Mục tiêu chính của luận án này là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu (trong trường hợp nhiệt độ cao, thiếu oxy, tăng CO2) lên C.ornata như là các phản ứng của quá trình trao đổi chất, phản ứng hô hấp tim mạch,biến đổi cấu trúc mang và tăng trưởng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUN NGÀNH: NI TRỒNG THỦY SẢN MÃ NGÀNH: 62 03 01 ĐẶNG DIỄM TƯỜNG ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐIỀU KIỆN OXY THẤP, CO2 CAO TRONG MÔI TRƯỜNG LÊN HÔ HẤP VÀ SINH LÝ CỦA CÁ THÁT LÁT CÒM CHITALA ORNATA (GRAY,1831) Cần Thơ, 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC THỰC HIỆN VÀ HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn chính: GS.TS Trần Ngọc Hải Người hướng dẫn phụ: PGS.TS Mark Bayley PGS.TS Do Thi Thanh Huong Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường Họp tại: …………………………………………Vào lúc: … … ngày … tháng … năm … Phản biện 1: …………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Trung tâm Học liệu, Trường Đại học Cần Thơ Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tuong, D D., Borowiec, B., Clifford, A M., Filogonio, R., Somo, D., Phuong, N T., Milsom, W K (2018a) Ventilatory responses of the clown knifefish, Chitala ornata, to hypercarbia and hypercapnia Journal of Comparative Physiology B, 1-9 Tuong, D D., Ngoc, T B., Huynh, V T N., Phuong, N T., Hai, T N., Wang, T., & Bayley, M (2018b) Clown knifefish (Chitala ornata) oxygen uptake and its partitioning in present and future temperature environments Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 216, 52-59 CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung Biến đổi khí hậu thách thức đe dọa sống động vật thủy sinh thông qua việc tăng nhiệt độ môi trường nước gia tăng nồng độ CO2 Các dự báo gần hội đồng quốc tế biến đổi khí hậu (IPCC, 2014) cho vùng đồng sơng Cửu Long nhiệt độ tăng 2,5-3,5°C 100 năm tới; đồng thời, nồng độ CO2 khí cao tăng lên với tốc độ 3% năm Các dự báo việc tăng nhiệt độ mơi trường nước tác động tiêu cực đến chức hệ sinh thái biển nước (Roessig ctv., 2004; Brander, 2007; Rijnsdorp ctv, 2009; PÖrtner & Peck, 2010; Hofmann Todghram, 2010; Madeira ctv, 2012; Crozier & Hutchings, 2014; Lefevre ctv, 2016) hệ sinh thái cá thông qua tác động sinh lý, hô hấp, trao đổi chất, nguồn thức ăn, tăng trưởng, hoạt động phản ứng, sinh sản và/hoặc tử vong (Watts ctv , 2001; Cnaani, 2006; Sigh ctv, 2013; Reid ctv, 2015) Trong nhiệt độ coi yếu tố quan trọng việc kiểm soát yếu tố vật lý để xác định phân bố động vật, nồng độ CO2 mơi trường tăng (hypercarbia) lại liên quan đến cân acid-base, giảm pH nước tác động lên tim mạch thay đổi hô hấp (Gilmour, 2001; Claiborn ctv, 2002; Ishimatsu ctv, 2005; Brauner Baker, 2009; Talmage & Gobler., 2011; Nowicki ctv, 2012; Milson, 2012; Munday ctv, 2012) Tuy nhiên, thay đổi sinh lý khả thích ứng động vật thủy sinh xem mục tiêu thú vị để nghiên cứu tác động tăng nhiệt độ tăng nồng độ CO2 môi trường nước Giả thuyết sức tải O2 bị giới hạn khả chịu đựng nhiệt độ đề nhằm thể tác động tiêu cực tăng nhiệt độ lên cá mà chế nằm phân phối oxy đến mô (Portner, 2001; Portner Farrell, 2008; Munday ctv., 2008; Munday ctv., 2009; Nilsson ctv, 2009; Portner, 2010; Neuheimer ctv, 2011) Đó nồng độ oxy hòa tan giảm nhiệt độ môi trường nước gia tăng nhu cầu oxy cá tăng đáng kể nhiệt độ nhiệt độ mơi trường tăngcao Do đó, nhiệt độ tăng kết hợp với tình trạng thiếu oxy (giảm mức độ oxy hòa tan) cho thấy gây tác động nghiêm trọng đến sinh vật nước q trình hơ hấp trao đổi chất dẫn đến kết ảnh hưởng đến kiểu biểu cá (McBryan ctv, 2013) Ngoài ra, người ta cho cá vùng nhiệt đới bị ảnh hưởng nghiêm trọng chúng sống gần giới hạn nhiệt độ dễ bị tổn thương với mức nhiệt độ tăng dù nhỏ (Nelson ctv, 2016; Tewksbury ctv , 2008) Tuy nhiên, ngày có chứng nghiên cứu không phù hợp với giả thuyết (Clark ctv, 2013; Norin ctv, 2014; Wang ctv, 2014; Lefevre, 2016) Thật vậy, người ta cho lồi cá hơ hấp khí trời có khả chịu nồng độ oxy thấp kết tiến hóa tác động nhiệt độ cao áp suất oxy khí thấp so với Nghiên cứu ảnh hưởng tăng nhiệt độ tình trạng thiếu oxy lên trình trao đổi chất cá hơ hấp khí trời quan trọng việc đánh giá tác động biến đổi khí hậu Một khía cạnh khác khả thích ứng với yếu tố môi trường, cho chế thích nghi khả thay đổi hình thái mang (Tuurala ctv, 1998, Sollid ctv, 2003; Sollid ctv, 2005; Sollid Nilsson , 2006; Ong ctv, 2007; Matey ctv, 2008; Mitrovic Perry, 2009) Các nghiên cứu chuyên sâu khả tìm thấy lồi cá hơ hấp nước bao gồm cá chép, cá vàng cá hồi mà mang chúng tăng giảm khối lượng tế bào interlamellar (ILCM) để tăng giảm diện tích bề mặt hơ hấp Khả cá thú vị với nhà khoa học biến đổi cấu trúc mang xu hướng đại hay đặc điểm cổ xưa (Nilsson, 2007; Nilsson ctv, 2012) Các giả thuyết đề xuất việc biến đổi cấu trúc mang đặc điểm cổ xưa trình tiến hóa tiến hóa khứ số lồi cá hơ hấp khí trời tìm thấy biến đổi hình thái mang chúng để thích nghi với thay đổi mơi trường (Brauner ctv , 2004; Ong ctv, 2007; Huang Lin, 2011; Phuong ctv, 2017, 2018) Vấn đề quan trọng cần tìm hiểu C ornata loài loài cá cổ tồn 300 triệu năm trước (Near ctv, 2012) giúp đưa dự đoán tổng quan cho lồi cá khác Mức độ tăng CO2 khí ước tính tăng lên hàng năm nóng lên tồn cầu Hàm lượng CO2 hòa tan nước lớn nhiều so với oxy đó, với gia tăng nhỏ mức CO2 khí quyển, dẫn tới gia tăng đáng kể mức độ CO2 hòa tan tạo mơi trường nước Đã có báo cáo mức độ PCO2 ĐBSCL dao động từ 0,02-0,6% (Li ctv, 2013) ảnh hưởng đến đời sống cá Trong hệ thống nuôi trồng thủy sản, hệ thống nuôi thâm canh siêu thâm canh ứng dụng dẫn đến tình trạng tăng cao CO2 môi trường (hypercarbic) khoảng 30 mmHg vào cuối chu kỳ sinh trưởng (Damsgaard ctv, 2015) Tiếp xúc hypercarbic thường gây phản ứng khác loài cá cụ thể Các phản ứng tim mạch mà cho điều khiển quan thụ cảm CO2/H+ trung tâm loài cá hơ hấp khí trời khơng bắt buộc mơ hồ chưa rõ ràng Tác động hypercarbia hypercapnia lên phản ứng tim mạch, từ số hơ hấp khí trời phản ứng pH, PCO2 vị trí thụ cảm CO2/H+ quan trọng để điều tra Clown knifefish (C.ornata), lồi cá hơ hấp khí trời vùng nhiệt đới (Deharai, 1962; Tuong ctv, 2018b) chọn để thực nghiên cứu mức nhiệt độ trung bình (27°C) nhiệt độ dự đoán tăng cao (33°C), kết hợp với thiếu oxy, điều kiện hypercarbia môi trường nước, hypercapnia bên thể cá để xem xét cá phản ứng hô hấp trao đổi chất, biến đổi cấu trúc mang biểu thích nghi tăng trưởng, phản ứng tim mạch định hướng vị trí thụ cảm CO2/H+ 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án đánh giá tác động biến đổi khí hậu (trong trường hợp nhiệt độ cao, thiếu oxy, tăng CO2) lên C.ornata phản ứng trình trao đổi chất, phản ứng hô hấp tim mạch,biến đổi cấu trúc mang tăng trưởng Cụ thể, hô hấp Clown knifefish 27°C 33°C kết hợp với normoxia hypoxia đánh giá thông qua SMR, tỷ lệ hơ hấp khí trời, giá trị Q10, tiêu hao oxy tiêu hóa thức ăn (SDA) tăng trưởng Do đó, để hiểu giải thích cách thích ứng với hơ hấp cá với nhiệt độ cao tình trạng thiếu oxy, hình thái mang nghiên cứu thơng qua khả biến đổi cấu trúc ước tính diện tích bề mặt hơ hấp, khoảng cách khuyetech tán Phản ứng cá hypercarbia hypercapnia tiến hành để đánh giá thông số phản ứng hô hấp tim mạch xác định thụ cảm CO2/H+ 1.3 Nội dung/hoạt động nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm hoạt động/nghiên cứu chính: 1) Thứ nhất, đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ cao lên áp suất cục quan trọng (Pcrit), tỷ lệ chuyển hóa tiêu chuẩn (SMR), hoạt động tiêu hóa cụ thể (SDA) (sử dụng hô hấp liên tục hai lần); tăng trưởng cá (trong hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hồn) 2) Thứ hai, điều tra hình thái mang thơng qua ước tính diện tích bề mặt nhánh, khối lượng độ dày khuếch tán máu nước tác động nhiệt độ cao phương pháp áp dụng phương pháp stereology 3) Thứ ba, phản ứng hô hấp tim mạch C ornata đối hypercarbia (PCO2 cao môi trường nước) hypercapnia (PCO2 cao máu [H +]/PCO2) xác định vị trí thụ cảm CO2/H+ điều khiển phản ứng hô hấp tim mạch C ornata 4) Cuối cùng, tiếp tục đánh giá ảnh hưởng hypercarbia hypercapnia đáp ứng hô hấp tim mạch C ornata việc xác định vị trí thụ cảm CO2/H+ C ornata CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP Nghiên cứu 1: Cá thát lát còm (Chitala ornata) tiêu hao oxy tiêu hao oxy phần môi trường dự đốn mơi trường tương lai Cá: Đối với thí nghiệm tiêu hao oxy, cá thể cá có trọng lượng 60-100 g chọn, thí nghiệm tăng trưởng có trọng lượng 35-45 g chọn Hô hấp: Tiêu hao oxy (ṀO2, mgO2kg-1 h-1) đo cách sử dụng hệ thống tiêu hao oxy bán kín phần mơ tả nghiên cứu Lefevre ctv (2011, 2014a, 2014b, 2016) Các bố trí thí nghiệm: thí nghiệm xác định Pcrit lựa chọn nồng độ thiếu oxy: Trong thử nghiệm ban đầu, xác định mức độ thiếu oxy thích hợp để kích thích phụ thuộc vào hơ hấp khí trời sử dụng thí nghiệm lại Cá đặt bể nhịn ăn 27 33°C 48 trước đo Tám cá từ chế độ nhiệt độ đặt buồng đo hô hấp ṀO2 đo 19 gồm có đo hơ hấp nước khơng khí Sau đó, giai đoạn phần khơng khí loại bỏ cách làm ngập buồng, tuần hoàn nước qua buồng đo hô hấp, mức độ oxy nước theo dõi cá bị cân vào thời điểm cá trả bể chứa Mất cân xảy sau 3-4 h Áp suất oxy (Pcrit) cho cá tính giao điểm SMR cá thể (SMR tính tốn cách sử dụng mẫu công thức chạy R Chabot ctv (2016)) đo tiêu hao oxy tổng từ khơng khí nước, phần tiêu hao oxy khơng có hơ hấp khơng khí (Lefevre ctv., 2011) Theo đó, mức thiếu oxy sau sử dụng 4,7 kPa 27°C 6,0 kPa 33°C Nhiệt độ thích nghi: Trong thí nghiệm tiếp theo, cá thích nghi với nhiệt độ đo tối thiểu 30 ngày để loại bỏ phản ứng nhiệt độ xảy nghiệm thức đo tiêu hao oxy Sự trao đổi chất hô hấp phần q trình tiêu hóa thức ăn: 12 cá (N=6 nhiệt độ) cho nhịn đói nhiệt độ thích hợp 48 h ṀO2 riêng lẻ đo mô tả 20 h nước normoxic (~ 150 mmHg) Sau đó, cá cho ngồi tiến hành đo tiêu thụ oxy vi khuẩn đo h Đến cuối giai đoạn này, cá cân lại cho cá ăn 2% khối lượng thể sử dụng thức ăn viên (43% protein, 13,39 kJ kg-1; Stella S3, Nutreco company, Hồ Chí Minh, Việt Nam) Cá sau cho lại buồng đo tiêu hao oxy 45 Tại thời điểm này, tiêu hao oxy vi khuẩn đo lại SMR tính tốn từ giai đoạn đo mô tả SDA (tiêu hao lượng cho tiêu hóa thức ăn)được tính cách trừ SMR từ ṀO2 đo cá tiêu hóa thức ăn Diện tích SDA tính tốn phương pháp trapezoid mô tả Lefevre ctv (2012) Thời gian SDA tính từ điểm mà cá cho trở lại buồng tổng ṀO2 giảm SMR+2 S.E.M SDA ước tính cách tính diện tích tổng ṀO2 đường cong SMR phương pháp trapezoid SDA chuyển thành lượng tương đương lượng tiêu hao hệ số SDA (tiêu hao lượng SDA chia cho tổng lượng có thức ăn) chuyển thành kJ sử dụng hệ số oxy hóa 13,56 kJ mgO2-1 cho động vật ăn thịt (Elliott Davison, 1975) Tăng trưởng: 120 cá (41,2±0,3 g, trung bình±S.E.M) chia ngẫu nhiên thành nhóm Sau gắn vi chip FDX-B (hệ thống Loligo, Đan Mạch) ghi khối lượng chiều dài thể, cá nuôi hệ thống nuôi tuần hoàn 27±0,5 33±0,5°C kết hợp với điều kiện oxy bão hòa tình trạng thiếu oxy (5 kPa) bể 2000 L Mức oxy thấp (PO2 mong muốn) điều chỉnh cách sục khí nitơ vào bể kiểm soát hệ thống Oxyguard Pacific (Oxyguard, Đan Mạch) Khối lượng chiều dài cá đo lại sau 1, tháng Xử lý hống kê: Số liệu phân tích Sigmaplot 12.5 Số liệu kiểm tra phân phối chuẩn đồng phương sai sử dụng phép thử Shapiro-Wilks, số liệu % tiêu hao oxy khơng khí chuyển hóa arcsine ANOVA hai chiều sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng nhiệt độ, nồng độ oxy tương tác nhiệt độ nồng độ oxy SMR, RMR % khơng khí hấp thụ nghiệm thức kiểm tra cách sử dụng nhiều quy trình so sánh HolmSidak Student t test sử dụng để so sánh giá trị trung bình thí nghiệm SDA Tăng trưởng tốc độ tăng trưởng cụ thể (SGR) kiểm tra cách sử dụng one way ANOVA lặp lại (RM) Giá trị trung bình SMR RMR so sánh cách sử dụng Student t-test Dữ liệu trình bày giá trị trung bình±S.E.M Xác suất (giá trị p) P