养殖密度对鱼类福利影响的研究进展

发表时间:2023/12/20 08:25:12  作者:张洁若  浏览次数:3875  
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当前,水产养殖业正在向生态化和工程化方向发展。与传统的养殖模式相比,封闭循环水养殖系统(RAS)具有耗水率低、占地面积小、高密度、对环境影响可控程度高、产品安全、可全年生产等优点,是水产养殖业未来发展方向之一。在循环水养殖中,一般通过增加养殖密度来提高单位水体的产量,以实现更高的经济效益。但是,有很多研究证明提高养殖密度会带来很多负面影响,例如影响鱼类生长和福利,增大养殖风险。以往的研究表明,鱼类排泄物和高蛋白饲料残饵导致水质变坏,病害频繁发生。还有研究表明,高密度养殖条件下的鱼类营养价值与经济价值下降。

1.养殖密度对生长性能的影响

提高养殖密度会导致种内竞争,因此降低了生长率。有研究证明,对生存空间和食物的竞争导致不同密度下动物代谢水平不同。高密度环境导致鱼类对食物的摄入不充足,可机体依旧需要能量储存去抵抗氧化损伤和维持体内代谢平衡,因此,几乎没有能量储存用于生长。Gao的研究显示,当处于低养殖密度条件下时,鲍鱼的生长和摄食状况相比于高密度组显著良好。在锦鲤、建鲤、团头鲂、大杂交鲟、罗非鱼、施氏鲟、虹鳟、沙塘鳢、胭脂鱼、银鲳、瓦氏黄颡鱼的研究中发现,存活率、终体重、特定生长率、增重率随着养殖密度升高而显著降低。Mohamed的研究表明,随着养殖密度升高,鱼的生长率、摄食率、饲料效率和饲料转化率显著降低。Qi的研究表明,高养殖密度条件下生长受抑制可能是由于拥挤胁迫引起应激反应,导致应对胁迫的能量需求增加,最终没有充足的能量用于生长。还有一些研究结果显示最高的生长率出现在最低饲料转化率组,说明在较低的摄食率下,鱼类倾向于优化消化过程,以获得更多的营养和更高的食物转化率。

然而,石首鱼科显示出提高养殖密度对于生长表现的积极影响。Antonio的研究结果显示越高的养殖密度,生长率越高,体长体重也会升高,而低养殖密度条件下,应激系统的慢性激活对鱼的生长产生消极影响。在Antonio的研究中发现,高养殖密度组相比于其他低养殖密度组生长率和饲料转化效率更高。对黄颡鱼的研究显示,低养殖密度会对生长率产生消极影响。还有研究结果证实,超高密度组比低密度组生长率更高并且消化过程更优。

另外,在鲫的研究中发现,不同的养殖密度对于生长和生理反应无显著影响。这与塞内加尔鳎鱼的研究结果相符,养殖密度对特定生长率、终体重、日增重没有显著影响,表明高密度养殖环境对塞内加尔鳎鱼存在着较低水平的负面影响,另一种可能是,该实验设计的密度梯度范围过小,没有将能对该种鱼特定生长率造成更大影响的高密度组包括进来。这些研究结果之间的差异可能是由于在胁迫环境中的养殖时间、鱼种类不同、水质差异以及鱼体长的不同。

2.养殖密度对血清生化指标的影响

皮质醇是一种最常见的应激激素,一般认为,高养殖密度会提高各种鱼类的皮质醇水平。曹阳与Sadhu的研究结果显示,高密度组有着更高的皮质醇水平。这种结果与长期暴露在应激条件下的虹鳟鱼稚鱼下丘脑-垂体-肾间质(HPI)轴的活力有关。然而,也有一些研究称由于皮质醇的负反馈机制导致HPI轴的调节下降,长期处于应激状态的鱼类皮质醇水平可能不会升高。这些研究结果的不一致可能是由于鱼种类不同。

在硬骨鱼中,的研究称应激条件下血清代谢的变化例如葡萄糖、乳酸被认为是主要的二级应激反应,测定血清乳酸、葡萄糖是监测急性应激状态的有效生物指标。有研究结果显示,高密度组呈现最高的血清葡萄糖水平,可能与拥挤胁迫相关。这个结果与对亚洲鲈鱼的研究一致。然而,肖炜和Qi的研究称,高养殖密度条件下,武昌鱼和罗非鱼的血清葡萄糖水平显著降低。在团头鲂的研究中,血清葡萄糖含量在高养殖密度条件下发生了显著下降,乳酸含量随养殖密度的升高而升高。

血清乳酸含量的提升可能由于血清儿茶酚胺浓度升高和气体交换障碍,导致鱼类肌肉组织缺氧。另外,Tiago的研究称,养殖密度对于塞内加尔鳎鱼葡萄糖水平没有显著影响。这与步艳的研究结果一致,所有密度组的血清葡萄糖含量无明显差异。对施氏鲟的研究显示,不同密度组的皮质醇含量无显著性差异,这表明皮质醇可能在急性应激反应中发挥作用,而实验中施氏鲟可能对这种长期胁迫产生了适应性。

3.养殖密度对鱼类能量代谢的影响

生长所需能量和维持生命活动(包括应激反应)所需的能量之间存在平衡。对陆生脊椎动物的研究显示应激会激活机体代谢活动,导致代谢能量需求升高,供应生长的能量降低。有研究表明高养殖密度能够引发环境胁迫,引起能量需求提升。还有研究称高养殖密度引发的胁迫会加强能量消耗和代谢能量再分配,环境胁迫致使肝脏代谢程度加强以产生能够满足生命活动所需的能量。

3.1 养殖密度对粗脂肪含量、粗蛋白含量的影响

在施氏鲟和瓦氏黄颡鱼的研究中,肌肉粗脂肪含量高密度组显著低于低密度组,表明鱼体在拥挤胁迫条件下,首先动员脂肪代谢,增加机体对能量的需求,以适应外界环境变化。步艳的研究显示,粗脂肪含量有减少的趋势,但是各组间含量并没有显著差异。粗蛋白含量随密度增大而下降。亓成龙的研究结果表明,随着养殖密度升高,粗脂肪含量随着养殖密度升高而显著下降,而粗蛋白含量在不同组间差异并不显著。

3.2 养殖密度对肝体指数的影响

有研究称肝体指数是检测环境胁迫因子是否产生不利影响的生物指标。有研究显示,随着养殖密度升高,肝体指数也升高,表明在不同的养殖条件下,肝脏可能是重要的储能因子。Tiago的研究显示,肝体指数(HSI)没有变化。Mohamed的研究显示,随着养殖密度升高,中高密度组的肝体指数相比于低密度组显著降低。Antonio的研究表明,肝体指数无明显变化。对大杂交鲟幼鱼的研究显示,养殖过程中大杂交鲟幼鱼四个密度组的肝体比没有显著差异。

3.3 养殖密度对葡萄糖水平、饲料转化效率的影响

以往有研究结果显示,葡萄糖水平与养殖密度呈反比关系,表明在胁迫环境中能源需求会升高。高养殖密度和食物缺乏导致肝脏能量代谢变化,为了加强肝脏输出葡萄糖的能力,糖异生作用增强。还有研究表明,应激导致的高皮质醇水平会引发代谢活动增强,进而产生额外的能量需求。另外,应激会对饲料转化率产生影响,这表明从食物中获得的能量在用于生长和用于代谢之间的分布将发生变化。然而,有研究称,饲料转化率不受养殖密度影响。Lupatsch的研究称鱼类通过降低食物摄取来适应拥挤胁迫环境。除此之外,拥挤胁迫导致能量代谢的变化,更多能量被用于应对胁迫环境。提升养殖密度会对摄食产生负面影响,可能是由于应激、对食物和生存空间的竞争导致鱼的胃口降低。

4.养殖密度对鱼类氧化应激的影响

4.1 养殖密度对抗氧化酶的影响

随着养殖密度升高,氧气消耗量将会升高,随之而来的是残余食物和代谢废物的增加,还有水中溶解氧的下降。水产养殖活动中,高养殖密度是提高活性氧(ROS)产量的一种胁迫因子。这些活性氧能够损伤细胞结构和减弱自氧化作用,导致氧化损伤,提高疾病发生率和死亡率。在鱼体中,活性氧的生成可能受养殖相关因子的影响比如说溶解氧浓度变化,投喂水平不足(停食),温度变化或者拥挤。

当活性氧的产生与抗氧化剂的活性不平衡时,就会发生氧化应激,而抗氧化剂则保护生物大分子免受氧化。抗氧化剂包括抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD),它可以解毒O2-;谷胱甘肽过氧化物酶(GPx),它引发谷胱甘肽依赖性反应同时降低H2O2和有机过氧化物;过氧化氢酶(CAT),它可以还原H2O2。

以往的研究表明,在短期拥挤胁迫下,机体的抗氧化能力增强,参与抗氧化防御的酶活性增强。有研究显示,CAT的表达水平在低密度组要显著低于高密度组,表明养殖密度会引发鱼体的氧化损伤,所以鱼体通过提高体内抗氧化酶的表达水平来维持平衡。有研究结果显示低密度条件下肝脏GPX活力降低。吴宗凡的研究表明血清SOD活力随密度升高而增加。在团头鲂的研究中,SOD活性随着养殖密度的升高发生了显著下降,另外,谷胱甘肽过氧化物酶的活性在最低密度组时较低,在其他密度组都较高。对银鲳的研究显示,高密度组的肝脏SOD、CAT活性显著低于低密度组,然而养殖密度对组织中GPX活性以及肌肉CAT活性并未造成显著影响。在大菱鲆的研究中发现其能够承受非常高的养殖密度,这可能由于不同种类鱼对溶解氧含量需求不同,而大菱鲆的需求较低。

4.2 养殖密度对应激相关基因的影响

4.2.1 对热激蛋白的影响

生理反应和细胞应激反应是维持稳态的两种防御机制。前者包含下丘脑-垂体-肾间质(HPI)轴,主要参与皮质醇的产生。后者依赖应激过程中起重要作用的蛋白质和基因,如分子伴侣HSP70和HSP90。作为分子伴侣,热激蛋白可以帮助机体调节应激反应,保护机体免受环境诱导的细胞损伤。同时,热激蛋白基因表达水平的变化被作为检测水生生物应激反应和评估最佳环境条件的有效生物指标。

有研究结果显示,高密度条件下的HSP70表达升高,但是HSP90并不升高,这与在大西洋鳕鱼和施氏鲟中的研究结果一致。Emilio的研究称,在高密度条件下,肝脏和头肾中的HSP70的表达显著降低,然而HSP90并没有检测到差异,可能是高密度导致的高皮质醇含量会抑制HSP70的表达。在Montero的研究中,相比于低密度组,养殖密度升高和拥挤胁迫导致HSP70的基因表达水平显著升高。HSP70在不同的研究中表达水平不同可能由于鱼种类不同,胁迫因子类型不同或暴露在胁迫环境下的时间不同。

另外,还有研究结果表明, HSP70的表达水平在高密度组显著高于其他组,这表明密度应激诱导HSP合成,诱导发生蛋白异常后的修复过程。HSP90的表达水平也是高密度组显著升高。HSP表达水平在高密度组升高表明HSP70和HSP90是体内免疫系统的激活因子,并在调节免疫系统中发挥细胞因子的作用。因此,HSP70和HSP90的表达水平的升高可能是组织特异性和长期的细胞保护机制导致的,这对提高机体抗氧化应激能力具有重要意义。

4.2.2 对促生长因子的影响

鱼类生长受环境条件和GH-IGF通路(包括GH,GH受体,IGF-I和IGF-II,IGF受体和IGF结合蛋白)的高度影响。促生长因子(IGF-I和IGF-II)是单链多肽,有着与胰岛素相似的结构同源性。它们有许多功能,包括促生长,代谢,细胞分化,生殖和免疫反应。IGF-I含量与饲料量,饲料蛋白含量以及个体生长率呈正相关。一些IGF-I的功能受IGF-I受体的表达和产生以及IGF结合蛋白的影响。另外,IGFs不止调节个体生长,而且它们也作为其他生理反应比如代谢,生殖,免疫反应的调节剂。

Emilio的研究结果显示,高密度养殖条件下,肝脏中IGF-I,IGF-II的表达显著降低,肾脏中的基因表达在各密度组间并没有发现显著差异,IGF-II的表达量比IGF-I低两倍。对厚唇乌鱼的研究结果则相反,IGF-I基因表达在高养殖密度条件下会升高,并且IGF-I表达水平与养殖密度呈现明显联系,低密度组的表达明显较低。

另外,在海鲤肝细胞中发现IGF-I基因的表达呈现皮质醇含量依赖性降低。在斑点叉尾回的研究中,口服皮质醇会降低IGF-I的循环但是不影响IGF-I在肝脏中的表达。在厚唇乌鱼的研究中也表现出皮质醇含量与IGF-I表达量的关系,高皮质醇含量会降低各种应激环境的硬骨鱼体内IGF-I的合成。

5.养殖密度对鱼类免疫性能的影响

在水产养殖活动中,外在(环境)因素的改变包括:温度,盐度,光周期,养殖密度等,内在因素的改变包括:鱼体的营养状况,病菌等,能引起鱼体的应激活动。这些应激活动会导致一系列免疫反应,分为一级反应(儿茶酚胺含量和皮质醇含量的改变),二级反应(代谢水平改变,呼吸率改变,水矿物不平衡,免疫功能和细胞反应改变),三级反应(生殖生长变化,对于疾病的抵抗力变化,最终存活率变化)。

在集约化养殖中,当养殖种群长期处于应激状态时,机会性病原体的种类增多,提高了病害的易感性,造成重大损失。与其他高等脊椎动物相比,水生动物更依赖先天免疫系统。其中许多组分包括溶菌酶,补体,各种细胞因子等能够影响不同的代谢活动。

5.1 养殖密度对溶菌酶的影响

溶菌酶是一种参与先天免疫反应的分子,它是抵御细菌感染的第一道屏障,其活性是鱼类非特异性免疫的重要指标之一。有研究称,不同的应激条件,如养殖密度,周期处理,运输,水质和营养等都会影响鱼类溶菌酶活性。

先前的研究显示,大菱鲆在120天高密度养殖条件下,溶菌酶的表达水平明显下降。Lupatsch的研究结果发现高密度组的溶菌酶活性下降,呈现出明显的免疫抑制。宂成的研究显示,溶菌酶活性随着养殖密度的升高而降低。吴宗凡的研究称,人工循环水系统中养殖密度对鲫溶菌酶活性影响显著。随着养殖密度增加,血清溶菌酶活力随养殖密度的升高而降低。对塞内加尔鳎鱼的研究称,在过度拥挤胁迫30天后,由于皮质醇水平升高,肝脏和肾脏的溶菌酶表达水平下降。同样的结果也出现在海鲤和大西洋鳕鱼的研究中,均呈现过度拥挤胁迫导致血清溶菌酶活性下降。

5.2 养殖密度对血清补体含量的影响

对鲈鱼的研究显示提高养殖密度会导致补体含量下降。Peyman的研究结果表明血清补体含量随着养殖密度升高而下降。同样的结果也呈现在海鲷、金头鲷和花鲤的研究中,在过度拥挤胁迫下,海鲷、金头鲷和花鲤体内血清补体水平降低。然而,亓成龙的研究显示,养殖密度并没有对血清中的C3/C4补体含量产生显著影响。

5.3 养殖密度对细胞因子的影响

鱼的先天免疫系统是复杂的,包含不同的机制,对广泛的病原体发挥作用。其中一个系统是细胞因子家族,它包含若干组简单的多肽或糖蛋白,如肿瘤坏死因子—1α(TNF-1α),白细胞介素(1L-1β)和趋化因子等,这些因子能诱导适应性免疫反应。其中TNF-1α和1L-1 β被认为是重要的促炎细胞因子,参与鱼类的炎症反应,介导多种损伤和感染后的免疫反应。

5.3.1 对TNF-1 α,1L-1 β的影响

先前对海鲷的研究显示过度拥挤胁迫显著限制TNF-1α的表达。Peyman的研究显示长期处于过度拥挤环境中能显著下调1L-1β基因、TNF-1α基因的表达。然而,在罗非鱼的研究中,1L-1β基因、TNF-1α基因的表达量随养殖密度上升显著上调。各研究结果之间的差异可能是由于鱼种类不同或者实验条件不同。

5.3.2 对趋化因子的影响

趋化因子包含多种细胞因子小肽,1L-8是由多种类型细胞产生的细胞因子之一,其表达水平受感染、免疫抑制剂和1L-1,TNF-1α等细胞因子分泌的影响。Peyman的研究称,在长期过度拥挤后,1L-8的表达水平呈密度依赖性下降。由于1L-8在大多数细胞中表达的重要刺激因子是促炎细胞因子,如1L-1 β和TNF-1 α,因此1L-8的表达受到抑制可能是由于炎症部位缺乏促炎细胞因子。

与Peyman的研究结果相反,Caipang的研究称,短期过度拥挤对大西洋鳕鱼血液中的一些免疫相关基因如1L-1 β,1L-8有上调作用,并维持在高度水平,直至过度拥挤72h后。Peyman的研究结果与Caipang的研究结果之间的差异是由于短期应激(急性)和长期应激(慢性)对鱼类免疫系统的影响不同。

另外,Castilo的研究称长期暴露于皮质醇后,TNF-1α和1L-1 β,1L-8基因表达受到抑制,说明皮质醇抑制了金头鲷TNF-1α,1L-1 β和1L-8基因的表达。虹鳟在高密度养殖条件下的研究也显示出同样结果,长期过度拥挤应激会激活HPI轴和提高皮质醇水平,导致虹鳟TNF-1α的表达受到抑制。

6.组学技术揭示养殖密度对鱼类影响的潜在机制

近年来,蛋白质组学、基因组学和转录组学等各种组学技术在揭示水产动物生长发育、免疫抗病等方面的研究中越来越重要。利用组学研究,能够深刻理解水产动物各种生命活动规律的分子机制和内在联系,并根据相应结果进一步运用到药物筛选、抗病育种、环境监测和种质资源保护等多个研究领域。

利用组学技术揭示养殖密度对鱼类影响的研究已有很多,Alexander的研究结果显示,提高养殖密度导致鳟鱼鳃和肾脏中编码糖原分解的关键酶PYGMA基因上调,相比于中密度组,高密度条件下肝脏中约有90个基因差异表达。另外,通路富集分析预测肝脏中HIF1a基因上调,使得应激状态下的葡萄糖水平稳定。有研究表明,肝脏mTOR和PI3K/AKT信号通路在较高的养殖密度下受阻,显示出细胞水平的应激反应。还有对虹鳟的研究发现特异性聚集标记,表明养殖的虹鳟鱼经过几十年的选择性育种,获得了更强的耐受力表型。Mahdi的研究发现,恢复组中发现9种蛋白表达降低,包括苹果酸脱氢酶、血清白蛋白、核苷二磷酸激酶、2-肽酰脯氨酸异构酶、羟基前列腺素脱氢酶、过氧还蛋白、ATP合酶亚基d、富含甘氨酸的RNA结合蛋白和反式酮醇酶样蛋白。恢复组发现增加的斑点为:腺苷同型半胱氨酸酶、甘油醛3-磷酸脱氢酶、果糖-二磷酸醛缩酶、2-肽酰脯氨酸异构酶、脂肪酸结合蛋白和血清白蛋白。另外,利用MALDI-TOF/TOF质谱联用技术成功鉴定了20个斑点,相对数量在应用条件下变化至少2倍。

养殖密度是影响鱼类福利的重要因素,然而因为鱼种和环境的差异,目前并没有统一的放养密度标准,因此选择何种养殖密度是适宜的仍是水产养殖业急需解决的基本问题之一。工厂化循环水养殖系统是依托现代工业技术基础建立起来的,集规范化、工程化、设施化、工厂化、数字化、规模化、标准化和信息化于一体的现代化养殖生产新模式,具有管理高效,养殖设备先进,养殖过程不受地域限制,养殖条件可控,养殖密度高,单位产量高,经济、社会和生态效益良好,产品质量安全等特点,因此被国际上公认为现代水产养殖的重要发展方向之一。上述诸多研究表明,通过改变投喂方法和养殖条件等生产管理策略,能够有效改善不合适的养殖密度对鱼类福利影响的程度,然而生产管理策略和养殖条件是可控的,这正是循环水养殖系统的优势和主要特点。因此大力展开研究循环水养殖系统中养殖密度和投喂策略以及苗种质量、调控能力和系统水质净化、光控调节、水流速度等对鱼类福利的影响,优先建立一种适于工厂化养殖重要经济鱼类的标准化、高密度生产模式,无疑是今后进行水产养殖研究的重要任务。对于种间差异很大的养殖经济鱼类而言,探究出单一品种的合理养殖密度是至关重要的,因此建议应当尽快进行相关研究,这将对未来实现标准化、规模化、工业化养殖道路,提升养殖产品品质,提高养殖鱼类福利水平和确保安全生产,实现水产养殖业健康可持续发展起到十分重要的作用。

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