水生生物呼吸代谢测量--北京易科泰生态技术.docx

水生生物呼吸代谢测量技术摘 要：呼吸代谢是生物能量学研究的重要内容之一，其不仅能反映生物的生理状态也可反映环境条件对生物生理活动的影响，耗氧率和排氨率是评价渔业资源生物对水域生态系统影响程度的重要指标，通过研究呼吸代谢及其与各种生物因素和非生物因素的相互作用，可了解渔业资源生物呼吸代谢机理、过程、水平、营养需求、以及对外界环境的适应能力和所能承受的阈值等，从而为水域渔业资源评估、增殖容量模型建立、水域环境调控和渔业资源养护利用等方面提供理论性指导。本文主要介绍的DAQ水生生物呼吸测量系统主要用于鱼类、水生无脊椎动物、鱼卵及其胚胎乃至浮游生物的耗氧量测量，此外，在测量鱼类呼吸的同时，还可以使用Micromac 1000水质监测仪来在线同步测量鱼类的代谢产物-氨。关键词：水生生物 呼吸代谢 DAQ水生生物呼吸测量系统 Micromac 1000水质监测仪呼吸代谢是生物能量学研究的重要内容之一，是能量收支研究的重要组分，它既反映出生物的生理状态，也反映了环境条件对其生理活动的影响。因此动物学家普遍关注动物的呼吸代谢并由此深入研究动物的生理学、营养需求与能量消耗以及生态学等问题。影响呼吸代谢的因素分为生物因素和非生物因素，通过对体重、温度、活动行为、昼夜节律、饥饿摄食和氧分压等因素的研究，可以对渔业资源生物的呼吸代谢进行评估。易科泰生态技术公司提供的DAQ系列水生生物呼吸代谢测量系统是由丹麦奥尔堡大学和哥本哈根大学研制的世界上最著名、最为广泛应用的水生生物呼吸测量仪器，广泛应用于海洋淡水鱼类等水生生物生态学、水体环境毒理学、水产养殖、鱼类行为生理生态、水生动物发育生态及水族箱等研究。1 DAQ水生生物呼吸测量系统的具体应用早在1990年Zuntz和Knauthe就对鱼类进行了呼吸代谢方面的研究，贝类研究始于20世纪60年代初，而对于虾蟹生理生态进行比较系统全面的研究始于20世纪70年代，我国则是在20世纪80年代随着渔业的蓬勃发展而开展呼吸代谢研究。哥本哈根大学海洋生物实验室的J. Herskin教授利用DAQ水生生物呼吸测量系统，测量群体生活下的幼年鲈鱼与孤立条件下的耗氧量，结果表明：耗氧量最高值出现在刚刚将鱼放入呼吸室的时候，这是由于处理鱼时造成的应急反应，随后达到一个较低水平，到了早上的时候，耗氧量波动明显；同时，群体生活下与视觉接触都会对其耗氧量有显著的影响（图1）。 图1 欧洲幼年鲈鱼群居与视觉接触对其耗氧量的影响（J. Herskin，1999)：左图为基础代谢率的测量；右图为四条鲈鱼与单条鲈鱼耗氧量的对比。土耳其大学生物系的H.Turker教授利用DAQ水生生物呼吸测量系统，测量两个不同大小（分别为52.1g和205.4g）的罗非鱼在不同温度下（19、22、25、28和31）下的呼吸代谢率，研究表明：随着温度的升高，两种不同大小的罗非鱼的静止代谢率与标准代谢率都显著升高（图2）。图2 两个不同体重的罗非鱼温度对静止代谢率与标准代谢率的影响（H.Turker 2011）2 DAQ水生生物呼吸测量系统的结构与功能2.1系统组成主要包括数据采集及分析模块、O2测量分析仪、水环境控制模块、呼吸室及其它配件或备选件。根据需求，有单通道、4通道、8通道及更多通道测量系统，可以同时连接多个呼吸室以测量多个动物的呼吸代谢情况（如图3、图4）。 图3 单通道系统 图4 四通道系统2.2 系统原理DAQ水生生物呼吸代谢测量原理为“间歇式”，集合了“开放式”（实时测量）和“封闭式”（测量简单但精度差）的优点，同时又克服了开放式测量时间解析度差、封闭式不能连续长时间测量等缺点。“间歇式”测量的呼吸室放置在水浴槽（周边水体）内，循环泵可以确保呼吸室内水体的均一并保证有足量的水体流经传感器，而水体交换泵可以使周边水体与呼吸室内水体进行交换。测量时水体交换泵关闭（呼吸室类似封闭式），然后由计算机控制开启交换泵，周边水体被泵入呼吸室从而使氧气水平达到测量前的水平。整个过程分3个步骤：测量、水体交换、等待，测量时循环泵开启，水体交换时交换泵开启循环泵关闭，等待时交换泵关闭循环泵开启，每10分钟即可测量1次。如此以来，象“开放式”一样，实验可以无限期地进行下去，从而进行长时间的实验分析监测。在每个测量期，由于动物的呼吸耗氧，溶解氧浓度随着测量时间的延长而降低并呈直线相关关系，动物耗氧率（每小时每公斤体重消耗的毫克氧气）等于相关曲线的斜率乘以呼吸室的净体积除以动物的体重。2.3 技术指标2.3.1数据采集和分析单元：包括数据采集器和软件，USB接口，与计算机连接使用，主要性能指标如下： 可以接光纤荧光氧气传感器或原电池氧电极；程序控制水体交换泵的开启时间实时记录显示呼吸室内O2随时间的变化；实时记录显示周边水体（水浴槽）O2随时间变化；计算显示平均耗氧量、相关系数R2；实施记录显示温度随时间的变化；解析度16bit，重量1.4kg。2.3.2 O2分析测量：O2传感器有光纤氧气传感器、原电池氧电极荧光光纤氧气传感器：具有很高的时空分辨率，但价格昂贵。检测极限可达15ppb，可在线测量水体和空气中的氧气，可长期在线监测，稳定性极强，响应时间小于1秒。对于小型鱼类及其它微小生物、需要高分辨率的实验等情况下必须选择此类传感器；原电池氧电极传感器：价格低，但精度也低，需要一些维护措施和校对，具温度补偿，测量精度好于1，响应时间低于20秒时间。2.3.3水环境控制模块包括水温监测控制系统、氧气分析与调节系统和pH/CO2监测控制系统。水温监测控制系统包括控制器、温度传感器、潜水泵、不锈钢冷却管等，温度调节范围-20至60，响应时间1-60秒，精度优于0.2；氧气分析与调节系统包括控制器、原电池氧电极、螺旋管阀等，系统通过控制螺旋阀加氧或加氮以控制水质处于过氧和缺氧状态，响应时间0.4-60秒，精度优于0.1%。 氧气监测与调节系统包括控制器主机、原电池氧电极、螺线阀等；原电池氧电极，测量范围0-200%；响应时间0.4-60妙，精度读数的0.1%，最大功耗3.5瓦。系统通过程控螺旋阀加氧或加氮以控制水质处于过氧或缺氧状态。 CO2/pH监测控制系统 包括控制器主机、pH机、螺旋阀、气石及CapCTRL调控软件等，通过监测PH值间接确定水中CO2含量并调节控制水的PH和CO2含量并实时监测，PH值测量范围0-14，分辨率0.01.用于监测和控制水体pH或CO2。2.3.4 呼吸室 呼吸室分静态呼吸室和游泳室两类。对于静态呼吸室的选择，一般动物湿重或动物体积与呼吸室的比率大致为1:10；对于游泳室，动物湿重与动物体积与游泳室的比例大致为1:200。另外，还配备有供研究测量鱼卵或胚胎、水生无脊椎动物及浮游植物氧释放的微型呼吸室等。3 结语通过DAQ水生生物呼吸测量系统测量水生生物耗氧量耗氧量，我们可以了解到渔业资源生物呼吸代谢机理、过程、水平、营养需求、以及对外界环境的适应能力和所能承受的阈值等，其应用非常广泛，比如：通过测量缺氧条件下鱼类的耗氧率，研究鱼类为了适应低氧环境，是否可以调节自身的呼吸代谢，如增加呼吸次数、调节血流速度，代谢速度等，以及可以调节到什么程度，或者通过测量水温与氧气饱和度来研究水、空气或溶解物的相互作用的关系以及水污染（高温、生物降解、化学作用）对鱼类呼吸的影响等等。此外，在测量鱼类呼吸的同时，可以使用Micromac 1000水质监测仪来在线同步测量鱼类的代谢产物-氨。氨是海洋和淡水鱼类的主要排泄产物，在水产养殖中，非离子态氨的聚积会对鱼类等养殖生物造成毒害，Colt和Arm-strong（1981）整理了氨化合物对水生生物的影响，指出非离子氨的主要效应为亚致死影响，而生长缓慢是一种最重要的亚致死影响。除生长外，非离子态氨还会对鱼类产生其它一些毒性效应。因此，水体中氨氮含量的测定是水质分析的重要组成部分，对控制水域环境具有重要意义。综上所述，通过DAQ水生生物呼吸测量系统和Micromac 1000水质监测仪同时测量水生生物的耗氧率和排氨率，以此来研究呼吸代谢及其与各种生物因素和非生物因素的相互作用，从而为水域渔业资源评估、增殖容量模型建立、水域环境调控和渔业资源养护利用等方面提供强有力的理论性指导。近期参考文献A. 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