通过提高高养殖密度环境中的总碱度来缓解由强刺海胆（Strongylocentrotus intermedius）引起的生物酸化现象：对其生长和代谢的影响

《Aquaculture》：Mitigation of biogenic acidification via increased total alkalinity in high stocking density culture waters of Strongylocentrotus intermedius: Effects on growth and metabolism

　　

摘要

在中国养殖的海胆中，Strongylocentrotus intermedius的年产量最高，其种子生产和养殖主要在高密度集约化条件下进行，这种条件下容易发生生物成因的酸化现象。为了研究其酸化过程、影响及缓解措施，我们进行了为期1天的短期孵化和20天的养殖实验。在短期孵化实验中，设置了一个初始pH值约为8.1、总碱度（TA）约为2300 μmol/kg的对照组，以及一个初始pH值约为8.1、TA约为3600 μmol/kg的TA升高组，并将海胆培养在20–80 g/3 L的不同密度梯度下。在20天的养殖实验中，养殖密度为88 g/3 L，初始pH值和TA设置相同。短期实验结果显示，对照组的海水发生了酸化，且养殖密度与

CO₂、ΔpH（pH值降低）、TA–DIC和Ω_arag有显著相关性。随着养殖密度的增加，

CO₂显著升高，而ΔpH和TA–DIC同时显著下降。在TA升高组中，除了

CO₂外，所有参数都高于对照组。在最低养殖密度下，对照组的ΔpH、TA–DIC和Ω_arag分别为-0.09 ± 0.01、111.48 ± 1.73 μmol/kg和1.43 ± 0.00，而TA升高组的相应数值分别为0.11 ± 0.01、252.26 ± 6.98 μmol/kg和3.23 ± 0.08。这些结果表明，提高TA可以减缓生物成因的酸化作用，并增强碳酸盐系统的缓冲能力。在20天的养殖实验结束时，TA升高组的海胆表现出更高的特定生长率（1.60 ± 0.08% vs 1.27 ± 0.06%）、体重增长率（37.72 ± 2.25% vs 29.04 ± 1.48%）和性腺指数（6.09 ± 1.58% vs 3.54 ± 0.49%）。代谢组学分析显示，提高TA enriches了与蛋白质生物合成、甘油磷脂代谢和鞘脂信号传导相关的代谢途径，同时必需氨基酸（L-甲硫氨酸、DL-异亮氨酸）、鞘磷脂和抗氧化剂吲哚-3-丙酮酸的丰度增加。相比之下，对照组中的氧化应激标志物DL-2-氨基己二酸上调。总体而言，提高海水TA可以缓解高密度海胆养殖中的生物成因酸化作用，使代谢从应激防御转向生物合成和储备积累，从而支持幼海胆的生长和性腺发育。

引言

海洋酸化（OA）主要由海洋吸收人类产生的大气CO₂引起，导致海水碳酸盐化学成分发生系统性变化（Doney等人，2020；Feely等人，2023）。与开阔海域相比，沿海水产养殖系统由于局部生物活动和养殖条件的影响，碳酸盐化学成分的 variability 更大（Waldbusser和Salisbury，2014；Simpson等人，2024）。在水交换受限的情况下，高密度养殖相关的代谢活动会导致碳酸盐化学成分迅速变化，从而加剧生物成因的酸化（Mos等人，2015；Han等人，2020）。生物成因的酸化与海洋吸收大气CO₂引起的OA有所不同。在钙化生物的水产养殖系统中，呼吸活动的增强会促进CO₂的快速积累，而持续的钙化会导致总碱度（TA）下降，从而降低海水的缓冲能力（Han等人，2017；Liu等人，2022）。这些过程伴随着其他碳酸盐系统参数的变化。总碱度与溶解无机碳（DIC）之间的差异，通常表示为TA–DIC，与碳酸根离子浓度（CO₃^2?）密切相关，是海水缓冲能力的重要指标（Waldbusser和Salisbury，2014；Egleston等人，2010）。文石饱和度（Ω_arag）表示海水相对于文石的饱和状态；不饱和状态会对钙化生物的壳和骨骼的形成和维持产生不利影响（Fassbender，2022）。

仅由CO₂升高引起的海水pH值降低会影响海洋钙化无脊椎动物的生长、代谢和酸碱调节，尤其是具有内部或外部骨骼的物种（Medeiros和Souza，2023；Byrne和Fitzer，2019）。海胆Strongylocentrotus intermedius是北太平洋重要的经济水产养殖物种，也是典型的钙化棘皮动物（Agatsuma，2007）。海胆的骨骼主要由镁方解石组成，其溶解度高于方解石和文石，因此对海水pH值的降低尤为敏感（McClintock等人，2011）。在酸化海水中，海胆的生长、生理表现和代谢调节会发生变化，不同生命阶段和暴露时间的反应也有所不同（Cui等人，2022；Cui等人，2024）。最近的分子研究表明，在CO₂驱动的酸化作用下，海胆的基因表达和miRNA–mRNA调控网络会发生改变，表明可能存在复杂的分子响应和适应过程（Iguchi等人，2024；Yin等人，2025）。最新研究还表明，高养殖密度不仅通过物理拥挤抑制海胆的生长和性腺发育，还通过恶化化学环境（包括pH值降低）产生影响（Mos等人，2012；De Vos等人，2024）。因此，生物活动产生的酸化可能会给像S. intermedius这样的钙化生物带来更大的生理压力。

最近，增强海洋碱度（OAE）作为一种去除二氧化碳的策略受到了越来越多的关注，因为向海水中添加碱度可以改变碳酸盐化学成分，提高缓冲能力，并增强大气CO₂的吸收（Rassmann等人，2016；Bednar?ek等人，2025）。最近关于OAE的研究还强调了评估海洋钙化生物对碱度增强的生物学反应的重要性，这表明需要从碳酸盐化学和生理角度评估水产养殖系统中TA的补充（Bednar?ek等人，2025；Van de Mortel等人，2026）。我们之前的研究表明，在高密度运输太平洋鲍鱼（Haliotis discus hannai）的过程中，提高TA可以减轻养殖水的酸化程度，并减少其对呼吸代谢、行为和饲料消耗的不利影响（Li等人，2025）。这些发现表明，增强碳酸盐缓冲能力可能降低高密度养殖系统对酸化胁迫的敏感性。尽管高养殖密度引起的酸化已被证明会抑制海胆的生长和钙化，但现有研究主要关注这些不利生物效应，而对减轻酸化本身的实际策略关注较少。最近关于水生无脊椎动物的多组学研究表明，环境和养殖相关的压力因素会伴随明显的代谢变化，涉及能量分配、渗透调节、抗氧化防御和生物矿化相关过程（Liu等人，2025；Yang等人，2026）。这些发现强调了代谢作为对外部压力生理反应的敏感指标。然而，海胆在长期酸化养殖条件下的代谢状态如何变化尚不清楚，也不清楚调整TA是否能够恢复代谢平衡。在这项研究中，我们使用了S. intermedius来探讨养殖密度与生物成因酸化之间的关系，然后评估提高海水TA是否能缓解生物成因的酸化并促进生长和性腺发育。进一步通过代谢组学分析来探究潜在的代谢响应。

章节片段

Strongylocentrotus intermedius幼体的采集

幼体Strongylocentrotus intermedius的平均壳长为12.1 ± 2.2 mm，平均体重为1.1 ± 0.3 g，由位于中国山东半岛桑沟湾北部海岸的一家海水养殖公司Xunshan Group提供。2024年9月采集了大约1000只幼体，并立即运输到附近的Rongcheng Dongchudao Marine Technology Co., Ltd.实验室。幼体被培养在四个15升的矩形水族箱中，水族箱内装有...

高养殖密度下提高TA对养殖水中碳酸盐化学成分的影响

短期孵化实验的结果表明，养殖水中的碳酸盐化学成分随养殖密度的增加而显著变化。线性回归分析显示，养殖密度与

CO₂、pH值、TA–DIC和Ω_arag之间存在高度显著的相关性（P < 0.05）。作为碳酸盐系统的主要指标，海水中的

CO₂随养殖密度线性增加（图1A）。在对照组和TA升高组中，

CO₂分别从592.90 ± 18.99 μatm增加到...

提高TA可缓解高养殖密度水产养殖水中的生物成因酸化

在高养殖密度养殖条件下，海胆的代谢显著改变了养殖水的碳酸盐化学成分，产生的变化超过了单纯由CO₂引起的酸化预期。这一模式与Mos等人（2015）描述的生物成因酸化特征一致。具体来说，海胆的呼吸作用增加了

CO₂并降低了pH值，且随着养殖密度的增加，酸化作用变得更强烈。此外，呼吸作用和...

结论

本研究报道了高养殖密度海胆养殖水中生物成因酸化的发生及其缓解措施，并探讨了其对生长和代谢的影响。结果表明，呼吸作用产生的DIC和与钙化相关的TA消耗共同改变了海水化学成分，表现为pH值、TA–DIC和Ω_arag的降低，以及

CO₂的增加。这些碳酸盐化学成分的变化创造了不利于...

Jiamin Li：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析。Jiaqi Li：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、调查、资金获取、正式分析、概念化。Minghui Jiao：调查、正式分析。Yadong Wang：调查、正式分析。Ang Li：调查、正式分析。Suyan Xue：调查、正式分析。Lulei Liu：调查、正式分析。Yuze Mao：监督、资源提供。

作者确认所有实验均按照相关指南和规定进行。

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2400800）、国家自然科学基金（编号42576206和42276208）以及中央公益性科学事业单位基础研究基金（CAF）（编号2023TD54）的支持。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的利益冲突或个人关系。

Jiamin Li|Jiaqi Li|Minghui Jiao|Yadong Wang|Ang Li|Suyan Xue|Lulei Liu|Yuze Mao中国水产科学院黄海渔业研究所海水养殖生物育种与可持续产品国家重点实验室，青岛266071