圆口铜鱼呼吸代谢的温度响应特征研究

2024-02-01胡晓娜吴兴兵朱永久朱挺兵李学梅杨德国

淡水渔业 2024年1期

胡晓娜，吴兴兵，朱永久，朱挺兵，李学梅，杨德国

(1.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院长江水产研究所，农业农村部淡水生物多样性保护重点实验室，武汉 430223)

呼吸代谢是鱼类最基本的生命活动。鱼类通过呼吸获取水体中溶解氧以维持其各种生命活动，同时向水体释放氨态氮和CO2。耗氧率和排氨率是鱼类呼吸代谢的重要表征指标[1]。影响鱼类呼吸代谢的因素有体重、年龄等内在因素和水温、盐度等外在因素，其中水温是影响鱼类呼吸代谢重要的环境因素之一[2]。水温对鱼类的各方面均产生影响，如生理生化水平、能源物质需求、能源物质代谢途径等。温度系数(Q10)是反应鱼类代谢率对水温变化响应程度的重要指标，Q10值越大，说明水温变化对鱼类影响越大[3]。另外，若水温变化剧烈，甚至超出机体可调节范围，鱼类将产生应激反应，表现为皮质醇升高，生理机能受到影响，进而影响呼吸代谢过程[4]。因此，研究鱼类呼吸代谢对水温变化的响应特征，对鱼类养殖产业健康发展和自然资源的保护都具重要意义。

圆口铜鱼(Coreiusguichenoti)隶属于鲤形目(Cypriniformes)亚科(Gobioninae)铜鱼属(Coreius)，为长江上游特有鱼类，栖息于水流湍急的江河底层[5]。因受水利工程建设、过度捕捞和环境恶化等影响，自然资源严重衰减[6]。目前，圆口铜鱼已被《中国脊椎动物红色名录(2016)》列为极危物种[7]，野外种群被《国家重点保护野生动物名录(2021)》列为国家二级重点保护野生动物。由于人工养殖环境与圆口铜鱼自然栖息生境差异较大，研究圆口铜鱼对环境因素的响应特征十分重要。目前对圆口铜鱼的研究主要集中在野生资源现状[5]、应激及其缓解方法[8]等方面。有关环境条件对圆口铜鱼影响的研究较少，在呼吸代谢方面，仅见流速、体重和水温对圆口铜鱼代谢率的影响[9，10]。而关于圆口铜鱼呼吸代谢对不同水温的响应特征，仍缺乏系统研究。

基于此，本实验研究了人工繁育圆口铜鱼不同水温下的耗氧率、排氨率、氧氮比和不同水温范围Q10，并同步测定了相应水温下圆口铜鱼血液生理生化指标，探讨了圆口铜鱼呼吸代谢对不同水温的响应特征，以期为圆口铜鱼人工养殖和野外种群保护提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验鱼体质量(94.84±1.72)g，为人工培育的3龄子一代圆口铜鱼，均取自中国水产科学研究院长江水产研究所窑湾基地。实验前所有实验鱼暂养于室内封闭循环水养殖系统中的养殖桶(直径0.8 m，高0.73 m，水深0.45 m。如无特殊说明，本研究均使用此规格养殖桶)。暂养期间保持水温(20±0.5)℃和自然光周期。

暂养期间投喂人工配合饲料(粗蛋白质≥42.0%，粗脂肪≥5.0%，总磷≥1.0%，粗纤维≤10.0%，粗灰分≤16.0%，赖氨酸≥2.4%)，采用饱食投喂，每日8：00和16：00各投喂一次。每日换水量约为养殖水体总水量的10%。所换新水经曝气、调温后进入养殖桶使用。养殖水体溶解氧大于7 mg/L，pH(7.61±0.27)，氨氮(0.04±0.03)mg/L，亚硝酸盐(0.02±0.02)mg/L，硝酸盐(15.40±7.37)mg/L。

1.2 实验设计

设置5个水温处理组(10、15、20、25、30 ℃)，每个水温组设3个平行，每个平行随机放置圆口铜鱼30尾至养殖桶中。各水温组水温波动范围为±0.5 ℃。实验鱼初始养殖水温为(20±0.5)℃，水温以2 ℃/d调整至各水温组水温。实验鱼在各水温下适应2周后开始实验，实验前禁食24 h。

采用封闭流水式实验装置[11]测定耗氧率和排氨率，使用10 L的广口瓶做呼吸室，呼吸室放入恒温水槽中，呼吸室和恒温水槽使用的水均来自控温养殖系统。广口瓶使用橡皮塞塞紧，橡皮塞上带有长短2根玻璃管，长玻璃管深入呼吸室底部，作为呼吸室的进水口，短玻璃管稍突出橡皮塞，为呼吸室的出水口。每个水温组3个重复，每个重复使用2尾实验鱼。实验鱼放入呼吸室2 h后开始实验，测定进、出水口溶解氧和氨氮。每隔2 h测定一次进出水口水温、溶解氧、水流量，同时采集水样用于水体中氨氮测定，持续24 h。实验过程中，呼吸室出水口溶解氧水平保持在4 mg/L以上，氨氮水平保持在0.20 mg/L以下，水流量为(14.58±1.48)L/h。采样结束后，测量实验鱼全长(cm，精确至0.1 cm)、体长(cm，精确至0.1 cm)和体质量(g，精确至0.01 g)。

1.3 耗氧率、排氨率测定

溶解氧使用溶氧仪(哈希，HQ40d)测定，氨氮含量使用水质分析仪(哈希，DR3900)测定。耗氧率、排氨率、温度系数、氧氮比计算公式[12-14]如下：

耗氧率[mg/(kg·h)]：RO=(DO0-DOt)×V/W

排氨率[mg/(kg·h)]：RN=(Nt-N0)×V/W

温度系数：Q10=(R2/R1)10/(T2-T1)

氧氮比：O∶N=(Ro/16)/(RN/14)

式中：DO0、DOt分别代表进、出水口溶解氧含量(mg/L)；N0、Nt分别代表进、出水口氨氮含量(mg/L)；V代表呼吸室水流速度(L/h)；W代表实验鱼体质量(kg)；R1、R2分别代表水温T1和T2时的耗氧率(或排氨率)；RO、RN分别代表耗氧率和排氨率。

1.4 生理生化指标测定

实验鱼分别在10、15、20、25和30 ℃水温条件下暂养2周后，禁食24 h进行样品采集工作。每个水温组9个重复。取样时，每次从养殖桶中快速捞取1尾鱼，放入含MS-222(100 mg/L)的水中麻醉，用1 mL注射器(1%肝素钠浸润针头)尾静脉抽血。血液分为2份：一份全血冻存，用于血红蛋白含量测定，另一份置4 ℃冰箱中静置过夜，4 000 r/min离心10 min，取上层血清，用于乳酸、血糖、皮质醇测定。

血液生化指标测定均使用南京建成生物工程研究所试剂盒，样品处理与测定均按照试剂盒说明书步骤进行。血红蛋白含量采用HICN比色法测定(货号：C021)，血糖含量采用葡萄糖氧化酶法测定(货号：A154)，乳酸和皮质醇含量采用比色法(货号分别为A019-2和H094)测定。

1.5 数据分析

各测定参数数据采用平均值±标准误(Mean±SE)的形式表示。各指标的差异比较采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan多重比较，显著水平为0.05。数据分析软件为SPSS 25。

2 结果

2.1 水温对圆口铜鱼耗氧率、排氨率、温度系数Q10和氧氮比的影响

不同水温下圆口铜鱼耗氧率、排氨率见图1。在10～30 ℃内，随着水温升高，圆口铜鱼耗氧率和排氨率均呈现先上升后下降的趋势，均在25 ℃组达到最大，其值分别为247.95 mg/(kg·h)和8.52 mg/(kg·h)。15～25 ℃内各组耗氧率无显著差异，但显著高于10、30 ℃组，10 ℃组显著低于其他各水温组[图1(a)]。各水温组排氨率无显著差异[图1(b)]。

图1 不同水温下圆口铜鱼耗氧率(a)、排氨率(b)。Fig.1 Oxygen consumption rate and ammonia excretion rate of C.guichenoti under different water temperatures不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。下图同。

不同水温范围圆口铜鱼耗氧率、排氨率的Q10值见表1。耗氧率Q10值范围为0.45～5.64，整体呈下降趋势，10～15 ℃组显著高于其他组，25～30 ℃组显著低于其他组。排氨率Q10值范围为0.38～1.53，整体呈现先上升后下降的趋势，在20～25 ℃组达到最大值，25～30 ℃组最小且显著低于其他组。

表1 不同水温范围圆口铜鱼耗氧率和排氨率的Q10值Tab.1 Q10 values of oxygen consumption rate and ammonia excretion rate of C.guichenoti under different water temperature range

不同水温下圆口铜鱼氧氮比见图2。10～30 ℃范围内，氧氮比范围为15.28～30.71，单因素方差分析表明，水温对氧氮比有显著影响，继而使用多重比较进行不同水温组间的差异比较，发现10 ℃组氧氮比显著低于其他组。

图2 不同水温下圆口铜鱼氧氮比Fig.2 O∶N ratio of C.guichenoti under different water temperatures

2.2 水温对圆口铜鱼血液生理生化指标的影响

不同水温下圆口铜鱼血液生理生化指标如表2所示。整体上，水温对圆口铜鱼血红蛋白、血糖、乳酸、皮质醇含量均具显著影响。血红蛋白含量随水温升高呈现先上升后下降趋势，在25 ℃组达到最大，其值为80.41 g/L，30 ℃组最小，其值为60.52 g/L，显著低于其他水温组。血糖含量随水温升高整体呈下降趋势，但在25 ℃出现略微回升；除25 ℃组外，10 ℃组血糖含量显著高于其他各水温组。乳酸含量随水温升高呈现先升高后降低趋势，15 ℃组最大，其值为2.42 mmol/L；10 ℃组乳酸含量显著低于其他水温组，其值为1.10 mmol/L。皮质醇含量随水温升高呈先下降后升高趋势，25 ℃组达到最低，其值为2.67 ng/mL；10 ℃组含量显著高于其他各水温组，其值为14.03 ng/mL。15、20、30 ℃组间无显著差异，20、25 ℃无显著差异。

表2 不同水温下圆口铜鱼血液生理生化指标Tab.2 Blood physiological and biochemical indexes of C.guichenoti under different water temperatures

2.3 水温对圆口铜鱼耗氧率昼夜变化的影响

不同水温下圆口铜鱼耗氧率昼夜变化如图3所示。15～25 ℃范围内，圆口铜鱼耗氧率为夜间显著高于白天，10、30 ℃组夜间和白天无显著差异。15～25 ℃组全天耗氧率整体均高于10、30 ℃组。

图3 不同水温下圆口铜鱼耗氧率昼夜变化Fig.3 Diurnal variation of oxygen consumption rate of C.guichenoti under different water temperatures

3 讨论

3.1 水温对圆口铜鱼呼吸代谢的影响

呼吸和排泄是鱼类代谢活动重要表征，可反映鱼类新陈代谢水平、生理状况[15]。随水温升高，脑、心脏、肝脏等器官组织细胞中各种酶活性增强，新陈代谢水平升高，引起氧气需求量增加，此时鱼类通过增加呼吸频率、气体交换量，以及提高血红蛋白含量增强氧气运输能力等提高氧气摄取量，表现出耗氧率、排氨率和血红蛋白含量同时升高的现象[16，17]，但超出适宜温度范围时，鱼体生理机能(如造血系统)发生改变，出现耗氧率、排氨率和血红蛋白含量降低的现象[18，19]。本研究中，圆口铜鱼耗氧率和排氨率均随水温升高呈先升高后降低趋势，均在25 ℃组达到最大值。符合鱼类耗氧率和排氨率随水温升高先增加后降低的一般规律。与鲻(Mugilcephalus)[18]幼鱼的研究结论一致。鱼类代谢速率对水温变化的响应程度可用温度系数(Q10)表示[3]。10～30 ℃范围内，鲫(Carassiuscarassius)、鳊(Parabramispekinensis)耗氧率Q10值范围为0.94～2.61[20]。本研究中，15～25 ℃范围内，圆口铜鱼耗氧率和排氨率的Q10值范围为1.05～1.53。圆口铜鱼耗氧率Q10值在10～15 ℃出现最大值，为5.64，表明该温度范围内圆口铜鱼对温度变化较敏感。在适宜温度范围内，Q10值随水温升高呈现先下降后上升的趋势，最低值出现在最佳温度下，水温超过此范围时，Q10值减小[13]。在31～34 ℃范围内，脊尾白虾(Exopalaemoncarinicauda)成虾耗氧率Q10值小于1，认为脊尾白虾的呼吸在高温下受到限制[13]，本研究结果与其类似。25～30 ℃，圆口铜鱼耗氧率和排氨率的Q10值均小于1且显著低于其他组，说明30 ℃水温较高，圆口铜鱼的呼吸受到限制。结合耗氧率、排氨率、耗氧率Q10、排氨率Q10综合分析，认为30 ℃超出圆口铜鱼适温范围，15～25 ℃范围内圆口铜鱼代谢水平较稳定。

血糖是鱼类重要的能源物质，可表示鱼类对能量的需求。血糖主要源于消化吸收的葡萄糖或肝糖原的分解和糖异生作用，通常情况下保持动态稳定状态[21]。低温应激下，皮质醇含量增加通常作为鱼体应激的信号，高皮质醇含量可引起高血糖现象[22]。低温环境下尼罗罗非鱼(Oreochromisniloticus)出现高血糖现象，是为代谢反应提供底物的一种机制[22]。本研究中，10 ℃组圆口铜鱼血糖含量显著高于15、20、30 ℃组，10 ℃组皮质醇含量显著高于其他组，表明圆口铜鱼在此水温下受到低温胁迫，为抵御低温环境，机体大量分解肝糖原，导致血糖含量增加。热应激下，皮质醇含量增加促进肝糖原分解和糖异生作用增强，血糖含量升高供给能量代谢水平升高的需求，随时间延长，血糖被消耗，肝糖原大量分解，出现血糖显著下降的现象[23]。本研究中，当水温由25 ℃升至30 ℃时，圆口铜鱼血糖含量下降，皮质醇含量显著上升，说明30 ℃条件下，圆口铜鱼长时间受到高温胁迫后，肝糖原大量消耗，导致血糖含量降低。结合耗氧率、排氨率、血红蛋白含量在30 ℃时显著下降等现象，认为30 ℃已超出圆口铜鱼适温范围。氧氮比常用于表示动物体内供能的能源物质的比例，当蛋白质作为主要能源物质时，氧氮比约为7；蛋白质和脂肪共同供能时，氧氮比约为24；脂肪和碳水化合物供能比例越高，氧氮比越大[24-26]。本研究中，10 ℃组圆口铜鱼氧氮比值为15.28，显著低于其他各组，说明圆口铜鱼低温下主要依靠蛋白质供能，可能与低温下圆口铜鱼依附在养殖桶底部，摄食活动较少有关，不利于机体生长。综合分析，15～25 ℃范围内，圆口铜鱼呼吸代谢水平处于稳定状态。

能量代谢分为需氧代谢和厌氧代谢两种途径。乳酸是厌氧代谢途径的代谢产物，其含量一定程度上可代表鱼体厌氧代谢的水平[27]。水温升高，机体各类酶活性增强，鱼体运动增多，能量需求增大，此时机体需氧代谢提供的能量未能满足机体需求，机体可通过提升厌氧代谢水平以保证机体能量供应充足[27]。本研究中，15～30 ℃组，圆口铜鱼乳酸含量均显著高于10 ℃组，可能与圆口铜鱼恢复运动以及运动增多有关。适温范围内，鱼类与水环境处于动态平衡状态。本研究中，水温处于15～25 ℃范围内时，圆口铜鱼乳酸含量无显著变化，说明此时圆口铜鱼代谢水平处于稳定状态，这与15～25 ℃水温范围内圆口铜鱼耗氧率无显著差异的表现一致。30 ℃时，乳酸含量显著降低，可能与水温过高，圆口铜鱼受到胁迫，机能受损，代谢水平降低有关。

3.2 水温对圆口铜鱼耗氧率昼夜变化的影响

耗氧率昼夜变化显示了生物体对环境周期性变化的适应特征，通常分为夜间大于白天、白天大于夜间和昼夜差异不明显等3种类型。一般来说，耗氧率高表明鱼类此时代谢水平较高，正处于较强的活动状态，如摄食和快速游动[3]。本研究中发现，15、20和25 ℃组圆口铜鱼耗氧率均为夜间大于白天类型，这与孙宝柱等[28]的研究结果一致，这说明，15～25 ℃范围内圆口铜鱼夜间活动要强于白天，推测与圆口铜鱼夜间摄食习性相关。10 ℃组圆口铜鱼耗氧率属于昼夜差异不明显型，这与刘飞等[29]报道的圆口铜鱼春季白昼型摄食节律的研究结果相符。推测与水温过低，其摄食活动在水温较高的正午表现更为活跃有关。本实验过程中发现，10 ℃时，圆口铜鱼全天停留于养殖桶底部，游泳运动较少，这与其此时昼夜耗氧率差异不大一致。30 ℃时，耗氧率昼夜差异不大，此时，水温较高，圆口铜鱼摄食活动不受水温限制，推测与水温过高，身体机能受到影响有关。另外，本研究还发现15～25 ℃水温组，圆口铜鱼全天耗氧率均高于10、30 ℃水温组，与实验过程中10 ℃组圆口铜鱼代谢水平低、30 ℃组血红蛋白含量显著降低等表现一致，这说明15～25 ℃范围内圆口铜鱼代谢水平较稳定。

研究表明，水温24.5～26 ℃范围内，圆口铜鱼(体质量：9.9～14.0 g)昼夜耗氧率在11：00和3：00达到高潮，9：00和21：00达到低潮[28]，而本研究中在17：00达到低潮，推测与实验鱼的规格不同有关。15～25 ℃组圆口铜鱼耗氧率均在17：00后开始升高，并在19：00至翌日1：00时间段内维持较高水平，推测圆口铜鱼在此时间段内活动强，需氧量大[30]，然而夜间由于浮游植物光合作用弱，水体中氧气不能及时补充，因此在人工养殖过程中，应注意夜间水体溶解氧的含量，必要时需在夜间人工增氧，避免缺氧事故发生。