陳 潤(rùn),王魯民,王亞冰,曾 姣,王 倩,王建鋼,施兆鴻,彭士明
(1.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306;2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所,上海 200090)
海洋是一個(gè)極其復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),海洋中環(huán)境因子的變化會(huì)對(duì)海洋生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生影響。根據(jù)政府間氣候報(bào)告專門委員會(huì)評(píng)估報(bào)告(簡(jiǎn)稱IPCC)預(yù)測(cè),人類大量使用化石燃料排放出的CO2已經(jīng)導(dǎo)致海水pH降低,并且酸化的情況正在加?。?]。近年來(lái),關(guān)于海洋酸化對(duì)海洋生物影響的研究受到研究人員的廣泛關(guān)注。有研究表明,海洋酸化已經(jīng)對(duì)珊瑚[2-3]、軟體動(dòng)物[4]、甲殼動(dòng)物[5]等鈣化生物的生命活動(dòng)、魚類的早期胚胎和骨骼發(fā)育造成不利影響[6],有些魚類的感覺(jué)器官如耳石[7]也因此受損而變得行為遲鈍[8-9]。在近海的水產(chǎn)養(yǎng)殖集中海區(qū),由于養(yǎng)殖動(dòng)物密度過(guò)大,缺氧情況時(shí)有發(fā)生。研究表明,當(dāng)水環(huán)境中溶氧降低時(shí),水生動(dòng)物會(huì)出現(xiàn)行動(dòng)遲緩、攝食下降等情況[10],從而影響到水生動(dòng)物的正常生命活動(dòng),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致死亡。因此,近年來(lái)有關(guān)低氧和酸化脅迫對(duì)水生動(dòng)物生命活動(dòng)影響的研究逐漸引起關(guān)注。
大黃魚(Larimichthyscrocea)隸屬于石首魚科黃魚屬,是我國(guó)重要的海洋經(jīng)濟(jì)動(dòng)物,也是我國(guó)增養(yǎng)殖較為成熟的魚種。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅2018年我國(guó)海水養(yǎng)殖的大黃魚產(chǎn)量就達(dá)到19.8萬(wàn)t[13]。福建寧德官井洋是我國(guó)野生大黃魚主要的產(chǎn)卵洄游海域之一,同時(shí)也是養(yǎng)殖大黃魚的主要產(chǎn)區(qū)[14]。近年來(lái),隨著寧德海區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖戶數(shù)量不斷增加和養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大,其高密度和粗放式的養(yǎng)殖模式不僅對(duì)養(yǎng)殖大黃魚形成了潛在的威脅,而且對(duì)海區(qū)的生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重的影響[15]。由于該海區(qū)養(yǎng)殖網(wǎng)箱數(shù)量多且網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖密度過(guò)大,嚴(yán)重影響了水流交換,導(dǎo)致養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的殘餌、糞便等有機(jī)物逐漸沉積,無(wú)法被潮水帶走,從而增加了水體的化學(xué)需氧量,極易出現(xiàn)溶氧降低的情況[16]。
近年來(lái),受捕撈和環(huán)境的影響,大黃魚野生種群資源已經(jīng)瀕臨枯竭[14],低氧和海洋酸化等問(wèn)題可能會(huì)對(duì)野生大黃魚的生長(zhǎng)與繁殖產(chǎn)生負(fù)面影響,從而不利于其種群資源的恢復(fù)。因此,本實(shí)驗(yàn)探究了低氧-酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育消化生理的影響,以期為野生大黃魚種群資源保護(hù)工作提供理論依據(jù)。
大黃魚受精卵的孵化及育苗實(shí)驗(yàn)在東海水產(chǎn)研究所福建福鼎研究中心進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)用大黃魚受精卵取自附近大黃魚育苗廠。大黃魚受精卵運(yùn)至福鼎研究中心后,先暫放于孵化桶中,待死卵沉淀分離后,取上層活性卵備用。
根據(jù)已有文獻(xiàn)記載,大黃魚稚幼魚的窒息點(diǎn)溶解氧(DO)為2.27 mg·L-1,因此設(shè)定低氧試驗(yàn)組DO=3.5 mg·L-1[17];根據(jù)資料預(yù)測(cè),到2100年海洋酸化可能使海水pH下降0.31個(gè)單位[7],以及結(jié)合大黃魚對(duì)pH臨界值的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[18],本研究設(shè)定酸化試驗(yàn)組pH=7.3。
養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)組,分別為:對(duì)照組:DO=7.0 mg·L-1,pH=8.1;低氧組:DO=3.5 mg·L-1,pH=8.1;酸化組:DO=7.0 mg·L-1,pH=7.3;低氧-酸化組:DO=3.5 mg·L-1,pH=7.3。本實(shí)驗(yàn)控制DO和pH的方式如下:
1)向水體中充入N2來(lái)降低水體的DO值,通過(guò)YSI ProSolo實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DO值,當(dāng)DO降到所需濃度后即可停止充入N2;養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制低氧-酸化組和低氧組的氣頭出氣量,使氣頭出氣量與水體中耗氧量相持平。
2)向水體中充入CO2來(lái)降低水體的pH值,通過(guò)YSI 10實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)pH值,當(dāng)pH降到特定值后即可停止充入CO2。
除溶氧和pH不同外,其他參數(shù)均保持一致:水溫23.0℃,海水比重為1.022。
每個(gè)處理組設(shè)置4個(gè)重復(fù),共16個(gè)養(yǎng)殖桶,將受精卵放入各個(gè)養(yǎng)殖桶,每桶4.0×104粒,至水環(huán)境穩(wěn)定后開始取樣(記錄為0 d),并在受精卵孵出后1 d、3 d、5 d、10 d、20 d、27 d取15尾仔稚魚放入凍存管中,經(jīng)液氮速凍后置于-80℃冰箱保存,以備后期檢實(shí)驗(yàn)使用。
實(shí)驗(yàn)開始后,每隔15 min測(cè)量1次DO和pH值,對(duì)參數(shù)浮動(dòng)較大的及時(shí)做出調(diào)整,當(dāng)DO和pH值穩(wěn)定后改為每隔6 h測(cè)量1次。待受精卵全部孵化后,及時(shí)將沉底的死卵和死魚虹吸出,以免破壞水質(zhì)。當(dāng)大黃魚發(fā)育至仔魚后可開始換水,每3 d換1次,每次換水量為養(yǎng)殖水體的1/3,換水前根據(jù)不同組別預(yù)調(diào)好與該處理組相對(duì)應(yīng)的DO、pH值的水,再加入養(yǎng)殖桶中。
大黃魚受精卵孵化后第3天開口,每天將300 g新鮮牡蠣(Ostreasp.)放入料理機(jī)打碎后用200目篩絹網(wǎng)反復(fù)滌蕩過(guò)濾后,少量多次均勻潑灑于各個(gè)養(yǎng)殖桶中。第6天后開始投喂鹵蟲幼體,投喂密度約為45個(gè)·mL-1,根據(jù)養(yǎng)殖桶中的鹵蟲幼體密度每天投喂1~2次,直至養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
大黃魚早期發(fā)育的淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶活性均使用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒測(cè)定,具體的操作步驟參照試劑盒說(shuō)明書。
本次實(shí)驗(yàn)所得到數(shù)據(jù)采用SPSS26.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析、Excel進(jìn)行柱狀圖表繪制,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。
實(shí)驗(yàn)開始時(shí)各處理組受精卵處于尾芽期與心跳期之間,10 h后全部孵化出膜。卵黃囊在出膜后4~5 d消失,其中低氧-酸化組和低氧組大黃魚仔魚卵黃囊消失時(shí)間稍晚。出膜后19 d對(duì)照組和酸化組大黃魚長(zhǎng)成稚魚,20、21 d低氧組和低氧-酸化組大黃魚先后長(zhǎng)成稚魚。
如圖1顯示,對(duì)照組的淀粉酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在1 d和3 d顯著升高后保持穩(wěn)定,直到20 d顯著下降。低氧-酸化組同樣呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),淀粉酶活性在1 d顯著躍升之后升高趨勢(shì)逐漸平緩,5 d達(dá)到頂峰后酶活性開始逐漸降低,下降趨勢(shì)平緩;低氧-酸化組淀粉酶活性在10 d顯著低于對(duì)照組,在27 d顯著高于對(duì)照組。低氧組淀粉酶活性在1 d顯著升高后,在3 d顯著降低,5 d顯著上升保持相對(duì)穩(wěn)定,其酶活性在10 d達(dá)到頂峰,10 d后開始逐漸下降;在3 d其酶活性顯著低于對(duì)照組,在20 d則顯著高于對(duì)照組。酸化組的淀粉酶活性同樣呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),其酶活性在1 d、3 d和10 d顯著升高并在10 d達(dá)到頂峰,15 d和20 d顯著降低;但其各個(gè)時(shí)間點(diǎn)淀粉酶活性與對(duì)照組相比無(wú)顯著性差異。
圖1 低氧和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段淀粉酶活力的影響Fig.1 Effect of hypoxia and acidification on amylase activity of Larimichthys crocea in early developmental stage
低氧和酸化對(duì)大黃魚早期發(fā)育淀粉酶活性的脅迫效果如表1所示。低氧脅迫在10 d存在極顯著性差異,在20 d和27 d存在顯著性差異;酸化脅迫在各個(gè)階段脅迫效果均不顯著;低氧和酸化的雙重脅迫則在3 d出現(xiàn)顯著性差異,在5 d出現(xiàn)極顯著差異。由此可見,低氧脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育過(guò)程中淀粉酶活性的影響主要發(fā)生在10 d以后,而低氧和酸化的交互作用在5 d之前較明顯。
表1 低氧和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段淀粉酶活力影響的雙因素分析Tab.1 Two-factor analysis of effects of hypoxia and acidification on amylase activity of Larimichthys crocea in early developmental stage
如圖2顯示,對(duì)照組的胰蛋白酶活性總體呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢(shì),其中1~5 d無(wú)顯著變化,10 d酶活性顯著降低,15~20 d逐漸上升,27 d酶活性顯著降低。低氧-酸化組的酶活性呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì),其中1 d顯著升高,5 d開始逐漸降低,10 d酶活性下降顯著,15 d達(dá)到最低值,之后保持相對(duì)穩(wěn)定;低氧-酸化組酶活性在1 d、3 d和27 d顯著高于對(duì)照組,在5 d和10 d極顯著高于對(duì)照組。低氧組的酶活性呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì),1 d顯著升高達(dá)到頂峰,3 d開始酶活性逐漸降低至15 d達(dá)到最低值,10~27 d胰蛋白酶活性無(wú)顯著變化;低氧組酶活性在5 d和10 d顯著高于對(duì)照組,27 d極顯著高于對(duì)照組。酸化組的酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),1 d開始逐漸上升,3 d達(dá)到頂峰后開始下降,在10 d達(dá)到最低值,15~27 d胰蛋白酶活性無(wú)顯著變化;酸化組胰蛋白酶活性在5 d顯著高于對(duì)照組。
圖2 低氧和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段胰蛋白酶活力的影響Fig.2 Effect of hypoxia and acidification on parenzyme activity ofLarimichthys crocea in early developmental stage
低氧和酸化對(duì)大黃魚早期發(fā)育胰蛋白酶活性雙重脅迫的影響如表2所示。低氧脅迫在0 d、3 d和10 d的效果顯著,在1 d、5 d和27 d的效果極顯著,可見低氧脅迫對(duì)胰蛋白酶活性的影響主要表現(xiàn)在10 d之前;酸化脅迫在1 d和5 d的效果顯著,3 d的效果極顯著,表明酸化脅迫在5 d之前對(duì)胰蛋白酶活性有影響;低氧-酸化對(duì)胰蛋白酶活性的雙重脅迫作用在27 d影響顯著。
表2 低氧和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段胰蛋白酶活力影響的雙因素分析Tab.2 Two-factor analysis of effects of hypoxia and acidification on parenzyme activity of Larimichthys crocea in early developmental stage
低氧和酸化脅迫對(duì)脂肪酶活性的影響如圖3所示。對(duì)照組脂肪酶活性從5 d開始顯著升高并在10 d達(dá)到頂峰,15 d顯著降低,0 d、1 d、3 d、15 d、20 d和27 d酶活性無(wú)顯著性差異。低氧-酸化組的酶活性呈現(xiàn)出先降低后升高再降低再升高的變化趨勢(shì),在3 d開始下降但不顯著,5 d且到達(dá)最低值,10 d開始上升但不顯著,15 d有所下降后開始上升;低氧-酸化組在5 d、10 d和15 d,脂肪酶活性低于對(duì)照組,15 d時(shí)差異顯著,5 d和10 d差異極顯著。低氧組的酶活性在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有所波動(dòng)但變化均不顯著,低氧組酶活性在5 d、10 d顯著低于對(duì)照組。
圖3 低氧和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段脂肪酶活力的影響Fig.3 Effect of hypoxia and acidification on lipase activity of Larimichthys crocea in early developmental stage
低氧-酸化對(duì)大黃魚早期發(fā)育脂肪酶活性雙重脅迫的影響如表3所示,低氧脅迫在10 d對(duì)脂肪酶活性的作用效果顯著;酸化脅迫在5 d對(duì)脂肪酶活性的作用效果極顯著;低氧-酸化的雙重脅迫對(duì)脂肪酶活性的作用沒(méi)有顯著加劇。由此可見,低氧脅迫和酸化脅迫均在5~10 d這一時(shí)段內(nèi)導(dǎo)致了脂肪酶活性的降低。
表3 低氧和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段脂肪酶活力影響的雙因素分析Tab.3 Two-factor analysis of effects of hypoxia and acidification on lipase activity of Larimichthys crocea in early developmental stage
魚類早期消化系統(tǒng)發(fā)育具有明顯的階段性,仔稚魚階段是其中最重要的環(huán)節(jié),不同的魚類消化系統(tǒng)發(fā)育時(shí)間也有所不同。大黃魚仔稚魚發(fā)育階段的消化生理暫未見報(bào)道,僅有席峰等[19]關(guān)于大黃魚幼魚階段發(fā)育進(jìn)程中消化酶活力變化的研究,因此,本研究主要以同為石首魚科的日本黃姑魚(Nibeajaponica)仔稚魚發(fā)育階段消化酶活力變化作為參考[20]。
低氧脅迫對(duì)水生動(dòng)物生理生化影響的研究較多,但針對(duì)消化生理的研究相對(duì)較少。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,大黃魚早期發(fā)育階段淀粉酶在實(shí)驗(yàn)前5~10 d其酶活性都有顯著提高,但之后又逐漸下降,這與日本黃姑魚孵化后13 d內(nèi)消化酶活性變化規(guī)律相似[21-22],日本黃姑魚在孵化后13 d內(nèi)淀粉酶活性先升高后降低,13 d后淀粉酶活性再升高;15 d之后大黃魚與日本黃姑魚淀粉酶活性出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì),原因可能是黃姑魚此后開始投喂配合飼料而大黃魚在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都未使用配合飼料。值得關(guān)注的是,本實(shí)驗(yàn)低氧脅迫前10 d大黃魚胰蛋白酶活性相較于對(duì)照組出現(xiàn)了顯著性升高,這可能是因?yàn)轸~體受到脅迫后會(huì)提高胰蛋白酶活性以獲得更多的蛋白來(lái)對(duì)抗惡劣環(huán)境,當(dāng)機(jī)體對(duì)惡劣環(huán)境逐漸適應(yīng)后,則不再需要額外的能量來(lái)對(duì)抗外界脅迫因子,胰蛋白酶的活性便恢復(fù)正常水平。孫敏等[21]研究認(rèn)為,5 d之前由于機(jī)體還沒(méi)開口或即將開口,這階段屬于內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)到外源性營(yíng)養(yǎng)的轉(zhuǎn)化,隨著自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗殆盡,脂肪酶活性也逐漸降低。本實(shí)驗(yàn)中,低氧-酸化組在前5 d脂肪酶活性降低,可能與惡劣環(huán)境中消耗過(guò)多內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。此外,雖然低氧-酸化組的脂肪酶活性在5~15 d降低,但在20 d時(shí)開始恢復(fù)到與對(duì)照組相同水平,表明其可能在適應(yīng)惡劣環(huán)境、恢復(fù)正常活性后出現(xiàn)補(bǔ)償性代謝。大黃魚的開口時(shí)間在3 d左右[12],此時(shí)可以攝入外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),對(duì)照組在5~10 d脂肪酶活性顯著升高,而其他3個(gè)處理組受到脅迫作用影響而脂肪酶活性卻無(wú)顯著變化,可能是由于脅迫作用抑制了脂肪酶的活性,因此可以推斷低氧脅迫和酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育過(guò)程中脂肪酶活性有抑制作用。
國(guó)內(nèi)外酸化脅迫對(duì)魚類消化生理影響的研究較少,因此本文參考部分海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的相關(guān) 研 究。KHAN等[4]對(duì) 厚 殼 貽 貝(Mytilus coruscus)的酸化脅迫研究發(fā)現(xiàn),酸化條件下(pH=7.7)的厚殼貽貝淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶等活性均受到顯著抑制;ZHAN等[22]發(fā)現(xiàn)在酸化條件下(pH=7.55、7.68、7.82)蝦夷馬糞海膽(Strongylocentrotusintermedius)腸道中的脂肪酶活性也受到抑制。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,大黃魚酸化組與對(duì)照組淀粉酶活性總體上雖然沒(méi)有存在太多的顯著性差異,但酸化組各個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的變化趨勢(shì)與對(duì)照組相比波動(dòng)較大。脂肪酶活性除了在5 d、10 d與對(duì)照組有顯著性差異外,總體上酸化脅迫對(duì)大黃魚早期發(fā)育階段消化酶活性的影響并不大。國(guó)內(nèi)已有的關(guān)于pH對(duì)魚類消化酶活性影響的研究,也可以從側(cè)面為本實(shí)驗(yàn)做參考。有研究表明,魚類各個(gè)器官的消化酶的最適pH值有所不同而且pH值差異較大,在魚類早期的消化器官發(fā)育中,胃是最早形成的[21],而胃消化酶的最適pH值通常是中性或弱酸性[23-24]。由此推斷,借助海水酸化的條件,魚體可以更容易達(dá)到消化酶所需的最適pH值。王曉清等[18]通過(guò)對(duì)大黃魚幼魚進(jìn)行急性脅迫實(shí)驗(yàn)得出,大黃魚幼魚在pH為5.2時(shí)可以生存1~8 h,可見大黃魚對(duì)pH耐受性較高。此外,據(jù)報(bào)道,大黃魚如今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了淡水工廠化養(yǎng)殖[25-27],淡水的pH值通常低于正常海水,因此也可以從宏觀的角度推斷:以當(dāng)前設(shè)定的海洋酸化所達(dá)到的pH值雖然不會(huì)對(duì)大黃魚正常的生命活動(dòng)造成危害,但對(duì)其消化生理會(huì)造成一定的影響。
許多研究表明,多環(huán)境因子脅迫對(duì)水生生物交互作用造成更大的不良影響,比如厚殼貽貝在低氧-酸化-暖化的脅迫下消化酶活性受到的抑制效果更為顯著[4];太平洋鱈魚(Gadusmorhua)在低氧-酸化脅迫下脂肪酸代謝發(fā)生改變、脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)被破壞的效果顯著[28]。HAMILTON等[29]研究了兩種巖魚(Sebastescaurinus、S.mystinus)在低氧和酸化脅迫下(pH=7.3、7.6、7.8;DO=2.2、4.1、6.0 mg·L-1)對(duì)其耳石發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)酸化對(duì)耳石發(fā)育影響顯著,低氧的影響較小。而本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,在本實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的低氧-酸化環(huán)境脅迫下,雙因子雙重脅迫作用僅對(duì)淀粉酶活性產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響,而對(duì)胰蛋白酶和脂肪酶活性造成的雙重脅迫效果不顯著。本實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是試驗(yàn)組低氧值的設(shè)定雖然處于臨界濃度(2.27 mg·L-1)和適宜濃度(4.70~5.38 mg·L-1)[17]之間,但更接近適宜濃度,因此大黃魚在受到脅迫后消化酶活性可以逐漸恢復(fù)到正常水平。
在本實(shí)驗(yàn)條件下,低氧脅迫導(dǎo)致大黃魚早期發(fā)育過(guò)程中淀粉酶活性在10 d以后顯著升高,而胰蛋白酶活性顯著升高主要在10 d之前,脂肪酶活性在5~10 d顯著性降低;酸化脅迫同樣導(dǎo)致大黃魚早期發(fā)育過(guò)程中脂肪酶活性在5~10 d顯著性降低;低氧-酸化雙脅迫對(duì)淀粉酶、胰蛋白酶、脂肪酶活性的影響要大于單一脅迫因子(低氧、酸化)。本研究揭示了低氧、酸化和雙重脅迫下大黃魚早期發(fā)育階段消化酶活性的變化規(guī)律,為后續(xù)進(jìn)一步開展低氧、酸化脅迫對(duì)魚類生長(zhǎng)、代謝影響機(jī)制的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。