海洋酸化和碱化对Mytilus edulis（紫贻贝）壳微结构及分子反应的不同影响

《Marine Environmental Research》：Differential impacts of ocean acidification and alkalinization on shell microstructure and molecular responses in Mytilus edulis

海洋酸化（OA）和碱化增强（OAE）对蓝贻贝壳结构与分子响应的影响研究。通过21天实验结合壳显微结构和转录组学分析，发现OA导致壳降解和应激基因激活，而OAE增强壳完整性并促进生长相关基因表达，为OAE生态安全性评估提供直接证据。

　　

陈照豪|胡玉斌|林晓茹|雷成龙|李媛宁|王元|李超|曲志帅|杜金泽

山东省海洋科学与技术研究院，微生物技术国家重点实验室，中国青岛，266237

摘要

人为的二氧化碳（CO₂）排放加剧了海洋酸化（OA），破坏了碳酸盐化学平衡，威胁到了诸如贻贝等海洋钙化生物的生存。提高海洋碱度（OAE）被提出作为一种海洋二氧化碳去除（mCDR）策略，同时也能缓解OA，但其对水产养殖物种的生态安全性仍知之甚少。本研究通过综合分析贝壳微观结构和转录组学，研究了蓝贻贝Mytilus edulis在短期（21天）内对海洋酸化（pH 7.3）和基于NaOH的碱度提升（pH 9.0）的反应。结果表明，虽然存活率未受影响，但海洋酸化导致了贝壳明显退化，并激活了与压力相关的分子通路；而碱度提升则增强了贝壳的完整性并促进了生长相关过程。在各种处理条件下，一组与生物矿化相关的基因（如VWA7、CA14、ALPL）的表达发生了变化，表明它们在碳酸盐稳态中起着核心作用。相比之下，某些基因（如CA10和VWDE）的表达则表现出pH依赖性。值得注意的是，碱度提升对生物矿化的干扰最小，并减轻了与海洋酸化相关的损伤，这凸显了其在未来海洋条件下支持贻贝养殖的潜力。尽管模型模拟和浮游生物规模的实验表明碱度提升具有全球性的益处，但本研究提供了直接在生物体层面证明贝壳超微结构和转录组响应与海洋酸化及碱度提升条件之间关联的实验证据。这些发现为理解贻贝的适应性提供了机制上的见解，并为评估碱度提升作为碳封存策略及可持续水产养殖工具的生态安全性提供了关键的实证基础。

引言

人为的二氧化碳（CO₂）排放引发了严重的环境危机，包括海洋酸化（OA）——这一过程是由海洋吸收大气中的CO₂引起的，它改变了海水的碳酸盐化学成分，威胁到了海洋生态系统（Caldeira和Wickett，2003；Sabine等人，2004）。海洋二氧化碳去除（mCDR）方法利用了海洋作为最大碳汇的自然能力，通过长期储存和缓冲过程调节大气中的CO₂（Jiao等人，2011；Zhang等人，2022）。在新兴的mCDR策略中，提高海洋碱度（OAE）因其同时能够增强海洋碳封存和对抗OA的能力而受到广泛关注（例如，Fakhraee等人，2023；Hartmann等人，2023；Kowalczyk等人，2024；Zhou等人，2024；Zhu等人，2024a）。OAE通过向海水中引入橄榄石、碳酸钙或氢氧化钙等碱性矿物来加速自然风化过程（Caldeira和Rau，2000；Hartmann等人，2013；Keller等人，2014）。通过碳酸盐系统的重新平衡，OAE将溶解的CO₂转化为稳定的碳酸氢根（HCO₃^-）和碳酸根（CO₃^2-）离子，从而在减少大气CO₂的同时，缓冲了由OA引起的pH波动（Renforth和Henderson，2017；Bach等人，2019；Gately等人，2023；Yang等人，2023；Taqieddin等人，2024）。

尽管OAE在理论上具有潜力，但其实施仍面临关于生态安全性和生物地球化学后果的重大不确定性。一些研究表明，海洋钙化生物在自然pH变化范围内对可控的碱度增加具有适应性（Carstensen和Duarte，2019；Gately等人，2023），模型模拟也显示其对珊瑚礁系统有潜在益处（Albright等人，2016；Feng等人，2016；Mongin等人，2021）。Bednar?ek等人（2025）开发了一个评估框架，利用68个海洋酸化实验的数据来预测海洋钙化生物（包括双壳类动物）对OAE的敏感性，研究结果表明OAE可能有助于缓解OA。Sánchez等人（2024）的研究表明，小规模、短期的OAE应用对浮游生物食物网是安全的。同样，Federer等人（2022）报告称碱度提升对浮游植物群落的影响较小，主要表现为硅藻硅质化和有机物化学计量的轻微减少，而整体初级生产力保持稳定。此外，Hutchins等人（2023）发现与OAE相关的橄榄石溶解不会抑制某些关键浮游植物的生长，甚至在某些情况下还会促进其生长。然而，新的证据也指出了潜在的生态风险，包括沿海甲壳类动物的酸碱调节紊乱（Cripps等人，2013）、橄榄石溶解对海水中的浮游植物生长的影响（Li等人，2024），以及更强烈OAE使用可能带来的生态系统层面的脆弱性（Sánchez等人，2024）。

海洋双壳类动物在海洋酸化条件下特别脆弱，许多研究记录了它们的钙化能力下降、贝壳完整性受损以及生理压力（Gazeau等人，2013；Kroeker等人，2013）。例如，Melzner等人（2011）报告了在高浓度CO₂条件下Mytilus edulis的贝壳内部溶解现象，而Fitzer等人（2015）证明了OA改变了贻贝贝壳材料的性质。进一步的实验表明，OA会降低贻贝足丝的附着强度并引发分子应激反应（Zhao等人，2017）。转录组学研究进一步显示，在OA条件下贝壳形成过程受到延迟或阻碍（Hüning等人，2013；Liao等人，2023）。这些发现凸显了OA对贻贝养殖和贝类食品安全的严重威胁。相比之下，最近的研究表明OAE可能有助于缓解双壳类动物因OA引起的压力。Peng等人（2018）发现碱度提升提高了幼年剃刀蛤（Sinonovacula constricta）的存活率和生长。同样，Yu等人（2015）报告称可控的碱化可以缓解软体动物细胞的细胞毒性应激反应，表明OAE在细胞层面可能具有适应性机制。这些结果表明OAE可能同时具有地球化学和生物学上的益处，尽管不同物种的响应特征尚不完全清楚。

Mytilus edulis（蓝贻贝）是水产养殖中的重要物种，分布广泛且全球消费量巨大。其广泛的分布使其成为研究全球海洋环境变化的相关模型，特别是在食品安全和生态系统健康方面。蓝贻贝的双矿物贝壳由方解石和文石组成（Fitzer等人，2015），为研究不同形式的碳酸钙对pH变化的响应提供了独特的机会，这对于理解OA和OAE的影响至关重要。此外，包括贻贝外套膜转录组分析在内的大量先前研究为分子研究奠定了坚实的基础（Hüning等人，2013；Thomsen等人，2017；Yarra等人，2021；Kapsenberg等人，2022），使得能够在不同环境条件下详细探索参与生物矿化的基因和通路。总体而言，这些研究强调了Mytilus edulis作为评估OAE生态安全性的模型生物的重要性。

虽然模型模拟和浮游生物规模的实验表明OAE对全球碳去除具有潜在益处，但关于养殖双壳类动物对短期、局部碱度增加的直接响应的实证证据仍然不足。在这项研究中，我们进行了为期21天的实验，首次通过综合电子显微镜和转录组分析，研究了Mytilus edulis在海洋酸化和碱度提升条件下的短期生物矿化响应。具体来说，我们旨在量化酸化和碱化条件下贝壳结构的形态变化和转录组变化，以测试OA和OAE的短期效应及其潜在风险。本研究提供了将Mytilus edulis在OA和OAE条件下的贝壳微结构变化与转录组响应联系起来的首批实验数据，这些发现将有助于更好地理解OA和OAE对海洋钙化生物在生物体和分子层面的影响。此外，这些结果将为评估OAE作为OA缓解策略的安全性和有效性以及其在气候变化情景下与可持续水产养殖实践的兼容性提供关键数据。

样本采集和实验室适应

2023年9月，在繁殖季节过后，从中国山东省青岛市（36°45′ N, 120°57′E）采集了成年Mytilus edulis（贝壳长度3.5–5.0厘米）。采集后，样本立即被转移到实验室，并在半静态条件下用过滤和充氧的海水进行两周的适应。初始水pH值为8.1 ± 0.1，盐度为31 ± 1.0‰。

海水酸化和碱化条件下的存活率和贝壳微观结构

与对照组相比，酸化组和碱化组的存活率没有显著差异（p > 0.05；图S1；表S3）。扫描电子显微镜（SEM）显示，在海水酸化和碱化条件下Mytilus edulis的贝壳微观结构发生了显著变化（图2）。从第4天到第21天，酸化组的贝壳微观结构发生了明显改变，表现为珍珠层更加不规则，棱柱状结构的侵蚀加剧

讨论

大量研究调查了海洋钙化生物对海洋酸化（OA）的生物响应（Kroeker等人，2010, 2013；Albright等人，2016；Goncalves等人，2016；Cornwall等人，2020），特别是经济和生态上重要的海洋养殖贻贝Mytilus属物种（例如，Hiebenthal等人，2013；Hüning等人，2013；Fitzer等人，2015；Thomsen等人，2017；Zhao等人，2017；Kapsenberg等人，2022；Liao等人，2023）。然而，关于OAE影响的研究仍有限

结论

本研究显示，短期海洋酸化会导致Mytilus edulis的贝壳显著退化，并激活与压力相关的分子通路，而提高海洋碱度则不会显著损害贝壳完整性，并促进生长相关反应。尽管存活率稳定，但生物矿化相关基因的表达模式表现出明显的pH依赖性，表明生物在应对极端环境条件时具有分子可塑性。这些发现提供了机制上的解释

CRediT作者贡献声明

陈照豪：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法学设计、实验实施、数据分析。 林晓茹：实验实施。 胡玉斌：撰写——审稿与编辑、方法学设计。 王元：撰写——审稿与编辑、方法学设计、实验实施。 雷成龙：实验实施。 曲志帅：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、方法学设计、资金申请。 李超：撰写——审稿与编辑。 李媛宁：资金申请、撰写——审稿与编辑。

未引用的参考文献

Barshis等人，2013；Dong等人，2024；Li等人，2016；Sleight等人，2020。

数据可用性声明

本研究生成的序列数据已存放在NCBI Sequence Read Archive（SRA）中，访问号为PRJNA1198861。所有用于重现本研究结果的脚本和代码均可在GitHub上公开获取：https://github.com/ChenJooHoe/Transcriptomic_analysis_of_mollusca

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFA0915500）、山东省自然科学基金（ZR2024QC144、ZR2022QD147）、国家自然科学基金（32503146）、微生物技术国家重点实验室的内部联合项目基金（SKLMTIJP-2024-03）、山东省自然科学基金杰出青年学者项目（ZR2024JQ027）、海洋负碳排放（ONCE）计划以及青岛农业大学的支持。