養殖密度對魚類福利影響的研究進展

張潔若

當前，水產養殖業正在向生態化和工程化方向發展。與傳統的養殖模式相比，封閉循環水養殖系統（RAS）具有耗水率低、占地面積小、高密度、對環境影響可控程度高、產品安全、可全年生產等優點，是水產養殖業未來發展方向之一。在循環水養殖中，一般通過增加養殖密度來提高單位水體的產量，以實現更高的經濟效益。但是，有很多研究證明提高養殖密度會帶來很多負面影響，例如影響魚類生長和福利，增大養殖風險。以往的研究表明，魚類排泄物和高蛋白飼料殘餌導致水質變壞，病害頻繁發生。還有研究表明，高密度養殖條件下的魚類營養價值與經濟價值下降。

1.養殖密度對生長性能的影響

提高養殖密度會導致種內競爭，因此降低了生長率。有研究證明，對生存空間和食物的競爭導致不同密度下動物代謝水平不同。高密度環境導致魚類對食物的攝入不充足，可機體依舊需要能量儲存去抵抗氧化損傷和維持體內代謝平衡，因此，幾乎沒有能量儲存用于生長。Gao的研究顯示，當處于低養殖密度條件下時，鮑魚的生長和攝食狀況相比于高密度組顯著良好。在錦鯉、建鯉、團頭魴、大雜交鱘、羅非魚、施氏鱘、虹鱒、沙塘鱧、胭脂魚、銀鯧、瓦氏黃顙魚的研究中發現，存活率、終體重、特定生長率、增重率隨著養殖密度升高而顯著降低。Mohamed的研究表明，隨著養殖密度升高，魚的生長率、攝食率、飼料效率和飼料轉化率顯著降低。Qi的研究表明，高養殖密度條件下生長受抑制可能是由于擁擠脅迫引起應激反應，導致應對脅迫的能量需求增加，最終沒有充足的能量用于生長。還有一些研究結果顯示最高的生長率出現在最低飼料轉化率組，說明在較低的攝食率下，魚類傾向于優化消化過程，以獲得更多的營養和更高的食物轉化率。

然而，石首魚科顯示出提高養殖密度對于生長表現的積極影響。Antonio的研究結果顯示越高的養殖密度，生長率越高，體長體重也會升高，而低養殖密度條件下，應激系統的慢性激活對魚的生長產生消極影響。在Antonio的研究中發現，高養殖密度組相比于其他低養殖密度組生長率和飼料轉化效率更高。對黃顙魚的研究顯示，低養殖密度會對生長率產生消極影響。還有研究結果證實，超高密度組比低密度組生長率更高并且消化過程更優。

另外，在鯽的研究中發現，不同的養殖密度對于生長和生理反應無顯著影響。這與塞內加爾鰨魚的研究結果相符，養殖密度對特定生長率、終體重、日增重沒有顯著影響，表明高密度養殖環境對塞內加爾鰨魚存在著較低水平的負面影響，另一種可能是，該實驗設計的密度梯度范圍過小，沒有將能對該種魚特定生長率造成更大影響的高密度組包括進來。這些研究結果之間的差異可能是由于在脅迫環境中的養殖時間、魚種類不同、水質差異以及魚體長的不同。

2.養殖密度對血清生化指標的影響

皮質醇是一種最常見的應激激素，一般認為，高養殖密度會提高各種魚類的皮質醇水平。曹陽與Sadhu的研究結果顯示，高密度組有著更高的皮質醇水平。這種結果與長期暴露在應激條件下的虹鱒魚稚魚下丘腦-垂體-腎間質（HPI）軸的活力有關。然而，也有一些研究稱由于皮質醇的負反饋機制導致HPI軸的調節下降，長期處于應激狀態的魚類皮質醇水平可能不會升高。這些研究結果的不一致可能是由于魚種類不同。

在硬骨魚中，的研究稱應激條件下血清代謝的變化例如葡萄糖、乳酸被認為是主要的二級應激反應，測定血清乳酸、葡萄糖是監測急性應激狀態的有效生物指標。有研究結果顯示，高密度組呈現最高的血清葡萄糖水平，可能與擁擠脅迫相關。這個結果與對亞洲鱸魚的研究一致。然而，肖煒和Qi的研究稱，高養殖密度條件下，武昌魚和羅非魚的血清葡萄糖水平顯著降低。在團頭魴的研究中，血清葡萄糖含量在高養殖密度條件下發生了顯著下降，乳酸含量隨養殖密度的升高而升高。

血清乳酸含量的提升可能由于血清兒茶酚胺濃度升高和氣體交換障礙，導致魚類肌肉組織缺氧。另外，Tiago的研究稱，養殖密度對于塞內加爾鰨魚葡萄糖水平沒有顯著影響。這與步艷的研究結果一致，所有密度組的血清葡萄糖含量無明顯差異。對施氏鱘的研究顯示，不同密度組的皮質醇含量無顯著性差異，這表明皮質醇可能在急性應激反應中發揮作用，而實驗中施氏鱘可能對這種長期脅迫產生了適應性。

3.養殖密度對魚類能量代謝的影響

生長所需能量和維持生命活動(包括應激反應)所需的能量之間存在平衡。對陸生脊椎動物的研究顯示應激會激活機體代謝活動，導致代謝能量需求升高，供應生長的能量降低。有研究表明高養殖密度能夠引發環境脅迫，引起能量需求提升。還有研究稱高養殖密度引發的脅迫會加強能量消耗和代謝能量再分配，環境脅迫致使肝臟代謝程度加強以產生能夠滿足生命活動所需的能量。

3.1 養殖密度對粗脂肪含量、粗蛋白含量的影響

在施氏鱘和瓦氏黃顙魚的研究中，肌肉粗脂肪含量高密度組顯著低于低密度組，表明魚體在擁擠脅迫條件下，首先動員脂肪代謝，增加機體對能量的需求，以適應外界環境變化。步艷的研究顯示，粗脂肪含量有減少的趨勢，但是各組間含量并沒有顯著差異。粗蛋白含量隨密度增大而下降。亓成龍的研究結果表明，隨著養殖密度升高，粗脂肪含量隨著養殖密度升高而顯著下降，而粗蛋白含量在不同組間差異并不顯著。

3.2 養殖密度對肝體指數的影響

有研究稱肝體指數是檢測環境脅迫因子是否產生不利影響的生物指標。有研究顯示，隨著養殖密度升高，肝體指數也升高，表明在不同的養殖條件下，肝臟可能是重要的儲能因子。Tiago的研究顯示，肝體指數（HSI）沒有變化。Mohamed的研究顯示，隨著養殖密度升高，中高密度組的肝體指數相比于低密度組顯著降低。Antonio的研究表明，肝體指數無明顯變化。對大雜交鱘幼魚的研究顯示，養殖過程中大雜交鱘幼魚四個密度組的肝體比沒有顯著差異。

3.3 養殖密度對葡萄糖水平、飼料轉化效率的影響

以往有研究結果顯示，葡萄糖水平與養殖密度呈反比關系，表明在脅迫環境中能源需求會升高。高養殖密度和食物缺乏導致肝臟能量代謝變化，為了加強肝臟輸出葡萄糖的能力，糖異生作用增強。還有研究表明，應激導致的高皮質醇水平會引發代謝活動增強，進而產生額外的能量需求。另外，應激會對飼料轉化率產生影響，這表明從食物中獲得的能量在用于生長和用于代謝之間的分布將發生變化。然而，有研究稱，飼料轉化率不受養殖密度影響。Lupatsch的研究稱魚類通過降低食物攝取來適應擁擠脅迫環境。除此之外，擁擠脅迫導致能量代謝的變化，更多能量被用于應對脅迫環境。提升養殖密度會對攝食產生負面影響，可能是由于應激、對食物和生存空間的競爭導致魚的胃口降低。

4.養殖密度對魚類氧化應激的影響

4.1 養殖密度對抗氧化酶的影響

隨著養殖密度升高，氧氣消耗量將會升高，隨之而來的是殘余食物和代謝廢物的增加，還有水中溶解氧的下降。水產養殖活動中，高養殖密度是提高活性氧(ROS)產量的一種脅迫因子。這些活性氧能夠損傷細胞結構和減弱自氧化作用，導致氧化損傷，提高疾病發生率和死亡率。在魚體中，活性氧的生成可能受養殖相關因子的影響比如說溶解氧濃度變化，投喂水平不足(停食)，溫度變化或者擁擠。

當活性氧的產生與抗氧化劑的活性不平衡時，就會發生氧化應激，而抗氧化劑則保護生物大分子免受氧化。抗氧化劑包括抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)，它可以解毒O2-；谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)，它引發谷胱甘肽依賴性反應同時降低H2O2和有機過氧化物；過氧化氫酶(CAT)，它可以還原H2O2。

以往的研究表明，在短期擁擠脅迫下，機體的抗氧化能力增強，參與抗氧化防御的酶活性增強。有研究顯示，CAT的表達水平在低密度組要顯著低于高密度組，表明養殖密度會引發魚體的氧化損傷，所以魚體通過提高體內抗氧化酶的表達水平來維持平衡。有研究結果顯示低密度條件下肝臟GPX活力降低。吳宗凡的研究表明血清SOD活力隨密度升高而增加。在團頭魴的研究中，SOD活性隨著養殖密度的升高發生了顯著下降，另外，谷胱甘肽過氧化物酶的活性在最低密度組時較低，在其他密度組都較高。對銀鯧的研究顯示，高密度組的肝臟SOD、CAT活性顯著低于低密度組，然而養殖密度對組織中GPX活性以及肌肉CAT活性并未造成顯著影響。在大菱鲆的研究中發現其能夠承受非常高的養殖密度，這可能由于不同種類魚對溶解氧含量需求不同，而大菱鲆的需求較低。

4.2 養殖密度對應激相關基因的影響

4.2.1 對熱激蛋白的影響

生理反應和細胞應激反應是維持穩態的兩種防御機制。前者包含下丘腦-垂體-腎間質（HPI）軸，主要參與皮質醇的產生。后者依賴應激過程中起重要作用的蛋白質和基因，如分子伴侶HSP70和HSP90。作為分子伴侶，熱激蛋白可以幫助機體調節應激反應，保護機體免受環境誘導的細胞損傷。同時，熱激蛋白基因表達水平的變化被作為檢測水生生物應激反應和評估最佳環境條件的有效生物指標。

有研究結果顯示，高密度條件下的HSP70表達升高，但是HSP90并不升高，這與在大西洋鱈魚和施氏鱘中的研究結果一致。Emilio的研究稱，在高密度條件下，肝臟和頭腎中的HSP70的表達顯著降低，然而HSP90并沒有檢測到差異，可能是高密度導致的高皮質醇含量會抑制HSP70的表達。在Montero的研究中，相比于低密度組，養殖密度升高和擁擠脅迫導致HSP70的基因表達水平顯著升高。HSP70在不同的研究中表達水平不同可能由于魚種類不同，脅迫因子類型不同或暴露在脅迫環境下的時間不同。

另外，還有研究結果表明， HSP70的表達水平在高密度組顯著高于其他組，這表明密度應激誘導HSP合成，誘導發生蛋白異常后的修復過程。HSP90的表達水平也是高密度組顯著升高。HSP表達水平在高密度組升高表明HSP70和HSP90是體內免疫系統的激活因子，并在調節免疫系統中發揮細胞因子的作用。因此，HSP70和HSP90的表達水平的升高可能是組織特異性和長期的細胞保護機制導致的，這對提高機體抗氧化應激能力具有重要意義。

4.2.2 對促生長因子的影響

魚類生長受環境條件和GH-IGF通路（包括GH，GH受體，IGF-I和IGF-II，IGF受體和IGF結合蛋白）的高度影響。促生長因子（IGF-I和IGF-II）是單鏈多肽，有著與胰島素相似的結構同源性。它們有許多功能，包括促生長，代謝，細胞分化，生殖和免疫反應。IGF-I含量與飼料量，飼料蛋白含量以及個體生長率呈正相關。一些IGF-I的功能受IGF-I受體的表達和產生以及IGF結合蛋白的影響。另外，IGFs不止調節個體生長，而且它們也作為其他生理反應比如代謝，生殖，免疫反應的調節劑。

Emilio的研究結果顯示，高密度養殖條件下，肝臟中IGF-I，IGF-II的表達顯著降低，腎臟中的基因表達在各密度組間并沒有發現顯著差異，IGF-II的表達量比IGF-I低兩倍。對厚唇烏魚的研究結果則相反，IGF-I基因表達在高養殖密度條件下會升高，并且IGF-I表達水平與養殖密度呈現明顯聯系，低密度組的表達明顯較低。

另外，在海鯉肝細胞中發現IGF-I基因的表達呈現皮質醇含量依賴性降低。在斑點叉尾回的研究中，口服皮質醇會降低IGF-I的循環但是不影響IGF-I在肝臟中的表達。在厚唇烏魚的研究中也表現出皮質醇含量與IGF-I表達量的關系，高皮質醇含量會降低各種應激環境的硬骨魚體內IGF-I的合成。

5.養殖密度對魚類免疫性能的影響

在水產養殖活動中，外在（環境）因素的改變包括：溫度，鹽度，光周期，養殖密度等，內在因素的改變包括:魚體的營養狀況，病菌等，能引起魚體的應激活動。這些應激活動會導致一系列免疫反應，分為一級反應(兒茶酚胺含量和皮質醇含量的改變)，二級反應(代謝水平改變，呼吸率改變，水礦物不平衡，免疫功能和細胞反應改變)，三級反應(生殖生長變化，對于疾病的抵抗力變化，最終存活率變化)。

在集約化養殖中，當養殖種群長期處于應激狀態時，機會性病原體的種類增多，提高了病害的易感性，造成重大損失。與其他高等脊椎動物相比，水生動物更依賴先天免疫系統。其中許多組分包括溶菌酶，補體，各種細胞因子等能夠影響不同的代謝活動。

5.1 養殖密度對溶菌酶的影響

溶菌酶是一種參與先天免疫反應的分子，它是抵御細菌感染的第一道屏障，其活性是魚類非特異性免疫的重要指標之一。有研究稱，不同的應激條件，如養殖密度，周期處理，運輸，水質和營養等都會影響魚類溶菌酶活性。

先前的研究顯示，大菱鲆在120天高密度養殖條件下，溶菌酶的表達水平明顯下降。Lupatsch的研究結果發現高密度組的溶菌酶活性下降，呈現出明顯的免疫抑制。宂成的研究顯示，溶菌酶活性隨著養殖密度的升高而降低。吳宗凡的研究稱，人工循環水系統中養殖密度對鯽溶菌酶活性影響顯著。隨著養殖密度增加，血清溶菌酶活力隨養殖密度的升高而降低。對塞內加爾鰨魚的研究稱，在過度擁擠脅迫30天后，由于皮質醇水平升高，肝臟和腎臟的溶菌酶表達水平下降。同樣的結果也出現在海鯉和大西洋鱈魚的研究中，均呈現過度擁擠脅迫導致血清溶菌酶活性下降。

5.2 養殖密度對血清補體含量的影響

對鱸魚的研究顯示提高養殖密度會導致補體含量下降。Peyman的研究結果表明血清補體含量隨著養殖密度升高而下降。同樣的結果也呈現在海鯛、金頭鯛和花鯉的研究中，在過度擁擠脅迫下，海鯛、金頭鯛和花鯉體內血清補體水平降低。然而，亓成龍的研究顯示，養殖密度并沒有對血清中的C3/C4補體含量產生顯著影響。

5.3 養殖密度對細胞因子的影響

魚的先天免疫系統是復雜的，包含不同的機制，對廣泛的病原體發揮作用。其中一個系統是細胞因子家族，它包含若干組簡單的多肽或糖蛋白，如腫瘤壞死因子—1α(TNF-1α)，白細胞介素（1L-1β）和趨化因子等，這些因子能誘導適應性免疫反應。其中TNF-1α和1L-1 β被認為是重要的促炎細胞因子，參與魚類的炎癥反應，介導多種損傷和感染后的免疫反應。

5.3.1 對TNF-1 α，1L-1 β的影響

先前對海鯛的研究顯示過度擁擠脅迫顯著限制TNF-1α的表達。Peyman的研究顯示長期處于過度擁擠環境中能顯著下調1L-1β基因、TNF-1α基因的表達。然而，在羅非魚的研究中，1L-1β基因、TNF-1α基因的表達量隨養殖密度上升顯著上調。各研究結果之間的差異可能是由于魚種類不同或者實驗條件不同。

5.3.2 對趨化因子的影響

趨化因子包含多種細胞因子小肽，1L-8是由多種類型細胞產生的細胞因子之一，其表達水平受感染、免疫抑制劑和1L-1,TNF-1α等細胞因子分泌的影響。Peyman的研究稱，在長期過度擁擠后，1L-8的表達水平呈密度依賴性下降。由于1L-8在大多數細胞中表達的重要刺激因子是促炎細胞因子，如1L-1 β和TNF-1 α，因此1L-8的表達受到抑制可能是由于炎癥部位缺乏促炎細胞因子。

與Peyman的研究結果相反，Caipang的研究稱，短期過度擁擠對大西洋鱈魚血液中的一些免疫相關基因如1L-1 β，1L-8有上調作用，并維持在高度水平，直至過度擁擠72h后。Peyman的研究結果與Caipang的研究結果之間的差異是由于短期應激(急性)和長期應激（慢性）對魚類免疫系統的影響不同。

另外，Castilo的研究稱長期暴露于皮質醇后，TNF-1α和1L-1 β，1L-8基因表達受到抑制，說明皮質醇抑制了金頭鯛TNF-1α，1L-1 β和1L-8基因的表達。虹鱒在高密度養殖條件下的研究也顯示出同樣結果，長期過度擁擠應激會激活HPI軸和提高皮質醇水平，導致虹鱒TNF-1α的表達受到抑制。

6.組學技術揭示養殖密度對魚類影響的潛在機制

近年來，蛋白質組學、基因組學和轉錄組學等各種組學技術在揭示水產動物生長發育、免疫抗病等方面的研究中越來越重要。利用組學研究，能夠深刻理解水產動物各種生命活動規律的分子機制和內在聯系，并根據相應結果進一步運用到藥物篩選、抗病育種、環境監測和種質資源保護等多個研究領域。

利用組學技術揭示養殖密度對魚類影響的研究已有很多，Alexander的研究結果顯示，提高養殖密度導致鱒魚鰓和腎臟中編碼糖原分解的關鍵酶PYGMA基因上調，相比于中密度組，高密度條件下肝臟中約有90個基因差異表達。另外，通路富集分析預測肝臟中HIF1a基因上調，使得應激狀態下的葡萄糖水平穩定。有研究表明，肝臟mTOR和PI3K/AKT信號通路在較高的養殖密度下受阻，顯示出細胞水平的應激反應。還有對虹鱒的研究發現特異性聚集標記，表明養殖的虹鱒魚經過幾十年的選擇性育種，獲得了更強的耐受力表型。Mahdi的研究發現，恢復組中發現9種蛋白表達降低，包括蘋果酸脫氫酶、血清白蛋白、核苷二磷酸激酶、2-肽酰脯氨酸異構酶、羥基前列腺素脫氫酶、過氧還蛋白、ATP合酶亞基d、富含甘氨酸的RNA結合蛋白和反式酮醇酶樣蛋白。恢復組發現增加的斑點為：腺苷同型半胱氨酸酶、甘油醛3-磷酸脫氫酶、果糖-二磷酸醛縮酶、2-肽酰脯氨酸異構酶、脂肪酸結合蛋白和血清白蛋白。另外，利用MALDI-TOF/TOF質譜聯用技術成功鑒定了20個斑點，相對數量在應用條件下變化至少2倍。

養殖密度是影響魚類福利的重要因素，然而因為魚種和環境的差異，目前并沒有統一的放養密度標準，因此選擇何種養殖密度是適宜的仍是水產養殖業急需解決的基本問題之一。工廠化循環水養殖系統是依托現代工業技術基礎建立起來的，集規范化、工程化、設施化、工廠化、數字化、規模化、標準化和信息化于一體的現代化養殖生產新模式，具有管理高效，養殖設備先進，養殖過程不受地域限制，養殖條件可控，養殖密度高，單位產量高，經濟、社會和生態效益良好，產品質量安全等特點，因此被國際上公認為現代水產養殖的重要發展方向之一。上述諸多研究表明，通過改變投喂方法和養殖條件等生產管理策略，能夠有效改善不合適的養殖密度對魚類福利影響的程度，然而生產管理策略和養殖條件是可控的，這正是循環水養殖系統的優勢和主要特點。因此大力展開研究循環水養殖系統中養殖密度和投喂策略以及苗種質量、調控能力和系統水質凈化、光控調節、水流速度等對魚類福利的影響，優先建立一種適于工廠化養殖重要經濟魚類的標準化、高密度生產模式，無疑是今后進行水產養殖研究的重要任務。對于種間差異很大的養殖經濟魚類而言，探究出單一品種的合理養殖密度是至關重要的，因此建議應當盡快進行相關研究，這將對未來實現標準化、規模化、工業化養殖道路，提升養殖產品品質，提高養殖魚類福利水平和確保安全生產，實現水產養殖業健康可持續發展起到十分重要的作用。