扑草净对鲫鱼(Carassius auratus)生长的影响及其导致的水体营养盐变化

2020-12-21杨振江黄岁樑孔文文李沣原

水资源与水工程学报 2020年5期

杨振江, 黄岁樑, 孔文文, 于辉, 李沣原

(南开大学环境污染过程与基准教育部重点试验室，天津市城市生态修复与污染防治重点试验室，环境科学与工程学院水环境数值模拟研究室，天津 300350)

1 研究背景

中国的水产养殖业发展迅速，自1990年以来, 中国水产养殖的产量世界领先[1]，养殖的鱼类水产品总量占世界生产总量的70%[2]。鲤科鱼类为中国最重要的水产养殖品种，中国渔业统计年鉴[3]显示，鲫鱼(Carassiusauratus)、鳙鱼(Aristichthysnobilis)、鲢鱼(Hypophthalmichthysmolitrix)、鲤鱼(Cyprinuscarpio)和草鱼(Ctenopharyngodonidellus)在中国水产养殖业中占主导地位。

渔业养殖活动可增加水体氮磷负荷，进而导致水体富营养化[4-5]，藻类爆发性繁殖，破坏水域生态平衡。为控制水体富营养化引起的藻类过度繁殖所带来的影响，扑草净(CAS-No.7287-19-6)等农药在渔业中被用来清理渔业水体中的青苔及有害藻类等[6]。同时，扑草净广泛用于控制各种作物如棉花和芹菜等出苗前、后的一年生草和阔叶杂草[7]，残留的扑草净可通过降雨等进入水体。

扑草净的化学名称为2-甲硫基-4，6-双异丙氨基均三氮苯，纯品为白色结晶，在水中的溶解度为33 mg/L(25 ℃)，易溶于有机溶剂，熔点为118～120 ℃[6]，是一种持久性甲基硫代三嗪除草剂[8]。扑草净具有与苯环类似的结构，因此化学性质比较稳定，不易在水中降解[9]，会在动物体内残留[10]，对鱼类等动物产生影响[8]，也会对鱼类代谢、组织器官及其体内抗氧化活性酶等产生影响[11-12]，进而阻碍鱼类生长[12]。因此，目前许多国家和地区禁止使用扑草净，但在实际生产中许多地方仍在使用[13]。因此，扑草净在环境中广泛残留[10]。Stara等[12]研究发现，捷克的河流中扑草净浓度达到0.51 μg/L；徐雄等[14]在我国太湖、长江、黑龙江、松花江以及南水北调中东部和中部运河等重点流域地表水中均检测到了扑草净。

鲫鱼(Carassiusauratus)是中国重要经济鱼类[15]，因其体型适中，便于在实验室内养殖。扑草净的检测方法、在水体中的吸附解吸[16]及其对植物的毒性效应[17]已有报道，而其对鲫鱼生长的影响以及其对水体营养盐变化的间接影响尚未见报道。基于上述背景，本研究以扑草净作为目标污染物，以鲫鱼作为受试生物，于实验室内水族箱中进行试验，研究扑草净对鲫鱼生长的影响及其间接对水体中营养盐浓度产生的影响。

2 材料与方法

2.1 试验材料

使用规格为46.0 cm×38.5 cm×50.0 cm(长×宽×高)的玻璃水族箱。每个水族箱中饲养3尾体长9.34±0.3 cm、体质量23.75±2 g的健康鲫鱼。所选鲫鱼购自天津市津南区农贸市场，试验开始前鲫鱼均已在试验条件下驯养15 d。水族箱内注入50 L曝气2 d的自来水。

选用德国Dr. Ehrenstorfer公司生产的纯度为99.0%的扑草净纯粉，在锥形瓶内与水混合并使用磁力搅拌器以1 000 r/min连续搅拌24 h后经0.45 μm滤膜过滤，获得浓度为36.20 mg/L的扑草净水溶液，取552.49 mL比溶液注入水族箱并加水定容至50 L，水族箱内扑草净浓度为400 μg/L。该扑草净浓度为谢剑等[18]推荐的虾池使用浓度(0.02～0.89 mg/L)。

鱼饵购自淮安通威饲料有限公司，其粗蛋白和总磷含量分别为29.6%和1.4%。

2.2 试验方法

本试验设有无鱼组和有鱼组。无鱼组包括只投加鱼饵的处理组(F组)和投加饵料并暴露扑草净的处理组(FP组)；有鱼组包括投喂鱼饵饲养鲫鱼的处理组(FF组)，以及扑草净暴露条件下饲养鲫鱼的处理组(FFP组)。每组试验设有两个平行。每天上午9点由专人手动投饵一次，投饵量为鲫鱼初始体质量的1.0%。据观察，有鱼时所投饵料全部被鲫鱼摄食。试验周期为92 d，期间不换水，每2天补充蒸发损失的水以保持水量基本不变。另外，试验期间使用电磁式空气压缩机持续充氧，光暗比为12 h∶12 h。

图1 水温、pH及累积投饵量随时间变化曲线

2.3 理论基础

选择体长生长率(LGR)，体质量生长率(WGR)，特定生长率(SGR)，饵料系数(FCR)，饵料转化率(FCE)及蛋白质效率(PER)[21-23]评价鲫鱼生长，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：W0为鲫鱼初始体质量，g；L0为鲫鱼初始体长，cm；Wt(WT)为时间t(时间T)时的鲫鱼体质量，g；Lt(LT)为时间t(时间T)时的鲫鱼体长，cm；F为总投饵量，g；CPC为粗蛋白含量，%；t为试验时长，d；T为试验周期，d，本试验T=92 d。

前人的研究中，Logistic模型[24]以及von Bertalanffy模型[25]等被广泛应用于描述鱼类生长过程。经验证，本研究中鲫鱼的体质量生长率(WGR)和体长生长率(LGR)随时间变化过程符合Logistic方程，方程如下：

(7)

(8)

式中：WGRmax和LGRmax分别为鲫鱼最大体质量生长率和最大体长生长率，%；rWGR和rLGR分别为鲫鱼体质量和体长生长率变化速率系数，d-1；aWGR和aLGR均为常数。

此外，本研究中无扑草净组和有扑草净组鲫鱼的WGR和LGR差值(ΔWGR和ΔLGR)随时间变化过程也符合Logistic方程，即方程(9)和(10)：

(9)

(10)

式中：ΔWGRmax和ΔLGRmax分别为鲫鱼最大体质量生长率和最大体长生长率差值，%；rΔWGR和rΔLGR分别为鲫鱼体质量和体长生长率差值变化速率系数，d-1；aΔWGR和aΔLGR均为常数。

同时采用Logistic方程拟合营养盐浓度随时间变化，即方程(11)：

(11)

式中：C为时间t时的营养盐浓度，mg/L；Cmax为最高营养盐浓度，mg/L；rC为营养盐浓度变化速率系数，d-1；aC为常数。

3 结果与分析

3.1 扑草净对鲫鱼生长的影响

图2为鲫鱼的体质量生长率(WGR)和体长生长率(LGR)及FF组与FFP组体质量生长率和体长生长率差值随时间的变化。由图2可以看出，试验开始阶段，无扑草净组(FF组)和有扑草净组(FFP组)鲫鱼的体质量生长率和体长生长率均随时间推移(累积投饵量增加)迅速增高，然后增速降低并很快趋于稳定，如图2所示。体质量生长率和体长生长率与累积投饵量显著正相关，相关系数(r)为0.513～0.957(P=0.001～0.046)。此外，如图2所示，方程(7)和(8)可用于描述本研究中鲫鱼的体质量生长率和体长生长率随时间的变化过程(R2=0.959～0.997)。

表1为采用Logistic方程拟合鲫鱼生长变化的参数。由表1可知，有扑草净组鲫鱼的最大体质量生长率为6.40%，低于无扑草净组(9.73%)。有扑草净组鲫鱼的最大体长生长率为5.23%，低于无扑草净组(7.18%)。此外，有扑草净组体质量生长率拟合曲线的变化速率系数(rWGR)(0.24)低于无扑草净组(0.30)。

表2为鲫鱼生长性能的参数。可见，有扑草净组鲫鱼的饵料系数比无扑草净组高100.4%，相应地，有扑草净组鲫鱼的特定生长率、饵料转化率、体质量生长率、体长生长率和蛋白质效率比无扑草净组低8.7%～50.3%，经方差分析，扑草净对鲫鱼的饵料系数、饵料转化率、体质量生长率、体长生长率和蛋白质效率均有显著影响(P<0.05)。这与Cattaneo 等[11]和Stara等[12]研究结果类似。

本试验期间鲫鱼死亡率为0，但观察到有扑草净组鲫鱼旋转游动，游动迟缓等异常行为，丧失正常游动能力，扑草净对鲫鱼具有明显的毒性效应。赵倩等[6]在研究扑草净对斑马鱼毒性效应的实验中观察到相似现象。Stara等[12]发现扑草净的毒性效应导致鲫鱼的抗氧化系统参数发生变化。此外，Shanmugavel等[26]研究发现扑草净可对鱼类消化过程产生不利影响。这些均表明，扑草净可对鱼类的新陈代谢等产生影响，从而影响鱼类生长。

无扑草净组与有扑草净组鲫鱼体质量生长率和体长生长率的差值可以衡量扑草净对鲫鱼生长的影响水平。试验开始后，无扑草净组与有扑草净组鲫鱼的体质量生长率差值(ΔWGR)和体长生长率差值(ΔLGR)逐渐增高(见图2)，表明扑草净对鲫鱼体质量生长率和体长生长率的影响逐渐增强。随着试验进行，无扑草净组与有扑草净组鲫鱼的体质量生长率和体长生长率差值逐渐趋于稳定。方程(9)和(10)可较好地描述ΔWGR和ΔLGR随时间变化(R2=0.952～0.982)。ΔWGR和ΔLGR的最大值ΔWGRmax和ΔLGRmax分别为3.37%和1.00%，如表1。此外，拟合曲线变化速率系数rΔWGR和rΔLGR分别为0.49 d-1和2.27 d-1，表明体长生长率差值的变化速率高于体质量生长率差值的变化速率，可能是由于扑草净对鲫鱼体长生长的影响水平高于扑草净对鲫鱼体质量的影响水平，该现象有待进一步验证。

注：FF组为无扑草净组，FFP组为有扑草净组，以下同。

表1 鲫鱼生长曲线拟合相关参数

表2 扑草净对鲫鱼生长性能的影响

3.2 扑草净存在时水体营养盐变化特征

根据Shanmugavel等[26]的研究，扑草净导致鲫鱼对蛋白质的消化率降低，从而影响水体中氮营养盐浓度，如本研究中发现，有扑草净组的TDN平均浓度比无扑草净组低1.4%，且有扑草净组的最高TDN浓度Cmax比无扑草净组低1.2%(见表3)。有扑草净组的TN、TPN、TP和TPP平均浓度比无扑草净组低1.0%～41.4%，且有扑草净组TN和TP的最高浓度Cmax分别比无扑草净组低1.0%和4.2%(见表3)。

统计分析表明，有、无扑草净组的TPN和TPP浓度差异显著(P<0.05)。刘峰等[33]研究发现鱼类对底泥的扰动作用影响水体中营养盐的浓度。本研究中，可能是扑草净对鲫鱼的毒性效应导致鲫鱼对底部沉积物的扰动作用减弱，使水中TN、TPN、TP和TPP浓度低于无扑草净组。而有扑草净组的TDP和PO43--P 平均浓度比无扑草净组高8.6%～10.6%。此外，有扑草净组TDP和PO43--P 的最高浓度Cmax分别比无扑草净组高1.6%及13.5%(见表3)。这可能是由于扑草净影响了鲫鱼对磷的吸收同化作用，间接对水体中TDP和PO43--P浓度产生影响。

图3 无鱼时及TPP 浓度随时间的变化

图4 有鱼时及TPP 浓度及有无扑草净组营养盐浓度差值随时间的变化

有鱼时，统计分析显示有、无扑草净组各形态氮营养盐浓度与TN浓度比例无显著差异(P>0.05)，例如，无扑草净组TDN浓度为TN浓度的93.59%，有扑草净组TDN浓度为TN浓度的94.25%。然而，统计分析显示有、无扑草净组各形态磷营养盐与TP比例差异显著(P<0.05)。例如，无扑草净组TDP浓度为TP浓度的72.15%，有扑草净组TDP浓度为TP浓度的79.53%。此外，无扑草净组和有扑草净组TN/TP分别为6.96%和6.60%，具有显著差异(P<0.05)。