1980-2007总溶解气体过饱和产生生物学效应的文献概要

伊红美蓝

1980-2007总溶解气体过饱和产生生物学效应的文献概要

前言
       总溶解气体（TDG）过饱和从70年代初，被列为水质监测指标，因为它可能会对鱼类和其它水生生物造成损害。然而，这个标准是从实验室的角度出发设立的，没有考虑到自然条件下，水深对总溶解气体（TDG）过饱和以及其变化对生物的影响。该综述对过去27年的相关文献进行回顾总结，当前的TDG的饱和度标准为110％。本综述包含了1980年Weitkamp和Katz发表的一篇综述。这个由文献摘要支撑的总结是Weitkamp完成的（2008年a），在他的另一篇文章中对其进行分析和讨论（2008B）。多数人明白总溶解气体过饱和对生物的影响，因为水压既会导致TDG过饱和，又会对它产生限 制作用。水压使得气泡溶解在水体中导致过饱和。在不同的水深处，水压提供静压补偿，导致鱼暴露在实际的TDG水平要比报道的表面压力要小很多。TDG水平一般是参照水面的压力，而不是考虑水深或者是鱼类栖息的地方。大量的文献表明，在野外自然条件下（河流，水库，湖泊），鱼类和无脊椎动物的TDG过饱和会产生静压补偿。从野外的文档信息调查发现，当TDG水平超过120%时，一些品种会得气泡病。对哥伦比亚河流域的TDG过饱和的生物效应进行研究和监测，其中许多水坝春季的大流量导致TDG的水平频繁的超过120%。在哥伦比亚河流域会开闸放水，提升溯河产卵鱼类通道。季度性的开闸，导致水质标准有一定的差异（TDG 115-120％），经常几个州均向鱼道中排放大量的水体。河流和水库的TDG水平一般超过了110%的标准，主要是由于大坝泄洪或自然下雨，导致的春季河流径流量很大，使得其超过标准。由于人为导致的TDG过饱和超过标准的情况偶然会发生，主要是排放热废水，不过这种有记录的案例很少。春季较高的径流量导致很多大坝的水流容量超标，进而导致TDG过饱和。许多现存的法规认为需要在7Q10（流量超过7天，10年洪水频率）时，限 制高径流量时候的容量，来控制TDG。TDG水平升高（> 110-130％）也是自然存在的，如尼亚加拉大瀑布（平均TDG 126％）的下游。
总溶解气体过饱和对生物的影响
       气泡病（GBD）一般在高的TDG水平（> 120％）时出现，它的发病率较低，也不是很严重。文献还表明，GBD是可逆的，通常是一个非致命性疾病。根据文献中的记录表明，TDG过饱和导致生物学效应的性质和程度在野外条件下受到以下几点的制约：1.中等水平TDG过饱和（100-125％），这通常发生的；2. TDG过饱和时的位置（河流和水库的实质深度）；3.鱼的行为（每日运动的深度范围）；4.鱼的能力，当它们到达补偿深处时，从GBD迅速恢复的能力；5.水深，通常随着流量升高而升高，其TDG水平也提高。
该文献表明，在大多数情况下，其中有GBD的鱼在河流和水库中的发病率和严重程度一直不高。在TDG水平在110-120％时，GBD的发病率在1%-10%，且这些患GBD的鱼类均栖息在浅水处。GBD症状表现比较严重的一般是幼鱼，比较明显的是鱼的鳍条上有少量气泡。当TDG水平持续几个星期的大幅超过120%，那么浅水区鱼患GBD的概率要升高很多，患病的症状也更严重了。然而，尽管这么高的TDG水平，却很少造成鱼的死亡。TDG水平在130%时，将大幅度的增加浅水区域的鱼及大坝处鲑鱼幼鱼GBD的发病率和发病严重性。这些地方是观察GBD的传统地方，根据这些采样观察记录，可以大致估算GBD的发病率。在水坝中电力捕鱼或者从其支流系统进行采样，发现部分鱼跟从浅水处取样的鱼检验到的症状一样好像得了GBD。调查发现，当鱼和无脊椎动物在浅水时（水深小于1米），GBD的发病率和严重程度同自然条件相比大大增加。尽管对于GBD来说，浅水区的调查是必须的，但在野外自然条件下，它不能实际的反应其生物学效应，主要是因为在自然条件下，水体的深度大多比较深。
死亡率—对数量的影响
        在一些报告中，有一些案例表明，在野外自然条件下，鱼类的GBD可以导致其死亡。第一次有记录的鱼类较大死亡率的是在1968年的哥伦比亚河流域下游的John Day 大坝，这里只有很少的有死亡的案例被报道过。Beeman et al. (2003a)提到，鱼类的死亡出现过，至少是在哥伦比亚河上的大古力水坝，鲁弗斯森林湖的下游的网箱养殖中出现过。这些死亡是TDG过饱和导致的，但没有提供针对性的信息。然而，在鲁弗斯森林湖，当地彩虹鳟鱼生长时期被Maule et al. (2003) 和 Beeman et al. (2003b)报道，它的TDG饱和度在1996-1997年时一直较高，但没有显示出较大的差异，并建议每年关注它的TDG过饱和度。Colt et al. (1991)报道，美国加尼福尼亚的河流1986年，由于洪水的原因，使得福尔瑟姆大坝附近的TDG水平在126-132%，对大马哈鱼造成了大量死亡。密苏里河，哈利.杜鲁门大坝附近，TDG水平在139%，导致鱼类患GBD而大量死亡(Crunkilton et al. 1980)。Lutz (1995)报道，在爱荷华州，红岩坝的下游，1983-1994年间，存在死亡15条鱼的情况（在几千条鱼时则小于50），她把它们的死亡归结于GBD。造成这些死亡时，TDG的平均水平为121%，高峰为140%，这时的最大水深为0.6m。得梅因河的鱼类出现死亡只有在其水位低、TDG过饱和时出现，当水浅（平均水深1.1m）时静压补偿就不会出现。虽然在一些情景下，大量的死亡已经被报道了，但这些死亡并没有明显的反应出对种群数量明显的影响。Maule et al. (2003)多年监测鲁弗斯森林湖的TDG过饱和情况，但不能分辨出哪些是濒死鱼，其对种群数量的影响。
气泡病的特性
       GBD的基本特征并没有变化，还是跟以前的文献描述的一样，但一些新的病症跟GBD的死亡和恢复有关。表面可见的症状的严重与否，跟疾病的严重性相关。死亡率低，TDG水平上升到大约130%。TDG在高水平时，死亡率不是GBD的特征性病症。死亡主要是由血管中的气泡导致的。无脊椎动物的气泡在消化道，可能会使其漂浮，导致它更容易遭到捕食。气泡是TDG过饱和产生的，流体静压或者换进TDG不饱和（或一点点饱和）的水时可以使得气泡迅速消失。气泡在鱼鳃上几分钟就消失了，在鱼鳍条上则需要几小时到几天时间消失，这个跟压力和TDG条件有关。在慢性GBD条件下，鳍条组织由于气泡导致出现损伤，这种情况还没有被报道过。
物种、生长阶段的差异
       许多种类的鱼和无脊椎动物的不同生长阶段的情况在文献中都有描述。不同种类的鱼对于GBD的敏感性已经分辨出来了。这些不同主要是由于鱼类的不同的行为（深度的分布）造成的，它导致它们所暴露的环境不一样。在野外自然条件观察时，在浅水区，这些种类鱼的GBD的发病率和发病程度都比较严重，这一点证明了前面的观点。还有一点就是，鱼对GBD的敏感性跟它的身体构造有关（闭鳔v喉鳔）。鱼不同生长阶段对GBD敏感性的也不同。胚胎的抵抗力要明显强于幼鱼（幼鱼和稚鱼）(Jensen 1980, 1988)，将雌性的胚胎提前暴露在TDG过饱和中，结果也是一样(Gale et al. 2004)。对于它的抵抗力强，给出的解释是，水体中卵的结构所受到的流体静压要高于大气压力。幼鱼的抵抗力要小于成鱼的，这显然是由于在不同的水深分布造成的。一些研究表明，GBD可能导致幼鱼更容易捕食(Mesa and Warren 1997)。然而，其它的一些工作表明，当捕食者患GBD后，它的活动降低、下沉或者在池塘底部，使得它们对比它们小一些的鱼的捕食降低(Bentley and Dawley 1981, VanderKooi et al. 2003)。鱼类对于检测和躲避TDG过饱和的能力还没有相关的研究。大多数研究表明，鱼有一点点或者没有能力来检测TDG过饱和。
总溶解气体的控制
       通过对水电设施的结构和操作的改善，来减少TDG的水平，在这方面已经有了相当的进步。在溢洪道中安装导向板可以减少空气溶解进水体的量，主要是在水体下降的过程中建造消力池。在溢洪道排放的过程中，进行结构和操作的改善虽然可以减小TDG水平，但是一般不能使其降到110%。监测用的水利设备是采用半透膜技术的原理检测的，数据是容易获得的，但一般不会公开发表。研究人员已经建立了一个数据计算模型，便于理解溢洪道中的水流，在下降的过程中对空气溶解的能力和溢洪道下游水体过饱和的变化情况。大多数的模型都是建立在经验的基础上，对于特殊的大坝需要做出相应的修改。
自然条件下的总溶解气体过饱和
        除了人为造成的TDG过饱和，还有一些是在自然情况下其TDG水平超过110%。近来的检测表明，尼亚加拉大瀑布的TDG平均水平为126%。哥伦比亚河的主要瀑布，如水壶瀑布和 Celilo瀑布，其历史TDG水平均很高，尤其是在春季高径流量时。
现有的总溶解气体标准
       现有的TDG水体参数标准（饱和度110%）是在20世纪70年代早期公布的，它是根据假设其对鱼类和无脊椎动物有GBD的生物效应，然后通过实验室调查研究而设定的标准。 1965年清洁水法案的出台，推动了水质参数中TDG标准的发展。在那个时候，基本没有野外自然条件下，TDG过饱和的生物效应相关的资料。因此，支持TDG标准的信息主要是从实验室获得，对鱼类和无脊椎动物进行浅水区的实验（1m的水深，在30cm处进行实验）。这些浅水区的数据用来证明最初的TDG110%标准（在俄勒冈州为105%）。标准颁布的前提是确保自然条件下，鱼类基本不会因为标准的设定而出现损伤。根据这个标准来保护鱼类不一定是绝对的，但信息不够，不能够提出更高的标准来保护鱼类。在1970年的早期，华盛顿州和俄勒冈州颁布溶解的氮（N 2）标准，而之前我们一直认为TDG比氮气更适合做监测参数。华盛顿州设定的TDG标准为110%，而俄勒冈州最初颁布的标准为105%，随后改为110%。根据这些最初的标准，美国环境保护局（EPA）提议将TDG过饱和的标准定为110%，并写进了1972年的蓝皮书。EPA对1976年的红皮书进行修改，但保留了TDG过饱和110%的标准。1977年，美国渔业协会对EPA红皮书的标准进行了审核，其中主要是Wes Ebel, Gerry Bouck, Kirk Beiningen, W. R. Penrose,和 Don Weitkamp依据当时已有的资料对其进行审查。尽管当时对110%的标准的制定不是全票通过，但全部认为这个标准可以起到保护的作用。他们的审核主要是通过匮乏的野外自然资料、实验室调查研究和一些活体的小容器研究。
结论
        在野外自然条件下，TDG的水平在110-120%时，很少发生GBD。如果发生，那么它的症状也比较轻。在野外自然情况下，TDG经常过饱和。这时鱼类和无脊椎动物的静压补偿就跟水体的深度和它们的行为习惯有关，而实验室调查一般就遗漏了这些。本文和以前的一篇文献(Weitkamp 和 Katz 1980)表明在TDG水平为120%或者更低时，对种群数量的影响不大。在大多数TDG水平超过120%时，它对水生种群的影响还没有被发现。野外自然条件下的数据表明，TDG110%的标准是很保守的。当野外自然条件下TDG过饱和时，饱和度为120%应该能够起到保护的作用。我们建议在野外自然条件下，在水深2m或者更深时，为了保护鱼类和无脊椎动物，其TDG标准应该设定为120%。孵化器的水供应和流动的浅水不能为生存在里面的鱼类和无脊椎动物提供静压补偿，因此，在浅水区域，TDG水平设为110%可能就可以起到保护的作用。（利洋技术部 陈明卫 译） TOTAL DISSOLVED GAS SUPERSATURATION SUMMARY OF BIOLOGICAL EFFE******M LITERATUR.pdf (117.27 KB, 下载次数: 145)

2015-3-17 10:32 上传

点击文件名下载附件