氨氮濃度對不同體重河蚌(Anodonta woodiana)耗氧率的影響

1、氨氮濃度對不同體重河蚌(Anodonta woodiana)耗氧率的影響摘要: 在靜水水溫和水體懸浮顆粒物濃度保持相對恒定的條件下，研究了不同體重( 以軟組織干重計算) 的河蚌( Anodonta woodiana) 在 3 個氨氮水平下的耗氧率。結(jié)果顯示: 在固定的氨氮水平下，單位體重耗氧率( Or) 隨體重( w) 增加而下降，耗氧率和體重間呈負(fù)相冪函數(shù)關(guān)系; 在實驗體重和氨氮濃度( n) 范圍內(nèi)，氨氮濃度對河蚌耗氧均具有主效應(yīng)，氨氮濃度和體重、耗氧率的自然對數(shù) y( 以 lnOr表示) 可以表述為 y =3. 5968 0. 24+ 0. 0119 0. 00n 1. 0237 0. 1

2、5lnw。結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，氨氮濃度對河蚌耗氧產(chǎn)生增益效應(yīng)，即隨氨氮濃度升高，耗氧率增加，而隨體重的增加，耗氧率下降。本試驗中，氨氮未對河蚌產(chǎn)生抑制效應(yīng)。關(guān)鍵詞: 河蚌( Anodonta woodiana) ; 氨氮濃度; 軟組織干重; 耗氧率由于日益突出的水體富營養(yǎng)化問題，水生態(tài)系統(tǒng)健康評價、生態(tài)修復(fù)得到了越來越多的關(guān)注。濾食性貝類因具有較強濾水能力，被廣泛應(yīng)用于水體的生態(tài)調(diào)控1。氨氮是構(gòu)成水域營養(yǎng)鹽負(fù)荷的主要成分，它對魚類、甲殼類和貝類均有毒害作用，從而抑制這些水生生物的代謝2-4，因此在利用貝類進行生態(tài)調(diào)控或者生態(tài)修復(fù)時，貝類可能會遭受外界氨氮的脅迫。溶解氧是水質(zhì)狀況和水生系統(tǒng)健

3、康評價的傳統(tǒng)指標(biāo)，而耗氧水平則反映水生生物對外界環(huán)境適應(yīng)程度2。海水貝類耗氧率的研究比較常見，而且這些 研 究 都 集 中 于 體 重5、溫 度6、鹽 度7，pH8等的效應(yīng)。而關(guān)于淡水貝類耗氧特征，尤其是氨氮水平對耗氧率影響則鮮見報道。河蚌( Anodonta woodiana ) 為我國常見淡水雙殼貝類，濾食性生活，耐污性能強，棲息的底質(zhì)通常營養(yǎng)物豐富，因此常被作為清潔生物用于生態(tài)調(diào)控。本實驗嘗試在半現(xiàn)場條件下，研究不同體重的河蚌在不同氨氮水平下的耗氧率，以反映在其用作清潔生物時對外界氨氮水平的適應(yīng)程度。1 材料和方法1. 1 實驗材料河蚌于實驗前 3 個月采自山東日照的養(yǎng)殖魚塘。魚塘中混養(yǎng)

4、草魚、鰱等，并種有蓮藕。采回后，在中國海洋大學(xué)一個放有錦鯉，栽有睡蓮的池塘中( 簡稱蓮花池) 馴養(yǎng)，并取該池塘的水用于實驗。馴養(yǎng)期間水溫 23 24 ，溶解氧約為 8 mg/L，pH值約為 8. 0。1. 2 實驗方法選擇馴養(yǎng)后的健康河蚌( 帶殼濕重 45 405 g)暫養(yǎng)在容積為 0. 2 m3的塑料箱中。暫養(yǎng)過程中，每天監(jiān)測暫養(yǎng)箱體中的氨氮、懸浮顆粒物( SPM) 濃度及水溫等。暫養(yǎng)箱中的水體用于河蚌耗氧率測定實驗中的實驗水體和對照水體。實驗時水溫保持在 24 ，SPM 濃度在 0. 05 0. 06 g / L 之間，并設(shè) 3 個氨氮水平( 耗氧實驗水體的初始氨氮濃度) ( 表 1) 。

5、依靠河蚌暫養(yǎng)過程中的自身排泄和逐日添加氯化銨的方法達到相應(yīng)的氨氮水平，河蚌適應(yīng)每個氨氮水平 7 d。在每個氨氮水平下，設(shè) 3 個空白對照和 4 個體重組別( 每組有河蚌 4 個，每個體重組設(shè) 3 個平行) 。實驗測定過程中，實驗水體和對照水體的體積相等且盛放水體的容器完全一致，均不密封，意味著在對照水體和實驗水體中的水呼吸導(dǎo)致的溶解氧改變量和水氣界面擴散導(dǎo)致的溶解氧改變量分別相等。實驗前，河蚌并不禁食，每個氨氮水平下的實驗持續(xù) 2 h。溶解氧、氨氮濃度分別用電極法( 所用儀器為YSI-85 型手提式野外水質(zhì)測量儀) 和納氏試劑法測定; 軟組織干重為河蚌軟組織在 65 下，烘至恒重時的重量; S

6、PM 濃度利用 0. 65 m 的濾膜過濾定量水體，在 65 下將該濾膜烘至恒重，據(jù)濾膜質(zhì)量變化獲得。1. 3 計算方法實驗水體溶解氧的變動doe，用下列算式計wt式中，doie為實驗玻璃箱中溶解氧的初始濃度( mg/L) ; dofe為實驗玻璃箱中溶解氧在實驗結(jié)束時的濃度( mg/L) ; om為河蚌呼吸耗氧導(dǎo)致的水體中溶解氧濃度的改變( mg/L) ; owe為實驗水體水呼吸導(dǎo)致的溶解氧濃度變化( mg/L) ; dode為實驗玻璃箱中水 氣界面擴散導(dǎo)致的溶解氧濃度變化( mg/L) ;doc為對照玻璃箱中溶解氧濃度的改變( mg/L) ;doic為對照玻璃箱中溶解氧的初始濃度( mg/L

7、) ;dofc為對照玻璃箱中溶解氧在實驗結(jié)束時的濃度( mg/L) ; owc為對照玻璃箱中水呼吸導(dǎo)致的溶解氧濃度的改變( mg/L) ; dodc為對照玻璃箱中水 氣界面擴散導(dǎo)致的溶解氧濃度變化( mg/L) ; Or為河蚌的耗氧率( mg/( gh) ) 、doci 為第 i 個( i = 1，2，3) 對照水體中溶解氧的變動( mg / L) 、v 為水體體積( L) ; w 為河蚌軟組織干重( g) ; t 為每次實驗持續(xù)的時間( h) 。1. 4 統(tǒng)計分析固定氨氮水平下，以冪函數(shù) awb模擬河蚌耗氧率 Or，其中 a 和 b 是待估參數(shù)9，在實驗所設(shè)計的氨氮濃度和體重( 以軟組織干重

8、計) 水平下，以逐步回歸的方法獲得擬合方程，探討氨氮濃度、體重及其交互效應(yīng)對河蚌耗氧的影響。上述分析，均用 Matlab7. 0 獲得，各個同類模擬方程間的比較，以均方根誤差( RMSE) 為指標(biāo)，RMSE 值較小方程的擬合效果較好10。2 結(jié)果2. 1 特定氨氮水平下河蚌耗氧率在固定氨氮水平下，隨體重增加，河蚌單位體重的耗氧率降低( 圖 1) ，兩者的關(guān)系可用冪函數(shù)模擬( 表 2) 。3 個氨氮水平下，描述河蚌在特定氨氮水平下耗氧率的冪函數(shù)方程中參數(shù) a 的 95% 置信區(qū)間相互重疊，參數(shù) b 的 95% 置信區(qū)間也存在重疊。意味著不同氨氮水平下，河蚌單位體重的耗氧率之間存在差別，但尚未達到

9、統(tǒng)計學(xué)意義上的差異顯著水平。2. 2 體重和氨氮效應(yīng)以 n、w，y 分別表示氨氮濃度、體重( 以軟組織干重計算) ，lnOr，得到描述體重和氨氮濃度以及兩者交互效應(yīng)對河蚌耗氧率影響的擬合方程( 表3) 。在所有擬合方程中，方程 19 的 RMSE 值最大，因為它的表達形式和貝類耗氧率的傳統(tǒng)模擬方程冪函數(shù)方程完全背離。方程 18 是冪函數(shù)方程的等價變化式，但其RMSE 值大于方程 9 的，說明在實驗的氨氮水平和體重范圍內(nèi)，氨氮濃度對河蚌呼吸產(chǎn)生了不可忽視的主效應(yīng)，僅靠體重的主效應(yīng)難以描述河蚌在遭受不同氨氮濃度脅迫后的耗氧響應(yīng)。方程 9 的 RMSE值最小，而其僅包含氨氮濃度和體重對河蚌耗氧率的主

10、效應(yīng)，可見氨氮濃度和體重僅對河蚌耗氧存在主效應(yīng)而不存在交互效應(yīng)。此外，模型 9 中含有氨氮濃度的項的符號為正，且該項系數(shù)的 95% 置信區(qū)間在 0 點的右側(cè)，說明在實驗所對應(yīng)的氨氮濃度范圍和軟組織干重水平內(nèi)，耗氧率隨氨氮濃度的增加而增加; 而包含軟組織干重項的符號為負(fù)，且該項系數(shù)的 95% 置信區(qū)間在 0 點的左側(cè)，說明在實驗范圍內(nèi)，單位體重耗氧率隨體重的增加而降低。綜上所述，方程 9 是最能反映體重、氨氮濃度水平的對河蚌耗氧率的作用的擬合方程。3 討論3. 1 實驗方法水生生物耗氧測定常在流水或靜水系統(tǒng)中進行，實驗前生物通常被禁食7，實驗過程中水 氣界面密封11，和水生生物的實際生存環(huán)境存在

11、一定差異。這種差異的研究結(jié)果應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)、生物調(diào)控等工程實踐時就存在明顯的局限性，比如饑餓程度不同，水生生物的耗氧速率不同7，水體中 DO 水平也會對呼吸特征造成影響12。因此，越來越多的實驗設(shè)計傾向于不禁食，甚至是現(xiàn)場測定13。河蚌主要生活在流速低緩的湖泊、池塘等底部，從水力學(xué)角度看，靜水系統(tǒng)與其棲息生境差異不大。實驗中河蚌并不禁食，既反映河蚌用作清潔生物的現(xiàn)實，又可降低饑餓的影響，且對實驗用水不做特殊預(yù)處理，本研究采用的實驗方法和以往相關(guān)研究13方法類似，屬于半現(xiàn)場實驗。此外，在統(tǒng)計分析水體氨氮水平以及體重對河蚌耗氧率的效應(yīng)時，將所有氨氮水平下所獲得數(shù)據(jù)合并統(tǒng)計分析，通過逐步回歸法獲得擬

12、合方程。通過這些方程，來反映體重、水體氨氮水平以及兩者交互效應(yīng)對河蚌耗氧率的影響，基本可以消除各氨氮水平下的體重水平不完全一致所帶來的影響。3. 2 體重、氨氮作用本研究發(fā)現(xiàn)，在特定氨氮水平下，河蚌單位體重耗氧率隨體重的增加而降低，即耗氧率與體重負(fù)相關(guān)，且兩者間呈冪函數(shù)關(guān)系，這與海灣扇貝( Ar-gopecten irradians )12、魁 蚶 ( Seapharca broughto-nii)14、許氏帆蚌( Hyriopsis schlegelii)15、方斑東風(fēng)螺 ( Babylonia areolat)16、三角帆蚌 ( Hyriopsiscumingii )17，菲 律 賓 蛤

13、仔 ( Ruditapes philippina-rum)18和硬殼蛤( Mercenaria mercenaria)19等貝類耗氧率與體重間的關(guān)系特征相一致。本實驗中，各個氨氮水平下的耗氧率冪函數(shù)曲線的兩個參數(shù) a 和b 的 95% 置信區(qū)間分別有相互交叉的部分，但不完全重疊，說明氨氮水平對實驗體重范圍內(nèi)的河蚌耗氧行為可能會產(chǎn)生影響。氨氮水平對河蚌會產(chǎn)生影響，也可以由方程18 的 RMSE 大于包含氨氮濃度和體重主效應(yīng)的方程 1、9、10，17 的 RMSE，大于包含氨氮和體重主效應(yīng)以及兩者交互效應(yīng)的方程 4、7、8、11，12的 RMSE，也大于包含體重主效應(yīng)和交互效應(yīng)( 指體重和氨氮濃度

14、間的交互效應(yīng)) 的方程 5，16 的RMSE，大于含有氨氮濃度主效應(yīng)和交互效應(yīng)的方程 6 的來說明。因為僅包含體重主效應(yīng)的方程 18是貝類耗氧率與體重關(guān)系普遍模型即冪函數(shù)方程的等價變形，如果氨氮水平對河蚌的耗氧不產(chǎn)生效應(yīng)，那么方程 18 應(yīng)當(dāng)是 RMSE 最小的方程，而事實上它不是，說明了不僅體重影響耗氧率，而且氨氮濃度對河蚌耗氧行為也產(chǎn)生了作用。此外，從方程 1 19 的 RMSE 比較來看，方程 9 的 RMSE 最小，最適合用于本實驗中河蚌耗氧率的模擬，也說明在實驗的范圍內(nèi)，僅僅是體重和氨氮濃度對河蚌耗氧產(chǎn)生主效應(yīng)，而兩者對河蚌的耗氧率無交互作用，而且，耗氧率、體重和氨氮濃度間是一種非線

15、性關(guān)系。生物代謝活動對環(huán)境因子變動的響應(yīng)，普遍會呈現(xiàn)鐘形曲線的形式，比如智利扇貝( Argopectenpurpuratus)7、海灣扇貝( Argopecten irradians)12，方斑東風(fēng)螺( Babylonia areolat)16和橄欖蚶( Estel-larca olivace)20等的耗氧率會隨鹽度升高呈先增加而后下降趨勢; 黃顙魚( Pelteobagrus fulvidraco R. )稚魚耗氧率先隨水體溶解氧濃度升高而升高，后隨外界溶解氧濃度升高而下降21; 亞硝酸鹽對團頭魴( Megalobrama amblycephala Yih) 幼魚的影響呈拋物線的變化規(guī)律，當(dāng)

16、亞硝酸鹽濃度為 2. 5 mg/L 時，耗氧率達到最大值22; 在遭受氨氮脅迫時，澳洲綠唇鮑( Haliotis laevigata)23的耗氧率會先隨氨氮濃度的升高而加快，然后再隨氨氮濃度繼續(xù)上升而減慢。而中國對蝦( Penaeus chinensis)2、舌齒鱸( Dicentrarchus labrax)4，南 美 白 對 蝦 ( Penaeusvannamei)24等的耗氧率則隨外界氨氮水平的升高而上升，本文的結(jié)果與之相一致。與本實驗結(jié)果類似的這種水生生物對慢性氨氮暴露的響應(yīng)，可能是一種 “毒物興奮效應(yīng)”，即毒物低濃度條件下的一種增益效應(yīng)，是其在無毒情況下的刺激現(xiàn)象，而在高濃度下的有毒

17、物質(zhì)則會產(chǎn)生抑制效應(yīng)24。氨氮是水環(huán)境中存在的一種有害物質(zhì)，以離子氨( NH4+) 和非離子氨( NH3) 兩種形態(tài)存在，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換，其中非離子氨因為不帶電荷，具有較強的脂溶性，能夠穿透細胞膜，表現(xiàn)出毒性效應(yīng)，破壞水生動物的鰓組織并滲入血液，降低其呼吸機能和血液載氧能力，導(dǎo)致水生動物缺氧或中毒。氨氮對中華鱘( Acipenser sinens) 稚魚的急性毒性效應(yīng)是使其心率加快，如果水體溶解氧不足，則易使稚魚中毒25; 當(dāng)水體中氨氮濃度過高時，中國明對蝦( Penaeus chinensis) 體內(nèi)氨氮的排泄受到抑制，體內(nèi)氨積累，造成血淋巴中氨氮濃度升高26，使血淋巴中的血藍蛋白含量

18、降低，游離氨基酸濃度增加，血藍蛋白含量降低造成血液的載氧能力降低，從而造成斑節(jié)對蝦( Penaeus monodon)耗氧量增加27。菲律賓蛤仔( Ruditapes philippina-rum) 在遭受急性氨氮脅迫后，血細胞數(shù)量隨著氨氮質(zhì)量濃度的增加而降低28，這意味在一定氨氮范圍內(nèi)，其耗氧率的變化會同氨氮濃度的升高成正相關(guān)。只有氨氮濃度達到一定的閾值，其抑制效應(yīng)會明顯表現(xiàn)出來，在未達到閾值之前，則可能表現(xiàn)為誘導(dǎo)效應(yīng)29。而本實驗中，氨氮尚未對實驗體重范圍內(nèi)的河蚌產(chǎn)生抑制效應(yīng)，這與河蚌的強耐污性相適應(yīng)。參考文獻:1 Yamamuro M Quantification of nutrient

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