四、氮化合物 1,tM
(一)氮化合物的组成 f<`is+"
氮是构成生物体蛋白质的主要元素之一。水中氮化合物包括有机氮和无机氮两大类。 K9#=@}!3L
有机氮主要是氨基酸、蛋白质、核酸和腐植酸等物质中所含的氮。某些藻类和微生物可直接利用有机氮。在工厂化育苗池、温室养鳖池、精养鱼池中有机氮占有较大的比例。 S-^RZ"
无机氮主要有溶解氮气(N2)、铵态氮(NH)、亚硝态氮(NO2-)和硝态氮(NO3-),溶解于水的分子态氮只有被水中的固氮菌和固氮蓝藻通过固氮作用才能转化为可被植物利用的氮。一般浮游植物最先利用的是铵态氮,其次是硝态氮)最后才是亚硝态氮。因此上述三种形式的氮通常称为有效氮,或称为三态氮。亚硝态氮是不稳定的中间产物,对鱼类和其他水生动物有较大的毒性。 %YI Xk1
在鱼类主要生长季节的池塘中,当总铵超过0.5mg/L,亚硝态氮超过0.lmg/L,表示水中受大量有机物污染。而精养鱼池在夏秋季节则往往超过此值,通常总铵为0.5~4mg/L,亚硝态氮为 0.1~0.4rng/L,硝态氮为0.1~2mg/L。一般海洋、湖泊、水库等水域,当总氮超过0.2mg/L,总磷超过0.02mg/L时,表明该水体已富营养化。 UUf-G0/P
(二)氨(NH3) X5| <qu
养殖水体中产生的氨(NH3)有三个方面:①含氮有机物的分解产生氨;②水中缺氧时,含氮有机物被反硝化细菌还原;③水生动物的代谢一般以氨的形式排出体外。氨易溶于水,在水中生成分子复合物:NH3•H2O,并有一部分解离成离子态铵(NH4+),形成如下化学平衡:NH3•H2O—→NH4++OH-。分子氨(NH3)和离子铵(NH4+)的总和称为总铵。 l 4zl|6%
1、氨的毒性机理 [q/tKdo@
当水环境的氮增加时,大多数鱼类氨的排出量减少,因而血液和组织中氨的浓度升高。这样对动物的细胞、器官和系统的生理活动带来严重的影响。 thYG1Cs
(1)氨对细胞的影响 分子氨进人血液后,转变为游离氮,并产生一个氢氧根离子(OH),浓度高时,对酶的催化作用和细胞膜的稳定性有明显的影响。高浓度的氨能吸收三羧循环中的α-酮戊乙酸,从而使谷氨酸脱氢反应逆向进行,同时减少辅酶-I(NADH)的有效氧化值。然后由于谷氨酸的氨转化为谷氨酰胺,而降低细胞中的三磷腺苷的浓度。 bvf}r
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(2)氨对排泄的影响 以NH3的形式直接排出是大多数鱼类的重要途径。水环境中氨浓度增加造成排氨困难,鱼类可能首先减少或者停止摄食以减少代谢氨的产生。停止摄食后,必然降低生长率。 x2|YrkGv
(3)氨对渗透作用的影响 水环境中高浓度的氨影响鱼类的渗透作用。因氨增加了鱼类对水的渗透性,从而降低体内的离子浓度。淡水生物是高渗透压的,在氨的致死浓度中,虹鳟的排尿量比平时增加6倍。从理论上说排尿量增加会超过肾脏的吸着能力,而引起氯化钠、葡萄糖、蛋白质和氨基酸的消耗。 SxHj3,`#C
(4)氨对氧运输的影响 氮能严重损害鱼的鳃组织,降低鳃血液吸收和输送氧的能力。由于血液的pH较低,增加了氧的消耗,破坏了红细胞和造血器官。把虹鳟置于 NH3-N为21ug/L的水环境中培养6个月,鳃发生显著的病理变化,鳃的损害减少了鳃的亲氧面积和运送氧的能力。生活在含氨环境中的银鲑,同样由于酸性代谢产物的积累,使血液的pH下降而减弱血液的输氧能力,血液中含氧的饱和程度降低,但银鲑能通过肾脏和呼吸机制使pH恢复正常。虹鳟在氨的致死浓度中,氧的消耗量增加了3倍。这可能是由于活动量的增加,维持水、盐平衡的能量消耗增大或是细胞代谢受干扰所致。赖克巴(1967)发现鱼类在含氨的环境中,红细胞和血红蛋白的数量显著减少。 "pDwN$c
(5)氨对组织的影响 氨的致死、半致死浓度可引起各种鱼类的肾、肝、脾、甲状腺和血液组织变化。鱼类长期生活在含氨的环境中,可引起死亡。 Kd?TIeF E
2、氨的致死作用 #+vIq?
分子氨对鱼类是极毒的,可使鱼类产生毒血症。分子氨(NH3)对鲢、鳙鱼苗24h的半致死浓度分别为0.91和0.46rng/L(雷衍之等,1983)。对不同发育阶段的草鱼鱼种96h半致死浓度测定表明,随着鱼体增大,分子氨的半致死浓度增大,其中全长1.73cm的草鱼其分子氨(N)的半致死浓度为0.469mg/L,2.62cm的草鱼为1.325mg/L,7.07cm的草鱼达1.386mg/L。据报道,水中分子氨在 0.12mg/L,对斑点叉尾鲴的生长有明显影响;冷水性鱼类对分子氨很敏感,欧洲内陆渔业咨询委员会以分子氨对鲑、鳟鱼类的慢性毒性实验资料为依据,建议以0.021mg/L为渔业用水标准;我国鲤科养殖鱼类对分子氨的耐受力较强,尽管目前尚未统一规定分子氨(NH3)对鲤科养殖鱼类的安全浓度,但一般都按0.05~0.1mg/L的分子氨作为可允许的极限值。 SD "'
分子氨和离子铵在水中可以互相转化,它们的数量取决于养殖水体的pH和水温。pH越小,水温越低,在水体总铵中分子氨的比例也越小,其毒性越低。pH<7时总氨几乎都是以铵离子形式存在。pH越大,水温越高,分子氨的比例越大,其毒性也就大大增加。 fgs){Ng`
NH4+在天然水中存在如下水解反应:NH4++H2O L8&$o2+07r
(三)亚硝态氮 (8(7:aE$
(1)毒性机理 Rn(vG-xQ
亚硝态氮的毒性主要是影响氧的运输、重要化合物的氧化以及损坏器官组织。血液中亚硝态氮的增加能将血红蛋白中的二价铁氧化为三价铁。主价铁血红蛋白(氧化型血红蛋白)则没有运输氧的能力。亚硝态氮还可引起小血管平滑肌松弛而导致血液淤积。此外,亚硝态氮可以氧化其他重要化合物。用虹鳟实验发现死亡的原因不单是由于三价铁血红蛋白含量的提高,可能还有亚硝态氮的其他毒性反应。把虹鳟置于含0.060mg/L亚硝态氮的环境中3周,可见到鳃瓣轻度肥大、增生和脱落。 $c!cO" U
(2)致死作用 hP=^JH
亚硝态氮对鱼类的致死作用因水的化学性质和鱼类品种不同而差异很大。斑点叉尾鲫和虹鳟96h半致死浓度(LC50)分别为12。 8~13.1mg/L和0.20~0.40mg/L。加入钙离子或氯离子,可以使鲑科鱼类对亚硝态氮的忍耐力增加30~60倍。这是曲于它们能使亚硝态氮完全通过鳃而降低毒性。 mG?g
(四)硝态氮的毒性 Mpfdl65
在水循环系统中,由于氨态氮的硝化而产生硝态氮的积累。硝态氮对鱼类来说毒性最小,但高浓度的硝酸盐也影响渗透作用和氧的运输。高浓度的硝态氮也会将二价血红蛋白氧化为三价血红蛋白。格拉德巴等发现5~6mg/L硝酸盐一氮可引起虹鳟血液中三价铁血红蛋自明显增加。水生动物96h的硝酸盐半致死浓度为1000~3000mg/L。在淡水鱼试验中,把硝酸钠和氯化钠二者的半致死浓度进行比较,发现硝态氮的毒性主要是由于鱼类不能在高盐环境中维持正常的渗透压所致。 QJL%J
(五)养殖水体中氮的循环 /kl41gx
氮化合物在水中流向和变化情况。池水中溶解的有机氮来自动物分泌物、动植物尸体,它们在微生物的作用下先分解为氨(NH3)。氨在水中部分离解为离子态铵(NH4+)。在溶氧丰富的水体,亚硝化细菌和硝化细菌(均属好气性细菌)大量繁殖,铵态氮则被亚硝化细菌氧化为亚硝态氮(NO2-),亚硝态氮是很不稳定的中间产物,在硝化细菌的作用下很快氧化为硝态氮(NO3-)。如果水中缺氧,则好气性微生物受到抑制,厌气性微生物(如反硝化细菌)大量繁殖,水中有机物分解形成的总铵不仅无法进一步氧化为亚硝态氮和硝态氮,而且原有的亚硝态氮和硝态氮也被反硝化细菌还原为总铵,总铵又被反硝化细菌还原为氮,并逸出水面,造成氮的损失。 QEe\1>1"&
(六)降低氮化合物毒性的措施 6*] g)m
(1)排污换水通过大量换水,排出高浓度的氮化合物的养殖水,注人含氮量低的水,以降低水体有毒物质的浓度。 7X
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(2)增氧氨氮和亚硝态氮的氧化主要依靠硝化细菌来完成,而硝化细菌属好氧细菌,它们的生长繁殖需要大量的溶氧。因此,在养殖系统中必须保持足够的溶氧,有利于将氨氮和亚硝态氮转化为低毒的硝态氮。 3fS+,>s\O
(3)降低鱼类氮的排出数量小水体如总铵浓度过高,应立即停止投饵,这样可以把鱼类的排氨量降低75%。在工业化养鱼过程中,如水供应中断或水循环系统中的生物过滤失败都会出现氨等氮化合物的致死浓度,停止投饵是首要措施。 dE<}X7J%
(4)脱氮在溶氧高的条件下,铵氮和亚硝态氮可转化为低毒的硝态。但硝态氮的大量积累,其含量虽离半致死浓度相差甚远,但水中硝酸盐的增加,使水的pH下降。这在工业化养鱼的水体中尤为明显。如上海水产大学河 蟹育苗温室,由于采用充气、大量使用EM一菌等措施,致使水中硝态氮增加至1.5mg/L以上,育苗池排出水的pH由8.2下降至7.4.为此可利用水生植物(在阳光的作用下)或采用生石灰水进行脱氮,以稳定水的PH。 h|=<I)}z