酸化對水生動物代謝的影響及機理研究進展

許友卿，劉 陽，覃志彪，劉曉麗，韓進華，丁兆坤

( 廣西大學 水產科學研究所， 廣西高校水生生物健康養殖與營養調控重點實驗室，廣西 南寧 530004 )

酸化對水生動物代謝的影響及機理研究進展

許友卿，劉 陽，覃志彪，劉曉麗，韓進華，丁兆坤

( 廣西大學 水產科學研究所， 廣西高校水生生物健康養殖與營養調控重點實驗室，廣西 南寧 530004 )

酸雨；影響；機理；代謝；水生動物

酸化水體主要包括人為化學酸化和自然酸化兩類，兩者時空和體積有別，危害也有異同。前者主要是化學試驗所用，后者主要是酸雨和水體吸收CO2所致。酸雨鮮有報道，故需重點述之。

酸雨是指pH<5.6的雨、雪、霜、霧、雹、霰等降水，是嚴重的大氣污染，謂之“空中惡魔或死神”。酸雨直接和間接危害自然界：(1)酸雨直接危害人、生物體及其他物品。例如1980年，僅美國和加拿大就有5萬多人因酸雨而死亡。(2)酸雨使作為水源的湖泊、江河、水庫、池塘和地下水酸化后，一方面直接嚴重危害水生生物；另一方面導致金屬(包括重金屬)離子溶出，使地下水中鋁、鉛、銅、鋅、鎘等離子含量增至正常值的10～100倍，既危害水生生物和飲用者，又通過酸化水體的魚蝦等危害食用者[1]。近年酸雨嚴重威脅發展中國家，特別是印度和中國[2]。隨著人口和工業的迅猛發展，酸雨問題正在日益惡化。繼歐美之后，中國已變成酸雨襲擊最嚴重的區域。研究和解決酸雨問題變得極為迫切[3]。

酸化水體中的pH和離子是刺激水生動物生理和代謝的重要環境因素之一，對水生動物的代謝影響非常復雜，試驗研究困難，相關報道少。

筆者綜述了酸化水體對水生動物呼吸、離子、能量、核酸、蛋白質和脂肪酸代謝的影響及機理，旨在理解酸化水體對水生動物重要代謝的影響及機制，為深入研究提供參考。

1 導致自然水體酸化的酸雨

酸雨可快速酸化緩沖能力較低的湖泊、江河、水庫和池塘的水體。酸雨中的酸絕大部分是硫酸和硝酸，主要源于工業和生活燃燒煤炭排放的硫氧化物、燃燒石油及汽車尾氣釋放的氮氧化物等酸性物質。我國的酸雨為硫酸型，化學特征是pH值低，硫酸和硝酸比例約為10∶1，主要來自人為排放的SO2。

酸雨的形成是一種復雜的大氣化學—物理現象。19世紀中葉就發現了酸雨，但直到20世紀60年代，隨著酸雨范圍不斷擴大，對生態系統的危害持續加劇，人們才開始重視它[4]。

當前, 全球已形成三大酸雨區：西歐、北美和東南亞，其中東南亞酸雨區以中國為主，覆蓋四川、貴州、廣東、廣西、湖南、湖北、江西、浙江、江蘇和青島等省市部分地區，面積超過2.0×106km2。20世紀80年代中國開始調查和監測酸雨。目前我國年均pH<5.6的酸雨區域面積約占國土面積的40%。中國酸雨區面積擴大之快、降水酸化率之高，全球罕見。貴州、湖南、江西、廣西、廣東等省(區)的局部酸雨pH<4.5[4-5]。據估計，2011年我國因酸雨造成的生態損失為1.6×1011美元[5]。

2 酸化水體對水生動物代謝的影響

酸化水體誘導水生動物的應激反應包括神經內分泌和一系列生理、代謝、分子和基因改變[1]。其中酸化水體對水生動物的代謝影響非常復雜。

2.1 酸化水體影響水生動物的呼吸代謝

酸雨使水體pH下降，水生生物組織液的pH下降，使其面臨環境和細胞外液pH下降的雙重影響，以致胞內外酸中毒，擾亂水生生物的酸堿平衡和呼吸代謝[6]。水體pH每下降0.25個單位，溶氧量減少50%，這令很多水生生物同時面臨體內外酸堿失衡和低溶氧脅迫的雙重壓力[4]。在酸化水體中，魚體內水分重新分配，血球比容升高，血液黏滯性增大，血紅蛋白在紅細胞內聚合、沉降，與氧結合力下降而影響氧的運輸和供應，即使水中不缺氧，魚類也會缺氧[7]。酸性溶出重金屬也危害魚類呼吸代謝[8]。酸化水體刺激鰓部黏液增加，鰓小片彎曲并融合，鰓上皮腫脹和細胞肥大，影響血氧交換，減慢機體呼吸速率，甚至窒息而死[9]。

酸化水體使水生動物細胞外液H+含量增加，引起以血漿HCO3-降低為特征的酸堿平衡紊亂，血漿中過量H+立即與HCO3-和非HCO3-緩沖堿，如Na2HPO4等結合而被緩沖，使HCO3-不斷消耗，即：HCO3-+H+→H2CO3→CO2+H2O，導致血漿二氧化碳分壓(PCO2)升高[10-11]。酸化損傷魚類等鰓組織的同時，使通氣障礙，機體內潴留了大量CO2，引發呼吸性酸中毒，高碳酸血癥[12]。pH下降使魚類體液中的碳酸增加，高碳酸血癥也是魚類生存的威脅因素，可致魚類死亡[13]。低pH的體液降低血紅蛋白穩定性，降低血紅蛋白對氧的親和力及運載能力，促進紅細胞釋放O2，降低O2吸收率[10-11]。在pH 6.5時，養殖7 d的太西洋鱈(Gadusmorhua)的氧合血紅蛋白含量比pH 7.4時降低34.5%，而脫氧血紅蛋白含量卻提高了213.8%，高鐵血紅蛋白含量提高了3倍，O2吸收率降低障礙了氧化過程，酸性代謝產物增多，并發代謝性酸中毒[14]。

2.2 酸化水體影響水生動物的離子代謝

酸化水體還導致血液離子和滲透壓調節機制失調[15]。酸化環境嚴重影響生態系統中Ca2+的平衡。在陸地生態系統中，由于酸雨淋溶，大量生物可利用的Ca2+從生態系統中流失，動植物無法獲得生理需求的充足Ca2+[16]。低pH顯著抑制鮭科魚類主動吸收Na+，而刺激大量排放Na+[17]。加拿大安大略省一赤眼鱒(Squaliobarbusourriculus)孵化場融雪帶進酸性物質，水的pH值降至4，赤眼鱒血漿中迅速失去Na+和C1-離子，28 h后死亡，而水中的Al含量由4.2 μg/L增至222 μg/L。這是酸化水體導致孵化場土中Al3+釋放所致[18]。在酸化水體中，過量H+和活性Al是水生生物致毒的兩個主要因素[1]。它們對魚的毒性作用方式非常接近，都能引起魚體鹽調節功能紊亂，酸堿平衡失調，阻礙氣體交換及抗病力下降。其中破壞魚體鹽調節功能是最重要的致死原因[19]。

游離鈣離子(Ca2+)作為第二信使，在維持機體的正常生理功能中發揮重要作用。pH影響游離Ca2+與結合鈣之間的相互轉變，胞外高含量H+使體內外電位平衡移動，抑制游離Ca2+從體外到體內的主動運輸，而胞內H+含量升高則影響胞內Ca2+感受器的調節作用，降低Ca2+離子通道和轉運蛋白活性[20-23]。例如，斑馬魚(Daniorerio)在pH 4.0下48 h，Ca2+流入通量比對照組(pH 7.6)降低75%，而外向通量卻提高67%[24]。在pH 6.7下養殖30 d的長牡蠣(Crassostreagigas) Ca2+量比對照組(pH 8.1)降低1 mmol。

游離Ca2+能穩定細胞膜電位，能抑制神經肌肉的應激性。嚴重酸中毒時， H+與Ca2+競爭，影響心肌細胞的正常運動，使肌肉收縮無力，心律失常，極大地降低心的供血能力[25]。代謝性酸中毒時，影響H+/K+離子交換，胞外液大量H+進入胞內，胞內液的K+轉移到胞外液，阻滯心臟傳導、心室纖顫甚至心臟停搏[14]。Ca2+的嚴重失調還會激活核酸內切酶，使DNA斷裂和染色體凝固。酸化還會影響一些蝦、貝等甲殼類生物的鈣化率，不利于正常生長發育[26]。

低pH還會導致Ca2+浸出，提高細胞膜的離子通透性，破壞細胞間的離子動態平衡，因此，增加Ca2+可以緩解酸性水體中魚類多種離子的流失[27-29]。酸雨降低水環境pH使機體酸堿失衡，Na+流失，代謝酸中毒。水生動物可利用體內無機鹽緩沖體系及大分子轉運蛋白等緩解逆境引發的種種不利影響[30]，這主要通過能量依賴性交換體主動調節離子平衡[31-33]，而這種高效的交換需要大量三磷酸腺苷來維持，促使機體重新分配能量以暫時應對逆境脅迫[32]。如長期酸脅迫顯著降低了鯉魚(Cyprinuscarpio)鰓組織Na+-三磷酸腺苷酶、K+-三磷酸腺苷酶活性[34]。在pH 5.0～5.4下6 d，大西洋鮭(Salmosalar) Na+-三磷酸腺苷酶活性比pH 6.3～6.6下降低了45%～54%[35]。在pH 5.15下7 d，拉利毛足鱸(Trichogasterlalius)鰓弓Na+/K+-三磷酸腺苷酶活力是對照組(pH 6.83)的1/2[36]。

酸脅迫影響機體離子轉運。水環境中的Na+主要通過Na+/H+交換體系進入魚鰓上皮細胞，胞內代謝產生的H+也通過此交換體系排出體外。外界H+含量過高時，Na+吸收能力下降。低pH干擾魚鰓離子交換機能，在pH 4.0時，Na+流出量比正常值高約10倍，體液C1-的損失與Na+一樣嚴重。在pH 3.6 時，大麻哈魚(Oncorhynchusketa)的Na+吸收率比對照組(pH 5.9)降低了427.5 nmol/(g·h)[18]。

2.3 酸化水體影響水生動物的能量代謝

水體pH變化不僅影響水中氮磷的轉化，還影響水生生物代謝、生長和存活等[41]。長時間低pH脅迫導致魚體代謝水平下降，糖原分解和糖異生速率降低，肝糖原得不到及時補充而含量持續減少，乳酸含量增加[42]。Strobel等[43]報告，長期低pH脅迫導致肝細胞酸中毒及線粒體能量代謝能力下降，破壞氧化磷酸化偶聯，影響三磷酸腺苷的合成與釋放。水產養殖動物能安全生活的pH范圍為6.5～9.0，最適pH為7.0～8.5。如水體pH<5.5，魚類對傳染病特別敏感，即使水中并不缺氧，也會因呼吸代謝困難而降低消化率和營養代謝，生長緩慢[44]。如超出魚類耐受的pH范圍，即使是短期效應，也會導致生理機能異常，乃至死亡[45]。

代謝抑制是一種有時限的適應策略，以延長在不利環境中存活時間。在極端環境下，有機體可能進入新陳代謝抑制狀態以節約能量消耗，盡可能延長存活時間以待環境好轉[46]。酸中毒降低了腺苷酸與Mg2+結合的復合體濃度，抑制Mg2+催化三磷酸腺苷水解為二磷酸腺苷，影響能量代謝等生理過程[47]。水生動物氧化磷酸化受pH影響[43]，花紋南極魚(Nototheniarossii)在pH 7.5養殖36 d后，其基本代謝能力降低為pH 7.9對照組的1/2。

魚類糖代謝主要涉及糖酵解、糖異生、三羧酸循環、磷酸戊糖途徑、糖原合成和降解等過程。酸雨降低水環境的pH，酸化水體顯著影響水生動物糖代謝中關鍵代謝酶的活性。花紋南極魚在pH 7.4下養殖5周，心肌檸檬酸合成酶的活性比對照組(pH 8.0)降低2/5[48]。當肌細胞內pH值降至pH 6.4時，其磷酸果糖激酶的活性幾乎完全受抑制；當pH降低0.1單位，離體肌肉標本的磷酸果糖激酶活性降至原來的5%～10%[49]。金頭鯛(Sparusaurata)在pH 7.1下暴露24 h，其紅肌乳酸脫氫酶活力比pH 7.9暴露者提高50%，而檸檬酸合成酶活力下降49%[50]。Michaelidis等[51]報道，金頭鯛在pH 7.3下養殖5 d，心肌丙酮酸激酶活力比對照組(pH 8.1)提高19 μmol/min，乳酸脫氫酶活力提高444 μmol/min，蘋果酸脫氫酶提高21 μmol/min，而檸檬酸合成酶活力降低1.03 μmol/min，3-羥酰基-輔酶A脫氫酶活力降低3.64 μmol/min。與pH 8.1對照組比較，在pH 7.3下養殖5 d的金頭鯛的丙酮酸激酶/乳酸脫氫酶降低0.13，蘋果酸脫氫酶/乳酸脫氫酶降低0.28，檸檬酸合成酶/乳酸脫氫酶降低0.015，表明酸化抑制有氧代謝，增強厭氧代謝。

酸化水體還影響魚類能量代謝的葡萄糖水平，且因暴露時間長短而異。在pH 6.4下脅迫8 d的歐洲鱸(Percafluviatilis)血糖比pH 7.7者提高82.6 mg/dL[52]。鯉魚在pH 4.5下暴露28 d，血糖含量比第7 d提高了50%[53]。在pH 3.0下的克林雷氏鲇(Rhamdiaquelen)肝葡萄糖水平是pH 7.0的2倍，而肝糖原從pH 3.0的119 μmol/g降至pH 7.0的96 μmol/g，肝乳酸含量從8.5 μmol/g降至6.5 μmol/g[54]。pH壓力還誘導嗜鉻細胞和腎上腺皮質軸釋放兒茶酚胺和皮質類固醇激素，動員儲存能，提高呼吸容量，適應環境，提高魚類血液中葡萄糖含量，甚至產生高血糖癥[55]。

2.4 酸化水體影響水生動物的蛋白質代謝

酸化水體可抑制蛋白質代謝。酸雨不僅抑制水生動物的蛋白質合成，還促進蛋白質分解。Morgan等[56]報道，虹鱒(Oncorhynchusmykiss)在pH 5.2環境下養殖30 d，蛋白質合成率是pH 6.2養殖者的0.65%，蛋白質降解率卻增加了1%，蛋白質凈增長降低了0.35%。

魚類蛋白質代謝產物以氨氮為主，排氨率可作為研究水生動物新陳代謝的重要指標。在適宜的 pH范圍內，組織代謝較快，產生的氨和尿素多，個體的排氨量上升，超過一定的pH范圍，組織代謝會因不適而進入麻痹乃至停止狀態，個體排氨量隨之下降，尿素含量相對于氨氮排泄率明顯提高。如尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)幼魚在pH 5.0～10.0下養殖7 d，排氨率隨pH降低而線性下降，回歸系數為0.483[57]。于pH 7.2養殖24 h的鯔魚(Mugilcephalus)排氨率僅是pH 7.7的75%[58]。

pH變化對酶活性影響巨大，能改變底物和酶輔助因子活性基團的電離狀態、蛋白分子電荷量、酶構象以及底物與酶的結合能力。低pH影響水生生物酶蛋白的構象、功能及活性，抑制營養吸收與代謝[59]。海蜇(Rhopilemaesculenta)在pH 4.0下淀粉酶比活力只有pH 7.0組的60%[60]。大西洋鮭魚(Salmosalar) 在pH 6.5下總蛋白分解活力比pH 8.9降低了63%；pH 6.1組的脂肪酶活力只有pH 7.9組的0.5%，嚴重抑制了消化能力[61]。酸性陽離子與蛋白質結合成不溶性化合物，蛋白變性可使魚組織器官失去功能。用pH 2.3處理的鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)肌肉肌原纖維蛋白分子無吸熱峰，說明已完全變性[62]。

低pH和其他因素共同作用的威脅更大。水體酸化使硬水中碳酸鹽生成大量游離的CO2，而一些不溶性重金屬鹽轉變為可溶性鹽，導致毒性倍增，對魚酶活性及其生理機能影響更大[63]。用pH 5.6海水養殖大西洋鮭24 h， Na+/K+-三磷酸腺苷酶活力僅比pH 6.9對照組下降6%，而含30 μg/L鋁的pH 5.6組Na+/K+-三磷酸腺苷酶活力下降了69%[64]。

2.5 酸化水體影響水生動物的脂肪酸代謝

脂肪酸給魚類提供生長發育所需的必需脂肪酸，其中某些高度不飽和脂肪酸是類二十烷活性物質的前體，對神經傳導、信息傳遞起重要作用，有些是魚類，尤其是海水魚的仔、稚魚生長發育所必需；脂肪酸有助于脂溶性維生素的吸收和體內運輸[65]；脂肪酸還可作為能源為水生動物生長、發育、繁殖等生理活動提供能量，在氧充足的情況下，脂肪酸可氧化分解為CO2和H2O，釋放大量能量，是機體主要能量來源之一，對水生動物的生長發育和繁殖發揮重要的作用[66]。

低pH影響酶蛋白的構象、功能及活性，抑制脂肪酶活性，影響水生動物脂肪酸含量、合成與分解，及對脂類的吸收與利用[59]。生物體內長鏈脂肪酸的合成始于16碳，通過一系列脫氫酶、加氧酶和延長酶的催化脫氫、加氧、延長而成，但低pH影響有關酶的活性而影響長鏈脂肪酸的合成。酸性pH往往促進脂質過氧化反應[67]。金頭鯛在pH 7.1下養殖10 d，心肌脂肪酸β-氧化限速酶-3-羥酰輔酶A脫氫酶(HOAD)活力比pH 7.8組降低51.67%，預示降低抑制了心肌動員脂肪的能力[50]。Bermúdez等[68]將簡柱藻(Cylindrothecafusiformis) 養殖在不同pH下1年發現，當pH下降0.6個單位，簡柱藻的飽和脂肪酸含量隨之下降6%。

2.6 酸化水體影響水生動物的核酸代謝

在有機體的生命活動中，凡影響蛋白質代謝的因素就不可避免地影響核酸代謝，具體表現在核糖核酸與脫氧核糖核酸比值的變化上。脫氧核糖核酸經轉錄和翻譯編碼蛋白質合成，轉錄翻譯過程中伴隨核糖核酸的形成，正常生命活動中機體細胞脫氧核糖核酸含量不變，其核糖核酸/脫氧核糖核酸比值可反映蛋白質的代謝狀況，是機體蛋白質合成能力的生理指標之一。鯉魚、藍鰓太陽魚(Lepomismacrochirus)、紅點鮭(Salvelinusleucomaenis)、小口黑鱸(Micropterusdolomieu)等肌肉、肝中的核糖核酸/脫氧核糖核酸比值與魚類生長呈正相關，是評定魚類生長性能的良好指標[69-71]。

水體酸化嚴重影響水生動物的核酸代謝。丁兆坤等[72]認為，核糖核酸/脫氧核糖核酸與pH有顯著的效應關系，是評價環境對機體影響的重要指標。Catarino等[73]證實，酸化水體改變水生生物酸堿平衡，顯著影響核糖核酸/脫氧核糖核酸及基因表達，降低核糖核酸/脫氧核糖核酸比值。羅非魚在pH 7.36～8.20下養殖7個月，肝中核糖核酸/脫氧核糖核酸比值是對照組(pH 8.01～11.60)的65%[74]；日本囊對蝦(Marsupenaeusjaponicus)在pH 7.2下36 h，體內核糖核酸/脫氧核糖核酸比值比pH 8.2下降低0.3[75]。

然而，Mukherjee等[74]將卡特拉魚(Catlacatla)、南亞野鯪(Labeorohita)和羅非魚暴露于不同pH的水質中12個月，發現暴露于pH 8.01～11.60的魚鰓、肝和肌肉核糖核酸/脫氧核糖核酸比值、線粒體酶活性、蛋白質含量皆低于暴露于pH 7.36～8.2下。這可能與pH對核糖核苷酸還原酶的影響有關。核糖核酸還原酶是生物體內唯一能催化4種核糖核苷酸還原、生成相應的脫氧核糖核苷酸的酶，是脫氧核糖核酸合成和修復的關鍵酶和限速酶。pH對核糖核酸還原酶有異構作用，阻礙核苷酸向脫氧核苷酸轉化，不利于脫氧核糖核酸合成，進而使核糖核酸/脫氧核糖核酸偏大。Georgieva等[76]報道，pH 4.65培養結核桿菌(Mycobacteriumtuberculosis) 18 h，其核糖核酸還原酶亞基無序卷曲結構比pH 7.4組提高了26%。于pH 5.8僅10 min，大腸桿菌(Escherichiacoli)的核苷酸還原能力就比pH 8.2組降低了76.9%[77]。可見pH影響之大。

3 酸化水體影響水生動物代謝的機理

3.1 酸化水體通過影響基因表達而影響水生動物代謝

酸化水體影響細胞應激基因的表達。紋藤壺(Balanusamphitrite)在pH 7.6下4 d，體內長鏈酰基輔酶 A 脫氫酶基因表達量是對照組(pH 8.1)的1.5倍[78]。Martín等[79]報道，先在pH 4.5中預處理絲足魚(Osphronemussp.)、金魚(Carassiusauratus)、鯉魚、虹鱒24 h，取其星形膠質細胞再在pH 4.5下3 h，發現pH 4.5處理誘導了各種魚細胞熱休克蛋白70和熱休克蛋白60的基因表達，其中鯉魚的熱休克蛋白70與熱休克蛋白60表達量最高，分別是虹鱒相應表達量的10倍以上。而熱休克蛋白能調節Na+/K+-三磷酸腺苷酶活性，促進糖異生，在酸中毒和抗氧化過程中發揮重要作用；熱休克蛋白70能協助新生蛋白折疊、受損蛋白再折疊以及蛋白質聚合；熱休克蛋白90能促進蛋白激酶和類固醇激素受體成熟[79-81]。

酸暴露引起氧化應激反應，刺激水生動物體內超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶轉錄，降低脂質過氧化和含氧自由基的含量。例如，于pH 7.7下48 h的日本囊對蝦的超氧化物歧化酶基因表達量比pH 8.2下提高了210%[82]。于pH 5.4暴露24 h的凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei) 過氧化氫酶mRNA相對表達量比對照組(pH 8.0)提高了20%[83]。斑馬魚在pH 4.0下120 h，谷胱甘肽過氧化物酶 mRNA相對表達量是24 h的2倍[84]。

3.2 酸化水體通過影響激素分泌而影響水生動物代謝

酸暴露可刺激鯉魚交感-腎上腺髓質系統，使去甲腎上腺素和甲狀腺激素分泌增加，從而抑制脂解速率[85]。在低pH脅迫下，水生動物增加去甲腎上腺素、甲狀腺激素、腎上腺素、皮質醇等激素的分泌量[86-89]。去甲腎上腺素具有抑制脂解速率的作用，甲狀腺激素能增強線粒體豐富細胞中Na+/K+-三磷酸腺苷酶的活性；腎上腺素可提高環磷酸腺苷含量，增加三酯酰甘油脂肪酶磷酸化的水平，加速脂解作用，活化其他組織中的β-氧化途徑；皮質醇是從腎上腺皮質中提取的腎上腺皮質激素，對糖類代謝具有很強的作用，被稱為“應激激素”，皮質醇還能促進肝糖異生，升高血糖，調節Na+/H+交換蛋白，誘導虹鱒腎Na+/H+交換蛋白3表達或提高Na+/H+交換蛋白3表面活性，激活虹鱒補償機制，促進酸排泄等功能[90-92]。Dijk等[37]報道，鯉魚在pH 4.0中6 h，血漿中皮質醇含量比對照組(pH 7.4)提高了157%，暴露48 h，去甲腎上腺素和腎上腺素含量分別比對照組提高40%和129%；虹鱒在pH 5.0下24 h，血漿中皮質醇含量是對照組(pH 7.5)的4.2倍[93]；羅非魚在pH 4.5下8 d，血漿皮質醇是對照組(pH 7.8)的6倍[94]。

3.3 酸化水體通過影響自由基水平而影響水生動物代謝

酸化環境會引起水生生物氧化應激。氧化應激主要是因自由基產生后消除不及時所致[95]。通常，自由基產生與清除處于動態平衡狀態，pH降低等逆境將打破這種動態平衡，強化了呼吸鏈有氧代謝，產生了更多的自由基[96]。Bopp等[97]報道，虹鱒在pH 6.0下24 h，自由基水平比pH 7.0組魚提高了71%。自由基主要包括超氧物陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫、脂質過氧化物和單線態氧[98]，損傷脫氧核糖核酸、蛋白質和脂肪等重要大分子，引起線粒體內物質外泄，膜通透性增加，影響線粒體的正常生理功能。丙二醛還與腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸反應，導致單鍵或雙鍵斷裂，使基因不穩定。

[1] 王德銘, 李辛夫, 莊德輝, 等. 酸雨對水生生物影響的研究[J]. 生態學報, 1989, 9(1):77-83.

[2] Abbasi T, Poornima P, Kannadasan T, et al. Acid rain: past, present, and future[J]. International Journal of Environmental Engineering, 2013, 5(3):229-272.

[3] 夏宜琤, 況琪軍. 酸雨, 水體酸化及其對水生生物的影響[J]. 重慶環境科學, 1996, 18 (3):34-37.

[4] Ding H, Lang Y C, Liu C Q, et al. Chemical characteristics and δ34S-SO42-of acid rain: anthropogenic sulfate deposition and its impacts on CO2consumption in the rural Karst area of southwest China[J]. Geochemical Journal, 2013, 47(6):625-638.

[5] Clair T A, Dennis I F, Vet R. Water chemistry and dissolved organic carbon trends in lakes from Canada′s Atlantic Provinces: no recovery from acidification measured after 25 years of lake monitoring [J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2011, 68(4):663-674.

[6] Methling C, Pedersen P B, Steffensen J F, et al. Hypercapnia adversely affects postprandial metabolism in the European eel (Anguillaanguilla)[J]. Aquaculture, 2013(416/417):166-172.

[7] 宋飛彪, 王偉洪, 宋月林, 等. 池塘養殖水質變化特性及其改善方法[J]. 農村經濟與科技, 2013, 24(4):161-162.

[8] Grassie C, Braithwaite V A, Nilsson J, et al. Aluminum exposure impacts brain plasticity and behavior in Atlantic salmon (Salmosalar)[J]. The Journal of Experimental Biology, 2013, 216(16):3148-3155.

[9] 張甫英, 李辛夫. 低pH對魚類胚胎發育、魚苗生長及鰓組織損傷影響的研究[J]. 水生生物學報, 1992, 16(2):175-182.

[10] 高關霞, 吳敏慧, 紀云鵬, 等. 全血 pH 環境對紅細胞膜流動性和膜蛋白的影響[J]. 中國醫藥指南, 2011, 9(13):5-7.

[11] 劉培培, 關曉月, 曾常春, 等. 氫離子對血紅蛋白-氧親和力影響的拉曼光譜研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2013, 33(5):1234-1238.

[12] Abbink W, Garcia A B, Roques J A C, et al. The effect of temperature and pH on the growth and physiological response of juvenile yellowtail kingfishSeriolalalandiin recirculating aquaculture systems [J]. Aquaculture, 2012, 330(1):130-135.

[13] 石莉, 桂靜, 吳克勤. 海洋酸化及國際研究動態[J]. 海洋科學進展, 2011(1):122-128.

[14] Olsen S H, Elvevoll E O. pH-induced shift in hemoglobin spectra: a spectrophotometeric comparison of Atlantic cod (Gadusmorhua) and mammalian hemoglobin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, 59(4):1415-1422.

[15] 丁兆坤, 李虹輝, 許友卿. 海洋酸化對海洋生物呼吸代謝的影響及機制[J]. 飼料工業, 2012(20):15 -17.

[16] 吳飛華, 裴真明, 鄭海雷. 環境酸化引起鈣失衡的生理生態學效應[J]. 生態學雜志, 2009, 28(7):1373-1380.

[17] Rafael M D, Marcio S F, Chris M W, et al. Effect of low pH exposure on Na(+) regulation in two cichlid fish species of the Amazon[J]. Comparative Biochemistry & Physiology Part A Molecular & Integrative Physiology, 2013, 166(3):441-448.

[18] Church M R, Turner R S, Johnson D W, et al. Factors affecting the long-term response of surface waters to acidic deposition: state-of-the-science. Project report[R]. Corvallis: Environmental Protection Agency, 1986:1-271.

[19] Muniz I P, Leivestad H, Drablos D, et al. Acidification-effects on freshwater fish[G]//Rainwater J. International conference on the ecological impact of acid precipitation, Sandefjord: 1980:84-92.

[20] Manríquez P H, Jara M E, Mardones M L, et al. Ocean acidification disrupts prey responses to predator cues but not net prey shell growth inConcholepasconcholepas(loco)[J]. PloS One, 2013, 8(7):68643.

[21] Tseng Y C, Hu M Y, Stumpp M, et al. CO2-driven seawater acidification differentially affects development and molecular plasticity along life history of fish (Oryziaslatipes) [J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 2013, 165(2):119-130.

[22] Kri?aj D, Mercer A J, Thoreson W B, et al. Intracellular pH modulates inner segment calcium homeostasis in vertebrate photoreceptors [J]. American Journal of Physiology-Cell Physiology,2011,300(1):187-197.

[23] 邰飛, 朱武軍. 血液 pH 值對血清鈣濃度測定的影響[J]. 檢驗醫學與臨床, 2008, 5(4):217.

[24] Enzor L A, Zippay M L, Place S P. High latitude fish in a high CO2world: synergistic effects of elevated temperature and carbon dioxide on the metabolic rates of Antarctic notothenioids [J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 2013, 164(1):154-161.

[25] Stecyk J A W, Larsen B C, Nilsson G E. Intrinsic contractile properties of the crucian carp (Carassiuscarassius) heart during anoxic and acidotic stress[J]. American Journal of Physiology——Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 2011, 301(4):1132-1142.

[26] Richards R G, Davidson A T, Meynecke J O, et al. Effects and mitigations of ocean acidification on wild and aquaculture scallop and prawn fisheries in Queensland, Australia[J]. Fisheries Research, 2015, 161(1):42-56.

[27] Chasiotis H, Kolosov D, Bui P, et al. Tight junctions, tight junction proteins and paracellular permeability across the gill epithelium of fishes: a review[J]. Respiratory Physiology & Neurobiology, 2012, 184(3):269-281.

[28] Duffy N M, Bui P, Bagherie-Lachidan M, et al. Epithelial remodeling and claudin mRNA abundance in the gill and kidney of puffer fish (Tetraodonbiocellatus) acclimated to altered environmental ion levels [J]. Journal of Comparative Physiology B, 2011, 181(2):219-238.

[29] Kumai Y, Bahubeshi A, Steele S, et al. Strategies for maintaining Na+balance in zebrafish (Daniorerio) during prolonged exposure to acidic water[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 2011, 160(1):52-62.

[30] Thor P, Dupont S. Transgenerational effects alleviate severe fecundity loss during ocean acidification in a ubiquitous planktonic copepod[J]. Global Change Biology, 2015, 21(6):2261-2271.

[31] 王輝, 強俊, 李瑞偉. 溫度, 鹽度, pH 和體質量對尼羅羅非魚幼魚窒息點的影響[J]. 廣東海洋大學學報, 2011, 31(3):37-44.

[32] Strobel A, Graeve M, Poertner H O, et al. Mitochondrial acclimation capacities to ocean warming and acidification are limited in the Antarctic nototheniid fish,NototheniarossiiandLepidonotothensquamifrons[J]. PloS One, 2013, 8(7):e68865.

[33] 劉洪軍, 張振東, 官曙光, 等. 海洋酸化效應對海水魚類的綜合影響評述[J]. 生態學報, 2012, 32(10):3233-3239.

[34] Dijk P L M, Thillart G, Balm P, et al. The influence of gradual water acidification on the acid/base status and plasma hormone levels in carp [J]. Journal of Fish Biology, 1993, 42(5):661-671.

[35] Monette M Y, McCormick S D. Impacts of short-term acid and aluminum exposure on Atlantic salmon (Salmosalar) physiology: a direct comparison of parr and smolts[J]. Aquatic Toxicology, 2008, 86(2):216-226.

[36] Huang C Y, Lin H C. The effect of acidity on gill variations in the aquatic air-breathing fish,Trichogasterlalius[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 2011, 158(1):61-71.

[37] 于娜. 鹽度對鯔魚消化生理和滲透調節生理的影響[D]. 上海:上海海洋大學, 2011.

[38] Kurita Y, Nakada T, Kato A, et al. Identification of intestinal bicarbonate transporters involved in formation of carbonate precipitates to stimulate water absorption in marine teleost fish[J]. American Journal of Physiology——Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 2008, 294(4):1402-1412.

[39] Fitzer S C, Caldwell G S, Close A J, et al. Ocean acidification induces multi-generational decline in copepod naupliar production with possible conflict for reproductive resource allocation[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2012, 418(1):30-36.

[40] Hahn S, Rodolfo-Metalpa R, Griesshaber E, et al. Marine bivalve shell geochemistry and ultrastructure from modern low pH environments: environmental effect versus experimental bias[J]. Biogeosciences, 2012, 9(5):1897-1914.

[41] 王方國, 劉金燦. 水體環境因子與對蝦疾病關系[J]. 東海海洋, 1992, 10(4):37-41.

[42] 丁兆坤, 劉偉茹, 許友卿. 海洋酸化對海洋生物大分子影響的研究進展[J]. 中國水產科學, 2013, 20(6):1310-1318.

[43] Strobel A, Bennecke S, Leo E, et al. Metabolic shifts in the Antarctic fishNototheniarossiiin response to rising temperature and pCO2[J]. Front Zool, 2012, 9(1):28.

[44] 何南榮, 楊鵬程, 金幫宇. 養殖塘 pH 值的變化規律及調控[J]. 養殖技術顧問, 2013(5):229.

[45] Zaprudnova R A, Kamshilov I M, Chalov Y P. Functional properties of hemoglobin during the adaptation of fish to low environmental pH [J]. Inland Water Biology, 2015, 8(2):188-194.

[46] Guppy M, Withers P. Metabolic depression in animals: physiological perspectives and biochemical generalizations[J]. Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society, 1999, 74(1):1-40.

[47] 李艷青. 蛋白質氧化對鯉魚蛋白結構和功能性的影響及其控制技術[D]. 哈爾濱：東北農業大學, 2013.

[48] Strobel A, Leo E, P?rtner H O, et al. Elevated temperature and pCO2shift metabolic pathways in differentially oxidative tissues ofNototheniarossii[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, 2013, 166(1):48-57.

[49] Trivedi B, Danforth W H. Effect of pH on the kinetics of frog muscle phosphofructokinase[J]. Journal of Biological Chemistry, 1966, 241(17):4110-4114.

[50] Feidantsis K, P?rtner H O, Antonopoulou E, et al. Synergistic effects of acute warming and low pH on cellular stress responses of the gilthead seabreamSparusaurata[J]. Journal of Comparative Physiology B, 2015, 185(2):185-205.

[51] Michaelidis B, Spring A, P?rtner H O. Effects of long-term acclimation to environmental hypercapnia on extracellular acid-base status and metabolic capacity in Mediterranean fishSparusaurata[J]. Marine Biology, 2007, 150(6):1417-1429.

[52] Petochi T, Di Marco P, Priori A, et al. Coping strategy and stress response of European sea bassDicentrarchuslabraxto acute and chronic environmental hypercapnia under hyperoxic conditions[J]. Aquaculture, 2011, 315(3):312-320.

[53] 盧健民, 盧玲, 藺玉華, 等. 低pH 水平對鯉魚生長及血糖濃度影響的研究[J]. 水產學雜志, 2001, 14(1):51-53.

[54] Bolner K, Copatti C, Rosso F, et al. Water pH and metabolic parameters in silver catfish (Rhamdiaquelen) [J]. Biochemical Systematics and Ecology, 2014, 56(20):202-208.

[55] Kure E H, Sb? M, Stangeland A M, et al. Molecular responses to toxicological stressors: profiling microRNAs in wild Atlantic salmon (Salmosalar) exposed to acidic aluminum-rich water [J]. Aquatic Toxicology, 2013, 138(1):98-104.

[56] Morgan I J, D′Cruz L M, Dockray J J, et al. The effects of elevated summer temperature and sublethal pollutants (ammonia, low pH) on protein turnover in the gill and liver of rainbow trout (Oncorhynchusmykiss) on a limited food ration[J].Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 1999, 123(1):43-53.

[57] 強搖俊, 王輝, 李瑞偉. 酸堿脅迫對不同體質量尼羅羅非魚幼魚能量代謝的影響[J]. 應用生態學報, 2011, 22(9):2438-2446.

[58] 李加兒, 曹守花, 區又君, 等. 溫度、鹽度和pH對鯔幼魚耗氧率、排氨率以及窒息點的影響[J]. 中國水產科學, 2014, 21(5):954-962.

[59] 韓慶, 劉良國, 張建平, 等. 溫度和 pH 對洞庭鲇魚消化酶活性的影響[J]. 水生生物學報, 2011, 35(1):22-33.

[60] 宋晶, 李曉東, 吳垠. 溫度、pH對海蜇(Rhopilemaesculenta)主要消化酶活力的影響[J]. 山西農業大學學報：自然科學版, 2015(1):11-16.

[61] Krogdahl ?, Sundby A, Holm H. Characteristics of digestive processes in Atlantic salmon (Salmosalar). Enzyme pH optima, chyme pH, and enzyme activities [J]. Aquaculture, 2015, 449(1):27-36.

[62] 付湘晉, 許時嬰, 王璋. 酸堿處理對鰱魚肌原纖維蛋白熱變性、聚集、膠凝性質的影響[J]. 食品科學, 2008, 29(6):100-103.

[63] Mosley L M, Zammit B, Jolley A M, et al. Acidification of lake water due to drought[J]. Journal of Hydrology, 2014, 511:484-493.

[64] Nilsen T O, Ebbesson L O E, Kverneland O G, et al. Effects of acidic water and aluminum exposure on gill Na+, K+-ATPase α-subunit isoforms, enzyme activity, physiology and return rates in Atlantic salmon (SalmosalarL.) [J]. Aquatic Toxicology, 2010, 97(3):250-259.

[65] Thanuthong T, Francis D S, Senadheera S D, et al. Fish oil replacement in rainbow trout diets and total dietary PUFA content: Ⅰ effects on feed efficiency, fat deposition and the efficiency of a finishing strategy [J]. Aquaculture, 2011, 320(1):82-90.

[66] Hong J, Li J, Cheng X F, et al. Dietary effects of eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid on growth, lipid accumulation and antioxidation system in juvenile grass carp,Ctenopharyngodonidellus[J]. Journal of Northwest Agriculture and Forestry University, 2011, 39(8):56-62.

[67] Tseng K Y, Chen S M, Huang C H. Some characteristics of iron-catalyzed nadh-dependent sarcoplasmic reticular lipid oxidation in a seawater clam (Meretrixlusoria) and freshwater clam (Corbiculafluminea)[J]. Journal of Food Biochemistry, 2010, 34(4):825-837.

[68] Bermudez R, Feng Y, Roleda M Y, et al. Long-term conditioning to elevated pCO2and warming influences the fatty and amino acid composition of the diatomCylindrothecafusiformis[J]. PLoS One, 2015, 10(5):1-15.

[69] Bulow F J, Zeman M E, Winningham J R, et al. Seasonal variations in RNA-DNA ratios and in indicators of feeding, reproduction, energy storage, and condition in a population of bluegill,LepomismacrochirusRafinesque[J]. Journal of Fish Biology, 1981, 18(3):237-244.

[70] Mustafa S. Influence of maturation on the concentrations of RNA and DNA in the flesh of the catfishClariasbatrachus[J]. Transactions of the American Fisheries Society, 1977, 106(5):449-451.

[71] Buckley L J. Relationships between RNA-DNA ratio, prey density, and growth rate in Atlantic cod (Gadusmorhua) larvae [J]. Journal of the Fisheries Board of Canada, 1979, 36(12):1497-1502.

[72] 丁兆坤, 王福平, 許友卿. 海水酸化對海洋生物代謝的影響及機理[J]. 水產科學, 2015,34(5):331-334.

[73] Catarino A I, Bauwens M, Dubois P. Acid-base balance and metabolic response of the sea urchinParacentrotuslividusto different seawater pH and temperatures[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2012, 19(6):2344-2353.

[74] Mukherjee S, Jana B B. Water quality affects SDH activity, protein content and RNA: DNA ratios in fish (Catlacatla,LabeorohitaandOreochromismossambicus) raised in ponds of a sewage-fed fish farm [J]. Aquaculture, 2007, 262(1):105-119.

[75] 趙先銀, 李健, 李吉濤, 等. pH 脅迫對日本對蝦非特異性免疫因子及RNA/DNA 比值的影響[J]. 漁業科學進展, 2011, 32(1):60-66.

[76] Georgieva E R, Narvaez A J, Hedin N, et al. Secondary structure conversions ofMycobacteriumtuberculosisribonucleotide reductase protein R2 under varying pH and temperature conditions [J]. Biophysical Chemistry, 2008, 137(1):43-48.

[77] Song D Y, Pizano A A, Holder P G, et al. Direct interfacial Y731oxidation in α2by a photoβ2subunit ofE.coliclass Iaribonucleotide reductase[J]. Chemical Science, 2015, 6(8):4519-4524.

[78] Wong K K W, Lane A C, Leung P T Y, et al. Response of larval barnacle proteome to CO2-driven seawater acidification[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics, 2011, 6(3):310-321.

[79] Martín M, Hernández C, Bodega G, et al. Heat-shock proteins expression in fish central nervous system and its possible relation with water acidosis resistance [J].Neuroscience Research, 1998, 31(2):97-106.

[80] Qian Z, Liu X, Wang L, et al. Gene expression profiles of four heat shock proteins in response to different acute stresses in shrimp (Litopenaeusvannamei)[J].Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Toxicology & Pharmacology, 2012, 156(3):211-220.

[81] 高奎樂, 王濤. 熱休克蛋白70在心肌缺血/再灌注損傷中的作用[J]. 醫學綜述, 2012,18(16):2548-2549.

[82] 趙先銀. pH 脅迫對三種養殖對蝦生理生化指標的影響[D]. 上海: 上海海洋大學, 2011.

[83] Wang W N, Li B S, Liu J J, et al. The respiratory burst activity and expression of catalase in white shrimp,Litopenaeusvannamei, during long-term exposure to pH stress [J]. Ecotoxicology, 2012, 21(6):1609-1616.

[84] Wendelaar Bonga S E, Flik G, Balm P H M. Physiological adaptation to acid stress in fish[J]. Annales de la Société Royale Zoologique de Belgique, 1987,117(1):243-254.

[85] Van Den Thillart G, Vianen G, Ponce M C, et al. Differential role of adrenoceptors in control of plasma glucose and fatty acids in carp,Cyprinuscarpio(L.)[J]. American Journal of Physiology——Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 2001, 281(2):615-624.

[86] Kwong R W M, Perry S F. Cortisol regulates epithelial permeability and sodium losses in zebrafish exposed to acidic water [J]. Journal of Endocrinology, 2013, 217(3):253-264.

[87] Rodela T M, McDonald M D, Walsh P J, et al. Interactions between cortisol and rhesus glycoprotein expression in ureogenic toadfish,Opsanusbeta[J]. The Journal of Experimental Biology, 2012, 215(2):314-323.

[88] Peter M C, Leji J, Peter V S. Ambient salinity modifies the action of triiodothyronine in the air-breathing fishAnabastestudineusBloch: effects on mitochondria-rich cell distribution, osmotic and metabolic regulations [J]. General and Comparative Endocrinology, 2011, 171(2):225-231.

[89] Peter V S, Babitha G S, Bonga S E, et al. Carbaryl exposure and recovery modify the interrenal and thyroidal activities and the mitochondria-rich cell function in the climbing perchAnabastestudineusBloch [J]. Aquatic Toxicology, 2013, 126(1):306-313.

[90] Lin C H, Tsai I L, Su C H, et al. Reverse effect of mammalian hypocalcemic cortisol in fish: cortisol stimulates Ca2+uptake via glucocorticoid receptor-mediated vitamin D3 metabolism [J]. PloS One, 2011, 6(8):e23689.

[91] Gilmour K M, Collier C L, Dey C J, et al. Roles of cortisol and carbonic anhydrase in acid-base compensation in rainbow trout,Oncorhynchusmykiss[J]. Journal of Comparative Physiology B, 2011, 181(4):501-515.

[92] Rodela T M, Esbaugh A J, McDonald M D, et al. Evidence for transcriptional regulation of the urea transporter in the gill of the Gulf toadfish,Opsanusbeta[J]. Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology, 2011, 160(2):72-80.

[93] Iger Y, Balm P H M, Bonga S E W. Cellular responses of the skin and changes in plasma cortisol levels of trout (Oncorhynchusmykiss) exposed to acidified water [J]. Cell and Tissue Research, 1994, 278(3):535-542.

[94] Van der Salm A L, Spanings F A T, Gresnigt R, et al. Background adaptation and water acidification affect pigmentation and stress physiology of tilapia,Oreochromismossambicus[J].General and Comparative Endocrinology, 2005, 144(1):51-59.

[95] Victor V M, Esplugues J V, Hernandez-Mijares A, et al. Oxidative stress and mitochondrial dysfunction in sepsis: a potential therapy with mitochondria-targeted antioxidants[J].Infectious Disorders-Drug Targets (Formerly Current Drug Targets-Infectious Disorders), 2009, 9(4):376-389.

[96] P?rtner H O, Langenbuch M, Reipschl?ger A. Biological impact of elevated ocean CO2concentrations: lessons from animal physiology and earth history[J]. Journal of Oceanography, 2004, 60(4):705-718.

[97] Bopp S K, Abicht H K, Knauer K. Copper-induced oxidative stress in rainbow trout gill cells[J]. Aquatic Toxicology, 2008, 86(2):197-204.

[98] Alzoghaibi M A. Concepts of oxidative stress and antioxidant defense in Crohn′s disease[J]. World Journal of Gastroenterology: WJG, 2013, 19(39):6540.

AReviewofEffectsofAcidificationonMetabolisminAquaticAnimals

XU Youqing， LIU Yang， QIN Zhibiao, LIU Xiaoli， HAN Jinhua， DING Zhaokun

( Institute for Fishery Sciences, Key Laboratory for Aquaculture and Nutritional Control of Living Organisms, Guangxi High Education, Guangxi University, Nanning 530004, China )

acid rain; effect; mechanism; metabolism; aquatic animal

10.16378/j.cnki.1003-1111.2017.06.024

S917

C

1003-1111(2017)06-0825-09

2016-04-01；

2016-06-11.

國家自然科學基金資助項目(31360639); 廣西生物學博士點建設項目(P11900116, P11900117); 廣西自然科學基金資助項目(2013GXNSFAA019274, 2014GXNSFAA118286, 2014GXNSFAA118292).

許友卿(1958-)，女，教授，博士生導師；研究方向：環境生物學、水生動物營養、生理、生化和分子生物學. E-mail: youqing.xu@hotmail.com. 通訊作者: 丁兆坤(1956-)，男，教授，博士生導師，研究方向：環境生物學、水生動物營養、生理、生化和分子生物學. E-mail: zhaokund@hotmail.com.