编辑 | 水产研究社
最新首发 | 了解最新水产养殖知识，关注：水产研究社
水产养殖，病害防治，水质调节，技术交流，生态养鱼，养虾，养蟹，健康渔业，您值得信赖的水产小帮手。
摘要:氨氮广泛存在于养殖水体中,在氨氮过高的养殖环境下可能会导致鱼类的大量死亡。
从生态、环境及养殖效益角度来看,研究氨氮对鱼类的毒性以及鱼类应对环境或体内高氨浓度的策略均具有重要意义。
某些鱼类具有其特殊的策略来降低氨毒性,使得这些种类能适应极高的环境或体内氨浓度。
这些耐氨策略主要为：(1)合成谷氨酰胺、(2)合成尿素排出、(3)增强机体NH4 排泄、(4)Rh蛋白促进氨解毒、(5)降低周围环境pH、(6)NH3挥发和体表碱化、(7)降低体内氨生成、(8)特定氨基酸代谢生成丙氨酸、(9)组织高氨耐受性。
鱼类的氨耐受策略较多而且是可变的、主要受特定种类的生活习性和栖息环境影响。
人工饲料的过量投喂,是导致养殖水体中氨氮含量偏高的重要原因之一。
氨氮对水生动物具有较强的毒性，可引起其抽搐、昏迷和死亡,这可能是由于过高浓度的NH4 才取代了K 以及神经元去极化,随后会造成中枢神经系统细胞的死亡。
大量研究也报道了氨氮对鱼类的毒性作用，如草鱼、黄鱼以及舌齿鲈等。
环境中氨氮由农业径流以及生物废弃物分解产生，然而鱼类机体中的氨主要是由氨基酸代谢产生。
鱼类消化食物中的蛋白质会产生氨基酸，但鱼类却不能贮存多余的氨基酸，因此除去用于生长所需,鱼类摄入食物中过量的氨基酸和蛋白质会转化成脂肪和碳水化合物储存于肝脏中，而转化过程需要去氮,氨则在这一过程中产生。
由于氨对水生动物的高毒性，在通常情况下鱼组织或器官中氨含量应该保持在较低的水平。
当鱼体内氨含量达到了一定量的时候,其多数鱼类会表现出致死作用。但是,某些特殊种类却具有其独特的氨耐受机制，以应对环境或者体内过高的氨浓度。
本文依据国内外的研究资料系统地总结了氨对鱼类毒性的影响因子及气呼吸型鱼类的耐氨策略,为今后相关的研究提供基础资料。
1.氨氮对鱼类的毒性
氨氮广泛存在于水环境中,由动植物排放或者微生物分解有机质产生。
而水生动物体内的氨则主要是由于氨基酸代谢产生的，动物肠道分解食物中的蛋白质是氨基酸的主要来源。
研究表明鱼类摄入食物中40%-60%的氮会在24h内排泄出。
除此之外,鱼类在饥饿状态下也会将肌肉蛋白质代谢为氨基酸，以提供ATP源或者碳水化合物。
而当暴露于较高的环境氨氮中时,鱼类会降低自身的氨基酸代谢速度以减少体内氨的生成以保护机体免于氨氮毒性。
已有大量的研究报道了氨氮对鱼类的毒性，如高环境氨氮会导致虹鳟、鲤和鲫鱼鳃结构异化，也会导致牙鲆鳃结构变化；
类似的研究还可见亚马逊沼虾、凡纳滨对虾、高体雅罗鱼、细鳞肥脂鲤、小锯盖鱼等。
在液态环境下，氨可以非离子态的NH3,和离子态的NH4 两种形态存在，其转化方程式为：
此反应的解离常数(pKa)为9.0-9.5左右，鱼类血液的pH较氨反应的pKa低，因此氨在鱼类血液中主要(>95%)以NH4 的形式存在。
血氨可通过血液循环累积至不同的组织中，但氨具有较强的细胞毒性，机体必须排泄多余的氨。
氨可激活细胞液中的磷酸果糖激酶I以促进机体糖酵解作用，也可通过影响核糖体三羧酸循环来干扰机体能量代谢 。
也有研究表明高浓度氨氨暴露可通过增加谷氨酸盐的释放量或者(以及)降低谷氨酸盐的重吸收致使细胞外谷氨酸盐含量的升高。
此外N-甲基-D-天门冬复酸型谷氨酸(N-methyl-D-aspartate-type glutamate,NMDA)受体也被大量的激活，NMDA的大量增加导致机体Ca2 及Na 的大量增加。
高浓度氨氮暴露引起的过量NMDA具有神经毒性，可引起氧化应激反应，造成神经元变形和死亡以及线粒体渗透性的改变。
在体内高氨条件下,线粒体渗透性的改变会导致谷氨酸盐通过线粒体膜的渗透以及通过星形胶质细胞线粒体基质中的谷氨酰胺酶生成氨。
但与哺乳动物相比,鱼类通常具有较强的氨氮耐受能力,这可能是由于其中枢神经系统没有其他高等脊椎动物的中枢神经系统发达。
NH3可渗透过大多数生物细胞膜,但NH4 的渗透性则相对小的多，因此氨氮毒性很大程度上取决于这两种氨形态的存在比例。
而两种氨形态的转化在正常情况下是趋于平衡，而外界环境(如pH、温度、盐度)以及动物自身状况均可影响两种氨形态的转化平衡，因此氨氮对鱼类的毒性也受到许多因素的影响,主要有以下几类:
1.1主要环境因子影响氨氮对鱼类的毒性
pH在水生动物内稳态中也起到重要作用，研究表明pH的变化可影响动物体内的酸碱平衡、离子调节以及氨排泄。
已有大量研究阐述了pH对氨氮毒性的影响.介质的pH越高则NH3的存在比例越高,相对来说毒性也就越大。
与pH相比,温度对离子态氨向非离子态转化的影响作用要小的多，但也有研究表明温度升高会增强氨氮对水生动物的毒性。
Kir等研究发现了26℃时总氨氮(Totalammonia-nitrogen,TAN)对短沟对虾的安全浓度是14℃的4倍,非离子氨的安全浓度则为2倍。
将温度从15°C升高至25°C后，氨氮暴露24、48、72以及96h后,细鳞肥脂鲤对氨氮的敏感性分别上升21.80%、9.55%、31.92%和30.87%。
盐度也被证实对氨氮毒性具有一定的影响,在多数鱼类的研究中均发现降低盐度会提高铵态氮和亚硝态氮对鱼类的毒性作用，如南方滨对虾、锯齿长虾等。
盐度对氨氮毒性的影响机制可能是由于盐度升高会增加钠和钙的含量,这两种物质已被证明可通过增加鳃细胞NH4 和Na 的交换来促进机体氨的排泄，从而阻止氨氮通过渗透作用流入细胞内。
1.2运动对氨氮毒性的影响
运动是鱼类的重要生理活动之一，低密度下鱼类会进行常规游动,高密度下会进行力竭游动，鱼类依靠游泳来适应水流速度、捕食、逃跑以及汇游等。
力竭游动时鱼类的能量源主要来自于白肌的无氧糖酵解。此外力竭游动也被证明会加速机体氨的生成、提高机体氨含量，也就是会放大氨氮的毒性。
在虹鳟和银大马哈鱼的研究中已经发现剧烈游动会诱导其血液氨浓度的上升。
对鲤和鲫鱼的研究中也发现氨氮暴露明显降低了鱼类的游动能力。
这可能是因为氨氮环境下NH4 的增加改变了鱼类机体的代谢方式，NH4 还会替代K 造成肌肉细胞膜去极化，对肌肉造成损伤。
因此游动和氨氮暴露对鱼类是两个相互作用的因素,游动放大了氨氮毒性,氨氮暴露降低了鱼类的游动能力。
然而这种相互作用的机制以及其生理生化水平上的表现等均缺乏深入的研究报道,这也是以后值得研究的一个方向。
1.3摄食对氨氮毒性的影响
在鱼类摄食之后,大量的蛋白质被分解以维持机体的正常生理活动,而机体内氨的生成和排泄明显增加。
大量的氨生成会导致细胞内碱中毒，引起一系列的鱼类病理反应。就此来说,当鱼类暴露于氨氮环境下,相比于投喂的鱼类,饥饿似乎更有利于鱼类应对氨氮毒性。
但是在对鲫鱼的研究中却得出了相反的结论，他们发现投喂的比饥饿的鲫鱼对氨氮的耐受性更高。
鱼类具有大量可调节的生理生化活动其对营养状况具有较强的适应调节性,如离子平衡、代谢、内分泌等。
因此，食物也会对鱼类应对氨氮毒性起到一定的作用。Wicks和Randall发现虹鳟在摄食之后谷氨酰胺合成酶活力明显上升。
其可将血液中过量的氨转化为无毒的谷氨酰胺,这一现象在肌肉中表现尤为明显。
总体来说.谷氨酰胺合成酶活力的上升可能就是某些鱼类摄食之后具有较强氨氮耐受力的原因。
2.鱼类的氨耐受策略
多数鱼类都是以排氨为主要的氨代谢途径，但也有一些鱼类可将氨氮代谢为谷氨酸盐或者尿素以降低氨氮毒性。
某些鱼类的大脑具有很高的氨氮耐受性，也可通过加快NH4 的转运来加速氨排泄、调控周围环境pH以及降低鳃上皮和皮肤的氨渗透性以降低氨氮毒性。
此外,也有大量报道认为氨氮的排泄与鱼类鳃上皮和皮肤上的Rh糖蛋白(Rhesus glycoproteins,Rh)相关。
本文综述了几种鱼类常用的生理策略，以应对氨氮环境暴露：
2.1合成谷氨酰胺
在鱼体内，谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS)可催化谷氨酸和NH4 合成谷氨酰胺,而谷氨酸则是由谷氨酸脱氢酶(Glutamate dehydrogenase,GDH)催化a-酮戊二酸和NH4 合成的。
而谷氨酰胺的合成来源于谷氨酸还是a-酮戊二酸主要是由细胞内GS活性决定的。
谷氨酰胺在鱼类大脑降解氨氮毒性中起到了重要的作用,，谷氨酰胺合成后会从各组织中作为一种无毒的氨代谢物释放到血液中，最后进入肝脏中。
通常来说.鱼类肌肉中GS活性是很低的，但在一些气呼吸型鱼类在空气暴露或氨氮暴露条件下却可在大脑和肝脏及肌肉中将氨代谢为谷氨酰胺。
这些气呼吸型鱼类的肝脏、肌肉及肠道组织中均可检出较高的GS活性。
以谷氨酰胺的形式应对较高的体内氨氮含量具有其特定的优势,谷氨酰胺可储存于机体中，当环境条件改善后,这些谷氨酰胺可用于合成嘌呤、嘧啶及黏多糖等机体生理活动 。
由于GDH涉及联合脱氨作用,因此鱼类机体中谷氨酰胺含量的增加不太可能是因为GDH氨化反应导致谷氨酸含量增加。
云斑尖塘鳢在摄食之后12h之后肠道GDH含量显著增加，谷氨酸含量的增加可能是鱼类应对摄食后体内氨氮含量显著升高的主要措施之一。
鱼类肠道中过量的谷氨酸可能会被转运至肝脏和肌肉中促进氨基酸合成用以细胞容积调节。
肝脏是谷氨酸代谢的主要场所，因此肠道通过GDH胺化作用合成谷氨酰胺转运至肝脏中是非常必要的。
此外，过量的游离氨基酸并不会用于合成蛋白且会在一些必要的生理活动中代谢产生氨氮。
因此，肠道和肝脏在鱼类以谷氨酰胺形式进行氨氮解毒的过程中是互相协作的关系。在氨氮暴露下，鱼体内谷氨酰胺累积的报道已见于多种鱼类。
2.2合成尿素排出
在脲生成和排尿素的动物中,其保持体内较低氨含量最主要的措施即将氨转化为尿素，再通过尿液排出体外。
尿素合成主要在动物肝脏内进行，这一过程被称为鸟氨酸-尿素循环(Ornithine-ureacycle,OUC)。
就鱼类来说,并非所有的鱼类都可生成脲,但也有部分鱼类具有功能性的OUC，具有脲生成功能,如软骨鱼类中的板鳃亚纲。
一些脲生成型鱼类的OUC可凭借肝脏细胞中的氨甲酰磷酸合成酶III将谷氨酰胺转化为低毒的尿素，尿素分子更小，易于排出。
2.3NH4 排泄增强
理论上来说，鱼类在氨氨或者空气暴露条件下最有效的应对措施是活跃的NH4 排泄,这样可以确保机体内较低的氨水平，以保护大脑免于氨氮毒性。
一些气呼吸型鱼类会特化其鳃或者辅助呼吸器官以适应快速的NH4 排泄,大量的研究表明鱼类的鳃具有一定的可塑性，环境条件的变化以及个体自身的发育均可能导致鱼类鳃表面积的变化,如水体中溶解氧状况、离子强度及稚鱼向成鱼转换等。
功能异化在气呼吸型鱼类中可能表现的更为明显,因为其可能会暴露于空气中,无法通过鳃与水体进行物质交换。
泥鳅在空气暴露状态下可通过肠道或者皮肤挥发NH3;以排泄体内一部分的氨。
仔稚鱼阶段鳃结构的形态发育对其氨排泄具有重要的意义。在胚胎以及鳃功能不完善的仔鱼阶段,其主要以皮肤作为主要的氨排泄位点，这在卵黄囊膜上尤为明显。
在仔稚鱼功能成熟之后,其氨排泄也就与成鱼相似,Na 和NH4 的交换与NHE、氢ATP酶及Rh糖蛋白密切相关。
仔稚鱼氨排泄位点从皮肤向鳃转换的标志在于鳃小片结构的分化、成熟。
2.4Rh蛋白的作用
Rhesus糖蛋白(Rhgp,Rhesus glycoproteins)是溶质转运家族SLC42中的一员,在氨跨膜转运中起重要的作用。
Rh蛋白促进氨排泄的可能机制有以下3个:
(1)促进NH3的扩散；
(2)电中性的NH4 /H 交换；
(3)产电的NH4 才转运。
后续的研究发现,其他硬骨鱼类中也发现一种或者多种与氨转运相关Rh蛋白的表达,如虹鳟、斑马鱼(Danio rerio)等，这些结果说明了Rh蛋白在硬骨鱼类中普遍存在，且与其氨排泄具有密切关系。
Wright和Wood认为淡水鱼类存在一种“Na /NH4 交换综合体”,包含一些膜转运蛋白，这些转运蛋白共同协作促进鳃的氨排泄。而且其与Na的摄入及酸排泄均有着动态的联系。
在这一模式下，血浆和红细胞均可以将氨带入鳃组织中。由于pH的差异及膜渗透性，氨在这一状态下主要是以离子态的NH4 形式存在，因此红细胞内部的总氨浓度要明显的高于血浆中的浓度(约3-4倍)。
然而红细胞与血浆之间存在一个明显的氨浓度差，这种非稳态的条件会促进血液流经鳃组织。
这一现象会导致红细胞中的Rhag促进NH3由红细胞流向血浆中。
如果鳃上皮和鳃上血管之间柱状细胞中含有Rhag，其还会进一步促进NH3流向鳃上皮细胞。
之后,NH3可以通过Rhbg(Rhbg 1and/or 2)从鳃细胞膜基底以及通过Rhcg(Rhcg 1and/or 2)从鳃细胞膜顶层排泄出体外,以降低红细胞与血浆之间的氨浓度差。
然而在正常的生理状态下，氨的排泄可能更加依赖于代谢产生的CO2在碳酸酐酶催化下的水合作用,以此来提供额外的H 用于酸化。
在斑马鱼H 质子泵细胞中发现碳酸酐酶-4同工型mRNA的细胞外表达，这为上述观点提供了证据。
CO2的水合作用速度远比HCO3-的脱水作用要快,因此以CO2水合来提供H 是有可能的,而且可能在鳃上皮表明的酸化中也起到了重要的作用。
2.5降低环境pH
在静水条件下.鱼类排泄出的H 和CO2对周围环境酸化具有很大的影响。
在酸性条件下，以NH3形式存在的氨比例降低,使得水生动物免于环境氨毒性。
2.6NH3挥发和体表碱化
NH3挥发是气呼吸型鱼类应对氨氮毒性的重要策略之一。由于氨可以NH3的形式存在，因此理论上鱼类是有可能直接将NH3排放到空气中。
NH3挥发只占总氨排泄量的8%左右。但后续的一些研究发现一些鱼类如泥鳅可在空气暴露条件下挥发相当大比例的NH3。
而且，温度以及湿度均与NH3挥发量具有正相关关系。泥鳅暴露于空气中会挥发相当大比例的NH3，可能是因为泥鳅后肠壁非常薄,血管分布密集，这种器官特化非常有利于气体的流动。
此外,空气暴露会导致泥鳅细胞膜流动性的显著增加,这可能会增加NH3在其鳃细胞膜中的渗透性。
这一发现可能意味着鳃与泥鳅的氨气挥发无关。NH3应该是由泥鳅直接挥发至空气中,而且是通过肠道挥发再经肛门排出。
由于NH3的存在量极大程度上受介质pH影响，因此鱼类体表碱化应该有利于氨以NH3的形式排泄。
泥鳅在空气暴露条件下,前肠明显碱化,是其NH3挥发位点之一，在一些陆生蟹类中也发现其可以通过碱化的尿液排出NH3。
2.7降低体内氨的生成
鱼体内的氨主要由氨基酸代谢产生，因此鱼类可通过降低氨基酸代谢以减少氨的生成来防止机体内氨浓度过高。鱼类蛋白质水解和合成的平衡会保持其体内游离氨基酸(Free amino acids,FAA）含量的稳态。
如果非必需FAA含量在机体内累积，可认为是GDH及一些转氨酶催化氨和a-酮酸合成氨基酸的增加，而必需FAA含量在饥饿鱼类体内累积则可能是由于氨基酸合成的减少。
降低体内氨基酸代谢可能是鱼类应对氨氮毒性的有效策略之一，其可降低鱼类机体内氨含量，而且并不需要外源能量的参与。
但是,这种情况只能在体内氨浓度已达到一定程度才会出现，此时鱼类体内氨的累积速度要明显大于排泄速率。
2.8特定氨基酸代谢生成丙氨酸
抑制体内蛋白水解和氨基酸代谢可能是鱼类应对氨氮毒性的有效策略之一,其可降低鱼类机体内氨含量。
然而,在这种情况下也同样抑制了利用氨基酸作为能量源,这对某些特定鱼类来说并不合适,某些气呼吸型鱼类在抑制体内蛋白水解和氨基酸代谢的同时会部分代谢氨基酸以保证能量供应。
谷氨酸和丙酮酸在转氨基作用下会产生a-酮戊二酸,其在三羧酸循环和电转移链的作用下可被完全氧化为CO2和H20,此反应可提供ATP。
a-酮戊二酸通过三羧酸循环可被转化为苹果酸，而苹果酸在苹果酸酶的作用下又可变为丙酮酸，丙酮酸加上谷氨酸在丙氨酸转氨酶的转氨基作用下可生成丙氨酸。
从本质上来说,这一系列转氨反应生成丙氨酸并未涉及到氨的释放。
因此,部分氨基酸代谢生成丙氨酸虽然不能降低氨的毒性却很好的抑制了体内氨的生成。
从这一点来说,氨基酸部分代谢生成丙氨酸也是鱼类应对氨氮毒性的有效策略之一，而且这一过程还可提供机体必要的ATP。
有许多氨基酸可被部分代谢为丙氨酸且不产生氨，如1mol谷氨酸转化为丙氨酸可产生10 molATP，而精氨酸和脯氨酸转化为丙氨酸生成的ATP量则更大。
泥鳅在空气中暴露12h之后，其肝脏中丙氨酸含量升高两倍，说明其在空气中可部分代谢氨基酸生成丙氨酸以抑制体内氨浓度的升高。
2.9组织高氨耐受性
一些气呼吸型鱼类的组织和细胞具有很高的氨耐受性,其组织或者器官中可累积较高浓度的氨如泥鳅及黄鳝等。
但是氨在其机体内并不是均匀分布的,一些组织和器官中的氨浓度显著高于其他组织和器官。
泥鳅在正常情况下血浆中氨含量为0.81 μmol/L,而在空气中暴露6h后血浆氨浓度升高至2.46 μmol/L,空气暴露48h后血浆、肌肉和肝脏中氨含量均显著升高,分别为5.09、14.8和15.2 μmol/L。
然而在通常情况下多数鱼类组织和器官中氨含量均<1μmol/L。空气暴露黄鳝72h后其肝脏、大脑和血浆中氨浓度分别升高为对照组的3倍、3.5倍和5倍，肌肉和肠道氨含量在144h后达到峰值,分别为6.9和4.5 μmol/L。
黄鳝在75 mmol/L的NH4Cl溶液中暴露72h后，其肌肉、肝脏、肠道、大脑和血浆中也发现有明显的氨累积现象，Tsui等认为泥鳅组织中氨累积有助于其进行NH3挥发。
但黄鳝并不能进行NH3挥发,其组织中氨的累积可能是由于其对环境氨氮极高的耐受性NH4Cl溶液(pH7.0,28℃)对黄鳝48,72和96h的半致死浓度分别为209.9、198.7和193.2 mmol/L。
与其他组织不同,鱼类大脑对氨的耐受性可能较低，当血液中氨浓度升高,通过血液循环,氨就可影响到脑组织。
增加谷氨酰胺的合成是鱼类常用的应对脑组织氨浓度过高的策略,但脑组织中谷氨酰胺的累积也会导致一些其他的问题,因此这一策略也是暂时性的。
然而,鱼类的神经中枢神经系统较高等脊椎动物并不是非常发达,因此鱼类大脑通常具有较高的氨耐受能力。鱼类大脑具有间接降低脑组织氨含量的功能。
3展望
本文综述了氨氮对鱼类的毒性机理以及鱼类的应对策略,为相关方向的研究提供了理论资料，鉴于国内外对氨氨毒理的研究仍停留在基础的生理学范畴，后续的相关研究应该从分子和细胞的角度分析氨氮对水生动物的毒理作用,这样可更直接、更迅速地反应氨氮对水生动物的毒性及其作用机制。
同样地，对鱼类氨解毒策略的研究也应加强深度和广度，如探讨每一种耐氨机制的分子调控机制、常规非气呼吸型鱼类是否也具有独特的氨解毒策略及其调控机制等等。
这些研究资料的累积将丰富氨氮对水生动物的毒理机制及水生动物的氨解毒机制,具有重要的科研价值,也可为水生动物健康养殖提供理论依据。
