总溶解气体(TDG)过饱和胁迫对中华倒刺鲃血液生理指标的影响

吴湘香，李云峰，杨传顺，杜开开，茹辉军，张 燕，柳 凌，倪朝辉

(中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223)

自然水域具有开放属性，水体中的气体处于动态平衡中，当环境条件发生改变时，气体在水体中的溶解度会发生改变，当进入水体中的气体超过水体的溶解度时，水体中的气体处于逸散状态，即发生总溶解气体(TDG)过饱和[1,2]。TDG过饱和现象既有自然发生的，也有人类活动造成的[3]。大坝泄水导致下游河道发生过饱和，最早可追溯到20世纪初美国马萨诸州的伍兹霍尔斯渔业局的Gorham[4-5]和Marsh等[6]的研究，最著名、影响最广泛则是20世纪60年代美国哥伦比亚河流域大坝下泄水导致河道TDG过饱和造成大规模的鱼类死亡事件[3]。2003年6月，我国三峡水库蓄水泄洪后，其下游长达482公里河道内发生TDG过饱和，导致鱼类死亡[7]。2013年5-7月，金沙江溪洛渡水电站机组试运行，泄洪孔泄流导致向家坝库区发生TDG过饱和，原位观测实验结果表明，暴露TDG过饱和水体中的胭脂鱼(Myxocyprinusasiaticus)血液酸碱失衡诱发酸中毒[8]。

当水体发生TDG过饱和时，鱼类以及其他水生生物处于环境应激状态中，机体免疫力下降，导致疾病发生甚至死亡[9]。TDG过饱和水体导致鱼类死亡的原因，一般认为发病鱼类循环系统中的气泡阻塞是导致鱼类死亡的主要原因[10]，也有研究认为气泡作为外源性物质所引起的生化反应以及继发感染可能是造成鱼类最终死亡的原因[11]。但以上推测主要基于解剖学观察结果，关于鱼类在TDG过饱和水体中的血液生理指标变动规律未见相关研究。

中华倒刺鲃(Spinibarbussinensis)，俗称乌鳞、青波，隶属鲤形目鲤科鲃亚科倒刺鲃属，主要分布于我国长江上游及其支流，为长江上游淡水土著特有鱼类[12]。本研究选择中华倒刺鲃作为研究对象开展实验，探讨TDG过饱和胁迫对鱼类血液生理指标的影响，以期为TDG过饱和导致鱼类发病的机理问题解析提供数据支持和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 TDG过饱和水的制备

实验用TDG过饱和水来自于自行研制的过饱和发生装置，如图1所示，主要由进水管、压力容器罐和出水管三部分构成。压力容器罐高3 m，直径1.2 m，空压机功率2.2 kW，排气量280 L/min。

空气经过空压机压缩后，注入压力容器灌中，进水经过压力容器罐顶端文丘里管后，与压缩空气混合，罐压为0.2 MPa，水气混合15 min左右，进入相对稳定状态后，采用便携式溶氧仪(美国HACH，HQ30D)测试实验用水的溶解氧饱和度，实验过程中出水口的溶解氧饱和度平均值控制在(165±2)%。

图1 TDG过饱和水发生装置Fig.1 The System diagram of total dissolved gas supersaturation water-generating

1.2 实验鱼来源及暂养

实验鱼来自四川省水产研究所，低温充氧空运至长江水产研究所湖北荆州窑湾试验场。实验鱼规格为平均体长(22.47±0.70)cm，平均体重(267.48±33.93)g。实验鱼先进行一周暂养，暂养池为圆形水泥池，直径2.40 m，最大水深75 cm，暂养水温为20.3～22.7 ℃，溶氧为6.37～7.48 mg/L，pH为7.13～7.87，空气大气压平均值为1 005 hPa。

1.3 实验分组

实验设置4个TDG过饱和组和1个对照组，TDG过饱和组由加压水与未加压的水体按照一定比例混合配制而成，分别为G1、G2、G3和G4组，各实验组溶解氧饱和度见表1。每组设3个平行组，每个平行组5尾鱼。实验过程中，实时监测溶解氧浓度，通过调节加压水流量来维持各实验组的饱和度。

1.4 样品采集及处理

表1 实验分组情况Tab.1 The design of groups in this experiment

血液采集采用1 mL塑料注射器，从背动脉穿刺采集全血进行上机检测。为避免血液在检测过程中凝血，采血前注射器的针头用肝素钠溶液润洗。

每尾实验鱼的血液样品采集完后，记录下实验鱼从入水到采集血液的时间，并对实验鱼的外观进行描述性评估和记录。

1.5 数据处理

数据采用X±SD记录，数据处理在软件EXCEL2016和SPSS16.0中分析完成。采用Duncan多重比较进行差异显著性分析，P<0.05表示组间差异显著，P<0.01表示组间差异极显著，P>0.05表示组间差异不显著。

2 结果分析

2.1 时间耐受

G1、G2、G3、G4组鱼类分别在过饱和水中暴露15、10、4.25、5 h后，身体失去平衡和自主游泳能力。如图2所示，G1和G2组、G3和G4之间的差异不显著，G1和G3、G2和G3差异极显著，G1和G4、G2和G4差异显著，随着TDG饱和度升高，中华倒刺鲃的耐受时间明显缩短，且发病时间相对集中。

2.2 体表特征

G1、G2组的实验鱼体表出现气泡、鳍条充血等典型气泡病特征，而G3、G4组的实验鱼在实验过程中，气泡病症状较不明显，具体见表2。

图2 中华倒刺鲃对不同饱和度水体的时间耐受差异Fig.2 Time tolerance of S.sinensis to the different levels supersaturated water

表2 各组实验鱼体表特征Tab.2 The body characteristics in the different groups

2.3 血液生理指标的变动情况

2.3.1 血液酸碱度

2.3.2 血液葡萄糖的变化

由图3可知，暴露在TDG过饱和水体中的中华倒刺鲃Glu水平较对照组均极显著升高，各个浓度的TDG过饱和胁迫都导致鱼类血液血糖升高，而TDG过饱和G1、G2、G3、G4组的组间差异不显著。

2.3.3 血液红细胞压积和血红蛋白的变化

由表4可知，暴露在TDG过饱和G1、G2、G3、G4组和对照组间中华倒刺鲃Hb和Hct水平均无显著差异。

2.3.4 血液离子浓度变化

由表5可知，暴露在TDG过饱和水体中的中华倒刺鲃血液Na+和Cl-离子浓度较对照组差异不显著，暴露TDG过饱和水体中的中华倒刺鲃血液K+离子浓度较对照组升高，对照组和G1组差异显著，而与G2、G3和G4之间差异均不显著。

表3 各组中华倒刺鲃血液和pCO2含量Tab.3 Blood contents of and pCO2 in the different groups

图3 各组中华倒刺鲃血液Glu含量Fig.3 Blood content of Glu in the different groups

表4 各组中华倒刺鲃血液Hb和Hct含量Tab.4 Blood contents of Hb and Hct in the different groups

表5 各组中华倒刺鲃血液Na+，Cl-和K+ 浓度Tab.5 Levels of Na+，Cl-and K+ of blood in the different groups mmol/L

3 讨论

3.1 TDG饱和度对鱼类的影响

水体气体过饱和会导致鱼类发生气泡病，在不同饱和水平的水体中，气泡病发病进程存在差异，在TDG饱和度达到125%和130%的水体中，鱼类死亡时体表并没有明显的气泡病症状，而在115%饱和水体中，鱼类死亡时体表气泡病症状最为明显[13]。本研究中华倒刺鲃在不同饱和度的水体中耐受时间、行为表现和体表外观，均存在较大差异。低饱和度组(G1组、G2组)和高饱和度组(G3组、G4组)之间的鱼类耐受时间差异显著，高饱和度组鱼体失去平衡的发生时间集中，而低饱和度组鱼体失去平衡的发生时间范围大，推测TDG过饱和高饱和度组中鱼类通气量过大，无法调节机体去适应环境的改变，因而短时间集中死亡，体表较少出现典型气泡病症状，而在低饱和度水体中，鱼体在调节机体适应环境条件的改变过程中表现出典型气泡病症状。

3.2 TDG过饱和对鱼类血液酸碱平衡的影响

本实验中TDG过饱和暴露组中华倒刺鲃血液pCO2和TCO2显著高于对照组，推测在分压差的作用下，CO2进入红细胞，在碳酸酐酶的催化作用下解离成氢离子和碳酸氢根离子，红细胞中H·Hb-K·KHbO2缓冲对中和氢离子成为H·HbO2和K+，最终导致暴露TDG过饱和水体中的中华倒刺鲃血液K+浓度较对照组升高。

3.3 TDG过饱和对鱼类血糖的影响

血糖作为机体的主要功能物质，一般在机体内的血糖含量维持在相对稳定的水平，以维系生命各系统的正常运转。研究表明，鱼类在应激状态下，血糖水平会升高[18-19]，推测可能与环境压力下的鱼类血液循环中的儿茶酚胺含量增加有关[16]。鱼类以及其他水生生生物处于环境应激状态中，会产生一系列的应激反应，包括神经内分泌反应(初级应激反应)和代谢与机能的改变(次级应激反应)，在次级应激反应阶段，血液中的葡萄糖、乳酸浓度等会发生变化[14]。本研究结果中，暴露在TDG过饱和水体中的鱼类血糖水平较对照组发生显著升高，提示TDG过饱和对鱼体产生胁迫效应，暴露在其中的鱼类处于环境应激状态。

4 小结

综合本实验结果，提示中华倒刺鲃在TDG过饱和胁迫导致鱼体发生应激反应，在适应环境变化过程中，血液酸碱平衡失调，机体发生酸中毒。