張雷敏 梁化亮,2 米海峰 任鳴春,2 *

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)無錫漁業(yè)學(xué)院,無錫 214081;2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,無錫 214081;3.通威農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司,成都 610041)

1 低氧對魚類的影響

1.1 低氧對魚類生長發(fā)育的影響

作為魚類生活環(huán)境中的重要理化因子之一,水體DO對魚類的正常生長具有重要影響。水體低氧往往會導(dǎo)致魚類的腸道消化能力、食物吸收轉(zhuǎn)化能力以及代謝強(qiáng)度的下降,使魚類攝食減少,生長速度減慢,最終生長不良甚至死亡。例如,當(dāng)水體DO含量下降時(shí),大口黑鱸(Micropterussalmoides)的體重增長率(weight growth rate,WGR)、特定生長率(specific growth rate,SGR)和攝食量(feed intake,FI)都呈下降趨勢,且重度低氧組的終末長度和飼料效率(feed efficiency,FE)顯著降低[7]。對吉富羅非魚(Oreochromisniloticus)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),DO含量的升高使得試驗(yàn)魚的成活率、WGR、SGR、肝體比、臟體比等顯著提高,而魚體血液中白細(xì)胞(white blood cell,WBC)數(shù)量、血紅蛋白(hemoglobin,Hb)含量等先下降后上升,表明低氧脅迫通過影響該魚的肝臟脂肪酸的組成等,導(dǎo)致其生長緩慢[8]。設(shè)置常氧(7.9 mg/L)和低氧(4.5 mg/L)2個(gè)DO含量對虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)低氧處理會影響虹鱒魚的生長狀況,主要表現(xiàn)為試驗(yàn)魚的FI、SGR、耗氧量以及能量和脂肪含量的降低[9]。當(dāng)DO含量為3.5 mg/L時(shí),草魚(Ctenopharyngodonidella)對蛋白質(zhì)、能量和干物質(zhì)的表觀消化率顯著降低,攝食也會受到影響,與之相比,在6.0 mg/L DO含量下的草魚在WGR、蛋白質(zhì)存留率(protein retention rate,PRE)、蛋白質(zhì)效率(protein efficiency ratio,PER)以及FE等方面均有顯著提高[10]。與對照組相比,低氧處理的尼羅羅非魚(Niletilapia)在FI、FE和生長性能等方面顯著降低[11]。溫度和鹽度水平固定不變時(shí),生活在飽和DO環(huán)境下的大西洋鱘魚(Acipenseroxyrinchus)的死亡率接近于0,而當(dāng)DO含量降為飽和DO的30%時(shí),其估計(jì)死亡率是40%飽和DO的2倍和70%飽和DO的4倍[12]。綜上所述,不同生長階段的不同魚類,均會受到低氧脅迫不同程度的影響,從而在生長方面表現(xiàn)異常。

1.2 低氧對魚類行為活動的影響

低氧環(huán)境會引起魚類應(yīng)激并影響其生長。因此,當(dāng)水中的DO含量降至魚類生理需氧量的臨界值附近時(shí),魚類會通過調(diào)整一系列個(gè)體行為來適應(yīng)或逃離不良環(huán)境,從而減少或避免低氧的危害。常見的行為反應(yīng)包括游離低氧區(qū)、躍出水面呼吸以及減少活動以降低代謝速率等。例如,常氧狀態(tài)下,尼羅羅非魚在水中的平均深度為(54.6±2.9) cm,當(dāng)氧分壓(partial pressure of oxygen,PO2)下降至2.1和1.3 kPa時(shí),魚在水中的平均深度分別上升至(42.6±1.6) cm和(23.1±9.9) cm,且后者有50%的魚會到水體表面進(jìn)行呼吸[11]。魚類的臨界游泳速度(critical swimming speed,Ucrit)是衡量魚類有氧游泳能力的重要指標(biāo),通常會隨DO含量波動而變化。在不同DO含量環(huán)境中,不同魚類的游泳能力受到的影響各異。研究結(jié)果顯示,當(dāng)DO含量下降到常氧的12.5%時(shí),鳊魚(Parabramispekinensis)和中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)的Ucrit值下降幅度分別為53%和50%[13]。對紅鰭東方鲀(Takifugurubripes)幼魚進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)生活在DO含量分別為2.14、4.10和5.81 mg/L的魚,其Ucrit值顯著低于對照組(7.36 mg/L)[14]。當(dāng)PO2值從19.9 kPa迅速降到13.2 kPa,然后逐漸穩(wěn)定在8.4 kPa的過程中,作為一種初始的回避反應(yīng),大西洋鱈魚(Atlanticcod,Gadusmorhua)的游動速度先提高了18%,然后下降了21%,并隨著PO2值的下降而持續(xù)下降[15]。水中的DO含量由較高水平降為較低水平時(shí),南方鲇魚(Southerncatfish)幼魚的FI和活動量都會隨之減少[16]。令斑馬魚(Brachydanioreriovar)在0.5 mg/L的低氧環(huán)境中生活2 h,其游動姿態(tài)逐漸失去平衡,最終停止運(yùn)動保持靜止[17]。綜上所述,低氧脅迫會通過促使魚類改變行為活動而對其生活和生存狀態(tài)產(chǎn)生影響。

1.3 低氧對魚類生理生化的影響

生活在低氧水體中的魚類,除了行為活動會為了適應(yīng)環(huán)境而改變,其機(jī)體內(nèi)環(huán)境也會進(jìn)行調(diào)整,在生理生化層面對低氧脅迫產(chǎn)生響應(yīng),誘使魚類發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)。目前的研究結(jié)果表明,低氧環(huán)境中的魚類在生理生化方面的變化主要表現(xiàn)在呼吸代謝、細(xì)胞增殖與凋亡、抗氧化能力以及免疫反應(yīng)等方面。對斑石鯛的研究發(fā)現(xiàn),處在低氧環(huán)境中時(shí),其呼吸頻率會增加,從而提高血液WBC、紅細(xì)胞(red blood cell,RBC)數(shù)量以及皮質(zhì)醇(cortisol,COR)、葡萄糖(glucose,GLU)和Hb濃度,并在臨界PO2值處達(dá)到最大值[6]。在對鯔魚(Mugilcephalus)幼魚進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),魚體肝臟和鰓中的丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量與DO含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,且在復(fù)氧30 d后仍高于對照組,表明低氧會加劇鯔魚肝臟和鰓組織脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[18]。對黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)進(jìn)行急性低氧試驗(yàn)后,黃顙魚肝臟和鰓中的5-羥基色氨酸(5-hydroxytryptophan,5-HTP)、COR和MDA的含量顯著升高,在抗氧化方面,總超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase,T-SOD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)的活性顯著升高[19]。對鯽魚(Carassiusauratus)[20]和翹嘴鲌(Culteralburnus)[21]的研究表明,低氧脅迫可誘導(dǎo)其發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致部分生化指標(biāo)如Hb含量和乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)活性等發(fā)生顯著變化,從而對魚體代謝功能產(chǎn)生影響。在對鱘魚進(jìn)行的試驗(yàn)中,低氧組鱘魚的視網(wǎng)膜、視頂蓋(optic tectum,OT)、垂體等的凋亡細(xì)胞水平顯著高于常氧組,表明低氧對魚類細(xì)胞有損傷影響并且可持續(xù)[22]。免疫反應(yīng)方面,對東北鱘魚(Acipensersinensis)進(jìn)行低氧應(yīng)激后發(fā)現(xiàn),該魚類的血液COR、GLU含量和其他血液參數(shù)在應(yīng)激后顯著升高,而脾指數(shù)(splenic index,SI)在低氧應(yīng)激后有所下降[23]。綜上所述,魚類可以通過調(diào)整自身生理代謝水平來應(yīng)對低氧脅迫,同時(shí)這也可能是抑制其生長的一種原因。

2 低氧作用的分子機(jī)理

當(dāng)水體DO含量下降至威脅魚類正常生活和生存的水平時(shí),魚類體內(nèi)會有一套由眾多蛋白分子參與的調(diào)控機(jī)制對低氧脅迫產(chǎn)生響應(yīng),即低氧信號傳導(dǎo)途徑[24]。在整個(gè)低氧應(yīng)答體系中,低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor,HIF)是低氧信號傳導(dǎo)途徑中的最關(guān)鍵因子,由低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1alpha,HIF-1α)亞基或低氧誘導(dǎo)因子-2α(hypoxia-inducible factor-2alpha,HIF-2α)亞基與低氧誘導(dǎo)因子-1β(hypoxia-inducible factor-1beta,HIF-1β)亞基2個(gè)亞單位所組成,在維持動態(tài)氧的平衡和低氧條件下的氧濃度變化等方面發(fā)揮著重要作用,在目前已知的后生動物中都有表達(dá)[25]。在DO含量正常時(shí),脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase,PHD)會以氧分子作為底物對HIF-α的特異脯氨酸位點(diǎn)進(jìn)行羥基化[26],羥基化后的HIF-α被希佩爾林道腫瘤抑制蛋白(von-Hippel-Lindau tumor suppressor protein,pVHL)識別并結(jié)合,最終通過蛋白酶體降解[27]。在低氧條件下,氧分子的缺乏導(dǎo)致PHD的活性受到抑制,HIF-α不能被降解,進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核中與HIF-β結(jié)合形成異源二聚體,該二聚體會與靶標(biāo)基因上的低氧反應(yīng)元件(hypoxia response element,HRE)結(jié)合,連同一些轉(zhuǎn)錄激活因子(如CBP/p300)共同作用,激活下游基因的表達(dá)(圖1)。這些下游基因涉及到細(xì)胞的分化與凋亡、糖代謝和血管再生等方面,從而引起魚類的一系列生理生化和機(jī)體反應(yīng)[25]。例如,對大口黑鱸進(jìn)行的低氧試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),低氧使得其體內(nèi)的HIF-1α水平升高并穩(wěn)定表達(dá),同時(shí),魚體會通過促進(jìn)肝臟血管生成來應(yīng)對低氧環(huán)境帶來的不適[28]。由此可見,HIF-α的水平與環(huán)境DO含量密切相關(guān),并在調(diào)控魚類適應(yīng)低氧的過程中發(fā)揮重要作用。

PHD: 脯氨酸羥化酶 prolyl hydroxylase; HIF:低氧誘導(dǎo)因子 hypoxia-inducible factor;pVHL:希佩爾林道腫瘤抑制蛋白 von-Hippel-Lindau tumor suppressor protein; HRE:低氧反應(yīng)元件 hypoxia response element。

3 魚類自身的適應(yīng)機(jī)制

魚類對低氧脅迫具有一定的適應(yīng)能力。根據(jù)低氧的發(fā)生條件和魚類對低氧進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間及結(jié)果,可以將適應(yīng)機(jī)制分為急性應(yīng)激反應(yīng)和長期適應(yīng)。

3.1 急性應(yīng)激反應(yīng)

急性低氧通常出現(xiàn)在較高養(yǎng)殖密度的水體中,當(dāng)水溫在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化或者水體成分發(fā)生改變時(shí),DO含量會在短期內(nèi)急劇下降,從而引起魚類的急性應(yīng)激。

首先是行為活動方面,魚類在面對急性低氧應(yīng)激時(shí)常出現(xiàn)的行為反應(yīng)包括到水面直接呼吸、調(diào)整游動速率和改變呼吸方式等。例如,Kramer等[29]的研究表明,進(jìn)行水生表面呼吸(aquatic surface respiration,ASR)是為數(shù)不多的能使魚類在低氧條件下生存的呼吸替代方案之一,該行為極大地提高了魚類在低氧水體中的存活率。對羅非魚(Tilapia)的研究發(fā)現(xiàn),低氧脅迫下,其游動速度會降低以作為減少能量和氧氣消耗的一種適應(yīng)行為[30]。多數(shù)魚類面對低氧會增加無氧代謝,以補(bǔ)償能量的減少。Virani等[31]以耗氧率(oxygen consumption rate,OCR)和血液乳酸含量為指標(biāo)對大底鳉(Fundulusgrandis)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)低氧脅迫使其OCR出現(xiàn)下降而血液乳酸含量有所增加,說明大底鳉在低氧狀態(tài)下主要進(jìn)行無氧代謝以應(yīng)對DO的不足。此外,鯽魚的視網(wǎng)膜光誘發(fā)反應(yīng)和OT的相應(yīng)誘發(fā)電位在低氧環(huán)境中下降,且在復(fù)氧后恢復(fù)正常,說明低氧會抑制其體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)的活動,同時(shí)表明鯽魚在低氧條件下可以通過暫時(shí)關(guān)閉視覺功能以減少能量的消耗[32]。

其次是形態(tài)方面,作為魚類重要的呼吸器官,魚鰓在魚類應(yīng)對低氧環(huán)境的過程中具有重要作用。當(dāng)鯽魚和金魚(Carassiusauratus)處于低溫常氧環(huán)境時(shí),其魚鰓的片層主要嵌入在片層間細(xì)胞團(tuán)(interlamellar cell mass,ILCM)中,而當(dāng)環(huán)境中的DO含量下降至Pcrit值附近時(shí),ILCM退化,使得魚鰓的呼吸表面積增大,從而提高了魚類的攝氧能力[33-34],增強(qiáng)其對低氧脅迫的耐受性。

3.2 長期適應(yīng)策略

面對急性低氧時(shí),魚類能夠快速地作出反應(yīng)來降低低氧的影響,并隨著DO含量的升高而恢復(fù)正常狀態(tài)。而當(dāng)長期低氧時(shí),為了適應(yīng)低氧環(huán)境,魚類往往會通過基因突變來使自身的組織器官以及生理生化水平等發(fā)生永久性的改變[25]。通過進(jìn)化來改變或者發(fā)展其他器官以增強(qiáng)呼吸能力是一些魚類應(yīng)對長期低氧的自然選擇結(jié)果。例如,泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus)不僅用鰓呼吸,還進(jìn)化出了腸氣呼吸(gastrointestinal air breathing,GAB)和皮膚等器官進(jìn)行輔助呼吸[35],該機(jī)制極大地提高了泥鰍的攝氧能力。類似的還有黃鱔(Monopterusalbus),其口腔、喉腔和腸道內(nèi)壁表皮黏膜充滿了毛細(xì)血管,吻端伸出水面就可以直接吸取空氣中的氧氣,把空氣貯存在口腔,使口中的氧氣逐漸與口腔內(nèi)壁進(jìn)行氣體交換,因此黃鱔在DO含量很低的水中也能正常生活[36]。

在生理生化方面,魚類會通過漫長的進(jìn)化來改變代謝方案以加強(qiáng)適應(yīng)低氧的能力。例如,鯽魚具有極強(qiáng)的耐低氧能力,在北歐冬季的低溫低氧水體中也能夠存活數(shù)月并保持活躍[37]。低氧暴露48 h后發(fā)現(xiàn),鯽魚肌肉和肝臟的蛋白質(zhì)合成速率急劇下降52%～95%,這一過程可以減少能量的消耗,提高其生存能力,恢復(fù)常氧后,蛋白質(zhì)合成速率也逐漸恢復(fù)[38]。另外,當(dāng)鯽魚的大腦因低氧而缺乏能量時(shí),會啟動一種機(jī)制來釋放γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),這可能會抑制足夠量的神經(jīng)元來恢復(fù)腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)水平[37]。此外,鯽魚同樣可以通過鰓的形態(tài)改變和無氧呼吸來提高耐低氧能力[39-40]。金魚具有較強(qiáng)的低氧耐受性,其Hb對氧氣具有極大的親和力,在PO2值為0.35 kPa時(shí),其Hb含量已經(jīng)達(dá)到氧飽和度的50%,在中度低氧時(shí),其動脈和靜脈PO2值可分別低至0.24和0.03 kPa,且會隨DO含量的恢復(fù)而恢復(fù)[41]。

4 營養(yǎng)調(diào)控研究

在應(yīng)對水體養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)的低氧脅迫時(shí),除了魚類通過自身反應(yīng)進(jìn)行適應(yīng)外,還應(yīng)當(dāng)通過人工手段來加強(qiáng)魚類對低氧環(huán)境的承受能力,緩解或消除低氧對養(yǎng)殖效果的影響,從而保證養(yǎng)殖效益。近些年來,隨著研究水平不斷向微觀層面深入,越來越多的營養(yǎng)添加劑被發(fā)現(xiàn)且應(yīng)用至水產(chǎn)行業(yè),并取得了優(yōu)良效果(表1)。

4.1 蛋白質(zhì)和氨基酸

蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ),也是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物,飼料蛋白質(zhì)對魚類的生長具有重要作用。慢性低氧會使蛋白質(zhì)的分解代謝增加。因此,提高蛋白質(zhì)的攝入量有利于維持魚類在低氧環(huán)境中的正常生長。對斑馬魚進(jìn)行的研究顯示,在低氧條件下,高蛋白質(zhì)攝入量能夠促進(jìn)斑馬魚對慢性低氧的適應(yīng),減輕由慢性低氧引起的體重和FE的降低,提高糖原和蛋白質(zhì)的利用率,且能夠通過激活HIF-1α及其下游糖酵解基因的轉(zhuǎn)錄來供應(yīng)能量,除此之外還能緩解慢性低氧引起的腸道消化酶活性降低和微生物群失調(diào)[42]。另有研究表明,適宜飼料蛋白質(zhì)水平(43.30%)有助于改善低氧對三倍體虹鱒造成的應(yīng)激損傷,提高其抗應(yīng)激能力并改善肌肉品質(zhì)[43]。

氨基酸是一種含有氨基的有機(jī)酸,同時(shí)也是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位,能夠有效增強(qiáng)各種水產(chǎn)生物的抗應(yīng)激能力,從而降低水產(chǎn)養(yǎng)殖的風(fēng)險(xiǎn)與損失。在增強(qiáng)魚類耐低氧能力方面,關(guān)于甘氨酸(glycine,Gly)、精氨酸(arginine,Arg)和?；撬?taurine,Tau)以及GABA的研究較為成熟。Gly是魚類的一種非必需氨基酸,屬于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的抑制性神經(jīng)遞質(zhì),游離狀態(tài)的Gly能夠有效保護(hù)生物體細(xì)胞。Arg作為魚類的一種必需氨基酸,是魚類生理和病理方面的重要內(nèi)源性信息高活性分子一氧化氮(nitric oxide,NO)唯一的供氮前體,對機(jī)體心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)有著廣泛影響[44]。Tau是一種含硫氨基酸,是動物機(jī)體的內(nèi)源性物質(zhì),具有抗氧化和保護(hù)生物膜等作用。GABA是一種非蛋白質(zhì)氨基酸,具有鎮(zhèn)定作用,是一種重要的抑制性保護(hù)物質(zhì)。以草金魚(Carassiusaurutus)、圓尾斗魚(Macropodusocellatus)和中華鳑鲏(Rhodeussinensis)為試驗(yàn)對象進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Gly含量為5.33～7.69 μg/mL和0.54～0.986 μg/mL時(shí),分別可以顯著提高圓尾斗魚和中華鳑鲏的耐低氧能力;當(dāng)Arg含量為14.13～14.89 μg/mL和8.93～10.65 μg/mL時(shí),可以顯著增強(qiáng)草金魚和中華鳑鲏的耐低氧能力[45]。此外,急性低氧會使鯉魚(Cyprinuscarpio)的免疫反應(yīng)被抑制,從而易發(fā)生細(xì)菌性疾病,但是向飼料中補(bǔ)充適宜水平的Arg后,在不同的DO含量下,都可以提高鯉魚的存活率[46]。紅細(xì)胞滲透脆性試驗(yàn)的溶血率與急性低氧存活時(shí)間顯著相關(guān),研究發(fā)現(xiàn),適宜水平的Tau能夠顯著改善草魚的紅細(xì)胞滲透脆性,且隨著飼料中Tau添加水平的增加,草魚的耐急性低氧能力改善更加明顯[47]。另有研究結(jié)果表明,不同含量的Tau能不同程度地提高草金魚的耐低氧能力,其中含量為0.5%和1.0%時(shí)效果最佳。究其原因?yàn)?Tau一方面可通過增加Hb含量來提高對氧分子的運(yùn)輸能力,另一方面還可以在PO2值下降時(shí)提高Hb與氧的親和能力。除了Tau,該研究同時(shí)著眼于GABA對草金魚耐低氧能力的研究,且得到了低含量(0.1%、0.3%和0.5%)的GABA能夠提高草金魚在低氧條件下的存活時(shí)間這一結(jié)論,說明GABA對受低氧脅迫的魚具有保護(hù)作用[48]。相似的結(jié)果在對印度鯪(Cirrhinusmrigala)的研究中也有發(fā)現(xiàn),向暴露于低氧環(huán)境中的印度鯪補(bǔ)充GABA,可以恢復(fù)急性低氧誘導(dǎo)的HIF-1α的表達(dá)水平、甲狀腺激素(thyroxine,T4)水平和LDH活性。低氧會引起血清代謝物如GLU和乳酸含量等的增加,而補(bǔ)充GABA可以有效降低它們的水平。因此,GABA可以提高魚類在低氧條件下的存活時(shí)間[49]。

4.2 脂肪

脂肪是組成生物體的重要成分,能夠?yàn)樯矬w提供能量,具有重要的生物功能。對草魚的研究結(jié)果顯示,具有適當(dāng)脂質(zhì)水平的飼料可以緩解由低氧引起的不良后果,包括減輕低氧對草魚造成的肝臟損傷并抑制肝臟細(xì)胞凋亡、減輕肝臟內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激并抑制肝細(xì)胞自噬,同時(shí)確定了耐低氧誘導(dǎo)肝臟損傷的最佳脂質(zhì)水平分別為3.59%和3.05%[50]。在其他魚類的研究中發(fā)現(xiàn),適宜的飼料脂肪水平(22.80%)有助于提高三倍體虹鱒應(yīng)對低氧應(yīng)激損傷的能力,增強(qiáng)其免疫力[43]。在面對環(huán)境壓力時(shí),魚類首先利用碳水化合物和脂類等儲備能量來維持生命活動,由于魚類對碳水化合物的利用率很低,故利用脂質(zhì)提供能量是魚類應(yīng)對低氧環(huán)境的極佳選擇。

4.3 維生素

維生素是生物為維持正常生理功能而需要從外部獲取的一種微量有機(jī)物質(zhì),在生物的生長代謝和發(fā)育繁殖等生命活動中發(fā)揮著重要作用。有學(xué)者以卒死率為指標(biāo)對條石鯛(Oplegnathusfasciatus)和斑石鯛進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在飼料中添加適宜水平的維生素C(vitamin C,VC)可以降低魚類在低氧環(huán)境中的卒死率,且所有低氧水平環(huán)境下魚類的應(yīng)激耐性與飼料中VC的添加量呈正相關(guān)關(guān)系[51]。而后在對異育銀鯽(Carassiusauratusgibelio)的研究中揭示了這種保護(hù)機(jī)制,即VC可降低魚類下丘腦的細(xì)胞凋亡指數(shù),抑制低氧誘導(dǎo)的肝臟葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose-regulated protein 78,GRP78)表達(dá)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及細(xì)胞凋亡,通過核因子E2相關(guān)因子2/Kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白1(Nrf2/Keap1)信號通路減輕氧化損傷、炎癥和急性低氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,從而增強(qiáng)魚類對低氧的耐受能力[52]。呂廣祺等[53]進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同含量的Tau和VC聯(lián)合使用,對提高麥穗魚(Pseudorasboraparva)的耐低氧能力作用比VC和Tau單獨(dú)作用時(shí)效果好,在Tau和VC的聯(lián)合作用下,麥穗魚的耐低氧能力得到提高效果比Tau與VC單獨(dú)作用相比更明顯,但其作用機(jī)理尚不明確,有待于進(jìn)一步深入研究。

4.4 非營養(yǎng)性添加劑

除了一些常見的營養(yǎng)物質(zhì)外,多種能夠用于提高魚類耐低氧能力的非營養(yǎng)性添加劑也被相繼發(fā)現(xiàn),并通過試驗(yàn)研究證實(shí)了其可行性。

β-葡聚糖是一種同型多糖,具有增強(qiáng)免疫的效果,可以提高魚類的機(jī)體免疫力。MDA是一種有機(jī)化合物,能夠作為指示抗氧化損傷的標(biāo)志性產(chǎn)物,其含量的增加表明低氧脅迫對魚體造成了氧化損傷[54]。王永紅等[55]研究發(fā)現(xiàn),注射β-葡聚糖可以降低低氧狀態(tài)下大黃魚(Larimichthyscrocea)幼魚肝臟中MDA含量,說明β-葡聚糖能夠在一定程度上緩解低氧脅迫引起的大黃魚幼魚氧化損傷。對羅非魚的研究顯示,水中添加0.1 mg/L的β-葡聚糖能夠調(diào)節(jié)羅非魚的血液GLU含量,增加其腸道細(xì)菌群落的豐富度,最大限度地減少低氧的影響,從而降低死亡率[56]。

此外,其他研究還發(fā)現(xiàn)在飼料中添加0.1%～0.3%的啤酒酵母菌提取物可提高花鱸幼魚的生長性能,改善抗氧化狀態(tài),提高抗低氧脅迫的能力[57];三萜類苷元具有抗低氧作用,可以提高斑馬魚在低氧環(huán)境中的存活率[58];飼料中添加米曲霉益生菌(aspergillus oryzae,ASP)可以提高羅非魚在低氧脅迫前后體內(nèi)抗氧化酶如SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)的活性,并降低MDA的含量,從而顯著提高羅非魚對低氧脅迫的防御能力[59];使用8%的飼料咖啡因能夠防治因低氧引起的一些不良反應(yīng),可作為低氧期間改善鰓內(nèi)能量平衡的替代方案[60];在飼料中添加適宜濃度(57.21 g/kg)的桑葉提取物(extract of mulberry leaves,EML)可通過提高魚鰓中谷草轉(zhuǎn)氨酶(glutamate oxaloacetate transaminase,GOT)活性和紅細(xì)胞中的Hb含量來改善鯽魚的呼吸功能,抑制活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生和細(xì)胞成分的氧化,減少氧化損傷,提高耐低氧能力[61];對斜帶石斑魚(Epinepheluscoioides)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在飼料中添加適量的替普瑞酮(100、200 mg/kg)能夠使斜帶石斑魚產(chǎn)生對低氧脅迫的抵抗力,證明這是一種有效的抗低氧添加劑[62];紅景天作為一種傳統(tǒng)的中藥,具有一定的抗疲勞和抗低氧作用。研究發(fā)現(xiàn),低濃度的(0.02 mg/L)紅景天處理可以降低斑馬魚體內(nèi)的血液乳酸含量,明顯延長其低氧耐受時(shí)間[63]。

因此,由上述研究結(jié)果可知,通過營養(yǎng)調(diào)控來緩解或解決低氧脅迫導(dǎo)致的魚類生存生長問題是切實(shí)可行的,并且具有廣闊的應(yīng)用前景。通過營養(yǎng)調(diào)控的途徑來提高魚類的耐低氧能力具有明顯作用,但同時(shí)也存在一些局限性。例如,營養(yǎng)成分的含量、配比和攝入水平都有適宜的水平限度,超過或不足都會影響魚類的生長和健康狀況。此外,環(huán)境因素如水質(zhì)、水溫等也會對營養(yǎng)調(diào)控效果產(chǎn)生影響,只有在適宜的生態(tài)環(huán)境下魚類才能更好地吸收與利用營養(yǎng)物質(zhì)。

5 其他措施

5.1 養(yǎng)殖模式的改進(jìn)

目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖普遍采取集約化養(yǎng)殖模式。在該模式下,高密度的養(yǎng)殖魚群和大量的飼料投入是低氧產(chǎn)生的重要原因。水體DO主要來自浮游植物的光合作用和大氣交換,被魚類和水中沉積物其他生物的呼吸消耗,當(dāng)呼吸作用超過光合作用時(shí)會使DO含量下降。機(jī)械曝氣可以避免DO含量大幅下降[64],因此,為解決集約化養(yǎng)殖模式帶來的低氧問題,曝氣系統(tǒng)如螺旋槳吸氣泵等得到了一定的應(yīng)用。適當(dāng)?shù)钠貧獠粌H能夠提高水中的DO含量,還可以改善水質(zhì)和提高飼料利用率,但是目前曝氣設(shè)備的使用成本較高且不能保證效果[65]。稻田養(yǎng)魚是利用稻魚共生原理,在種植水稻的田里養(yǎng)殖魚類的生態(tài)種養(yǎng)模式。研究發(fā)現(xiàn),與單養(yǎng)模式相比,混養(yǎng)模式中的水稻能夠吸附水中有機(jī)物和懸浮物,降低池塘水體的總氮、總磷和鉀的含量以及底泥呼吸速率,減少富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生,提高魚類呼吸耗氧占比。此外,水稻還能夠降低水溫,提高水體中DO容納量[66]?？偟膩碚f,稻魚混養(yǎng)降低了水體DO的消耗,提高了魚類的呼吸效率,并減少機(jī)械曝氣設(shè)備的使用以降低成本,是緩解集約化養(yǎng)殖模式造成低氧的有效途徑,具有應(yīng)用至池塘養(yǎng)殖的可行性,值得進(jìn)一步深入研究。

表1 各種營養(yǎng)物質(zhì)對緩解魚類低氧應(yīng)激的作用

續(xù)表1營養(yǎng)物質(zhì)Nutrients研究魚類Studying fish使用規(guī)格Use specifications功效Efficacy參考文獻(xiàn)References米曲霉益生菌 ASP羅非魚Tilapia 1×106、1×108 CFU/g對魚類具有免疫調(diào)節(jié)作用,提高其對低氧的防御能力Dawood等[59]咖啡因 Caffeine羅非魚Tilapia8.00%防止無氧代謝發(fā)生,維持低氧環(huán)境的魚類的能量平衡Baldissera等[60]桑葉提取物 EML鯽魚Carassius auratus57.21 g/kg提高魚體抗氧化劑的活性和水平,減輕低氧損傷Li等[61]替普瑞酮 Teprenone斜帶石斑魚Epinephelus coioides 100、200 mg/kg一種抗氧化狀態(tài)誘導(dǎo)劑,誘導(dǎo)魚類對低氧產(chǎn)生抗性Dong等[62]紅景天 Rhodiola rosea L.斑馬魚Brachy danio rerio var 0.02、0.04 mg/L降低魚體內(nèi)血糖乳酸含量,具有抗低氧和抗疲勞效果范能全等[63]

5.2 培育耐低氧新品種

通過雜交技術(shù)對魚類品種進(jìn)行改良是另一種提高魚類耐低氧能力的有效手段。雜交被廣泛用于通過在后代中使用新的遺傳構(gòu)象來改善動物和農(nóng)業(yè)種群的特定性狀,應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有多種益處,如提高SGR、FE和抗逆性等[67]。以溶解氧斷點(diǎn)(breakpoint of dissolved oxygen,BPDO)為參考指標(biāo)對三向雜交鮑魚進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn),該雜交魚的BPDO分別為(1.85±0.41) mg/L和(1.84±0.36) mg/L,而其親本的BPDO分別為(2.15±0.40) mg/L和(2.03±0.48) mg/L。根據(jù)BPDO與耐缺氧能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系可知,三向雜交鮑魚比其親本具有更好的耐缺氧性[68]。此外,對黃顙魚和長吻鱷(Leiocassislongirostris)的雜交后代的研究結(jié)果顯示,雜交種的鰓細(xì)胞間質(zhì)擴(kuò)大,肝臟中空泡和肝臟組織腫脹,腸道黏膜下層擴(kuò)大以及HIF相關(guān)基因與抗氧化酶活性的快速反應(yīng)和激活,表明形態(tài)學(xué)、分子學(xué)及生物化學(xué)調(diào)整的復(fù)雜組合共同促成了雜交種的耐低氧性[69]。因此,通過雜交技術(shù)培育具有優(yōu)良耐低氧性能的新品種魚類,對于緩解低氧的危害,保證魚類的正常生長以及提高養(yǎng)殖效果具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 小 結(jié)

綜上所述,水體低氧作為水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中一個(gè)普遍且不容忽視的問題,對魚類的生長發(fā)育、行為活動和生理生化狀態(tài)都會造成不利影響,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致魚類大量死亡,使得漁獲質(zhì)量下降,養(yǎng)殖效果達(dá)不到預(yù)期,從而造成經(jīng)濟(jì)損失。因此,我們必須重視低氧問題并采取措施進(jìn)行緩解或解決。在面對低氧脅迫時(shí),魚類自身具有一定的適應(yīng)能力,可以通過調(diào)整呼吸和游泳方式、改變鰓的狀態(tài)和調(diào)節(jié)代謝途徑等來適應(yīng)急性低氧應(yīng)激和慢性低氧應(yīng)激。然而近些年來隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,集約化高密度養(yǎng)殖模式的廣泛應(yīng)用以及氣候和天氣變化的影響使得養(yǎng)殖過程中低氧出現(xiàn)的頻率和程度均有所增加,僅靠魚體自身的適應(yīng)策略已不足以應(yīng)對,因此養(yǎng)殖工作者也應(yīng)當(dāng)重視通過養(yǎng)殖策略的改進(jìn)來提高魚類的生活質(zhì)量。在采取人工措施防治低氧方面,利用營養(yǎng)調(diào)控手段加強(qiáng)魚類等水產(chǎn)動物的耐低氧能力是當(dāng)前以及今后的一個(gè)重要方向。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對魚類低氧脅迫的研究也由傳統(tǒng)的探索結(jié)果規(guī)律深入到了細(xì)胞和基因水平,低氧脅迫相關(guān)的信號通路被相繼發(fā)現(xiàn),為從基因?qū)用嫣岣唪~類的耐低氧能力提供了理論依據(jù)。同時(shí),越來越多的營養(yǎng)物質(zhì)以及非營養(yǎng)性添加劑被發(fā)現(xiàn)并研究,證實(shí)了其可以作為飼料添加劑用以提高魚類對低氧等環(huán)境脅迫的耐受性。

在未來的相關(guān)研究中,應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注營養(yǎng)調(diào)控的機(jī)理研究、營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控魚類的普遍性和特異性、多種營養(yǎng)物質(zhì)的聯(lián)合作用以及營養(yǎng)物質(zhì)與環(huán)境相互影響等方面,結(jié)合實(shí)際開發(fā)靶向營養(yǎng)調(diào)控技術(shù),提高魚類的耐低氧能力,以降低低氧對水產(chǎn)養(yǎng)殖造成的不利影響,從而促進(jìn)水產(chǎn)行業(yè)的健康發(fā)展。