(0) 890(80)10(20)0(0)0(0) 1085(80)15(20)0(0)0(0) 1275(80)20(15)5(5)0(0) 2460(55)30(30)10(15)0(0) 419.7(50.5) 255(45)30(40)15(15)0(0) 445(40)35(45)20(15)0(0) 640(15)25(60)35(25)0(0) 830(10)30(40)40(50)0(0) 1025(0)45(45)30(50)0(5) 1215(0)55(35)30(40)0(25) 145(—)60(—)25(—)10(—) 165(—)45(—)30(—)20(—) 180(—)45(—)30(—)25(—) 240(0)25(25)25(40)50(35) 515.9(55.2) (—) 0.50(0)25(50)50(30)25(20) 1.00(0)15(15)40(50)45(35) 1.50(0)10(5)35(45)55(50) 2.00(0)5(0)35(20)60(80) 3.00(0)0(0)25(0)75(100) 4.00(—)0(—)15(—)85(—) 5.0—(—)—(—)—(—)100
3.1 盐度对磷虾的影响
南大洋被认为是地球上最大的高硝酸盐和低叶绿素(HNLC)海区[13],海洋环境较为复杂,环境因素对磷虾资源分布有着显著的影响[14]。磷虾的生长需要不断的蜕壳,食物匮乏时磷虾还可以通过蜕壳进行“负生长”维持生命。在蜕壳形成的过程中,磷虾需要与外界环境进行一系列物质循环与能量转换,这不仅需要适宜的盐度维持渗透压[15-16],而且需要从外界摄取大量的无机盐,如钙、磷、铁、硅等以生成新的外壳。由此可以推断,盐度的变化对磷虾的生长和蜕壳有一定的影响。Aarset等[17]研究了不同盐度对磷虾渗透压耗氧量的耐受性,结果表明,盐度变化对磷虾的代谢有一定的影响。夏季,南极海冰融化,随之输入大量的淡水到海水表面,使其盐度降低;冬季,由于海冰的生长,海水的盐度升高。在全球气候变化日趋强烈的背景下,南极的物种并不具有北冰洋冰下桡足类的广盐性特性[18],因此,研究盐度变化对磷虾的影响以及磷虾对盐度变化的适宜性显得非常重要。
3.2 磷虾的适盐性
研究表明,随着南极气温逐渐升高,冰川融化,大量的淡水流入南大洋,导致海水的盐度降低[19-21]。本研究中,通过渐变式和急变式盐度试验对盐度进行了良好地控制,经过多组的试验,在一定程度上量化测定了磷虾对盐度的适应范围。研究显示,当盐度为26左右时,无论盐度是渐变式变化还是急变式变化,在8 h内有4%～10%的磷虾个体出现间歇横卧现象,且均能较快地适应低盐度的变化。当盐度为16左右时,磷虾的行为变化较快,随后又趋于稳定,说明磷虾成体对低盐度有一定的耐受能力。当磷虾的适宜临界高盐为43左右时,开始有4%的磷虾个体出现间歇横卧现象,而盐度升高到55左右时,0.5 h内磷虾几乎无正常游动,且有部分磷虾出现身体弯曲和肌肉发白。由此可以推断,磷虾在水体中正常活动的适宜盐度范围为26～43。井上広滋[22]在实验室内研究了南极海水淡化稀释或浓缩对磷虾幼体和成体的生存影响,结果表明,磷虾幼体的适应范围为75%～125%海水浓度(相当于盐度为25.8～43.0),且成体24 h内在75%海水浓度下大部分处于无法正常游动或者死亡状态。这与本试验结果基本上一致。为了进一步研究盐度对磷虾的行为和生长的影响,可以从磷虾响应盐度以及胁迫方式的水平和模式方面进行研究。但总的来讲,磷虾作为南大洋生物链中关键的生物,对盐度的变化有一定的适应能力,但适应范围较窄。
3.3 不足与展望
通过现场暂养方式研究磷虾行为及其生态适应性相对较难,因此,国内针对磷虾的活体暂养试验也较少。徐鹏翔等[9]、李莹春等[10]和杨文杰等[14-15]分别通过磷虾活体暂养的方式研究了环境因素的改变对磷虾生长及集群的影响,并进一步开展了耐受性试验。本试验中在方法设计和试验条件上依然存在不足之处。首先,海上暂养设备不完善,试验场地也受到限制;其次,本试验中的磷虾均为成体,从而缺少对幼体的观察,且试验中磷虾个体偏少;最后,对于盐度的微调和控制方面也还不够完善。以上诸多情况使得试验过程中盐度的变化范围跨度较大,又缺少多个个体的重复试验,因此,试验结果可能与实际情况略有偏差,但本研究结果为以后磷虾行为学的研究提供了科学依据。中国参与磷虾资源开发时间较短,在磷虾的基础生物学研究方面还缺乏经验,再加上南极路途遥远,陆基实验室内对磷虾展开活体研究基本无法完成,因此,积极探究海上磷虾活体暂养试验就显得非常重要。本研究中在前人的活体磷虾暂养基础上对试验进行了新的设计和改进,不仅进一步验证了海上暂养的可操作性,更为今后开展磷虾的长期暂养提供了宝贵的经验,如活体磷虾的采集方法、暂养设备的完善和暂养环境的控制等。为研究磷虾对盐度变化的影响,今后将需要对试验条件、设备和试验方法进一步完善,从磷虾的不同体长、性别、摄食等因素对其生长生理、行为和资源进行深入地生态学研究。
致谢:感谢中国水产总公司“龙达”轮船长、政委、各位船员以及中国水产科学研究院黄海水产研究所张鹏飞在试验过程中给予的帮助!本研究得到南极海洋生物资源开发利用项目的部分资助。
参考文献：
[1] Siegel V.Distribution and population dynamics of Euphausia superba:summary of recent findings[J].Polar Biology,2005,29(1):1-22.
[2] 朱国平.南极磷虾种群生物学研究进展Ⅱ——繁殖[J].水生生物学报,2013,37(4):751-758.
[3] 王荣,孙松.南极磷虾渔业现状与展望[J].海洋科学,1995 (4):28-32.
[4] 高飞,韩春然,石彦国,等.南极磷虾蛋白质提取条件优化[J].天然产物研究与开发,2016,28(2):307-312,194.
[5] 赵宪勇,左涛,冷凯良,等.南极磷虾渔业发展的工程科技需求[J].中国工程科学,2016,18(2):85-90.
[6] 朱国平,冯春雷,吴强,等.南极磷虾调查CPUE指数变动的影响因素初步分析[J].海洋渔业,2010,32(4):368-373.
[7] Silk J R D,Thorpe S E,Fielding S,et al.Environmental correlates of Antarctic krill distribution in the Scotia Sea and southern Drake Passage[J].ICES Journal of Marine Science,2016,doi:10.1093/ icesjms/fsw097.
[8] Hewitt R P,Low E H L.The fishery on Antarctic krill:defining an ecosystem approach to management[J].Reviews in Fisheries Science,2000,8(3):235-298.
[9] 徐鹏翔,李莹春,朱国平,等.光照条件下南极磷虾的行为观察[J].水产学报,2012,36(2):300-305.
[10] 李莹春,朱国平,孟涛,等.人工条件下南极磷虾的温度耐受性试验观察[J].江苏农业科学,2012,40(9):204-206.
[11] Kawaguchi S,Ishida A,King R,et al.Risk maps for Antarctic krill under projected Southern Ocean acidification[J].Nature Climate Change,2013,3(9):843-847.
[12] Fry F E J.The effect of environmental factors on the physiology of fish[M]//Hoar W S,Randall D J.Fish Physiology.Vol VI:Environmental Relations and Behavior.New York:Academic Press, 1971.
[13] Watson A J.Iron limitation in the oceans[M]//Turner D R, Hunter K A.The Biogeochemistry of Iron in Seawater.Chichester, UK:John Wiley and Sons,2001:9-39.
[14] 杨文杰,朱国平,胡桂森,等.南极磷虾的适温效应试验[J].江苏农业科学,2015,43(2):235-238.
[15] 杨文杰,许柳雄.环境因素对南极磷虾资源分布影响的研究进展[J].大连海洋大学学报,2014,29(3):316-322.
[16] 李二超.盐度对凡纳滨对虾的生理影响及其营养调节[D].上海:华东师范大学,2008.
[17] Aarset A V,Torres J J.Cold resistance and metabolic responses to salinity variations in the amphipod Eusirus antarcticus and the krill Euphausia superba[J].Polar Biology,1989,9(8):491-497.
[18] Aarset A V,Aunaas T.Physiological adaptations to low temperature and brine exposure in the circumpolar Amphipod Gammarus wilkitzkii[J].Polar Biology,1987,8(2):129-133.
[19] Bintanja R,Van Oldenborgh G J,Katsman C A.The effect of increased fresh water from Antarctic ice shelves on future trends in Antarctic sea ice[J].Annals of Glaciology,2015,56(69):120-126.
[20] Brown M,Kawaguchi S,Candy S,et al.Temperature effects on the growth and maturation of Antarctic krill(Euphausia superba) [J].Deep Sea Research Part II:Topical Studies in Oceanography,2010,57(7-8):672-682.
[21] Meyer B,Teschke M,Biskontin A,et al.The unique life cycle strategy of Antarctic krill:adaptation to a high latitude environment[C]//ICES/PICES 6th Zooplankton Production Symposium.Bergen,Norway:ICES,2016.
[22] 井上広滋.ナンキヨクォキァミの環境塩分変動に対する適応能力に関する研究:地球温暖化の影響の予測に向けて[C]//財団法人ソルト·サイエンス研究財団助成研究報告集.Tokyo:ソルト·サイエンス研究財団,2006:241-248.
Saline tolerance of Antarctic krill Euphausia superba based an in-situ water tank trail
Abstract：The saline tolerance of Antarctic krill Euphausia superba to gradual(16.2-54.5)and sharp(15.9-55.2)changes in salinity was investigated in an in-situ water tank trail understand the suitability of Antarctic krill to environmental conditions,temperature,salinity,and acidification.The results showed that krill had critical tolerant salinity of about 26 with low salinity condition,with the minimum critical salinity of around 16,and the critical tolerant salinity of about 43 with high salinity condition,with the maximum critical salinity of about 55.The findings indicated that Antarctic krill has a certain capability to adapt salinity changes,with limited scope of adaptation.
Key words：Euphausia superba;water tank;salinity;tolerance
DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.02.015
文章编号：2095-1388(2017)02-0211-06
中图分类号：S931.1
文献标志码：:A
收稿日期：2016-06-20
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2013BAD13B03);公益性行业(农业)科研专项(201203018);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目