氨氮對魚類的毒性及魚類應對氨氮毒性的策略

付瑩，趙玉蓉

（湖南農業大學湖南畜禽安全生產協同創新中心，湖南 長沙 410128）

在集約化養殖下，水體中常出現毒性物質氨的過量積累，對魚類造成不良影響，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采取適應機制緩解氨毒。

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。養殖水體中的氨氮主要來自殘餌和魚類排泄物等含氮有機物的降解。而高密度集約化養殖加大了水體含氮物質的負荷，造成氨氮積累；外界氨氮污染水，如工業廢水、生活污水、畜禽養殖污水和農業徑流等排入水體中時，更加重了水體氨氮的負荷。過高的水體氨氮含量不僅引起水體富營養化，還會毒害水生動物。

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，二者的平衡反應方程如下：

氨的毒性常以總氨（NH3+NH4+）的濃度表示，一般化學分析方法（奈氏試劑法、水楊酸法等）測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：環境因素和生物自身。

3.1 環境因素

3.1.1 pH和溫度

NH3為親脂性分子，半徑較小，比NH4+更易透過脂質性生物膜進入體內，使機體氨氮濃度升高，危害機體。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。但兩者在水體中的比例受多種因素影響。Emerson指出，淡水中NH3的比例可按下式計算：

[NH3]=[NH3+NH4+]/（10pka+pH+1）

pKa=（0.09108+2729.92）/（273.2+T）

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

一般認為，當OH-的濃度隨著pH的增加而增加時，使NH3·H20的平衡向生成NH3的方向進行，使NH3的濃度增加，氨氮毒性增強[15]，pH僅增大0.4時，NH3的濃度就會翻倍。Weirich等[16]研究發現，鱸Lateolabrax japonicus對氨氮的吸收速率隨pH的上升而增加。總之，pH升高不僅會增加水體NH3的濃度，還會加快魚體對氨氮的吸收。

Ktr等[17]研究表明，對蝦的NH3半致死濃度與溫度呈負相關，即水體氨氮毒性隨著溫度的升高而加劇。這是因為溫度升高時，機體的新陳代謝加快，促進了魚體對外界物質（包括水體中的氨）的吸收[18]。溫度還影響細胞膜的滲透性、內源性氨的產生。但溫度對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]。這可能是因為水中高濃度的溶解氧有利于緩解氨機體血液載氧能力的下降，促進NH3從水體溢出；或者有利于機體內有毒的氨氮轉化為無毒的硝酸鹽等，緩解氨毒。

3.1.3 鹽度

在一定范圍內，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體水鹽平衡的Na+/NH4+交換系統隨著鹽度的增加而變得活躍，調動更多NH4+參與該系統而排出體外，使機體的氨氮排泄率升高[24]。海水鹽度較低時不利于氨從魚體排出，使氨在體內過量累積，加劇氨氮對機體的負面影響[25,26]。

3.2 生物本身

除環境因素外，水生動物種類、規格、體質等也影響水體氨氮的毒性。水生生物對氨氮的敏感性因種類而異。一般海水生物對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，通常幼齡期對氨氮較為敏感[29]。

4 氨氮致毒機理

水體中NH3含量≤0.02mg/L時，魚類生長、繁殖等生命活動基本不受影響，當水體NH3濃度超出該范圍時，則會危害魚體[30]。在水中，NH3容易透過生物膜進入體內而迅速轉化成NH4+。機體內95%的氨氮以NH4+的形式存在[31]。

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

其次，氨還會損害魚類的中樞神經系統，其中毒機制與哺乳動物肝腦病極為相似。目前發現，哺乳動物氨中毒的機制主要為：氨導致谷氨酰胺（Gln）在體內過量積累，使神經膠質細胞腫大，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在胞內過量增加易導致星型膠質細胞腫大，引發腦水腫[37]并促進Glu釋放進入細胞間。對魚類的研究表明，即使出現谷氨酰胺累積時，也未出現腦水腫現象[38]，這與哺乳動物不同。此外，NH4+還能引起神經元表面去極化。胞間累積的Glu和去極化的神經元二者均能激活位于神經元表面的NMDA受體。該受體的過量激活促進NO合成[39,40]，激活Na+/K+-ATP酶。Na+/K+-ATP酶的激活會加快腦中能量消耗，過量的NO不僅增加機體氧化應激，還易產生高毒性過氧化氮，損害線粒體呼吸，引發ATP耗竭，導致細胞死亡[41,42]。相關研究表明，哺乳動物體內注射NMDA受體拮抗劑（MK801等）能夠延遲甚至消除氨毒的負面影響[43，44]，但MK801并不對所有魚類有效。在氨氮脅迫下，MK801對泥鰍Misgurnus anguillicaudatus具有保護效果[45]，同劑量MK801對彈涂魚Periophthalmodon schlosseri和薄氏彈涂魚Boleophthalmus boddaerti卻無效果[46]。

5 魚類應對策略

在一定范圍內，魚類能將體內的氨轉化為谷氨酰胺和尿素，減少體內氨的產生，增加NH3的揮發和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 轉化為低毒性的物質

5.1.1 谷氨酰胺

在高濃度氨的水體中，大多數魚類能夠將體內的NH4+轉化為無毒的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，每合成1mol Gln能消耗2mol NH4+。Sinha等[47]研究表明，暴露在高濃度環境氨的情況下，虹鱒Oncorhynchus mykiss、金魚Carassius auratus和鯉Cyprinus carpio體內Gln水平均高于對照組，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，僅發現少數硬骨魚類，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，大多數硬骨魚并不利用該途徑解毒。這可能因為尿素合成是一個極其耗能的過程。在尿素循環中，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胞膜上的尿素/Na+逆向轉運體，通過耦合作用實現對尿素的低滲透性，將尿素轉運回血液中，以維持體內高濃度的尿素[48]。當面臨氨氮脅迫時，魚可以將體內的氨以尿素的形式直接經鰓排出體外。

5.2 減少體內氨的產生

魚體內源性氨主要來源于蛋白質的分解代謝，由肝臟所產生。在劇烈運動時，肌肉中氨基酸和腺苷酸的脫氨基作用也會產生氨。一般魚體內產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，氨的排放會受到抑制而在體內積累。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和氨基酸的分解代謝避免體內氨的過量積累[49,50]。

5.3 NH3揮發

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

5.4 NH4+的排放

Wilson和Taylor[53]發現，在高濃度氨環境下，虹鱒在淡水和海水中分別能進行NH4+/H+和NH4+/Na+交換，將體內部分氨排出體外，以應對水中高濃度的氨。Randall等[55]也發現，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，鰓復雜結構，充滿大量血液，與外界接觸面積很大，是進行氣體交換的重要位置，很可能與NH4+的排放有關。因為在鰓上皮泌氯細胞的基底外側膜上，含有大量氨敏感型的Na+/K+ATP酶和Na+/K+/Cl-協同轉運蛋白，兩者能將NH4+轉入泌氯細胞內，進入細胞的NH4+可通過Na+/H+（NH4+）交換載體排出體外（圖2）。

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

6 結語

氨為一種有毒物質，對魚類的致毒機理尚不明晰，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調控劑，補償尿素合成的能量消耗，促進尿素合成以緩解魚類氨氮脅迫，以及通過平衡飼料氨基酸，減少含氮物質的產生，減緩魚類氨氮脅迫還有待進一步研究。

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