王 冲，宋善旗，李大成，刘项峰，宋 坚

(1.辽宁省海洋水产科学研究院，辽宁 大连 116023；2.大连海洋大学，辽宁 大连 116023；3.辽宁省农产品出口服务中心，辽宁 大连 110053)

刺参(Apostichopusjaponicus)俗称海参，隶属于棘皮动物门(Echinodermata)，海参纲(Holothuroidea)，自然分布于俄罗斯远东、日本、韩国和我国黄渤海海域等西太平洋北部[1]。刺参以其极高的营养价值和独特药用价值享有“海中人参”的美誉，自古为中国海产“八珍”之一。

我国从上世纪八十年代突破了刺参人工育苗技术，并得益于相关营养学和养殖学的快速发展，我国刺参养殖产业从辽宁和山东两省开始迅猛发展到现在的全国沿海地区，产值连年上升，现在已成为世界刺参捕捞的主要产区。到2019年，刺参增养殖面积达到24.67万公顷，年产量达到17.17万吨，连续15年位居世界第一，直接经济产值逾300亿元，成为继鱼、虾、贝、藻的四次海水养殖浪潮后的第五次海水养殖浪潮的代表品种[2]。

刺参养殖池塘多为虾圈改造，水位较浅，而刺参由于行动缓慢，因此受天气、海水水质等自然环境因素影响相对较大。鉴于水体环境对刺参养殖的重要性，了解刺参对环境因子耐受性是提高养殖技术、降低灾害性天气影响的重要前提。本文综述了不同环境因子胁迫下，刺参的生理反应及作用机制，以期为刺参养殖和解决条件变化所带来负面影响以及新品种的培育提供帮助。

1 温度对刺参生理的影响

温度波动对刺参的生长、发育和繁殖等生理活动有着重要的影响[3-5]，一旦水温超过刺参适温范围，刺参生长受到抑制且极易发病[6-7]。刺参成体的生存水温为-1.5～30 ℃，最适水温10～17 ℃，此时摄食量最大。水温在18～22 ℃时摄食量大幅下降，刺参的基础代谢水平开始升高[6-7]，但水温超过23 ℃时，呼吸代谢率又逐渐降低，并以休眠状态将能量和物质的消耗降至最低[3,5,8]。而在水温低于3 ℃时同样摄食量减少并处于半休眠状态。综上，刺参的生长适温为10～21 ℃，水温低于2 ℃或大于23 ℃时则进入休眠，甚至出现负生长。

刺参个体的大小与最适水温存在相关性，个体越大，最适生长温度越低。稚参适宜水温达25 ℃，体长2～5 cm幼参最适水温上限19～20 ℃，体长5～15 cm刺参生长适宜水温只有10～15 ℃[3,7]。温度升高对不同规格刺参食物转化和能量分配模式影响不同[5]，如体质量为6～14 g的小规格刺参，其摄食率和吸收率均在22 ℃水温达到峰值；而体质量为59 g的大规格刺参，其摄食率和吸收率峰值出现在水温15 ℃，随着水温继续升高，刺参摄食率、吸收率和食物转化率不断下降，呼吸能所占比例持续上升，刺参体能物质消耗增加，导致生长抑制甚至出现负增长现象。

自然环境下的刺参生活在潮间带和潮下带区域，随着潮汐和昼夜变化，潮间带水温会产生上下波动，刺参在长期进化中已适应周期性波动的水温，且一定范围内的水温波动有利于刺参生长和成活率。研究表明，水温15 ℃时，刺参最适生长温度的波动范围为(15±1.38)℃，在18 ℃时，最适生长温度的波动范围为(18±1.67)℃，波动幅度过大导致成活率降低[9]。进一步研究证实，水温的波动对刺参摄食率、食物转化率和能量收支产生影响，适宜的水温波动显著提高了刺参摄食率和食物转化率，用于维持基础消耗的呼吸能所占比率明显减小，用于生长能量占比更高[9-10]。

消化道菌群结构的稳定是宿主基础代谢正常的重要保证，但刺参受到高温胁迫时，肠道正常菌群结构失衡，致病菌数量增多，使宿主肠道功能失调、功能发生紊乱从而引发疾病。朱江艳[11]考察高温胁迫下(从18 ℃升到26 ℃)刺参肠道菌群结构，发现水温升高后，刺参肠道菌群结构发生巨大改变，在常温组中占比最高的假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas.sp)、巨蛎弧菌(Vibriogigantis)、芽孢杆菌属(Bacillus.sp)等种类被约翰逊不动杆菌(Acinetobacterjohnsonii)、腐生葡萄球菌(Staphylococcussaprophyticus)及成团泛菌(Pantoeaagglomerans)为主要种类的菌群代替，其中约翰逊不动杆菌占分离细菌总数90%，约翰逊不动杆菌能够活化乙酰丙酮，而乙酰丙酮会损害动物的免疫系统。因此，当水温剧变，刺参肠道内多样性的菌落结构被破坏，转变为利于某种致病菌的生长环境，这种情况下的宿主易于患肠道性疾病。

在刺参热胁迫的响应机制研究中，徐冬雪[12]探索了热胁迫下刺参肠道组织形态变化和热应激蛋白HSP70表达水平的变化，发现刺参肠道组织在26 ℃热胁迫48 h后出现明显的组织退化，细胞出现明显的凋亡现象。在热胁迫作用下，HSP70蛋白的表达水平随之增加，对肠道细胞发挥重要的保护作用。蛋白质组学结果显示，热胁迫对刺参体内蛋白的表达量产生显著影响，这些蛋白主要参与了组织保护和解毒、脂肪酸和氨基酸代谢、能量产生和利用、转录和翻译、细胞凋亡和细胞增殖等细胞活动。最近研究发现，生物体在逆境胁迫时，可以自行诱导体内产生表观遗传修饰变化，从而调控胁迫响应基因的表达，使生物体生理状态发生改变以适应环境胁迫压力。李尚俊等[13]研究了刺参在高温胁迫下表观遗传调控相关基因—DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT1)、组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC3)和组蛋白甲基转移酶基因表达量发现，3种遗传调控基因在不同组织中于胁迫的0～9 h内随时间的延长快速上升，且随着温度的升高而明显增高，在30 ℃达到最高表达量，之后的6 h则变化不明显，首次阐明刺参应对温度胁迫的作用机理。

2 盐度对刺参生理的影响

刺参属狭盐性海洋动物，耐受盐度极限范围为15‰～40‰，适宜生长盐度范围为20‰～35‰，最适生长盐度范围为25‰～30‰。在过低盐度和过高盐度海水中，刺参会大量死亡。相比于高盐度海水，刺参在低盐度海水中死亡速度更快[14]。刺参对低盐耐受与其规格有关，例如0.4 mm稚参对低盐度耐受下限为20‰～25‰；5 mm稚参为10‰～15‰；成体为15‰～20‰[15]。

盐度显著影响刺参活动和生长。陈勇等[16]发现，刺参平均增重率在盐度23‰～32‰时随盐度的增加而增加，并且在盐度为32‰时，摄食活动最为活跃，平均增重达到最大值；当盐度继续升高，刺参活跃性下降，平均增重降低；而盐度为23‰时，刺参几乎不活动。Yuan等[17]研究证实，刺参在温度15 ℃下，盐度为31.5‰时生长最快。盐度影响刺参的特定生长速率，是因为海参属渗透压调节生物，海水盐度变化促使刺参启动体内渗透压调节机制，实现机体与海水之间水分交换和渗透压平衡。该过程中主要是通过体内离子调节和细胞内游离氨基酸库启动和关闭，使海参机体在不同海水盐度环境中达到渗透压平衡，由于渗透压调节过程是一个能量消耗过程，从而降低了刺参的生长能。袁秀堂等[18]证实，刺参的单位体重耗氧率在盐度为31.5‰时最低，刺参基础能量占比最低；而盐度高于或低于31.5‰时耗氧率均上升，基础耗能提高，生长能下降。刺参肠道消化酶活性与盐度具有相关性，孙双双等[19]考察不同盐度下刺参肠道消化酶活性发现，盐度30‰时，肠道蛋白酶和脂肪酶活性最高；盐度高于或低于30‰，消化酶活性都降低，这也与刺参最适生长盐度一致。

海参经过长期进化，体内已经具备了相对完善的渗透压调节系统。现已证实，刺参体内HSP70、HSP90、SOD基因是渗透压调控网络的关键因子，在机体受到盐度胁迫时，这些渗透压调控因子上调表达从而改变生化代谢途径和能量平衡以缓解胁迫造成的压力[20]。进一步研究发现，刺参体内存在盐度调节相关基因，例如蒋亚男等[21]研究发现的羧酸转运蛋白家族16a13(Monocarboxylate Transporters 13,SLC16a13)基因、单羧酸转运蛋白家族6a8(Solute Carrier Family 6 Member 8,SLC6a8)基因、甲壳素受体蛋白(Fibrinogen C Do- main-Containing Protein 1,FIBCD1)基因和AMPA型谷氨酸受体1(Glutamate Ionotropic Receptor AMPA Type Subunit 1,GRIA1)基因和商艳鹏等[22]研究发现的肌腱蛋白-R1(TN-R1)基因、肌腱蛋白-R2(TN-R2)基因、乙酰胆碱受体亚基α-3(CHRNA3)基因、脂肪酸结合蛋白6(FABP6)基因、单羧酸转运蛋白2(SLC16A7)基因、纤维胶凝蛋白1(FCN1)基因、黑素转铁蛋白(MFI2)基因等均在急性低盐胁迫下在刺参不同组织中高表达，其中体腔液中表达量最高，高峰期是在胁迫后48～72 h。因此，刺参的盐度适应过程是一个多基因参与的应激反应信号转导网络，该网络是由黏附识别功能的肌腱蛋白、胞外配体门控离子通道活性和配体门控离子通道活性的CHRNA3蛋白、脂肪酸摄取、运输和代谢相关的脂肪酸结合蛋白、单羧酸转运蛋白、纤维胶凝蛋白补体激活因子和参与膜转运的黑素转铁蛋白等多种功能性因子参与的综合体系。

3 pH值对刺参生理的影响

酸碱度是综合反映水中化学性状和生命活动的一项关键指标，通过直接和间接作用对水生生物生长、存活和繁殖产生影响。刺参对水体酸碱度承受范围较小，例如幼体生长最适pH值范围是7～9，水环境中pH值过高或过低直接导致刺参表皮溃烂[23]，刺参规格越小对酸碱度胁迫承受性越低[24]。在刺参养殖池塘中，连续高温、降雨、阴天、外水污染、生物物种组成改变、底质变化等因素都会造成水体酸碱度在4～10范围波动[25]，pH值骤变严重威胁刺参正常生长和健康，是刺参养殖过程需要密切监控的重要环境因素。

pH胁迫对刺参生长和生理影响主要是渗透压和代谢酶体系。对稚参研究发现，海水的pH值降低导致稚参将大部分能量用于调节体内渗透压平衡，少量的能量用于自身生长代谢，导致稚参生长发育迟缓[26]。除此以外，海水的pH值降低主要影响刺参体内酶活性，使参与代谢的酶活性下降，影响刺参代谢率，进而影响刺参稚参生长发育[27]。韩莎等[28]比较分析了刺参在低pH值(6.8～7.8)和高pH值(8.6～9.6)的养殖水体胁迫36 d的生长、存活及抗氧化酶活性。结果表明，在pH 值7.4～9.0范围内，刺参存活率为100%，随着pH胁迫强度和胁迫时间的增加，刺参存活率逐渐降低，当pH值为6.8、7.0和9.6时，第3天起开始发生死亡，至30天时死亡率为100%。随pH胁迫程度增加，刺参特定生长率呈明显下降趋势，当pH值为9.0时，刺参出现负增长。各pH胁迫组刺参体内两种抗氧化酶——超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性均升高，且随pH胁迫程度的增加呈先升高后下降的变化趋势。此外，pH急性胁迫下，刺参体内非特异性免疫酶活性受到明显抑制，其中一氧化氮合成酶(NOS)和溶菌酶(LZM)活性在高pH(8.9、9.1)胁迫12 h后显著下降，而低pH(7.3、7.5)胁迫条件下，二者活性在72 h后明显下降。

环境胁迫因子对生物体生理作用的主要影响通常来自于有氧代谢异常导致活性氧自由基大量积累而引起氧化损伤[29]。在适宜pH值范围下，刺参体内的抗氧化酶(如SOD、CAT)能够有效发挥氧自由基清除作用，随着pH胁迫增强，动物体内持续大量产生活性氧自由基，一旦超出刺参自身清除阈值，抗氧化酶即遭到破坏，抗氧化系统崩溃导致细胞受到氧化自由基攻击而变性或者死亡，刺参在这种状态下，免疫力下降，病原敏感性增强，极易引起应激性反应和病害发生。

4 光照对刺参生理的影响

刺参具有明显的昼夜活动变化节律性，自然情况下于夜间活动摄食，白天躲藏在阴暗处。陈勇等[16]考察刺参在半光照半黑暗、全光照、全黑暗及自然光照条件下摄食和生长情况发现，在半光照半黑暗条件下，刺参活动最为活跃，摄食旺盛，平均增重率最高，其它3种条件下刺参活动活跃性和增重率较低，但三者之间差别不明显。进一步研究表明，光照使消化酶活力产生昼夜变化，从而影响动物对食物的消化吸收。孙佳敏等[30]测定半光照半黑暗、全黑暗、全光照3种光照条件下刺参摄食和消化酶情况，结果表明，刺参的日摄食率在全光照条件下最低，全黑暗条件下最高，3种光照条件下的刺参摄食高峰都出现在00:00—02:00，且夜晚的摄食比例显著高于白天。此外，在不同光照条件下，刺参3种消化酶(胰蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶)活力最大值都出现在22:00—02:00,比摄食高峰早0～4 h。只有在半光照半黑暗条件下，刺参3种消化酶活力呈现明显昼夜变化节律性，且与摄食规律一致。酶活力方面，除了半光照半黑暗组夜晚时淀粉酶活力高于其它2组外，全黑暗组的3种消化酶活力无论在白天还是夜晚，都依次高于半光照半黑暗组和全光照组。由此证明刺参摄食和消化酶活力的昼夜节律受光照周期的影响。此外，即使在全光照和全黑暗条件下，刺参仍保持在自然生活环境时的“夜晚”时间段比对应的“白天”时间段更高的摄食比例，说明刺参的摄食行为除了受外界光照影响，也受到生物固有的生物钟调节机制控制。生物钟的形成原因复杂，但逃避猎捕是其中一个重要方面。动物为避开捕食者摄食高峰，在进化过程中不断调整其昼夜活动节律而形成生物钟[31]。Mercier等[32]发现，小规格糙海参(Holothuriascabra)仅在夜晚摄食活动就是出于躲避掠食者掠食的自我保护措施。

光照强度已被证实与水生动物生长、发育和产卵等习性密切相关。光强对于稚参和幼参的发育生长影响更为明显。研究表明，在完全黑暗的条件下，刺参樽形幼体发生率极低且畸形率极高，存活率显著低于正常组[33]。刺参对光照耐受个体差异较大，体色越浅的刺参对光照强度耐受性越强，而深色刺参遇到强光照射会迅速避开[33-34]。这是刺参对周围环境的一种适应，一般体色较浅的刺参生活在光照较强的浅水区；而体色较深的刺参生活在光照较弱的深水区，因而对强光照比较敏感。研究者在刺参生长最适光照强度上结论不同，张硕等[34]认为，刺参活动最适光照强度为10 lx；薛素艳等[35]认为，刺参在2 700～11 000 lx光照条件下生长更快；武模戈[36]却认为，刺参在光照强度2 000 lx条件下生长最快，高于在3 000 lx 时明显不适。魏子仲等[37]以光照周期为14 h∶10 h(有光∶暗光)条件下，考察4种光照强度对刺参幼参生长率影响，结果发现，光照强度显著影响刺参生长，生长率由高到低依次为：2 000 lx>1 000 lx>3 000 lx>0 lx；光照强度也显著影响刺参消化酶活性，淀粉酶和脂肪酶活性由高到低均为2 000 lx>1 000 lx>3 000 lx>0 lx，而蛋白酶活性为1 000 lx>2 000 lx>0 lx>3 000 lx。由此可见，光照可能是通过动物的视觉器官和中枢神经系统，来作用于动物内分泌器官，对生物体生理功能产生影响。综上，刺参具有明显昼夜节律性，且适合在暗光条件下生活，在养殖生产中可根据实际情况适当调整，满足刺参最佳生长条件。

5 敌害生物胁迫

在自然环境中，海参成体天敌很少，很少海鸟以海参为食，海鸥有时会吃潮间带的海参。但海参苗种易被蟹类和肉食性鱼类伤害。海星有时也会主动捕食海参幼体，海参行动迟缓，一旦被包住将无法逃脱，在解剖大型海星时，胃中发现过海参，同时也有照片证明海星捕食刺参[38]。另外在底栖鱼类的胃含物中也检出过海参，我国在放流刺参苗时发现隆头鱼会捕食参苗。

与捕食者相比，敌害生物对海参造成的危害更为严重。敌害生物对刺参的危害包括从争夺饵料和生存空间到寄生吸附在刺参的体壁、体腔液或呼吸树，甚至到啃食或捕食刺参。敌害生物一旦数量暴涨对刺参来讲都是一种胁迫，影响刺参的生长甚至生存。综合近年来育苗中敌害生物的影响，其中危害较大的主要有以下几种生物：(1)盾纤毛虫。盾纤毛虫属兼性寄生虫，外观呈瓜子状，长50～75 μm，宽20～50 μm，运动速度较快，在外界营自生生活，在合适条件下寄生在宿主体内生活，当刺参表皮受伤或发病溃烂时，盾纤毛虫会主动侵入刺参个体，并大量繁殖，导致刺参组织坏死和动物个体解体死亡，在短时间内给养殖业造成巨大经济损失[39]。(2)线虫。线虫个体较小，大多5 mm以下，经常出现在稚参培育附着基上，数量多时呈点状分布，有的地方连成片状，大量线虫的活动严重影响稚参的摄食及伸展，对刺参苗种健康极为不利[40]。(3)桡足类。刺参养殖中危害最大的种类主要是猛水蚤和剑水蚤，对于各个发育阶段的刺参都可造成危害。在稚参培育阶段，桡足类一方面争夺饵料和生存空间；另一方面，猛水蚤还会利用发达的口器撕裂、捕食稚参，给稚参造成皮肤细菌感染、溃烂，一旦大量繁殖后直接造成稚参数量锐减甚至绝收[41]。(4)尾索动物。对刺参生存环境进行胁迫的尾索动物主要是玻璃海鞘。玻璃海鞘繁殖速度和生长速度极快，可在网片上大量繁殖占据刺参的生活空间并争夺饵料，同时还会大量消耗溶解氧并排泄氨氮等代谢物，严重影响刺参苗种的生长[42]。除以上几种主要敌害生物，最新研究发现新的刺参敌害生物——澳洲异尾涡虫，属于营自由生活的涡虫，对刺参体表表现出很强的趋向性，可吸附在刺参体表导致刺参苗种溃疡、化皮甚至死亡[43]。

6 展望

从上世纪八十年代刺参人工养殖技术获得成功至今，刺参基础生物学研究和养殖学研究得到快速发展，在水温、盐度、酸碱度、光照等环境因素对刺参生理、生态影响的研究中取得很大发展，在敌害生物的鉴定和预防工作方面也不断取得突破，为刺参养殖产业的健康和持续发展提供重要基础数据。刺参作为我国重要的水产养殖对象，产业中存在的环境胁迫对刺参质量影响的问题亟须解决。水体环境的适宜与否直接关系刺参的生长代谢以及繁殖，影响刺参质量和产业发展，在刺参本身生物特性的基础上以及刺参面对环境胁迫所产生的生理生态变化及对相关因素相互作用的情况下，对刺参生活的水环境采用人工和自然等相关技术进行干预，最大程度满足刺参生长繁殖代谢的需求，对于提高刺参生长、提高产量和品质具有重要作用。

目前，全国海参全产业链产值已达到千亿级别，但仍然危机重重，很大程度是受刺参养殖技术水平和条件所限造成。随着海洋环境保护和水产品食品安全政策制定和实施，刺参养殖也进入重要转型期，一方面要提高生态养殖方面的基础性研究，如刺参品种改良和引入、水质和底质生物调控、无抗环保饲料开发、养殖废水零污染排放工艺等，另一方面，还应借鉴欧美高效陆基循环水养殖模式，建立高效环保的刺参快速生长养殖系统，实现刺参精细化和生态化养殖。