論文：氨氮對(duì)魚類的毒性及魚類應(yīng)對(duì)氨氮毒性的策略

        氨氮對(duì)魚類的毒性及魚類應(yīng)對(duì)氨氮毒性的策略

付瑩，趙玉蓉

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)湖南畜禽安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128）

在集約化養(yǎng)殖下，水體中常出現(xiàn)毒性物質(zhì)氨的過量積累，對(duì)魚類造成不良影響，如抑制生長[1-6]、影響能量代謝[7,8]、阻礙離子平衡[9]、降低機(jī)體免疫功能[10,11]、器官病理等變化[12,13]。魚類能在一定范圍內(nèi)采取適應(yīng)機(jī)制緩解氨毒。

1 水體中氨氮的來源

天然水中氨的濃度約為0～0.2mg/L，處于較低水平。養(yǎng)殖水體中的氨氮主要來自殘餌和魚類排泄物等含氮有機(jī)物的降解。而高密度集約化養(yǎng)殖加大了水體含氮物質(zhì)的負(fù)荷，造成氨氮積累；外界氨氮污染水，如工業(yè)廢水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水和農(nóng)業(yè)徑流等排入水體中時(shí)，更加重了水體氨氮的負(fù)荷。過高的水體氨氮含量不僅引起水體富營養(yǎng)化，還會(huì)毒害水生動(dòng)物。

2 水體中氨氮的存在形式

水體中的氨氮以離子氨（NH4+）和分子氨（NH3）兩種形式存在，通常說的氨氮（或總氨）是指兩者含量的總和，二者的平衡反應(yīng)方程如下：

氨的毒性常以總氨（NH3+NH4+）的濃度表示，一般化學(xué)分析方法（奈氏試劑法、水楊酸法等）測(cè)定的氨含量均為總氨的含量。

3 影響水體氨氮毒性的因素

影響水體氨氮毒性的因素主要有兩方面：環(huán)境因素和生物自身。

3.1 環(huán)境因素

3.1.1 pH和溫度

NH3為親脂性分子，半徑較小，比NH4+更易透過脂質(zhì)性生物膜進(jìn)入體內(nèi)，使機(jī)體氨氮濃度升高，危害機(jī)體。水體中NH3的濃度可直觀反映水體中氨氮的毒性，NH3濃度越高氨氮毒性越強(qiáng)。但兩者在水體中的比例受多種因素影響。Emerson指出，淡水中NH3的比例可按下式計(jì)算：

[NH3]=[NH3+NH4+]/（10pka+pH+1）

pKa=（0.09108+2729.92）/（273.2+T）

其中，pKa 為解離常數(shù)，[NH3+NH4+]和[NH3]為總氨氮和非離子氨的濃度，T為攝氏溫度[14]。

一般認(rèn)為，當(dāng)OH-的濃度隨著pH的增加而增加時(shí)，使NH3·H20的平衡向生成NH3的方向進(jìn)行，使NH3的濃度增加，氨氮毒性增強(qiáng)[15]，pH僅增大0.4時(shí)，NH3的濃度就會(huì)翻倍。Weirich等[16]研究發(fā)現(xiàn)，鱸Lateolabrax japonicus對(duì)氨氮的吸收速率隨pH的上升而增加?？傊琾H升高不僅會(huì)增加水體NH3的濃度，還會(huì)加快魚體對(duì)氨氮的吸收。

Ktr等[17]研究表明，對(duì)蝦的NH3半致死濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)，即水體氨氮毒性隨著溫度的升高而加劇。這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，機(jī)體的新陳代謝加快，促進(jìn)了魚體對(duì)外界物質(zhì)（包括水體中的氨）的吸收[18]。溫度還影響細(xì)胞膜的滲透性、內(nèi)源性氨的產(chǎn)生。但溫度對(duì)氨氮毒性的影響小于pH。

3.1.2 溶解氧

有研究表明，NH3的毒性隨水體溶解氧濃度減少而升高[19]；高濃度的溶解氧有利于消除氨毒[20]。這可能是因?yàn)樗懈邼舛鹊娜芙庋跤欣诰徑獍睓C(jī)體血液載氧能力的下降，促進(jìn)NH3從水體溢出；或者有利于機(jī)體內(nèi)有毒的氨氮轉(zhuǎn)化為無毒的硝酸鹽等，緩解氨毒。

3.1.3 鹽度

在一定范圍內(nèi)，魚類的排氨率隨水中鹽度的增加而增大[21-23]。魚鰓上皮中的主要用于維持機(jī)體水鹽平衡的Na+/NH4+交換系統(tǒng)隨著鹽度的增加而變得活躍，調(diào)動(dòng)更多NH4+參與該系統(tǒng)而排出體外，使機(jī)體的氨氮排泄率升高[24]。海水鹽度較低時(shí)不利于氨從魚體排出，使氨在體內(nèi)過量累積，加劇氨氮對(duì)機(jī)體的負(fù)面影響[25,26]。

3.2 生物本身

除環(huán)境因素外，水生動(dòng)物種類、規(guī)格、體質(zhì)等也影響水體氨氮的毒性。水生生物對(duì)氨氮的敏感性因種類而異。一般海水生物對(duì)氨氮的敏感性高于淡水生物[27]，無脊椎生物高于脊椎生物[28]，其中淡水貝類高于其他淡水生物。同種生物，通常幼齡期對(duì)氨氮較為敏感[29]。

4 氨氮致毒機(jī)理

水體中NH3含量≤0.02mg/L時(shí)，魚類生長、繁殖等生命活動(dòng)基本不受影響，當(dāng)水體NH3濃度超出該范圍時(shí)，則會(huì)危害魚體[30]。在水中，NH3容易透過生物膜進(jìn)入體內(nèi)而迅速轉(zhuǎn)化成NH4+。機(jī)體內(nèi)95%的氨氮以NH4+的形式存在[31]。

關(guān)于魚類氨氮脅迫已做了大量的研究，但其致毒機(jī)理至今尚不明確。一般認(rèn)為NH3是經(jīng)魚的鰓、表皮和腸粘膜等進(jìn)入機(jī)體，使血液pH增加，血液的載氧能力降低。長期接觸氨也會(huì)損害鰓組織，導(dǎo)致鰓組織充血、鰓小片彎曲、粘連和融合等，影響鰓的氣體交換[32]，抑制機(jī)體的呼吸機(jī)能，導(dǎo)致個(gè)體缺氧甚至死亡。氨擴(kuò)散進(jìn)入各組織后，組織氨氮含量升高[33,34]，損傷肝腎系統(tǒng)，出現(xiàn)充血、水腫、肝昏迷甚至死亡[35]。

其次，氨還會(huì)損害魚類的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，其中毒機(jī)制與哺乳動(dòng)物肝腦病極為相似。目前發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物氨中毒的機(jī)制主要為：氨導(dǎo)致谷氨酰胺（Gln）在體內(nèi)過量積累，使神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞腫大，激活N-甲基-D天冬氨酸受體（NMDA受體）[36]。正常情況下，機(jī)體主要通過谷氨酸（Glu）和NH4+生成Gln以去除腦中多余的NH4+。因此，腦中NH4+濃度升高常伴隨著Gln含量升高。而Gln在胞內(nèi)過量增加易導(dǎo)致星型膠質(zhì)細(xì)胞腫大，引發(fā)腦水腫[37]并促進(jìn)Glu釋放進(jìn)入細(xì)胞間。對(duì)魚類的研究表明，即使出現(xiàn)谷氨酰胺累積時(shí)，也未出現(xiàn)腦水腫現(xiàn)象[38]，這與哺乳動(dòng)物不同。此外，NH4+還能引起神經(jīng)元表面去極化。胞間累積的Glu和去極化的神經(jīng)元二者均能激活位于神經(jīng)元表面的NMDA受體。該受體的過量激活促進(jìn)NO合成[39,40]，激活Na+/K+-ATP酶。Na+/K+-ATP酶的激活會(huì)加快腦中能量消耗，過量的NO不僅增加機(jī)體氧化應(yīng)激，還易產(chǎn)生高毒性過氧化氮，損害線粒體呼吸，引發(fā)ATP耗竭，導(dǎo)致細(xì)胞死亡[41,42]。相關(guān)研究表明，哺乳動(dòng)物體內(nèi)注射NMDA受體拮抗劑（MK801等）能夠延遲甚至消除氨毒的負(fù)面影響[43，44]，但MK801并不對(duì)所有魚類有效。在氨氮脅迫下，MK801對(duì)泥鰍Misgurnus anguillicaudatus具有保護(hù)效果[45]，同劑量MK801對(duì)彈涂魚Periophthalmodon schlosseri和薄氏彈涂魚Boleophthalmus boddaerti卻無效果[46]。

5 魚類應(yīng)對(duì)策略

在一定范圍內(nèi)，魚類能將體內(nèi)的氨轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺和尿素，減少體內(nèi)氨的產(chǎn)生，增加NH3的揮發(fā)和NH4+的排放，減緩或解氨毒（圖1）。

圖1 魚類的解毒策略Fig.1 The strategy of nitrogen detoxification in fish

5.1 轉(zhuǎn)化為低毒性的物質(zhì)

5.1.1 谷氨酰胺

在高濃度氨的水體中，大多數(shù)魚類能夠?qū)Ⅲw內(nèi)的NH4+轉(zhuǎn)化為無毒的Gln，以迅速解毒。Gln由Glu和NH4+在谷氨酰胺合成酶（GS）的催化下生成，而Glu又可由α-酮戊二酸（α-KG）和NH4+生成。如果以α-KG為合成起點(diǎn)，每合成1mol Gln能消耗2mol NH4+。Sinha等[47]研究表明，暴露在高濃度環(huán)境氨的情況下，虹鱒Oncorhynchus mykiss、金魚Carassius auratus和鯉Cyprinus carpio體內(nèi)Gln水平均高于對(duì)照組，但最終維持在一定水平而不再增加。

5.1.2 尿素

到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)少數(shù)硬骨魚類，如羅非魚Oreochromis grahami、肺魚 Protopterus dolloi、蟾魚Opsanus beta等能利用尿素合成解氨毒，大多數(shù)硬骨魚并不利用該途徑解毒。這可能因?yàn)槟蛩睾铣墒且粋€(gè)極其耗能的過程。在尿素循環(huán)中，每生成1mol尿素要消耗4mol高能磷酸鍵。

軟骨魚類可以合成尿素增加身體的滲透性，甚至以尿素的形式將大多數(shù)含氮廢物從鰓中排出。組成軟骨魚鰓膜的大量膽固醇和基底細(xì)胞膜上的尿素/Na+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體，通過耦合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素的低滲透性，將尿素轉(zhuǎn)運(yùn)回血液中，以維持體內(nèi)高濃度的尿素[48]。當(dāng)面臨氨氮脅迫時(shí)，魚可以將體內(nèi)的氨以尿素的形式直接經(jīng)鰓排出體外。

5.2 減少體內(nèi)氨的產(chǎn)生

魚體內(nèi)源性氨主要來源于蛋白質(zhì)的分解代謝，由肝臟所產(chǎn)生。在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉中氨基酸和腺苷酸的脫氨基作用也會(huì)產(chǎn)生氨。一般魚體內(nèi)產(chǎn)生的氨由鰓排出體外，但在一些極端條件下，如外界高氨、高pH和缺水等，氨的排放會(huì)受到抑制而在體內(nèi)積累。有研究表明，在堿和空氣暴露的情況下，魚體能通過降低蛋白質(zhì)和氨基酸的分解代謝避免體內(nèi)氨的過量積累[49,50]。

5.3 NH3揮發(fā)

Tsui等[51]研究表明，泥鰍暴露在氨氮和空氣條件下，能以NH3的形式將氨揮發(fā)出體外。在氨氮脅迫、pH顯著升高時(shí)，腸道作為泥鰍的輔助呼吸器官，可能是NH3揮發(fā)的位置。在自然界，泥鰍面臨干旱（空氣暴露）時(shí)，往往會(huì)鉆入泥土中。在空氣暴露下，泥鰍體表的pH顯著升高[52]。體表也可能是NH3揮發(fā)的位置。但到目前為止，NH3揮發(fā)的具體位置尚無定論。

5.4 NH4+的排放

Wilson和Taylor[53]發(fā)現(xiàn)，在高濃度氨環(huán)境下，虹鱒在淡水和海水中分別能進(jìn)行NH4+/H+和NH4+/Na+交換，將體內(nèi)部分氨排出體外，以應(yīng)對(duì)水中高濃度的氨。Randall等[55]也發(fā)現(xiàn)，無論在高濃度的氨水中或暴露于空氣中，彈涂魚均能排放NH4+。Wilson等[56]提出，鰓復(fù)雜結(jié)構(gòu)，充滿大量血液，與外界接觸面積很大，是進(jìn)行氣體交換的重要位置，很可能與NH4+的排放有關(guān)。因?yàn)樵邛w上皮泌氯細(xì)胞的基底外側(cè)膜上，含有大量氨敏感型的Na+/K+ATP酶和Na+/K+/Cl-協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，兩者能將NH4+轉(zhuǎn)入泌氯細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)入細(xì)胞的NH4+可通過Na+/H+（NH4+）交換載體排出體外（圖2）。

圖2 魚類鰓上皮細(xì)胞NH4+交換模型Fig.2 NH4+exchange model in gill epithelial cells of fish

6 結(jié)語

氨為一種有毒物質(zhì)，對(duì)魚類的致毒機(jī)理尚不明晰，不同魚類緩解氨毒的能力也不盡相同。目前，通過飼料添加劑，如維生素C、維生素E、γ-氨基丁酸、殼聚糖等提高魚體的抗氧化和免疫能力，提高機(jī)體抗氨氮脅迫能力[56-61]的研究已有不少。但在日糧中添加營養(yǎng)調(diào)控劑，補(bǔ)償尿素合成的能量消耗，促進(jìn)尿素合成以緩解魚類氨氮脅迫，以及通過平衡飼料氨基酸，減少含氮物質(zhì)的產(chǎn)生，減緩魚類氨氮脅迫還有待進(jìn)一步研究。

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