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        溫度、鹽度和光照對(duì)一株有毒利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響研究

        2012-10-13 08:14:24于仁成馮振洲李?lèi)?ài)峰周名江
        海洋科學(xué) 2012年12期
        關(guān)鍵詞:甲藻赤潮鹽度

        徐 杏, 于仁成, 羅 璇, 馮振洲, 李?lèi)?ài)峰, 顏 天, 周名江, 白 潔

        (1. 中國(guó)海洋大學(xué) 教育部海洋環(huán)境與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東青島266071)

        目前, 有害赤潮已經(jīng)成為全球性的海洋環(huán)境問(wèn)題, 對(duì)人類(lèi)健康、自然生態(tài)和海水養(yǎng)殖構(gòu)成了巨大威脅[1-2]。其中, 有毒藻形成的有害赤潮尤其令人關(guān)注。有毒赤潮藻能夠產(chǎn)生藻毒素, 在貝類(lèi)和魚(yú)類(lèi)體內(nèi)累積, 并沿食物鏈傳遞, 危害高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的海洋生物, 甚至危及人類(lèi)健康。常見(jiàn)的藻毒素包括麻痹性貝毒(Paralytic Shellfish Poison), PSP)、腹瀉性貝毒(Diarrhetic Shellfish Poison, DSP)、神經(jīng)性貝毒(Neurotoxic Shellfish Poison, NSP)、記憶缺失性貝毒(Amnesic Shellfish Poison, ASP)和西加魚(yú)毒素(Ciguatera Fish Poison, CFP)等[3]。其中, DSP 毒素是近年來(lái)受到密切關(guān)注的一類(lèi)藻毒素[4-5]。

        在以往研究中, 通常將 DSP毒素分為三類(lèi): 即酸性毒素大田軟海綿酸(Okadaic acid, OA)及其衍生物鰭藻毒素(Dinophysistoxins, DTXs), 聚醚內(nèi)酯類(lèi)毒素(Pectenotoxins, PTXs)和帶有硫酸基團(tuán)的聚醚類(lèi)毒素(Yessotoxins, YTXs)。但是, 后兩類(lèi)毒素實(shí)際上不會(huì)導(dǎo)致腹瀉癥狀[6], 而 OA和DTX毒素能夠抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶PP1和PP2A, 從而誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的超磷酸化, 不僅會(huì)使中毒患者出現(xiàn)腹瀉等癥狀, 而且會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡, 具有促進(jìn)腫瘤形成的長(zhǎng)期毒性效應(yīng)[7]。因此, OA和DTX等DSP毒素是水產(chǎn)品質(zhì)量控制中需要密切關(guān)注的一類(lèi)毒素, 迫切需要開(kāi)展全面的檢測(cè)和分析工作。但是, DSP標(biāo)準(zhǔn)毒素價(jià)格昂貴, 這在很大程度上制約著對(duì) DSP毒素檢測(cè)和分析工作的開(kāi)展。

        根據(jù)以往文獻(xiàn)報(bào)道, 鰭藻屬(Dinophysis)和原甲藻屬(Prorocentrum)中的一些藻種能夠產(chǎn)生 DSP毒素,如Dinophysis fortii,D. acuminata,D. acuta,D.norvegica,D. mitra,D. rotundata,D. tripos,D. caudata, D. hastate, D. sacculus和Prorocentrum lima、P.concavum、P. redfieldi等[4,8-9]。但鰭藻屬中藻種的培養(yǎng)非常困難[4,10-11], 近年來(lái)雖然有所突破[12], 但要依靠現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鰭藻的大量連續(xù)培養(yǎng)仍然存在問(wèn)題。因此, 從實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的利瑪原甲藻中分離純化DSP毒素是獲取DSP毒素的重要來(lái)源[13]。

        在我國(guó), DSP毒素污染問(wèn)題比較突出。對(duì)我國(guó)沿海貝類(lèi)中毒素污染情況進(jìn)行的調(diào)查顯示, 遼東灣、膠州灣、萊州灣、秦皇島、福建等地沿海的貝類(lèi)均有受到DSP毒素污染的報(bào)道[2,4,14-16]。1998年9~10月,渤海灣曾發(fā)生大面積赤潮, 其原因種之一就是能夠產(chǎn)生 DSP毒素的倒卵形鰭藻[17]。可見(jiàn), 在我國(guó)開(kāi)展DSP毒素的研究非常重要。本文針對(duì)一株利瑪原甲藻(Prorocentrum limaDodge), 分析其毒素產(chǎn)生情況,并通過(guò)設(shè)計(jì)多因子實(shí)驗(yàn)探討了溫度、鹽度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響, 以期獲得這株利瑪原甲藻的最適培養(yǎng)條件, 為開(kāi)展 DSP研究奠定基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 藻種

        利瑪原甲藻購(gòu)自美國(guó) Bigelow海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室海洋浮游植物培養(yǎng)中心 (Provasoli-Guillard National Center for Culture of Marine Phytoplankton, CCMP),藻株編號(hào)CCMP1966。

        1.2 培養(yǎng)條件

        培養(yǎng)利瑪原甲藻所用的海水取自中國(guó)科學(xué)院海洋研究所水族樓, 是經(jīng)沙濾處理后的青島匯泉灣天然海水, 鹽度為31, pH為7.9±0.1, 海水以0.45 μm混合纖維濾膜過(guò)濾后, 煮沸滅菌, 并轉(zhuǎn)至高壓滅菌的錐形瓶?jī)?nèi), 添加 f/2-Si培養(yǎng)液后, 接入利瑪原甲藻,在 20 °C, 4 800 lx下培養(yǎng), 光暗比為 12 h∶12 h。

        1.3 毒性測(cè)試與毒素分析

        利瑪原甲藻毒性的測(cè)試采用小鼠腹腔注射法,用于毒性測(cè)試的昆明系小白鼠(體重為20 g±1 g)購(gòu)自青島藥物研究所。取穩(wěn)定期的利瑪原甲藻培養(yǎng)液300 mL, 濾至玻璃纖維濾膜上, 用剪刀剪碎后, 加入甲醇/丙酮提取液(體積比40∶60, 含0.3%乙酸)4 mL,振蕩4 min后, 靜置提取過(guò)夜。提取液以8 000 r/min離心8 min, 取出上清液至10 mL容量瓶中, 重復(fù)提取一次, 合并上清液, 定容至 10 mL, 置于-20°C保存。分別取0.9, 3, 5.1 mL藻毒素提取液, 氮?dú)獯蹈珊? 加入3 mL 1% 吐溫-60試劑溶解后, 分別取1 mL腹腔注射3只小白鼠。對(duì)照組直接注射1%吐溫-60試劑。觀(guān)察其存活狀況24 h。

        采用液-質(zhì)聯(lián)用方法對(duì)利瑪原甲藻產(chǎn)生的毒素進(jìn)行分析。將培養(yǎng)的利瑪原甲藻藻液200 mL過(guò)濾到玻璃纖維濾膜上, 剪碎, 置于 7 mL離心管中, 加入3mL酸化甲醇水提取液(甲醇: 0.05 mol/L乙酸= 9∶1), 振蕩1 min后, 置于超聲水浴中超聲處理10 min,于4℃下靜置提取過(guò)夜, 提取液8 000 r/min 離心10 min后, 取上清液以0.22 μm濾膜過(guò)濾, 濾液用于分析 DSP毒素成分。毒素分析采用美國(guó)熱電公司(ThermoFinnigan, San Jose, CA, USA)制造的LC-MS系統(tǒng), 其中 HPLC系統(tǒng)配備低壓混合四元泵和自動(dòng)進(jìn)樣器, 質(zhì)譜檢測(cè)器為Finnigan LCQTMDeca XP Plus離子阱檢測(cè)器, 配備ESI離子化源。通過(guò)OA標(biāo)準(zhǔn)毒素的流動(dòng)注射分析, 優(yōu)化質(zhì)譜檢測(cè)器參數(shù)為: 毛細(xì)管溫度275°C, 離子噴射電壓3.0 kV, 鞘氣流35 arb,毛細(xì)管電壓23 V, 入口透鏡電壓為-74 V, 透鏡電壓為-18 V, 電子管透鏡補(bǔ)償為25 V, 多孔補(bǔ)償電壓1為-4.5 V, 多孔補(bǔ)償電壓2為-9.5 V, 多孔射頻振幅為 400 Vp-p。采用選擇離子檢測(cè)(selective ion monitoring, SIM)方式, 在陽(yáng)離子檢測(cè)模式下檢測(cè)OA和DTX1, 每一毒素分別檢測(cè)三種陽(yáng)離子, 質(zhì)荷比分別為[OA+H]+: 805.0; [OA+NH4]+: 822.0; [OA+Na]+:827.0; [DTX1+H]+: 819.0; [DTX1+NH4]+: 836.0;[DTX1+Na]+: 841.0。用于分離OA和DTX毒素的色譜柱為PhenomenexLuna C18柱(150×2.0 mm, 3 μm,100 ?), 配備C18保護(hù)柱套(PhenomenexATO-4287,4×3 mm)。采用兩相洗脫液, 洗脫液A為水溶液, 含有2 mmol/L甲酸和 50 mmol/L甲酸銨, 洗脫液B為95%乙腈溶液, 含有2 mmol/L甲酸和 50 mmol/L甲酸銨。用30%洗脫液A 和70%洗脫液B等梯度洗脫,流速 150 μL/min。樣品注射量 10 μL。用于對(duì)比的OA和DTX1標(biāo)準(zhǔn)毒素分別購(gòu)自加拿大國(guó)家科學(xué)院海洋生物學(xué)研究所和日本。

        1.4 多因子影響實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        實(shí)驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院海洋研究所水族樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。選擇溫度、鹽度和光照三種環(huán)境因子, 根據(jù)這株利瑪原甲藻分離地環(huán)境條件及實(shí)驗(yàn)室條件, 對(duì)三種因子分別選取三個(gè)水平, 其中溫度為18、21和24°C,鹽度為28、32和36, 光照強(qiáng)度為2 500、5 000和7 500 lx, 進(jìn)行多因子影響實(shí)驗(yàn), 總計(jì)27個(gè)處理組, 每組設(shè)置三個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)在人工光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行, 容器為100 mL玻璃錐形瓶, 事先經(jīng)高壓滅菌消毒。實(shí)驗(yàn)中所用的不同鹽度海水是通過(guò)以蒸餾水稀釋天然海水、或向天然海水中補(bǔ)加氯化鈉獲得。接種用的利瑪原甲藻為處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期中期的藻, 其中, 用于接種不同鹽度實(shí)驗(yàn)組的藻預(yù)先在各實(shí)驗(yàn)鹽度下進(jìn)行適應(yīng)培養(yǎng)后再用于接種。

        對(duì)各處理組中的利瑪原甲藻進(jìn)行觀(guān)察, 并從培養(yǎng)當(dāng)天(0天)開(kāi)始取樣計(jì)數(shù), 此后每隔2天取樣一次,樣品以魯格試液(Lugol’s solution)固定后, 在顯微鏡下用浮游植物計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù), 記錄細(xì)胞密度, 并計(jì)算細(xì)胞比增長(zhǎng)率μ:

        其中:Bt1和Bt2分別是培養(yǎng)t1和t2天后的細(xì)胞密度,t1和t2為培養(yǎng)天數(shù)。

        1.5 統(tǒng)計(jì)分析

        應(yīng)用多因素方差分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過(guò)F檢驗(yàn)分析各環(huán)境因子不同處理水平對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)影響的顯著性, 按概率(P<0.05)設(shè)置顯著性檢驗(yàn)閾值。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 利瑪原甲藻的DSP毒性與毒素成分分析

        通過(guò)小鼠生物測(cè)試法對(duì)培養(yǎng)利瑪原甲藻的 DSP毒性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果如表1所示, 注射利瑪原甲藻提取液的實(shí)驗(yàn)組都有小鼠死亡現(xiàn)象出現(xiàn), 而且, 隨著毒素提取液注射量的增加, 死亡小鼠比例增加。實(shí)驗(yàn)中對(duì)照組小鼠未死亡??梢钥闯? 培養(yǎng)的利瑪原甲藻具有DSP毒性, 可能產(chǎn)生DSP毒素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 實(shí)驗(yàn)組2(注射1.0 mL提取液)毒性最接近1個(gè)鼠單位, 以此計(jì)算, 每100 mL 培養(yǎng)液中利瑪原甲藻的毒性應(yīng)在 3.3 MU(mouse unit, 鼠單位)左右。

        應(yīng)用液-質(zhì)聯(lián)用分析方法, 通過(guò)與OA和DTX1標(biāo)準(zhǔn)毒素進(jìn)行對(duì)比, 對(duì)利瑪原甲藻提取液中的 OA和DTX1毒素進(jìn)行了分析, 得到色譜圖如圖1所示。可以看出, 在利瑪原甲藻提取液中存在 OA和DTX1毒素。在針對(duì)每一毒素的三種陽(yáng)離子檢測(cè)結(jié)果中, 質(zhì)荷比為827.0和 841.0的陽(yáng)離子[OA+Na]+和[DTX1+Na]+信號(hào)最高, 而另外兩種陽(yáng)離子的信號(hào)較弱。對(duì)比 OA和DTX1標(biāo)準(zhǔn)毒素, 計(jì)算得到每100 mL培養(yǎng)的利瑪原甲藻中, OA和DTX1的含量分別為2.8 μg和6.8 μg。

        表1 利瑪原甲藻提取液DSP毒性的小鼠生物測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Mouse bioassay results on the DSP toxicity of Prorocentrum lima extract

        圖1 應(yīng)用液-質(zhì)聯(lián)用方法對(duì)利瑪原甲藻中OA和DTX1的分析結(jié)果Fig. 1 Analysis of OA and DTX1 in the extract of Prorocentrum lima cells with liquid chromatography-mass spectrometry

        2.2 溫度、鹽度和光照強(qiáng)度對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響

        采用比增長(zhǎng)率作為指標(biāo), 比較了不同水平的溫度、鹽度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響, 結(jié)果如圖2所示。應(yīng)用多因素方差分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表 2), 可以看出, 在三種環(huán)境因子中, 只有不同水平的鹽度對(duì)利瑪原甲藻的生長(zhǎng)具有顯著影響(F值為 5.45, 大于F0.05(2,54)=3.16), 對(duì)于不同水平的鹽度處理組, 鹽度為 28時(shí)利瑪原甲藻的比增長(zhǎng)率最高, 達(dá)到 0.18, 而當(dāng)鹽度分別為32和36的時(shí)候, 平均比增長(zhǎng)率為0.16。溫度和光照實(shí)驗(yàn)各水平對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響沒(méi)有顯著差異(F值分別為1.74和1.69, 小于F0.05(2, 54)=3.16),但低溫(18°C)和高光照(7 500 lx)下,利瑪原甲藻表現(xiàn)出了較高的比增長(zhǎng)率, 分別達(dá)到0.18和0.17。此外,溫度和鹽度及溫度和光照強(qiáng)度之間的交互作用對(duì)利瑪原甲藻的生長(zhǎng)也有顯著影響, 而鹽度和光照強(qiáng)度之間的交互作用沒(méi)有顯著影響, 三者之間的交互作用對(duì)利瑪原甲藻的生長(zhǎng)也沒(méi)有顯著影響。

        圖2 溫度、鹽度和光照強(qiáng)度分別對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響Fig. 2 The effects of temperature, salinity and light intensity on the growth of Prorocentrum lima

        表2 溫度、鹽度和光照強(qiáng)度對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的多因素方差分析結(jié)果(P<0.05)Tab. 2 Multifactor analysis of variance on the effects of temperature, salinity and light intensity on the growth of Prorocentrum lima

        3 討論

        利瑪原甲藻是一種重要的DSP產(chǎn)毒藻。但是, 目前國(guó)內(nèi)對(duì)于利瑪原甲藻的研究開(kāi)展的并不多[18-21],本實(shí)驗(yàn)初步分析了一株利瑪原甲藻的毒性情況, 并研究了溫度、鹽度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響, 以期建立最適培養(yǎng)條件, 為利瑪原甲藻的培養(yǎng)和DSP毒素研究提供依據(jù)。

        實(shí)驗(yàn)中通過(guò)小鼠生物測(cè)試法和液-質(zhì)聯(lián)用分析方法, 確定了所培養(yǎng)的利瑪原甲藻具有腹瀉性貝毒毒性, 并檢出了OA和DTX1兩種DSP毒素成分。對(duì)于其他可能存在的 DSP毒素, 由于缺少標(biāo)準(zhǔn)毒素,在此未作分析。目前, DSP小鼠生物測(cè)試法還是一種半定量的毒性測(cè)試方法, 無(wú)法給出準(zhǔn)確的毒性測(cè)試結(jié)果。但是, 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的毒素分析和毒性測(cè)試結(jié)果計(jì)算, 每100 mL培養(yǎng)的利瑪原甲藻中所含有的OA和DTX的量, 其毒性約為2.8 MU, 與小鼠生物測(cè)試法所得到的結(jié)果大致相當(dāng), 表明OA和DTX1應(yīng)當(dāng)是利瑪原甲藻所產(chǎn)生的主要毒素成分。

        由于利瑪原甲藻是一種底棲或附生性海洋甲藻,極少形成高密度藻華, 因此, 對(duì)于其生長(zhǎng)及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系研究不多。在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)[22-23], 利瑪原甲藻的豐度表現(xiàn)出一定的區(qū)域和季節(jié)差異。Carlson和Tindall[24]在Virgin Islands的調(diào)查發(fā)現(xiàn), 利瑪原甲藻豐度的變化和溫度有正相關(guān)性。Morton等[25]對(duì)從美國(guó)佛羅里達(dá)州采集的利瑪原甲藻進(jìn)行培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn)利瑪原甲藻的最適溫度是 27°C, 最適鹽度為 30, 最適光照強(qiáng)度為 10%全日光, 有關(guān)最適溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文有明顯不同。本實(shí)驗(yàn)中利瑪原甲藻(CCMP1996株)的最適溫度為 18°C, 最佳生長(zhǎng)鹽度為28, 而光照強(qiáng)度為7 500 lx。但是, 在各因子的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi), 不同水平的溫度和光照對(duì)于利瑪原甲藻的生長(zhǎng)并沒(méi)有顯著影響。由于本實(shí)驗(yàn)所用的利瑪原甲藻采自緬因?yàn)澈S? 水溫偏低, 因此, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異可能是藻株對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。

        利瑪原甲藻是底棲性或附生性甲藻, 盡管在實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)過(guò)程中, 有一部分藻細(xì)胞處于浮游狀態(tài), 但仍有相當(dāng)一部分藻細(xì)胞結(jié)合在一起, 呈絮狀或網(wǎng)狀附著在錐形瓶底, 給實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的取樣和計(jì)數(shù)帶來(lái)了很大的困難。以往文獻(xiàn)曾報(bào)道有多種能夠反映藻類(lèi)生長(zhǎng)的指標(biāo), 如細(xì)胞顯微計(jì)數(shù)、葉綠素a分析、分光光度法(比濁法)、庫(kù)爾特計(jì)數(shù)法、流式細(xì)胞儀計(jì)數(shù)[26-27]等, 但這些指標(biāo)在應(yīng)用于利瑪原甲藻生物量測(cè)定時(shí)都存在一定的問(wèn)題, 葉綠素 a含量測(cè)定耗時(shí)長(zhǎng), 不利于連續(xù)測(cè)定; 而分光光度法和其他幾種計(jì)數(shù)方法都會(huì)不同程度地受到絮狀結(jié)塊的利瑪原甲藻細(xì)胞影響, 降低測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。為盡可能準(zhǔn)確反映利瑪原甲藻生長(zhǎng)的情況, 我們選擇了傳統(tǒng)的顯微計(jì)數(shù)方法, 同時(shí)在取樣時(shí)振搖錐形瓶, 并用原培養(yǎng)液沖洗幾次培養(yǎng)瓶, 增加對(duì)每組實(shí)驗(yàn)的計(jì)數(shù), 以盡量降低取樣和計(jì)數(shù)誤差。此外, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn), 在藻細(xì)胞培養(yǎng)初期, 培養(yǎng)液中藻細(xì)胞密度相對(duì)較低,計(jì)數(shù)結(jié)果受誤差影響較大, 重現(xiàn)性低。進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后, 隨著藻細(xì)胞密度的逐漸增加, 取樣和計(jì)數(shù)誤差對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果的影響有所降低。因此, 為盡可能降低取樣和計(jì)數(shù)誤差的影響, 比增長(zhǎng)率的計(jì)算都選在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)初期進(jìn)行, 也就是從接種后一周左右開(kāi)始,計(jì)算此后10天里利瑪原甲藻的平均比增長(zhǎng)率, 用于數(shù)據(jù)分析。

        4 結(jié)論

        綜上所述, 本文對(duì)一株利瑪原甲藻進(jìn)行了室內(nèi)培養(yǎng)和毒性測(cè)試, 初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這株利瑪原甲藻可以產(chǎn)生OA和DTX1等DSP毒素。通過(guò)多因子實(shí)驗(yàn)研究了溫度、鹽度和光照強(qiáng)度對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)的影響, 結(jié)果表明不同水平的鹽度對(duì)利瑪原甲藻生長(zhǎng)有顯著影響, 而溫度和光照強(qiáng)度的影響并不顯著。在實(shí)驗(yàn)的溫度、鹽度和光照強(qiáng)度范圍內(nèi), 利瑪原甲藻在低溫(18°C)、低鹽(28)和高光照強(qiáng)度(7500 lx)條件下生長(zhǎng)較好。這些結(jié)果為利用利瑪原甲藻開(kāi)展DSP研究提供了基礎(chǔ)資料。

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