178Hz正弦波對刺參行為、呼吸及免疫應(yīng)答的影響

蔣 薇, 梁振林, 姜朝陽, 黃六一

(1. 中國海洋大學 水產(chǎn)學院 海洋漁業(yè)系, 山東 青島 266003; 2. 山東大學(威海), 山東 威海 264209)

178Hz正弦波對刺參行為、呼吸及免疫應(yīng)答的影響

蔣 薇1, 梁振林2, 姜朝陽2, 黃六一1

(1. 中國海洋大學 水產(chǎn)學院 海洋漁業(yè)系, 山東 青島 266003; 2. 山東大學(威海), 山東 威海 264209)

根據(jù)山東榮成沿岸風電機組產(chǎn)生的聲波范圍選取其中178Hz的峰值聲音, 聲壓級控制于(85±5)dB, 在實驗室水槽中, 采用實驗生態(tài)學方法研究了178Hz聲波影響下的刺參(Apostichopus japonicus)幼參的行為反應(yīng)、耗氧率以及體腔液抗氧化酶(CAT、SOD)濃度的變化。通過平均聚集率的變化比較, 發(fā)現(xiàn)刺參對178Hz的聲波脅迫環(huán)境的行為反應(yīng)敏感; 利用空瓶法測得幼參耗氧率顯著低于對照組(P<0.05);通過測定刺參體腔液免疫活性發(fā)現(xiàn)在該頻率聲波干擾下的刺參CAT活性顯著高于對照組(P<0.05), 而SOD活性于對照組差異不明顯(P>0.05)。研究結(jié)果說明聲波對刺參幼參的呼吸和免疫會產(chǎn)生明顯影響,可為我國近海刺參養(yǎng)殖和風電發(fā)展策略提供參考。

刺參(Apostichopus japonicus); 風電; 聲波; 耗氧率; 過氧化氫酶; 超氧化物歧化酶

近年來, 風能作為一種清潔的可再生資源, 越來越受到我國和世界各國的重視。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展對能源的大量需求, 以近海風力發(fā)電場必將成為我國未來發(fā)展近海工程的重點[1]。然而,風力發(fā)電場的興建在一定程度上必然會破壞我國近海海洋生態(tài)環(huán)境和資源。由于風電發(fā)電機組運行時會產(chǎn)生一定頻率的聲波, 從而對近海自然生長的海洋生物以及養(yǎng)殖生物的生長存活造成一定程度的影響。目前, 已有近海捕撈漁民和水生經(jīng)濟動物養(yǎng)殖戶反應(yīng)風電的興建已經(jīng)造成捕撈產(chǎn)量下降以及一些養(yǎng)殖生物的死亡。曾有文獻敘述過鉆井噪聲以及水下施工爆破對水生生物的攝食生長和生理的影響[2-4],本文選取我國近海風電機組產(chǎn)生的178 Hz的峰值頻率聲波作為實驗的影響因子, 選取我國北方沿岸最具代表性的海水增殖養(yǎng)殖品種刺參為研究對象, 通過對比刺參初期的行為反應(yīng), 初步研究噪聲脅迫對刺參呼吸生理和免疫生理的影響, 為我國近海刺參養(yǎng)殖和風電發(fā)展策略提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗刺參均取自山東省威海市尋山集團公司人工繁育的1齡刺參, 體質(zhì)量為(8.0±0.7)g, 體表呈青黑色, 肉刺發(fā)達。采用10℃左右的低溫運輸, 保證刺參運輸過程中不受傷害[5]。在水槽中暫養(yǎng)15 d, 每日6: 00吸取殘餌, 18: 00喂食, 幼參飼料為尋山集團配制的配合飼料。

1.2 試驗設(shè)備與裝置

在山東大學威海分校海洋學院海洋生物繁育綜合實驗室內(nèi)進行實驗, 該實驗室的養(yǎng)殖用水凈化系統(tǒng)一定程度上保證養(yǎng)殖用水的溫度, 鹽度, 無機鹽,微生物等含量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。實驗室具備多個規(guī)格為200 mm×100 mm×50 mm的實驗水槽。

聲學儀器皆借自大連水產(chǎn)學院水聲學實驗室。信號發(fā)生器為nF公司生產(chǎn), 型號為WF1946B。水下聲源與放大器為UETAX公司生產(chǎn), 型號為UA-311。水聽器的生產(chǎn)廠家為OKI, 型號為SW1030。

1.3 實驗方法

1.3.1 聲波調(diào)查

選取建造風電較有規(guī)模且圍海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達的山東省榮成市東褚島附近海區(qū), 錄音分析出當?shù)仫L電聲波的主要三種音頻信號, 分別為80, 178, 750 Hz。本次實驗選取其中178 Hz頻率的聲波為干擾因子對刺參進行聲波馴化, 并測得178 Hz頻率聲波的聲壓為85 dB。

通過信號發(fā)生器, 放大器, 以及水下音響于實驗室內(nèi)模擬聲波干擾?？紤]到水下音響的使用壽命以及刺參的一日之內(nèi)活動能力的變化[6], 每日的放聲時間定為12: 00~20: 00。

1.3.2 實驗設(shè)計與測定方法

水槽內(nèi)養(yǎng)殖用循環(huán)水的溫度為20, ℃鹽度為33,溶解氧含量為6 mg/L以上[7]。

行為學實驗實驗方法: 試驗期間, 每天測量養(yǎng)殖水槽內(nèi)基本水質(zhì)指標。實驗裝置的布置如圖1。聲源的位置位于水體正中央處。在養(yǎng)殖水槽槽底部放置8個相同規(guī)格的波紋板。本次實驗所用的波紋板為PVC材料, 厚度為1 mm, 放置于上底為400 mm× 400 mm, 下底為300 mm×300 mm, 高為400 mm的四棱臺型波紋框中。實驗開始前, 預先將實驗幼參平均播撒在8個波紋板上, 每個波紋板上放置144只規(guī)格為(4.68±0.59) g的幼參, 觀察和記錄刺參的分布情況, 待每日刺參平均分布無明顯變化之后開始放聲。將每組的實驗周期定為12 d, 第1~6天利用上述聲波發(fā)生裝置放聲, 第7~12天關(guān)閉聲源停止放聲。在此期間, 每2 h觀察和記錄一次刺參分布情況。

圖1 幼參行為實驗布置圖Fig. 1 Experimental arrangement of young Apostichopus japonicus

耗氧率與免疫酶活性實驗: 因室內(nèi)實驗的實驗動物樣本數(shù)以及飼養(yǎng)空間存在限制, 當實驗過程中一定量的刺參吐臟死亡時, 需停止實驗, 減少系統(tǒng)誤差, 故耗氧率與免疫酶活性實驗選擇10 d為實驗周期, 分別設(shè)置對照組與脅迫組。將每組300頭刺參與水下聲源放入同一養(yǎng)殖水槽內(nèi), 水下聲源位置在水體的正中央。

耗氧率測定: 用空瓶法測定刺參幼參的耗氧率。每隔一日測量一次。實驗組和對照組各設(shè)置5組重復和一組空白, 每組重復為250 mL錐形瓶中放一頭幼參, 灌滿海水并用保鮮膜封好瓶口?？瞻捉M同樣采用250 mL錐形瓶封好瓶口, 其內(nèi)不設(shè)刺參。實驗前取水樣作為初始值, 4 h后再取水樣作為終末值。水樣中的溶解氧采用碘量滴定法(海洋調(diào)查規(guī)范, GB12763.4-2007)測定。將錐形瓶中的刺參取出,在60℃烘干至恒質(zhì)量, 用MP-120型天平測量其體質(zhì)量。

抗氧化酶實驗: 實驗周期為10 d。每日放聲結(jié)束后, 從實驗組刺參和對照組各取5只刺參從養(yǎng)殖水槽內(nèi)取出, 先用紗布吸干刺參表明的水分, 然后將其置于解剖盤內(nèi), 用解剖剪沿刺參腹部逐頭剪開,然后迅速用滅菌槍頭吸取刺參體腔液, 分別置于5mL離心管中, 迅速放入–80℃冰箱中保存?zhèn)錅y。CAT以及SOD活性測定均采用南京建成生物科技有限公司生產(chǎn)的試劑盒。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法

實驗所計算的聚集率為實驗中某固定時間點刺參聚集在波紋板表面、底部及其內(nèi)部的數(shù)量與實驗中刺參總數(shù)量的比值; 平均聚集率(mean attractive rate, MAR)是指實驗中某固定時間段內(nèi)刺參聚集在波紋板內(nèi)部、底部和表面的數(shù)量之和與實驗中刺參總數(shù)量的比值的平均值, 計算公式為:

式中, Ni為各固定時間點第i(i=1, 2, …, n)次聚集刺參的數(shù)量, N為實驗刺參總數(shù), n為實驗記錄次數(shù)。

耗氧率[ROC, mL/(g·h)]計算采用以下公式[8]:

C0、Ct分別為空白瓶與實驗結(jié)束后溶解氧含量(mL/L), V為樣品瓶容量(L), W為刺參濕體質(zhì)量(g), T為實驗持續(xù)時間(h)。

抗氧化酶CAT與SOD活性的測定和計算方法參照試劑盒說明書。

用SPSS19.0進行統(tǒng)計分析。利用T檢驗(student’s T test)比較分析刺參在聲波脅迫前后的平均聚集率的變化以及實驗組和對照組間耗氧率和抗氧化酶活性的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 聲波脅迫對刺參行為反應(yīng)的影響

如圖2所示, 178Hz 聲波脅迫前后1~8 號波紋板上刺參的平均分布率的變化情況如下。經(jīng)SPSS19.0分析得出刺參在停止放音之后, 3號波紋板, 6號波紋板, 7號波紋板的平均分布率顯著高于聲波脅迫時的平均分布率(P<0.05)。而8號波紋板上刺參的平均分布率顯著低于聲波脅迫時的平均分布率(P<0.05)。另外, 實驗觀察發(fā)現(xiàn), 進行放聲時在靠近8號波紋板的入水口處水槽壁上明顯比放聲結(jié)束后聚集了更多的刺參。

圖2 聲波脅迫下刺參平均聚集率的變化Fig. 2 Change in acoustic stress average aggregation rate of Apostichopus japonicus

2.2 聲波脅迫對刺參呼吸代謝的影響

通過刺參幼參對聲波脅迫的行為學實驗初步探索了刺參對聲波脅迫的行為反應(yīng), 故需要進行耗氧率和酶活性的實驗研究進一步探索在頻率為178hz的聲波持續(xù)脅迫下, 幼參的代謝以及免疫應(yīng)答機制。通過耗氧率的實驗研究發(fā)現(xiàn): 脅迫組幼參在實驗周期內(nèi)耗氧率(ROC)的平均值為(0.00759±0.00051)μg/(g·h), 對照組幼參的耗氧率的平均值則為(0.011465±0.000099)μg/(g·h)。且隨著實驗的進行, 脅迫組幼參的耗氧率與對照組幼參的耗氧率存在顯著差異(圖3)。

圖3 178Hz的聲波對幼參耗氧率的影響對比Fig. 3 Effect of acoustic wave on oxygen consumption rate of young Apostichopus japonicus at 178 Hz

刺參的耗氧率呈現(xiàn)先減小后增大的U形曲線變化模式, 但均顯著低于對照組(P<0.05)。第7天時耗氧率最小, 且與對照組差異極顯著(P<0.01)。至實驗結(jié)束時耗氧率仍顯著低于對照組(P<0.05)。

2.3 聲波脅迫對幼參體腔液CAT活性的影響

如圖4所示, 脅迫組幼參體腔液CAT活性的平均值為(8.61583±0.44778)U/mL, 對照組則為(4.88501± 0.13411)U/mL。脅迫組體腔液CAT活性顯著高于對照組(P<0.05), 其中最大值出現(xiàn)在第4天時, 最小值則出現(xiàn)在實驗的第5天。

2.4 聲波脅迫對幼參體腔液內(nèi)SOD活性的影響

如圖5所示, 脅迫組幼參體腔液SOD活性為(47.82845±0.60407)U/mL, 對照組幼參體腔液SOD (48.37594±0.39085)U/mL。

圖5 不同頻率的聲波對幼參體腔液SOD活性的影響Fig. 5 Effects of different frequencies of sound waves on SOD activity in young Apostichopus japonicus

在178Hz聲波的處理組中, 幼參體腔液SOD活性除第5天外, 其他皆于對照組SOD活性差異不顯著(P>0.05), 其中最大值出現(xiàn)在第4天, 最小值出現(xiàn)在第5天。

3 討論

通過對比聲波脅迫前后刺參幼參的平均分布情況表明刺參對178 Hz的聲波脅迫環(huán)境反應(yīng)敏感。實驗發(fā)現(xiàn)刺參有向著遠離聲波的方向移動的趨勢, 表明幼參能夠感知該頻率聲波并且在面臨該頻率聲波脅迫時能夠作出逃避反應(yīng)。

刺參缺乏獲得性免疫系統(tǒng), 幼參減少呼吸代謝是對環(huán)境變化進行適應(yīng)和自我保護的一種應(yīng)激機制。Ji[9]研究了饑餓以及夏眠(溫度)對刺參呼吸耗氧的影響, 發(fā)現(xiàn)在饑餓以及夏眠狀況下刺參耗氧率均呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。聲波被認為是物理環(huán)境脅迫中的一種, 張引江等[10]研究表明振動可能對金魚產(chǎn)生不可逆的生理反應(yīng), 表明低頻振動導致金魚體內(nèi)某器官功能衰竭。聲波脅迫組的刺參幼參耗氧率顯著低于對照組, 引起其耗氧率下降的原因可能有以下兩種: (1)聲波振動在脅迫幼參過程中, 對其機體組織產(chǎn)生了某種不可逆的生理反應(yīng)導致刺參無法進行正常的呼吸代謝。從而使得刺參的呼吸代謝有所回升[11-13]; (2)在實驗進行到后期, 脅迫組陸續(xù)發(fā)現(xiàn)脅迫組幼參有吐臟和死亡現(xiàn)象, 推測聲波振動對幼參呼吸樹造成損壞之后, 幼參只能通過皮膚進行呼吸,則耗氧量必然減小[14]。

刺參缺乏獲得性免疫系統(tǒng), 其免疫系統(tǒng)為非特異性免疫系統(tǒng)。體腔中的體腔液, 功能類似于淋巴,其中含有大量的參與免疫反應(yīng)的免疫細胞[15-16]。對于棘皮動物而言, 反應(yīng)氧中介物是體腔細胞受到刺激后產(chǎn)生的活性氧物質(zhì), 機體通過產(chǎn)生反應(yīng)氧中介勿擾抵御外界生物侵襲, 是免疫防御的一種普遍機制。而本次實驗中聲波脅迫時刺參的免疫酶活性變化表明: (1)臧元奇等[14]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境中存在一定濃度的氨氮有利于刺參免疫酶活性的提高。 賴廷和等[15]發(fā)現(xiàn)一定濃度的重金屬Cd的脅迫能夠刺激紅樹蜆體內(nèi)的抗氧化酶產(chǎn)生。因此, 一定程度上的環(huán)境脅迫能夠提高刺參體內(nèi)免疫酶活性。(2)本次實驗中, 在聲波的脅迫下CAT和SOD的活性變化呈現(xiàn)不一致性, 也再次證明該兩種酶在功能上存在不同[16]。

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Received:Jun. 12, 2015

Effects of sinusoidual waves of 178 Hz on behavior, respiration, and immune enzyme of holothurian Apostichopus japonicas

JIANG Wei1, LIANG Zhen-lin2, JIANG Zhao-yang2, HUANG Liu-yi1
(1. College of Fisheries, Ocean University of China, Qingdao 266003, China; 2. College of Ocean, Shandong University, Weihai 264209, China)

Apostichopus japonicus; power wind; sound waves; oxygen consumption rate; CAT; SOD

In accordance with characteristics of sound waves from wind power farms near China’s offshore, a frequency of 178 Hz was chosen for the experiment and the sound pressure level was controlled at a range of 85 ± 5 db. Experimental Ecology was used to investigate and compare the behavior and changes in the oxygen consumption rate and antioxidant enzyme (CAT and SOD) of a group of young Apostichopus japonicus under the influence of sound waves and a control group. Results show that young sea cucumbers tended to lean away from the sound source, and that the oxygen consumption rate of young A. japonicus in the experimental group was significantly lower than that in the control group (P < 0.05). Although the activities of CAT were markedly higher than those in control group (P < 0.05), the activity of SOD in this group was almost the same as that in the control group (P > 0.05). These results can be used in the breeding industry of holothurian Apostichopus japonicus in relation to the development of wind power.

S917.4

A

1000-3096(2016)12-0019-05

10.11759/hykx20130507003

(本文編輯: 梁德海)

2015-06-12;

2016-01-29

威海市科技攻關(guān)項目(2013)

[Foundation: Science and technology project of Weihai city (2013)]

蔣薇(1987-), 女, 碩士研究生, 增殖養(yǎng)殖工程, E-mail:

chiangv1022@gmail.com; 梁振林, 通信作者, 教授, 博士生導師. E-mail: liang@ouc.edu.cn