番红砗磲(Tridacna crocea)隶属于软体动物门(Mollusca)、双壳纲(Bivalvia)、帘蛤目(Veneroida)、砗磲科(Tridacnidae)、砗磲属(Tridacna)，分布于从西太平洋到印度洋非洲东海岸的热带海域，在我国主要分布在南海热带海域(罗伟, 1991)。砗磲个体巨大，向上直立生长于珊瑚礁中，是珊瑚礁生态系统的重要生物。砗磲肉味道鲜美、营养丰富，具有一定的药用价值(陈国英等, 2008)，是一种名贵的经济贝类(Green et al, 1999; Han et al, 2008)，其贝壳作为“佛教七宝”之首，具有极高的收藏价值。此外，番红砗磲的外套膜鲜艳，也是水族市场的新宠。
砗磲区别于其他双壳贝类的最主要特征是具有鲜艳的外套膜和共生虫黄藻(Symbiodinium sp.)系统。砗磲生长所需营养来源于外套膜管状系统内共生虫黄藻的光合作用和鳃的滤食性摄食两部分，前者所占营养比例随砗磲生长而增加。如壳长为1.7 cm的大砗磲(T. gigas)光合作用所占营养比例为35%，壳长为13.7 cm时则增至66%以上(Klumpp et al, 1992; Norton et al, 1992)。虫黄藻不仅赋予砗磲鲜艳的颜色，更重要的是为砗磲生长提供营养。砗磲外套膜色素细胞内部聚集的色素片晶可吸收波长为400 nm左右的蓝紫可见光，以实现共生虫黄藻光合作用(Griffiths et al, 1994)。相关研究表明，虫黄藻可以吸收二氧化碳、活性磷酸盐、硝酸盐等，将其转化为砗磲所需的有机营养(Fitt, 1993; Klumpp et al, 1994)。
国内外对砗磲研究主要针对砗磲的形态结构、生态习性、人工繁育、个体发育及环境相关性等(罗伟, 1991; 何勇等, 2000; 李晓梅等, 2010; 晏宏等, 2011; 邵达等, 2012; 李育培等, 2015)。在砗磲代谢研究方面，仅Klumpp等(1992、1994)开展了以总氮代谢为
指标的大砗磲滤食性摄食和光合作用对生长的营养贡献比例变化的研究。本实验采用室内实验生态学方法研究了黑暗和光照条件下番红砗磲的氧、氨氮及活性磷酸盐生理代谢变化，旨在量化番红砗磲对氧、氨氮及活性磷酸盐的吸收和排泄状况，为我国砗磲资源的保护和开发提供参考。
1 材料与方法 1.1 材料实验用番红砗磲(图 1)来自南海西沙赵述岛。实验前，先将番红砗磲外壳洗净，于水族缸中暂养7 d。挑选大小不同、活力好、健康的个体，测定其生物学性状。
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图 1 番红砗磲 Figure 1 Giant clam T. crocea A.正面；B.侧面 A. Front view; B. Lateral view |
实验用海水为经沉淀、砂滤的新鲜天然海水，pH为7.8–8.2，盐度为32–34，水温为24–26℃。
1.2 方法实验采用静水系统，在15 L的塑料圆桶中进行，每个桶中放6 L抽滤海水，用保鲜膜在水体表面封口，膜中央开一小口，插入一根长40 cm左右的塑料吸管(直径为1 cm)，用于采集水样。
黑暗实验分成4组，其中第1组为对照(无番红砗磲)，其余3组按番红砗磲规格分成小规格组(S组)、中规格组(M组)、大规格组(L组)，具体参数见表 1。实验组每组9个番红砗磲，随机平均放置于3个塑料圆桶中。实验持续6 h，每1 h取水样1次(75 ml)，测定溶解氧、氨氮、活性磷酸盐等，所有水样均在3–5 h内测完。黑暗组实验桶采用黑色保鲜膜覆盖水体表面，同时用黑色呢绒幕布遮盖，以保证整个实验过程为无光环境。
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表 1 番红砗磲的生物学数据 Table 1 Biological data of giant clam T. crocea |
光照实验：待黑暗实验结束后，番红砗磲放回水族缸中暂养48 h后，进行光照实验。实验过程中，所用光源为LED灯，光照强度为5000 lx，采用白色透明保鲜膜覆盖水体表面。其他处理与黑暗实验相同。
1.3 溶解氧、氨氮、活性磷酸盐的测定方法水质指标的检测依照《海洋监测规范》 (GB17378.4-2007)：溶解氧采用Winkler碘量法测定，氨氮采用次溴酸钠氧化法测定，活性磷酸盐采用抗坏血酸还原磷钼蓝法测定。pH、盐度和温度采用YSI-6600V2型多参数水质监测仪测定。
1.4 计算方法根据实验过程中桶内水中的溶解氧、氨氮和活性磷酸盐的质量浓度，计算以下参数：
OR=[(At–A0–ΔA)×V]/(N×t)；
OR′=[(At–A0–ΔA)×V]/(W×t)；
NR=[(Bt–B0–ΔB)×V]/(N×t)；
NR′=[(Bt–B0–ΔB)×V]/(W×t)；
PR=[(Ct–C0–ΔC)×V]/(N×t)；
PR′=[(Ct–C0–ΔC)×V]/(W×t)。
式中，OR为个体耗氧率[mg/(ind·h)]；OR′为软体部单位干重耗氧率[mg/(DW·h)]；NR为个体排氨率[mg/(ind·h)]；NR′为软体部单位干重排氨率[mg/(DW·h)]；PR为个体对活性磷酸盐的排出率[mg/(ind·h)]；PR′为软体部单位干重对活性磷酸盐的排出率[mg/(DW·h)]；A0、At为实验开始和实验持续时间为t时水体溶解氧含量(mg/L)；B0、Bt为实验开始和实验持续时间为t时水体氨氮含量(mg/L)；C0、Ct为实验开始和实验持续时间为t时水体活性磷酸盐含量(mg/L)；t为实验持续时间；Δ值为对照组中溶解氧、氨氮和活性磷酸盐的变化值；V为桶中海水体积(L)；N为番红砗磲的个数(ind)；W为番红砗磲软体部干重(g)。
1.5 数据处理与分析所得数据为3个平行组数据的平均值±标准差(Mean±SD)，使用Excel和SPSS 17.0软件处理数据，用单因素方差分析方法(One-way ANOVA)分析，显著性水平为0.05。
2 结果与分析 2.1 溶氧变化黑暗条件下，水中溶解氧的变化情况见图 2-A。与对照组相比，各实验组溶解氧含量均呈下降趋势，即该条件下番红砗磲消耗氧气。不同规格的番红砗磲个体对溶解氧的消耗率不同，规格越大，其耗氧率亦越高(L组 > M组 > S组)。S组、M组、L组番红砗磲个体的耗氧率分别为(0.53±0.06)、(0.70±0.03)、(0.80±0.09) mg/(ind·h) (图 3-A)。数据统计表明，S组与其他2组均具有显著差异(P < 0.05)，M组与L组没有显著差异。
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图 2 不同光照条件下溶解氧变化 Figure 2 The change in the level of dissolved oxygen under different illumination conditions A:黑暗；B:光照 A: Dark; B: Light |
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图 3 不同光照条件下番红砗磲个体氧代谢率 Figure 3 The metabolic rate of oxygen of individual giant clam T. crocea under different illumination conditions A:黑暗；B:光照 A: Dark; B: Light |
光照条件下，水中溶解氧的变化情况见图 2-B。与对照组相比，各实验组溶解氧均呈升高趋势，即该条件下番红砗磲释放氧气。不同规格的番红砗磲个体产氧率不同，规格越大产氧率越高(L组 > M组 > S组)。S、M、L组番红砗磲个体产氧率分别为(1.57± 0.17)、(1.97±0.22)、(2.70±0.30) mg/(ind·h) (图 3-B)，数据统计表明，各组之间均有显著差异(P < 0.05)。
2.2 氨氮变化在黑暗条件下，水中氨氮的变化情况见图 4-A。相对于对照组，各实验组海水中氨氮浓度均升高，即各实验组中的番红砗磲均排氨，但排氨的效果不同，规格越大，其排氨率亦越高(L组 > M组 > S组)。S组、M组、L组中番红砗磲个体排氨率分别为(0.0145± 0.0021)、(0.0161±0.0023)、(0.0186±0.0027) mg/(ind·h) (图 5-A)。数据统计分析表明，S组与M组无显著差异，L组与S和M组均有显著差异(P < 0.05)。
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图 4 不同光照条件下氨氮浓度变化 Figure 4 The change in ammonia nitrogen concentration of giant clam T. crocea under different illumination conditions A:黑暗；B:光照 A: Dark; B: Light |
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图 5 不同光照条件下番红砗磲个体氨氮代谢率 Figure 5 The metabolic rate of ammonia nitrogen of individual giant clam T. crocea under different illumination conditions A:黑暗；B:光照 A: Dark; B: Light |
在光照条件下，各实验组水中的氨氮含量变化基本一致，均呈现一定的波动(图 4-B)，可能与番红砗磲内收缩运动的频率有关。同时，番红砗磲的规格越大，水中的氨氮含量也相对较高，即番红砗磲规格越大，其个体排氨率亦越高(L组 > M组 > S组)。数据统计分析表明，光照和黑暗条件下，番红砗磲S组与M组均无显著差异，而与L组具有显著差异(P < 0.05) (图 5-B)。
2.3 活性磷酸盐变化在黑暗条件下，水中活性磷酸盐的变化如图 6-A所示，对照组和各实验组随实验时长均上下波动，且变化基本一致。统计数据分析表明，各组间活性磷酸盐的排出率无显著差异(图 7-A)。
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图 6 不同光照条件下活性活性磷酸盐变化 Figure 6 The changes in active phosphate concentration under different illumination conditions A:黑暗；B:光照 A: Dark; B: Light |
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图 7 不同光照条件下番红砗磲个体活性磷酸盐代谢率 Figure 7 The metabolic rate of active phosphate of individual giant clam T. crocea under different illumination conditions A:黑暗；B:光照 A: Dark; B: Light |
在光照条件下，水中活性磷酸盐的浓度变化见图 6-B。与对照组相比，各实验组水中活性磷酸盐浓度降低，即各实验组中的番红砗磲吸收活性磷酸盐，但不同规格番红砗磲个体对活性磷酸盐的吸收率不同：规格越大，对活性磷酸盐的吸收率越高(L组 > M组 > S组)。S组、M组、L组中番红砗磲个体对活性磷酸盐的吸收率分别为(0.0039±0.0005)、(0.0050±0.0006)、(0.0066±0.0008) mg/(ind·h)，各组之间均有显著差异(P < 0.05) (图 7-B)。
2.4 光照条件下番红砗磲共生虫黄藻的代谢光照条件下，砗磲能量收支为砗磲与虫黄藻消耗氧并释放氨氮和活性磷酸盐的异养代谢，与虫黄藻光合作用产生氧并吸收氨氮和活性磷酸盐的自养代谢的总和。基于上述条件，同时假设黑暗与光照条件下番红砗磲与虫黄藻异养代谢相同，作者得出光照条件下番红砗磲共生虫黄藻的产氧率、氨氮吸收率和活性磷酸盐吸收率分别为：
产氧率=黑暗条件下番红砗磲耗氧率+光照条件下番红砗磲产氧率；
氨氮吸收率=黑暗条件下番红砗磲的排氨率–光照条件下番红砗磲的排氨率；
活性磷酸盐吸收率=黑暗条件下番红砗磲对活性磷酸盐的排出率+光照条件下番红砗磲对活性磷酸盐的吸收率。
如图 8所示，光照条件下个体越大，番红砗磲个体共生虫黄藻产氧率、氨氮和活性磷酸盐吸收率越高(L组 > M组 > S组)，S组、M组、L组中番红砗磲个体共生虫黄藻产氧率分别为(2.10±0.23)、(2.67±0.30)、(3.50±0.39) mg/(ind·h)，各组之间都具有显著差异(P < 0.05)。而光照条件下，番红砗磲个体共生虫黄藻对氨氮的吸收率差异不明显，S组与M组无显著差异，L组与其他2组均具有显著差异(P < 0.05)。番红砗磲个体共生虫黄藻对活性磷酸盐的吸收率各组之间均具有显著差异(P < 0.05)。
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图 8 光照条件下番红砗磲个体共生虫黄藻的代谢率 Figure 8 The metabolic rate of symbiotic zooxanthellae of individual giant clam T. crocea under illumination conditions |
而光照条件下番红砗磲软体部单位干重的共生虫黄藻产氧率、对氨氮的吸收率、对活性磷酸盐的吸收率均是S组 > M组 > L组，各组之间具有显著差异(P < 0.05) (图 9)。
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图 9 光照条件下番红砗磲软体部单位干重共生虫黄藻的代谢率 Figure 9 The metabolic rate of symbiotic zooxanthellae per gram of dry weight of giant clam T. crocea under illumination conditions |
砗磲具共生虫黄藻系统。本研究发现，在黑暗条件下，即没有共生虫黄藻光合作用影响的情况下，番红砗磲与其他双壳贝类相似，消耗氧，而在适宜光照条件下，番红砗磲释放氧，光照强度5000 lx时，壳高为50.11、60.57和75.97 mm个体产氧率分别为1.57、1.97和2.70 mg/(ind·h)。其他的双壳贝类，如壳高为44.34 mm和106.56 mm的企鹅珍珠贝(Pteria penguin)，其耗氧率分别为2.53和2.85 mg/(ind·h) (栗志民等, 2009)；壳高为41.00 mm和66.20 mm的马氏珠母贝(Pinctada martensi)耗氧率分别为0.90和3.05 mg/(ind·h) (王海等, 2013)。同样光照条件下，番红砗磲亦能吸收水体中活性磷酸盐，且吸收率远大于黑暗条件下的排出率。光照条件下番红砗磲排氨率远小于黑暗条件，说明相对于黑暗条件，光照条件下番红砗磲可吸收氨氮。可见光照是影响砗磲代谢的重要因素。砗磲最独特的生物学性状是它的营养方式，即通过其外套膜共生的虫黄藻，利用海水中无机营养盐进行光合作用，获得生长和呼吸所需营养；砗磲水管系统和外套膜演化为一个巨大的“外套膜”组织并转向上方，以利于共生虫黄藻光合作用(Braley, 1992)，继而通过外套膜内结构精细的管道系统将光合作用的产物输送给宿主(Norton et al, 1992)。此外，砗磲也可通过鳃的过滤获得营养，但Yonge(1975)指出，通过共生藻获得额外营养，使砗磲贝超越了滤食的营养限制，这也是砗磲能够生长巨大的原因。Mingoa等(1988)的研究也揭示了大砗磲生长对于光照的依赖。Davies(1991)进一步指出，成年后砗磲大部分生长和呼吸所需要的营养由共生的虫黄藻提供。以放射性标志所做的碳平衡研究揭示，虫黄藻光合作用固定的90%–95%碳传送给了宿主(Davies, 1984)。
3.2 规格对番红砗磲代谢的影响本研究发现，在黑暗条件下，番红砗磲个体的耗氧率、排氨率和对活性磷酸盐的排出率都随着规格的增大而升高，这与虾夷马粪海胆(Strongylocentrotus intermedius)和长牡蛎(Crassostrea gigas)呼吸及排泄实验结果一致(毕远溥等, 2000; 任黎华等, 2013)，与甲虫螺(Cantharus cecillei)(吴文广等, 2016)的研究结果不一致。在光照条件下，番红砗磲个体产氧率、排氨率和对活性磷酸盐的吸收率以及番红砗磲个体共生虫黄藻的产氧率、对氨氮的吸收率、对活性磷酸盐的吸收率也随规格的增大而升高，说明单位个体的番红砗磲规格越大，其虫黄藻总量也越多。有研究表明，在一定范围内，微藻的生物量越大，对氨氮和活性磷酸盐的去除效果越好(孙颖颖等, 2006; 边磊, 20101); 刘磊等, 2014)。但是，光照条件下番红砗磲软体部单位干重共生虫黄藻的产氧率、氨氮的吸收率和活性磷酸盐的吸收率却随着规格的增大而降低。这一现象可能是因为随着番红砗磲个体增大，其软体部的干重虫黄藻数量减少的缘故。
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总之，实验首次量化了光照和规格对番红砗磲氧、氨氮和活性磷酸盐代谢的影响。研究结果表明，光照显著影响番红砗磲生理代谢。光照条件下，番红砗磲释放氧气，同时吸收氨氮和活性磷酸盐。其代谢率与规格密切相关，即个体越大，其产氧率、对氨氮和活性磷酸盐吸收率越高。因此，在砗磲的养殖过程中，需提供光照和营养盐，以利于番红砗磲共生虫黄藻的光合作用。从生态学角度讲，砗磲不但可直接吸收海水中营养盐，同时为其他各种珊瑚鱼类、底栖生物等提供饵料和庇护所，使砗磲具有极高的生态价值(Neo et al, 2015)。
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