環境因素對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

沈 城，鄭子豪，張艷蘋，劉 麗

（1.徐聞國家級珊瑚礁保護區管理局，廣東 湛江 524143;2.廣東海洋大學水產學院，廣東 湛江 524088）

盾形陀螺珊瑚 (Turbinaria peltata) 隸屬于刺胞動物門珊瑚蟲綱石珊瑚目陀螺珊瑚屬，是最原始的后生動物類群之一[1]，一般生活在赤道及其附近的熱帶、亞熱帶地區，多生長于水體平靜而清澈的巖礁、平臺、斜坡、崖面、凹縫。珊瑚有自養和異養2 種營養方式。自養時珊瑚通過共生蟲黃藻的光合作用供給營養，異養時捕食有機顆粒[2]。黃暉等[2]認為，在環境適宜條件下，光合自養是健康造礁石珊瑚的主要營養方式，當珊瑚自養營養供給受限時，異養營養可在一定程度上彌補營養缺失，甚至成為主要營養方式。關于環境因子對珊瑚攝食的影響已有報道，濱珊瑚（Porites compressa）攝食率隨溫度的升高而降低，團塊濱珊瑚（Porites lobata）攝食率隨溫度的升高而升高[3-4]，萼形柱珊瑚（Stylophora pistillata）攝食率隨海水pH 下降而降低[5]。

在全球珊瑚礁逐漸退化的背景下，研究珊瑚在不同脅迫條件下的行為，了解珊瑚的環境可塑性對珊瑚資源保護意義重大。目前，關于環境因子對珊瑚攝食行為影響研究主要集中在溫度、pH 方面[6-9]，而未涉及其他環境因子。多數研究只關注不同環境條件下珊瑚攝食率變化，有關環境變化影響珊瑚攝食行為的具體機制，僅見Ferrier-Pagès 等[10]的溫度升高情況下珊瑚攝食率及蟲黃藻光合速率的變化，但未深入探究。研究珊瑚自養與異養行為之間的聯系有助于更全面解讀環境變化對珊瑚生存的影響，進而了解珊瑚抵御環境變化的生理機制。

輪蟲有繁殖速度快、活動緩慢、易培養、營養價值高、無殘餌污染等優勢，已廣泛應用于海水養殖業[11-12]。研究表明，高溫條件下珊瑚對輪蟲(Brachionus plicatilis) 的攝食率顯著提高[13]；本課題組對盾形陀螺珊瑚餌料篩選研究表明，盾形陀螺珊瑚對輪蟲有較好的適應性[14]，輪蟲有發展為珊瑚人工養殖餌料的潛力。本研究分析不同環境條件對珊瑚攝食輪蟲速率的影響，為盾形陀螺珊瑚優化養殖提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料

盾形陀螺珊瑚母體1 株，于2020 年5 月采自徐聞珊瑚礁國家級自然保護區（109°55'18.28"，20°16'30.55"），采樣點深度約4 m。運回實驗室暫養在水溫25 ℃、pH 8.1、鹽度30、鈣400 mg/L、鎂1 250 mg/L 的50 L 珊瑚養殖箱中，光源為全光譜LED 珊瑚燈（Maxspect），光照時間為7:00–19:00，缸底有效輻射約為100 μmol/(m2·s)。暫養7 d，待珊瑚觸手正常伸展后，于21:00 將其切割成大小相近的珊瑚小穗，用阿隆發膠水將小穗固定在塑料底座上，培養至珊瑚觸手正常伸展，開始投喂實驗。珊瑚恢復期間不喂食。

1.2 溫度對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

將9 支珊瑚小穗集中置50 L 養殖箱中馴養，待珊瑚恢復正常生長狀態后，將珊瑚小穗隨機放入3個10 L 實驗缸。溫度設置24（對照）、28、32 ℃。使用魚缸加熱棒（SUNSUN）調節水體溫度，各實驗組溫度以每天1 ℃的速度升至設置溫度。測量攝食速率前停飼24 h。實驗持續29 d，前8 d 為溫度調整期，各實驗組到達指定溫度后，馴化7 d，開始攝食實驗。攝食試驗共進行14 d，實驗過程中每日測定珊瑚的攝食率。養殖實驗結束后測定珊瑚凈光合速率、呼吸速率及蟲黃藻密度。

1.3 pH 變化對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

用CO2發生器或石灰水 [Ca(OH)2] 調節海水pH。每日檢測海水pH 值，使海水pH 維持在設計范圍。隨機取馴化的珊瑚小穗移入10 L 實驗缸，每缸3 支小穗。各實驗缸pH 條件見表1。以珊瑚采集海域實際pH 值8.0 為對照組。其他參數測定同1.2。實驗共進行14 d。養殖實驗結束后測定珊瑚攝食率、凈光合速率、呼吸速率及蟲黃藻密度。

表1 各處理組pH 條件Table 1 pH condition of each treatment group

1.4 不同氮源及氮磷比對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

將15 支大小相近的珊瑚小穗隨機分配至5 個10 L 實驗缸中，每缸3 支，除無機鹽濃度外，各實驗缸條件與珊瑚養殖箱的條件相同，每2 d 全換水1 次，更換后實驗缸中無機鹽濃度不變。各處理組無機鹽條件見表2。實驗為期14 d。養殖實驗結束后測定珊瑚攝食率、凈光合速率、呼吸速率及蟲黃藻密度。

表2 各組無機鹽條件Table 2 Inorganic salt conditions for groups

1.5 相關參數測量

1.5.1攝食率測定 在有1 L 海水的燒杯中添加輪蟲至密度為12 000 只?L-1，于9:00 將所飼喂珊瑚移入，1.5 h 后計數剩余輪蟲量，另設相同輪蟲密度燒杯作對照。

1.5.2光合速率及呼吸速率的測定 珊瑚小穗分別移至500 mL 盛滿過濾海水（過孔徑0.45 μm 濾膜）的燒杯中，燒杯中過濾海水條件與實驗缸一致。珊瑚表面積通過錫紙法獲得。用（YSI PROODO）溶氧儀測定珊瑚凈光合速率(Pn)、呼吸速率（RD）：

1）在100 μmol·m?2·s?1光照條件下測定Pn；

2）于黑暗條件下1 h 后測定RD，測量前按照儀器操作說明，在氮氣飽和海水和空氣飽和海水（分別為0%和100%氧飽和度水平）中對溶氧儀進行校準。

1.5.3蟲黃藻密度測定 用沖牙器從骨骼中剔取珊瑚組織，放入5 mL 經孔徑0.45 μm 濾膜過濾的海水中，用研磨棒充分研磨，組織混勻液在4 000g條件下離心10 min，去上清，所得藻體用1.5 mL過濾海水重新懸浮、混勻，用血細胞計數板鏡檢獲得懸浮液中蟲黃藻數量，并均一化至珊瑚面積。

1.6 統計分析

用SPSS17.0 軟件對攝食率、共生蟲黃藻密度、凈光合速率、呼吸速率等數據進行統計分析，結果以平均值±標準誤表示，顯著性檢驗采用單因素方差分析（one-way ANOVA)，并采用Duncan 多重比較檢驗。顯著水平α設為0.05 或0.01。

2 結果

2.1 溫度對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

由圖1 可知，溫度對盾形陀螺珊瑚攝食率有顯著影響，在9 d 內，各組珊瑚攝食節律相似，10 d后，32 ℃條件下攝食率呈持續下降趨勢。喂食實驗結束時，32 ℃條件下珊瑚攝食速率比峰值降低約29.6%。此外，溫度的提高可增加珊瑚的攝食率與24 ℃相比，28 ℃和32 ℃時珊瑚的峰值攝食率分別增加14.81%和20.83%，28 ℃和32 ℃處理組珊瑚攝食率均顯著高于24 ℃組（P＜ 0.05）。

圖1 不同溫度下單位珊瑚觸手的攝食率變化Fig.1 A coral polyp feeding rate changes at different temperatures

由圖2 可知，在高溫條件下，攝食后共生蟲黃藻的密度顯著降低。在28 ℃時，珊瑚共生的蟲黃藻數比對照組 (24 ℃) 降低19.89%，為 (3.63±0.14)×106cm-2，而在32 ℃時，蟲黃藻數量比對照組降低49.90%，為 (2.04±1.09)×106cm-2。而凈光合速率隨著溫度的升高而升高，在28 ℃下，珊瑚凈光合速率比對照組提升 24.45%，呼吸速率提升32.24%，光合呼吸比下降5.18%。在32 ℃下，珊瑚凈光合速率比對照組提升71.81%，呼吸速率提升97.61%，光合呼吸比下降20.25%。

圖2 不同溫度下珊瑚水螅體攝食率、蟲黃藻密度及光合速率變化Fig.2 Changes of coral polyp feeding rate,zooxanthellae density and photosynthetic rate at different temperatures

2.2 pH 對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

由圖3 可知，pH 降低時盾形陀螺珊瑚的攝食率差異顯著 (P＜ 0.05)，攝食率隨著pH 的下降而下降，與對照組 (pH 8.0) 相比，攝食率在pH 為7.8時下降20.00%，pH 為7.6 時下降34.41%。同時，pH 變化對珊瑚呼吸速率、凈光合速率以及蟲黃藻密度也有顯著影響，pH 降低時珊瑚蟲黃藻密度、凈光合速率和呼吸速率均顯著降低 (P＜ 0.05)。pH 7.8 時，珊瑚共生蟲黃藻數量從 (4.66±1.56)×106cm-2下降到 (3.45±0.33)×106cm-2，約下降25.97%。pH 7.6 時，珊瑚蟲黃藻數量由（4.66±1.56）×106cm-2下降到（2.62±0.33）×106cm-2，約下降43.78%。pH 為7.6、7.8 時，珊瑚凈光合速率分別為3.45、2.62 μmol·cm-2·h-1，與對照組相比，分別下降20.09%和50.22%。低pH 對珊瑚呼吸速率也有顯著影響，在pH 為7.6、7.8 條件下，與pH 8.0 相比分別下降20.83%和47.28%。pH 8.2 組適當提高pH 對珊瑚攝食率、共生蟲黃藻密度、凈光合速率、呼吸速率影響不大，與pH 8.0 組間均無顯著差異（P＞ 0.05）。

圖3 不同pH 條件下珊瑚水螅體攝食率、蟲黃藻密度及光合速率變化Fig.3 Changes of coral polyp feeding rate,zooxanthellae density and photosynthetic rate under different pH conditions

2.3 不同氮源及氮磷比對盾形陀螺珊瑚攝食及共生藻光合生理的影響

由圖4 可知，提高無機鹽濃度可增強造礁石珊瑚的攝食行為，NO3、NH4和NH4+P 組珊瑚的攝食率比對照組分別提高32.27%、29.00%和22.72%，NO3+P 組珊瑚攝食率提升最多，為34.42%，不同處理組間無顯著差異 (P＞ 0.05)，各處理組均與對照組有顯著差異 (P＜ 0.05)。

圖4 不同氮源及氮磷比對盾形陀螺珊瑚生活指標的影響Fig.4 Different letters in the same group indicate significant differences

氮磷失衡 (100∶1) 條件下珊瑚共生蟲黃藻數量與對照組相比略微提升，但差異不明顯 (P＞0.05)，氮磷均衡 (20∶1) 條件下珊瑚共生蟲黃藻數量與對照組相比顯著提升（P＜ 0.05）。

與對照組相比，添加無機營養條件下珊瑚的凈光合速率顯著提高（P＜ 0.05），NH4+P 組平均值提升最多，為17.11%，各處理組間無顯著差異 (P＞0.05)。無機營養同樣對蟲黃藻的呼吸作用有影響，其中NH4+P 組降低最多，為25.02%。

3 討論

健康的造礁石珊瑚多生長于光照充足的海域，其新陳代謝的能量需求主要來源于蟲黃藻的光合作用產物[15]。珊瑚的異養營養在氮、磷等必需元素的獲取中起關鍵作用[16]，尤其是當珊瑚自養營養的供給受限時，異養營養可一定程度上彌補其營養缺失，甚至成為主要營養方式[3]。而異養營養過程受多種環境因子的影響，所以探究環境變化對珊瑚異養營養的影響對應對環境變化導致珊瑚白化現象有重要意義。

本研究中，隨著溫度的升高，盾形陀螺珊瑚共生蟲黃藻數量下降，攝食率提高，說明珊瑚在高溫脅迫環境下，需要通過增加異養營養來彌補因蟲黃藻丟失而導致的能量供應不足。Ferrier-Pagès 等[10]認為，異養攝食有助于珊瑚維持其與蟲黃藻的共生關系，異養攝食可能為蟲黃藻提供氮和其他必要的營養物質，或減少了珊瑚對光合產物的需求，使蟲黃藻有更多營養物質維持自身正常的生理過程[17]。Palardy 等[18]研究表明，表孔珊瑚（Montipora capitata）在高溫條件下攝食行為顯著增加。但不同造礁石珊瑚在高溫環境下表現出的攝食行為不一致，Ferrier-Pagès 等[10]對比Stylophora pistillata、Turbinaria reniformis、Galaxea fascicularis3 種珊瑚在高溫條件下攝食率的變化情況，發現不同珊瑚在高溫條件下的攝食率存在差異，Stylophora pistillata在31 ℃條件下攝食率顯著下降，而其他兩種珊瑚的攝食率在31 ℃條件下有所上升。本研究中，溫度升高顯著提高了盾形陀螺珊瑚的攝食率，在28 ℃條件下珊瑚蟲黃藻數量并未出現顯著下降，但攝食率依舊有所提升，這說明溫度不僅影響了珊瑚的能量供應，還可能通過提高珊瑚共生藻光合速率間接增加珊瑚用于捕食的能量分配。光合速率與呼吸速率體現了珊瑚共生蟲黃藻的光合能力，這兩項數值的變化可能是珊瑚攝食率變化的原因之一。

除溫度外，pH 對造礁石珊瑚的異養營養也有一定的影響。在酸化條件下，珊瑚鈣化需要消耗更多能量[19]，進而減少珊瑚在捕食方面的能量分配，導致儲存在珊瑚組織中的營養物質被快速消耗，最終導致捕食量和鈣化的減少。本研究表明，在低pH情況下，盾形陀螺珊瑚對輪蟲的攝食率顯著降低，同時珊瑚共生蟲黃藻數量、凈光合速率、呼吸速率均顯著降低，說明低pH 條件下，盾形陀螺珊瑚自養營養及主動攝食能力均受較大影響。這與Edmunds 等[7]酸化條件下所喂食珊瑚的組織量在3周內減少10%的結果相吻合，而在正常情況下，異養營養的輸入使珊瑚組織量增加[20]。因此推測，異養營養的輸入可在一定時間內維持珊瑚鈣化速率，但長期暴露在酸化條件下，珊瑚攝食率的下降導致鈣化速率大幅度下降，同時隨著組織中營養物質的消耗，珊瑚捕食能力逐漸減弱。

本研究中，無機營養可顯著增強盾形陀螺珊瑚的異養攝食率，并可提高珊瑚共生蟲黃藻數量，使珊瑚凈光合速率增加。Leal 等[21]指出，海葵（Aiptasiapallida）的共生蟲黃藻碳移位率和宿主獵物攝取呈正相關，認為自養能量是宿主滿足攝食和消化代謝需求的必需營養方式。本研究有相似結果，蟲黃藻數量及光合作用速率的增加可為珊瑚提供更多的自養營養，進一步增強珊瑚捕食行為；同時，長時間溫度過高 (32 ℃) 將導致珊瑚在10 d 后共生蟲黃藻數量減少、攝食能力顯著下降。這兩者間的相同點是蟲黃藻數量的變化，所以當無機營養鹽濃度升高時，隨著蟲黃藻光合作用的增強，更多的光合產物可為珊瑚提供更多的能量，這可能影響珊瑚的能量分配過程，當能量充足時珊瑚會分配更多的能量用于捕食行為，以獲取更多的“額外”營養物質。

在珊瑚中，寄主組織和共生體的N、P 比率約為50∶1[22]，遠高于海水中N、P 比16∶1。本研究中，氮磷比20∶1 條件下，珊瑚共生蟲黃藻數量與對照組相比顯著提升 (P＜ 0.05)，同時提升幅度比氮磷比100∶1 條件下高，說明高無機鹽條件下氮磷比維持在一定比例有利于維持珊瑚健康的生理狀態。有研究指出，不平衡的硝酸鹽和磷的比例加劇了幾種珊瑚的磷饑餓和白化[23-24]，同時減少了共生蟲黃藻向珊瑚轉移的光合產物數量[25]。

本研究中，溫度、pH、無機鹽濃度均會影響珊瑚的攝食率，表明珊瑚攝食能力會因環境因子變化而變化。因此，珊瑚觸手的大小及密度可能并不是影響珊瑚攝食能力的唯一因素，海水環境及珊瑚健康狀態與珊瑚的攝食能力密切相關。確定珊瑚最佳的喂食條件有利于提高人工培育下珊瑚的生長速率并縮短育苗時間，有助于進一步推進珊瑚礁修復工作。