海洋酸化对藻类生态学效应及作用机制的研究进展

目前全球海洋酸化(ocean acidification,OA)问题正在以前所未有的速度快速恶化,使海洋生物以及海洋生态环境面临着巨大的威胁。藻类作为海洋中最主要的初级生产者,贡献了约95%的初级生产力,是物质循环和能量流动的重要环节。海洋酸化能够改变藻类的初级生产力,从而影响海洋食物网中物质和能量从初级到次级生产者及更高营养级的传递,引发食物链效应,进而对整个海洋生态系统带来不可逆转的影响,因此评估海洋酸化对藻类的影响具有重要的生态学研究意义。本文总结了近年来海洋酸化对藻类的光合作用、碳固定、生长、钙化、繁殖等生理生化过程以及对代谢组分和显微结构的影响,归纳了海洋酸化对藻类的分子调控机制,同时围绕海洋酸化与环境因子以及海洋污染物对藻类的复合胁迫展开综述,并基于当前海洋酸化对藻类影响研究中存在的不足做出展望,以期为人们解决海洋酸化问题提供思路和方法。

海洋酸化对栉孔扇贝钙化、呼吸以及能量代谢的影响

通过"Alkalinity anomaly technique"测定了栉孔扇贝Chlamys farreri在不同酸度条件下的钙化率和呼吸率,发现栉孔扇贝的钙化和呼吸活动受酸化影响显著,均随着酸化的加剧出现了明显下降。当pH降低到7.9时,栉孔扇贝的钙化率将会下降33%左右;当pH降到7.3左右时,栉孔扇贝的钙化率将趋近于0,栉孔扇贝无法产生贝壳,而此时栉孔扇贝碳呼吸率(RC)与耗氧率(RO)也分别下降了14%和11%。随着酸化的加剧,栉孔扇贝的能量代谢方式也会发生改变。这些变化都可能影响到栉孔扇贝的生存。

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。

海洋酸化对鱼类感觉和行为影响的研究进展

海洋酸化是指大气增多的二氧化碳(CO2)溶解于海水而导致海水p H值降低的过程。海洋酸化将改变海水碳酸盐平衡体系,使依赖于原化学环境的多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。海洋酸化对钙质生物影响的研究最早引起大家关注,而海洋鱼类具有较完善的酸碱调节机制,大家普遍认为酸化对其影响不大。但在过去的5年中,不少实验证明海洋酸化会影响海洋鱼类仔稚鱼的感觉和行为,减弱其野外的生存能力及增加被捕食率,很可能将威胁自然种群补给量和影响全球的渔业资源量。本文从嗅觉、听觉、视觉及高级意识和相关行为角度,综述近几年海洋酸化对鱼类感觉和行为影响的研究进展,介绍了鱼类神经行为生物学的研究,为全面了解和预测海洋酸化的生态、经济和社会效应提供科学依据。

海洋酸化及国际研究动态

全球海洋酸化是对海洋生态系统的最大威胁之一,其对海洋健康的影响已逐渐显示出来,引起世界主要沿海国家和国际组织的高度重视,美国、英国、德国、日本、澳大利亚、韩国等国家纷纷制定海洋酸化问题研究计划,研究应对海洋酸化和保护海洋生态环境的对策。有关国际组织召开海洋酸化问题国际研讨会,协调沿海国家的行动,提高行动的功效,全力以赴应对全球海洋酸化的威胁。本研究分析了海洋酸化的影响,介绍了美国、欧洲、日本、澳大利亚、韩国等国家海洋酸化研究的现状,展望了国际海洋酸化研究的未来及其价值。

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。

海洋酸化条件下Cd^(2+)和Hg^(2+)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)Cd^(2+)和Hg^(2+)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Cd^(2+)和Hg^(2+)的急性毒性。与对照组相比,酸化组Cd^(2+)和Hg^(2+)的毒性随着酸化程度的加剧而呈现出逐渐增强的趋势;Cd^(2+)和Hg^(2+)均在pH 7.40时对斧文蛤的毒性最强,其96h半致死(96h LC_(50))浓度分别为4.068 mg/L(Cd^(2+))和10.332 mg/L(Hg^(2+)),明显低于pH8.20、7.80和7.60时其对斧文蛤幼贝的96h LC_(50)浓度(其值分别为Cd^(2+)6.458、5.947、4.728 mg/L和Hg^(2+)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。

海洋酸化对海水青鳉胚胎骨骼发育的影响

本文在实验室模拟近期海洋酸化水平,对海洋酸化对海水青鳉鱼（Oryzia melastigma）胚胎骨骼发育的影响进行了初步研究。实验中,通过往实验水体中充入一定浓度CO2气体酸化海水。对照组CO2分压为450×10-6,两个处理组CO2浓度分别为1 160×10-6和1 783×10-6,对应的水体pH值分别为8.14,7.85和7.67。将海水青鳉鱼受精卵放入实验水体中至仔鱼孵化出膜,对初孵仔鱼经骨骼染色、显微拍照,挑取了仔鱼头部、躯干及尾部骨骼染色清晰的28个骨骼参数的长度进行了显微软件测量及数据统计分析。结果发现,酸化处理对实验鱼所测量的骨骼长度影响均不显著。因此推测,未来100~200年间海洋酸化对海水青鳉鱼的胚胎及初孵仔鱼的骨骼发育没有显著影响。

海洋酸化的生态危害研究进展

工业革命以来,人类活动产生的巨量CO2进入大气层,不仅产生严重的温室效应,也使得全球海洋出现酸化现象。海洋中氢离子浓度在最近200年里已经上升了30%,21世纪内将再增加3倍,到22世纪海洋将处于极端酸性环境。已有的报道显示,酸化将对石灰化型生物造成非常严重的损害,但海洋酸化对生态系统稳定和人类健康的影响需要长时间的观察和研究。本文总结了近年来有关海洋酸化研究的最新成果,介绍了海洋中不同生态系统所受海洋酸化的影响方式和影响程度,展望了未来研究的方向思路和对策。

海洋酸化条件下铜、镉对日本虎斑猛水蚤的急性毒性效应

以日本虎斑猛水蚤(Tigriopus japonicus)为试验生物,采用高纯度CO2和空气的混合气体调配试验所需酸化海水(pH值7.70、7.30、6.50),研究不同海水酸化条件下铜、镉对海洋生物的急性毒性效应。结果表明:单一CO2酸化海水对日本虎斑猛水蚤存活的影响不显著;海水酸化对铜和镉急性毒性的影响效应有差异。铜在低pH值(6.5)时对日本虎斑猛水蚤的毒性最强,96h LC50浓度为0.64 mg/L,明显低于pH值为8.0、7.7、7.3对日本虎斑猛水蚤的96h LC50浓度,其分别为1.98,1.19,1.05 mg/L,随pH值下降,96h LC50下降了近3倍。海水酸化使镉的96h LC50略呈下降趋势,但对其急性毒性影响效应并不显著;pH值为7.7和7.3时,铜的安全浓度分别为11.9、10.5μg/L,接近于中国海水二类水质标准。本研究表明随着海洋酸化的进程我国近海水域将面临铜污染加剧的威胁。

海洋酸化对马氏珠母贝受精及早期发育的影响

自2010年7月1日至3日,在pH值为8.1、7.7和7.4条件下研究了海洋酸化对马氏珠母贝(Pinctada martensii Dunker)受精及早期发育的影响。结果显示,海洋酸化对不同pH值下马氏珠母贝的受精率无显著影响。pH8.1、pH 7.7和pH 7.4试验组幼虫的壳长、壳高的值逐渐增大,pH 8.1组幼虫的壳长、壳高的值大于同期其他两组的值,且在实验的第24、36、48小时与其他两组同期幼虫的壳长、壳高的值差异显著,这表明海洋酸化显著影响马氏珠母贝幼虫的生长。实验期间,pH 8.1试验组幼虫的存活率和畸形率没有显著变化,而pH 7.7和pH 7.4组幼虫的存活率显著低于pH 8.1组。pH 7.4组幼虫的畸形率显著高于同期pH 8.1和pH 7.7组幼虫的畸形率,表明在海洋酸化的环境中幼虫的发育受到影响。本文将为海洋酸化的相关研究提供基础数据。

海洋酸化对海洋生物呼吸代谢的影响及机制

海洋酸化是对海洋生态系统最大威胁之一。随着海洋酸化不断加剧,海洋生物呼吸代谢酶活性下降,呼吸代谢方式改变,严重影响海洋生物的正常生长发育和生存。文章主要综述海洋酸化对海洋生物特别是鱼类呼吸代谢的影响及机制,旨在深入研究海洋酸化对海洋生物呼吸代谢的影响、机理及适应机制,为控制海洋酸化提供依据,同时也为海洋生物养殖水体的调控提供参考。

中国海洋酸化及生态效应的研究进展

[海洋吸收大气CO2会导致海洋酸化1-5],影响海洋生物的生长、繁殖和代谢等过程,最终影响海洋生态系统平衡及其对人类的服务功能[6]。此外,由上升流或富营养化导致的近海酸化进程要远快于大洋,对生物会造成更大的环境胁迫[7]。因此,海洋酸化已成为继全球变化和环境污染后严重影响和威胁人类社会发展的第三大环境问题[8]。由于缺乏海洋酸化及其生态效应的观测研究,

海洋酸化和升温对中间球海胆幼虫发育和生长的影响

为了研究海洋酸化和气候变暖对海洋生物的联合作用,按照文献[4]和[7]中对海洋环境变化的预测趋势,设置了3组海水,即对照组(pH为7.93～7.99,水温T为18℃)、试验组E3(在对照组基础上pH减小0.3,T升高3℃)、试验组E6(在对照组基础上pH减小0.6,T升高6℃),在此条件下对中间球海胆Strongylocentrotus intermedius幼虫的发育及生长情况进行了研究。结果表明:酸化及升温海水对海胆孵化率没有显著影响;E3组海胆与对照组发育进程一致,而E6组则较慢;E3和E6组海胆分别存活了18 d和12 d,分别发育至八腕幼虫和四腕幼虫阶段,可见试验海水环境严重影响海胆幼虫的存活;E3组海胆幼虫的生长在受精后的前10 d与对照组差异不显著(P>0.05),之后显著低于对照组(P<0.05),而E6组海胆幼虫的生长在整个试验阶段均显著低于对照组(P<0.05);将骨针长度分解为口后腕骨针长度和躯干部骨针长度,各组海胆的生长差异主要表现在口后腕骨针长度上;试验组长腕幼虫畸形均不同程度地表现为腕短小、萎缩、腕骨针折断、骨针弯曲变形等。研究表明,中间球海胆对海洋酸化和气候变暖的海洋环境非常敏感,如果按照预测趋势,海洋环境变化将会对该海胆产生严重的负面影响。

基于LDA的科研项目主题挖掘与演化分析——以NSF海洋酸化研究为例

[目的/意义]基于当前对科研项目的研究主要以数据统计和计量分析为主,以NSF资助的海洋酸化相关研究的项目数据为例,从项目主题的角度研究科研立项的重点和演化,并对未来投入趋势加以预测。[方法/过程]使用LDA主题模型对该研究的主题进行分析,计算主题强度分析演化过程,统计NSF申请书项目与支撑发表的核心论文主题强度之间的相关性,进而分析NSF海洋酸化项目的主题发展趋势。[结果/结论]发现LDA模型可以很好的发现海洋酸化的主要研究主题,且NSF资助的科研项目与支撑发表论文的主题演化规律具有一致性。使用的方法对科研资助机构资助的项目从主题的角度进行分析,研究国家科研机构资助项目的主题布局和变化趋势,对国家科技部门或机构的项目发展部署和规划具有一定的参考和支撑作用。

珊瑚礁海水pH变化及其对海洋酸化的意义

珊瑚钙质骨骼δ^(11)B重建的海水p H时间变化序列显示:珊瑚礁海水p H的长期变化具有显著的年际―年代际波动周期,并且这些波动是区域海洋气候过程和珊瑚礁海水生物活动共同作用的结果。珊瑚礁生态系统中的生物活动(光合呼吸作用和钙化作用)控制着海水碳酸盐系统的组成,调节着海水p H的变化。这一过程在全球气候环境变化和区域海气过程的影响下,一起作用于珊瑚礁海水p H的变化,因而使得不同海域的珊瑚礁海水对海洋酸化的响应有所差别。研究珊瑚礁生物活动在长时间尺度上对海水p H的作用对认识珊瑚礁海水酸化机理十分重要,同时也是了解珊瑚礁生态系统如何响应海洋酸化的重要手段。

海洋酸化对水生动物骨骼和耳石钙化、生长发育的影响与机理

自18世纪以来,大气中的pCO2增加了大约36%,大气中1/3以上的CO2为海水吸收,形成了大量的碳酸氢根（HCO-3）离子,使海洋表面的pH下降,形成不断加剧的海洋酸化现象[1],若不能有效控制CO2排放,到21世纪末,海洋表面的pH将下降0.3-0.4个单位,使表层海水pH达到80万年以来的最低值[2],

CO_2驱动海洋酸化对三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)幼蟹甲壳结构和组成成分的影响

大气中过量的CO_2溶解到海水中造成海洋酸化,破坏了海水原有的酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡。甲壳类动物甲壳的形成过程依赖于海水正常的酸碱平衡和碳酸钙溶解平衡。本研究以三疣梭子蟹幼蟹为研究对象,采用CO_2与空气的混合气体对自然海水进行曝气,模拟在现有CO_2排放速度下,本世纪末和下世纪末海洋酸化的程度(表层海水p CO_2分别为750μatm,1500μatm),研究不同海洋酸化程度对三疣梭子蟹幼蟹甲壳结构和组成成分的影响。结果发现,海洋酸化导致:(1)三疣梭子蟹幼蟹甲壳上表皮的外表面微刺排列趋于简单化,由2—3个微刺为主要排列形式逐渐变为单个微刺排列的形式;(2)甲壳厚度变薄,甲壳厚度从正常海水对照组(pH 8.13±0.02)90.20±4.85μm,变薄到OA1组(pH 7.98±0.02)84.53±13.71μm,再到OA2组(pH 7.75±0.03)61.94±13.43μm,并且有随海洋酸化程度加重厚度变得更薄的趋势;(3)随着酸化程度的加深,甲壳中甲壳素含量显著上升,从对照组(13.10±0.07)%上升到OA1组(14.22±0.04)%,再到OA2组(14.30±0.06)%(P=0.000**);(4)甲壳中钙、镁元素含量及钙镁比没有明显变化。结果表明海洋酸化对三疣梭子蟹幼蟹甲壳的结构和甲壳素含量产生了较大影响。