气体过饱和对长江鲟早期生活史的影响

杜开开 杨传顺 吴 凡 柳 凌 茹辉军 吴湘香 倪朝辉 李云峰

(中国水产科学研究院长江水产研究所, 农业农村部长江中上游渔业生态环境监测中心, 武汉 430223)

三峡大坝及金沙江梯级电站等一系列水利工程在开发水电、防控洪灾、调控流域水量和保障航运安全等方面起到了至关重要的作用[1,2]。但高坝大量泄水可能导致下游河道水体出现总溶解气体超过饱和, 致使生活在其中的鱼类患气泡病甚至死亡, 相关危害也引起了广泛关注[3,4]。

为解析水体总溶解气体(Total Dissolved Gas,TDG)过饱和对长江鱼类的影响, 研究人员开展了鲫(Carassius auratusLinnaeus)[5]、胭脂鱼(Myxocyprinus asiaticusBleeker)[6]、岩原鲤(Procypris rabaudiTchang)[7,8]、长薄鳅(Leptobotia elongateBleeker)[9]、齐口裂腹鱼(Schizothorax prenantiTchang)[10,11]和达氏鲟(Acipenser dabryanusDumeril)[12]等幼鱼在不同TDG过饱和水体中的耐受性研究。研究表明暴露在TDG过饱和水体中的幼鱼均出现死亡现象且死亡率均随着饱和度的增加而增大。死亡的鱼体中均有气泡病症状, 主要表现为眼和口等部位充血肿胀, 眼球突出; 鳃、鳍条和头等部位存在气泡。

Liang等[13]通过研究TDG过饱和对重口裂腹鱼(Schizothorax davidiSauvage)早期生活史的影响,发现高饱和度的TDG会缩短重口裂腹鱼受精卵的孵化时间, 但在孵出的鱼苗头、卵黄囊和肛门等部位发现损伤。杨传顺等[14]通过对鲢(Hypophthalmichthys molitrixC. et V.)的受精卵及不同日龄的仔幼鱼进行研究, 发现在一定范围内, 高饱和度的TDG可提高鲢受精卵的孵化率, 缩短出膜时间; 同时发现TDG过饱和水体对不同日龄的鱼苗均产生影响, 日龄小的鱼苗对TDG过饱和水体的耐受性相对较高。

长江鲟(Acipenser dabryanusDumeril)为我国长江流域的珍稀特有鱼类, 是国家一级重点保护野生动物, 国际自然保护联盟(IU-CN)极危级(CR)物种。研究TDG过饱和水体对其早期生活史的影响具有重要意义。通过研究过饱和水体对长江鲟受精卵及仔稚鱼的影响, 不仅能填补TDG过饱和水体对长江鲟早期资源影响的空缺, 同时也可为长江流域长江鲟的生态保护措施的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料来源

长江鲟受精卵取自长江水产研究所太湖试验场, 一次性从产卵池的集卵箱采集约5000粒受精卵,置于充氧袋中带至实验场地, 用脱黏剂处理后置于水体中进行培养, 发育至神经胚阶段时挑选出状态健康的受精卵进行实验; 剩余受精卵正常培养至孵出膜, 期间选用出膜1—2d的状态健康的仔鱼进行实验。培养水体采用的是经过曝气的井水, 水温为(19.5±0.5)℃, 溶解氧(DO)浓度约为7 mg/L。

稚鱼是将取自长江水产研究所太湖试验场的长江鲟卵, 经过孵化及开口后, 喂养至稚鱼阶段, 为50日龄, 其体长为(8.38±0.37) cm, 体重为(2.29±0.32) g; 暂养3d后, 挑选出体型大小均一、体表完整和体质健康个体进行实验。暂养水采用的是经过曝气的井水, 水温为(22.0±1.0)℃, 溶解氧浓度约为7 mg/L。

1.2 实验装置

实验装置包括TDG过饱和水发生装置, 承载实验材料的容器, 水体监测仪器, 及生物特征观察设备。

TDG过饱和水发生装置(专利号ZL201710514743.4)如图1, 主要包括水泵、蓄水池、压力罐、空压机和管道等部件。

图1 TDG过饱和水发生装置Fig. 1 Schematic of experimental system (Preparation of TDG supersaturation water)

实验容器: 方形水池(长×宽×高: 2.5 m×1.8 m×0.8 m), 实验水箱(长×宽×高: 130 cm×74 cm×74 cm),圆柱金属笼(直径×高: 15.0 cm×16.5 cm, 孔径0.1 cm)。

水体监测仪器: 溶解氧的测定选用美国哈希公司生产的HQ30D测定仪, 量程为0—200%, 精度为±1%。TDG饱和度的测定选用丹麦Oxyguard公司生产的Handy Polaris TGP(Total Dissolved Gas Pressure)测定仪, 量程为0—200%, 精度为±1%。

生物特征观察设备: 选用日本的奥林巴斯公司生产的SZ61型解剖镜, 对实验生物进行观察。

1.3 实验方法

过饱和水体的制备先通过空压机向压力罐中输入一定压力的空气, 待压力稳定后再用水泵将曝气后的井水通过文丘里管高速射入压力罐中,高速射入的水体与空气的接触面之间会形成负压,瞬间将大量空气卷入其中, 产生TDG过饱和水体。通过调控罐内空气压强以及水泵的阀门, 可保证产生浓度稳定的TDG高饱和水体。通过调控不同的混合比例将TDG高饱和水体与井水进行混合, 可同时调配出不同TDG饱和度的水体。

水温调控在实验水箱中的TDG过饱和水体调配完成后, 第一时间向方形水池中注入大量水温恒定的井水, 同时在水池插入一根直径为10 cm, 高35 cm的圆孔形排水管, 使水位维持在在水箱高度的一半, 然后适度调慢井水注入的速度,保持井水在池内缓慢流通, 维持池内水温稳定;此外, 本研究在水箱表面覆盖一层保温布, 并且不断向保温布表层滴灌井水, 以减弱实验水温的分层效应。

排水孔设计在实验水箱顶端两侧各设计一个排水孔, 便于水体饱和度和溶解氧等指标的测定; 此外, 排水孔的设计可保证两端在补充高饱和水体的同时溢出相同体积的水体, 使实验过中水量恒定且混合均匀。

实验过程中定时用仪器测量水体饱和度、溶解氧、水温等指标并且记录下来, 并根据测量的情况及时对水体饱和度等指标进行调控, 保证实验过程中各指标的相对稳定。

暴露实验本实验设定4个梯度, 各实验组TDG饱和度分别为110%、120%、130%和140%,同时选取曝气后的井水, 作为对照组, 饱和度为90%; 每组实验重复3次。选用挑选出的处于不同生活阶段的状态健康、规格整齐的长江鲟置于各实验组中, 进行暴露实验。

由于各发育阶段的长江鲟的规格、大小、形态及发育条件均存在一定差异, 所以各阶段实验针对不同阶段分别进行了不同的设计。其中受精卵置于金属笼内暴露在实验组中, 每组50颗卵, 水温为(19.5±0.5)℃。为避免操作对鱼卵的发育造成的影响, 本实验每隔1—2h观察鱼卵的出膜情况及死亡情况, 当对照组完全出膜时, 停止实验, 记录各组卵未出膜数, 来统计孵化率。

仔鱼置于金属笼内并放到实验组中暴露96h,每组30尾(除对照组外, 统计时部分组有1—2尾缺失), 水温为(19.5±0.5)℃; 稚鱼直接放入实验水箱中暴露96h, 每组30尾, 水温为(22.0±1.0)℃。仔稚鱼试验期间每隔0.5h观察鱼体状态, 每隔4h统计鱼体死亡数, 同步监测并调节水体饱和度。当死亡的仔稚鱼统计完后, 第一时间在实验室解剖镜下观察其体表特征然后进行解剖并观察其血管及内脏特征, 同时进行拍照记录。

1.4 数据整理

实验数据采用SPSS 21进行统计分析, 数据用平均值±标准方差(Mean±SD)表示, 采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)并通过Duncan多重比较检验组间的差异显著性,P<0.05表明组间数据具有显著差异。通过数据拟合, 发现稚鱼死亡率与暴露时间符合方程; 并且通过回归方程计算不同TDG饱和度水体中的半致死时间LT50=b1/ln(0.5–b0), 其中b0和b1均为常数。

2 结果

2.1 仔稚鱼实验状态与主要特征

实验过程中死亡的仔鱼先后出现身体失衡, 漂浮在水面打转的现象。镜检发现其腹腔内有气泡,严重时会出现围胸腔涨破的情况。

死亡的稚鱼先后出现呼吸急促, 反应敏感, 时而水底快速游动时而沉在水底的现象, 最后身体失衡侧浮于水面, 直至死亡。镜检发现其身体体表多处, 如眼睛、口腔周围和腹部体表出现局部隆起、充血现象, 鳍条观察到有细小气泡; 体内肠道中也发现存在大量气泡, 严重时整个鱼体的腹腔都会充满气泡; 稚鱼的血管及围心腔等重要器官及部位处均发现有气泡存在(图2)。

图2 仔稚鱼气泡病特征Fig. 2 Characteristics of gas bubble disease in larval and juvenile

2.2 TDG过饱和水体对长江鲟受精卵孵化的影响

图3显示长江鲟受精卵在不同梯度TDG过饱和水体中的孵化情况。其中对照组孵化率为(79±3)%, 140%组的孵化率为(78±2)%, 与对照组孵化率之间无显著差异(P>0.05); 110%组的孵化率为(84±0)%, 显著高于对照组(P<0.05); 120%和130%组的孵化率分别为(92±2)%和(91±1)%, 两组孵化率之间无差异(P>0.05), 均显著高于其他组(P<0.05)。

图3 受精卵孵化率与TDG饱和度的关系(平均值±标准方差,n=3)Fig. 3 Relationship between hatchability and saturation of fertilized eggs (Mean±SD, n=3)

2.3 TDG过饱和水体对长江鲟仔鱼的影响

图4和图5显示不同梯度TDG过饱和水体对长江鲟仔鱼的影响情况。对照组未出现死亡现象;110%组开始出现死亡的时间为32h, 在48h后停止死亡, 最终死亡率为(3.45±0.12)%; 120%组开始出现死亡的时间为48h, 在60h后停止死亡, 最终死亡率为(3.45±0.00)%; 130%组开始出现死亡的时间为48h, 在64h后停止死亡, 最终死亡率为(5.59±1.86)%,死亡率最高; 140%组开始出现死亡的时间为48h,在48h后停止死亡, 最终死亡率为(1.15±1.99)%, 死亡率最低。通过对各组的最终死亡率进行单因素方差分析, 发现不同TDG饱和度之间死亡率存在一定差异, 其中110%组与120%组、130%组之间无明显差异(P>0.05), 110%组、120%组与140%组之间无显著差异(P>0.05), 对照组与140%组之间无明显差异(P>0.05), 130%组与140%组之间差异性显著(P<0.05)。

图4 仔鱼暴露时间与死亡率的关系(平均值±标准方差, n=3)Fig. 4 Relationship between time and mortality of larvae(Mean±SD, n=3)

图5 仔鱼死亡率与TDG饱和度的关系(平均值±标准方差, n=3)Fig. 5 Relationship between mortality and saturation of larvae(Mean±SD, n=3)

2.4 TDG过饱和水体对长江鲟稚鱼的影响

从图6和图7可看出, 对照组(90%)未出现死亡现象; 140%组在暴露4h后即开始出现死亡现象,88h后死亡率达到(100.00±0.00)%; 130%组在暴露8h后开始出现死亡, 96h后死亡率达到(83.33±2.72)%;120%组在暴露16h后开始出现死亡, 96h后死亡率为(60.00±6.67)%; 110%组在暴露32h左右即开始出现死亡现象, 96h后死亡率仅达到(53.33±13.33)%。通过对TDG饱和度和死亡率进行单因素方差分析,发现不同TDG饱和度之间死亡率存在一定差异, 其中110%组和120%组无显著性差异(P>0.05); 对照组、120%组、130%组和140%组之间均相互存在显著差异 (P<0.05)。综上可知, 4个梯度TDG饱和度均可导致稚鱼死亡, 且在一定范围内, 过饱和浓度越高, 最终死亡率越高(P<0.05)。

图6 稚鱼暴露时间与死亡率的关系(平均值±标准方差, n=3)Fig. 6 Relationship between time and mortality of juvenile (Mean±SD, n=3)

图7 稚鱼死亡率与TDG饱和度的关系(平均值±标准方差, n=3)Fig. 7 Relationship between mortality and saturation of juvenile(Mean±SD, n=3)

通过对数据进行拟合分析, 发现长江鲟稚鱼死亡率与暴露时间之间符合方程, 并通过计算得出各TDG饱和度下半致死时间(LT50)。如表1所示, 在TDG饱和度为110%、120%、130%和140%的水体中, 长江鲟的半致死时间分别为100.86h、79.58h、34.14h和14.49h。在一定范围内, TDG饱和度越高, 稚鱼的半致死时间越短。

表1 长江鲟稚鱼在不同饱和度下的半致死时间Tab. 1 LT50 of Acipenser dabryanus juvenile in different TDG levels

3 讨论

3.1 TDG过饱和对长江鲟受精卵孵化的影响

国内外学者将不同鱼类的受精卵暴露在过饱和水体中, 得出的结论不尽相同。Meekin等[15]研究发现在同一个孵化场内饱和度为112%的水体中,虹鳟鱼卵发生了严重的死亡, 但大鳞大马哈鱼受精卵却没有受到影响。Liang等[13]研究发现, 过饱和水体会造成重口裂腹鱼受精卵的孵化率降低。Li等[16]研究发现过饱和水体会降低胭脂鱼的孵化率。杨传顺等[14]发现饱和度为110%水体对鲢受精卵孵化有明显促进作用, 且出膜时间比对照组早。孙井沛等[17]发现过饱和水体对胭脂鱼受精卵孵化有促进作用。本研究的结果表明, 水温为19.0—20.0℃, 受精卵在对照组中孵化率为80%左右, 这和杜浩等[18]的研究的结论基本是一致的。TDG饱和度为140%的水体中的孵化率与对照组基本一致(P>0.05), 在110%、120%和130%的饱和水中的孵化率高于对照组(P<0.05)。结果表明, TDG饱和度为110%、120%、130%的水体对长江鲟受精卵的孵化率有显著促进作用, 140%的水体对其孵化率无影响。这说明在一定范围内, TDG高饱和水体对长江鲟受精卵孵化有一定促进作用, 但是在超过一定范围后促进作用不明显。在水温和盐度都稳定的情况下, 氧气是鱼类的胚胎发育及孵化的关键因素。氧气满足细胞的呼吸, 氧气分压可以影响呼吸强度。胚胎发育初期外界环境中与氧气的分压对于胚胎呼吸强度并没有影响, 当胚胎的心脏已起作用, 血液中有血红蛋白出现时, 氧气分压的增高会增加它的耗氧量, 有充足的氧可以保证胚胎的正常生活及发育, 甚至可能有利于孵化率的提高[19]。水体饱和度增加, 溶氧含量及溶氧分压会高于正常值,同时受精卵周边也会附着较多气泡, 减少氧气传输的通道, 氧气和气泡之间有可能存在一个平衡, 导致在一定饱和度范围内可促进长江鲟受精卵孵化率, 超过这个范围对孵化影响不大。

3.2 TDG过饱和对长江鲟仔稚鱼的影响

研究结果表明, 长江鲟仔稚鱼在过饱和水体中均会出现死亡现象, 但是死亡率与TDG饱和度之间的规律却不相同。暴露在TDG过饱和水体中的仔鱼, 130%组的死亡率最高, 110%和120%组死亡率次之, 140%组的死亡率最低, 饱和度和死亡率之间没有明显相关关系; 而在一定饱和度范围内, 长江鲟稚鱼的死亡率与饱和度之间呈正相关关系, 饱和度越高, 死亡率越大。这说明不同TDG饱和度的过饱和水体均可导致长江鲟仔稚鱼死亡, 但对仔鱼影响程度较小, 且死亡率与TDG饱和度之间无显著关联; 对稚鱼影响程度较大, 在研究范围内, 影响程度随饱和度的增加呈增大趋势。

笔者认为仔稚鱼出现这种现象应该和呼吸代谢及血液循环有关。在仔鱼阶段鱼类的呼吸器官未发育完全, 其呼吸主要通过体表皮肤、鳍褶和卵黄囊等进行呼吸[20]。此时的心血管系统发育不完全, 故水体中的过饱和气体对其作用有限, 而仔鱼的腹腔一般会气泡或者气栓, 表明其有可能通过吞食水体过饱和气体导致腹腔饱满从而饿死或者围胸腔涨破致其死亡。

血液循环系统的功能, 是把外界吸收来的养料和氧气输送到体内各个组织和器官内, 并把机体生命活动所形成的代谢产物运送到排泄器官[21]。通过进行解剖学观察, 发现在稚鱼的血管、围心腔、肠道、鳍条、眼部、口腔和腹部体表组织发现气泡, 甚至一些组织出现充血现象, 这些特征和Yuan等[22]发现的基本一致。有些学者[23,24]认为暴露在TDG过饱和水体中的鱼体主要通过呼吸系统将气体运送至血液, 然后随着血液循环系统传至各个组织, 并在组织中富集, 导致组织及血管中内外压力失去平衡, 对组织产生破坏, 从而导致其死亡。

在本研究中, 在一定范围内, 随着TDG饱和度的增大, 长江鲟稚鱼的死亡率越高, 其在水体中耐受的时间越短, 且半致死时间越短。这与Liu等[25]的结论基本一致, 但在相同饱和度下, 半致死时间存在一定差异。其体长为(13.4±1.3) cm的长江鲟在TDG饱和度为130%和140%的水体中的半致死时间分别为2.61h和2.23h, 本文中体长为(8.38±0.37) cm的长江鲟在TDG饱和度为130%和140%的水体中半致死时间分别为34.14h和14.49h。通过比较认为出现这种情况可能与个体规格有关, 规格越小, 对TDG过饱和水体的耐受性越强。Xue等[26]发现, 在同一TDG饱和度下, 大规格的岩原鲤和齐口裂腹鱼的死亡率高于小规格的个体。Fan等[27]研究发现在相同TDG饱和度下, 小规格的草鱼的半致死时间较高, 这与笔者关于在相同TDG饱和度下, 较小规格的鱼体耐受时间长的结论是相符的。同时本文中在相同TDG饱和度下, 稚鱼的死亡率远远大于仔鱼的死亡率, 说明不同发育阶段的鱼体对TDG过饱和水体的耐受性也会存在差异。Counihan等[28]将不同发育阶段高首鲟暴露在TDG饱和度为118%和131%的水体中, 发现在孵化后6d内的高首鲟, 出膜时间越久, 对气体饱和度的忍耐性越弱, 越容易出现气泡病。杨传顺等[14]将不同发育阶段的鲢暴露在过饱和水体中, 也发现白鲢仔鱼对饱和水体的耐受性较高, 日龄较大的稚幼鱼对饱和水体的耐受性较低; 这与笔者的研究结果相一致。