微塑料對黑海參(Holothuria atra)免疫和消化生理的影響

陳孟玲, 高 菲, 2, 王新元, 魏一凡, 許 強, 2, 劉春勝, 2

微塑料對黑海參()免疫和消化生理的影響

陳孟玲1, 高 菲1, 2, 王新元1, 魏一凡1, 許 強1, 2, 劉春勝1, 2

(1. 海南大學 海洋學院, 海南 海口 570228; 2. 海南大學 南海海洋資源利用國家重點實驗室, 海南 海口 570228)

為了研究微塑料對黑海參()免疫及消化生理的影響, 將體重為(47.61±6.97) g的黑海參暴露于添加了不同濃度(0、102、104、106粒/L)聚苯乙烯微塑料的海水中, 分析了黑海參的免疫和消化生理指標的變化情況。結(jié)果表明, 海水中的微塑料濃度對黑海參體腔細胞的數(shù)量和吞噬活性, 體腔液中酸性磷酸酶(ACP)、溶菌酶(LZM)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均有顯著影響(<0.05), 而對堿性磷酸酶(AKP)活性沒有顯著影響。隨著微塑料濃度升高, 黑海參的體腔細胞數(shù)量以及體腔液中ACP、LZM和SOD活性呈先持續(xù)增加后降低的趨勢, 體腔細胞數(shù)量、體腔液中ACP活性均在104粒/L濃度達到峰值, 體腔液中LZM和SOD活性則在102粒/L濃度達到峰值; 而體腔細胞的吞噬活性隨著微塑料濃度的增加而持續(xù)增加。黑海參消化道內(nèi)的淀粉酶受海水中的微塑料濃度的影響顯著(<0.05), 胰蛋白酶活性和脂肪酶活性沒有顯著變化。隨著微塑料濃度升高, 黑海參腸道淀粉酶活性呈先持續(xù)增加, 在104粒/L濃度達到峰值, 而后又降低; 胰蛋白酶活性隨著微塑料濃度的增加持續(xù)增加; 而三種微塑料濃度下黑海參的脂肪酶活性均低于空白組。由此可見, 海水中添加微塑料后, 黑海參體內(nèi)產(chǎn)生了免疫防御反應(yīng), 并傾向于優(yōu)先消化淀粉和蛋白質(zhì)以快速獲取能量從而適應(yīng)周圍環(huán)境的改變; 海水中高濃度的微塑料可能對黑海參的體腔細胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷, 導(dǎo)致其免疫防御能力下降, 影響其正常生理活動。

微塑料; 黑海參; 免疫; 消化

據(jù)統(tǒng)計, 有多達51萬億個塑料碎片(重達2.36× 105t)散布在海洋中[1], 常見的種類包括聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等[2]。粒徑小于5 mm的塑料碎片被定義為微塑料[3]。海洋中的微塑料80%來源于陸地道路運輸中的輪胎磨損和車輛風化、工業(yè)生產(chǎn)中的污水排放和塑料制造、日常生活中的洗滌和清潔產(chǎn)品的使用等, 其次是捕撈、運輸、養(yǎng)殖和旅游等海上生產(chǎn)活動[4]。由此產(chǎn)生的微塑料或塑料廢物通過河流輸入、大氣沉降和污水排放等途徑直接進入海洋或通過參與海陸間水循環(huán)過程而間接地進入海洋生態(tài)系統(tǒng)[5-6]。聚苯乙烯微塑料是海洋環(huán)境中常見的一種塑料顆粒[7], 其質(zhì)較輕, 因此可隨海水或海洋生物廣泛擴散到各個海洋生態(tài)系統(tǒng)中。

在海洋中長期停留的微塑料會吸附環(huán)境中的重金屬、有機污染物和微生物等, 不僅加劇微塑料對海洋生物的毒性作用, 還會引起微塑料浮力的變化, 促使其發(fā)生沉降[8], 對不同生境和攝食習性的生物產(chǎn)生不同程度的影響。由于粒徑較小, 微塑料可以通過多種途徑進入生物的器官、組織[9-10], 對生物的行為[11]、生長[12]、免疫[13]和繁殖[14]產(chǎn)生影響。沉積食性海參通過楯狀觸手黏附沉積物顆粒來攝取食物, 通過呼吸樹完成其體腔液與海水之間的氣體交換, 這些生理活動使其直接受到海水和沉積物中的微塑料影響。盡管微塑料對海洋動物影響的相關(guān)報道已有很多, 但微塑料對海參影響的研究還較少。在微塑料暴露后, 黑赤星海參()的腸道、呼吸樹和體腔液中均檢測到熒光微塑料的存在, 微塑料可以通過觸手和呼吸樹進入海參體內(nèi), 而篩板可能是納米微塑料從體腔進入組織的通道[15]。Mohsen等在中國渤海、黃海沿岸8個養(yǎng)殖場采集的仿刺參()體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)微塑料的存在[16]; 室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)纖維微塑料可以通過呼吸樹進入體腔液中, 對海參體內(nèi)的免疫相關(guān)酶活性產(chǎn)生影響[17]。

黑海參()是熱帶珊瑚礁海域常見的大型底棲沉積食性生物, 多棲息于珊瑚礁淺水區(qū)域的海草床和砂質(zhì)底[18-19], 通過攝食、代謝活動對沉積物產(chǎn)生生物擾動作用, 并改變周圍環(huán)境的營養(yǎng)鹽含量, 在珊瑚礁系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)價值[20]; 因其具有食用和藥用價值, 在亞洲和中西太平洋地區(qū)的20多個國家和地區(qū)被開發(fā)利用[20-22]。本研究以聚苯乙烯微塑料為實驗材料, 以黑海參為受試生物體, 研究了微塑料對黑海參免疫及消化生理的影響, 可為微塑料的潛在環(huán)境風險分析評估提供數(shù)據(jù), 同時在微塑料對其他底棲海洋生物生態(tài)效應(yīng)的研究方面具有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗黑海參(47.61 ± 6.97) g采集于海南文昌龍樓鎮(zhèn)沿岸的珊瑚礁水域。將海參置于玻璃缸中暫養(yǎng)15天, 以適應(yīng)實驗室條件。暫養(yǎng)期間, 養(yǎng)殖用水鹽度為30~32, 連續(xù)曝氣3天后使用, 水溫控制在(28 ± 1) ℃左右。每天19: 00投喂飼料(海泥︰馬尾藻粉=6︰4), 投喂量為體重的10%, 于次日08: 00吸出殘餌糞便, 并更換1/3體積的海水。

微塑料(聚苯乙烯, PS)購于天津倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心, 粒徑為0.2 μm, 濃度為2.25×1013粒/mL。

1.2 微塑料暴露處理

實驗設(shè)置4個聚苯乙烯微塑料濃度梯度: 0、102、104、106粒/L, 將暫養(yǎng)結(jié)束后的40頭海參隨機分為4組, 分別暴露于含有四種不同濃度的PS微塑料的海水養(yǎng)殖水槽(175 L)中。實驗為期14天, 期間養(yǎng)殖用水的鹽度為32, 24 h持續(xù)充氣, 水溫保持在(28 ± 1) ℃左右。每天定時投喂(19: 00), 飼料和投喂量與暫養(yǎng)期間相同, 于次日08: 00吸出殘餌糞便, 并更換1/3體積的含相同濃度微塑料的海水。

1.3 樣品采集

1.3.1 體腔液

暴露實驗結(jié)束后, 將海參稱重并解剖。用血球計數(shù)板快速統(tǒng)計體腔細胞濃度后, 再用抗凝劑(0.02 mol·L–1EGTA, 0.48 mol·L–1NaCl, 0.068 mol·L–1Tris-HCl, pH=7.6)將體腔細胞濃度稀釋到106cells/mL, 用于吞噬活性的檢測[23]。剩余的體腔液于–80 ℃保存用于免疫相關(guān)酶活性的測定。

1.3.2 消化道

取腸壁, 用預(yù)冷的PBS緩沖液清洗干凈后移至凍存管中, 于液氮中冷卻后轉(zhuǎn)移至–80 ℃冰箱保存, 用于消化酶的檢測。

1.4 樣品測定

1.4.1 體腔細胞數(shù)量的測定

在光學顯微鏡下, 采用血球計數(shù)板對體腔細胞進行直接計數(shù)。

1.4.2 吞噬活性的測定

黑海參體腔細胞吞噬活性的測定參照中性紅方法, 并進行適當修改[24]。準確吸取100 μL體腔液于96孔板中, 25 ℃孵育1 h后棄上清, 加入100 μL 0.033%中性紅溶液, 使貼壁后的細胞在25 ℃吞噬30 min, 用PBS(pH=7.6)溶液清洗3次后, 加入100 μL細胞裂解液(冰醋酸: 無水乙醇=1: 1)處理20 min, 利用酶標儀540 nm下檢測吸光值, 每個樣品做3個重復(fù)。以每106個體腔細胞對應(yīng)的OD值表示吞噬活性。

1.4.3 免疫相關(guān)酶活性測定

將體腔液4 ℃解凍, 0 ℃超聲破碎混勻25 s, 4 ℃、4 000 r/min離心10 min, 取上清液。采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒測定上清液中的總蛋白含量及超氧化物歧化酶(SOD)、溶菌酶(LZM)、酸性磷酸酶(ACP)、堿性磷酸酶(AKP)的活性。

1.4.4 消化酶活性測定

準確稱取腸道組織重量, 按重量(g)︰體積(mL)=1︰9的比例加入9倍體積的勻漿介質(zhì), 制成10%的勻漿, 2 500 r/min離心10 min取上清。采用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒測定總蛋白含量及脂肪酶(LPS)、胰蛋白酶(TRY)、淀粉酶(AMS)的活性。

1.5 統(tǒng)計分析

應(yīng)用分析軟件SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)以平均值±標準誤表示, 海水中微塑料濃度對黑海參各指標的影響采用單因素方差(One-way ANOVA)和LSD多重比較進行統(tǒng)計學分析, 以≤0.05作為差異顯著的標志, 以≤0.001作為差異極顯著的標志。

2 結(jié)果

2.1 微塑料對黑海參免疫力的影響

2.1.1 微塑料對黑海參體腔細胞數(shù)量的影響

如圖1所示, 微塑料濃度對黑海參體腔細胞的數(shù)量具有極顯著影響(<0.001)。隨著海水中添加微塑料濃度的增加, 黑海參體腔細胞的數(shù)量呈先增加后降低的趨勢。對照組黑海參體腔細胞的數(shù)量為(4.9×106) cells/mL, 水體中添加102粒/L微塑料時, 體腔細胞的數(shù)量有所上升但未發(fā)生顯著變化[(5.41×106) cells/mL,>0.05], 當微塑料濃度升高為104粒/L時, 體腔細胞數(shù)量顯著增加至(11.62×106) cells/mL(<0.05),海水中微塑料濃度為106粒/L時, 體腔細胞數(shù)量下降至(8.83×106) cells/mL, 但仍顯著高于對照組和102粒/L組(<0.05)。

圖1 微塑料對黑海參體腔細胞數(shù)量的影響

2.1.2 微塑料對黑海參體腔細胞吞噬活性的影響

微塑料濃度對黑海參體腔細胞的吞噬活性有顯著影響(<0.05, 圖2)。海水中微塑料濃度升高使黑海參體腔細胞的吞噬活性總體呈上升趨勢。對照組黑海參體腔細胞的吞噬活性為(0.22±0.061) OD540/106cell,水體中添加102、104粒/L微塑料時, 黑海參體腔細胞的吞噬活性雖高于對照組, 但變化不顯著[(0.23± 0.065)、(0.22±0.064) OD540/106cell,>0.05], 當水體中微塑料濃度升至106粒/L時, 吞噬活性顯著增加至(0.34±0.057) OD540/106cell(<0.05)。

2.1.3 微塑料對黑海參體腔液中酸性磷酸酶(ACP)活性的影響

微塑料濃度對黑海參體腔液中酸性磷酸酶的活性有極顯著影響(=0.001, 圖3)。隨著海水中微塑料添加濃度的增加, 黑海參體腔液中的酸性磷酸酶活性呈先增加后降低的趨勢。未添加微塑料時, 黑海參體腔液中酸性磷酸酶的活性為(43.76±5.21) 金氏單位/gprot, 在微塑料濃度為102粒/L時, 酸性磷酸酶活性顯著增加到(65.82±4.13) 金氏單位/gprot(<0.05), 當海水中添加104粒/L微塑料時, 酸性磷酸酶活性有所增加但變化不顯著[(76.97 ± 18.46) 金氏單位/gprot,>0.05], 106粒/L時酸性磷酸酶活性顯著降低但仍高于對照組[(59.12 ± 8.48) 金氏單位/gprot,<0.05]。

圖2 微塑料對黑海參體腔細胞吞噬活性影響

圖3 黑海參體腔液中酸性磷酸酶活性的變化

2.1.4 微塑料對黑海參體腔液中堿性磷酸酶(AKP)活性的影響

如圖4所示, 微塑料濃度對黑海參體腔液中堿性磷酸酶活性的影響不顯著(>0.05)。黑海參體腔液中堿性磷酸酶的活性隨海水中微塑料濃度的增加呈上升趨勢。對照組黑海參體腔液中堿性磷酸酶活性為(41.17±5.03) 金氏單位/gprot, 水體中添加102、104、106粒/L微塑料時, 堿性磷酸酶活性呈先上升后下降的趨勢, 但未發(fā)生顯著變化[(47.45± 11.76)、(35.42±5.94)和(37.10±7.78) 金氏單位/gprot,>0.05]。

圖4 黑海參體腔液中堿性磷酸酶活性的變化

2.1.5 微塑料對黑海參體腔液中溶菌酶(LZM)活性的影響

微塑料濃度對黑海參體腔液中溶菌酶的活性有極顯著影響(<0.001, 圖5)。隨著海水中微塑料濃度的增加, 黑海參體腔液中溶菌酶活性總體呈先上升后下降的趨勢。對照組黑海參體腔液中的溶菌酶活性為(96.97±5.12) U/mgprot, 海水中添加102粒/L微塑料時, 黑海參溶菌酶活性顯著增加至(199.48±22.68) U/mgprot(<0.05), 微塑料濃度為104、106粒/L時, 溶菌酶活性有所降低但變化不顯著[(174.56±16.89)、(176.47±14.02) U/mgprot,>0.05]。

圖5 黑海參體腔液中溶菌酶活性變化

2.1.6 微塑料對黑海參體腔液中超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

水體中微塑料的濃度對黑海參體腔液中超氧化物歧化酶的活性有極顯著影響(<0.001, 圖6)。海水中微塑料濃度升高使超氧化物歧化酶活性呈先增加后降低的趨勢。對照組黑海參體腔液中超氧化物歧化酶活性為(29.05±0.74) U/mgprot, 海水中添加102粒/L微塑料時, 超氧化物歧化酶活性顯著增加為(37.29±1.86) U/mgprot(<0.05), 當微塑料濃度升高為104粒/L時, 超氧化物歧化酶活性顯著下降[(31.08±0.88) U/mgprot,<0.05], 但仍高于對照組, 海水中微塑料濃度為106粒/L時, 超氧化物歧化酶活性顯著降低為(21.80±1.81) U/mgprot(<0.05), 且低于對照組。

圖6 黑海參體腔液中超氧化物歧化酶活性的變化

2.2 微塑料對黑海參消化酶活性的影響

2.2.1 微塑料對黑海參腸道淀粉酶(AMS)活性的影響

微塑料濃度對黑海參腸道淀粉酶活性有顯著影響(<0.05, 圖7)。隨著海水中微塑料濃度的增加, 黑海參腸道淀粉酶活性呈先增加后降低的趨勢。對照組黑海參腸道淀粉酶的活性為(0.29±0.021) U/mgprot, 海水中添加102粒/L微塑料時, 淀粉酶活性未發(fā)生顯著變化[(0.29±0.018) U/mgprot,>0.05], 在微塑料濃度為104粒/L時, 淀粉酶活性顯著增加為(0.63±0.05) U/mgprot(<0.05), 當微塑料濃度升高為106粒/L時, 淀粉酶活性卻顯著降低為(0.15±0.49) U/mgprot(<0.05), 且低于對照組。

圖7 黑海參淀粉酶活性的變化

2.2.2 微塑料對黑海參腸道胰蛋白酶(TRY)活性的影響

微塑料濃度對黑海參腸道胰蛋白酶活性影響不顯著(>0.05, 圖8)。海水中微塑料濃度升高使黑海參腸道胰蛋白酶活性總體呈上升趨勢。對照組腸道胰蛋白酶活性為(198.45±89.65) U/mgprot, 當海水中添加102、104粒/L微塑料時, 胰蛋白酶活性雖有所增加但均未發(fā)生顯著變化(>0.05), 活性分別為(199.93±35.34)、(204.12±53.71) U/mgprot, 當海水中微塑料濃度增加為106粒/L時, 腸道胰蛋白酶活性顯著升高為(319.23±96.35) U/mgprot(<0.05)。

圖8 黑海參胰蛋白酶活性的變化

2.2.3 微塑料對黑海參腸道脂肪酶(LPS)活性的影響

微塑料濃度對黑海參腸道脂肪酶活性的影響不顯著(=0.228, 圖9)。海水中微塑料濃度的升高使黑海參腸道脂肪酶活性總體呈下降趨勢。對照組腸道脂肪酶活性為(1.76±0.32) U/gprot, 海水中添加102粒/L微塑料時, 脂肪酶活性降低至(1.26±0.31) U/ gprot, 但變化不顯著(>0.05), 當微塑料濃度升高為104粒/L時, 脂肪酶活性為(1.31±0.28) U/gprot, 與102粒/L組脂肪酶活性相當(>0.05), 海水中微塑料濃度為106粒/L時, 脂肪酶活性最低且未發(fā)生顯著變化[(1.17±0.46) U/gprot,>0.05]。

3 討論

3.1 微塑料對黑海參免疫的影響

海水或沉積物中的微塑料可通過口或肛門進入海參體內(nèi), 并經(jīng)由呼吸樹進入體腔液中[15, 17]。海參體腔液中懸浮的多種體腔細胞和多種免疫因子構(gòu)成海參的細胞免疫系統(tǒng)和體液免疫系統(tǒng), 二者共同施行機體的免疫功能[25-26]。微塑料這種異物進入海參的體腔液后, 會激發(fā)海參的非特異性免疫應(yīng)答, 產(chǎn)生一系列的免疫反應(yīng)[17]。本研究將黑海參在不同濃度的聚苯乙烯暴露后, 測定了其體腔細胞數(shù)量、吞噬活性及體腔液中ACP、AKP、LZM和SOD的酶活性變化。

圖9 黑海參腸道脂肪酶活性變化

體腔細胞懸浮在海參的體腔液中, 其不僅具有吞噬、內(nèi)陷和包埋入侵外源物質(zhì)的作用, 而且能夠分泌參與免疫反應(yīng)的多種免疫因子和免疫酶, 是棘皮動物主要的非特異性防御指標[23, 27], 其數(shù)量和吞噬活性受環(huán)境因素的影響, 并在一定程度上反映機體的免疫力[28-31]。本研究中黑海參體腔細胞的數(shù)量在微塑料濃度升高至104、106粒/L時顯著增加, 吞噬活性在微塑料濃度較高時也顯著增加。該結(jié)果與貽貝()在海水中接觸銅之后血細胞吞噬活性增加的結(jié)果一致[32]。在虹鱒魚中, 體內(nèi)和體外的鎘污染都會導(dǎo)致免疫細胞的吞噬活性的升高[33]。本實驗中, 海水中添加的微塑料可通過呼吸和攝食作用進入黑海參體內(nèi), 黑海參增加體腔液中體腔細胞的數(shù)量, 并啟動體腔細胞的吞噬作用, 產(chǎn)生大量的活性氧離子產(chǎn)物, 用于清除異物。

溶菌酶(LZM)是吞噬細胞殺菌的物質(zhì)基礎(chǔ), 具有重要的免疫防御功能, 是衡量機體非特異性免疫的重要指標, 其活性常受到溫度、pH和重金屬離子等多種因素的影響[34-35]。當溫度升高時, 大西洋比目魚的LZM水平隨之升高[36]; 低溫驟變處理下, 凡納濱對蝦()的LZM活性顯著低于對照組水平, 且溫度越低, LSZ活力越低; 缺氧脅迫也會影響仿刺參呼吸樹中LZM的活性[35]。在本研究中, 不同濃度的微塑料暴露均使黑海參體腔液中LZM活性顯著升高, Mohsen等研究表明當纖維微塑料從水體中轉(zhuǎn)移至仿刺參體內(nèi)時, 仿刺參體腔液中的LZM活性也高于對照組[17]; 暴露于納米聚苯乙烯微球中的雙殼貽貝()也具有較高的LZM活性[37]。

酸性磷酸酶(ACP)是巨噬細胞內(nèi)溶酶體的標志酶, 可協(xié)助降解外源物質(zhì)[38], 并可增強細胞對異物的識別, 加快吞噬細胞對異物的吞噬和降解速度[39]。堿性磷酸酶(AKP)可催化磷酸單酯的水解反應(yīng)及磷酸基團的轉(zhuǎn)移反應(yīng), 且對底物專一性要求較低, 是重要的解毒系統(tǒng), 與一些營養(yǎng)物質(zhì)的吸收轉(zhuǎn)運有關(guān)[30, 40]。微塑料濃度的增加對黑海參體腔液的ACP、AKP活性均產(chǎn)生了影響, 而仿刺參體腔液中ACP及AKP的活性在聚酯纖維微塑料(25、40粒/mL)暴露后未發(fā)生顯著變化[17]。此外, 已有研究發(fā)現(xiàn)七彩神仙魚和中華絨螯蟹的ACP和AKP活性在微塑料暴露后顯著增加[41-42]。因此, 微塑料對生物體內(nèi)ACP和AKP活性的影響與物種等因素有關(guān)。ACP和AKP活性的增加表明黑海參機體內(nèi)對外源物質(zhì)的第一道防御增強, 代謝強度提高, 需要更多的能量供應(yīng)。黑海參在代謝過程中需要消耗更多的ATP來適應(yīng)外部環(huán)境中微塑料對其呼吸系統(tǒng)的干擾, 而ATP合成所需的磷酸可以通過ACP和AKP水解磷酸單酯生成[43]。此外, ACP、AKP活性隨海水中微塑料濃度的增加呈先增強后減弱的趨勢, 這與白斑綜合征病毒(WSSV)感染日本囊對蝦ACP活性變化一致[44]。磷酸酶主要位于膜系統(tǒng)上, 中華絨螯蟹感染白斑綜合征病毒(WSSV)時間延長可導(dǎo)致溶酶體膜結(jié)構(gòu)受損, 從而使ACP、AKP酶活性顯著降低[40]。黑海參體腔液中ACP、AKP活性分別在水體中微塑料增加至104、106粒/L后降低, 可能是微塑料在黑海參體內(nèi)含量的增加損傷了體腔細胞的細胞結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致溶酶體膜受損, 滲透性改變, 進而使ACP、AKP活性受到限制[44]。

超氧化物歧化酶(SOD)作為一種重要的抗氧化酶, 主要參與清除動物體內(nèi)過多的活性氧自由基, 保持細胞免受損害, 使細胞能正常合成各種酶類, 對增強吞噬細胞活性和整個機體的免疫功能具有重要的作用[45], 病原微生物和多種環(huán)境脅迫因子均會引發(fā)機體SOD活性的增加[28, 40, 43-44]。微塑料也會誘導(dǎo)水生生物產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng), 如斑馬魚()在微塑料暴露后, 體內(nèi)SOD活性顯著增加[46]。在本研究中, 隨著微塑料濃度的增加, 黑海參體腔液中SOD的活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化, 這與叢聰研究溶壁微球菌和假交替單胞菌對仿刺參體腔液中SOD活性影響的結(jié)果一致[47]。此外, 海馬(Bleeker)、羅非魚()體內(nèi)的SOD活性隨微塑料暴露時間的增加也呈先升高后降低的趨勢[48-49]。水體中微塑料為102、104粒/L時, SOD活性顯著高于對照組, 說明微塑料引起了黑海參SOD系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng), SOD活性增強可以在一定程度上清除黑海參體內(nèi)在微塑料暴露后產(chǎn)生的活性氧自由基, 是海參對外部環(huán)境變化產(chǎn)生的適應(yīng)對策。而SOD活性在微塑料濃度為106粒/L時顯著低于對照組及102、104粒/L實驗組, 這與高濃度微塑料使海參體內(nèi)吞噬活性、呼吸爆發(fā)活性增強而持續(xù)產(chǎn)生的大量活性氧自由基得不到及時有效地清除有關(guān), 活性氧自由基對機體造成了氧化損傷, 削弱了黑海參SOD的免疫應(yīng)答能力[48-49]。

3.2 微塑料對黑海參消化酶活性的影響

消化酶的活性受多種因素的影響, 是衡量動物攝食能力、營養(yǎng)和生理狀態(tài)常用的指標之一, 其高低與營養(yǎng)吸收、生長和發(fā)育密切相關(guān), 可用來判斷動物對環(huán)境的適應(yīng)情況[50-51]。動物可以通過調(diào)節(jié)自身的酶活性以提高從周圍環(huán)境中獲取營養(yǎng)成分的能力[52]。沉積性食性的海參依靠觸手主動攝食沉積物中的無機物(硅或鈣)、單細胞藻類、動植物有機碎屑、原生動物、細菌和腐殖質(zhì)等[49]。在天然餌料或人工飼料中, 對海參生長貢獻最大的是蛋白質(zhì), 其次是碳水化合物、脂肪等物質(zhì), 相關(guān)研究也多集中在蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等[53]。

4 結(jié)論

本文從免疫、消化等方面探討了水體中添加聚苯乙烯微塑料對黑海參生理的影響, 微塑料濃度對黑海參的體腔細胞數(shù)量、吞噬活性、ACP、LZM和SOD活性均有顯著影響, 表明微塑料暴露會引發(fā)黑海參的免疫應(yīng)答; 但隨著微塑料濃度的增加, 黑海參的體腔細胞數(shù)量、ACP、LZM和SOD活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢, 尤其是當微塑料濃度達到106粒/L時, SOD活性降到了顯著低于對照組的水平, 這表明黑海參的免疫防御反應(yīng)對微塑料暴露有濃度效應(yīng), 且過高的微塑料濃度引發(fā)的免疫應(yīng)答可能對機體造成了氧化損傷。消化生理指標的變化表明, 在微塑料暴露條件下, 黑海參可能會選擇易于消化的營養(yǎng)物質(zhì), 例如淀粉和蛋白質(zhì), 而不是脂質(zhì), 以便快速獲取能量來適應(yīng)環(huán)境中微塑料的存在。

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Effects of microplastics on immunity and digestion of sea cucumber,

CHEN Meng-ling1, GAO Fei1, 2, WANG Xin-yuan1, WEI Yi-fan1, XU Qiang1, 2, LIU Chun-sheng1, 2

(1. College of Marine Science, Hainan University, Haikou 570228, China; 2. State Key Laboratory of Marine Resources Utilization in South China Sea, Hainan University, Haikou 570228, China)

To investigate the effects of microplastics on the immunity and digestion of sea cucumber,was exposed to four different concentrations (0, 102, 104, and 106items/L) of polystyrene microplastics. The results showed that microplastics exerted significant effects on the total coelomocyte count, phagocytic activity of coelomocytes, and activities of lysozyme (LZM), acid phosphatase (ACP), and superoxide dismutase (SOD) in coelomic fluid (<0.05). No significant impact on alkaline phosphatase (AKP) activity was observed. An increase in microplastic exposure led to a sustained increase in the phagocytic activity of coelomocytes. Meanwhile, the total coelomocyte count and the activity of ACP increased as the microplastic concentration increased from 0 items/L to 104items/L, and decreased at 106items/L. In addition, the activities of LZM and SOD increased as the microplastic concentration increased from 0 items/L to 102items/L, and decreased from 104items/L to 106items/L. The amylase (AMS) activity in the intestine ofwas significantly affected by the concentration of microplastics (<0.05). However, no significant effect of microplastic concentration was observed on trypsin and lipase activities (>0.05). The AMS activity increased and reached the maximum level when the microplastic concentration increased to 104items/L and then decreased at 106items/L. The trypsin activity increased continuously as the microplastic concentration increased, while the lipase activity in the three concentration groups of microplastics was lower than that in the control group. Thus, an increase in the microplastic exposure induced an immune defense in, while high concentrations of microplastics exposure may damage the morphological structure of coelomocytes, thereby leading to decreased resistance ofand disrupting its physiological processes. Meanwhile,tended to choose nutrient materials that are easy to be digested, such as amylum and protein, rather than lipids. Such reaction in digestion enablesto quickly gain the energy needed to adapt to environmental changes.

microplastics;; immunity; digestion

Oct. 23, 2020

S917.4

A

1000-3096(2021)04-0126-10

10.11759/hykx20201023002

2020-10-23;

2020-11-26

國家自然科學基金(41766005); 國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點專項(2019YFD0901304); 海南大學科研啟動基金資助項目(KYQD(ZR)1703)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41766005; The National Key Research and Development Program of China, No. 2019YFD0901304; Scientific Research Foundation of Hainan University, No. KYQD(ZR)1703]

陳孟玲(1994—), 女, 山東省菏澤人, 碩士研究生, 主要從事海洋動物生理生態(tài)學研究, 電話: 17330934375, E-mail: yolozzq@163.com; 高菲(1981—),通信作者, 副教授, 主要從事海洋動物生態(tài)學研究, E-mail: gaofeicas@126.com

(本文編輯: 楊 悅)