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电针对海产蚯蚓的观察与控制-期待在养殖场环境诊断和净化技术中的应用-

 Wsz6868 2022-08-13 发表于浙江

2022年8月10日

理化研究所 水产研究教育机构

电针对海产蚯蚓的观察与控制

-期待在养殖场环境诊断和净化技术中的应用-

理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心生物功能催化研究小组特别研究员庄野畅晃(研究当时)、中村龙平小组组长、环境代谢分析研究小组组长菊地淳、水产研究教育机构的伊藤克敏主任研究员等共同研究小组成功地实时测量了生活在养殖环境中的海产蚯蚓[1]的活动产生的电信号。本研究成果有望为开发水电养殖场的环境诊断和净化技术做出贡献。 近年来,养殖业作为解决食物问题的王牌备受瞩目。 但是,给鱼喂食过量会引起鱼病和赤潮。 这次,联合研究小组从养殖场正下方的底质[2]中采集了样本,追踪了在那里栖息的海产蚯蚓产生的电信号。 结果发现,以电信号为指标可以掌握适当的喂食量,进而可以人为地控制海产蚯蚓的行为和代谢。 本研究刊登在科学杂志《Frontiers in Microbiology》在线版( 8月10日:日本时间8月10日)上。

養殖場の底質より採取した海産ミミズの図

从养殖场底质采集的海产蚯蚓背景

背景

作为避免人口增加带来的食品危机的王牌,对以养殖业为主的可持续水产资源寄予了很大的期待。 但是,由于投入过多的饲料而造成的养殖环境的污染,已经成为了严重的问题。 特别是饲料蓄积对底质环境的负荷很大,会造成底质的淤泥化[3]和富营养化状态[4],成为引起赤潮的发生和鱼病的原因。 因此,需要开发用于评价底质环境健康度的环境评价技术。 底质环境中生活着鱿鱼和蚯蚓等各种各样的底栖动物[5]。 联合研究小组水产研究教育机构的伊藤克敏主任研究员等发现,这些底栖动物有净化被污染环境的能力。注1 )。 另外,理研的中村龙平小组组长等人发现,通过测量微生物产生的微弱电流,可以评价微生物的代谢活性(注2 )。 此外,理研的菊地淳团队领导等人开发了利用核磁共振( NMR )法[6]分析底栖动物的代谢活性的方法(注3 )。 此次联合研究小组以开发诊断底质环境的技术为目的,致力于测量从养殖环境中采集的海产蚯蚓产生的电信号。 注1 ) Ito M、Ito K、Ohta K、Hano T、Onduka T、Mochida K、et al.evaluation of bio remediation potential of three benthic Anne lids in one lids ids in on on on organe lids 163: 392-399 注2 ) 2015年9月25日新闻发布会《首次识别靠电生存的微生物》 注3 ) 2020年6月26日新闻发布会《生物个体中成分的组成、物性位置的无损测量》

研究方法和成果

联合研究小组首先从养殖筏正下方约30米处采集了底质样品(堆积物)。 在该底质样本中,栖息着体长数厘米的海产蚯蚓( Thalassodrilides cf. briani )作为底栖动物(图1左)。 这种海产蚯蚓对硫化氢的耐受性高,能净化有机污染的堆积物。 接着,将该样品放入电化学反应器内,测量了海产蚯蚓产生的电信号(图1右)。 电极材料使用生物相容性高、化学稳定性高、添加了氟的氧化锡( FTO )。 另外,以下使用的"环境电位"这一术语对应于开路条件下相对于标准氢电极电位( SHE ) [7]的电位[8] (自然电位)。

海産ミミズ(左)と電気化学リアクター(右)の写真の図

图1海产蚯蚓(左)和电化学反应器(右)照片图2左侧显示了含有海产蚯蚓的底质产生的环境电位的时间序列数据。 开始电位测量后,底质的电位随着时间上升,最终达到了+400mV左右。 在这里,给与5mg的饲料后,电位急剧下降到0V附近。 但是,随着时间的推移,电位上升,最终恢复到了与给药饲料前相同的值。 由于在去除了海产蚯蚓的底质中没有观测到这种环境电位的恢复,所以可以认为其来源于海产蚯蚓的有机物分辨率(环境净化能力)。 接下来,为了观察环境电位对投饵量的响应性,投与了过剩量( 20mg )的饲料(图2右)。 饲料给药后不久电位下降,减少到约-300mV。 之后,即使进行了一周的测量,电位也没有恢复,维持在约-300mV的负值。 该结果表明,投放了超过海产蚯蚓净化环境能力的饲料。 实际上,在添加了20mg饲料的底质中,底质发生了淤泥化,几乎所有的海产蚯蚓都死了。 以上结果表明,通过实时测量环境电位,可以评价底质环境可接受的合适投饵量。
海産ミミズを含む底質の環境電位計測の結果の図

图2含海产蚯蚓底质的环境电位测量结果 给药5mg (左)和20mg (右)饲料时电位随时间的变化。 5mg的试料恢复了环境电位,但20mg的试料没有恢复。 这表明,对于海产蚯蚓来说,5mg可以净化环境,而20mg则不能净化环境。 另外,一边测量环境电位,一边调查海产蚯蚓的行为。 给与饲料前,大约半数的海产蚯蚓的尾巴伸出海水,但给与饲料后电位减少,几乎所有的海产蚯蚓都潜入底质,将整个身体埋在底质中。 然后电位恢复后,回到了尾巴伸出海水的原来位置(图3 )。 由此可知,海产蚯蚓的行为也可以通过环境电位测量进行评价。
電位に応じた海産ミミズの行動変化の図

图3海产蚯蚓随电位的行为变化 当给药饲料导致电位减少时,海产蚯蚓会将整个身体填满底质。 电位恢复正常后,将尾巴伸出海水中。 然后,利用核磁共振( NMR )法对置于不同环境电位的海产蚯蚓进行了代谢分析。 结果表明,海产蚯蚓在环境电位高时,通过将尾巴伸出含氧海水进行好氧呼吸[9],低时在底质中下沉进行富马酸呼吸[10]。 这些结果表明,海产蚯蚓在切换行为和代谢的同时,对因投放饲料而大幅变动的环境电位有很大的适应能力。 最后,使用试验装置人工改变环境电位时,调查了海产蚯蚓的行为和代谢。 结果表明,如果人为地使电位为正,海产蚯蚓就会把尾巴伸出海水,如果电位为负,就会把整个身体埋入底质。 另外,确认了根据人为控制的电位可逆地切换好氧呼吸和富马酸呼吸。

今后的期待 当花药饲料诱导电位减少时,海产蚯蚓会将整个体身体填充底质。 电位恢复正常,将尾巴伸出海水中。 然后,利用核磁共振( NMR )法对不同环境电位的海产蚯蚓进行代谢分析。 结果表明,海产蚯蚓在环境电位高时,通过将尾巴伸出含气海水进行好氧呼吸[9],低时在底质中下行进行富马酸呼吸[10]。 结果表明,海产蚯蚓在切换行为和代谢的同时,对因投喂饲料而大幅波动的环境电位有很大的适应能力。  

在本研究中,成功测量了含有海产蚯蚓的底质产生的电信号。 由于环境电位根据投饵量而变化,因此通过使用该方法可以估算适当的投饵量。 另外,通过人工操作电位,可以控制海产蚯蚓的代谢活性甚至运动性,因此不仅可以用于养殖场的环境诊断,还可以期待作为利用微弱电的环境净化法使用。 以上成果是朝着减少环境负荷的持续水产养殖业、从改善污浊底质中确立水净化的进步,这是联合国2016年制定的17项“可持续发展目标( SDGs ) [11]”中的“2 .杜绝饥饿”“6 .在全世界使用安全的水和厕所”“14 .保护海洋的丰富性”的贡献成果。

补充说明 1 .海产蚯蚓 小型贫毛类(姬一丝蚯蚓Thalassodrilides cf. briani )。 全年生活在部分海面养殖场的底质中。 2 .底质 是指构成河流、湖泊、海域等水底的粘土、沙子、砾石等堆积物。 3 .脱氢化 有机污浊堆积在底质上,因微生物等消耗氧气,导致底质污染加剧,底质处于柔软状态。 4 .富营养化状态 湖沼和海域氮和磷等营养盐类的浓度上升,处于从贫营养转为富营养的状态。 5 .底栖动物 栖息在河流和海域水底的贝类、甲壳类、多毛类等的总称。 6 .核磁共振( NMR )法 观测静磁场中放置的原子核的共鸣,调查分子结构和运动状态等性质的分光方法。 有在溶剂中溶解分子进行测量的溶液NMR法和测量固体状态分子的固体NMR法等,即使是广泛状态的试料,例如不经过柱分离的混合物试料也可以进行测量。 最近,将NMR装置的磁铁作为高温超导材料和永久磁铁,以实现小型化和抑制制冷剂运行成本的技术开发正在加速,也有望应用于农林水产品和环境试料等的现场评价。 NMR是Nuclear Magnetic Resonance的缩写。 7 .标准氢电极电位( SHE ) 由氢电极和测量对象电极组合而成的电池在标准状态下的电位差。 SHE是standard hydrogen electrode的缩写。 8 .开路条件下的电位 不产生电流状态下的电极电位。 也称为自然电位。 9 .需氧呼吸 使用氧气的呼吸。 糖酵解系统中产生的丙酮酸等被输送到线粒体,经过TCA回路,氧化成二氧化碳。 10 .富马酸呼吸 在低氧浓度环境中进行的呼吸的一种。 琥珀酸代替氧作为最终电子受体。 11 .可持续发展目标( SDGs ) 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》所载2016-2030年国际目标。 由实现可持续世界的17个终点、169个目标构成,不仅是发展中国家,发达国家自身也在努力实现通用(普遍),日本也在积极地采取措施。 (从外务省主页上部分更改后转载)

联合研究组 生物功能催化研究小组 队长中村龙平

 (东京工业大学地球生命研究所教授) 特别研究员(研究当时)庄野畅晃 特别研究员亚伦利( AilongLi ) 技术人员(研究当时)梅泽明夫

 环境代谢分析研究小组 队长菊地淳

 技术人员坂田研二(山田研二) 水产研究教育机构水产技术研究所 主任研究员伊藤克敏 研究员伊藤真奈

研究支援 本研究以农林水产省委托项目研究脱碳环境应对项目中的“应对有害浮游生物的快速诊断技术的开发研究代表者:五条堀孝”JPJ005317的课题进行。

原论文信息

Nobuaki Shono, Mana Ito, Akio Umezawa, Kenji Sakata, Ailong Li, Jun Kikuchi, Katsutoshi Ito, Ryuhei Nakamura, "Tracing and Regulating Redox Homeostasis of Model Benthic Ecosystems for Sustainable Aquaculture in Coastal Environments", Frontiers in Microbiology10.3389/fmicb.2022.907703新規タブで開きます

主讲人理化研究所 环境资源科学研究中心生物功能催化研究小组 队长中村龙平 特别研究员(研究当时)庄野畅晃 环境代谢分析研究小组 队长菊地淳 水产研究教育机构水产技术研究所 主任研究员伊藤克敏


主讲人 理化研究所 环境资源科学研究中心生物功能催化研究小组 队长中村龙平( Nakamulariuhi ) 特别研究员(研究当时)庄野畅晃 环境代谢分析研究小组 队长菊地淳(菊地淳) 水产研究教育机构水产技术研究所 主任研究员伊藤克敏 新闻发言人 理化研究所宣传室新闻发言人 将在新选项卡中打开咨询表单 水产研究教育机构总部经营企划部宣传科 Email: fra-pr [at] ml.affrc.go.jp

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