氨氮对水产动物的毒性效应研究进展

王梦杰，陈建华，王海华

摘要：氨氮是水产养殖过程中一项非常常见的水质指标，同时也是制约水产动物健康生长的重要环境因子。综述了氨氮的急性毒性、亚急性毒性、氨氮对水产动物的生理生化指标的影响、不同水环境条件下氨氮毒性以及氨氮毒性的机理等内容，为水产动物健康养殖提供理论基础。

关键词：氨氮;非离子氨毒性;健康养殖

中图分类号：[949]    文献标识码：A

伴随着集约化养殖模式的推广应用，水资源污染问题越发严重，其中氨氮成为水产养殖过程中一项重要的环境胁迫因子[1]。水体中氮包括有机氮和无机氮，其中有机氮包括氨基酸、蛋白质、核酸等;无机氮包括溶解氮气、氨态氮、硝态氮等[2]。一般在pH值为7～8的常温水体中，有机氮物质约占60%，氨态氮占35%，其它则以硝态氮的形式存在[3]。养殖过程中，氨氮浓度超标会严重影响水生动物的生长，并且会对许多的组织器官造成损伤，甚至死亡[4]。水體中氨氮的来源主要有4个方面：生活污水排放;氮肥及各种有机农药的大量使用，经水体氧化后形成的亚硝酸盐和硝酸盐等有毒污染物[5];藻类细胞自溶与有机碎屑沉积物的矿化作用，使以颗粒状结合的有机氮以非离子氨的形式释放到水体中;高密度养殖过程中残饵和鱼类排泄物的沉积而产生的氨氮、硫化物和亚硝酸盐等物质。一方面，氨态氮是藻类生长中最重要的氮源，氨态氮含量不足常常成为水体初级生产力的限制因素[6];另一方面，过量的氨态氮对水生动物具有很强的危害作用，主要体现为，水体富营养化;氨氮通过呼吸作用等侵入机体组织，造成组织缺氧或者病变，甚至死亡[7]。此外，有研究表明，在特定条件下非离子氨的毒性可以达到离子氨毒性的300～400倍[8]。水体pH、温度、溶解氧等都能影响离子氨和非离子氨的含量，其中pH值得影响最为强烈[9]。

1  氨氮的急性毒性

美国环保署曾通过对32种淡水鱼类和17种海水鱼类的非离子氨急性毒性实验，得出淡水鱼非离子氨的半致死浓度（LC50）是2.79 mg/L，海水鱼非离子氨的LC50是1.86mg/L[10]。Wajsbrot[11]和Ruyet[12]分别测定了一些海水鱼类如海鲈（Dicentrarchus labrax）、海鳊（Sparus aurata）和大菱鲆（Scophthalmus maximus）96h非离子氨的半致死浓度是1.7～2.7 mg/L之间。Knoph[13]研究的大西洋鲑（Salmo salar L.）48h非离子氨半致死浓度为0.24～0.34mg/L。沈成钢等[14]研究指出鱼对非离子氨耐受能力在不同种类的鱼种有较大差异，在pH值8.5，低温（6.1℃～6.5℃）条件下其研究结果显示耐受能力由小到大为：鲢<镜鲤<丰鲤<草鱼<鳙鱼。杜浩等[15]研究了总氨氮对中华鲟（Acipenser sinensis）稚鱼的急性毒性，发现非离子氨对中华鲟稚鱼的96 h半致死浓度为0.39mg/L。龚全等人[16]研究表明，当岩原鲤（Procypris rabaudi）暴露于高浓度氨氮环境中，表现为行动迟缓，身体不能保持平衡状态，暴露6 h后，大部分鱼沉入水体，很快死去，其96 h半致死浓度为2.32 mg/L。陈瑞明等人[17]铵态氮对鳜鱼（Siniperca chuatsi）幼苗的急性毒性，幼苗在接触高宁都铵态氮后，表现为急躁不安、背鳍竖立、沿槽壁狂游，相互碰撞或与槽壁摩擦，2h后幼苗昏迷沉入水底，死亡时口裂张开幅度不大，身体略显弯曲，96h半致死浓度为1.25×10-4%。

关于氨氮对养殖鱼类的影响，主要还是体现在氨氮的急性毒性方面，不同种类之间氨氮急性毒性有很大区别，同一品种不同规格之间也存在巨大差异。周永欣等人[18]实验得出全长1.73 cm，体重0.037g 的草鱼幼苗（Ctenopharyngodon idellus）非离子氨的96 h半致死浓度为0.570 mg/L，而全长7.07cm，体重3.238 g的草鱼幼苗非离子氨96 h半致死浓度为1.683 mg/L。胡萍华等人[19]研究了氨氮对白斑狗鱼（Esox lucius）成鱼的急性毒性，结果指出24 h、48 h、72 h、96 h半致死浓度分别为45.85 mg/L、35.26 mg/L、27.24 mg/L、24.92 mg/L。而王甜等人[20]研究白斑狗鱼幼鱼的氨氮急性毒性实验发现，24 h、48 h、72 h、96 h总氨氮半致死浓度分别为34.36 mg/L、28.99 mg/L、24.68 mg/L、20.31 mg/L。李建等[21]曾报道，氨氮对日本对虾（Penaeus japonicus）24h、48h、72h、96h半致死浓度随着幼体的变态发育逐步变大，即氨氮对其毒性随着幼体的变态发育逐步减弱。

2  氨氮的亚急性毒性

非离子氨对鱼类影响的另一种效应为亚致死效应，生长缓慢是一种重要的亚致死效应，通常情况下，低浓度的氨氮不会对鱼类的生长形成明显的抑制作用[22]，随着浓度的升高，抑制作用越明显。如马爱军等[23]研究发现，当环境中总氨氮浓度达到20mg/L时，真鲷幼鱼的生长受到明显限制，变现为生长速度下降，体色略有变黑。斑点叉尾鮰（Ietalurus Punetaus）处在0.1～1.0 mg/L浓度的非离子氨时，其生长呈线性下降，在0.05 mg/L时其生长率下降50%[24]。同时，Colt[25]经过大量实验，整理了氨化合物对水生动物的影响，认为非离子氨0.05～0.2 mg/L时可使许多水生动物生长速度下降。水环境中氨氮浓度的增高会导致水生动物血氨浓度上升，从而对水生动物的心率及呼吸产生直接影响。研究发现，军曹鱼幼鱼（Rachycentron canadum）暴露在0.62ppm的非离子氨后即停止进食，高浓度下其游动更为剧烈，甚至引起死亡[26]。氨氮对水生动物生长发育的影响主要是通过影响动物摄食、呼吸、排泄等基本生理活动来实现的。如Foss[27]研究发现大西洋鳕鱼（Gadus morhua）的生长受抑制的主要原因在于氨氮胁迫下大西洋鳕鱼摄食量的减少，后期氨氮处理组幼鱼的生长率与对照组的差异不显著，表明幼鱼对氨氮产生了适应性。

氨氮在影响鱼类对食物的摄入量的同时，也影响着鱼类的食物转化率和排泄量，在氨氮胁迫下鱼类如大菱鲆的食物转化率明显降低、排泄量增加[28]。氨氮的长期胁迫会导致水生动物生长率降低甚至停滞，体内氨的代谢发生改变，氮代谢相关酶的活性提高，已有相关鱼类氨氮暴露实验中表明肝、肌肉和脑中谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）氨化方向的活性有所增加[29]。在学者对氨氮胁迫对弹涂鱼（Boleophthalmus boddarti）鳃和脑组织造成的抗氧化胁迫实验中发现：弹涂鱼对氨氮胁迫具有较强的耐受性，弹涂鱼能通过升高谷胱甘肽复合物和谷胱甘肽含量来缓解由于氨氮胁迫带来的过氧化胁迫和血氨过高给脑部带来的压力[30]。

氨氮对鱼类亚急性毒性的另一明显特征是组织器官结构发生变化。在高浓度氨氮条件下，鱼鳃的结构会发生改变，如亚口鱼（Deltistes luxatus）暴露在0.2～0.37 mg/L非离子氨浓度时，鳃小片显著增厚，上皮细胞、黏液细胞肥大和增生;动脉血管内两层上皮细胞间的淋巴腺增多[31]。鳃结构的改变会引起生理功能的改变，因为相对于薄的鳃上皮结构有利于呼吸气体和离子交换，鳃小片上皮细胞的增厚，增大了血液与外界气体交换距离，影响鱼类的气体交换效率[32-33]。

3  氨氮毒性对水产动物生理生化指標的影响

许多研究表明，氨态氮能够影响水生动物酶活性变化，主要包括氧化酶及磷酸酶等。韩力强等[34]研究了斑马鱼（Barchydanio rerio）氨氮急性胁迫，实验表明伴随着氨氮浓度的增加，ATP酶的活性显著抑制，同时CAT酶的活性也发生了一定的变化。超氧化物歧化酶（SOD）是生物体内有效清除活性氧、防治活性氧合成和蓄积，阻断脂质过氧化连锁反应，保护细胞膜免受损的重要酶类之一，而丙二醛（MDA）是生物膜中多价不饱和脂肪酸受自由基作用生成的脂质过氧化代谢产物，期含量反映机体脂质过氧化的速度和程度，代表自由基的活性，因此机体SOD活性和MDA含量一般成反比关系[35-36]。王琨等人[37]研究表明，非离子氨浓度达到0.137 mg/L以上时，鲤幼鱼（Cyprinus carpio Linnaeus）SOD活性升高和MDA含量下降，说明氨氮破坏了鱼体抗氧化酶系统，造成活性氧堆积，使各种抗氧化酶活性及丙二醛含量变化，进而引发机体氧化损伤。在孙舰军等[38]的研究中，当水体中氨氮的浓度增加后，中国对虾体内酶的活性部分酶（如过氧化物酶、酚氧化酶等）的活性及其抑制菌活性都显著降低，表明高氨氮浓度容易使中国对虾感染疾病。王国江等[39]以日本沼虾（Macrobrachium nipponense）为实验对象，研究氨氮对水生生物体内酶活性的影响，结果指出，氨氮浓度增加后，实验虾血清内酚氧化酶的活性变现出先升后降的趋势。

水体中氨氮浓度的升高，会引起亚硝酸盐的升高，亚硝酸盐能将亚铁血红蛋白转成亚硝铁血红蛋白，使血红蛋白失去携带氧气的功能，引起鱼体缺氧[40-41];通过扩散进入血液中的亚硝酸盐能引起血细胞溶解，导致用于携带氧的红细胞减少进一步加重机体缺氧状况[42]。有学者还指出，血糖（GLU）变化在不同的胁迫下表现情况也不同，急性胁迫导致高血糖症和高蛋白血症，慢性胁迫引起低血糖症[43]。Hrubec[44]研究条纹鲈（Morone chrysops x Morone Saxatilis）发现在短期胁迫情况中出现高血糖症状，在连续胁迫下由高血糖转为低血糖症状。鱼类血液中的氨氮可以通过大多数半透膜，以扩散的方式进入到水体，减少体内氨氮的积累，但如果环境中氨氮浓度增加，大量氨氮进入鱼体会使氨氮排泄受到抑制[45]。Person[46]的研究也证明血浆中总氨氮的累积与环境中氨氮浓度有关。印度鲮（Cirrhinus mrigala）在较高浓度氨氮作用下，成熟红细胞减少，幼稚红细胞增加，白细胞中淋巴、嗜中和巨噬细胞增多，一部分红细胞出现变形，在11.8 mg/L和16.0 mg/L氨氮浓度时，一部分红细胞壁损坏[47]。高浓度氨氮引起红细胞壁皱缩和损坏进而引起溶血现象[48]。

4  不同水环境因子条件下的氨氮毒性

杨凤等人[49]研究了在不同pH条件下总氨对海湾扇（Argopecten irradians）幼贝的毒性实验，结果表明随着pH（≥8.34）的升高，非离子氨的毒性不断增大，其毒性大约是离子氨的90倍。其他学者不同品种间也得出相似结论[50-51]。而在陶易凡等[52]对克氏原螯虾（Procambarus clarkii）的高pH胁迫试验中指出其96 h半致死浓度为10.194。李波等[53]研究了溶解氧与氨氮毒性的关系，结果显示，黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）在较低的溶氧环境内对氨氮的耐受性比在较高溶氧内的耐受性弱，原因可能是在养殖条件下，溶解氧含量的降低可能伴随着呼吸频率的增加，进而使进入鱼体的氨氮含量增大，因此在养殖过程中，向水体增氧能提高黄颡鱼对氨氮的耐受能力。在其他学者对大菱鲆[54]、半滑舌鳎（Cynoglossus semilaevis Gunther）[55]、中国对虾（Fenneropenaeus chinensis）[56]的研究中也都得出了相似结论。

5  氨氮的毒性机理

氨氮在水体中以离子氨（NH4+）和非离子氨（NH3）的形式存在[57]，统称为总氨，两者在水体中可以相互转化。非离子氨为亲脂性分子，半径较小，容易穿透脂质性生物膜的疏水性微孔进入生物体内，从而对鱼鳃表皮细胞造成损伤，降低鱼类的免疫力[58];离子氨则以水合离子形式存在，不能轻易穿透鱼鳃脂质性生物膜的疏水性微孔进入生物体内[59]。氨氮对水生动物毒性的机制尚不明确，有学者发现鲤鱼在氨氮致死浓度会出现肝细胞损伤，以及肾脏发生病变[60]，也有学者发现延长氨氮暴露时间还可以引起与鱼尾部的严重损伤[61]。水环境氨浓度的增加会导致水生动物体内氨水平的提高，鱼类氨氮暴露实验表明，鱼体内血浆中总氨氮浓度会随着水环境总氨氮浓度的增加而增加且一般与外界总氨水平之间呈线性相关关系[62-64]。在氨氮慢性毒性条件下，鱼类在短期内会出现体内氨浓度增加，可诱导机体发生一系列生理反应，如血浆中氨浓度增高，肝中肝糖浓度减少，血浆中葡萄糖浓度增加等，从而导致鱼体生理功能紊乱[65]。

氨氮对水生生物的危害程度与动物的种类密切相关，鱼类对氨氮的耐受性差异较大，研究发现一些能排尿素的鱼类氨氮耐受性更高，这些鱼类主要通过鸟氨酸循环将体内过多的氨转化为尿素排除体外，还可能通过谷氨酰胺合成酶合成谷氨酸盐等代谢物排除体外[66]。但也有例外，如短吻鲟（Acipenser brevirostrum）[67]、眼斑拟石首鱼（Sciaenops ocellatus）[68]等鱼类对非离子氨的耐受性就比较差。

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