氣體過飽和對不同早期發育階段鯽的影響研究

吳凡 魏念 杜開開 柳凌 倪朝輝 李云峰

摘要：汛期長江流域大壩的泄洪可能導致下游水體氣體過飽和，干擾或損害下游水生生物的正常生命活動。為了研究水體氣體過飽和對長江流域重要經濟魚類鯽的影響，將處于不同早期發育階段（受精卵、仔魚、稚魚和幼魚）的鯽（Carassius auratus）暴露于氣體飽和度分別為110%，120%，130%和140%的水體中，其中受精卵暴露至出膜，仔魚、稚魚和幼魚均暴露96 h。結果表明：受精卵的孵化率變化范圍為61.43%～72.86%，實驗組與對照組之間孵化率無顯著差異;仔魚、稚魚和幼魚實驗組均出現不同程度的氣泡病癥狀;實驗組死亡率隨飽和度和暴露時間的增加而升高;相同飽和度下幼魚死亡率最高，稚魚次之，仔魚最低;隨著飽和度的升高，幼魚的半致死時間顯著減少。

關 鍵 詞：氣體過飽和;鯽;早期發育階段;半致死時間;長江流域

中圖法分類號：S931.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0052-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.009

0 引 言

水體里氣體壓力超過大氣壓力時會產生氣體過飽和的現象[1]，光合作用[2]、海浪[3]、溫度[4]以及大壩泄洪[5]均有可能造成這種現象。大壩泄洪時，下游氣體過飽和水體中的氣體釋放緩慢，過飽和持續時間長，影響面積大[6-7]。已有研究表明，暴露于氣體過飽和水體的魚類會患氣泡病[8]，患病魚類表現出生長緩慢、游動異常、體表出血、鰭條有氣泡等癥狀[9]，死亡率也增加[10]。

氣體過飽和對河流生態系統的影響已成為全球關注的環境問題[11-12]。美國、挪威和加拿大均出現由大壩泄洪產生的氣體過飽和水體導致的下游魚類大量死亡的事件[13-15]，相關研究發現魚類的死亡率隨水體里氣體飽和度增加而升高[16]。為保護生存在大壩下游的水生生物，美國限定河流水體的氣體飽和度閾值不超過110%[17]。我國在長江上游規劃和建設了一批高水頭大壩[18]，觀測發現，這些大壩在泄洪時，下游水體的氣體飽和度普遍能達到130%以上[19]。2014年，溪洛渡大壩泄洪期間，下游約有40 t魚類死亡，這可能是由下游水體氣體過飽和導致[20]。對長江魚類的研究發現，不同尺寸的魚對氣體過飽和的耐受性存在差異[21]，且不同氣體飽和度的水體對魚類的致死效應也不同[22]。近年來，國家越來越重視長江生態環境以及魚類資源的保護，隨著長江流域水電開發程度逐步提高，氣體過飽和仍將是今后很長時間內需要重視和解決的環境問題，且氣體過飽和對魚類早期發育階段的影響研究相對較少。本文將研究氣體過飽和對鯽早期發育的4個階段（受精卵、仔魚、稚魚和幼魚）的影響，分析各早期發育階段鯽對不同飽和度的氣體過飽和水體的耐受性。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

本次實驗所使用的鯽受精卵、仔魚、稚魚以及幼魚均取自長江水產研究所荊州窯灣實驗場。其中受精卵為受精后1 h;仔魚為出膜后3 d;稚魚為出膜后20 d;幼魚體長為（3.65±0.26）cm，體重為（1.57±0.38）g。

1.2 實驗設備

氣體過飽和水體是通過壓力作用將空氣溶入水中所形成[24]。將氣體過飽和水體與地下水在實驗桶（半徑0.4 m，長1.2 m）中混合形成實驗所需的飽和度分別為110%，120%，130%和140%的氣體過飽和水體。實驗過程中通過溫控系統和氣體飽和度調節裝置來控制實驗桶中水溫變化不超過±0.5 ℃，氣體飽和度不超過±1%/4 h。實驗過程中溶解氧和水溫由美國哈希公司生產的HQ30D測定儀測定，氣體飽和度由丹麥Oxyguard公司生產的Handy Polaris TGP測定儀檢測，使用日本奧林巴斯公司生產的Olympus SZ61解剖鏡對受精卵以及魚體特征進行觀察，拍攝軟件為ToupView 4.10。

1.3 氣體過飽和暴露實驗

實驗設對照組和實驗組，對照組用水為地下水，氣體飽和度為（93.7±3.5）%，實驗組水體氣體飽和度分別為110%，120%，130%以及140%，各飽和度均設3組平行樣。實驗中，水溫控制在適宜的孵化和生長的范圍內[25-26]。

將受精卵（每組70顆）置于金屬籠（直徑15.0 cm×高16.5 cm，小孔直徑0.1 cm）中，然后放入各實驗桶中。金屬籠位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續至對照組中的受精卵出膜，水溫為（19.3±0.5）℃。每4 h調節一次各實驗水體的氣體飽和度，通過解剖鏡觀察受精卵的各項特征，同時記錄實驗結束時對照組和各實驗組的出膜個數。

將仔魚（每組30尾）置于塑料網盒（長6.0 cm×寬4.0 cm×高8.0 cm，網目40）中，然后分別放入實驗桶中。塑料網盒位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續96 h，水溫為（18.9±0.4）℃。每4 h調節一次各實驗水體的氣體飽和度，觀察并記錄仔魚的異常行為以及死亡個體數，通過解剖鏡和軟件觀察并拍攝死亡仔魚的癥狀。

將稚魚（每組30尾）置于金屬籠（直徑15.0 cm×高16.5 cm，小孔直徑0.1 cm）中，然后分別放入實驗桶中，金屬籠位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續96 h，水溫為（21.7±0.4）℃。每4 h調節一次各實驗水體的氣體飽和度，觀察并記錄稚魚的異常行為以及死亡個體數，通過解剖鏡和軟件觀察并拍攝死亡稚魚的癥狀。

將幼魚（每組15尾）置于金屬籠（直徑16.5 cm ×高18.0 cm，小孔直徑0.4 cm）中，然后分別放入實驗桶中。金屬籠位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續96 h，水溫為（22.9±0.5）℃。每4 h調節一次各實驗水體的氣體飽和度，觀察并記錄幼魚的異常行為以及死亡個體數，通過解剖鏡和軟件觀察并拍攝死亡幼魚的癥狀。

1.4 數據統計

實驗數據計算與分析均在EXCEL2016中進行，具體分析方法如下。

孵化率=出膜個體數/總孵化個體數，采用單因素方差分析來檢驗實驗組和對照組孵化率之間的差異。

死亡率用于評估受不同水平的氣體飽和水的實驗性魚類的死亡過程，計算方法：p=n/N×100%，其中p是實驗魚的死亡率，n是死魚的數量，N是實驗魚的總數。采用單因素方差分析來檢驗實驗組之間死亡率的差異。

半致死時間（semi-lethal time，LT50）用于確定實驗魚對氣體過飽和水的耐受性。通過致死時間對數值擬合回歸線，死亡率的概率單位值計算：P=a lg（t）+b，其中P為概率單位，a和b分別為回歸線的斜率和截距，t為實驗魚的致命時間。當概率單位P值為0.5時的時間即為LT50。采用單因素方差分析來檢驗實驗組之間LT50的差異。

2 實驗結果與分析

2.1 鯽受精卵的暴露實驗

受精卵孵化率范圍為61.43%～72.86%。方差分析結果表明，實驗組與對照組孵化率之間無顯著差異（P>0.05）（見圖1）。解剖鏡下觀察發現各飽和度下的受精卵發育情況與對照組一致，未觀察到異常。

2.2 鯽仔魚、稚魚、幼魚的暴露實驗結果

解剖鏡下觀察發現，仔魚、稚魚和幼魚均有不同程度的氣泡病癥狀（見圖2）。仔魚主要表現為腹部有氣泡（見圖2（a））;稚魚腹部膨大，解剖后發現腸道內有氣泡（見圖2（b））;幼魚眼眶周圍、鰓和鰭條上均有氣泡，腹鰭基部充血，解剖發現內臟團和腸道內有大量氣泡（見圖2（c））。

圖3（a）表明，氣體飽和度110%的水體中仔魚均未發生死亡，飽和度120%，130%和140%的仔魚死亡率增加極緩慢。實驗結束時，各飽和度的仔魚死亡率均未超過10%。圖3（b）表明，氣體飽和度140%水體中的稚魚在24 h內開始出現死亡，飽和度130%的稚魚在24～32 h開始出現死亡，飽和度120%的稚魚在32～40 h開始出現死亡，飽和度110%的稚魚在72～80 h才開始出現死亡。0～80 h各飽和度下稚魚的死亡率增長較慢，80 h后死亡率加速上升。圖3（c）表明，氣體飽和度140%和130%水體中的幼魚在8 h內開始出現死亡，飽和度120%和110%的幼魚在8～16 h內開始出現死亡。其中飽和度140%下幼魚的死亡率增長最快，72 h死亡率達100%;其次為飽和度130%和120%;飽和度110%下幼魚的死亡率在0～72 h增長緩慢，72～80 h死亡率加速上升，80 h后死亡率增長速度減緩。結果表明，飽和度越高實驗魚出現死亡的時間越早，且鯽仔魚、稚魚和幼魚在各氣體飽和度的死亡率隨暴露的時間推延而增高。

不同飽和度下，仔魚、稚魚和幼魚的96 h死亡率差異顯著（P<0.05），同樣飽和度下，仔魚到幼魚的死亡率呈增加趨勢（見圖4）。暴露96 h后，氣體飽和度110%，120%，130%和140%的仔魚死亡率分別為0，1.11%，4.56%和9.13%，稚魚的死亡率分別為14.12%，17.31%，43.78%和63.59%，幼魚的死亡率分別為46.11%，73.22%，82.33%和100%（見表1）。結果表明，隨著氣體飽和度的升高，實驗組的死亡率顯著增加。

2.3 鯽幼魚的半致死時間

由于鯽仔魚和稚魚（除飽和度140%外）在實驗結束時還有一半以上的實驗魚存活，因此本文不做其半致死時間計算。表2顯示鯽幼魚半致死時間結果，飽和度110%，120%，130%和140%下鯽幼魚半致死時間均值分別為104.68，64.22，46.85 h和21.86 h。隨著飽和度的升高，實驗魚的半致死時間逐漸減少。結果表明，水體中的氣體飽和度越高對實驗魚的致死效應越強。

3 討 論

氣體過飽和暴露實驗結果表明，水體氣體過飽和對鯽受精卵的孵化無顯著影響，與Gale等[27]實驗結果一致。Gale等研究發現大馬哈魚的受精卵對水體氣體過飽和表現出較強的耐受性，且實驗組的魚卵重量、直徑以及孵化率與對照組相比均未出現明顯的差異。

本次研究結果表明，相同飽和度下，鯽從仔魚到稚魚再到幼魚的死亡率逐漸升高。Weitkamp等[28]研究也表明，從出膜的仔魚發育到幼魚階段，魚類對氣體過飽和的耐受性逐漸降低。這可能與魚類從仔魚發育到幼魚，呼吸方式從皮膚呼吸逐漸轉變為鰓呼吸[29]有關。在魚類鰓形成前，氧氣主要是通過皮膚擴散到卵黃囊的微血管中，這些血管中充滿了含氧和脫氧的混合血液[30]。當血管中氧氣局部壓力較低時，血管內氣泡形成所需的氣體飽和度更高，而當血管內氧氣局部壓力升高時，則容易在血管內形成氣泡[31]。在鰓呼吸開始之前，仔魚微血管中混合血液的氧氣局部壓力相對較低，可能會降低血管內氣泡形成的概率[32]。隨著魚類的生長，皮膚呼吸轉變為鰓呼吸，氧氣通過鰓進入動脈中，動脈中的氧氣局部壓力增加，高于仔魚微血管中的氧氣局部壓力[31]。因此，當幼魚暴露于氣體過飽和水體時，動脈血管內氣泡形成的概率增加，血栓的形成加速，從而增加了魚類的死亡率。解剖鏡觀察結果（見圖2）表明，仔魚僅在腹腔內有氣泡，稚魚腹腔膨大、腸道內有氣泡，而幼魚在頭部、鰭條、內臟團以及腸道內均有氣泡。氣泡存在部位的差異可能與魚類在仔魚和稚魚階段時，水體里的氣泡被誤食進入腸道然后擴散至腹腔內存在一定關聯，但在幼魚階段，由于鰓以及循環系統的發育，水體里的氣泡可通過鰓進入血液運輸到魚體各組織器官。

研究結果同時也表明，鯽死亡率隨水體中的氣體飽和度升高而增加，與Xue等[21]研究結果一致。其他研究人員也發現，隨著水體氣體飽和度的升高，實驗魚的死亡時間逐漸縮短[33]，耐受性逐漸降低[34-55]。這可能是由于氣體飽和度越高，魚類誤食水體中氣泡的機率越大。食入的氣泡可逐漸在腸道內積累，并通過擴散作用進入腹腔，導致魚類腹腔膨大，從而使魚體失去平衡，游動異常。同時氣體飽和度越高，動脈血管中形成氣泡的概率越大[31]，氣泡逐漸堆積形成血栓，導致魚類因血液流動停滯而窒息死亡。另外，有研究表明氣體飽和度升高會導致魚體內血紅蛋白的表達量下降[36]。血紅蛋白是血細胞中運輸氧氣和二氧化碳的重要部分，其表達量下降可能會影響血液里氧氣的吸收和二氧化碳的排出，這些未能及時處理的氣體在血管內堆積，進一步加速了血栓的形成，最終加劇魚類死亡。

將鯽幼魚在各氣體飽和度水體的半致死時間與部分長江重要魚類進行對比（見表3），結果表明不同魚類對氣體過飽和的耐受性存在差異，鯽相較其他魚類（長薄鰍除外）具有更強的耐受性。大壩泄洪時下游水體處于過飽和狀態，長期暴露于此環境可能威脅魚類生命安全。因此，建議開展更多有關氣體過飽和對魚類影響的研究，為了解魚類對氣體過飽和的生理和行為反應機制以及建立氣體過飽和度的評價體系提供基礎資料。

4 結 論

（1）從受精卵到幼魚階段，氣體過飽和水體對鯽的致死效應逐步增加。

（2）在孵化階段，氣體飽和度的變化對鯽受精卵的孵化無明顯影響;在仔魚、稚魚和幼魚階段鯽死亡率隨著氣體飽和度的升高而增加。

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（編輯：黃文晉）