海洋酸化生态学研究进展

工业革命以来,人类排放的大量二氧化碳引起温室效应的同时,也被海洋吸收使得全球海洋出现了严重的酸化。海洋酸化及伴随的海水碳酸盐化学体系的变化对海洋生物产生深远的影响。以海洋酸化对钙化作用和光合作用的影响为重点,总结了近年来关于海洋酸化的研究,介绍了海洋中不同生态系统对海洋酸化的响应。一方面,海水中CO23-浓度和碳酸钙饱和度的降低对海洋钙化生物造成严重损害,生活在高纬的冷水珊瑚和翼足目等文石生产者是最早的受害者;贝类和棘皮动物在钙化早期对海洋酸化尤其敏感,其幼体存活率受到海洋酸化的严重制约。另一方面,CO2浓度的增加能促进海洋植物的光合作用和生长,增加初级生产力,改变浮游植物的群落组成。此外,海洋酸化可以促进固氮和脱氮作用同时削弱硝化作用,改变溶氧浓度分布和金属的生物可利用性,从而对海洋生物产生间接影响。海洋酸化对海洋生态系统的影响机制复杂,影响程度深远。为了能准确的评估海洋酸化的生态学效应,需要更全面深入的研究。     

基于文献计量的全球海洋酸化研究状况分析

海洋酸化(Ocean acidification)为目前备受人们关注的全球性问题。因此为了能够客观地揭示海洋酸化的研究态势,研究采用文献计量分析(Bibliometric analysis)的方法,以海洋酸化概念提出后(2004年以后)ISI Web of Science期刊引文数据库中涉及到海洋酸化研究的所有文献为样本,对文献的增长趋势及期刊分布进行描述统计,并基于关键词的知识图谱及突变分析的方法探究海洋酸化的热点关注方向随时间的变动及研究前沿。描述统计表明:海洋酸化概念提出的这十多年来,涉及海洋酸化的研究文献数量呈现激增的态势,研究学科交叉明显,海洋酸化对珊瑚礁的影响是这十年来的重点研究领域。从基于关键词的知识图谱可以看到,在海洋酸化研究初期(2004—2009年),研究内容主要分为两个部分,一是海洋酸化对海洋生物(尤其是珊瑚礁生物及浮游植物)及生态系统的影响;二是对海洋酸化现象的认识;中期(2010—2015年),研究内容与初期相似,研究重点往海洋生物上倾斜,同时有新的热点研究区域和研究方向的出现;近期(2016年以后),海洋酸化对海洋生物影响的研究依旧占据着主流研究方向。对基于突变分析得到的当前(2018年2月)海洋酸化研究的热点关注的文献分析发现,当前海洋酸化的研究存在以下5个前沿方向:(1)在探究海洋酸化与生物的关系之时需结合多因子讨论;(2)探索生物在海洋酸化下的内在应对机制;(3)海洋酸化影响下的生物响应的综合评估及预测;(4)探索海洋酸化对海洋生态系统的影响;(5)对海洋酸化概念的挑战——海洋酸化形成原因的探索。     

海洋酸化对蟹类影响的研究进展

人类活动排放二氧化碳引起了海水碳酸盐平衡体系变化和pH下降, 最终导致了“海洋酸化”。海洋酸化对蟹类产生了从表观到分子的多重影响。文章在总结海洋酸化对各种蟹类生长发育、生理与代谢、表型和行为等方面影响的基础上, 对其影响的机理展开了讨论, 并对控制海洋酸化及其对蟹类的影响研究提出了意见和建议。     

海洋酸化和全球变暖对贝类生理生态的影响研究进展

研究表明海洋酸化和全球变暖已严重威胁到海洋生态系统稳的定性及生物多样性。由于人类活动,大气中不断增加的CO2不仅造成全球气候异常,而且大量的CO2被海洋吸收,造成了海水中H+浓度增加,即海洋酸化(Ocean Acidification)。海洋酸化严重影响海洋生物的生存和繁衍,尤其是有壳类生物,如贝类,甲壳类,棘皮类等。主要影响方面包括生物的产卵受精,孵化,早期发育,钙化,酸碱调节,免疫功能,蛋白质合成,基因表达,摄食及能量代谢等一系列和生理相关的机能,进而对个体行为学,种群结构和海洋生态系统造成严重危害。目前,已有大量海洋酸化对海洋贝类的生理生态影响的报道,与此同时,全球变暖导致海洋温度升高伴随着海洋酸化同步发生。因此,为了更加准确地预测海洋生物应对全球气候变化的生理生态应答,越来越多的学者开始致力于研究温度和海洋酸化的复合胁迫对海洋生物交互影响作用。综述了近年来海洋酸化对贝类生理生态的影响,主要从个体早期发育、钙化、免疫、繁殖等方面做了系统的阐述,还对酸化和温度对贝类的复合环境胁迫效应也做了综合分析,以期为今后的海洋酸化研究提供基础理论。     

外套膜转录物组分析揭示尿素在贻贝耐受海水酸化中的作用

海洋酸化是目前地球面临的主要环境问题之一,对海洋矿化生物的生存带来严重威胁。贝类是目前海水养殖的主要物种,海洋酸化会对贝壳的生物矿化过程产生抑制,因而对贝类养殖业的发展带来严重影响。前期研究中已发现,尿素对贻贝贝壳的形成具有辅助作用,推测尿素有助于贻贝在海洋酸化背景下的生存。为进一步探究尿素通过何种分子机制对贻贝耐受海洋酸化产生积极影响,以厚壳贻贝外套膜为研究对象,采用转录物组学策略分析了尿素添加对贻贝外套膜组织在酸化海水中的基因表达量变化的影响。结果表明,尿素添加对贻贝外套膜在酸化条件下的转录物组变化具有逆转趋势,可抑制外套膜中受酸化胁迫而激活的细胞自噬、凋亡、以及免疫应激相关通路;同时,也诱导了部分贝壳基质蛋白质表达量的上调,从而有助于维持贻贝在酸化条件下的生物矿化过程。上述研究有助于了解贻贝对海洋酸化的耐受性机制,也为后续贝类养殖业在海洋酸化背景下的健康发展提供了新的思路。     

海洋酸化影响硅藻固碳相关基因表达的研究进展

由于人类活动导致的大气CO2浓度升高,将导致海水p H值下降,从而引起海洋酸化,改变海水碳酸盐系统,影响海洋生物的生长、发育、代谢、凋亡及钙化过程等。研究海洋酸化对藻类固碳途径(生物碳泵)的影响对了解和预测未来海洋碳泵的发展趋势具有重要意义,硅藻作为海洋初级生产力的主要生产者,研究海洋酸化影响其固碳过程的意义更大。尽管目前已对海洋酸化影响硅藻的生理生化过程有了较为深入的研究,但从基因表达水平上研究海洋酸化对硅藻固碳过程的影响还较少,本文对此领域做一概述。     

海洋酸化条件下Cd2+和Hg2+对斧文蛤幼贝急性毒性效应

为研究在海洋酸化条件下重金属污染物对滩涂贝类的影响,采用半静态急性毒性实验的研究方法,利用海洋酸化人工模拟系统,分析了不同酸化条件下(对照组pH 8.20、酸化组pH分别为7.80、7.60和7.40)Cd2+和Hg2+对斧文蛤(Meretrix lamarckii)幼贝急性毒性效应的影响。实验结果表明:在实验设定的海洋酸化范围内,单一的海洋酸化对斧文蛤幼贝的存活没有显著性影响,但海洋酸化显著增强了Cd2+和Hg2+的急性毒性。与对照组相比,酸化组Cd2+和Hg2+的毒性随着酸化程度的加剧而呈现出逐渐增强的趋势; Cd2+和Hg2+均在pH 7.40时对斧文蛤的毒性最强,其96h半致死(96h LC50)浓度分别为4.068 mg/L(Cd2+)和10.332 mg/L(Hg2+),明显低于pH 8.20、7.80和7.60时其对斧文蛤幼贝的96h LC50浓度(其值分别为Cd2+ 6.458、5.947、4.728 mg/L和Hg2+ 12.027、11.169、10.595 mg/L)。研究有助于丰富海洋酸化与重金属毒理作用在海洋贝类中的研究内容,为斧文蛤资源恢复和海洋环境保护提供科学依据。     

海洋酸化对海洋无脊椎动物的影响研究进展

人源二氧化碳(CO2)的大量排放,导致空气中CO2浓度越来越高,其中大约1/4至1/3被海洋吸收。过多CO2在海水中的溶解,除引起海水p H值降低外,还导致海水中碳酸盐平衡体系的变化,即"海洋酸化"现象。很多海洋无脊椎动物不但在海洋生态系统中发挥重要作用,还是重要的水产养殖种,因此具有重要的生态与经济价值。由于海洋无脊椎动物的生活史在海水中完成,因此海洋环境的变化极易对其造成影响。大量研究已证实海洋酸化能对多种海洋无脊椎动物的受精、发育、生物钙化、基因表达等生命活动产生显著影响。综述了近年来海洋酸化对海洋无脊椎动物影响研究的相关报道,归纳了其对海洋无脊椎动物不同生命活动的影响,分析了其生态学效应,探讨了现有研究在方法创新、内容拓展以及机理分析等方面存在的局限与不足,并展望了海洋酸化对海洋无脊椎动物影响研究的发展方向。     

海洋酸化效应对海水鱼类的综合影响评述

人类活动引起的大气CO2浓度的升高,除了使全球温度升高外,导致的另一个严重生态问题——海洋酸化(Ocean acidification,OA),受到社会各界包括科研界的高度重视,该领域的大部分研究结果都是在近十年才发表出来的,目前还有很多需要解决的问题。海洋酸化的研究涉及到很多学科的交叉包括化学、古生物学、生态学、生物地球化学等等。在生物学领域,海洋酸化主要围绕敏感物种,例如由碳酸钙形成贝壳或外骨骼的贝类,珊瑚礁群体等。鱼类作为海洋脊椎动物的代表生物类群,自身具有一定的酸碱平衡调节能力,但相关海洋酸化方向的研究并不是很多。尽管人们对于海洋酸化对鱼类的影响了解甚少,这并不说明海洋酸化对鱼类没有作用或者效应小,在相关研究逐步展开的同时,发现鱼类同样受到海洋酸化的危害,几乎涉及到鱼类整个生活史和几乎大部分生理过程,尤其是早期生活史的高度敏感。因此就目前国内外对此领域研究结果做综述,以期待业界同行能够对海水鱼类这个大的类群引起重视。     

海洋酸化对泥蚶精子运动的影响及作用机理初探

研究分析了未来海洋酸化情景(pH7.8和pH7.4)对典型滩涂贝类泥蚶(Tegillarca granosa)精子运动活力的影响, 并从精子运动供能角度探究了其作用机理。研究结果表明, 海洋酸化可以显著削弱泥蚶的精子运动速度。由于精子的三磷酸腺苷(ATP)水平与其活力呈显著的正相关, 研究检测了不同酸化条件下泥蚶精子的ATP含量及其合成关键酶酶活, 实验结果显示精子的ATP含量以及磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶活力在酸化条件下均显著下降。此外, 精子内的Ca2+-ATP酶(Ca2+-ATPase)调节了精子的运动能力, 因此实验也探究了海洋酸化对泥蚶精子Ca2+-ATPase酶活的影响, 结果证实该酶活力在海水pH为7.4时被显著抑制。综合本研究结果可以得出, 海洋酸化很可能会通过干扰精子细胞内ATP的合成及Ca2+的调控进而削弱精子的运动速度。     

鱼类对海洋升温与酸化的响应

自工业革命以来,空气中人为排放CO₂量增加,引起温室效应,导致地球表面温度升高和海水升温;同时,由于海-气界面气体交换,大气中CO₂部分溶解于海洋,引起海洋酸化。海洋升温加快鱼体内生化反应和代谢速率,并通过影响生长、觅食和繁殖等生命过程中能量供给,间接影响到鱼类种群分布、群落结构及生态系统的功能。而海水酸化会干扰海洋鱼类仔稚鱼的感觉和行为,增加其被捕食率,并削弱其野外生存能力,可能威胁自然种群补给量。综述了海洋升温、海洋酸化及其两者共同作用对海洋鱼类的影响,为预测鱼类响应全球海洋环境变化的响应趋势提供相关依据。     

壳损伤及海水酸化对厚壳贻贝脲酶和碳酸酐酶的影响

海洋酸化是当前全球面临的最为紧迫的环境问题之一，已显现出对具生物矿化现象物种的严重影响。以往研究发现，贻贝表现出对海洋酸化较强的耐受性。为探究贻贝对海洋酸化耐受性的可能机制，选择两种对生物矿化具有重要影响的酶(碳酸酐酶和脲酶)为研究对象，分析其在壳损伤以及酸化海水条件下基因表达量和酶活力的变化；进一步对上述条件下的贻贝贝壳内表面开展了显微观察。研究结果表明，相比对照组，壳损伤或酸化海水处理诱导碳酸酐酶和脲酶的基因表达量产生不同程度的上调(P<0.05),酶活力测试与基因表达量分析结果具有类似特征，但存在时序性差异。而壳损伤叠加海水酸化处理则诱导碳酸酐酶和脲酶的基因表达量及酶活性在外套膜中均明显下调(P<0.05),但碳酸酐酶在血细胞中明显上调(P<0.05);在酸化海水中添加尿素则明显上调血细胞和外套膜中碳酸酐酶和脲酶的基因表达量以及酶活性(P<0.05)。贝壳内表面显微观察结果进一步表明，海水酸化及壳损伤导致损伤部位附近的贝壳内表面产生明显纹理质地改变，尿素可诱导海水酸化条件下壳损伤部位修复层的重新出现。上述结果表明，碳酸酐酶和脲酶可能参与了对壳损伤修复及海洋...     

海水酸化及升温对刺参稚参生长和变色的影响

海洋酸化和海洋变暖是当下及未来海洋生物及其依存生态系统面临的主要环境压力和生态问题。当前,海洋生物早期发育气候变化生物学的研究主要集中于海洋酸化的影响,为了更好地探究海洋气候变化对海洋生物的影响,有必要研究海洋酸化和变暖联合作用下海洋生物的生态响应。以受精后24天的刺参稚参为研究对象,通过模拟当前和本世纪末海洋环境,观察海水酸化和升温对刺参稚参在体色发育关键时期生长、发育及体色变化的影响。实验设置对照组(大连近海水温,pCO2400 mg·kg^-1)、升温组(对照组水温+2℃,pCO2400 mg·kg^-1)、酸化组(对照组水温,pCO21000 mg·kg^-1)、酸化升温组(对照组水温+2℃,pCO21000 mg·kg^-1)。结果表明:温度升高2℃能够显著提高稚参发育速率,体色变化加快;pH值降低0.23个单位显著延迟稚参生长,体色变化减缓,个体间体重差异变大;升温2℃能抵消pH降低0.23个单位对稚参生长和发育的负面影响;较长时间的海水酸化和升温胁迫能够使稚参逐渐适应,稚参表现出一定的耐受性。     

海洋酸化和铜离子胁迫对海月水母碟状幼体的影响

海洋酸化和重金属污染作为全球性海洋环境问题,均影响海洋生物的生存和生态系统的健康。海月水母是近岸海域常见的胶质性浮游动物,其生长发育和种群数量易受到海洋环境变化的影响。研究海月水母碟状幼体对海洋酸化（pH 8.1和pH 7.6）和Cu²⁺（0、10 μg/L和25 μg/L）胁迫的生理响应,从氧化应激酶和酸碱平衡相关酶活性、呼吸、运动和生长等方面探究海洋酸化和铜污染对海月水母碟状幼体的综合影响。研究发现,经过16 d的暴露期后Cu²⁺对海月水母碟状幼体产生较强的毒性效应,抑制Ca²⁺-ATP酶和过氧化氢酶活性,造成超氧化物歧化酶活性和呼吸代谢速率异常升高、收缩频率降低、生长速度减慢。正常pH,25 μg/L铜暴露处理的超氧化物歧化酶活性和呼吸率最高,收缩频率和伞部直径最小。随着铜暴露浓度的增加,海洋酸化可以缓解Cu²⁺对海月水母呼吸率和生长的影响,但对Ca²⁺-ATP酶和过氧化氢酶活性具有协同抑制作用。确定了海洋酸化和Cu²⁺对海月水母的不同生理影响,这种差异影响可能会导致未来海洋生物多样性和生态系统的改变。     

海洋酸化对珊瑚礁生态系统的影响研究进展

目前,大气CO2浓度的升高已导致海水pH值比工业革命前下降了约0.1,海水碳酸盐平衡体系随之变化,进而影响珊瑚礁生态系统的健康。近年来的研究表明海洋酸化导致造礁石珊瑚幼体补充和群落恢复更加困难,造礁石珊瑚和其它造礁生物(Reef-building organisms)钙化率降低甚至溶解,乃至影响珊瑚礁鱼类的生命活动。虽然海洋酸化对造礁石珊瑚光合作用的影响不显著,但珊瑚-虫黄藻共生体系会受到一定影响。建议选择典型海区进行长期系统监测,结合室内与原位模拟试验,从个体、种群、群落到系统不同层面,运用生理学和分子生物学技术,结合生态学研究手段,综合研究珊瑚的相应响应,以期深入认识海洋酸化对珊瑚礁生态系统健康(例如珊瑚白化)的影响及其效应。     

海洋酸化对马氏珠母贝胚胎和早期幼虫发育的影响

研究当前预测2100年海洋将达到的酸化程度对马氏珠母贝(Pinctada martensii)胚胎和早期幼虫发育的影响.人工受精卵置于pH=7.70的CO2酸化海水(酸化组)和pH=8.10的对照海水(对照组)中进行胚胎和幼虫发育试验.结果表明:人工受精8 h后,酸化组和对照组胚胎在各发育时期的数量分布没有明显的差异;24 h后,酸化组16.6%±12.0%发育至D型幼虫,且畸形个体百分比为48.2%±9.1%;而对照组44.8%±7.4%发育至D型幼虫,畸形个体百分比仅为18.6%±11.5%.48 h后,酸化组D型幼虫百分比23.0%±9.6%.畸形个体比例高达63.2%±14.1%;对照组D型幼虫59.4%±13.0%,畸形个体百分比仅为26.6%±14.5%;与对照组相比,酸化组中D型幼虫壳长和壳高明显偏小,而且壳长增长缓慢.试验表明,将来马氏珠母贝这类发生生物钙化的典型热带海洋贝类生物,其幼虫发育将会受到海洋酸化的不利影响.     

海洋酸化对日本虎斑猛水蚤抗氧化性指标和繁殖发育的影响

本文选取海洋桡足类日本虎斑猛水蚤(Tigriopus japonicus)为模式生物,采用生化测定和实验生态学方法,研究不同酸化胁迫对桡足类体内抗氧化性指标[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)和脂质过氧化(LPO)]、幼体发育时间、世代发育时间和产后代数的影响。结果表明:海水酸化可显著诱导桡足类的抗氧化性酶(SOD和CAT)的活性,而GST活性不受酸化影响,同时酸化可显著提高桡足类的LPO水平,可见该桡足类可通过SOD和CAT活性的提高来抵抗酸化胁迫引起的氧化胁迫;另外,酸化显著缩短桡足类的幼体发育时间和世代发育时间,并显著抑制其产后代数,提示酸化可以影响海洋桡足类的种群补充和动态;酸化引起该桡足类氧化胁迫的出现,继而对细胞生物大分子(如蛋白质、核酸等)造成氧化损伤,最终影响到该动物的个体水平和种群动态(如缩短发育时间和抑制繁殖力)。     

名刊封面

大师的智慧；海洋的酸化；艾滋病的报道；新型智能液体微型镜头；识别错叠蛋白的关键因子。     

气候变化对海洋病毒生态特性及其生物地球化学效应的影响

摘要:病毒作为海洋中丰度最高的生命粒子,通过侵染和裂解宿主细胞影响宿主生理生态特性,改变海洋食物网的物质循环和能量流动,在海洋生物地球化学过程中扮演着重要角色。全球气候变化导致海面升温、海洋酸化、营养盐和海水盐度变化、低氧区扩大等海洋环境问题,对海洋病毒生理生态特性产生直接或间接的影响。本文从海洋病毒的生态功能和生物地球化学效应出发,概述了气候变化因子对病毒分布、丰度、生命策略以及与宿主之间相互作用等的影响,提出海洋病毒是全球气候变化研究中不可或缺的对象。     

海洋酸化对海洋鱼类行为的影响及机制研究进展

自工业革命以来,在人类活动的影响下,大气CO_2浓度持续增加,其中有大约1/3被海洋吸收,造成海水pH值降低和碳酸盐平衡体系的波动,即"海洋酸化"现象(Ocean Acidification)。据联合国政府间气候变化专门委员会预测,如果以当前速率排放CO_2,到21世纪末表层海水的pH值将降低至7.7—7.8,而到2300年将降低至7.3—7.4。作为鱼类对外界刺激最直接的反应,行为在鱼类的繁衍、捕食、避敌等过程中发挥着关键作用。基于此,海洋酸化对海洋鱼类行为的影响受到了越来越多关注。现有研究结果显示海洋酸化不仅会显著干扰包括嗅觉、听觉、视觉在内的感官功能,还将对神经生理功能和细胞信号传导等过程产生不利影响,从而影响海洋鱼类的捕食、逃避捕食、行为侧向化、栖息地识别与选择和集群等行为。行为异常将直接损害鱼类种群的生存与繁衍,继而威胁海洋生态系统的稳定和功能。我国海岸线漫长,海域辽阔,鱼类资源丰富,鱼类捕捞和养殖业发达。但与国外相比,国内此类研究十分匮乏,仅见零星报道。这种现状极大的制约了我国相关应对策略的制定,对我国海洋生态保育和渔业发展非常不利。此外,当前的研究也存在研究范围窄、研究手段不合理、行为效应、潜在机制及生态风险考察不足、研究结果难以整合等问题亟待改进。为此,研究对国内外相关研究进展进行了梳理和总结,并对未来的研究进行展望,以期弥补上述缺憾,促进国内相关研究的广泛开展。