氨氮對水產(chǎn)動物的毒性效應研究進展

王夢杰，陳建華，王海華

摘要：氨氮是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中一項非常常見的水質指標，同時也是制約水產(chǎn)動物健康生長的重要環(huán)境因子。綜述了氨氮的急性毒性、亞急性毒性、氨氮對水產(chǎn)動物的生理生化指標的影響、不同水環(huán)境條件下氨氮毒性以及氨氮毒性的機理等內(nèi)容，為水產(chǎn)動物健康養(yǎng)殖提供理論基礎。

關鍵詞：氨氮;非離子氨毒性;健康養(yǎng)殖

中圖分類號：[949] ? ?文獻標識碼：A

伴隨著集約化養(yǎng)殖模式的推廣應用，水資源污染問題越發(fā)嚴重，其中氨氮成為水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中一項重要的環(huán)境脅迫因子[1]。水體中氮包括有機氮和無機氮，其中有機氮包括氨基酸、蛋白質、核酸等;無機氮包括溶解氮氣、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮等[2]。一般在pH值為7～8的常溫水體中，有機氮物質約占60%，氨態(tài)氮占35%，其它則以硝態(tài)氮的形式存在[3]。養(yǎng)殖過程中，氨氮濃度超標會嚴重影響水生動物的生長，并且會對許多的組織器官造成損傷，甚至死亡[4]。水體中氨氮的來源主要有4個方面：生活污水排放;氮肥及各種有機農(nóng)藥的大量使用，經(jīng)水體氧化后形成的亞硝酸鹽和硝酸鹽等有毒污染物[5];藻類細胞自溶與有機碎屑沉積物的礦化作用，使以顆粒狀結合的有機氮以非離子氨的形式釋放到水體中;高密度養(yǎng)殖過程中殘餌和魚類排泄物的沉積而產(chǎn)生的氨氮、硫化物和亞硝酸鹽等物質。一方面，氨態(tài)氮是藻類生長中最重要的氮源，氨態(tài)氮含量不足常常成為水體初級生產(chǎn)力的限制因素[6];另一方面，過量的氨態(tài)氮對水生動物具有很強的危害作用，主要體現(xiàn)為，水體富營養(yǎng)化;氨氮通過呼吸作用等侵入機體組織，造成組織缺氧或者病變，甚至死亡[7]。此外，有研究表明，在特定條件下非離子氨的毒性可以達到離子氨毒性的300～400倍[8]。水體pH、溫度、溶解氧等都能影響離子氨和非離子氨的含量，其中pH值得影響最為強烈[9]。

1 ?氨氮的急性毒性

美國環(huán)保署曾通過對32種淡水魚類和17種海水魚類的非離子氨急性毒性實驗，得出淡水魚非離子氨的半致死濃度（LC50）是2.79 mg/L，海水魚非離子氨的LC50是1.86mg/L[10]。Wajsbrot[11]和Ruyet[12]分別測定了一些海水魚類如海鱸（Dicentrarchus labrax）、海鳊（Sparus aurata）和大菱鲆（Scophthalmus maximus）96h非離子氨的半致死濃度是1.7～2.7 mg/L之間。Knoph[13]研究的大西洋鮭（Salmo salar L.）48h非離子氨半致死濃度為0.24～0.34mg/L。沈成鋼等[14]研究指出魚對非離子氨耐受能力在不同種類的魚種有較大差異，在pH值8.5，低溫（6.1℃～6.5℃）條件下其研究結果顯示耐受能力由小到大為：鰱<鏡鯉<豐鯉<草魚<鳙魚。杜浩等[15]研究了總氨氮對中華鱘（Acipenser sinensis）稚魚的急性毒性，發(fā)現(xiàn)非離子氨對中華鱘稚魚的96 h半致死濃度為0.39mg/L。龔全等人[16]研究表明，當巖原鯉（Procypris rabaudi）暴露于高濃度氨氮環(huán)境中，表現(xiàn)為行動遲緩，身體不能保持平衡狀態(tài)，暴露6 h后，大部分魚沉入水體，很快死去，其96 h半致死濃度為2.32 mg/L。陳瑞明等人[17]銨態(tài)氮對鱖魚（Siniperca chuatsi）幼苗的急性毒性，幼苗在接觸高寧都銨態(tài)氮后，表現(xiàn)為急躁不安、背鰭豎立、沿槽壁狂游，相互碰撞或與槽壁摩擦，2h后幼苗昏迷沉入水底，死亡時口裂張開幅度不大，身體略顯彎曲，96h半致死濃度為1.25×10-4%。

關于氨氮對養(yǎng)殖魚類的影響，主要還是體現(xiàn)在氨氮的急性毒性方面，不同種類之間氨氮急性毒性有很大區(qū)別，同一品種不同規(guī)格之間也存在巨大差異。周永欣等人[18]實驗得出全長1.73 cm，體重0.037g 的草魚幼苗（Ctenopharyngodon idellus）非離子氨的96 h半致死濃度為0.570 mg/L，而全長7.07cm，體重3.238 g的草魚幼苗非離子氨96 h半致死濃度為1.683 mg/L。胡萍華等人[19]研究了氨氮對白斑狗魚（Esox lucius）成魚的急性毒性，結果指出24 h、48 h、72 h、96 h半致死濃度分別為45.85 mg/L、35.26 mg/L、27.24 mg/L、24.92 mg/L。而王甜等人[20]研究白斑狗魚幼魚的氨氮急性毒性實驗發(fā)現(xiàn)，24 h、48 h、72 h、96 h總氨氮半致死濃度分別為34.36 mg/L、28.99 mg/L、24.68 mg/L、20.31 mg/L。李建等[21]曾報道，氨氮對日本對蝦（Penaeus japonicus）24h、48h、72h、96h半致死濃度隨著幼體的變態(tài)發(fā)育逐步變大，即氨氮對其毒性隨著幼體的變態(tài)發(fā)育逐步減弱。

2 ?氨氮的亞急性毒性

非離子氨對魚類影響的另一種效應為亞致死效應，生長緩慢是一種重要的亞致死效應，通常情況下，低濃度的氨氮不會對魚類的生長形成明顯的抑制作用[22]，隨著濃度的升高，抑制作用越明顯。如馬愛軍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境中總氨氮濃度達到20mg/L時，真鯛幼魚的生長受到明顯限制，變現(xiàn)為生長速度下降，體色略有變黑。斑點叉尾鮰（Ietalurus Punetaus）處在0.1～1.0 mg/L濃度的非離子氨時，其生長呈線性下降，在0.05 mg/L時其生長率下降50%[24]。同時，Colt[25]經(jīng)過大量實驗，整理了氨化合物對水生動物的影響，認為非離子氨0.05～0.2 mg/L時可使許多水生動物生長速度下降。水環(huán)境中氨氮濃度的增高會導致水生動物血氨濃度上升，從而對水生動物的心率及呼吸產(chǎn)生直接影響。研究發(fā)現(xiàn)，軍曹魚幼魚（Rachycentron canadum）暴露在0.62ppm的非離子氨后即停止進食，高濃度下其游動更為劇烈，甚至引起死亡[26]。氨氮對水生動物生長發(fā)育的影響主要是通過影響動物攝食、呼吸、排泄等基本生理活動來實現(xiàn)的。如Foss[27]研究發(fā)現(xiàn)大西洋鱈魚（Gadus morhua）的生長受抑制的主要原因在于氨氮脅迫下大西洋鱈魚攝食量的減少，后期氨氮處理組幼魚的生長率與對照組的差異不顯著，表明幼魚對氨氮產(chǎn)生了適應性。

氨氮在影響魚類對食物的攝入量的同時，也影響著魚類的食物轉化率和排泄量，在氨氮脅迫下魚類如大菱鲆的食物轉化率明顯降低、排泄量增加[28]。氨氮的長期脅迫會導致水生動物生長率降低甚至停滯，體內(nèi)氨的代謝發(fā)生改變，氮代謝相關酶的活性提高，已有相關魚類氨氮暴露實驗中表明肝、肌肉和腦中谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脫氫酶（GDH）氨化方向的活性有所增加[29]。在學者對氨氮脅迫對彈涂魚（Boleophthalmus boddarti）鰓和腦組織造成的抗氧化脅迫實驗中發(fā)現(xiàn)：彈涂魚對氨氮脅迫具有較強的耐受性，彈涂魚能通過升高谷胱甘肽復合物和谷胱甘肽含量來緩解由于氨氮脅迫帶來的過氧化脅迫和血氨過高給腦部帶來的壓力[30]。

氨氮對魚類亞急性毒性的另一明顯特征是組織器官結構發(fā)生變化。在高濃度氨氮條件下，魚鰓的結構會發(fā)生改變，如亞口魚（Deltistes luxatus）暴露在0.2～0.37 mg/L非離子氨濃度時，鰓小片顯著增厚，上皮細胞、黏液細胞肥大和增生;動脈血管內(nèi)兩層上皮細胞間的淋巴腺增多[31]。鰓結構的改變會引起生理功能的改變，因為相對于薄的鰓上皮結構有利于呼吸氣體和離子交換，鰓小片上皮細胞的增厚，增大了血液與外界氣體交換距離，影響魚類的氣體交換效率[32-33]。

3 ?氨氮毒性對水產(chǎn)動物生理生化指標的影響

許多研究表明，氨態(tài)氮能夠影響水生動物酶活性變化，主要包括氧化酶及磷酸酶等。韓力強等[34]研究了斑馬魚（Barchydanio rerio）氨氮急性脅迫，實驗表明伴隨著氨氮濃度的增加，ATP酶的活性顯著抑制，同時CAT酶的活性也發(fā)生了一定的變化。超氧化物歧化酶（SOD）是生物體內(nèi)有效清除活性氧、防治活性氧合成和蓄積，阻斷脂質過氧化連鎖反應，保護細胞膜免受損的重要酶類之一，而丙二醛（MDA）是生物膜中多價不飽和脂肪酸受自由基作用生成的脂質過氧化代謝產(chǎn)物，期含量反映機體脂質過氧化的速度和程度，代表自由基的活性，因此機體SOD活性和MDA含量一般成反比關系[35-36]。王琨等人[37]研究表明，非離子氨濃度達到0.137 mg/L以上時，鯉幼魚（Cyprinus carpio Linnaeus）SOD活性升高和MDA含量下降，說明氨氮破壞了魚體抗氧化酶系統(tǒng)，造成活性氧堆積，使各種抗氧化酶活性及丙二醛含量變化，進而引發(fā)機體氧化損傷。在孫艦軍等[38]的研究中，當水體中氨氮的濃度增加后，中國對蝦體內(nèi)酶的活性部分酶（如過氧化物酶、酚氧化酶等）的活性及其抑制菌活性都顯著降低，表明高氨氮濃度容易使中國對蝦感染疾病。王國江等[39]以日本沼蝦（Macrobrachium nipponense）為實驗對象，研究氨氮對水生生物體內(nèi)酶活性的影響，結果指出，氨氮濃度增加后，實驗蝦血清內(nèi)酚氧化酶的活性變現(xiàn)出先升后降的趨勢。

水體中氨氮濃度的升高，會引起亞硝酸鹽的升高，亞硝酸鹽能將亞鐵血紅蛋白轉成亞硝鐵血紅蛋白，使血紅蛋白失去攜帶氧氣的功能，引起魚體缺氧[40-41];通過擴散進入血液中的亞硝酸鹽能引起血細胞溶解，導致用于攜帶氧的紅細胞減少進一步加重機體缺氧狀況[42]。有學者還指出，血糖（GLU）變化在不同的脅迫下表現(xiàn)情況也不同，急性脅迫導致高血糖癥和高蛋白血癥，慢性脅迫引起低血糖癥[43]。Hrubec[44]研究條紋鱸（Morone chrysops x Morone Saxatilis）發(fā)現(xiàn)在短期脅迫情況中出現(xiàn)高血糖癥狀，在連續(xù)脅迫下由高血糖轉為低血糖癥狀。魚類血液中的氨氮可以通過大多數(shù)半透膜，以擴散的方式進入到水體，減少體內(nèi)氨氮的積累，但如果環(huán)境中氨氮濃度增加，大量氨氮進入魚體會使氨氮排泄受到抑制[45]。Person[46]的研究也證明血漿中總氨氮的累積與環(huán)境中氨氮濃度有關。印度鯪（Cirrhinus mrigala）在較高濃度氨氮作用下，成熟紅細胞減少，幼稚紅細胞增加，白細胞中淋巴、嗜中和巨噬細胞增多，一部分紅細胞出現(xiàn)變形，在11.8 mg/L和16.0 mg/L氨氮濃度時，一部分紅細胞壁損壞[47]。高濃度氨氮引起紅細胞壁皺縮和損壞進而引起溶血現(xiàn)象[48]。

4 ?不同水環(huán)境因子條件下的氨氮毒性

楊鳳等人[49]研究了在不同pH條件下總氨對海灣扇（Argopecten irradians）幼貝的毒性實驗，結果表明隨著pH（≥8.34）的升高，非離子氨的毒性不斷增大，其毒性大約是離子氨的90倍。其他學者不同品種間也得出相似結論[50-51]。而在陶易凡等[52]對克氏原螯蝦（Procambarus clarkii）的高pH脅迫試驗中指出其96 h半致死濃度為10.194。李波等[53]研究了溶解氧與氨氮毒性的關系，結果顯示，黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）在較低的溶氧環(huán)境內(nèi)對氨氮的耐受性比在較高溶氧內(nèi)的耐受性弱，原因可能是在養(yǎng)殖條件下，溶解氧含量的降低可能伴隨著呼吸頻率的增加，進而使進入魚體的氨氮含量增大，因此在養(yǎng)殖過程中，向水體增氧能提高黃顙魚對氨氮的耐受能力。在其他學者對大菱鲆[54]、半滑舌鰨（Cynoglossus semilaevis Gunther）[55]、中國對蝦（Fenneropenaeus chinensis）[56]的研究中也都得出了相似結論。

5 ?氨氮的毒性機理

氨氮在水體中以離子氨（NH4+）和非離子氨（NH3）的形式存在[57]，統(tǒng)稱為總氨，兩者在水體中可以相互轉化。非離子氨為親脂性分子，半徑較小，容易穿透脂質性生物膜的疏水性微孔進入生物體內(nèi)，從而對魚鰓表皮細胞造成損傷，降低魚類的免疫力[58];離子氨則以水合離子形式存在，不能輕易穿透魚鰓脂質性生物膜的疏水性微孔進入生物體內(nèi)[59]。氨氮對水生動物毒性的機制尚不明確，有學者發(fā)現(xiàn)鯉魚在氨氮致死濃度會出現(xiàn)肝細胞損傷，以及腎臟發(fā)生病變[60]，也有學者發(fā)現(xiàn)延長氨氮暴露時間還可以引起與魚尾部的嚴重損傷[61]。水環(huán)境氨濃度的增加會導致水生動物體內(nèi)氨水平的提高，魚類氨氮暴露實驗表明，魚體內(nèi)血漿中總氨氮濃度會隨著水環(huán)境總氨氮濃度的增加而增加且一般與外界總氨水平之間呈線性相關關系[62-64]。在氨氮慢性毒性條件下，魚類在短期內(nèi)會出現(xiàn)體內(nèi)氨濃度增加，可誘導機體發(fā)生一系列生理反應，如血漿中氨濃度增高，肝中肝糖濃度減少，血漿中葡萄糖濃度增加等，從而導致魚體生理功能紊亂[65]。

氨氮對水生生物的危害程度與動物的種類密切相關，魚類對氨氮的耐受性差異較大，研究發(fā)現(xiàn)一些能排尿素的魚類氨氮耐受性更高，這些魚類主要通過鳥氨酸循環(huán)將體內(nèi)過多的氨轉化為尿素排除體外，還可能通過谷氨酰胺合成酶合成谷氨酸鹽等代謝物排除體外[66]。但也有例外，如短吻鱘（Acipenser brevirostrum）[67]、眼斑擬石首魚（Sciaenops ocellatus）[68]等魚類對非離子氨的耐受性就比較差。

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