MWELF对藻类生长影响研究

1、ELF对藻类生长影响研究1、研究意义极低频磁场（Extremely Low Frequency Magnetic Field，简称ELF-MF）是频率在300Hz以下的电磁（波）场。环境中的ELF-MF来源于多个方面，如发电、通过电力线与电缆线输电或配电、使用用电设施及高压输电线路等，日益增多的家用电器（如计算机显示器、电视机、电热毯、微波炉等）也是ELF-MF的来源之一。由于电力的不可或缺性，在日常环境中，作为一种生态物理因子的ELF-MF也无处不在。2007年，世界卫生组织（WHO）正式发布的Electromagnetic Fields and Public HealthExposure

2、to Extremely Low Frequency Fields（Fact Sheet No.322）1针对ELF-MF对生物的影响作了健康风险评估，认为ELF-MF对诸多方面的影响尚未有充足的证据，应进行进一步的ELF-MF暴露生物效应及其机制的研究。藻类作为一种低等、常见生物，是生态循环中的初级生产者，是生态系统中重要一环，且水体富营养化现象跟藻类生长有密切关系。ELF-MF对藻类生长过程中造成的影响的研究，特别是影响的机理研究目前还较少，因此对其进行研究对生态环境稳定具有重大意义，为今后藻类研究提供新思路。2、ELF对生物影响国内外研究现状当今日常环境中，ELF作为一种常见物理因子无处

3、不在。近年来关于ELF的研究也很广泛，前期研究重点集中于ELF对生物生长的研究。主要关于研究在不同强度不同暴露时间下摸索模式生物的生长发育情况以及生物化学手段分析等。由于目前研究藻类的文献较少，为后期展开研究选择合适的研究路线，本课题对ELF对生物所造成的影响进行全面的调研，借鉴其它研究的成果，从生物间存在的共性出发，制定适合本研究的实验方案。2.1、ELF对哺乳动物影响的研究ELF-MF的生物学效应是客观存在的，其影响因素主要有磁场因素和生物因素，其中，磁场因素包括磁场的类型、频率、强度、暴露时间以及ELF-MF与其他因子的交互作用等，生物因素包括受试生物的物种、年龄、性别及其功能状态等2,

4、 3（Skauli, K. S., et al. 2000，Janac, B., et al. 2012）。目前，对ELF-MF暴露的哺乳动物研究最为广泛，包括对神经行为4（Legros, A., et al. 2012）、神经内分泌行为5（Ciejka, E., 2011）、免疫学疾病6（Cuppen, J., et al. 2007）、神经变性疾病7（Tasset, I., et al. 2012）、心血管疾病8, 9（Korpinen, L. and J. Parlanen 1994，Nittby et al., 2008）、癌症10, 11（Sommer, A. M. and A. L

5、erchl 2004，Schuz, J. 2011）及生长和发育3, 12（Chung, M. K., et al. 2004，Janac, B., et al. 2012）等。2002年，国际癌症研究中心（IARC）将ELF-MF列为“人类可疑致癌物”，国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）推荐100µT作为公众日常辐射的限值。Ahlbom et al., 2000; Kundiet al., 2004; Garcia et al., 2008; Kheifets et al., 2008;O'Carroll and Henshaw, 2008; Davanipour a

6、ndSobel, 2009; Huss et al., 2009; Gharagozloo andAitken, 201113-20研究显示脑肿瘤，结肠癌，乳腺癌，儿童急性白血病，神经退行性疾病，不育，畸胎，流产等疾病和ELF暴露有相关性。Hjollundet al., 199921研究发现ELF是男性生殖生殖器官疾病和，精子质量和不孕问题的潜在风险。研究核心集中在Oxidative stress, cell prolifration等。然而，关于ELF对人类健康的影响学术界未达成统一意见，Chernoff et al., 1992; Lundsberg et al., 1995;Duan,

7、W et al., 201422-24的研究显示不能证明ELF诱导不良生殖效应。ELF对生物的影响还表现在遗传毒性方面。Ivancsits等25（2002）发现间歇性暴露（50Hz）24h不仅使DNA单链断裂及碱基损伤，而且使双链断裂，导致最高程度的损伤间歇性暴露为5min开/10min关，当关闭时间超过20min未发现有损伤。有研究指出ELF-MF（50Hz，10-140µT）暴露30min的HL60人体细胞，3种热休克蛋白（HSP70）基因过表达，并出现协同效应26（Tokalov and Gutzeit, 2004）。相反，ELF（50Hz，20-100µT）暴露2或

8、4h的人体外周血细胞，热休克蛋白（HSP27、HSP70A、HSP70B）基因表达无明显影响27（Coulton, et al., 2004）。此外，关于鼠类的研究也有很多。有研究发现ELF-MF（50Hz；0.1、0.25和0.5mT）暴露能够促进3个月大的蒙古沙土鼠的运动行为，但ELF-MFs（0.1、0.25和0.5mT）暴露对10个月大蒙古沙土鼠的运动行为的影响却分别表现为降低、轻微促进以及显著促进作用3（Janac, B., et al. 2012）。持续13周暴露于50Hz，50µT磁场中的大鼠脾脏T-淋巴细胞增殖降低28（Mevissen, et al., 1996），

9、而经50Hz，100µT的磁场暴露3天、14天或13周对T-淋巴细胞亚群、血液中的NK-细胞、B-淋巴细胞、巨噬细胞和粒细胞，脾脏和肠系膜淋巴结，脾脏组织增殖和凋亡细胞均无显著影响29（Thun-Battersby, et al., 1999）。研究显示，孕期小鼠在持续17d暴露于50Hz，20mT磁场中，能够增加小鼠体重和体长，且对胎儿的流产率、幸存率、出生胎儿的性别比例及骨骼畸形情况等均无显著差异30（Kowalczuk, C. I., et al. 1994）。持续8d暴露于50Hz、13µT磁场条件下的小鼠胚胎（直到胚泡阶段），暴露组胚胎死亡率明显低于对照组，相反，

10、暴露于50Hz，60、120和220µT磁场条件下的小鼠胚胎存活率明显降低31（Beraldi, et al., 2003）。2.2、ELF对鱼类影响的研究ELF-MF暴露对鱼类胚胎发育有一定的影响，源于磁场会影响胚胎孵化酶的分泌32（Iuchi I and Yamagami K, 1976）。其中，青鳉鱼和海胆在暴露于60Hz，100µT磁场条件下，其胚胎发育会延迟33, 34（Zimmerman, S., et al., 1990，Formicki, K. and A. Winnicki, 1998）。在50Hz，1mT的磁场条件下，对受精2h的斑马鱼进行磁场暴露不影响

11、其胚胎发育，但对受精48h的斑马鱼进行磁场暴露会延迟其胚胎发育2（Skauli, K. S., et al. 2000）。然而，也有研究发现在鱼类胚胎早期和神经期接受较强电场或磁场刺激后，不仅其后期生长速度显著加快，而且胚胎发育期抗温变能力有明显提高，孵化出苗率也有较大幅度增加35（叶士璟，万东辉等，1990）。MF可以影响鱼类的迁徙行为，有研究证实鱼体内分布有磁性物质可以感应MF36（Walker, M. M., et al. 1984）。鱼类磁感应系统的研究指出，鱼体内有相应的磁感应接受器或磁感应细胞37（M. Hanson, et al.,1984），磁性物质的量在迁移性鱼类和非迁移性鱼

12、类中无明显差异38（M. Hanson, H. Westerberg, 1987），存在于鱼体中的磁性物质易于识别磁场36（Walker, Kirschvink, 1984），如瓶状囊耳石中包含的微小磁颗粒会在外加磁场作用下进行重组，接收地磁场信息后，大脑能通过这种感应影响鱼类行为39（Yasuo Harada, et al. 2001）。红大马哈鱼幼鱼在无其他视觉因子的条件下，利用地磁场完成定位和迁徙40（Quinn T. P., 1980），能够利用地磁场完成定位和迁徙的还有大西洋鲑鱼（Varanelli, C. C. and J. D. Mccleave, 1974）、大鳞大麻哈鱼（Ki

13、rschvink J, et al. 1985）、美洲鳗鱼（McCleave, J. and J. Power, 1978）、黄鳍金枪鱼（Walker, M. M., et al. 1984）、鲑鱼（Formicki K., et al. 2004）以及一些软骨鱼类（Kalmijn A. J., 1982）等36, 41-45。除了洄游鱼类的迁徙行为外，ELF-MF对鱼类的喂食和运动行为也有研究报道。ELF-MF（50Hz，5KV/m和10KV/m）条件下罗非鱼的取食行为没有变化，然而暴露在磁场中的鱼表现为行动迟缓，趋向于呆在水族箱底部，当受到外部刺激（如喂食、清洗水族箱）时，它们会异常活跃4

14、6（MAL O. M., 2005）。ELF对鱼类免疫功能影响的研究较少，有限的研究发现低频电磁场（200-5,000Hz，5µT或1.5mT）可以诱导鱼体细胞增加细胞因子产量，增加免疫活性，导致生物免疫反应，为免疫系统提供预警信号6(Cuppen, J., et al. 2007）。而对鱼类ELF-MF暴露的免疫学研究尚属空白。2.3、ELF对藻类及植物影响的研究Blakemore ,1975,198047, 48的研究已经建立了一个在沼泽沉积物中趋磁细菌迁移的磁力线，并建立了沿磁力线方向导致向下细菌在南部和北部迁移半球。Torres De Araujo et al,198649研

15、究报道了眼虫藻的趋磁性，Smith et al,198750研究了磁场可能增加有些种类的藻类的流动性，他的研究显示当在16和48赫兹接触到磁场的硅藻流动相在磁通密度低达到高峰。但也有研究显示不同的结果Parkinson, Sulid,1992; Davies199851, 52的研究发现并不能重现之前的研究并指出磁场只是有时控制硅藻蠕，他们发现只有在特定电磁环境中实验结果才能发生。Burton,TMet al., 200053研究表明ELF对藻类物在76赫兹低频电磁辐射没有显著改变藻类的基本群落构成，如均匀性、丰富性和优势种，但增加了积累速率和叶绿素a和有机物。对于高等植物，也有相关报道，例如

16、YuriiI.Novitskii et al,201454研究结论显示极低频磁场刺激萝卜苗叶绿体、线粒体、细胞膜的生长以及脂质合成。Aksenov et al.200155的研究建立了一个50Hz的ELF磁场对小麦种子进行刺激，结果显示ELF能刺激小麦种子吸胀和提高幼苗的大小。1996年，Davies56的研究了在极低频磁场（50赫兹）条件下增加了萝卜、芥菜和大麦幼芽、根和叶片的重量。Patruzewski and Karnarzynski, 200157研究对小麦种进行ELF处理能够加速种子发芽。虽然报道多为ELF的刺激作用，但也有Yano et al., 200458研究显示的相反的结论，

17、暴露于60 Hz的电磁场持续5天，萝卜幼苗子叶重量和二氧化碳通量都有所下降。Pazur et al.200659研究显示ELF频率为与钙离子回旋频率相同的50Hz时，降低了大麦根和幼苗的重量，同时也降低了叶绿色a、b和类胡萝卜素。关于ELF对植物代谢带来的影响及机制研究目前较少，目前至少有50种的关于作用机制的解释，其中有三种说法认同者较多。分别是Piruzyan and Aristarkhov, 200560提出的弱磁场对膜脂内有自由基参与的生化反应有刺激或抑制作用；Pinevich, 200561提出的磁场对磁性夹杂物（铁及铁的氧化物）作用；Novitskii，1978; Lednev，1

18、996 62, 63提出ELF可能影响共振能量转移的原理，Buchachenko et al., 200664支持了Novitski和Lednev的观点，研究指出ELF对线粒体中的三磷酸腺苷的自旋选择性酶反应有影响，其中的化学反应是磁场影响了这些酶中的镁原子核和镁离子。综上所述，本课题针对ELF对藻类的影响展开研究，从文献调研情况出发，针对已有相关报道的藻类叶绿素a、有机物含量变化着手，进一步研究导致生理指标发生变化的原因，结合前期对其它生物关于氧化压力、酶反应、细胞膜组成结构变化等的研究，结合藻类自身特点拟从测定叶绿色电子传达速率、细胞内离子浓度以及维持藻类生长所需的N、P和有机化合物含量指

19、标，结合扫描电镜镜检结果，从机理上解释ELF对藻类的影响的原因。为今后相关藻类研究提出新思路，为自然生态环境保护手段提供指导。3、实验方案设计3.1、实验器材PVC管、铜线、万用电表、可变电阻、硅藻、培养皿、接种针、光照培养箱、超净试验台、酒精灯、量筒、烧杯、灭菌锅、锥形瓶、PHYTO-PAM。3.2、试验方法3.2.1样品准备本研究选取硅藻为实验藻类，藻类样品购买获得，选择硅藻培养基进行培养，培养中避免其它干扰因子，保证硅藻样品的纯种。3.2.2ELF暴露实验组装三组可以调整频率和强度亥姆霍兹线圈，其中一组为对照组，不接通电源，其它两组将频率调至50Hz，强度一高一低，分别为100T和400

20、T，将制备好的硅藻样品放入线圈中部（如图1），每个线圈中放置2个平行样，暴露时间为5天，温度为20。每隔1一天取样一次。123451、交流电源220v，2、电流表， 3、亥姆霍兹线圈， 4、样品， 5可变电阻图1装置示意图3.2.3分析实验将每天取的样品进行处理，分别进行电镜环扫，测定叶绿素含量、电子传导速率、N、P和有机物含量、细胞内钙镁离子浓度。3.2.4结果分析对比实验数据，摸索ELF对藻类生长的影响，跟前人所做的结果进行比较，从机理上解释ELF对藻类生长影响的原因。4、实验清单实验名称样品个数价格叶绿素含量600电子传导速率600N含量30P含量30有机物含量30Ca离子浓度15Mg离

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