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食物濃度對(duì)大型溞生長(zhǎng)和繁殖的影響范文

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食物濃度對(duì)大型溞生長(zhǎng)和繁殖的影響

《生態(tài)科學(xué)雜志》2015年第六期

【摘要】

在標(biāo)準(zhǔn)化的大型溞繁殖試驗(yàn)中探討食物濃度的合適表征指標(biāo)和研究不同食物濃度對(duì)大型生長(zhǎng)繁殖影響。結(jié)果表明:分別采用細(xì)胞計(jì)數(shù)法、光密度法和總有機(jī)碳分析法測(cè)定的斜生柵藻液細(xì)胞數(shù)量、吸光度和總有機(jī)碳濃度三者兩兩之間的線(xiàn)性方程相關(guān)系數(shù)r均大于0.917(P<0.01),線(xiàn)性相關(guān)性顯著,三個(gè)指標(biāo)有明顯的可比性。從操作的角度考慮,光密度法最為簡(jiǎn)便,然而為體現(xiàn)不同種類(lèi)食物提供的能量水平差異,以總有機(jī)碳濃度表征食物的濃度最為合適。幼溞的數(shù)量是反映親溞繁殖能力的主要指標(biāo),設(shè)置的0.01、0.05、0.10、0.15、0.20和0.30mgC•(溞•d)–1食物濃度組所產(chǎn)幼溞數(shù)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為33、6810、11816、16415、20522和23120,表明隨著食物濃度的增加,親溞繁殖幼溞的數(shù)量也相應(yīng)增加,且在不同食物濃度組之間均存在顯著性的差異(P<0.05)。當(dāng)喂食濃度達(dá)到0.05mgC•(溞•d)–1時(shí),親溞繁殖幼溞數(shù)量的平均值即能達(dá)到60只(大型溞繁殖試驗(yàn)的質(zhì)量控制要求之一),因此,對(duì)于易吸附于藻細(xì)胞或被藻細(xì)胞降解的化學(xué)物質(zhì),大型溞繁殖試驗(yàn)中可調(diào)整食物濃度為0.05—0.1mgC•(溞•d)–1,有利于受試物暴露濃度的維持。

關(guān)鍵詞:

大型溞;斜生柵藻;食物濃度;生長(zhǎng);繁殖

1前言

大型溞(Daphniamagna)屬節(jié)肢動(dòng)物門(mén)(Arthropoda)、甲殼動(dòng)物綱(Crustacea),在世界范圍分布廣泛[1],處在水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的第二級(jí)(初級(jí)消費(fèi)者),具有重要的生態(tài)學(xué)地位。大型溞體形小、易于實(shí)驗(yàn)操作和繁殖、全年可獲得,主要以孤雌生殖方式進(jìn)行繁殖,易于得到基因型一致的單克隆個(gè)體,對(duì)有毒物質(zhì)敏感性高[2],被作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試生物廣泛應(yīng)用于有毒物質(zhì)在生態(tài)毒理學(xué)上的急性和慢性毒性研究[3]。標(biāo)準(zhǔn)化的大型溞繁殖試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果是歐盟REACH(Registration,Evaluation,Authization,andRestrictionofChemicals)法規(guī)中產(chǎn)量超過(guò)10噸•年1的化學(xué)品必需提供的慢性毒性數(shù)據(jù),也是我國(guó)新化學(xué)物質(zhì)注冊(cè)登記中二級(jí)及以上申報(bào)應(yīng)提交的慢性毒性數(shù)據(jù)。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(ganizationfEconomicCo–operationandDevelopment,OECD)經(jīng)過(guò)一系列的對(duì)比試驗(yàn),在1998年更新的化學(xué)品測(cè)試指南-大型溞繁殖試驗(yàn)導(dǎo)則(OECD211)中推薦使用經(jīng)過(guò)基因型鑒定的大型溞品系(如來(lái)源于法國(guó)IRCHA的品系A(chǔ))作為受試生物,且要求在0.1—0.2mgC•(溞•d)–1的食物濃度下,需滿(mǎn)足試驗(yàn)期間空白對(duì)照組存活親溞所產(chǎn)幼溞的平均值不少于60只的質(zhì)量控制要求[4]。上述內(nèi)容,盡管經(jīng)過(guò)2008年至2012年的多次改版更新也一直維持不變[5–6]。

為大型溞提供碳源的食物通常為淡水藻類(lèi)細(xì)胞,如小球藻(Chlellasp.)、羊角月牙藻(Selenatrumcapricnutum)和柵藻(Scenedesumssubspicatus)[6–7]。食物濃度是影響溞類(lèi)繁殖的重要因素之一[8–9],在適當(dāng)?shù)氖澄餄舛确秶鷥?nèi),提供的食物濃度越高親溞產(chǎn)幼溞的數(shù)量就越多[8,10],更容易滿(mǎn)足空白對(duì)照組親溞所產(chǎn)幼溞數(shù)量的質(zhì)控要求。但是在化學(xué)品測(cè)試中,藻細(xì)胞可吸附某些化學(xué)物質(zhì)甚至對(duì)化學(xué)物質(zhì)具有降解性[11–16],過(guò)高的食物濃度將導(dǎo)致受試物暴露濃度下降,無(wú)法在試驗(yàn)期間維持穩(wěn)定。此外,高濃度的食物也會(huì)使試驗(yàn)溶液變得渾濁、減少了親溞的活動(dòng)空間,可能會(huì)影響親溞的生長(zhǎng)和繁殖。本研究以分離自中國(guó)本土水生環(huán)境的大型溞作為受試生物,通過(guò)設(shè)計(jì)一組不同食物濃度水平的試驗(yàn),考察不同食物濃度組中大型溞的生長(zhǎng)和繁殖情況,并將其與質(zhì)控要求進(jìn)行對(duì)比,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)推薦的食物濃度范圍進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。過(guò)去,國(guó)內(nèi)外大型溞繁殖的相關(guān)研究中大多以細(xì)胞數(shù)量•mL–1表示食物濃度[17–21],而OECD、ISO和國(guó)內(nèi)的化學(xué)品測(cè)試方法[6,22–23]中,大型溞繁殖試驗(yàn)均要求以mgC•(溞•d)–1來(lái)表示食物濃度。因此,為了提高來(lái)自不同地區(qū)和實(shí)驗(yàn)室的研究數(shù)據(jù)的可比性,提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)數(shù)據(jù)的可利用性,本研究對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛采用作食物的斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)液的細(xì)胞數(shù)量、吸光度和總有機(jī)碳(TOC)濃度之間的相互關(guān)系也作出有意義的探討。

2材料和方法

2.1供試生物大型溞(Daphniamagna),引自沈陽(yáng)化工研究院安全評(píng)價(jià)中心,分離于國(guó)內(nèi)的水生環(huán)境。大型溞在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行長(zhǎng)期的培養(yǎng)和繁殖,試驗(yàn)前,在試驗(yàn)條件下馴養(yǎng)了3代以上。馴養(yǎng)過(guò)程中,采用ElendtM4培養(yǎng)基,每周更換3次,并投以濃縮的斜生柵藻液作為食物。選擇出生小于24h的幼溞作為試驗(yàn)的親溞用于試驗(yàn)。

2.2食物斜生柵藻(Scenedesmusobliquus),購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院野生生物種質(zhì)庫(kù)——淡水藻種庫(kù)。在經(jīng)過(guò)滅菌的OECD201培養(yǎng)基[11]中接入斜生柵藻種,在23℃±2℃、約5000lx連續(xù)光照的條件下培養(yǎng),收集處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期或穩(wěn)定期的藻液,經(jīng)過(guò)8000r•min–1離心5min,收集藻細(xì)胞,再用去離子水懸浮,定量投喂于大型溞馴養(yǎng)容器中。

2.3試驗(yàn)用水試驗(yàn)用水為OECD、ISO和國(guó)內(nèi)的化學(xué)品測(cè)試方法[6,22–23]推薦的ElendtM4培養(yǎng)基。pH值范圍在7.59—8.65之間、總硬度(以CaCO3計(jì))范圍在220—270mg•L–1之間、溶解氧濃度范圍在9.0—9.7mg•L–1之間。

2.4試驗(yàn)條件溫度:20℃±1℃;光照周期:16h光照/8h黑暗;光照強(qiáng)度:600lx—1200lx;承載量為1只親溞•80mL培養(yǎng)基–1。

2.5藻液中細(xì)胞數(shù)量、吸光值與總有機(jī)碳(TOC)的測(cè)定方法離心收集獲得的藻細(xì)胞,加入去離子水懸浮和洗滌2—3次,最后加入適量的去離子水懸浮得到藻細(xì)胞濃縮液。用去離子水稀釋藻細(xì)胞濃縮液,得到5個(gè)不同稀釋倍數(shù)的藻細(xì)胞稀釋液,標(biāo)記為1—5。以去離子水調(diào)零,采用T6紫外–可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定各樣品在波長(zhǎng)440nm下的吸光值和采用LiquiTOCⅡ型總有機(jī)碳/總氮分析儀測(cè)定各樣品的TOC濃度,同時(shí),在光學(xué)顯微鏡下對(duì)各樣品中藻細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.6大型溞繁殖試驗(yàn)方法依據(jù)OECD、ISO和國(guó)內(nèi)的化學(xué)品測(cè)試方法的大型溞繁殖試驗(yàn)方法[6,22–23],試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)食物濃度組,分別為T(mén)10.01mgC•(溞•d)–1、T20.05mgC•(溞•d)–1、T30.10mgC•(溞•d)–1、T40.15mgC•(溞•d)–1、T50.20mgC•(溞•d)–1和T60.30mgC•(溞•d)–1。每個(gè)食物濃度組設(shè)置10個(gè)平行(容器),每個(gè)平行含1只親溞和80mLElendtM4培養(yǎng)基。試驗(yàn)期間,各食物濃度組每天投喂相應(yīng)濃度的藻細(xì)胞濃縮液,每2天更新一次ElendtM4培養(yǎng)基。試驗(yàn)期間,每天觀察親溞的外觀和存活情況,及時(shí)移除產(chǎn)生的幼溞并計(jì)算存活幼溞的數(shù)量,記錄親溞的死亡率、所產(chǎn)幼溞的數(shù)量、初次生殖時(shí)間和總生殖胎數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),測(cè)定所有存活親溞的體長(zhǎng)。

2.7數(shù)據(jù)處理采用OfficeExcel2007軟件進(jìn)行線(xiàn)性回歸的分析。采用SPSS16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(LSD法),統(tǒng)計(jì)顯著水平設(shè)定為P<0.05。

3結(jié)果

3.1藻液細(xì)胞數(shù)量、吸光度與總有機(jī)碳(TOC)濃度之間的線(xiàn)性關(guān)系分析結(jié)果見(jiàn)表1和表2。各線(xiàn)性方程的相關(guān)系數(shù)r均大于0.917(P<0.01),說(shuō)明采用細(xì)胞計(jì)數(shù)法、光密度法和總有機(jī)碳分析法測(cè)定的藻液細(xì)胞數(shù)量、吸光度和總有機(jī)碳濃度之間的線(xiàn)性相關(guān)性極顯著,三種測(cè)定結(jié)果有明顯的可比性。

3.2大型溞繁殖試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1親溞的死亡率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。各組親溞的死亡率均滿(mǎn)足≤20%的試驗(yàn)有效性要求。經(jīng)過(guò)Cochran–Armitage趨勢(shì)檢驗(yàn),結(jié)果顯示,各組的親溞死亡率不遵循濃度–效應(yīng)模型,也就是說(shuō)在0.01—0.30mgC•(溞•d)–1的食物濃度范圍對(duì)親溞的死亡并無(wú)造成顯著影響[6]。可判斷T1和T5組的親溞死亡為偶然因素引起的,因此,在親溞所產(chǎn)存活幼溞數(shù)量的結(jié)果分析中排除死亡親溞所產(chǎn)的幼溞數(shù)[6]。

3.2.2存活親溞的體長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖1。經(jīng)方差分析和多重比較(LSD法),表明除了T5與T6組之間存活親溞體長(zhǎng)的平均值無(wú)顯著性差異(P>0.05)之外,其余各組之間存活親溞體長(zhǎng)的平均值均存在顯著性差異(P<0.05)。說(shuō)明食物的濃度也可顯著地影響大型溞的體長(zhǎng)增長(zhǎng)。

3.2.3親溞所產(chǎn)幼溞的數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖2。試驗(yàn)期間,各組親溞所產(chǎn)幼溞都沒(méi)有出現(xiàn)死亡的現(xiàn)象。經(jīng)方差分析和多重比較(LSD法),結(jié)果表明,各組所產(chǎn)幼溞的數(shù)量之間均存在顯著性差異(P<0.05)。說(shuō)明在本研究的食物濃度范圍內(nèi),隨著食物濃度的增加,親溞繁殖幼溞的數(shù)量也相應(yīng)增加。當(dāng)喂食濃度達(dá)到0.05mgC•(溞•d)–1時(shí),親溞繁殖幼溞數(shù)量的平均值即能達(dá)到大于60只。另外,除了T1組,其它組親溞所產(chǎn)幼溞數(shù)量的平均值的變異系數(shù)范圍為8.4%—13.8%,均小于25%,說(shuō)明整個(gè)試驗(yàn)體系的運(yùn)行良好[6,23]。

3.2.4親溞的體色、初次生殖時(shí)間和總生殖胎數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。為了讓低食物濃度組(如T2)親溞的總繁殖胎數(shù)盡可能達(dá)到5胎,試驗(yàn)延長(zhǎng)了1天,總試驗(yàn)天數(shù)為22天。試驗(yàn)期間,T1組親溞體色變白,生長(zhǎng)緩慢,懷卵量少或不懷卵,表明食物嚴(yán)重缺乏導(dǎo)致大型溞的代謝、生長(zhǎng)和生殖異常[24–25],而T2–6組親溞的體色均正常。同時(shí),T1組親溞的初次生殖時(shí)間和總生殖胎數(shù)與T2–6組相比存在顯著性差異(P<0.05),但是,T2–6組親溞的初次生殖時(shí)間和總生殖胎數(shù)之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。說(shuō)明當(dāng)食物濃度低于0.05mgC•(溞•d)–1可能會(huì)顯著延遲大型溞的生殖時(shí)間間隔[24]。

4討論

4.1食物濃度的合適表征指標(biāo)和定量分析方法基于生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)理論[26],在大型溞繁殖試驗(yàn)體系中,大型溞的繁殖能力與試驗(yàn)體系中的能量輸入直接相關(guān),也就是說(shuō)食物提供的能量決定了大型溞的繁殖能力。細(xì)胞計(jì)數(shù)法是藻類(lèi)生物量的基本測(cè)定方法,是確定其它測(cè)定方法是否有效的依據(jù)[27–28]。但是,不同藻種的細(xì)胞大小不同,營(yíng)養(yǎng)組成和含量也會(huì)存在差異[29],因此,細(xì)胞數(shù)量并不能準(zhǔn)確表征不同種類(lèi)食物的能量差異[30]。藻液的總有機(jī)碳濃度被認(rèn)為是表征藻液能量水平差異的合適指標(biāo)[7,30]。藻液的總有機(jī)碳濃度測(cè)定需要較高的成本和消耗較長(zhǎng)的時(shí)間。在本研究中,斜生柵藻液不同稀釋倍數(shù)的稀釋液中的細(xì)胞數(shù)量、吸光度和總有機(jī)碳濃度三者兩兩之間的線(xiàn)性方程具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性,表明可用細(xì)胞計(jì)數(shù)法和光密度法準(zhǔn)確、間接地測(cè)定藻液的總有機(jī)碳濃度。但是,細(xì)胞計(jì)數(shù)法易受人為因素的影響,且在細(xì)胞密度過(guò)低或過(guò)高時(shí)誤差較大,相比較而言,光密度法比細(xì)胞計(jì)數(shù)法更為簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確和高效,這與孫欣、黃美玲研究的結(jié)論是一致的[27–28]。另外,由于不同藻種的細(xì)胞形狀、大小不同,營(yíng)養(yǎng)組成和含量也會(huì)存在差異[29],因此,不同藻液的細(xì)胞數(shù)量或吸光度與總有機(jī)碳濃度的線(xiàn)性方程也應(yīng)該會(huì)不同[30]。根據(jù)本研究中斜生柵藻的細(xì)胞數(shù)量與總有機(jī)碳濃度之間的線(xiàn)性方程,可以比較同樣以斜生柵藻為食物的大型溞慢性毒性研究之間由于食物濃度的不同而帶來(lái)的差異。如熊勤犁等以每天投放濃度為90000個(gè)•mL–1的斜生柵藻[以方程Y=0.2638X+1.8383計(jì)算,相當(dāng)于0.33mgC•(溞•d)–1的食物濃度]研究大型溞的慢性毒性,空白對(duì)照組每只親溞產(chǎn)幼溞數(shù)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為161±19[31],與本研究結(jié)果存在有一定的差異,可能與試驗(yàn)條件不完全相同或者采用的溞種基因型存在差異相關(guān)[32]。

4.2食物濃度與大型溞的生長(zhǎng)和繁殖的關(guān)系

4.2.1不同食物濃度對(duì)大型溞體長(zhǎng)的影響本研究表明,隨著食物濃度的增加,大型溞的體長(zhǎng)也相應(yīng)地增長(zhǎng)[24–25]。但是,當(dāng)食物物濃度達(dá)到0.2mgC•(溞•d)–1時(shí),大型溞的體長(zhǎng)就基本達(dá)到最大值4.26mm左右,此時(shí),即使再提高食物濃度也不會(huì)使其體長(zhǎng)顯著增長(zhǎng)。此結(jié)果,與羅曉霞和劉正文研究的在同一個(gè)100mL試驗(yàn)體系中以食物濃度范圍為0.25—20mgC•L–1【相當(dāng)于0.0025—0.20mgC•(溞•d)–1】飼養(yǎng)10只對(duì)擬同形溞(Daphniasimiloides)得到的體長(zhǎng)變化結(jié)果[24]是一致的。

4.2.2不同食物濃度對(duì)大型溞繁殖的影響幼溞的數(shù)量是反映親溞繁殖能力的主要指標(biāo)[6–7]。在本研究中,0.01、0.05、0.10、0.15、0.20和0.30mgC•(溞•d)–1食物濃度組所產(chǎn)幼溞數(shù)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為3±3、68±10、118±16、164±15、205±22和231±20,統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果表明各食物濃度組所產(chǎn)幼溞數(shù)量的平均值之間均存在顯著性差異(P<0.05),表明食物濃度越高,大型溞生殖幼溞的數(shù)量就越多[8,10]。羅曉霞和劉正文的研究表明食物濃度過(guò)高或過(guò)低均不利于溞類(lèi)的繁殖[24]。在本研究中,高食物濃度組中并未出現(xiàn)造成大型溞生殖幼溞的數(shù)量下降的情況,可能是設(shè)置的食物濃度還未足夠高;而當(dāng)食物濃度低至0.01mgC•(溞•d)–1時(shí),大型溞生殖幼溞的數(shù)量急劇下降,與Sims[8]的研究結(jié)果也相一致。

4.2.3大型溞繁殖試驗(yàn)中食物濃度的選擇在本研究中,當(dāng)食物濃度為0.05mgC•(溞•d)–1時(shí),親溞生殖幼溞的數(shù)量的平均值為68只,就能滿(mǎn)足OECD、ISO和國(guó)內(nèi)的大型溞繁殖試驗(yàn)方法[6,22–23]對(duì)每只親溞所產(chǎn)存活幼溞的平均值≥60只的有效性要求,但是食物濃度低于其推薦的0.1—0.2mgC•(溞•d)–1范圍。因此,對(duì)于能吸附于藻細(xì)胞或被藻細(xì)胞降解的化學(xué)物質(zhì)[11–16]的大型溞繁殖試驗(yàn)測(cè)試,可調(diào)整食物濃度在0.05—0.1mgC•(溞•d)–1范圍,有利于受試物暴露濃度的維持。此外,在本研究中,0.20—0.30mgC•(溞•d)–1的食物濃度會(huì)使試驗(yàn)溶液比較渾濁,但是并未發(fā)現(xiàn)對(duì)親溞的繁殖能力造成影響。但是,由于食物濃度達(dá)到0.2mgC•(溞•d)–1時(shí),大型溞的體長(zhǎng)增長(zhǎng)就基本達(dá)到最大值,因此在大型溞繁殖試驗(yàn)中也不建議采用高于0.2mgC•(溞•d)–1的食物濃度。

4.3國(guó)內(nèi)本土大型溞品種的遺傳學(xué)信息采用分離自中國(guó)本土的大型溞品種作為試驗(yàn)生物,嚴(yán)格按照OECD的大型溞繁殖試驗(yàn)方法[6]的條件開(kāi)展試驗(yàn),是完全能滿(mǎn)足試驗(yàn)有效性的要求的。然而,OECD建議對(duì)大型溞的遺傳學(xué)信息進(jìn)行鑒定[6]。國(guó)外已有不少研究鑒定了不同品系的大型溞的遺傳學(xué)信息存在差異[32],Baird等的研究也表明大型溞的遺傳學(xué)信息差異會(huì)影響大型溞對(duì)毒物的敏感性[32]。但是,國(guó)內(nèi)對(duì)大型溞遺傳學(xué)的研究報(bào)道較少,因此,鑒定國(guó)內(nèi)大型溞品種的遺傳學(xué)信息并與國(guó)外的相關(guān)研究數(shù)據(jù)相比較,可能可以獲得更多有意義的信息。

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作者:陳進(jìn)林 梅承芳 高亮 梁笑婷 林振姍 曾國(guó)驅(qū) 許玫英 孫國(guó)萍 單位:廣東省微生物分析檢測(cè)中心 生態(tài)毒理與環(huán)境安全實(shí)驗(yàn)室 廣東省微生物研究所 廣東省菌種保藏與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 省部共建華南應(yīng)用微生物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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