高pH值盐碱水对泥蟹（Scylla paramamosain，Estampador，1950年命名）组织结构、渗透调节能力、抗氧化能力和代谢活性的影响

《Aquaculture》：Effects of high-pH saline-alkaline water on tissue structure, osmoregulation, antioxidant capacity, and metabolic activity in mud crab Scylla paramamosain Estampador, 1950

中华贵血虾在盐碱水养殖中的pH耐受性研究。通过64天长期养殖实验，分析鳃和肝胰脏的组织损伤、渗透调节能力、抗氧化酶活性及代谢组学特征，发现高pH（>8.4）导致鳃组织肿胀、血细胞聚集，肝胰脏抗氧化酶活性下降，同时激活ABC转运蛋白、嘌呤代谢等关键通路，揭示pH胁迫通过离子转运和代谢适应影响其生理机制。

　　中国拥有广阔的盐碱地资源，这些地区由于其独特的生态环境，成为水产养殖的重要潜力区域。盐碱水的利用，尤其是用于水产养殖，被视为渔业产业发展的一个新方向。在这一背景下，**仿刺尾虾虎鱼**（*Scylla paramamosain*）作为一种广盐性物种，被广泛认为适合在盐碱水环境中进行养殖。然而，随着内陆盐碱水区域的盐碱化加剧，水体的pH值逐渐升高，成为制约养殖效率的关键因素。特别是在西北内陆地区，pH值可高达8.8，这种高碱性环境对养殖生物的生理和生化过程产生了显著影响。

本研究旨在探讨高pH值对仿刺尾虾虎鱼养殖性能的影响，通过长期的实验观察其在高pH盐碱水环境下的组织结构变化、渗透调节功能、免疫抗氧化反应以及鳃和肝胰腺的代谢特征。研究结果表明，高pH值对仿刺尾虾虎鱼的鳃和肝胰腺组织造成了不同程度的损伤。在蛋白表达方面，与细胞凋亡相关的蛋白如BAG、BAX，以及热休克蛋白如HSP的表达水平显著上升，这表明细胞在应对高pH环境时启动了防御机制。此外，血淋巴中的生化指标如甘油三酯（TG）、胆固醇（CHO）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）和丙氨酸氨基转移酶（ALT）也出现了异常波动，进一步验证了组织受损的情况。

在渗透调节方面，鳃组织中关键的调节酶如钠钾ATP酶（NKA）和钙镁ATP酶（CaMgA）的表达水平显著下降，而碳酸酐酶（CA）的表达则明显上升。这表明，在高pH环境下，CA可能起到了重要的补偿作用，帮助仿刺尾虾虎鱼适应这种碱性环境。对于肝胰腺而言，抗氧化酶如总抗氧化能力（T-AOC）、谷胱甘肽（GSH）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性显著降低，说明pH压力对仿刺尾虾虎鱼的渗透调节和抗氧化能力造成了双重损害。

代谢组学分析显示，当仿刺尾虾虎鱼暴露在pH诱导的应激环境中时，四个关键的代谢途径——ABC转运活性、甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢、嘌呤代谢和细胞清除——被高度富集。这表明这些代谢途径可能在仿刺尾虾虎鱼适应高pH盐碱水环境中发挥关键作用。在极端pH应激条件下，五碳糖磷酸途径和氨酰-tRNA生物合成也出现了独特的富集现象，提示仿刺尾虾虎鱼可能根据pH压力的严重程度采取不同的代谢策略。

高pH不仅直接影响养殖物种的生理状态，还改变了水体的微环境。在接近pH 9.0的水体中，由于相关细菌群落的光合作用受到抑制，钙、锰和铁等元素可能析出，导致锰的溶解度降低。此外，磷酸盐也可能以二水合磷酸钙的形式沉淀，减少藻类可用的磷源，从而限制藻类的生长。然而，某些蓝藻能够利用二氢磷酸和氢磷酸离子，使其在高pH环境中占据优势，并释放对养殖生物有害的毒素。例如，微囊藻毒素会显著降低鲤鱼和银鱼的吞噬活性和总白细胞数量。

仿刺尾虾虎鱼在内陆盐碱水环境中的适应主要依赖于渗透调节。离子运输是这一过程中的关键反应之一。NKA作为维持离子平衡和渗透压的重要酶，在这一过程中发挥着核心作用。然而，NKA的活性主要受到盐度的影响，而非pH。最近的研究强调了CA在水生动物酸碱调节中的作用。CA在盐碱应激条件下参与渗透调节，其基因表达受到抑制时会导致细胞内pH失衡和生理功能受损。在高度碱性条件下，CA在仿刺尾虾虎鱼和对虾的鳃中活性显著增强，CA7基因的表达也明显上升，这表明CA在适应高pH盐碱水环境中具有重要作用。

渗透调节是一个耗能过程。在低盐度应激条件下，仿刺尾虾虎鱼会上调多种能量代谢途径，包括碳水化合物、脂肪酸和蛋白质代谢，以满足能量需求，并动员中间代谢产物如牛磺酸、蛋氨酸、半胱氨酸（必需氨基酸）、丁酸（一种脂肪酸）以及葡萄糖和果糖等。维持渗透平衡所需的持续离子运输会消耗大量ATP。几乎所有生理和生化过程，包括离子、氨基酸、脂质和多糖的跨膜运输，都依赖于ATP。ATP结合盒（ABC）转运蛋白是一类相对保守的膜转运蛋白，具有ATP水解能力。在低盐度应激条件下，ABC转运蛋白可能协调不同底物的运输，以维持细胞内外的渗透平衡。然而，高pH应激则显著抑制了相关代谢途径的表达，削弱了仿刺尾虾虎鱼的代谢能力，影响了其渗透调节功能。

因此，阐明仿刺尾虾虎鱼在高pH环境下的生理反应对于推动西北内陆地区盐碱水养殖的发展具有重要意义。本研究的目标包括：（1）分析高pH环境下仿刺尾虾虎鱼鳃和肝胰腺组织的组织学变化；（2）评估这两个器官在高pH条件下的渗透调节和抗氧化反应；（3）利用代谢组学技术初步揭示仿刺尾虾虎鱼在高pH环境下的渗透调节机制。

为了研究不同pH条件对仿刺尾虾虎鱼的影响，实验中建立了模拟养殖系统，使用帆布水箱进行培养（见表1）。实验用水配制了不同浓度的NaCl、MgCl?、KCl、CaCl?、NaHCO?、NaBr和SrCl?，按照Friedman和Tomasso（2016）的方法进行准备。通过添加不同量的硫代硫酸钠调整水体pH值。实验设置了五个组别，其中一组添加了0.15克/升的硫代硫酸钠，以模拟不同pH条件下的环境变化。

在高pH条件下，仿刺尾虾虎鱼的鳃组织出现了明显的损伤。组织学观察和蛋白表达分析显示，随着pH值的升高，鳃组织的损伤程度也逐渐加剧。当pH值达到8.4时，鳃丝的末端明显肿胀，组织中部区域出现血细胞聚集（见图1，A–E）。鳃丝细胞的直径显著增大，表明组织结构受到了严重破坏。此外，鳃组织中的细胞凋亡相关蛋白如BAG和BAX的表达水平显著上升，而热休克蛋白如HSP的表达也明显增强，进一步验证了高pH环境对组织的损伤效应。

在生理反应方面，血淋巴中的生化指标如甘油三酯（TG）、胆固醇（CHO）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）和丙氨酸氨基转移酶（ALT）出现了异常波动，这表明体内代谢系统受到了干扰。此外，脂质过氧化产物如丙二醛（MDA）的含量也显著增加，进一步证实了高pH环境对仿刺尾虾虎鱼生理状态的负面影响。

高pH环境对仿刺尾虾虎鱼的渗透调节功能造成了显著影响。在鳃组织中，关键的渗透调节酶如NKA和CaMgA的表达水平显著下降，而CA的表达则明显上升。这表明，在高pH环境下，CA可能作为补偿机制，帮助仿刺尾虾虎鱼维持体内渗透平衡。对于肝胰腺而言，抗氧化酶如T-AOC、GSH和SOD的活性显著降低，说明高pH压力不仅影响了渗透调节功能，还对抗氧化能力造成了损害。

代谢组学分析进一步揭示了仿刺尾虾虎鱼在高pH环境下的代谢变化。研究发现，当仿刺尾虾虎鱼暴露在高pH盐碱水环境中时，ABC转运活性、甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢、嘌呤代谢和细胞清除等代谢途径被高度富集。这些代谢途径可能在仿刺尾虾虎鱼适应高pH环境时发挥关键作用。在极端pH条件下，五碳糖磷酸途径和氨酰-tRNA生物合成也出现了显著的富集，表明仿刺尾虾虎鱼可能根据pH压力的严重程度采取不同的代谢策略。

此外，高pH环境还可能影响水体中的微生物群落，进而改变水体的生态平衡。在接近pH 9.0的水体中，由于相关细菌群落的光合作用受到抑制，钙、锰和铁等元素可能析出，导致锰的溶解度降低。同时，磷酸盐也可能以二水合磷酸钙的形式沉淀，减少藻类可用的磷源，从而限制藻类的生长。然而，某些蓝藻能够利用二氢磷酸和氢磷酸离子，使其在高pH环境中占据优势，并释放对养殖生物有害的毒素。例如，微囊藻毒素会显著降低鲤鱼和银鱼的吞噬活性和总白细胞数量。

在高pH条件下，仿刺尾虾虎鱼的生理反应不仅体现在组织结构和代谢变化上，还可能影响其免疫功能。研究表明，高pH环境可能导致免疫相关蛋白的表达发生变化，从而影响仿刺尾虾虎鱼的免疫应答能力。例如，在高pH条件下，某些免疫相关蛋白如补体成分和溶菌酶的表达水平可能下降，而其他蛋白如干扰素和细胞因子的表达则可能上升。这种免疫反应的改变可能进一步加剧仿刺尾虾虎鱼在高pH环境下的生理压力。

研究还发现，高pH环境可能影响仿刺尾虾虎鱼的生长速率和繁殖能力。在实验中，高pH条件下的仿刺尾虾虎鱼生长速度较慢，繁殖率也有所下降。这表明，高pH环境可能通过影响代谢和生理功能，间接影响仿刺尾虾虎鱼的生长和繁殖。此外，高pH环境可能还影响仿刺尾虾虎鱼的摄食行为和消化吸收能力。在实验中，高pH条件下的仿刺尾虾虎鱼摄食量减少，消化吸收效率也有所下降，这进一步验证了高pH环境对仿刺尾虾虎鱼生理状态的负面影响。

综上所述，高pH环境对仿刺尾虾虎鱼的生理和生化过程产生了显著影响。这种影响不仅体现在组织结构和代谢途径的变化上，还可能影响其免疫功能、生长速率和繁殖能力。因此，进一步研究高pH环境对仿刺尾虾虎鱼的影响机制，对于优化盐碱水养殖条件、提高养殖效率具有重要意义。同时，了解仿刺尾虾虎鱼在高pH环境下的适应策略，也有助于开发新的养殖技术和管理模式，以更好地利用盐碱地资源，促进水产养殖业的可持续发展。