侧向射流诱导氧化应激：大西洋鲑幼鱼下行引导的生理与行为响应

《Hydrobiologia》：Physiological and behavioral responses of Atlantic Salmon smolts to jet injector flow for downstream guidance

为解决水电设施中鱼类下行引导效率低及生理影响不明的问题，研究人员开展了关于侧向射流对大西洋鲑幼鱼生理与行为响应的研究。结果表明，右侧射流显著提升了红细胞中MDA水平及CAT、GPx活性，表明存在氧化应激，但未引起显著的行为改变。该研究强调了在评估鱼类引导系统时，整合生理指标对于揭示亚致死应激的重要性。

　　

在蜿蜒的河流中，大西洋鲑的幼鱼（smolts）会顺流而下，开启它们生命中至关重要的海洋之旅。然而，人类活动修建的水坝等水利设施，如同巨大的“路障”，切断了河流的连通性，不仅阻碍了鱼类的自然迁徙路径，更可能导致种群数量减少、遗传隔离，甚至局部灭绝。为了帮助这些“旅行者”安全通过障碍，科学家们设计了一种名为“行为引导系统”的解决方案。这种系统不依赖物理屏障，而是利用光、声或水流等非物理线索，试图将鱼类引导至安全的旁路通道，从而避开危险的水轮机。

尽管这些系统被寄予厚望，但其效果却因物种和环境而异，并不总是那么理想。其中一个关键问题是，鱼类天生倾向于追随河流的主水流。如果旁路通道的引流量不足，鱼类很可能会“误入歧途”，进入水轮机，导致严重受伤或死亡。因此，通过操纵水流来创造有利的引导条件，成为当前研究的热点。然而，在关注工程效果和鱼类行为的同时，一个更深层次的问题浮出水面：这些人为制造的水流环境，对鱼类自身的生理状态究竟有何影响？毕竟，生理应激反应是衡量鱼类福利和生存状态的关键指标，它直接影响着鱼类的生长、繁殖和生存能力。

为了回答这个问题，一个由Sophia Schumann等人组成的国际研究团队，在瑞典阿尔夫卡勒比的水电研发中心，利用一个名为“Laxeleraton”的大型循环水槽，开展了一项精细的实验。他们想知道，一种利用高压泵或射流来操纵表层水流方向、引导鱼类远离水轮机的新型策略，是否会对大西洋鲑幼鱼造成生理上的“隐形”压力。这项研究旨在通过整合生理和行为数据，全面评估鱼类对动态水环境的适应能力，为设计更安全、更人性化的下行迁徙系统提供科学依据。相关研究成果已发表在《Hydrobiologia》上。

关键技术方法

为了探究侧向射流对大西洋鲑幼鱼的生理与行为影响，研究人员采用了多学科交叉的研究策略。实验在瑞典阿尔夫卡勒比的大型循环水槽中进行，该水槽长24米、宽4米、深1.7米，能够模拟真实的河流环境。研究团队设计了三组处理：左侧射流、右侧射流和无射流对照，每组重复6次，每次使用20尾全新的幼鱼。

在生理指标分析方面，研究人员在实验结束后立即采集了鱼类的血液样本。他们利用微滴定放射免疫分析法（RIA）测定了血浆中的皮质醇浓度，以评估传统的内分泌应激反应。同时，通过商业试剂盒检测了全血中的乳酸和血红蛋白水平，以反映机体的无氧代谢和氧气运输能力。为了深入探究氧化应激状态，研究团队重点分析了红细胞中的氧化损伤标志物和抗氧化酶活性。他们检测了丙二醛（MDA）和晚期氧化蛋白产物（AOPP）的水平，以评估脂质和蛋白质的氧化损伤程度；并测定了超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和过氧化氢酶（CAT）的活性，以评估机体的抗氧化防御能力。

在行为学分析方面，研究人员利用12个摄像头记录了鱼类在水槽测试区域内的游泳轨迹。通过行为观察研究交互软件（BORIS），他们量化了鱼类的空间分布偏好，包括侧向位置（左、中、右）和垂直位置（表层、中层、底层）。为了综合评估侧向偏好，他们还计算了游泳路径指数（SPI），该指数越接近1表示越偏好左侧，越接近3表示越偏好右侧，2表示无偏好。

研究结果

射流特征

声学多普勒流速仪（ADV）的测量结果显示，壁面安装的射流产生了一个狭窄、表层集中的水流羽流，其影响范围在下游约2至3米处消散。在射流出口附近，水流在壁面附近形成了一个明确的、表层导向的条带，上层水体（0.6米以上）存在明显的垂直剪切。随着向下游移动，射流的影响逐渐减弱，在2米下游处，侧向流速剖面已基本趋于平坦，各深度的流速均接近背景流速。总体而言，射流的影响仅限于近表层和壁面附近区域，对深层水体和对面侧的水流影响甚微。

传统应激指标

与预期相反，皮质醇、血红蛋白和乳酸等传统应激指标在不同水动力条件下均未表现出显著差异。平均皮质醇浓度在70.9±40.6至80.9±44.9 ng mL^-1之间，血红蛋白在6.9至7.6±1.0 g dL^-1之间，乳酸在2.7至3.5±1.3 mmol L^-1之间。这些数值均处于未受应激的幼鱼基线范围内，表明射流处理并未引发强烈的急性应激反应。

氧化应激

统计分析揭示了处理对红细胞中抗氧化酶活性的显著影响。与左侧射流组相比，右侧射流组的GPx水平显著升高。同样，CAT活性在处理间也存在显著差异，右侧射流组的CAT活性也显著高于左侧射流组。相比之下，SOD活性在各处理间未观察到显著变化。

进一步分析显示，处理对丙二醛（MDA）水平有显著影响。事后检验表明，右侧射流组的MDA水平显著高于对照组和左侧射流组，表明在该水动力条件下脂质过氧化程度加剧。与此相反，各处理间的晚期氧化蛋白产物（AOPP）水平无显著差异。

行为分析

对侧向游泳分布的分析显示，处理效应不显著。然而，幼鱼在所有处理中均表现出对水槽左侧的一致偏好。游泳路径指数（SPI）平均为1.56±0.07，所有试验的SPI均未超过2.0，表明存在独立于射流方向的稳定左侧偏好。

垂直游泳分布在处理间也无显著差异。在所有处理中，幼鱼主要占据水体的底层三分之一，其次是中层，表层最少。

研究结论与讨论

这项研究提供了新颖的证据，表明射流诱导的水流可以在不引起明显行为改变的情况下，引发大西洋鲑幼鱼的亚致死生理反应。虽然皮质醇、血红蛋白和乳酸等传统应激指标保持稳定，但基于红细胞的氧化应激指标揭示了明显的、处理特异性的效应，为理解鱼类如何与局部水力条件相互作用提供了机制性的视角。

皮质醇作为鱼类的主要应激激素，在处理间未表现出显著差异，这支持了射流诱导的水流是一种非侵入性引导刺激的观点，它可以在不施加急性应激的情况下改变鱼类的方向。然而，右侧射流组中抗氧化酶GPx和CAT的显著上调，以及脂质过氧化标志物MDA水平的显著升高，揭示了更深层次的生理变化。这些结果表明，右侧射流可能在水体右壁附近产生了更高的湍流或加速区，增加了水动力阻力，从而提高了代谢需求。这种代谢需求的增加导致了活性氧（ROS）的产生，进而触发了GPx介导的解毒反应，并造成了红细胞膜脂质的过氧化损伤。值得注意的是，蛋白质氧化（AOPP）保持不变，表明这种氧化挑战是适度的，主要局限于脂质区室，而非造成广泛的蛋白质损伤。

行为学分析提供了补充性的见解。虽然未检测到处理对侧向游泳分布的显著影响，但幼鱼在所有处理中均表现出对左侧的一致偏好。这种偏好可能与水槽中的水流不对称性有关，也可能反映了鱼类对“最小阻力路径”的学习行为。尽管行为本身没有区分处理，但其与右侧射流条件下观察到的生理不对称性相一致，表明水动力特征可能同时塑造了微妙的生理成本和侧向定位趋势。

综上所述，该研究支持使用非致死性血液采样，利用具有代谢能力的红细胞，作为检测鱼类在水动力挑战下亚致死氧化应激的灵敏工具。通过整合生理指标和行为观察，研究表明氧化应激指标可以揭示与射流诱导水流效应相关的、方向依赖性的代谢成本，而这些成本是皮质醇等传统应激指标所无法捕捉的。这些发现强调了在评估鱼类引导系统时，结合生理和行为数据的重要性。有效的通道设计应使水力线索与鱼类的能量和感官能力相匹配，从而在提高引导效率的同时，最大限度地减少生理负担。