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缺氧和硫化氫耐受性和溫度依賴的變化

來源：Marine Environmental Research 137 (2018) 177–187

 

一、論文摘要

論文摘要指出，由風引起的、含有硫化氫（H?S）的缺氧水體上升流（稱為“藍潮”）有時會導致沿海生物大規模死亡，包括耐缺氧的馬尼拉蛤。本研究在受控實驗室條件下檢驗了馬尼拉蛤對H?S的耐受性。通過人工受精或野外種群獲得的幼蟲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小時暴露實驗揭示了蛤對H?S耐受性的個體發育變化：耐受性從幼蟲階段到剛附著的稚貝階段增強，但隨著稚貝生長而減弱。幼蟲和稚貝對H?S的耐受性隨著水溫從20°C升高到28°C而減弱。 prolonged 48小時暴露于H?S會減弱稚貝的耐受性。通過24小時再充氧暫時中止H?S暴露，能提高稚貝承受重復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驗室條件下，量化馬尼拉蛤在不同早期生命階段（從幼蟲到稚貝）對主要環境壓力源——缺氧和硫化氫（H?S）——的耐受性。由于H?S是導致沿海缺氧事件中生物死亡的關鍵毒性物質，但以往研究多基于總硫化物（TS）濃度，本研究旨在通過使用新型微傳感器直接測量具有生物毒性的未電離H?S濃度，以更準確地評估其毒性效應，并探究水溫、暴露時長和間歇暴露模式對耐受性的影響，從而為理解野外大規模死亡事件和制定管理策略提供科學依據。

三、研究思路

研究采用了嚴格的受控實驗室暴露實驗思路：

 

樣本獲取：使用人工受精獲得的各發育階段幼蟲（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）。

 

 

實驗系統設計：設計了一套密閉的實驗容器系統（圖2），通過氮氣曝氣制備缺氧水體，并通過添加硫化鈉來精確控制H?S濃度。使用丹麥Unisense H?S微電極直接測量未電離H?S的濃度。

 

 

實驗設計：

 

核心實驗：在20°C, 24°C, 28°C三個溫度下，進行24小時暴露實驗，設置對照組（ normoxia）、缺氧組（Hypoxia）以及缺氧+不同濃度H?S組。

延長暴露：對稚貝進行48小時連續暴露實驗。

 

間歇暴露：對稚貝進行24小時暴露→24小時恢復（normoxia）→24小時再次暴露的間歇模式實驗。

 

觀測與測量：實驗結束后，在顯微鏡或肉眼觀察下統計存活率。同時持續監測水體的溫度、溶解氧（DO）、pH和H?S濃度（數據見表2, 3, 4）。

 

 

 

數據分析：使用Tukey-Kramer檢驗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、暴露時間及發育階段對存活率的顯著影響。

 

四、測量的數據、來源及研究意義

研究測量了多方面的數據，這些數據及其意義如下：

 

存活率（Survival Rate）（數據主要來自圖3, 4, 5, 6, 7）：

 

 

 

 

 

數據：記錄了在不同H?S濃度、水溫、暴露時長和發育階段下，馬尼拉蛤幼蟲和稚貝的存活百分比。

 

研究意義：這是最直接的毒性終點指標，直接反映了生物對不同壓力條件的耐受極限。數據顯示了耐受性隨發育階段、體型大小和水溫的非線性變化，為預測種群在環境災害中的存活率提供了關鍵參數。

 

未電離硫化氫濃度（Un-ionized H?S Concentration）（數據來自表2, 3, 4）：

 

數據：使用Unisense微電極精確測量了實驗期間容器中的未電離H?S濃度（單位：mg/L）。

 

研究意義：這是本研究的關鍵創新。它避免了使用總硫化物（TS）可能帶來的誤差，直接量化了具有生物毒性的H?S分子的暴露水平，使得毒性評估更加準確和可靠，為建立基于H?S（而非TS）的環境水質基準提供了寶貴數據。

 

水體理化參數（數據貫穿全文及表2, 3, 4）：

 

數據：包括水溫（°C）、溶解氧（DO, mg/L）、pH值。

 

研究意義：這些是定義實驗條件的基礎。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在水體中的形態分布（未電離比例）穩定，使H?S濃度測量具有可比性；水溫梯度則用于揭示溫度脅迫與H?S毒性的協同效應。

 

生物個體參數（數據來自表1）：

 

數據：記錄了用于實驗的蛤的發育階段（如D形、殼頂、稚貝） 和殼長（Shell Length, mm）。

 

研究意義：這是分析耐受性個體發育變化的基礎。通過比較不同大小/階段的個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、研究結論

 

耐受性存在顯著的個體發育變化：馬尼拉蛤對H?S的耐受性并非單調遞增。耐受性從D形幼蟲（最脆弱） 到剛附著的稚貝（0.7mm，耐受性最強） 期間增強，但隨著稚貝進一步生長（殼長至11.9mm），耐受性反而減弱。這表明體型最大或最老的個體未必最耐脅迫。

水溫是關鍵的調控因子：升高水溫（從20°C到28°C）會顯著降低蛤在各個發育階段對H?S的耐受性。在28°C下，即使較低濃度的H?S也能導致高死亡率。這預示著在氣候變暖的背景下，未來藍潮事件可能對蛤種群造成更嚴重的打擊。

暴露時長至關重要：48小時的連續暴露比24小時暴露導致更高的死亡率，表明耐受性隨時間延長而衰減。這意味著在野外，上升流持續的時長是決定種群存亡的關鍵因素之一。

生物具有一定的恢復能力：間歇暴露實驗表明，在第一次24小時暴露后，給予24小時的恢復期（再充氧），稚貝應對第二次H?S暴露的能力得到部分恢復。這揭示了生物體在反復脅迫事件中的彈性機制，但恢復并不完全。

 

H?S是導致死亡的關鍵毒性物質：在所有的實驗中，單純缺氧組（無H?S）的存活率顯著高于缺氧加H?S的組。這證實了在野外藍潮事件中，H?S的存在是導致馬尼拉蛤大規模死亡的主要直接原因，而不僅僅是缺氧本身。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的H?S微電極（model H?S-N） 測量未電離H?S濃度，這一技術應用具有深遠的研究意義：

 

實現了對關鍵毒性物質的直接、精準測量：傳統的毒性研究通常使用總硫化物（TS） 濃度作為指標，但TS包括未電離H?S、HS?離子、S2?離子以及酸揮發性硫化物（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，抑制細胞色素c氧化酶，導致呼吸障礙。HS?和S2?的毒性要低得多。Unisense微電極能夠選擇性直接測量未電離H?S的濃度，避免了TS指標可能帶來的嚴重誤差，使暴露-效應關系的評估前所未有的準確。

揭示了真實的劑量-效應關系：由于獲得了精確的H?S暴露數據（表2, 3, 4），本研究能夠建立可靠的劑量-效應曲線（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會使D形幼蟲全部死亡”或“剛附著的稚貝能100%耐受21.0 mg/L的H?S”這樣的定量結論。這是使用TS數據無法實現的，為環境風險評估提供了高質量的基準數據。

為野外監測和模型建立提供技術依據：本研究驗證了在實驗室可控條件下使用該微傳感器的可靠性。這鼓勵并支持在未來的野外調查中直接應用該技術對實際藍潮事件中的H?S濃度進行原位監測，從而能夠更直接地將實驗室得出的耐受閾值（如10 mg/L）與野外實測濃度進行對比，準確判斷災害風險。同時，精確的實驗室數據也為建立預測種群動態的生態模型提供了關鍵參數。

 

提升了實驗的科學性與說服力：使用國際專業的Unisense微電極系統，大大增強了實驗結果的精確度、可重復性和可信度。它使得不同研究之間的數據可以進行比較，推動了該領域研究向更標準化、更精確的方向發展。

 

綜上所述，丹麥Unisense H?S微電極的應用是本研究的技術核心之一。它將H?S毒性研究從傳統的、較為模糊的“總硫化物”水平，提升到了對特定毒性分子進行精準定量的新高度，從而得以揭示出耐受性隨發育階段、溫度和時間變化的精細規律，極大地增強了對馬尼拉蛤種群動態的理解和預測能力。