吳凡 魏念 杜開開 柳凌 倪朝輝 李云峰

摘要：汛期長江流域大壩的泄洪可能導(dǎo)致下游水體氣體過飽和，干擾或損害下游水生生物的正常生命活動。為了研究水體氣體過飽和對長江流域重要經(jīng)濟魚類鯽的影響，將處于不同早期發(fā)育階段（受精卵、仔魚、稚魚和幼魚）的鯽（Carassius auratus）暴露于氣體飽和度分別為110%，120%，130%和140%的水體中，其中受精卵暴露至出膜，仔魚、稚魚和幼魚均暴露96 h。結(jié)果表明：受精卵的孵化率變化范圍為61.43%～72.86%，實驗組與對照組之間孵化率無顯著差異;仔魚、稚魚和幼魚實驗組均出現(xiàn)不同程度的氣泡病癥狀;實驗組死亡率隨飽和度和暴露時間的增加而升高;相同飽和度下幼魚死亡率最高，稚魚次之，仔魚最低;隨著飽和度的升高，幼魚的半致死時間顯著減少。

關(guān) 鍵 詞：氣體過飽和;鯽;早期發(fā)育階段;半致死時間;長江流域

中圖法分類號：S931.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0052-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.009

0 引 言

水體里氣體壓力超過大氣壓力時會產(chǎn)生氣體過飽和的現(xiàn)象[1]，光合作用[2]、海浪[3]、溫度[4]以及大壩泄洪[5]均有可能造成這種現(xiàn)象。大壩泄洪時，下游氣體過飽和水體中的氣體釋放緩慢，過飽和持續(xù)時間長，影響面積大[6-7]。已有研究表明，暴露于氣體過飽和水體的魚類會患氣泡病[8]，患病魚類表現(xiàn)出生長緩慢、游動異常、體表出血、鰭條有氣泡等癥狀[9]，死亡率也增加[10]。

氣體過飽和對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為全球關(guān)注的環(huán)境問題[11-12]。美國、挪威和加拿大均出現(xiàn)由大壩泄洪產(chǎn)生的氣體過飽和水體導(dǎo)致的下游魚類大量死亡的事件[13-15]，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)魚類的死亡率隨水體里氣體飽和度增加而升高[16]。為保護生存在大壩下游的水生生物，美國限定河流水體的氣體飽和度閾值不超過110%[17]。我國在長江上游規(guī)劃和建設(shè)了一批高水頭大壩[18]，觀測發(fā)現(xiàn)，這些大壩在泄洪時，下游水體的氣體飽和度普遍能達到130%以上[19]。2014年，溪洛渡大壩泄洪期間，下游約有40 t魚類死亡，這可能是由下游水體氣體過飽和導(dǎo)致[20]。對長江魚類的研究發(fā)現(xiàn)，不同尺寸的魚對氣體過飽和的耐受性存在差異[21]，且不同氣體飽和度的水體對魚類的致死效應(yīng)也不同[22]。近年來，國家越來越重視長江生態(tài)環(huán)境以及魚類資源的保護，隨著長江流域水電開發(fā)程度逐步提高，氣體過飽和仍將是今后很長時間內(nèi)需要重視和解決的環(huán)境問題，且氣體過飽和對魚類早期發(fā)育階段的影響研究相對較少。本文將研究氣體過飽和對鯽早期發(fā)育的4個階段（受精卵、仔魚、稚魚和幼魚）的影響，分析各早期發(fā)育階段鯽對不同飽和度的氣體過飽和水體的耐受性。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

本次實驗所使用的鯽受精卵、仔魚、稚魚以及幼魚均取自長江水產(chǎn)研究所荊州窯灣實驗場。其中受精卵為受精后1 h;仔魚為出膜后3 d;稚魚為出膜后20 d;幼魚體長為（3.65±0.26）cm，體重為（1.57±0.38）g。

1.2 實驗設(shè)備

氣體過飽和水體是通過壓力作用將空氣溶入水中所形成[24]。將氣體過飽和水體與地下水在實驗桶（半徑0.4 m，長1.2 m）中混合形成實驗所需的飽和度分別為110%，120%，130%和140%的氣體過飽和水體。實驗過程中通過溫控系統(tǒng)和氣體飽和度調(diào)節(jié)裝置來控制實驗桶中水溫變化不超過±0.5 ℃，氣體飽和度不超過±1%/4 h。實驗過程中溶解氧和水溫由美國哈希公司生產(chǎn)的HQ30D測定儀測定，氣體飽和度由丹麥Oxyguard公司生產(chǎn)的Handy Polaris TGP測定儀檢測，使用日本奧林巴斯公司生產(chǎn)的Olympus SZ61解剖鏡對受精卵以及魚體特征進行觀察，拍攝軟件為ToupView 4.10。

1.3 氣體過飽和暴露實驗

實驗設(shè)對照組和實驗組，對照組用水為地下水，氣體飽和度為（93.7±3.5）%，實驗組水體氣體飽和度分別為110%，120%，130%以及140%，各飽和度均設(shè)3組平行樣。實驗中，水溫控制在適宜的孵化和生長的范圍內(nèi)[25-26]。

將受精卵（每組70顆）置于金屬籠（直徑15.0 cm×高16.5 cm，小孔直徑0.1 cm）中，然后放入各實驗桶中。金屬籠位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續(xù)至對照組中的受精卵出膜，水溫為（19.3±0.5）℃。每4 h調(diào)節(jié)一次各實驗水體的氣體飽和度，通過解剖鏡觀察受精卵的各項特征，同時記錄實驗結(jié)束時對照組和各實驗組的出膜個數(shù)。

將仔魚（每組30尾）置于塑料網(wǎng)盒（長6.0 cm×寬4.0 cm×高8.0 cm，網(wǎng)目40）中，然后分別放入實驗桶中。塑料網(wǎng)盒位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續(xù)96 h，水溫為（18.9±0.4）℃。每4 h調(diào)節(jié)一次各實驗水體的氣體飽和度，觀察并記錄仔魚的異常行為以及死亡個體數(shù)，通過解剖鏡和軟件觀察并拍攝死亡仔魚的癥狀。

將稚魚（每組30尾）置于金屬籠（直徑15.0 cm×高16.5 cm，小孔直徑0.1 cm）中，然后分別放入實驗桶中，金屬籠位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續(xù)96 h，水溫為（21.7±0.4）℃。每4 h調(diào)節(jié)一次各實驗水體的氣體飽和度，觀察并記錄稚魚的異常行為以及死亡個體數(shù)，通過解剖鏡和軟件觀察并拍攝死亡稚魚的癥狀。

將幼魚（每組15尾）置于金屬籠（直徑16.5 cm ×高18.0 cm，小孔直徑0.4 cm）中，然后分別放入實驗桶中。金屬籠位于水面下5.0 cm。暴露實驗持續(xù)96 h，水溫為（22.9±0.5）℃。每4 h調(diào)節(jié)一次各實驗水體的氣體飽和度，觀察并記錄幼魚的異常行為以及死亡個體數(shù)，通過解剖鏡和軟件觀察并拍攝死亡幼魚的癥狀。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

實驗數(shù)據(jù)計算與分析均在EXCEL2016中進行，具體分析方法如下。

孵化率=出膜個體數(shù)/總孵化個體數(shù)，采用單因素方差分析來檢驗實驗組和對照組孵化率之間的差異。

死亡率用于評估受不同水平的氣體飽和水的實驗性魚類的死亡過程，計算方法：p=n/N×100%，其中p是實驗魚的死亡率，n是死魚的數(shù)量，N是實驗魚的總數(shù)。采用單因素方差分析來檢驗實驗組之間死亡率的差異。

半致死時間（semi-lethal time，LT50）用于確定實驗魚對氣體過飽和水的耐受性。通過致死時間對數(shù)值擬合回歸線，死亡率的概率單位值計算：P=a lg（t）+b，其中P為概率單位，a和b分別為回歸線的斜率和截距，t為實驗魚的致命時間。當概率單位P值為0.5時的時間即為LT50。采用單因素方差分析來檢驗實驗組之間LT50的差異。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鯽受精卵的暴露實驗

受精卵孵化率范圍為61.43%～72.86%。方差分析結(jié)果表明，實驗組與對照組孵化率之間無顯著差異（P>0.05）（見圖1）。解剖鏡下觀察發(fā)現(xiàn)各飽和度下的受精卵發(fā)育情況與對照組一致，未觀察到異常。

2.2 鯽仔魚、稚魚、幼魚的暴露實驗結(jié)果

解剖鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，仔魚、稚魚和幼魚均有不同程度的氣泡病癥狀（見圖2）。仔魚主要表現(xiàn)為腹部有氣泡（見圖2（a））;稚魚腹部膨大，解剖后發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)有氣泡（見圖2（b））;幼魚眼眶周圍、鰓和鰭條上均有氣泡，腹鰭基部充血，解剖發(fā)現(xiàn)內(nèi)臟團和腸道內(nèi)有大量氣泡（見圖2（c））。

圖3（a）表明，氣體飽和度110%的水體中仔魚均未發(fā)生死亡，飽和度120%，130%和140%的仔魚死亡率增加極緩慢。實驗結(jié)束時，各飽和度的仔魚死亡率均未超過10%。圖3（b）表明，氣體飽和度140%水體中的稚魚在24 h內(nèi)開始出現(xiàn)死亡，飽和度130%的稚魚在24～32 h開始出現(xiàn)死亡，飽和度120%的稚魚在32～40 h開始出現(xiàn)死亡，飽和度110%的稚魚在72～80 h才開始出現(xiàn)死亡。0～80 h各飽和度下稚魚的死亡率增長較慢，80 h后死亡率加速上升。圖3（c）表明，氣體飽和度140%和130%水體中的幼魚在8 h內(nèi)開始出現(xiàn)死亡，飽和度120%和110%的幼魚在8～16 h內(nèi)開始出現(xiàn)死亡。其中飽和度140%下幼魚的死亡率增長最快，72 h死亡率達100%;其次為飽和度130%和120%;飽和度110%下幼魚的死亡率在0～72 h增長緩慢，72～80 h死亡率加速上升，80 h后死亡率增長速度減緩。結(jié)果表明，飽和度越高實驗魚出現(xiàn)死亡的時間越早，且鯽仔魚、稚魚和幼魚在各氣體飽和度的死亡率隨暴露的時間推延而增高。

不同飽和度下，仔魚、稚魚和幼魚的96 h死亡率差異顯著（P<0.05），同樣飽和度下，仔魚到幼魚的死亡率呈增加趨勢（見圖4）。暴露96 h后，氣體飽和度110%，120%，130%和140%的仔魚死亡率分別為0，1.11%，4.56%和9.13%，稚魚的死亡率分別為14.12%，17.31%，43.78%和63.59%，幼魚的死亡率分別為46.11%，73.22%，82.33%和100%（見表1）。結(jié)果表明，隨著氣體飽和度的升高，實驗組的死亡率顯著增加。

2.3 鯽幼魚的半致死時間

由于鯽仔魚和稚魚（除飽和度140%外）在實驗結(jié)束時還有一半以上的實驗魚存活，因此本文不做其半致死時間計算。表2顯示鯽幼魚半致死時間結(jié)果，飽和度110%，120%，130%和140%下鯽幼魚半致死時間均值分別為104.68，64.22，46.85 h和21.86 h。隨著飽和度的升高，實驗魚的半致死時間逐漸減少。結(jié)果表明，水體中的氣體飽和度越高對實驗魚的致死效應(yīng)越強。

3 討 論

氣體過飽和暴露實驗結(jié)果表明，水體氣體過飽和對鯽受精卵的孵化無顯著影響，與Gale等[27]實驗結(jié)果一致。Gale等研究發(fā)現(xiàn)大馬哈魚的受精卵對水體氣體過飽和表現(xiàn)出較強的耐受性，且實驗組的魚卵重量、直徑以及孵化率與對照組相比均未出現(xiàn)明顯的差異。

本次研究結(jié)果表明，相同飽和度下，鯽從仔魚到稚魚再到幼魚的死亡率逐漸升高。Weitkamp等[28]研究也表明，從出膜的仔魚發(fā)育到幼魚階段，魚類對氣體過飽和的耐受性逐漸降低。這可能與魚類從仔魚發(fā)育到幼魚，呼吸方式從皮膚呼吸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轹w呼吸[29]有關(guān)。在魚類鰓形成前，氧氣主要是通過皮膚擴散到卵黃囊的微血管中，這些血管中充滿了含氧和脫氧的混合血液[30]。當血管中氧氣局部壓力較低時，血管內(nèi)氣泡形成所需的氣體飽和度更高，而當血管內(nèi)氧氣局部壓力升高時，則容易在血管內(nèi)形成氣泡[31]。在鰓呼吸開始之前，仔魚微血管中混合血液的氧氣局部壓力相對較低，可能會降低血管內(nèi)氣泡形成的概率[32]。隨著魚類的生長，皮膚呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)轹w呼吸，氧氣通過鰓進入動脈中，動脈中的氧氣局部壓力增加，高于仔魚微血管中的氧氣局部壓力[31]。因此，當幼魚暴露于氣體過飽和水體時，動脈血管內(nèi)氣泡形成的概率增加，血栓的形成加速，從而增加了魚類的死亡率。解剖鏡觀察結(jié)果（見圖2）表明，仔魚僅在腹腔內(nèi)有氣泡，稚魚腹腔膨大、腸道內(nèi)有氣泡，而幼魚在頭部、鰭條、內(nèi)臟團以及腸道內(nèi)均有氣泡。氣泡存在部位的差異可能與魚類在仔魚和稚魚階段時，水體里的氣泡被誤食進入腸道然后擴散至腹腔內(nèi)存在一定關(guān)聯(lián)，但在幼魚階段，由于鰓以及循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)育，水體里的氣泡可通過鰓進入血液運輸?shù)紧~體各組織器官。

研究結(jié)果同時也表明，鯽死亡率隨水體中的氣體飽和度升高而增加，與Xue等[21]研究結(jié)果一致。其他研究人員也發(fā)現(xiàn)，隨著水體氣體飽和度的升高，實驗魚的死亡時間逐漸縮短[33]，耐受性逐漸降低[34-55]。這可能是由于氣體飽和度越高，魚類誤食水體中氣泡的機率越大。食入的氣泡可逐漸在腸道內(nèi)積累，并通過擴散作用進入腹腔，導(dǎo)致魚類腹腔膨大，從而使魚體失去平衡，游動異常。同時氣體飽和度越高，動脈血管中形成氣泡的概率越大[31]，氣泡逐漸堆積形成血栓，導(dǎo)致魚類因血液流動停滯而窒息死亡。另外，有研究表明氣體飽和度升高會導(dǎo)致魚體內(nèi)血紅蛋白的表達量下降[36]。血紅蛋白是血細胞中運輸氧氣和二氧化碳的重要部分，其表達量下降可能會影響血液里氧氣的吸收和二氧化碳的排出，這些未能及時處理的氣體在血管內(nèi)堆積，進一步加速了血栓的形成，最終加劇魚類死亡。

將鯽幼魚在各氣體飽和度水體的半致死時間與部分長江重要魚類進行對比（見表3），結(jié)果表明不同魚類對氣體過飽和的耐受性存在差異，鯽相較其他魚類（長薄鰍除外）具有更強的耐受性。大壩泄洪時下游水體處于過飽和狀態(tài)，長期暴露于此環(huán)境可能威脅魚類生命安全。因此，建議開展更多有關(guān)氣體過飽和對魚類影響的研究，為了解魚類對氣體過飽和的生理和行為反應(yīng)機制以及建立氣體過飽和度的評價體系提供基礎(chǔ)資料。

4 結(jié) 論

（1）從受精卵到幼魚階段，氣體過飽和水體對鯽的致死效應(yīng)逐步增加。

（2）在孵化階段，氣體飽和度的變化對鯽受精卵的孵化無明顯影響;在仔魚、稚魚和幼魚階段鯽死亡率隨著氣體飽和度的升高而增加。

參考文獻：

[1] WILLIAMS J G.Mitigating the effects of high-head dams on the Columbia River，USA：experience from the trenches[J].Hydrobiologia，2008，609（1）：241-251.

[2] BOYD C E，WATTEN B J，GOUBIER V，et al.Gas supersaturation in surface waters of aquaculture ponds[J].Aquacultural engineering，1994，13（1）：31-39.

[3] STICKNEY A P.Supersaturation of atmospheric gases in the coastal waters of the Gulf of Maine[J].Fish Bulletin，1968，67（3）：117-123.

[4] KRISE W F，SMITH R A.Communications：Eye abnormalities of lake trout exposed to gas supersaturation[J].The Progressive Fish‐Culturist，1993，55（3）：177-179.

[5] GALE W L，MAULE A G，POSTERA A，et al.Acute exposure to gas‐supersaturated water does not affect reproductive success of female adult chinook salmon late in maturation[J].River Research Applications，2004，20（5）：565-576.

[6] FENG J，LI R，LIANG R，et al.Eco-environmentally friendly operational regulation：an effective strategy to diminish the TDG supersaturation of reservoirs[J].Hydrology Earth System Sciences，2014，18（3）：14355-14390.

[7] CRUNKILTON R L，CZARNEZKI J M，TRIAL L.Severe gas bubble disease in a warmwater fishery in the midwestern United States[J].Transactions of the American Fisheries Society，1980，109（6）：725-733.

[8] MAY B.Evaluation on the effects of gas bubble disease on fish populations in the Kootenai River below Libby Dam[C]∥Proceedings of the 53rd Annual Conference Western Association of State Fish and Game Comnfissioners，1973：525-540.

[9] WANG Y M，LI Y，AN R D，et al.Effects of total dissolved gas supersaturation on the swimming performance of two endemic fish species in the upper Yangtze River[J].Scientific reports，2018，8（1）：1-9.

[10] DAWLEY E M，EBEL W J.Effects of various concentrations of dissolved atmospheric gas on juvenile chinook salmon and steelhead trout[J].Fishery Bulletin，1975，73（4）：777-796.

[11] KAMAL R，ZHU D Z，MCARTHUR M，et al.Field study on the dissipation of supersaturated total dissolved gases in a cascade reservoir system[C].World Environmental and Water Resources Congress 2016，2016：452-460.

[12] WITT A，STEWART K，HADJERIOUA B.Predicting total dissolved gas travel time in hydropower reservoirs[J].Environmental Engineering，2017，143（12）：06017011.

[13] CHEN Y B，PENG Q D，LIAO W G.The evolvement study on supersaturation of dissolved gas in the middle reaches of Yangtze River after the Three Gorges project running[J].Hydroecol，2009，2（5）：1-5.

[14] STENBERG S K.Effects of gas supersaturation on migrating Atlantic salmon smolt （Salmo salar）in Evangervatnet[D].Bergen：The University of Bergen，2016：87.

[15] BROSNAN I G，WELCH D W，SCOTT M J.Survival rates of out-migrating yearling Chinook salmon in the lower Columbia River and plume after exposure to gas-supersaturated water[J].Aquatic Animal Health，2016，28（4）：240-251.

[16] LI N，F(xiàn)U C，ZHANG J，et al.Hatching rate of Chinese sucker （Myxocyprinus asiaticus Bleeker）eggs exposed to total dissolved gas （TDG）supersaturation and the tolerance of juveniles to the interaction of TDG supersaturation and suspended sediment[J].Aquaculture Research，2019，50（7）：1876-1884.

[17] Us Army Corps of Engineers.Technical Analysis of TDG Processes[M].Kansas City：US Army Corps of Engineers-Northwest Division，Environmental Resources and Fish Planning Oces，2005：367.

[18] HUANG H L，YAN Z.Present situation and future prospect of hydropower in China[J].Renewable Sustainable Energy Review，2009，13（6-7）：1652-1656.

[19] LI R，LI J，LI K F，et al.Prediction for supersaturated total dissolved gas in high-dam hydropower projects[J].Science in China Series E：Technological Sciences，2009，52（12）：3661-3667.

[20] JI Q F，XUE S D，YUAN Q，et al.The tolerance characteristics of resident fish in the upper Yangtze River under varying gas supersaturation[J].Environmental Research Public Health，2019，16（11）：1-13.

[21] XUE S D，WANG Y M，LIANG R F，et al.Effects of total dissolved gas supersaturation in fish of different sizes and species[J].Environmental Research Public Health，2019，16（13）：2444.

[22] 袁嫄，袁佺，王遠銘，等.總?cè)芙鈿怏w過飽和對長薄鰍的急性和慢性致死效應(yīng)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2017（增2）：56-61.

[23] 張政，肖柏青.高壩下游水中總?cè)芙鈿怏w過飽和研究進展[J].人民長江，2020，51（4）：14-19.

[24] 吳凡，杜開開，柳凌，等.氣體過飽和對草魚和鰱受精卵、仔魚和幼魚的影響[J].淡水漁業(yè)，2020，50（4）：91-98.

[25] 夏飛利.彭澤鯽的人工繁殖技術(shù)[J].農(nóng)村實用工程技術(shù)：溫室園藝，1996（8）：17.

[26] ?，|.淺談鯽魚生長發(fā)育的影響因素[J].北京農(nóng)業(yè)，2011，15：110.

[27] GALE W L，MAULE A G，POSTERA A，et al.Acute exposure to gas-supersaturated water does not affect reproductive success of female adult chinook salmon late in maturation[J].River Research Applications，2004，20（5）：565-576.

[28] WEITKAMP D E，KATZ M.A review of dissolved gas supersaturation literature[J].Transactions of the American Fisheries Society，1980，109（6）：659-702.

[29] 施瑔芳.魚類生理學(xué)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1991：56.

[30] DETTLAFF T A，GINSBURG A S，SCHMALHAUSEN O I.Sturgeon fishes：developmental biology and aquaculture[M].Berlin：Springer Science & Business Media，2012：153.

[31] FIDLER L E.A study of biophysical phenomena associated with gas bubble trauma in fish[D].Vancouver：University of British Columbia，1985：62.

[32] COUNIHAN T D，MILLER A I，MESA M G，et al.The effects of dissolved gas supersaturation on white sturgeon larvae[J].Transactions of the American Fisheries Society，1998，127（2）：316-322.

[33] ALDERDICE D F，JENSEN J O T.An explanation for the high resistance of incubating salmonid eggs to atmospheric gas supersaturation of water[J].Aquaculture，1985，49（1）：85-88.

[34] JENSEN J O T，SCHNUTE J，ALDERDICE D.Assessing juvenile salmonid response to gas supersaturation using a general multivariate dose-response model[J].Fisheries Aquatic Sciences，1986，43（9）：1694-1709.

[35] FAN Z Q，DENG Y X，YUAN Q，et al.Effect of total dissolved gas supersaturation on the tolerance of grass carp （Ctenopharyngodon idellus）[J].Environmental Sciences Europe，2020，32（5）：1-10.

[36] 董曉煜，張秀梅，張沛東.溶解氧與養(yǎng)殖密度對褐牙鲆幼魚血細胞數(shù)量及血紅蛋白含量影響的研究[J].漁業(yè)科學(xué)進展，2008，29（6）：40-46.

[37] WANG Y M，LI K F，LI J，et al.Tolerance and avoidance characteristics of Prenant′s schizothoracin Schizothorax prenanti to total dissolved gas supersaturated water[J].Fisheries Management，2015，35（4）：827-834.

[38] HUANG X，LI K F，DU J，et al.Effects of gas supersaturation on lethality and avoidance responses in juvenile rock carp （Procypris rabaudi Tchang）[J].Zhejiang University Science B，2010，11（10）：806-811.

[39] CHEN S C，LIU X Q，JIANG W，et al.Effects of total dissolved gas supersaturated water on lethality and catalase activity of Chinese sucker （Myxocyprinus asiaticus Bleeker）[J].Zhejiang University Science B，2012，13（10）：791-796.

（編輯：黃文晉）