陳祖椿,張建樺,陳月碧,張 寧,郭昱嵩,王中鐸,董忠典,2
(1.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院/南海水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088;2.廣東省水產(chǎn)動(dòng)物病害防控與健康養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088)
鹽度是水生生物生存的重要影響因素,水體鹽度可能會(huì)影響污染物的理化性質(zhì)或生物富集污染物的能力[10],因而環(huán)境污染物在不同鹽度水體中對(duì)生物的毒性效應(yīng)可能不同。目前,雙酚類(lèi)物質(zhì)的水生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究主要集中在BPA 對(duì)斑馬魚(yú)等淡水物種的毒性方面[11-12],缺乏關(guān)于BPA 類(lèi)似物BPF 等對(duì)廣鹽性魚(yú)類(lèi)的毒性研究。海洋青鳉(Oryzias melastigma)是一種鹽度適應(yīng)性強(qiáng)的新興海洋生態(tài)毒理學(xué)模式生物[13],本研究在鹽度15(模擬半咸水環(huán)境)和30(模擬海水環(huán)境)條件下,將海洋青鳉胚胎暴露于不同濃度BPF,分析BPF對(duì)胚胎的毒性效應(yīng),為科學(xué)評(píng)估BPF對(duì)海洋環(huán)境的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。
海洋青鳉親本由廣東海洋大學(xué)南海水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)培育,培養(yǎng)的光暗周期為14 h/10 h,水溫(26±1)℃。實(shí)驗(yàn)用胚胎均產(chǎn)自同一批性成熟、健康無(wú)病的海洋青鳉親本。每日10:00用撈網(wǎng)撈起抱卵雌魚(yú),用手指輕推,剝離并收集受精卵,操作過(guò)程中避免雌魚(yú)損傷。
挑選卵徑基本一致、形態(tài)正常的胚胎進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)。暴露鹽度設(shè)為15和30,每個(gè)鹽度下BPF質(zhì)量濃度分別為0、1 μg/L、10 μg/L、100 μg/L、1 mg/L、10 mg/L。BPF 助溶劑為二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide,DMSO),所有組DMSO 體積分?jǐn)?shù)為0.01%[14]。每個(gè)處理設(shè)置4 個(gè)平行,每個(gè)平行中放置10 枚受精4 h左右的胚胎。當(dāng)日產(chǎn)胚胎于體式顯微鏡下人工剔除未受精胚胎和死亡胚胎,隨機(jī)置于12孔板的孔洞中,10枚/孔,將不同濃度暴露液轉(zhuǎn)移至相應(yīng)孔洞中??装逯糜冢?8±1)℃恒溫、光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)15 d,每24 h 更換1 次暴露液,照度1 745 lx,光暗周期為14 h/10 h。
每日在顯微鏡下觀察并記錄胚胎孵化和死亡情況,統(tǒng)計(jì)畸形數(shù)量和畸形類(lèi)型,及時(shí)清除死亡胚胎[15]。在胚胎發(fā)育過(guò)程中陸續(xù)有仔魚(yú)孵化出膜,每日更換暴露液時(shí)將各組孵化仔魚(yú)收集到新24 孔板中,用與該處理組相同的暴露液處理仔魚(yú),暴露液每24 h更換1次。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清除死亡仔魚(yú),計(jì)算仔魚(yú)出膜后7 d內(nèi)的存活率。
在實(shí)驗(yàn)6 d(受精后144 h)和9 d(受精后216 h)時(shí)統(tǒng)計(jì)胚胎心跳速率(下稱(chēng)“心率”)。將裝有胚胎的孔板置于體式顯微鏡下觀察胚胎心臟跳動(dòng),用顯微鏡配套觀察軟件錄制成時(shí)長(zhǎng)1 min 的AⅤI 視頻文件,觀察視頻中的心跳,用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。每個(gè)平行選取5 枚心臟跳動(dòng)明顯的胚胎進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)算各濃度處理組胚胎心率。
在胚胎孵化出仔魚(yú)后,在出膜后48 h 用小型魚(yú)類(lèi)行為學(xué)分析系統(tǒng)(ⅤiewPoint,法國(guó))分析其行為。將待測(cè)仔魚(yú)放入新的24 孔板中,每個(gè)孔洞僅1 尾仔魚(yú)。先依次在軟件上對(duì)每個(gè)孔根據(jù)其處理組進(jìn)行命名,再設(shè)定分析程序,分析時(shí)長(zhǎng)為15 min,記錄其游動(dòng)總距離,軟件每3 min 輸出1 次數(shù)據(jù),其中前3 min 為仔魚(yú)適應(yīng)階段,不計(jì)入結(jié)果。在測(cè)定過(guò)程中保持光照穩(wěn)定,避免噪音等其他外界環(huán)境因素干擾。每個(gè)處理組測(cè)定20尾仔魚(yú)的行為數(shù)據(jù)。
使用Excel 2018統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,使用SPSS Statistics 26、GraphPad Prism9 軟件進(jìn)行分析和繪圖。用雙因素方差分析(Two-way ANOⅤA)檢驗(yàn)鹽度和BPF對(duì)海洋青鳉胚胎的影響。
本研究中產(chǎn)生部分畸形胚胎,但數(shù)量較少。15鹽度下1 μg/L 處理組畸形率為13.3% ± 4.5%,包括4 個(gè)卵黃囊水腫和1 個(gè)卵膜破裂的胚胎;100 μg/L 處理組畸形率為5.0%±5.8%,包括2 個(gè)卵黃囊水腫的胚胎。在30 鹽度下10 μg/L 處理組的畸形率為2.8% ± 5.6%;10 mg/L 處理組的畸形率為3.6% ±7.2%。兩個(gè)處理組均發(fā)現(xiàn)1 個(gè)卵黃囊水腫的胚胎。其余處理組均未發(fā)現(xiàn)畸形胚胎。
曾經(jīng)有人指出,課堂教學(xué)是一個(gè)向著未知方向不斷深入的探索歷程,意外而美麗的風(fēng)景隨時(shí)都可能出現(xiàn)在路邊,因此我們的教學(xué)不能循著固定的路徑來(lái)進(jìn)行,否則課堂將缺乏意外的生成,也就無(wú)法激起學(xué)生創(chuàng)造的熱情.所以,教師應(yīng)該意識(shí)到高中化學(xué)的教學(xué)不應(yīng)該是一個(gè)預(yù)約的過(guò)程,而應(yīng)該是一個(gè)學(xué)生與教師、學(xué)生與教材碰撞和溝通的過(guò)程,只有將這一思想貫徹在化學(xué)教學(xué)中,學(xué)生才能看到那些意外而美麗的風(fēng)景.
表1可見(jiàn),在15鹽度下,隨著B(niǎo)PF暴露濃度的增加,海洋青鳉胚胎的孵化率雖與對(duì)照組無(wú)顯著差異,但有下降趨勢(shì)。在30鹽度下,隨著B(niǎo)PF暴露濃度的增加,胚胎孵化率呈降低趨勢(shì),100 μg/L、1 mg/L、10 mg/L 處理組顯著低于對(duì)照組(P<0.05),其中10 mg/L處理組顯著低于10 μg/L處理組(P<0.05)。對(duì)比相同BPF 濃度下不同鹽度的處理組,當(dāng)BPF 在100 μg/L 和10 mg/L 時(shí),30 鹽度下的孵化率顯著低于15鹽度,其余BPF處理濃度下雖無(wú)顯著差異,但也表現(xiàn)出30鹽度下孵化率低于15鹽度的趨勢(shì)。15鹽度下10 μg/L處理組較1 μg/L處理組出現(xiàn)了一定的孵化率回升趨勢(shì)。在30 鹽度下,10 μg/L 處理組較1 μg/L處理組也顯示出孵化率回升趨勢(shì),10 μg/L BPF處理組的孵化率平均值均高于其他BPF處理組。
表1 各處理組海洋青鳉胚胎孵化率和死亡率Table 1 Hatching rate and mortality rate of marine medaka in each treatment group
15 鹽度下,BPF 各濃度的胚胎死亡率與對(duì)照組均無(wú)顯著性差異。30 鹽度下,10 mg/L 處理組的死亡率平均值與對(duì)照組差異相對(duì)較大,在30鹽度下高濃度的BPF 具有明顯的胚胎致死效應(yīng)。在相同的BPF 處理濃度下,30 鹽度組的死亡率平均值均高于15鹽度組,在BPF濃度為10 mg/L時(shí),30鹽度組的死亡率顯著高于15鹽度組(P<0.05)。
在BPF 處理6 d 時(shí),15 鹽度下的1 mg/L 處理組心率最高,顯著高于對(duì)照組(DMSO 處理組)和其他濃度處理組(P<0.05);30 鹽度下隨著B(niǎo)PF 濃度的升高,海洋青鳉心率有降低趨勢(shì),10 mg/L 處理組心率最低,顯著低于對(duì)照組和其他濃度處理組,1 μg/L處理組心率平均值最高,1 mg/L 處理組心率顯著低于對(duì)照組和1 μg/L 處理組,10 μg/L 處理組心率也顯著低于1 μg/L 處理組(P<0.05)。當(dāng)BPF 處理濃度在1 μg/L 時(shí),30 鹽度組的心率顯著高于15 鹽度組(P<0.001)。而當(dāng)BPF 處理濃度在1 mg/L 及以上時(shí),30 鹽度組的心率顯著低于15 鹽度組(P<0.001),且BPF處理濃度越高,心率就越低(表2)。
表2 6 d和9 d時(shí)各處理組海洋青鳉胚胎心率Table 2 Heart rate of marine medaka embryos in each treatment group on day 6 and 9 次/min
在BPF處理9 d時(shí),15鹽度下10 mg/L處理組心率最低,顯著低于對(duì)照組和其他濃度處理組,1 mg/L處理組心率顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。當(dāng)BPF 處理濃度在1 μg/L、10 μg/L、100 μg/L 和1 mg/L 時(shí),30鹽度組的心率顯著低于15 鹽度組(P<0.001)。在對(duì)照組,30 鹽度時(shí)的心率同樣顯著低于15 鹽度時(shí)(P<0.000 1)。而當(dāng)BPF處理濃度在1 mg/L及以上時(shí),無(wú)論何種鹽度,心率均較低(表2)。
仔魚(yú)出膜7 d 內(nèi)死亡數(shù)量較少,各濃度下基本無(wú)死亡。15 鹽度下,100 μg/L 處理組死亡1 尾,死亡率為2.5%±5.0%,10 mg/L 處理組死亡2 尾,死亡率達(dá)到8.6%±10.2%。30鹽度下,DMSO和10 μg/L處理組均有1 尾死亡,死亡率分別為2.5% ± 5.0%、3.1% ± 6.3%。1 μg/L 和1 mg/L 處理組均有2 尾死亡,死亡率為7.7%±9.0%。
各處理組海洋青鳉仔魚(yú)運(yùn)動(dòng)平均總距離呈現(xiàn)一定波動(dòng),但在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖1)。在DMSO、1 μg/L、10 μg/L 處理組中,隨BPF 濃度上升,出膜48 h 的仔魚(yú)在12 min 內(nèi)運(yùn)動(dòng)總距離(由于10 mg/L 處理組出膜數(shù)量較少,故不參與行為學(xué)分析)有增加趨勢(shì)。在相同濃度下,鹽度30 的仔魚(yú)運(yùn)動(dòng)總距離平均值均高于鹽度15。
圖1 各處理組海洋青鳉仔魚(yú)運(yùn)動(dòng)總距離Fig.1 Total distance of movement of fries in each treatment group
畸形率、孵化率和死亡率是評(píng)價(jià)化學(xué)物質(zhì)對(duì)魚(yú)類(lèi)發(fā)育毒性和安全性的重要指標(biāo)。有研究指出,BPA 對(duì)斑馬魚(yú)胚胎的畸形率隨BPA 濃度的升高而增大[16];BPF 會(huì)對(duì)斑馬魚(yú)早期生命階段的內(nèi)分泌產(chǎn)生干擾,BPF 暴露下產(chǎn)生的畸形率會(huì)隨BPF 濃度的升高而增大[17];在對(duì)日本青鳉(Oryzias latipes)的研究中也發(fā)現(xiàn),BPA 在環(huán)境相關(guān)濃度下會(huì)引起青鳉的短暫性胚胎畸形[18]。本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的畸形胚胎數(shù)量較少,在15 鹽度下畸形總數(shù)和畸形率略多于30 鹽度,畸形類(lèi)型普遍為卵黃囊水腫,但未得出BPF 濃度和鹽度對(duì)海洋青鳉胚胎的畸形效應(yīng)。
在孵化率方面,任文娟等[19]研究顯示,斑馬魚(yú)孵化率隨著B(niǎo)PF 暴露濃度的升高而呈現(xiàn)階梯式下降。黃乾生等[20]在探究鹽度影響PFOS 對(duì)海洋青鳉的毒性時(shí)發(fā)現(xiàn),在30 鹽度下,對(duì)照組、1 mg/L、4 mg/L 和16 mg/L PFOS暴露組的孵化率均低于5鹽度條件下的同濃度組孵化率,本研究有類(lèi)似結(jié)果,較高的BPF暴露濃度對(duì)海洋青鳉胚胎孵化率也產(chǎn)生一定影響;鹽度對(duì)孵化率也存在影響,各處理組30鹽度下孵化率均有低于15 鹽度的趨勢(shì),說(shuō)明在較高鹽度環(huán)境下,污染物對(duì)海洋青鳉胚胎的孵化有更強(qiáng)的抑制作用。胚胎的成功孵化依賴(lài)于孵化酶的正常表達(dá)。高卵殼裂解酶(High choriolytic enzyme,HCE)和低卵殼裂解酶(Low choriolytic enzyme,LCE) 等兩種重要孵化酶的協(xié)同作用可催化絨毛膜的降解,促進(jìn)胚胎孵化[21]。有機(jī)污染物PFOS會(huì)造成HCE 和LCE的mRNA 表達(dá)異常,影響其活性[22]。海洋青鳉暴露于0.2和0.8 mg/L的四氯雙酚A(TCBPA)后,孵化酶HCE 和LCE 的表達(dá)水平均受顯著抑制[23]。本研究的高鹽度對(duì)海洋青鳉胚胎孵化率的影響可能是高鹽度導(dǎo)致HCE和LCE表達(dá)水平受抑制所致。
在非適宜鹽度環(huán)境下,污染物對(duì)生物的毒性往往增強(qiáng)。陸彬[24]在研究鹽度及兩種手性擬除蟲(chóng)菊酯對(duì)斑馬魚(yú)胚胎毒性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),順式聯(lián)苯菊酯外消旋體(cis-BF)對(duì)斑馬魚(yú)胚胎的急性毒性隨水體鹽度的升高而增強(qiáng),高鹽度增強(qiáng)了cis-BF 的毒性和斑馬魚(yú)胚胎對(duì)cis-BF的富集作用。本研究亦有類(lèi)似結(jié)果,在鹽度15 條件下,BPF 暴露濃度的上升并未顯著提升海洋青鳉的死亡率,但在30 鹽度條件下,10 mg/L BPF濃度暴露下的存活率比對(duì)照組出現(xiàn)較大程度下降,且顯著低于15鹽度下同BPF濃度暴露組,這表明高鹽度使BPF對(duì)海洋青鳉胚胎的毒性增強(qiáng)。
胚胎心率可判斷魚(yú)卵胚胎在毒性環(huán)境下的毒性效應(yīng),也是評(píng)價(jià)和分析毒性物質(zhì)的重要指標(biāo)之一[25]。Moreman[26]在研究雙酚類(lèi)化學(xué)品對(duì)斑馬魚(yú)的分子機(jī)制和健康影響時(shí)發(fā)現(xiàn),BPA、BPF、雙酚S和雙酚AF 均優(yōu)先靶向作用于斑馬魚(yú)的心臟,較高濃度BPA(2 500 μg/ L)暴露會(huì)誘導(dǎo)心房、心室不穩(wěn)定的搏動(dòng)配給,使心率降低;BPA 在暴露濃度為150 μg/L時(shí),會(huì)導(dǎo)致與離子轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞間通訊相關(guān)的許多基因下調(diào),這些功能對(duì)于維持規(guī)律的心率至關(guān)重要。Mu 等[27]研究發(fā)現(xiàn),斑馬魚(yú)胚胎暴露于0.000 5、0.5、5.0 mg/L的BPF時(shí),會(huì)導(dǎo)致心率下降;通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,心臟發(fā)育相關(guān)基因(klf2a)在暴露于0.000 5或0.5 mg/L BPF 后下調(diào)。本研究中,BPF 對(duì)海洋青鳉胚胎心率也有類(lèi)似影響,處理6 d 時(shí)的30 鹽度組和處理9 d 時(shí)的15 鹽度組,高濃度BPF(≥1 mg/L)也會(huì)導(dǎo)致心率下降,表明一定濃度的BPF 暴露對(duì)海洋青鳉胚胎心臟發(fā)育具有毒性效應(yīng),影響其心率。
鹽度對(duì)硬骨魚(yú)的心臟存在一定影響。海洋青鳉胚胎出膜前后(孵化后8、11 d)的平均心率隨著鹽度的增加而顯著增加[28],而在鹽度30、15、5 條件下,隨著鹽度的降低,全氟辛烷磺酸(PFOS)顯著上調(diào)了海洋青鳉胚胎中PPARα、PPARβ、COX-2和SMYD1等心臟發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)[20]。但本研究中,相對(duì)于鹽度15,鹽度30 條件下海洋青鳉心率往往較低。這可能是由不同鹽度下BPF 對(duì)心臟發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)的影響不同所致[29-30]。此外,在部分低BPF 濃度(1 μg/L)處理6 d 時(shí),鹽度30 心率比15 有升高趨勢(shì),這是由于在6 d 及以前,是機(jī)體器官的形成時(shí)期[31],較高的心率有利于心臟泵血,維持滲透壓平衡、為器官形成提供保障[32]。
魚(yú)類(lèi)仔魚(yú)出膜后7 d 內(nèi)存活率是評(píng)估污染物對(duì)其幼體毒性的重要參數(shù)。任文娟等[33]研究發(fā)現(xiàn),BPF 對(duì)斑馬魚(yú)成魚(yú)和胚胎有高度相近的致死率,成魚(yú)死亡率隨濃度升高而升高。本實(shí)驗(yàn)中仔魚(yú)死亡數(shù)和死亡率較小,未發(fā)現(xiàn)濃度和鹽度對(duì)仔魚(yú)死亡率的顯著影響,可能與海洋青鳉是廣鹽性魚(yú)類(lèi),出膜后各種調(diào)節(jié)機(jī)制日趨完善,對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)有關(guān)[34]。
污染物對(duì)仔魚(yú)行為往往有一定影響,Mu等[35]研究表明,斑馬魚(yú)胚胎暴露于一定濃度的BPF中,會(huì)抑制自發(fā)運(yùn)動(dòng)。顧杰等[36]在探索BPF對(duì)斑馬魚(yú)的早期神經(jīng)毒性時(shí)發(fā)現(xiàn),BPF暴露會(huì)顯著抑制斑馬魚(yú)仔魚(yú)的運(yùn)動(dòng)距離和平均速度,對(duì)斑馬魚(yú)仔魚(yú)的運(yùn)動(dòng)行為能力產(chǎn)生影響。陳將飛[37]在研究TBBPA對(duì)斑馬魚(yú)的毒性效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),低劑量TBBPA暴露可引起受精后5 d仔魚(yú)運(yùn)動(dòng)速度顯著上調(diào)。本研究中并未發(fā)現(xiàn)仔魚(yú)總運(yùn)動(dòng)距離與BPF濃度的明顯線性關(guān)系,且在各濃度BPF處理組中仔魚(yú)平均總運(yùn)動(dòng)距離多高于對(duì)照組,表明雙酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)不同魚(yú)類(lèi)的行為影響存在差異。
不同鹽度下生物體對(duì)化學(xué)物質(zhì)蓄積能力不同,鹽度的增加導(dǎo)致部分污染物的生物蓄積量變化。海洋青鳉卵內(nèi)PFOS 濃度均隨鹽度升高呈上升趨勢(shì)[20],而日本青鳉體內(nèi)五氯苯酚累積量隨著鹽度的增加而減少[38]。Borrirukwisitsak 等[39]在探究鹽度等對(duì)BPA辛醇-水分配系數(shù)(Kow)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著鹽度的增加,25 ℃時(shí)BPA 的Kow 對(duì)數(shù)從3.44 增加到3.55,他們由此認(rèn)為海洋環(huán)境中的BPA 可能有更強(qiáng)的生物蓄積性。Onaizi[40]在探究酚類(lèi)廢水處理時(shí)發(fā)現(xiàn),鹽的存在嚴(yán)重降低了BPA 的降解率和去除率。因此,鹽度和BPF 對(duì)生物的毒性存在復(fù)合作用??傊?,鹽度對(duì)污染物生物累積的影響因物種和污染物而異,結(jié)合本研究結(jié)果,推測(cè)鹽度的增加會(huì)導(dǎo)致BPF在海洋青鳉胚胎內(nèi)蓄積量增加。
鹽度在魚(yú)類(lèi)胚胎發(fā)育過(guò)程中起重要作用,鹽度過(guò)高或過(guò)低均造成受精卵卵膜滲透壓改變[41-42]。鈉鉀泵Na+/K+-ATPase(NKP)調(diào)節(jié)是維持細(xì)胞滲透壓穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制,有假說(shuō)認(rèn)為,對(duì)于非洄游廣鹽性硬骨魚(yú),NKP 活性在其最適宜的鹽度環(huán)境中表達(dá)量最低[43]。萬(wàn)磊[10]在探究海洋青鳉魚(yú)最適的鹽度環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn),海洋青鳉NKP基因轉(zhuǎn)錄水平在15鹽度條件下低于30鹽度,即相對(duì)于30的鹽度而言,鹽度15可能是海洋青鳉更適宜的鹽度環(huán)境。高鹽度需要利用ATP調(diào)節(jié)滲透壓,進(jìn)而減少用于解毒或消除異生物質(zhì)的能源[44]。結(jié)合本研究結(jié)果,雖然海洋青鳉是廣鹽性魚(yú)類(lèi),在高鹽度下需要消耗部分能量維持細(xì)胞滲透壓穩(wěn)態(tài),導(dǎo)致海洋青鳉胚胎用于消除BPF影響的能源減少,從而增強(qiáng)了BPF對(duì)海洋青鳉胚胎的毒性效應(yīng)。
BPF對(duì)海洋青鳉胚胎有一定的毒性效應(yīng),對(duì)其孵化率、死亡率、心率均有顯著影響。鹽度對(duì)BPF的毒性有復(fù)合效應(yīng),不同鹽度(30和15)下,BPF對(duì)海洋青鳉胚胎心率、孵化率和死亡率的影響存在顯著差異,高濃度BPF在鹽度30條件下對(duì)胚胎有明顯的致死效應(yīng),說(shuō)明鹽度影響了海洋青鳉胚胎對(duì)BPF的敏感性。