影響魚、蝦、貝類等海洋生物氮、磷代謝的主要因素分析

吳豐輝，閻波，田勝艷

（天津科技大學(xué)海洋工程與科學(xué)學(xué)院 天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津市 300457）

排泄是動物進(jìn)行能量代謝的基本生理活動之一，能反映動物的正常生理狀態(tài)，其排泄物成分復(fù)雜，主要包括溶解態(tài)的氮和磷，其中氨氮占70%以上。在海洋環(huán)境中，無脊椎動物的N、P排泄對于海洋生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)起到非常重要的作用，特別是在養(yǎng)殖海區(qū)，可能對整個(gè)海區(qū)的生態(tài)動力學(xué)都會產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)氮和無機(jī)磷是浮游植物的重要營養(yǎng)物質(zhì)，海洋動物N、P 排泄對浮游植物的生產(chǎn)具有重要意義，特別是再循環(huán)無機(jī)形態(tài)的N（NH4+-N）和P（PO43--P）作為浮游植物可以直接利用的營養(yǎng)元素形態(tài)，對研究其在浮游植物和海洋動物之間的循環(huán)利用具有重要意義。

在自然環(huán)境中，各種自然因素（如溫度、鹽度、光照、攝食條件）以及人為因素（如投放飼養(yǎng)添加劑）都會對海洋生物的攝食、代謝等生理活動產(chǎn)生一定的影響，這里對影響海洋養(yǎng)殖動物，尤其是魚、蝦、貝類氮、磷代謝的主要因素進(jìn)行分析，探討代謝物與環(huán)境之間的相互關(guān)系，以期為進(jìn)一步研究海洋生物在氮、磷再循環(huán)過程中的作用，減少養(yǎng)殖污染，保護(hù)海洋環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 海洋生物氮、磷代謝的主要形式

海洋環(huán)境中的氮與磷是重要的生源要素[1]，也是海洋動物排泄物的主要成分。對于硬骨魚類來說，氨和尿素是最主要的排泄產(chǎn)物，同時(shí)還有極少量的肌酸、尿酸、嘌呤、氨基酸等物質(zhì)。在淡水硬骨魚類的N 排泄物中，氨氮占排泄總量的80%；而一些海洋性魚類趨于排泄更大比率的其它代謝產(chǎn)物，如尿素、肌酸、嘌呤等其它產(chǎn)物，比例可達(dá)到31%-40%[2]。雙殼貝類的N 排泄物包括氨、尿素、尿酸、氨基酸等，其中氨的比例最大，達(dá)到或超過70%，其余部分因種類不同而不等，同時(shí)氨基酸也占據(jù)著相當(dāng)可觀的比例，可達(dá)5%-50%，但氨基酸的含量與季節(jié)有關(guān)，并與饑餓條件或配子發(fā)生有關(guān)。與雙殼貝類相類似，在淺海和河口的甲殼動物的N 排泄中，氨占總可溶性氮（TDN）排泄的60%-95%，氨基酸占2%-25%，尿素占1%-5%，但幾乎沒有尿酸。一些對蝦則會排泄一定數(shù)量的硝酸鹽[3]。

磷存在于海洋生物的所有細(xì)胞中，作為核酸和磷脂的重要組分，磷直接參與所有產(chǎn)生能量的細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)，保證細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)完整，并維持各種細(xì)胞功能。對于養(yǎng)殖的魚、貝、蝦類海洋動物而言，餌料中的磷是促進(jìn)其生長的主要磷源。被吸收到生物體內(nèi)的磷只有不到30%能夠被生物體同化，而超過70%的磷將隨著糞尿被排出體外。日本在網(wǎng)箱養(yǎng)殖鯉魚方面的研究表明：進(jìn)入水體的磷超過了投入量的70%，其中5.1%隨尿排出體外、65.1%隨糞便排出，而這些被排出體外的磷只有24.1%是溶解在水里，其余部分則沉積于底泥中[4]。Smaal 等研究發(fā)現(xiàn)貽貝的P 排泄中，有機(jī)磷占40%[5]。同樣，Atkinson 等[6]觀察到底棲無脊椎動物（包括雙殼貝類）的P 排泄中，有機(jī)磷占總磷排泄的29%。

2 影響魚、蝦、貝類等海洋生物氮、磷代謝的主要因素

在自然環(huán)境中，影響海洋生物氮、磷代謝的因素很多，包括生物體自身因素：如種類、性別、體長、體重、饑餓狀態(tài)等；環(huán)境因素如：水溫、鹽度、光照、水體pH 值、溶解氧水平、水體氨氮含量等；人工養(yǎng)殖因素如：攝食條件、飼料添加劑等，下面對除生物體自身因素外的其它影響因素分別進(jìn)行分析：

2.1 攝食對海洋生物氮、磷代謝的影響

根據(jù)氮、磷元素來源的不同，海洋生物的氮、磷排泄可分為內(nèi)源性和外源性。前者指非食物來源，由機(jī)體組織代謝產(chǎn)生的氮、磷排泄物，后者指來自食物源的氮、磷排泄物。通常內(nèi)源性排泄的量很少，在進(jìn)行氮、磷排泄研究時(shí)，可以將目標(biāo)生物饑餓48 h 后測定其氮、磷排泄率作為內(nèi)源氮、磷排泄率。攝食組的海洋生物在攝食后氮、磷代謝率會明顯提高，這一增加的部分稱外源氮、磷排泄率，攝食引起的代謝增加稱為特殊動力作用，也稱為體增熱，表現(xiàn)為體熱的增加，是在攝入的食物轉(zhuǎn)化為體內(nèi)可利用的能源物質(zhì)過程中的能量消耗。外源氮、磷排泄率主要受到食物的營養(yǎng)組成、日糧水平和投飼方式等的影響。由于特殊動力作用主要是由蛋白質(zhì)代謝引起的，食物中的蛋白質(zhì)含量對體增熱具有相當(dāng)大的影響，攝食高蛋白質(zhì)食物的代謝率大于攝食低蛋白質(zhì)食物的代謝率。

有研究表明攝食量對外源氮中氨氮的含量影響顯著，Cui 和Wootton 等[7]提出：氨排泄水平隨攝食水平的升高而升高，二者之間的定量關(guān)系可用下列方程表達(dá)：

其中：N 為氮排泄率，C 為氮吸收率，a、b 為常數(shù)。當(dāng)?shù)諡? 時(shí)，a 值則是其內(nèi)源性排泄率。

除攝食量外，食物中用做能量的蛋白質(zhì)比例、蛋白質(zhì)質(zhì)量（不同氨基酸配比）、可替代蛋白質(zhì)的碳水化合物、脂肪和維生素的含量等也影響氨氮排泄率。Brett 和Zala[8]發(fā)現(xiàn)紅大麻哈魚（Oncorhynchus nerka）的尿素排泄水平在饑餓和攝食情況下都恒定。Kaushik 等[9]也觀察到白斑狗魚（Esox lucius）的尿素排泄水平并沒有出現(xiàn)與氨氮排泄相同的攝食后的峰值。他們的研究進(jìn)一步證實(shí)攝食后排氮的增長部分是氨氮的增長，而尿素的排泄很少受食物消化的影響。

氮、磷兩種元素經(jīng)攝食后，由于其對海洋生物的生理作用不同，代謝率也會有所差別。李松青等[10]研究了攝食對凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei）、又稱南美白對蝦（White Prawn）氮磷代謝率的影響，其使用的飼料中氮含量為6.18%，磷含量為1.20%，而經(jīng)攝食后，凡納濱對蝦糞便中氮含量僅為4.05%，而磷含量則為3.54%，說明對蝦對飼料中磷的消化率低于氮。凡納濱對蝦攝食飼料后氮、磷排泄率的比值（N/P）顯著提高，其外源氮、磷比值是內(nèi)源氮、磷比值的2.5倍，這除了是由于對蝦的氮代謝和磷代謝生理不同外，與對蝦對飼料中磷的消化吸收率低于氮的消化吸收率亦有關(guān)系。

2.2 溫度對海洋生物氮、磷代謝的影響

一般情況下，溫度對海洋生物氮、磷代謝的影響極顯著。隨著溫度的上升，海洋生物磷、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氨氮的代謝率都有所提高[11]，這說明隨著溫度的升高，海洋生物組織器官的活動性能提高，體內(nèi)的各種生化反應(yīng)速度加快，致使呼吸和代謝加快，對能量的消耗增大[12]。Cui和Wootton 提出溫度對氮排泄的影響為線性關(guān)系[7]，其相關(guān)方程為：

其中：N、Nu 分別表示氨氮和尿素氮的排泄率（mg/d），T 為溫度（℃），C 為攝食率（mg/d），a、b1和b2均為常數(shù)。

2.3 鹽度對海洋生物氮、磷代謝的影響

養(yǎng)殖海水鹽度對海洋生物，特別是滲透壓調(diào)節(jié)類動物的生理狀況有直接的影響。當(dāng)外界鹽度發(fā)生變化時(shí)，海洋生物通過改變代謝狀況，借助于離子調(diào)節(jié)和細(xì)胞內(nèi)游離氨基酸庫的啟動或關(guān)閉，來調(diào)節(jié)體內(nèi)的滲透濃度，實(shí)現(xiàn)有機(jī)體與海水之間的水交換以及細(xì)胞和組織之間的水分平衡，以適應(yīng)不同的鹽度環(huán)境。隨著鹽度的增加，大部分海洋生物磷、亞硝酸氮的代謝率均提高。硝酸氮、氨氮的代謝率隨著鹽度的增加而下降[12]。Needham[13]和眾多研究者證實(shí)甲殼類動物氨氮排泄率是隨著鹽度的降低而升高的。Pressley 等[14]指出，動物在低鹽度中會導(dǎo)致鈉離子流失，為了補(bǔ)償這種流失必須激活鈉離子的吸收過程，伴隨氨氮排泄的升高。鹽度的升高對氨氮排泄的影響則比較復(fù)雜，動物體由氨排泄類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩嘏判诡愋?，氨氮排泄率下降。有研究表明，部分蝦類在體液達(dá)到等滲點(diǎn)時(shí)，其耗氧率最小，此時(shí)代謝所需要的能量也是最少的，因而有利于提高攝食能量的利用率[15]。

2.4 光照對海洋生物氮、磷代謝的影響

Dall W 等[16]對虎蝦（Tiger Prawns）和食用對蝦（Penaeus esculentus Haswell）的研究和姜祖輝[17]對菲律賓蛤仔的研究均表明，這兩類動物在黑暗條件下的氮、磷代謝率高于光照條件，這與其生態(tài)習(xí)性是一致的，蝦和雙殼貝類等底棲生物終生埋棲生活于海底，適應(yīng)于在光線較暗的環(huán)境中生活，在黑暗的條件下它們的各種活動（如腹足伸出、移動位置等）加強(qiáng)，加快了體內(nèi)的各種代謝，過強(qiáng)的光照則會抑制其正常的生理活動，導(dǎo)致氮、磷排泄率的降低。

2.5 pH 值對海洋生物氮、磷代謝的影響

pH 值即水體的酸堿度，可直接影響到水中各種生物，包括各種微生物的生長繁殖，調(diào)節(jié)水體pH 值在水產(chǎn)動物生長最理想的范圍內(nèi)，是水產(chǎn)養(yǎng)殖獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的必要條件之一。當(dāng)水體pH 值過高時(shí)，海洋生物對于氨氮的分解代謝增加，會使水中的氨氮含量增加，使水體惡化，不利于海洋生物的生長。而當(dāng)水體pH 值過低時(shí)，海洋生物血液中pH 值會隨之下降，血液中氧的分壓降低，造成運(yùn)輸氧氣的蛋白質(zhì)功能障礙，使水產(chǎn)動物組織細(xì)胞內(nèi)缺氧，造成呼吸困難，吃食量減少，嚴(yán)重時(shí)引起死亡。同時(shí)，pH 值的高低與氮磷的排泄也存在一定的聯(lián)系。隨著pH 值的增加，海洋生物磷的代謝率明顯下降，氨氮、硝酸氮的代謝率隨著pH 值的增加而升高，對亞硝酸氮代謝率的影響不顯著[15]。對于蝦類養(yǎng)殖來說，蝦池水正常pH 范圍通常為7.5-8.5，最理想范圍為8.0-8.5。

2.6 溶解氧水平對海洋生物氮、磷代謝的影響

溶解氧是魚、蝦、貝類等養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境中的重要指標(biāo)之一，它直接或間接地影響著海洋生物的生長。McGraw 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在15%-65%的溶解氧飽和度范圍內(nèi)，凡納濱對蝦生長和存活率與溶解氧飽和度呈正相關(guān)的關(guān)系。崔瑩等[19]研究發(fā)現(xiàn)，凡納濱對蝦（3.14 cm-3.27 cm）的瞬時(shí)耗氧速率隨溶氧量的降低而增大。而水體溶解氧水平與水溫和水質(zhì)狀況等有一定的相關(guān)關(guān)系。

2.7 水體氨氮含量對海洋生物氮、磷的影響

海洋環(huán)境質(zhì)量對海洋生物氮、磷排泄量會產(chǎn)生一定程度的影響。而海水中氨氮水平對海洋生物氮、磷排泄的影響較大。賴曉芳等[20]設(shè)計(jì)了氨氮濃度變化的急變組和緩變組，研究了氨氮濃度對脊尾白蝦氮、磷代謝的影響，研究表明因氨分子具有相當(dāng)高的脂溶性，能穿透細(xì)胞膜毒害組織，蝦池中氨的積累會增加蝦的蛻皮次數(shù)，減緩生長，增加耗氧量。當(dāng)NH4Cl 濃度在0-2.0 mg/L時(shí)，脊尾白蝦的氮、磷排泄率均隨著氨態(tài)氮濃度的增加而下降，當(dāng)NH4Cl 濃度達(dá)到2.5 mg/L 時(shí)，脊尾白蝦的氮、磷排泄率顯著降低。而Lin 和Chen[21]研究發(fā)現(xiàn)，總氨氮和非離子氨氮對凡納濱對蝦的安全濃度分別為3.55 mg/L 和0.16 mg/L。

2.8 飼料添加劑對海洋生物氮、磷代謝的影響

在進(jìn)行魚、蝦、貝類等的人工養(yǎng)殖時(shí)，通常會采用植物性飼料，植物性飼料中的磷主要是以植酸及其鹽的形式存在，難以被生物所利用。已有研究表明[22]，向含有植物性原料的魚類飼料中直接添加適量植酸酶或添加預(yù)處理后的植酸酶，能提高魚類的生長性能。同時(shí)添加植酸酶還可以提高魚類對氮、磷的利用率。一方面，由于植酸酶能催化植物性原料中的植酸，使其水解成無機(jī)磷酸（或者磷酸鹽）與磷酸肌醇，提高魚類對植物磷的吸收利用率，降低磷的排泄量；另一方面，植酸酶可以降低植酸與蛋白質(zhì)的螯合作用，同時(shí)提高魚體內(nèi)源性蛋白酶的活性，使蛋白質(zhì)的消化吸收率提高，從而降低氮的排泄率，從而降低了養(yǎng)殖水體氮磷污染的程度。魯媛媛等[22]研究發(fā)現(xiàn)在植物性飼料中添加植酸酶的同時(shí)添加非淀粉多糖酶，可以促進(jìn)植物性飼料中的果膠、非淀粉多糖和纖維素等聚合物分解為小分子物質(zhì)，降低消化道的粘度，改善魚類的消化機(jī)制，促進(jìn)魚類的生長速度，并進(jìn)一步提高魚體營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，從而降低氮的排泄率，但非淀粉多糖酶的添加對磷排泄率沒有顯著影響。

在飼料中添加無機(jī)鹽類物質(zhì)也可以對海洋生物的生長代謝產(chǎn)生一定影響。如張璐等[23]研究發(fā)現(xiàn)在魚飼料中添加無機(jī)鹽混合物可以提高鱸魚對磷的利用率；楊金芳等[24]發(fā)現(xiàn)在低鹽度水體中添加K+可以提高對蝦的滲透壓調(diào)節(jié)能力，顯著影響凡納濱對蝦的生長，當(dāng)水體中K+添加量為10 mg/L 且飼料中K+添加量為0.6%時(shí)，凡納濱對蝦的生長和生存狀態(tài)較好，水體K+添加量為20 mg/L 且飼料K+添加量為0.3%時(shí)，凡納濱對蝦耗氧率和排氨率最低，有利于提高攝食能量的利用效率。

3 結(jié) 語

隨著海水養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，其帶來的一系列氮、磷污染問題逐漸引起人們的重視。而海洋動物的氮、磷排泄對于浮游植物生產(chǎn)力、海洋生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)、沉積物-水界面生源要素遷移均產(chǎn)生重要的影響。對影響魚、蝦、貝類等海洋生物氮、磷代謝的主要因素進(jìn)行分析，對于尋求既能促進(jìn)生物生長，又可減少氮、磷排泄的養(yǎng)殖方式，保護(hù)海洋環(huán)境具有一定的科學(xué)意義。

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