拥挤胁迫对水生生物影响的研究进展

徐 贺， 王桂芹， 陈秀梅， 丛林梅

（吉林农业大学动物科学技术学院，吉林长春 130118）

在现代集约化养殖条件下，水产养殖动物极易受到外界环境的影响，如温度、盐度、氧气变化以及高密度养殖而造成的拥挤胁迫等 （徐赟霞等，2010）。拥挤胁迫是水产养殖中比较常见的现象，原因是人们为了追求较高的经济效益，通过增加水体的放养密度达到提高单位水体的产鱼量（Schra等，2006）。高密度的养殖模式使水产动物不能维持正常的生理状态，引起水质恶化，水中有害物质含量增加 （亚硝酸盐、氨氮等），导致水产动物对饲料利用率降低，生长发育迟缓，免疫力降低，对病原易感性增加等（朱建新等，2011）。

1 拥挤胁迫的反应过程及机制

1.1 激素水平的变化 水产动物的内分泌系统可通过两个反应系统来调控胁迫，即下丘脑-垂体-肾间组织轴（HPI）和交感-肾上腺髓质系统（于淼，2008）。在拥挤胁迫状态下，水产养殖动物HPI受到连续的刺激，引起头肾细胞中皮质醇激素的合成与释放，而养殖动物的交感-肾上腺髓质系统也受到刺激，引起机体中肾上腺髓质的嗜铬细胞释放儿茶酚胺 （去甲肾上腺素和肾上腺素二者统称）（周显青等，2001）。胁迫的反应机制是由内分泌系统和神经系统二者共同参与，由合成代谢转向分解代谢 （Pickering等，1992）。儿茶酚胺可促进机体中肝脏、骨骼肌以及心肌内糖原的分解，为机体短时间供给能源，皮质醇可增强机体中能源物质（蛋白质、酯类、糖原）的分解代谢，为机体长期供给能量（Gamperl等，1994）。

水产动物为抵抗应激产生的皮质醇在机体中不被储存，直接进入血液，所以血浆中皮质醇的含量是衡量水产动物所受胁迫强度的指标。有研究表明，鱼类受到急性拥挤胁迫时，血清中皮质醇浓度快速升高，经过一段时间后回落到正常或接近正常水平，因为皮质醇能够促进能源物质代谢，胁迫期间可满足机体对能量需求的增加（林浩然等，1999）。 Rotllant 等（1997）对红色棘鬣鱼（Pagrpa grus）、王文博等（2004a）对鲫（Carassius cuvieri）、Ruane 和 Komen（2003）对鲤鱼（Cyprinus carpio）的研究表明，因高密度养殖模式引起的拥挤胁迫可以导致鱼类血清中皮质醇浓度快速升高，其作用强度与饲养密度呈正相关。水生生物在拥挤胁迫状态下，血清中皮质醇水平并不是持续上升的。Barton 和 Wama（1991）对虹鳟（Salmo gairdneri）、逯尚尉等（2011）对点带石斑鱼（Epinephelus malabaricus）的研究表明，高密度养殖引起的拥挤胁迫开始时，血液中皮质醇水平迅速上升，随着应激时间的增加，机体对应激产生了一定的适应，皮质醇水平有所降低或恢复到接近正常水平。慢性拥挤胁迫引起皮质醇低水平现象，可能是因为初期高浓度皮质醇对HPI负反馈作用引起的（Rotllant等，2000），也可能是皮质醇的代谢途径改变造成的（Vijayan，1990）。血液中皮质醇的浓度可作为水产动物急性胁迫的敏感指标，但并非高密度持续养殖造成的拥挤胁迫的敏感评价指标。机体受到胁迫引起血液中儿茶酚胺升高是因为交感神经受到刺激，产生兴奋，引起儿茶酚胺类物质的释放（林浩然等，1999）。儿茶酚胺可作为一种神经递质调节心血管活动，也可作为另一种应激激素对机体免疫功能产生影响，在哺乳动物方面，可抑制有丝分裂原诱导淋巴细胞的增殖，而在水产动物方面主要是皮质类固醇对免疫功能的影响（Maule和Schreck，1990）。血液中皮质醇水平长时间上升也可导致水产动物的免疫系统功能受到阻碍，使水产动物对各种疾病的易感性增强 （Demers和Bayne，1997）。

1.2 基因组效应 在机体内糖皮质激素（GC）最主要的生理作用是基因组效应，即与胞浆中游离的糖皮质激素受体（GR）结合，引起GR构象发生改变并与热休克蛋白（HSP）解离，形成的激素-受体复合物转移至细胞核，对下游靶基因发挥转录活化或者抑制的调节作用。在机体应激过程中糖皮质激素主要发挥的是转录抑制作用，即抑制促炎症转录因子 （核因子和激活蛋白-I等）转录调节作用，从而产生抗炎作用，糖皮质激素副作用的主要机制是转录活化作用（Weyts等，1998）。

应激时不断的刺激机体的HPI轴兴奋分泌大量的糖皮质激素，通过转录抑制起到抗炎作用，降低转录活化作用，缓解应激负面影响。糖皮质激素过多导致细胞机能降低，引起淋巴细胞的溶解（Takashi和 Tenyuki，2002）。 HSP 的保护机制为其本身对蛋白质构象的稳定作用，调节应激酶的产生；HSP可通过抑制核因子 （NF-kB）活性、肿瘤坏死因子（TNF-α）产生阻止细胞凋亡起到保护作用；参与免疫反应对细胞起到保护作用（王桂芹，2010）。应激状态下，机体细胞中热应激蛋白（HSP70）基因表达量快速上升，并与GR结合或者作为分子伴侣参与蛋白质折叠、转运、转位及生物合成等过程，HSP70可以迅速、短时间调节胁迫反应过程中细胞的存活功能，降低细胞损伤，有利于胁迫细胞正常结构的恢复及功能重建，使细胞产生耐受性（Basu等，2002）。在肝脏、骨骼肌中GR可通过调控某些酶类而参与能量代谢，外周GR有抗免疫、抗炎作用（Weyts等，1998）。正常状态下，机体细胞中HSP70浓度较低，应激状态下HSP70浓度显著上升，HSP70浓度的增加是细胞对应激调控的一种表现，缓解胁迫带来的不良影响，对细胞起到保护作用（Jaattela，1999）。有研究表明，因高养殖密度引起的慢性拥挤胁迫影响糖（肾上腺）皮质激素受体的表达，肝脏中的糖皮质激素的浓度随血液中皮质醇浓度升高而下降 （Genciana等，2005）。HSP70是机体对应激调控能力的敏感指标（Basu等，2002），GRmRNA是慢性拥挤胁迫和鱼类福利状况的敏感指标（Macle和 Schreck，1991）。

2 拥挤胁迫对水生生物的影响

2.1 拥挤胁迫对水生生物行为的影响 动物行为的改变是更好地适应环境的第一手段 （张廷军等，1998）。通常情况下，水生生物产生应激反应时，行为改变表现为呼吸加快、惊慌躲窜、警惕性增强、烦躁不安、运动频率增加、翻滚跳跃以及不断地游泳等。经过一定时间应激后，水生生物的运动频率下降，游泳速度缓慢，在水面漂浮不摄食、无力，由轻度浮头转变成重度浮头时，时而漂浮水面时而沉在水底，受惊吓不动，体表颜色加深，接近死亡（胡应高，2004）。据报道，鱼类在拥挤胁迫情况下，游泳行为出现异常，运动频率增加，同时鱼类的好斗性受到影响 （Mcfarlane等，2004）。 中华鲟（Acipenser sinensis Gray）在拥挤胁迫下行为出现变化，随着养殖密度的增加，运动频率加强，呼吸加快，警惕性增强，且随着胁迫时间的持续对中华鲟行为影响加深（张建明等，2013）。高养殖密度降低鱼类的好斗性和对领土的占有欲（张廷军等，1998）。 Cooke等 （2000） 对硬头鳟（Oncorhynchus mykiss）研究发现，高密度的养殖会增加硬头鳟日活动频率。

2.2 拥挤胁迫对水生生物生长的影响 随着养殖密度的增加，水生生物摄食率降低，生长发育缓慢，死亡率增高（Allen，1974）。 张磊等（2007）研究表明，鲤在高密度养殖模式下终末体质量、特定生长率降低。张建明等（2013）研究结果显示，高密度的养殖模式导致中华鲟生长受到阻碍，摄食率下降，高密度的养殖对中华鲟生长带来了负面影响，不利于其生长发育。李大鹏等（2004）研究发现，高密度的养殖模式抑制史氏鲟（Aclpenser schrenckii）生长，且养殖密度和特定生长率存在显著的负相关性。这与步艳等（2013）对大杂交鲟、逯尚尉等（2011）对点带石斑鱼、陈亚坤等（2011）对凡纳滨对虾（Penaeus vanname）的研究结果一致。

有关拥挤胁迫导致水生生物生长受到阻碍的原因，有学者认为，高密度的养殖模式使水生生物生存空间和食物的竞争加剧，水生生物运动消耗能量增加和饲料摄食量减少，导致水产动物的生产性能下降 （Marchand和 Boisclaor，1988）。有研究认为，随着饲养密度的增加动物饵料消耗量降低是造成养殖动物生长率降低的主要原因（Vijayan 和 Leatherland，1988）。 还有研究认为，当机体处于应激状态时，鱼类的HPI受到连续刺激，造成体内激素（皮质醇、胰岛素等）水平发生改变，养殖动物为更好地适应应激行为模式发生改变，体内大量的能量被消耗，致使糖异生作用增强，这一系列变化给鱼类生长带来了负面的影响（张廷军等，1998）。水体中溶氧充足时可缓解拥挤胁迫对水生物生长的抑制。Blackbum等（1990）对银鳟（Coho salmon）、Poston 和 Williams（1988） 对 大 西 洋 鲑 （Atlantic salmon） 的 研 究 发现，在高密度养殖时，提高水体溶氧浓度可缓解应激对生长的抑制作用。

2.3 拥挤胁迫对水生生物生理生化指标的影响拥挤胁迫对水产动物生理生化指标的影响，主要表现对血液成分的影响上，而血液与养殖动物机体的物质代谢、能量代谢、营养状态及健康情况有着紧密的联系，当机体受到外界应激原刺激引起一系列生理生化变化时，必定会通过血液指标反应。所以，血液成分变化可作为评价水产动物胁迫程度的重要指标（周玉等，2001）。

血糖、血脂、血清蛋白是水产动物血液中重要的供能物质，正常状态下，机体内血糖含量相对比较稳定，而应激出现时，短时间机体内血糖含量会升高，长时间应激会导致机体内的血糖下降，且当机体内的血糖不足时，血脂、血清蛋白才会被动物利用（高明辉，2008）。Montero 等（1990）对金头鲷（Sparus aurata）的研究表明，高密度的养殖模式导致金头鲷的红细胞数量、血红蛋白含量、血浆蛋白含量以及血糖含量显著下降。Vijayan等（1990）对溪红点鲑（Salvelinus fontinalis）的研究表明，鲑鱼在拥挤胁迫状态下，血糖含量降低，糖异生作用增强。张磊等（2007）研究表明，在拥挤胁迫下可导致鲤血液中皮质醇水平增加，皮质醇水平的高低与拥挤胁迫强度有关。这与李爱华 （1997）对草鱼（Ctenopharynodon idellus）、王文博等（2004a）对鲫的研究结果一致。拥挤胁迫使水生生物对能量的需求增强，水生生物通过分解供能物质来满足机体对能量的需求，即血糖的升高、糖异生作用加强及甘油三酯参与糖代谢（陈平洁等，2007）。

2.4 拥挤胁迫对水生生物免疫力的影响 当水生生物长时间处于拥挤胁迫状态下，免疫机能受到限制，导致机体抵抗外界病原入侵的能力降低，诱发各种疾病，严重时导致鱼类死亡（Di Marco等，2008）。拥挤胁迫通过影响水生生物的免疫器官、体液免疫和免疫细胞，引起水生生物的一些组织及细胞的病变（淋巴细胞病变、组织损伤等），抑制水生生物防御系统，降低水生生物的抗病能力（张廷军等，1998）。 李爱华（1997）对草鱼进行拥挤胁迫研究发现，胁迫10 d后，高密度养殖组草鱼的脾脏体比显著低于低密度组，表明鱼类的脾脏会受到拥挤胁迫的影响。王文博等（2004b）研究不同的养殖密度对草鱼非特异性免疫功能影响，结果表明中度和高密度的养殖导致草鱼脾脏萎缩，且抑制草鱼非特异性免疫功能。陈亚坤等（2011）研究表明，随着放养密度的增加，凡纳滨对虾酚氧化酶原活性、碱性磷酸酶以及溶菌酶活性下降。Rotllant等（1997）对拥挤胁迫下红色棘鬣鱼的研究表明，红色棘鬣鱼在23 d胁迫后，溶菌酶含量在胁迫16 d后明显升高且持续到第23天，其替代途径补体活性乙酰胆碱值明显降低。这与Ortuno等 （2001）和Tort等（1996）对海鲷（Sparus aurata）的研究结果相符。根据以上试验结果可知，拥挤胁迫可引起水生生物补体的活性降低，抑制免疫系统发挥正常功能，但经过一段时间的拥挤胁迫后，溶菌酶升高，缓解了拥挤胁迫对水生生物的负面影响。

3 小结与展望

拥挤胁迫阻碍水产动物正常生理功能的发挥，导致水产动物的行为活动发生改变，生长发育迟缓，免疫功能降低等，严重时使水产动物死亡。可见拥挤胁迫不利于现代化集约化养殖模式的发展及水产养殖业的健康发展。目前，关于拥挤胁迫的研究主要集中在对水产动物生长、血液生理生化指标、免疫力等方面的影响。今后还应加深以下几个方面的研究：（1）水产动物在拥挤胁迫期间抗病力降低的根本原因；（2）慢性拥挤胁迫时，机体中是否存在比糖皮质激素水平更敏感的胁迫指标，即加强对慢性拥挤胁迫分子机理的研究；（3）通过营养调控手段提高动物的免疫力，加强水产动物的抗拥挤胁迫能力，降低拥挤胁迫给水产动物带来的不良影响。

[1]步艳，李吉方，温海深，等.放养密度对流水池塘养殖大杂交鲟生长及摄食的影响[J].海洋湖沼通报，2013，4：43～48.

[2]陈平洁，曹俊明，陈水春，等.水产养殖中的拥挤胁迫和操作胁迫[J].饲料工业，2007，28（22）：18～21.

[3]陈亚坤，郭冉，夏辉，等.密度胁迫对凡纳滨对虾生长、水质因子及免疫力的影响[J].江苏农业科学，2011，39（3）：292～294.

[4]高明辉.VC、VE对亚硝酸盐胁迫下异育银鲫血液指标及抗氧化能力的影响：[硕士学位论文][D].武汉：华中农业大学，2008.

[5]李爱华.拥挤胁迫对草鱼血浆皮质醇、血糖及肝脏中抗坏血酸含量的影响[J].水生生物学报，1997，21（4）：384～386.

[6]李大鹏，庄平，严安生，等.光照、水流和养殖密度对史氏鲟稚鱼摄食、行为和生长的影响[J].水产学报，2004，28（1）：54～61.

[7]林浩然.鱼类生理学[M].广州：广东高等教育出版社，1999.28～35.

[8]逯尚尉，刘兆普，余燕，等.密度胁迫对点带石斑鱼幼鱼生长、代谢的影响[J].中国水产科学，2011，18（2）：322～328.

[9]胡应高.鱼类的应激反应[J].淡水渔业，2004，34（4）：61～64.

[10]王文博，汪建国，李爱华，等.拥挤胁迫后鲫鱼血液皮质醇和溶菌酶水平的变化及对病原的敏感性[J].中国水产科学，2004a，11（5）：408～412.

[11]王文博，李爱华，汪建国，等.拥挤胁迫对草鱼非特异性免疫功能的影响[J].水产学报，2004a，28（2）：139～144.

[12]王桂芹.谷氨酰胺对拥挤胁迫鲤鱼的营养调控及抗胁迫机理的研究[D].长春：吉林农业大学.2010.9～12.

[13]徐赟霞，张丽，崔露文.环境胁迫对鱼类生理机能的影响[J].天津水产，2010，3：9～14.

[14]于淼.拥挤胁迫对鱼类影响研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（3）：1078～1080.

[15]张建明，郭柏福，高勇.中华鲟幼鱼对慢性拥挤胁迫的生长、摄食及行为反应[J].中国水产科学，2013，20（3）：592～598.

[16]朱建新，赵霞，曲克明，等.封闭循环水系统中养殖密度对大菱鲆生长和免疫的影响[J].渔业现代化，2011，38（4）：1～5.

[17]周显青，孙儒泳，牛翠娟.应激对水生生物生长、行为和生理活动的影响[J].动物学研究，2001，22（2）：89～92.

[18]周玉，郭文扬，杨振国，等.鱼类血液指标研究进展[J].上海水产大学报，2001，10（2）：163～165.

[19]张廷军，杨振才，孙儒泳.鱼类对高密度环境的适应[J].水产科技情报，1998，25（3）：110～113.

[20]Allen K O.Effects of stocking density and water exchange rate on growth and survival of channel catfish Ictalurus punctatus in circular tanks[J].Aquaculture，1974，4：29～39.

[21]Basu N，Todgham A，Eackerman P A.Heat shock protein genes and their functional significance in fish[J].Gene，2002，295：173～183.

[22]Blackburn J，Clarke W C.Lack of density effect on growth and smolt quality in zero-age coho salmon[J].Aquacultural Engineering，1990，9：121～130.

[23]Cooke S J，Chandroo K P，Beddow T A，et al.Swimming activity and energetic expenditure of captive rainbow trout Oncorhynchusmykiss（Walbaum）estimated by electromyogram telemetry[J].Aquac Res，2000，31：495～505.

[24]Demers N E，Bayne C J.The immediate effects of stress on hormones and plasma lysozyme in rainbow trout[J].Developmental Comparative Immunology，1997，21：363～373.

[25]Di Marco P， Priori A，Finoia M G，et al.Physiological responses of European sea bass Dicentrarchus labrax to different stocking densities and acute stress challenge[J].Aquaculture，2008，275（1）：319～328.

[26]Gamperl A K，Vijayan M M，Boutilier R G.Experimental control of stress hormone levels in fishes：techniques and applications[J].Rev Fish boil Fisheries，1994，4：215～255.

[27]Genciana T，Rosalba G，Simon A R.Quantification of a glucocorticoid receptor in sea bass （Dicentrarchuslabrax，L）reared at high stocking density[J].Gene，2005，357（2）：144～151.

[28]Jaattela M.Heat shock proteins as cellular lifeguards[J].Ann Med，1999，31：261～271.

[29]Macle A G，Schreck C B.Stress and cortisol treatment changed affinity and number of glucocorticoid receptors leuccytes and gill con salmon[J].Gen Comp Endocrinol，1991，84：83～93.

[30]Maule A G，Schreck C B.Changes in Numbers of leukocytes in immune organs of juvenile colo salmon after acute stress or cortisol treatment[J].Aquac An Health，1990，2（4）：298～304.

[31]Marchand F，Boisclair D.Influence of fish density on the energy allocation paten of juvenile brook trout[J].Can J Fish Aquat Sci，1988，55：796～805.

[32]Mcfarlane W J，Cubiit K F，Williams H，et al.Can feedingstatus and stress level be assessed by analyzing patterns ofmuscle activity in free swimming rainbow trout（Oncorhynchus mykiss Walbaum）[J].Aquaculture，2004，239：467?484.

[33]Montero D，Izquierdo M S，Tort L，et al.High stocking density produces crowding stress altering some physiological and biochemical parameters in gilthead seabream，Sparusaurata，juvenilies[J].FishPhysiolBiochem，1999，20：53～60.

[34]Ortuno J，Esteban M A，Meseguer J.Effects of short-term crowding stress on the gilthead seabream （Sparus aurata L.）innate immune response[J].Fish Shellfish Immunol，2001，11（2）：187～197.

[35]Pickering A D.Rainbow trout husbandry：management of the stress response[J].Aquac，1992，100：125～139.

[36]Poston H A，Williams R C.Interrelations of oxygen concentration，fish density，and performance of Atlantic salmon in an ozonated water reuse system[J].Prog Fish Cult，1988，50：69～76.

[37]Rotllant J，Pavlidis M，Kentouri M，et al.Nonspecific immune responses in the red porgy Pagrus pagms after crowding stress[J].Aquaculture，1997，156：279～290.

[38]Rotllant J，Balm P H，Ruane N M，et al.Pituitary proopiomelanocortin derived peptides and hypothalamus-pituitary-interrenal axis activityin gilthead sea bream（Spares aurata）during prolonged crowding stress[J].Gen Comp Endocrinol，2000，119：152～163.

[39]Ruane N M，Komen H.Measuring cortisol in water as an indicator of stress caused by increased loading density common carp （Cyprinus carpio）[J].Aquac，2003，218：685～693.

[40]Schra M E，Heul J W，Kamstr A A，et al.Stocking density-dependent growth of dover sole（Soleasolea）[J].Aquaculture，2006，252：33～34．

[41]Takashi Y，Tenuyuki N.Interaction between endocrine and immune systems in fish[J].International Review of Cytology，2002，220：35～92.

[42]Tort L，Sunyer J O，Gome Z E.Crowding stress induces changes in serum haemolytic and agglutinating activity in the gilthead sea bream Sparus aurata[J].Vet Immunol Immunopathol，1996，51：179～188.

[43]Vijayan M M，Ballantyne J S，Leatherland J F.High stocking density alters the energy metabolism of brook charr，Salrelinus fontinali[J].Aquaculture，1990，88：371～381.

[44]Vijayan M M，Leatherland J F.Effect of stocking density on growth and stress response in brook charr[J].Aquaculture，1988，75：159～170.

[45]Weyts F A，Verurg V，Kemenade B M，et al.Characterisation of corticoid receptors in peripheral blood leukocytes of carp，Cyprinus carpio L[J].Gen Comp Endocrinol，1998，11（1）：1～8.