Study on oxidative stress and damage of Cyclina sinensis exposed to naphthalene
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摘要:
试验条件下研究了不同质量浓度(2 mg·L-1、8 mg·L-1和32 mg·L-1)双环芳烃——萘暴露对环文蛤(Cyclina sinensis)超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、碱性磷酸酶(AKP)活性和丙二醛(MDA)生成量变化的影响。结果表明，高浓度萘(32 mg·L-1)在15 d内对环文蛤有很强的致死效应；在非致死条件下，随暴露时间延长SOD活性持续升高，CAT活力存在低浓度促进高浓度抑制的现象，AKP活性随暴露时间延长表现出先升高后降低的趋势，而MDA生成量则随暴露时间延长呈现低→高→低的变化。Pearson相关分析显示，在环文蛤应对氧化胁迫的过程中SOD和CAT呈现协同作用(R=0.439，P < 0.01)，SOD和AKP表现拮抗关系(R=-0.571，P < 0.01)。在保护细胞膜结构完整性方面，CAT和AKP可能较SOD发挥更大作用(R=-0.490，P < 0.01)。
Abstract:The SOD, CAT, AKP activities and MDA content were determined after Cyclina sinensis were exposed to different concentrations (2 mg·L-1, 8 mg·L-1 and 32 mg·L-1) of naphthalene under experimental ecotoxicology conditions. The results indicate that C.sinensis had high mortality rate under 32 mg·L-1 of naphthalene. Under non-lethal conditions and with increase of naphthalene exposure time, SOD activity showed a continuous increasing trend; CAT activity was promoted in low-concentration group and inhibited in high-concentration group; AKP activity was initially increasing then decreasing; MDA content fluctuated following the trend of low→high→low. According to Pearson correlation analysis, SOD and CAT showed synergistic effect (R=0.439, P < 0.01), while SOD and AKP showed antagonism effect (R=-0.571, P < 0.01). CAT and AKP might protect cellular membrane structure better than SOD (R=-0.490, P < 0.01).
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拖网网板是单船拖网作业的主要属具，其水动力学性能的优劣是影响渔获量和捕捞效率的重要因素[1-4]。水流对拖网网板的水动力可分解为与网板运动方向相垂直的扩张力和与网板运动方向相平行的水阻力，其中扩张力起到扩张网具、增加扫海面积的作用，而扩张力与水阻力的比值则是衡量网板扩张效率的重要参数[1]。目前远洋单船拖网网板主要有立式曲面、立式曲面缝翼式、综合型(椭圆形曲面开缝式)、立式曲面V型、矩形曲面V型缝翼式等结构型式[2, 5]。国外发达渔业国家十分重视网板水动力学性能的改进研究，近年来又相继开发出水动力效率更高、稳定性更好的复翼式和喷射式等网板[5]。
在新型网板的设计中，通常依靠模型试验的方法，计算相关的水动力学系数后分析其水动力学性能[1, 6-7]。随着计算机模拟仿真技术的发展，也有学者利用数学模型综合分析拖网系统主要组成部分曳纲、网板和网具的受力情况[8-10]。根据拖网网板的工作条件，进行水槽模型试验比较理想[6, 11-12]。日本学者主要通过水槽模型试验分析网板的水动力学性能[13-17]。福田賢吾等[13-15]通过水槽模型试验分析了展弦比和圆弧面曲率变化对复翼式网板水动力学性能参数的影响。山崎慎太郎等[17]通过水槽模型试验得出矩形曲面V型网板的水动力学性能优于矩形平面网板。中国网板模型试验主要在风洞设备中完成[18-21]。郭根喜等[1]研究了网板结构参数变化对不同类型网板水动力学性能的影响，得出椭圆形网板开缝数以双开缝为宜，导流翼相对高度、错位量和偏角的参数选取对单缝翼式和双缝翼式立式曲面网板水动力学性能影响极大。关长涛和潘生弟[18]对5种大展弦比立式曲面网板的水动力学性能进行分析，优选出具有扩张性能好、冲角范围大和曳行稳定等优点的立式曲面缝翼式网板。王明彦等[19]通过正交优选试验得出影响立式V型曲面网板水动力学性能的因素依次是网板板面折角、展弦比和后退角。张勋等[20]、王锦浩等[21]分别分析了矩形曲面V型网板开缝口导流板曲率、展弦比、缝口位置和缝口宽度等参数对网板水动力学性能的影响。李崇聪[22]针对近海小型单拖网渔船使用的V型网板进行水槽模型试验和数值模拟，提出设置开缝结构优化改进V型网板的性能。
通过在网板板面上设置开缝结构，网板背部涡流受到较大动能水流冲击，可以达到改善背部流态、减少阻力的作用[1, 22]。文章分别对单缝翼立式曲面网板和双缝翼立式曲面V型网板进行了水槽模型试验，比较不同导流翼偏角下拖网网板的水动力学性能，为优化拖网网板性能提供参考。
1. 材料与方法
1.1 试验模型
根据流体力学相似性原理，试验采用雷诺相似准则，即网板模型雷诺数等于实物雷诺数。网板模型见图 1，比例尺为1 : 20，采用不锈钢制作，厚度为2 mm。单缝翼立式曲面网板展弦比为2.7，翼弦长9.3 cm，模型面积为0.024 m2。双缝翼立式曲面V型网板展弦比为2.9，翼弦长9.1 cm，模型面积为0.024 m2(表 1)。迎流冲角α为网板翼弦与来流方向的夹角(图 2)。
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图 1 单缝翼立式曲面网板(a)和双缝翼立式曲面V型网板(b)模型示意图Figure 1. Sketch map of model single flow deflector vertical cambered otter board (a) and double flow deflector vertical cambered V type otter board (b)表 1 网板模型规格Table 1. Specification of model otter board型号
type编号
No.导流翼偏角
angle of flow deflector翼弦长/cm
wing chord length展弦比
aspect ratio面积/m2
sectional area单缝翼式single flow deflector D1 β=35° 9.3 2.7 0.024 D2 β=40° D3 β=45° 双缝翼式double flow deflector S1 θ=15°，γ=20° 9.1 2.9 0.024 S2 θ=20°，γ=20° S3 θ=20°，γ=25° 1.2 试验方法
试验在中国水产科学研究院东海水产研究所循环水槽中完成，水槽试验段尺度为180 cm×50 cm×50 cm，最大流速为2.5 m · s-1。试验模型位于水槽试验段中部，通过连接杆与三分力传感器相连，三分力传感器固定在旋转工作台下方。通过调节旋转工作台可以改变模型的不同迎流冲角，试验装置见图 3。测量仪器为日本共和电业制造的LSM-B-500NSA1-P型三分力传感器，量程为500 N，通过电脑连接记录测量数据。
试验中迎流冲角起始为0°，在0°~40°之间以5°为一档进行调节，在40°~60°之间，以10°为一档进行调节。试验流速分别为0.2 m · s-1、0.4 m ·s-1、0.6 m · s-1、0.8 m · s-1、1.0 m · s-1和1.2 m ·s-1。
1.3 数据处理
根据三分力天平记录的与水流方向相平行的水阻力Fx和与水流方向相垂直的扩张力Fy，经过支杆干扰修正，计算网板的阻力系数CD，升力系数CL和升阻比K。公式为：
$$ \begin{aligned} & C_{\mathrm{D}}=F_x / 0.5 \cdot \rho V^2 \mathrm{~S} \\ & C_{\mathrm{L}}=F_y / 0.5 \cdot \rho V^2 \mathrm{~S} \\ & K=C_{\mathrm{L}} / C_{\mathrm{D}} \\ & R e=V \cdot l / v \end{aligned} $$ 式中ρ为流体密度，V为来流速度(m · s-1)，S为网板模型面积(m2)，Re为雷诺数，υ为流体运动粘度(m2 · s-1)，l为特征长度(m)，此处取为翼弦长度。
2. 结果与分析
2.1 网板自动模型区
在试验中，当0.18×105 < Re < 0.54×105时，随着Re增加CL和CD数值出现紊乱变动现象，可能是由于随着流速加快，尾流发生紊动尚未达到稳定所致。当Re≥0.72×105时，升力系数(或阻力系数)基本保持不变即进入自动模型区，将自模区内测得的升力系数(或阻力系数)取平均值，即得该模型在该冲角下的升力系数(或阻力系数)。文章所讨论升力系数和阻力系数均为进入自模区后的升力系数和阻力系数的平均值。随着Re的增加，双缝翼立式曲面V型网板比单缝翼立式曲面网板更快进入自动模型区。
2.2 单缝翼式网板导流翼偏角变化时的水动力学性能
冲角范围为15°~35°时，D1网板升力系数>D2网板升力系数>D3网板升力系数；α≤5°或α≥50°时，D3网板升力系数>D2网板升力系数>D1网板升力系数；α=10°时，D3网板升力系数>D1网板升力系数>D2网板升力系数；α=40°时，D2网板升力系数>D3网板升力系数>D1网板升力系数(图 4)。网板最大升力系数、最大升阻比和相应的临界冲角见表 2。升力系数最大值(CLmax)分别出现在α=35°(D1)和α=40°(D2，D3)。
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图 4 单缝翼式网板升力系数、阻力系数(a)和升阻比(b)比较Figure 4. Comparison of lift coefficient, drag coefficient (a) and lift to drag ratio (b) of otter boards D1, D2 and D3表 2 网板最大升力系数和最大升阻比Table 2. Max lift coefficient and max lift to drag ratio of otter board型号type 编号No. 最大升力系数CLmax 最大升阻比Kmax 单缝翼式single flow deflector D1 1.983 (α=35°) 2.389 (α=20°) D2 1.877 (α=40°) 2.262 (α=20°) D3 1.841 (α=40°) 2.530 (α=5°) 双缝翼式double flow deflector S1 1.369 (α=30°) 3.906 (α=15°) S2 1.398 (α=30°) 2.658 (α=20°) S3 1.630 (α=35°) 3.756 (α=25°) α≥20°时，D1网板阻力系数>D2网板阻力系数>D3网板阻力系数；冲角范围为0°~15°时，D2网板阻力系数>D1网板阻力系数>D3网板阻力系数(其中α=5°，D2网板阻力系数>D3网板阻力系数>D1网板阻力系数)。
升阻比最大值(Kmax)分别出现在α=5°(D3)和α=20°(D1，D2)。冲角范围为10°~35°时，D3网板升阻比>D1网板升阻比>D2网板升阻比；α≥40°时，D3网板升阻比>D2网板升阻比>D1网板升阻比。冲角范围为10°~35°时，D1网板和D3网板升阻比K均大于2.0；冲角范围为15°~30°时，D2网板升阻比K均大于2.0。
综上可以看出，工作冲角范围为10°~30°时，D1网板和D3网板升力系数CL>0.8，且升阻比K>2.0；工作冲角范围为15°~30°时，D2网板升力系数CL>1.0，且升阻比K>2.0。
冲角为20°~35°时，随着导流翼偏角的增大，升力系数和阻力系数均呈下降趋势。该冲角范围内D1网板升力系数大于D2和D3网板，且升阻比略低于D3网板，可见在单缝翼立式曲面网板中D1网板具有较佳的水动力学性能。
2.3 双缝翼式网板前导流翼偏角变化时的水动力学性能
S1网板和S2网板的升力系数值及变化幅度相近。当冲角范围为25°~35°时，S2网板升力系数>S1网板升力系数(图 5)。S1网板和S2网板的升力系数最大值出现在α=30°时。S2网板阻力系数>S1网板阻力系数。
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图 5 双缝翼式网板升力系数、阻力系数(a)和升阻比(b)比较Figure 5. Comparison of lift coefficient, drag coefficient (a) and lift to drag ratio (b) of otter boards S1, S2 and S3α≥10°时，S1网板升阻比>S2网板升阻比；α≤5°时，S2网板升阻比>S1网板升阻比。升阻比最大值分别出现在α=15°(S1)和α=20°(S2)时。冲角范围为10°~25°时，S1网板升阻比K均大于2.5；冲角范围为15°~25°时，S2网板升阻比K均大于2.5，且变化幅度不大。
综上可以看出，工作冲角范围为20°~30°时，S1网板和S2网板升力系数CL>1.0且升阻比K>2.0。随着前导流板翼片偏角的增加，升力系数数值相近呈波动变化趋势，阻力系数呈上升趋势，升阻比分别呈下降(α≥10°)和上升(α≤5°)趋势。
2.4 双缝翼式网板中导流翼偏角变化时的水动力学性能
α≥25°时，S3网板升力系数>S2网板升力系数；α≤20°时，S2网板升力系数>S3网板升力系数(图 5)。升力系数最大值分别出现在冲角α=30°(S2)和α=35°(S3)时。S2网板阻力系数>S3网板阻力系数。
α≥15°时，S3网板升阻比>S2网板升阻比。α≤10°时，S2网板升阻比>S3网板升阻比。升阻比最大值分别出现在冲角α=20°(S2)和α=25°(S3)时。冲角范围为15°~25°时，S2网板升阻比K均大于2.5，且变化幅度不大；冲角范围为15°~30°时，S3网板升阻比K均大于2.5。
综上可以看出，工作冲角范围为20°~30°时，S2网板升力系数CL>1.0且升阻比K>2.0，S3网板升力系数CL>0.9且升阻比K>2.5。随着中导流板翼片偏角的增加，升力系数分别呈上升(α≥25°)和下降(α≤20°)趋势，阻力系数呈下降趋势，升阻比分别呈上升(α≥15°)和下降(α≤10°)趋势。冲角为25°~35°时，S3网板升力系数和升阻比均大于S1和S2网板，可见在双缝翼立式曲面网板中S3网板具有较佳的水动力学性能。
3. 讨论
比较D1网板和S3网板的水动力学性能，D1网板的优点是冲角α≤40°时升力系数大于S3网板，具有较佳的扩张性能(图 6、表 3)。D1网板升力系数最大值CLmax=1.983(α=35°)，此时CD=0.965，K=2.055。15°~35°冲角之间升阻比变化幅度很小，趋于平缓。工作冲角范围为15°~30°时，D1网板升力系数CL>1.2且升阻比K>2.0。S3网板优点是阻力系数小于D1网板，冲角α≥15°时升阻比大于D1网板，具有较高的扩张效率。S3网板升阻比最大值Kmax=3.756(α=25°)，此时CL=1.321，CD=0.352。工作冲角范围为20°~30°时，S3网板升力系数CL>0.8且升阻比K>3.0。
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图 6 D1网板和S3网板升力系数、阻力系数(a)和升阻比(b)比较Figure 6. Comparison of lift coefficient, drag coefficient (a) and lift to drag ratio (b) of otter boards D1 and S3表 3 不同工作冲角下水动力学性能比较Table 3. Comparison of hydrodynamic performance at different angles of attack工作冲角α
angle of attack编号
No.升力系数CL
lift coefficient阻力系数CD
drag coefficient升阻比K
lift to drag ratio15° D1 1.294 0.543 2.385 S3 0.660 0.231 2.854 20° D1 1.603 0.671 2.389 S3 0.954 0.310 3.081 25° D1 1.801 0.778 2.316 S3 1.321 0.352 3.756 30° D1 1.926 0.886 2.173 S3 1.568 0.498 3.149 35° D1 1.983 0.965 2.055 S3 1.630 0.663 2.457 注： 下划线表示本系列最大值
Note： The underline indicates the maximum of this type.与常用的矩形曲面V型网板[20](α=35°时，CL=1.31，CD=0.75，K=1.75)相比，文章讨论的D1网板和S3网板具有更好的扩张性能。对于中层拖网作业，选用大展弦比网板可以获得更好的扩张性能。但S3网板升力系数略低于无导流翼的立式曲面V型网板[19](α=25°时，CL=1.68，CD=0.72，K=2.33)。立式曲面V型网板开缝后设置导流翼结构，CD呈下降趋势，但CL也有下降的趋势[6]。
导流翼偏角增加时网板升力系数的临界冲角有增加的趋势，这是因为网板主翼达到临界冲角时导流翼尚未达到临界冲角仍具有一部分升力[1]。导流翼偏角的变化改变了进出水口“漏斗形”结构的比例，水流经过时使网板背部涡流漂移，减小网板的阻力。对于同类型网板其他结构参数不变时，调节导流翼偏角可以起到优化网板水动力学性能的目的。除导流翼偏角外，导流翼位置的配置也是影响网板水动力学性能的重要因素[1]。该研究仅对单缝翼立式曲面网板和双缝翼立式曲面V型网板的3种导流翼偏角变化情况进行了升力和阻力测定，今后可增加导流翼偏角变化梯度，并可通过计算机模拟的方法从流场效应的角度分析导流翼结构参数对网板水动力学性能的影响。
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图 1 萘对超氧化物歧化酶(a)、过氧化氢酶(b)、碱性磷酸酶(c)活性与丙二醛生成量(d)变化的影响
*. 差异显著(P < 0.05)
Figure 1. Effect of naphthalene on SOD (a), CAT(b), AKP(c) activities and MDA content (d) of C.sinensis
*. significant difference (P < 0.05)
表 1 生化指标之间的Pearson相关系数矩阵
Table 1 Pearson correlation coefficient matrix among biochemical indicators
SOD活性
SOD activityCAT活性
CAT activityAKP活性
AKP activityMDA生成量
MDA content超氧化物歧化酶活性 SOD activity 1 0.439** -0.571** -0.141 过氧化氢酶活性 CAT activity 1 -0.018 -0.490** 碱性磷酸酶活性 AKP activity 1 -0.490** 丙二醛生成量 MDA content 1 注：* *.差异极显著
Note: * *.very significant difference
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