李玉蘊(yùn)，王沛芳，王 超，范秀磊，王 洵

(1. 河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098 2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098)

引 言

近幾十年，閘壩建設(shè)造成水文情勢改變，使河流水動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生巨大變化[1]，對(duì)魚類產(chǎn)生很大的影響[2-3]。魚類的生長和生理生態(tài)會(huì)受到各種水環(huán)境因子的影響例如鹽度、溫度和流速[4～7]。流速是水流場在水力學(xué)范疇中重要的特征量[8]，所以流速是影響魚類生存繁殖的重要水環(huán)境因子[8]。因此有必要開展魚類對(duì)流速的生理響應(yīng)的研究。

當(dāng)前關(guān)于水流流速對(duì)魚類的影響研究多集中在不同流速下的魚類游泳行為等相關(guān)指標(biāo)的變化[10-11]，如鐘金鑫等人的研究發(fā)現(xiàn)鱇白魚逆流游泳時(shí)的速度隨流速的增加而增大[12]，羅佳等人研究發(fā)現(xiàn)流水條件下鳙魚的晝夜活動(dòng)規(guī)律和游泳速度與靜水時(shí)出現(xiàn)差異[13]。另一些研究表明水流流速對(duì)魚類生長效率、呼吸頻率等生命活動(dòng)代謝產(chǎn)生影響[14～16]。

環(huán)境因子與酶相互作用會(huì)引起酶活性的變化。因此，經(jīng)常將酶活性的響應(yīng)作為評(píng)價(jià)魚類健康和對(duì)環(huán)境適應(yīng)情況的生物標(biāo)志物。本文采用室內(nèi)環(huán)形水槽模擬試驗(yàn)，選取優(yōu)勢鯉科魚類鯽魚為研究對(duì)象，研究了在不同流速情況下鯽魚體重，SOD、AMY活性和ROS含量的變化，深入把握鯽魚對(duì)閘壩建設(shè)后生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理和調(diào)節(jié)機(jī)制。通過研究流速與魚類生長的相互關(guān)系及變化規(guī)律，為閘壩建設(shè)中、后保護(hù)魚類生存環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水槽的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用設(shè)計(jì)流速漸變環(huán)形水槽長6.0 m，寬度1.2 m，水深40 cm，如圖1所示，實(shí)物如圖2。在儲(chǔ)水池中設(shè)置潛水泵，水流經(jīng)淺水泵流出經(jīng)緩沖池進(jìn)入水槽緩沖區(qū)，然后依次流經(jīng)1至5區(qū)，最后流入儲(chǔ)水池進(jìn)行循環(huán)。水槽各區(qū)斷面流速的變化由隔板設(shè)置實(shí)現(xiàn)。通過改變過水段面的寬度，從而控制過水?dāng)嗝嫫骄魉僦饾u變小。本實(shí)驗(yàn)綜合考慮試驗(yàn)條件限制根據(jù)已有參考文獻(xiàn)設(shè)置5個(gè)流速區(qū)[17-18]。預(yù)設(shè)1～5區(qū)的水流平均流速分別為：0.7、0.5、0.3、0.2、0.15 m/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)水槽平面圖與流速分區(qū) (單位：cm)Fig.1 Experimental sink plan and flow rate partition

圖2 漸變環(huán)形水槽實(shí)物圖Fig.2 The gradient ring sink

1.2 鯽魚的選擇

選擇大小、體重基本相同的紅鯽魚(CarassiusauratusLinnaeus)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象來盡量減少實(shí)驗(yàn)誤差。本實(shí)驗(yàn)選取共120尾大小相近，魚齡1.5，平均體重為(53.1±3.8)g的健康雄鯽魚作為實(shí)驗(yàn)魚種。圖3為不同流速條件下對(duì)鯽魚生命機(jī)能影響實(shí)驗(yàn)圖。

圖3 不同流速條件下對(duì)鯽魚生命機(jī)能影響實(shí)驗(yàn)圖Fig.3 Experiment on the effects of different flow rates on the life function of carp

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 不同流速對(duì)鯽魚生命機(jī)能的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過用格柵將1～5區(qū)分開，每個(gè)區(qū)間都放置20尾鯽魚。每天定時(shí)投餌，每天的投餌量為魚體重的5%左右，并及時(shí)清理食物殘?jiān)?。每個(gè)區(qū)間設(shè)置曝氣裝置，保證溶解氧充足。每7d將水槽中的水全部更換1次，并且每2d更換水槽1/3的水。從實(shí)驗(yàn)開始的第0、10、20、30d。每次各區(qū)間各取5尾鯽魚進(jìn)行稱重。同時(shí)，在第30d時(shí)進(jìn)行對(duì)鯽魚內(nèi)臟團(tuán)等樣品的采集。

1.3.2 不同流速對(duì)鯽魚行為的影響實(shí)驗(yàn)

將1～5區(qū)之間不放置格柵，使整個(gè)水槽聯(lián)通，以便鯽魚游向適宜流速區(qū)。每隔12 h統(tǒng)計(jì)鯽魚在不同流速區(qū)域的個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行為3d，繪制流速適宜曲線。

1.4 水槽流速的測定及流場模擬

在各流速區(qū)中點(diǎn)處布置測量段面，使用ADV流速測量儀確定各區(qū)間水流流速。根據(jù)流速測定結(jié)果，基于流體靜力學(xué)和Boussinesq近似下的不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程建立漸變環(huán)形水槽水動(dòng)力模型[19-20]。

1.5 鯽魚生命指標(biāo)的選擇與測定

實(shí)驗(yàn)采用鯽魚體重、ROS、SOD、AMY作為指標(biāo)研究不同流速對(duì)鯽魚生命機(jī)能的影響。采用熒光探針的方法測定ROS含量，采用WST-1法測定SOD活性，采用碘-淀粉比色法測定AMY活性。ROS、SOD、AMY含量均選用南京建成生物工程公司的試劑盒測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水槽水流的測定和模擬

2.1.1 分區(qū)水槽的平均流速分布情況

漸變環(huán)形水槽水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果見圖4。如圖4所示，5個(gè)區(qū)的平均流速范圍為(16.4～76.3cm/s)水動(dòng)力結(jié)果基本上準(zhǔn)確的反映了空間上的流速梯度。1區(qū)流速最大，為76.3cm/s。隨著斷面寬度增加，流速逐漸減小至16.4cm/s(5區(qū))。

圖4 分區(qū)水槽平均流速分布圖Fig.4 Average flow rate distribution of partitioned sinks

2.1.2 整體水槽的流場分布情況

根據(jù)水動(dòng)力模型計(jì)算獲得流速與自由水面的模擬值，繪出整體水槽空間流場的矢量圖和示意圖見圖5和圖6。如圖5所示，矢長度表示流速的大小，箭頭方向表示水流的流向。從1到5區(qū)，流速基本越來越小。除在進(jìn)入下1區(qū)域時(shí)區(qū)間擴(kuò)大的拐角處流向發(fā)生微小的偏移以及在3區(qū)弧形邊界的內(nèi)擋板的后方會(huì)出現(xiàn)較小的環(huán)流外，水流流向基本穩(wěn)定且大都平行于區(qū)間邊界。

圖5 實(shí)驗(yàn)水槽水流流向分布圖Fig.5 Water flow distribution of experimental tank

圖6反映了空間流速分布情況。不同區(qū)域之間的流速差異明顯，1區(qū)流速基本為0.72～0.84m/s；2區(qū)流速基本為0.48～0.54 m/s；3區(qū)1流速基本為0.36～0.42 m/s；3區(qū)2流速基本為0.30～0.36 m/s；4區(qū)流速基本為0.18～0.24m/s；5區(qū)流速基本為0.12～0.18m/s，這與分區(qū)平均流速分布的情況相符。由圖6可知，同一斷面流速分布基本均勻，每個(gè)區(qū)域流速穩(wěn)定。因此，該漸變環(huán)形水槽內(nèi)水流穩(wěn)定，且流速分布范圍適合用于水動(dòng)力對(duì)鯽魚生命機(jī)能的影響研究。

圖6 實(shí)驗(yàn)水槽水流流速分布圖Fig.6 Distribution of water flow in experimental tanks

2.2 不同水流條件對(duì)鯽魚生命指標(biāo)的影響

2.2.1 不同流速對(duì)鯽魚體重影響

體重是重要的生命指標(biāo)，體重的變化及變化率反應(yīng)了鯽魚的生長。不同試驗(yàn)區(qū)魚樣體重檢測結(jié)果如下表所示。如圖7、圖8中所示，不同流速條件下，鯽魚體重基本都隨著時(shí)間的增加而增加，而鯽魚體重增長率都隨著時(shí)間增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。劉穩(wěn)等人[21]在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。這可能是因?yàn)橐婚_始鯽魚為了適應(yīng)水流的沖擊大量進(jìn)食導(dǎo)致體重增長率的上升，而在適應(yīng)生存環(huán)境后，其進(jìn)食量減少，從而導(dǎo)致體重增長率有所下降。隨著水流流速的增加，鯽魚的平均體重始終是減少的。另外，不同流速區(qū)域鯽魚的體重增長率也存在差異，基本呈現(xiàn)流速越大體重增長率越小的趨勢。2到5區(qū)(16.4～48.3cm/s)的鯽魚體重增長率均隨時(shí)間增加而上升，在第10天達(dá)到最大值后變?yōu)殡S時(shí)間增加而下降，1區(qū)(76.3cm/s)的鯽魚體重增長率呈現(xiàn)相同的趨勢，但在第15d時(shí)才達(dá)到最大值。這可能是在流速較大的區(qū)域，鯽魚的頂水行為會(huì)消耗更大的體能，導(dǎo)致1區(qū)(76.3cm/s)鯽魚需要更長的時(shí)間來適應(yīng)水流環(huán)境的變化，也導(dǎo)致了1區(qū)(76.3cm/s)鯽魚體重及增長率基本小于其他區(qū)域。

表 各流速區(qū)不同時(shí)間的鯽魚體重檢測結(jié)果Tab. Weight test results at different times in each flow zone (g)

續(xù)表

圖7 不同流速條件下鯽魚體重隨時(shí)間變化規(guī)律圖Fig.7 Changes of carp weight over time under different flow conditions

圖8 不同流速條件下鯽魚體重增長率隨時(shí)間變化規(guī)律圖Fig.8 Changes of weight growth rate over time under different flow rates

2.2.2 ROS變化規(guī)律

ROS的產(chǎn)生是引起機(jī)體氧化應(yīng)激發(fā)生的重要機(jī)制[22]。如圖9所示ROS含量總體隨流速的減小從1區(qū)(76.3cm/s)到5區(qū)(16.4cm/s)呈現(xiàn)下降的趨勢，顯著性分析顯示，1區(qū)(76.3cm/s)鯽魚ROS含量顯著高于其它流速區(qū)域(P<0.05)，這說明鯽魚在水流速度快的區(qū)域代謝過程較快導(dǎo)致ROS含量的增加。但在5區(qū)(16.4cm/s)鯽魚的ROS含量有微小的升高，這可能是由于低氧增大氧化壓力，導(dǎo)致ROS含量的增加。

*表示2區(qū)至5區(qū)鯽魚的ROS含量與1區(qū)的結(jié)果存在顯著性差異(*p<0.05)圖9 ROS含量在不同流速分區(qū)規(guī)律圖Fig.9 Partitions of ROS content in different flow rate

2.2.3 SOD變化規(guī)律

SOD在細(xì)胞免除自由基的損害中起到重要的作用，因此被廣泛用來評(píng)價(jià)魚類健康和對(duì)環(huán)境適應(yīng)的情況。流速對(duì)鯽魚SOD活性的影響見圖10結(jié)果顯示，1區(qū)(76.3cm/s)鯽魚的SOD活性顯著高于其他實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)，而2到5區(qū)(16.4～48.3cm/s)之間SOD活性的變化并不顯著只有細(xì)微的升高或降低。說明在高流速對(duì)SOD的誘導(dǎo)效應(yīng)非常明顯，而在2到5區(qū)(16.4～48.3cm/s)流速降低從而對(duì)SOD的誘導(dǎo)效應(yīng)有所下降。于麗娟[23]以及宋波瀾[24]研究發(fā)現(xiàn)SOD活力隨流速增加而增大。本實(shí)驗(yàn)在低流速的區(qū)域SOD活性差異不大，在高流速區(qū)域SOD活性的變化是與前人的研究一致的。邱德全、李飛等人[25-26]的研究顯示，這種變化的原因可能是流速增大引起水體氨氮等有害氮濃度的減少，而有害氮濃度的下降使得血清SOD活力增強(qiáng)。

*表示2區(qū)至5區(qū)鯽魚的SOD含量與1區(qū)的結(jié)果存在顯著性差異(*p<0.05)圖10 SOD含量在不同流速分區(qū)規(guī)律圖Fig.10 Partitions of SOD content in different flow rate

2.2.4 AMY變化規(guī)律

消化酶可以反映動(dòng)物對(duì)營養(yǎng)物的吸收利用程度，消化酶活力的變化可以體現(xiàn)出魚的生活環(huán)境的狀態(tài)[27]。流速對(duì)鯽魚AMY的影響見圖11。結(jié)果顯示，1～3區(qū)(76.3～33.7cm/s)的AMY活性呈逐漸降低趨勢，而從3區(qū)到5區(qū)(33.7～16.4cm/s)AMY活性又逐漸升高。且1區(qū)(76.3cm/s)的淀粉酶活性顯著高于其它流速區(qū)域(P<0.05)，而其他區(qū)域AMY變化并不顯著。趙璐琪等人研究發(fā)現(xiàn)淀粉酶活性隨著流速的增加而增多[28]。這與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是類似的。這可能是因?yàn)樵诟吡魉侪h(huán)境下鯽魚運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)，消耗極多的能量，需要大量消化食物來補(bǔ)充，所以淀粉酶活性迅速升高。有研究表明水體中的氨氮在低濃度條件會(huì)促進(jìn)黃河鯉幼魚的消化道及消化腺淀粉酶的活性[29]。而3～5區(qū)(33.7～16.4cm/s)AMY活性升高有可能是由于流速較小使得氨氮的含量增加從而導(dǎo)致了AMY含量的增加。

*表示2區(qū)至5區(qū)鯽魚的AMY含量與1區(qū)的結(jié)果存在顯著性差異(*p<0.05)圖11 AMY含量在不同流速分區(qū)規(guī)律圖Fig.11 Partitions of AMY content in different flow rate

2.3 鯽魚適宜流速范圍分析

駱輝煌研究中將中華鱘所處位置流速分布頻次歸一化，從而得到中華鱘流速適宜曲線[30]。本文進(jìn)行3d的不同流速對(duì)鯽魚行為的影響實(shí)驗(yàn)，每隔12小時(shí)統(tǒng)計(jì)鯽魚分別在不同流速區(qū)域的個(gè)數(shù)，記為出現(xiàn)頻率。將鯽魚所處流速區(qū)間出現(xiàn)頻率歸一化，以出現(xiàn)頻率最高的41.5%為適宜度1.0，即可得到鯽魚流速適宜曲線，如圖12所示。

圖12 鯽魚在各流速區(qū)域適宜曲線Fig.12 The suitable curve for carp in different flow rate zones

在自由游動(dòng)的情況下，鯽魚在1～5區(qū)中(16.4～76.3cm/s)均有出現(xiàn)。鯽魚大部分選擇在2區(qū)、3區(qū)中游動(dòng)，在流速3區(qū)1出現(xiàn)頻率最高。鯽魚的適宜流速區(qū)為2區(qū)和3區(qū)1，流速為0.36～0.54 m/s，較適宜流速區(qū)為3區(qū)1，流速為0.36～0.42m/s。諸葛亦斯等人[31]發(fā)現(xiàn)鯽魚幼魚的喜好流速為0.3～0.6m/s，吳青怡[18]等人研究發(fā)現(xiàn)鯽魚具有偏好游泳速度，其范圍為20.12～41.3cm/s，這些都與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。在本文不同流速對(duì)鯽魚體重影響實(shí)驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)隨著水流流速的增加鯽魚的體重及其增長量是減少的，結(jié)合這一點(diǎn)可以說明，在適宜流速的區(qū)間內(nèi)鯽魚體重的增長并不是最高的，也就是說鯽魚的體重增長并不能作為評(píng)價(jià)鯽魚生存適宜程度的單一標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

本文研究了在不同流速情況下鯽魚體重，ROS、SOD及AMY活性的的變化，探討了不同水流條件下鯽魚的生理響應(yīng)機(jī)制。主要結(jié)論如下:

3.1 從5區(qū)(16.4cm/s)到1區(qū)(76.3cm/s)，鯽魚的體重及增長率基本隨流速增大而減小。

3.2 鯽魚SOD、α-淀粉酶(AMY)、ROS含量基本隨著水流速度增大先下降后升高。在5區(qū)(16.4cm/s)時(shí)由于流速小溶解氧含量低，增大氧化壓力，鯽魚SOD、ROS含量有輕微的升高。鯽魚AMY活性在3區(qū)(30.4～37.0cm/s)達(dá)到最小值。

3.3 1區(qū)(76.3cm/s)鯽魚ROS、SOD、AMY含量的變化顯著(P<0.05)，而其它區(qū)域變化并不顯著，這說明高流速對(duì)鯽魚產(chǎn)生脅迫作用，會(huì)導(dǎo)致鯽魚代謝活動(dòng)相應(yīng)的酶活性的增強(qiáng)。而2區(qū)至4區(qū)時(shí)鯽魚ROS、SOD、AMY含量均處于較低水平，鯽魚產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)較小

3.4 通過不同流速對(duì)鯽魚行為的影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鯽魚適宜流速范圍分析，發(fā)現(xiàn)鯽魚在流速3區(qū)1出現(xiàn)頻率最高，得出3區(qū)1(0.36～0.42m/s)的水環(huán)境是鯽魚最適宜的。