撲草凈對鯽魚(Carassius auratus)生長的影響及其導致的水體營養鹽變化

楊振江, 黃歲樑, 孔文文, 于 輝, 李灃原

(南開大學 環境污染過程與基準教育部重點試驗室，天津市城市生態修復與污染防治重點試驗室，環境科學與工程學院水環境數值模擬研究室，天津 300350)

1 研究背景

中國的水產養殖業發展迅速，自1990年以來, 中國水產養殖的產量世界領先[1]，養殖的魚類水產品總量占世界生產總量的70%[2]。鯉科魚類為中國最重要的水產養殖品種，中國漁業統計年鑒[3]顯示，鯽魚(Carassiusauratus)、鳙魚(Aristichthysnobilis)、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)、鯉魚(Cyprinuscarpio)和草魚(Ctenopharyngodonidellus)在中國水產養殖業中占主導地位。

漁業養殖活動可增加水體氮磷負荷，進而導致水體富營養化[4-5]，藻類爆發性繁殖，破壞水域生態平衡。為控制水體富營養化引起的藻類過度繁殖所帶來的影響，撲草凈(CAS-No.7287-19-6)等農藥在漁業中被用來清理漁業水體中的青苔及有害藻類等[6]。同時，撲草凈廣泛用于控制各種作物如棉花和芹菜等出苗前、后的一年生草和闊葉雜草[7]，殘留的撲草凈可通過降雨等進入水體。

撲草凈的化學名稱為2-甲硫基-4，6-雙異丙氨基均三氮苯，純品為白色結晶，在水中的溶解度為33 mg/L(25 ℃)，易溶于有機溶劑，熔點為118～120 ℃[6]，是一種持久性甲基硫代三嗪除草劑[8]。撲草凈具有與苯環類似的結構，因此化學性質比較穩定，不易在水中降解[9]，會在動物體內殘留[10]，對魚類等動物產生影響[8]，也會對魚類代謝、組織器官及其體內抗氧化活性酶等產生影響[11-12]，進而阻礙魚類生長[12]。因此，目前許多國家和地區禁止使用撲草凈，但在實際生產中許多地方仍在使用[13]。因此，撲草凈在環境中廣泛殘留[10]。Stara等[12]研究發現，捷克的河流中撲草凈濃度達到0.51 μg/L；徐雄等[14]在我國太湖、長江、黑龍江、松花江以及南水北調中東部和中部運河等重點流域地表水中均檢測到了撲草凈。

鯽魚(Carassiusauratus)是中國重要經濟魚類[15]，因其體型適中，便于在實驗室內養殖。撲草凈的檢測方法、在水體中的吸附解吸[16]及其對植物的毒性效應[17]已有報道，而其對鯽魚生長的影響以及其對水體營養鹽變化的間接影響尚未見報道。基于上述背景，本研究以撲草凈作為目標污染物，以鯽魚作為受試生物，于實驗室內水族箱中進行試驗，研究撲草凈對鯽魚生長的影響及其間接對水體中營養鹽濃度產生的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

使用規格為46.0 cm×38.5 cm×50.0 cm(長×寬×高)的玻璃水族箱。每個水族箱中飼養3尾體長9.34±0.3 cm、體質量23.75±2 g的健康鯽魚。所選鯽魚購自天津市津南區農貿市場，試驗開始前鯽魚均已在試驗條件下馴養15 d。水族箱內注入50 L曝氣2 d的自來水。

選用德國Dr. Ehrenstorfer公司生產的純度為99.0%的撲草凈純粉，在錐形瓶內與水混合并使用磁力攪拌器以1 000 r/min連續攪拌24 h后經0.45 μm濾膜過濾，獲得濃度為36.20 mg/L的撲草凈水溶液，取552.49 mL比溶液注入水族箱并加水定容至50 L，水族箱內撲草凈濃度為400 μg/L。該撲草凈濃度為謝劍等[18]推薦的蝦池使用濃度(0.02～0.89 mg/L)。

魚餌購自淮安通威飼料有限公司，其粗蛋白和總磷含量分別為29.6%和1.4%。

2.2 試驗方法

本試驗設有無魚組和有魚組。無魚組包括只投加魚餌的處理組(F組)和投加餌料并暴露撲草凈的處理組(FP組)；有魚組包括投喂魚餌飼養鯽魚的處理組(FF組)，以及撲草凈暴露條件下飼養鯽魚的處理組(FFP組)。每組試驗設有兩個平行。每天上午9點由專人手動投餌一次，投餌量為鯽魚初始體質量的1.0%。據觀察，有魚時所投餌料全部被鯽魚攝食。試驗周期為92 d，期間不換水，每2天補充蒸發損失的水以保持水量基本不變。另外，試驗期間使用電磁式空氣壓縮機持續充氧，光暗比為12 h∶12 h。

圖1 水溫、pH及累積投餌量隨時間變化曲線

2.3 理論基礎

選擇體長生長率(LGR)，體質量生長率(WGR)，特定生長率(SGR)，餌料系數(FCR)，餌料轉化率(FCE)及蛋白質效率(PER)[21-23]評價鯽魚生長，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：W0為鯽魚初始體質量，g；L0為鯽魚初始體長，cm；Wt(WT)為時間t(時間T)時的鯽魚體質量，g；Lt(LT)為時間t(時間T)時的鯽魚體長，cm；F為總投餌量，g；CPC為粗蛋白含量，%；t為試驗時長，d；T為試驗周期，d，本試驗T=92 d。

前人的研究中，Logistic模型[24]以及von Bertalanffy模型[25]等被廣泛應用于描述魚類生長過程。經驗證，本研究中鯽魚的體質量生長率(WGR)和體長生長率(LGR)隨時間變化過程符合Logistic方程，方程如下：

(7)

(8)

式中：WGRmax和LGRmax分別為鯽魚最大體質量生長率和最大體長生長率，%；rWGR和rLGR分別為鯽魚體質量和體長生長率變化速率系數，d-1；aWGR和aLGR均為常數。

此外，本研究中無撲草凈組和有撲草凈組鯽魚的WGR和LGR差值(ΔWGR和ΔLGR)隨時間變化過程也符合Logistic方程，即方程(9)和(10)：

(9)

(10)

式中：ΔWGRmax和ΔLGRmax分別為鯽魚最大體質量生長率和最大體長生長率差值，%；rΔWGR和rΔLGR分別為鯽魚體質量和體長生長率差值變化速率系數，d-1；aΔWGR和aΔLGR均為常數。

同時采用Logistic方程擬合營養鹽濃度隨時間變化，即方程(11)：

(11)

式中：C為時間t時的營養鹽濃度，mg/L；Cmax為最高營養鹽濃度，mg/L；rC為營養鹽濃度變化速率系數，d-1；aC為常數。

3 結果與分析

3.1 撲草凈對鯽魚生長的影響

圖2為鯽魚的體質量生長率(WGR)和體長生長率(LGR)及FF組與FFP組體質量生長率和體長生長率差值隨時間的變化。由圖2可以看出，試驗開始階段，無撲草凈組(FF組)和有撲草凈組(FFP組)鯽魚的體質量生長率和體長生長率均隨時間推移(累積投餌量增加)迅速增高，然后增速降低并很快趨于穩定，如圖2所示。體質量生長率和體長生長率與累積投餌量顯著正相關，相關系數(r)為0.513～0.957(P=0.001～0.046)。此外，如圖2所示，方程(7)和(8)可用于描述本研究中鯽魚的體質量生長率和體長生長率隨時間的變化過程(R2=0.959～0.997)。

表1為采用Logistic方程擬合鯽魚生長變化的參數。由表1可知，有撲草凈組鯽魚的最大體質量生長率為6.40%，低于無撲草凈組(9.73%)。有撲草凈組鯽魚的最大體長生長率為5.23%，低于無撲草凈組(7.18%)。此外，有撲草凈組體質量生長率擬合曲線的變化速率系數(rWGR)(0.24)低于無撲草凈組(0.30)。

表2為鯽魚生長性能的參數。可見，有撲草凈組鯽魚的餌料系數比無撲草凈組高100.4%，相應地，有撲草凈組鯽魚的特定生長率、餌料轉化率、體質量生長率、體長生長率和蛋白質效率比無撲草凈組低8.7%～50.3%，經方差分析，撲草凈對鯽魚的餌料系數、餌料轉化率、體質量生長率、體長生長率和蛋白質效率均有顯著影響(P<0.05)。這與Cattaneo 等[11]和Stara等[12]研究結果類似。

本試驗期間鯽魚死亡率為0，但觀察到有撲草凈組鯽魚旋轉游動，游動遲緩等異常行為，喪失正常游動能力，撲草凈對鯽魚具有明顯的毒性效應。趙倩等[6]在研究撲草凈對斑馬魚毒性效應的實驗中觀察到相似現象。Stara等[12]發現撲草凈的毒性效應導致鯽魚的抗氧化系統參數發生變化。此外，Shanmugavel等[26]研究發現撲草凈可對魚類消化過程產生不利影響。這些均表明，撲草凈可對魚類的新陳代謝等產生影響，從而影響魚類生長。

無撲草凈組與有撲草凈組鯽魚體質量生長率和體長生長率的差值可以衡量撲草凈對鯽魚生長的影響水平。試驗開始后，無撲草凈組與有撲草凈組鯽魚的體質量生長率差值(ΔWGR)和體長生長率差值(ΔLGR)逐漸增高(見圖2)，表明撲草凈對鯽魚體質量生長率和體長生長率的影響逐漸增強。隨著試驗進行，無撲草凈組與有撲草凈組鯽魚的體質量生長率和體長生長率差值逐漸趨于穩定。方程(9)和(10)可較好地描述ΔWGR和ΔLGR隨時間變化(R2=0.952～0.982)。ΔWGR和ΔLGR的最大值ΔWGRmax和ΔLGRmax分別為3.37%和1.00%，如表1。此外，擬合曲線變化速率系數rΔWGR和rΔLGR分別為0.49 d-1和2.27 d-1，表明體長生長率差值的變化速率高于體質量生長率差值的變化速率，可能是由于撲草凈對鯽魚體長生長的影響水平高于撲草凈對鯽魚體質量的影響水平，該現象有待進一步驗證。

注：FF組為無撲草凈組，FFP組為有撲草凈組，以下同。

表1 鯽魚生長曲線擬合相關參數

表2 撲草凈對鯽魚生長性能的影響

3.2 撲草凈存在時水體營養鹽變化特征

根據Shanmugavel等[26]的研究，撲草凈導致鯽魚對蛋白質的消化率降低，從而影響水體中氮營養鹽濃度，如本研究中發現，有撲草凈組的TDN平均濃度比無撲草凈組低1.4%，且有撲草凈組的最高TDN濃度Cmax比無撲草凈組低1.2%(見表3)。有撲草凈組的TN、TPN、TP和TPP平均濃度比無撲草凈組低1.0%～41.4%，且有撲草凈組TN和TP的最高濃度Cmax分別比無撲草凈組低1.0%和4.2%(見表3)。

統計分析表明，有、無撲草凈組的TPN和TPP濃度差異顯著(P<0.05)。劉峰等[33]研究發現魚類對底泥的擾動作用影響水體中營養鹽的濃度。本研究中，可能是撲草凈對鯽魚的毒性效應導致鯽魚對底部沉積物的擾動作用減弱，使水中TN、TPN、TP和TPP濃度低于無撲草凈組。而有撲草凈組的TDP和PO43--P 平均濃度比無撲草凈組高8.6%～10.6%。此外，有撲草凈組TDP和PO43--P 的最高濃度Cmax分別比無撲草凈組高1.6%及13.5%(見表3)。這可能是由于撲草凈影響了鯽魚對磷的吸收同化作用，間接對水體中TDP和PO43--P濃度產生影響。

圖3 無魚時及TPP 濃度隨時間的變化

圖4 有魚時及TPP 濃度及有無撲草凈組營養鹽濃度差值隨時間的變化

有魚時，統計分析顯示有、無撲草凈組各形態氮營養鹽濃度與TN濃度比例無顯著差異(P>0.05)，例如，無撲草凈組TDN濃度為TN濃度的93.59%，有撲草凈組TDN濃度為TN濃度的94.25%。然而，統計分析顯示有、無撲草凈組各形態磷營養鹽與TP比例差異顯著(P<0.05)。例如，無撲草凈組TDP濃度為TP濃度的72.15%，有撲草凈組TDP濃度為TP濃度的79.53%。此外，無撲草凈組和有撲草凈組TN/TP分別為6.96%和6.60%，具有顯著差異(P<0.05)。

表3 Logistic方程擬合營養鹽濃度隨時間變化過程參數

表4 各形態營養鹽比例 %

4 結 論

本試驗研究撲草凈對鯽魚生長的影響，并對比有無撲草凈情況下水體中營養鹽濃度變化特征，主要結論如下：

(1)撲草凈400 μg/L試驗條件下，顯著抑制鯽魚生長，有撲草凈組鯽魚的特定生長率、餌料轉化率、體質量生長率、體長生長率和蛋白質效率比無撲草凈組鯽魚低8.7%～50.3%(P<0.05)。

(2)有魚時，有撲草凈組的總氮、總顆粒氮、總磷和總顆粒磷濃度比無撲草凈組低1.9%～41.4%，其中總顆粒氮和總顆粒磷濃度差異顯著(P<0.05)，可能是由于撲草凈對鯽魚的毒性效應影響鯽魚對沉積物的擾動作用以及鯽魚對魚食的新陳代謝作用，從而影響水體營養鹽濃度。

(3)試驗條件下鯽魚生長過程(R2=0.959～0.997)和營養鹽濃度隨時間變化過程(R2=0.973～0.996)符合Logistic方程。

綜上所述，撲草凈可顯著抑制鯽魚生長，其對鯽魚的毒性效應間接對水體營養鹽濃度變化產生影響。因此，撲草凈對生態系統產生的深遠影響值得進一步研究。