基于生物標(biāo)記法的魚類創(chuàng)傷防治策略分析

［美國(guó)］A.米諾可 等

1 創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)及防治措施

魚類經(jīng)過水電站設(shè)施時(shí)，主要會(huì)受水輪機(jī)和泄流孔水力學(xué)變化，以及水深驟變等因素引起的物理損傷。依照生物學(xué)觀點(diǎn)，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)對(duì)FCRPS 水壩的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式進(jìn)行了修正。措施主要包括增加輔助魚類繞過水輪機(jī)的旁道系統(tǒng)，改進(jìn)內(nèi)部水輪機(jī)構(gòu)造以及優(yōu)化溢洪道和閘口等。

這些措施旨在增加進(jìn)水量，在保證水質(zhì)中的總?cè)芙鈿怏w不會(huì)過高的同時(shí)，以便魚類安全通過這些設(shè)施。此外，還提供了表層定向水流，減少了遷徙幼魚通過大壩的時(shí)間。

FCRPS 水壩在大部分水輪機(jī)入口處都安裝了隔板，以便幼魚順著水流進(jìn)入旁道系統(tǒng)，改變方向，而不通過大壩。水輪機(jī)的改進(jìn)措施還包括安裝新型的水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)組件，以減少魚體接觸水輪機(jī)和液壓變速的傷害。

在FCRPS 水壩的初始設(shè)計(jì)中考慮了水流超負(fù)荷通過泄洪道時(shí)的液壓容量，包括一些碎屑和冰塊通過閘口。一旦幼魚能夠找到?jīng)]有水輪機(jī)的通道，便可對(duì)這些物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)，進(jìn)而優(yōu)化其運(yùn)行方式，以保證幼魚安全通過。沒有水輪機(jī)的魚道有多種選擇方案，從簡(jiǎn)單添加滑槽式水流偏轉(zhuǎn)器，到大力改進(jìn)閘口將水流引入導(dǎo)水管，使魚類通過管道運(yùn)送至大壩較遠(yuǎn)處的下游。實(shí)踐證明，將表層水引入到大壩泄洪道改造措施能夠幫助魚類安全通過，這是利用幼年鮭偏好于接近表層洄游的行為特征。

采用流量較大的表層通道路線，使單位水體中能夠通過更多的魚類個(gè)體，這樣不僅可優(yōu)化魚道，而且允許更多的水流通過水輪機(jī)用于發(fā)電。用于表層魚道設(shè)計(jì)的泄洪道全部用堰構(gòu)成，但在構(gòu)造細(xì)節(jié)、造價(jià)和操作復(fù)雜性方面有所差異。最復(fù)雜的是泄洪道內(nèi)部堰壩，大量的金屬結(jié)構(gòu)跨立于泄洪道頂部，在河水高流量時(shí)期能夠移除這些堰壩，以發(fā)揮泄洪道的基本功能。其次是位于堵水閘門通道的堰，原本是用于在控制門失效時(shí)或輔助控制門關(guān)閉泄洪道。在FCRPS 水壩結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)以及水流通過沒有水輪機(jī)通道的配置中，在滿足“生物學(xué)觀點(diǎn)”及恢復(fù)種群需求的同時(shí)，也考慮到水電站的發(fā)電效能。然而，以“生物學(xué)觀點(diǎn)”為指導(dǎo)框架的大壩重構(gòu)設(shè)計(jì)，需要在其有效性評(píng)估方面進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 創(chuàng)傷生物標(biāo)記

將幼鮭暴露在不同水力學(xué)作用條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，沖擊、切力、壓力梯度以及定向障礙等因素均會(huì)對(duì)魚體造成不同程度的傷害。近期研究也發(fā)現(xiàn)，在高切力和紊流水體中的魚類，較之在無紊流通道中的運(yùn)動(dòng)個(gè)體，更易遭到傷害和直接被捕食的風(fēng)險(xiǎn)。

利用試驗(yàn)，計(jì)算魚類個(gè)體通過魚道48 h 后的直觀創(chuàng)傷和死亡率，以完成創(chuàng)傷評(píng)估。而亞急性損傷由于不可見的傷害或特征而無法常規(guī)測(cè)定，由于缺乏定向障礙的試驗(yàn)處理，這種觀測(cè)一般不適用于檢測(cè)水電結(jié)構(gòu)配置的現(xiàn)場(chǎng)研究中。魚類創(chuàng)傷生物標(biāo)志物是評(píng)估魚體受傷程度的量化指標(biāo)，因?yàn)轸~類頭部損傷很可能源于物理創(chuàng)傷，如撞擊到一個(gè)物理結(jié)構(gòu)或受到極端高水流的沖擊，基于亞急性物理創(chuàng)傷快速評(píng)價(jià)的生物標(biāo)志物方法，對(duì)于確定水電站結(jié)構(gòu)對(duì)魚類健康的影響至關(guān)重要。

2009 年，米諾可等人率先通過實(shí)驗(yàn)和調(diào)查相結(jié)合的研究方法，利用分子蛋白標(biāo)記，評(píng)估和比較大鱗大馬哈魚(Chinook salmon)洄游幼魚發(fā)生頭部創(chuàng)傷的情況。該方法基于人類生化研究中采用特殊哺乳動(dòng)物標(biāo)記來快速評(píng)價(jià)人腦外部創(chuàng)傷的方法。應(yīng)用于人類健康方面的分子標(biāo)記一般也適用于其他哺乳動(dòng)物。然而，由于目前缺乏對(duì)生物標(biāo)記暴露及其對(duì)環(huán)境、化學(xué)和物理方面脅迫效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，因此難以將其應(yīng)用到非哺乳類野生動(dòng)物的風(fēng)險(xiǎn)管理。生物標(biāo)記法特異性檢測(cè)α－Ⅱ血影蛋白的分解產(chǎn)物——一種重要的分子結(jié)構(gòu)蛋白。

結(jié)合應(yīng)用分子標(biāo)記法與可見性創(chuàng)傷率觀察法，可實(shí)現(xiàn)在各種溢洪道結(jié)構(gòu)中進(jìn)行兩種現(xiàn)場(chǎng)研究，還能作為分子蛋白標(biāo)記來研究通過魚道引起的亞急性腦損傷。在這兩種研究中均采用了總死亡個(gè)體數(shù)與魚類總數(shù)之比，并提供了簡(jiǎn)單信息來評(píng)價(jià)對(duì)遷徙幼鮭傷害最小的特殊溢洪道和結(jié)構(gòu)。這些成果的重大意義在于，在遴選物理學(xué)和水文學(xué)壓力測(cè)定方法時(shí)，發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)記與歷經(jīng)沖擊和壓力的魚類具有更為密切的聯(lián)系。

3 前 景

近年來，通過生物標(biāo)記法檢測(cè)血漿樣品，診斷魚體的內(nèi)部創(chuàng)傷，而不僅限于腦部創(chuàng)傷。這一特殊應(yīng)用具有重要意義，即不需要致死取樣，并且生物標(biāo)記能夠用于檢測(cè)對(duì)某一條件、或一系列水電運(yùn)行監(jiān)控條件下做出響應(yīng)的系統(tǒng)性創(chuàng)傷。最新研究正致力于將生物標(biāo)記結(jié)果與魚類生理學(xué)和行為學(xué)信息結(jié)合起來，構(gòu)建生物標(biāo)記表達(dá)水平的個(gè)體死亡率。

遲發(fā)型死亡的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于FCRPS 的運(yùn)行至關(guān)重要，此外為滿足魚類存活和大壩運(yùn)行有效優(yōu)化，應(yīng)用生物標(biāo)記法對(duì)指導(dǎo)其他水電設(shè)施，減輕對(duì)本地魚類的影響也非常重要。