水动力变化对鲫鱼生命活动影响试验研究

2020-08-26李玉蕴王沛芳范秀磊

四川环境 2020年4期

李玉蕴，王沛芳，王超，范秀磊，王洵

(1. 河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，南京 210098 2. 河海大学环境学院，南京 210098)

引言

近几十年，闸坝建设造成水文情势改变，使河流水动力学条件发生巨大变化[1]，对鱼类产生很大的影响[2-3]。鱼类的生长和生理生态会受到各种水环境因子的影响例如盐度、温度和流速[4～7]。流速是水流场在水力学范畴中重要的特征量[8]，所以流速是影响鱼类生存繁殖的重要水环境因子[8]。因此有必要开展鱼类对流速的生理响应的研究。

当前关于水流流速对鱼类的影响研究多集中在不同流速下的鱼类游泳行为等相关指标的变化[10-11]，如钟金鑫等人的研究发现鱇白鱼逆流游泳时的速度随流速的增加而增大[12]，罗佳等人研究发现流水条件下鳙鱼的昼夜活动规律和游泳速度与静水时出现差异[13]。另一些研究表明水流流速对鱼类生长效率、呼吸频率等生命活动代谢产生影响[14～16]。

环境因子与酶相互作用会引起酶活性的变化。因此，经常将酶活性的响应作为评价鱼类健康和对环境适应情况的生物标志物。本文采用室内环形水槽模拟试验，选取优势鲤科鱼类鲫鱼为研究对象，研究了在不同流速情况下鲫鱼体重，SOD、AMY活性和ROS含量的变化，深入把握鲫鱼对闸坝建设后生态环境的适应机理和调节机制。通过研究流速与鱼类生长的相互关系及变化规律，为闸坝建设中、后保护鱼类生存环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 水槽的设计

本实验采用设计流速渐变环形水槽长6.0 m，宽度1.2 m，水深40 cm，如图1所示，实物如图2。在储水池中设置潜水泵，水流经浅水泵流出经缓冲池进入水槽缓冲区，然后依次流经1至5区，最后流入储水池进行循环。水槽各区断面流速的变化由隔板设置实现。通过改变过水段面的宽度，从而控制过水断面平均流速逐渐变小。本实验综合考虑试验条件限制根据已有参考文献设置5个流速区[17-18]。预设1～5区的水流平均流速分别为：0.7、0.5、0.3、0.2、0.15 m/s。

图1 实验水槽平面图与流速分区 (单位：cm)Fig.1 Experimental sink plan and flow rate partition

图2 渐变环形水槽实物图Fig.2 The gradient ring sink

1.2 鲫鱼的选择

选择大小、体重基本相同的红鲫鱼(CarassiusauratusLinnaeus)作为实验对象来尽量减少实验误差。本实验选取共120尾大小相近，鱼龄1.5，平均体重为(53.1±3.8)g的健康雄鲫鱼作为实验鱼种。图3为不同流速条件下对鲫鱼生命机能影响实验图。

图3 不同流速条件下对鲫鱼生命机能影响实验图Fig.3 Experiment on the effects of different flow rates on the life function of carp

1.3 实验设计

1.3.1 不同流速对鲫鱼生命机能的影响实验

实验通过用格栅将1～5区分开，每个区间都放置20尾鲫鱼。每天定时投饵，每天的投饵量为鱼体重的5%左右，并及时清理食物残渣。每个区间设置曝气装置，保证溶解氧充足。每7d将水槽中的水全部更换1次，并且每2d更换水槽1/3的水。从实验开始的第0、10、20、30d。每次各区间各取5尾鲫鱼进行称重。同时，在第30d时进行对鲫鱼内脏团等样品的采集。

1.3.2 不同流速对鲫鱼行为的影响实验

将1～5区之间不放置格栅，使整个水槽联通，以便鲫鱼游向适宜流速区。每隔12 h统计鲫鱼在不同流速区域的个数，实验进行为3d，绘制流速适宜曲线。

1.4 水槽流速的测定及流场模拟

在各流速区中点处布置测量段面，使用ADV流速测量仪确定各区间水流流速。根据流速测定结果，基于流体静力学和Boussinesq近似下的不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程建立渐变环形水槽水动力模型[19-20]。

1.5 鲫鱼生命指标的选择与测定

实验采用鲫鱼体重、ROS、SOD、AMY作为指标研究不同流速对鲫鱼生命机能的影响。采用荧光探针的方法测定ROS含量，采用WST-1法测定SOD活性，采用碘-淀粉比色法测定AMY活性。ROS、SOD、AMY含量均选用南京建成生物工程公司的试剂盒测定。

2 结果与讨论

2.1 水槽水流的测定和模拟

2.1.1 分区水槽的平均流速分布情况

渐变环形水槽水动力模型验证结果见图4。如图4所示，5个区的平均流速范围为(16.4～76.3cm/s)水动力结果基本上准确的反映了空间上的流速梯度。1区流速最大，为76.3cm/s。随着断面宽度增加，流速逐渐减小至16.4cm/s(5区)。

图4 分区水槽平均流速分布图Fig.4 Average flow rate distribution of partitioned sinks

2.1.2 整体水槽的流场分布情况

根据水动力模型计算获得流速与自由水面的模拟值，绘出整体水槽空间流场的矢量图和示意图见图5和图6。如图5所示，矢长度表示流速的大小，箭头方向表示水流的流向。从1到5区，流速基本越来越小。除在进入下1区域时区间扩大的拐角处流向发生微小的偏移以及在3区弧形边界的内挡板的后方会出现较小的环流外，水流流向基本稳定且大都平行于区间边界。

图5 实验水槽水流流向分布图Fig.5 Water flow distribution of experimental tank

图6反映了空间流速分布情况。不同区域之间的流速差异明显，1区流速基本为0.72～0.84m/s；2区流速基本为0.48～0.54 m/s；3区1流速基本为0.36～0.42 m/s；3区2流速基本为0.30～0.36 m/s；4区流速基本为0.18～0.24m/s；5区流速基本为0.12～0.18m/s，这与分区平均流速分布的情况相符。由图6可知，同一断面流速分布基本均匀，每个区域流速稳定。因此，该渐变环形水槽内水流稳定，且流速分布范围适合用于水动力对鲫鱼生命机能的影响研究。

图6 实验水槽水流流速分布图Fig.6 Distribution of water flow in experimental tanks

2.2 不同水流条件对鲫鱼生命指标的影响

2.2.1 不同流速对鲫鱼体重影响

体重是重要的生命指标，体重的变化及变化率反应了鲫鱼的生长。不同试验区鱼样体重检测结果如下表所示。如图7、图8中所示，不同流速条件下，鲫鱼体重基本都随着时间的增加而增加，而鲫鱼体重增长率都随着时间增加呈现先上升后下降的趋势。刘稳等人[21]在实验中也发现了类似的结果。这可能是因为一开始鲫鱼为了适应水流的冲击大量进食导致体重增长率的上升，而在适应生存环境后，其进食量减少，从而导致体重增长率有所下降。随着水流流速的增加，鲫鱼的平均体重始终是减少的。另外，不同流速区域鲫鱼的体重增长率也存在差异，基本呈现流速越大体重增长率越小的趋势。2到5区(16.4～48.3cm/s)的鲫鱼体重增长率均随时间增加而上升，在第10天达到最大值后变为随时间增加而下降，1区(76.3cm/s)的鲫鱼体重增长率呈现相同的趋势，但在第15d时才达到最大值。这可能是在流速较大的区域，鲫鱼的顶水行为会消耗更大的体能，导致1区(76.3cm/s)鲫鱼需要更长的时间来适应水流环境的变化，也导致了1区(76.3cm/s)鲫鱼体重及增长率基本小于其他区域。

表各流速区不同时间的鲫鱼体重检测结果Tab. Weight test results at different times in each flow zone (g)

续表

图7 不同流速条件下鲫鱼体重随时间变化规律图Fig.7 Changes of carp weight over time under different flow conditions

图8 不同流速条件下鲫鱼体重增长率随时间变化规律图Fig.8 Changes of weight growth rate over time under different flow rates

2.2.2 ROS变化规律

ROS的产生是引起机体氧化应激发生的重要机制[22]。如图9所示ROS含量总体随流速的减小从1区(76.3cm/s)到5区(16.4cm/s)呈现下降的趋势，显著性分析显示，1区(76.3cm/s)鲫鱼ROS含量显著高于其它流速区域(P<0.05)，这说明鲫鱼在水流速度快的区域代谢过程较快导致ROS含量的增加。但在5区(16.4cm/s)鲫鱼的ROS含量有微小的升高，这可能是由于低氧增大氧化压力，导致ROS含量的增加。

*表示2区至5区鲫鱼的ROS含量与1区的结果存在显著性差异(*p<0.05)图9 ROS含量在不同流速分区规律图Fig.9 Partitions of ROS content in different flow rate

2.2.3 SOD变化规律

SOD在细胞免除自由基的损害中起到重要的作用，因此被广泛用来评价鱼类健康和对环境适应的情况。流速对鲫鱼SOD活性的影响见图10结果显示，1区(76.3cm/s)鲫鱼的SOD活性显著高于其他实验组(P<0.05)，而2到5区(16.4～48.3cm/s)之间SOD活性的变化并不显著只有细微的升高或降低。说明在高流速对SOD的诱导效应非常明显，而在2到5区(16.4～48.3cm/s)流速降低从而对SOD的诱导效应有所下降。于丽娟[23]以及宋波澜[24]研究发现SOD活力随流速增加而增大。本实验在低流速的区域SOD活性差异不大，在高流速区域SOD活性的变化是与前人的研究一致的。邱德全、李飞等人[25-26]的研究显示，这种变化的原因可能是流速增大引起水体氨氮等有害氮浓度的减少，而有害氮浓度的下降使得血清SOD活力增强。

*表示2区至5区鲫鱼的SOD含量与1区的结果存在显著性差异(*p<0.05)图10 SOD含量在不同流速分区规律图Fig.10 Partitions of SOD content in different flow rate

2.2.4 AMY变化规律

消化酶可以反映动物对营养物的吸收利用程度，消化酶活力的变化可以体现出鱼的生活环境的状态[27]。流速对鲫鱼AMY的影响见图11。结果显示，1～3区(76.3～33.7cm/s)的AMY活性呈逐渐降低趋势，而从3区到5区(33.7～16.4cm/s)AMY活性又逐渐升高。且1区(76.3cm/s)的淀粉酶活性显著高于其它流速区域(P<0.05)，而其他区域AMY变化并不显著。赵璐琪等人研究发现淀粉酶活性随着流速的增加而增多[28]。这与本实验的结果是类似的。这可能是因为在高流速环境下鲫鱼运动能力加强，消耗极多的能量，需要大量消化食物来补充，所以淀粉酶活性迅速升高。有研究表明水体中的氨氮在低浓度条件会促进黄河鲤幼鱼的消化道及消化腺淀粉酶的活性[29]。而3～5区(33.7～16.4cm/s)AMY活性升高有可能是由于流速较小使得氨氮的含量增加从而导致了AMY含量的增加。

*表示2区至5区鲫鱼的AMY含量与1区的结果存在显著性差异(*p<0.05)图11 AMY含量在不同流速分区规律图Fig.11 Partitions of AMY content in different flow rate

2.3 鲫鱼适宜流速范围分析

骆辉煌研究中将中华鲟所处位置流速分布频次归一化，从而得到中华鲟流速适宜曲线[30]。本文进行3d的不同流速对鲫鱼行为的影响实验，每隔12小时统计鲫鱼分别在不同流速区域的个数，记为出现频率。将鲫鱼所处流速区间出现频率归一化，以出现频率最高的41.5%为适宜度1.0，即可得到鲫鱼流速适宜曲线，如图12所示。

图12 鲫鱼在各流速区域适宜曲线Fig.12 The suitable curve for carp in different flow rate zones

在自由游动的情况下，鲫鱼在1～5区中(16.4～76.3cm/s)均有出现。鲫鱼大部分选择在2区、3区中游动，在流速3区1出现频率最高。鲫鱼的适宜流速区为2区和3区1，流速为0.36～0.54 m/s，较适宜流速区为3区1，流速为0.36～0.42m/s。诸葛亦斯等人[31]发现鲫鱼幼鱼的喜好流速为0.3～0.6m/s，吴青怡[18]等人研究发现鲫鱼具有偏好游泳速度，其范围为20.12～41.3cm/s，这些都与本实验结果接近。在本文不同流速对鲫鱼体重影响实验中，可以发现随着水流流速的增加鲫鱼的体重及其增长量是减少的，结合这一点可以说明，在适宜流速的区间内鲫鱼体重的增长并不是最高的，也就是说鲫鱼的体重增长并不能作为评价鲫鱼生存适宜程度的单一标准。