讨论

鲑科胚胎和幼鱼在河床表面以下约15厘米处度过数周，那里的水流相对较小，与外部环境的物质扩散交换取决于河床微环境的组成。本研究假设，胚胎代谢会影响胚胎周围微环境中的水化学成分。

事实上，随着胚胎发育到孵化阶段，氧气和pH边界层梯度明显增加。正如预测的那样，卵囊阻碍了废物的有效清除，造成胚胎周围环境中NH4+和H+浓度升高，氧气浓度降低(图5)。关于氧气和卵囊作为扩散屏障的作用，本研究证实了之前的观察结果。数据进一步表明，胚胎拥挤会加剧这些条件，因为在近距离内整体新陈代谢的增加以及对局部水流的阻碍作用会产生更陡峭的边界层梯度。

正如预测的那样，晚期胚胎(29dpf)的氧气和pH边界层梯度显著高于早期发育阶段，但NH4+边界层梯度没有显著差异，尽管它们的趋势相似。在幼鱼阶段也发现了类似的结果。一般来说，氨的排泄量在虹鳟的早期发育过程中会增加，但就在孵化后的10-15天内，氨的排泄量会趋于平稳。在本研究中，30dpf和43dpf边界层氨梯度相似的原因可能就在于此。值得注意的是，幼鱼(43dpf)的边界层梯度可能被高估了，因为未麻醉的幼鱼可能会利用鳍的运动来破坏边界层，这在其他水生物种中也能看到。

图5虹鳟胚胎孵化前(29dpf；10℃)微环境中氧、pH和氨浓度示意图。从自由流动的表层水到细胞周液(PVF)，氧气(O2)和pH值降低，氨(NH4+)增加。

卵囊不仅为氧气，还为H+和NH4+离子提供了额外的扩散屏障(图5)。尽管卵囊具有允许小质量分子自由移动的跨膜孔道，但它还是减慢了气体和离子的通过速度。卵囊还可能阻碍CO2的排泄，进而通过水合作用进一步降低PVF中的pH值。事实上，在头足类胚胎中，PVF中的CO2分压(pCO2)水平高于周围环境。这可能会在胚胎发育的最后阶段造成不利的缺氧、高碳酸血症、酸性和高氨微环境。如果这些条件持续下去，可能会对鲑科胚胎产生有害影响。此外，这些逐渐恶化的条件可能会引发孵化。事实上，低环境含氧量(溶解氧饱和度约为50%)已被证明会刺激处于发育最后阶段的鲑科胚胎孵化。另一方面，PVF pH值的进一步降低(pCO2的升高)可能会导致代谢抑制，阻碍绒毛膜促性腺激素降解卵囊并使胚胎孵化。虽然Steele等人认为暴露于高浓度的环境氨气不会刺激晚期虹鳟胚胎的孵化，但高浓度的PVF NH4+水平与缺氧结合可能会协同诱导孵化，但这一点尚不清楚。因此，卵囊为发育中的胚胎提供了机械保护，但在后期却限制了胚胎的进一步生长，并限制了胚胎与外界环境的分子自由交换。

胚胎孵化后，数据显示它们进入了一个更好的世界；与PVF相比，幼鱼边界层条件更为有利。氧含量从约0.03mmol/l增加到0.28mmol/l(10-80%饱和度)，pH值从pH6.9增加到7.8，NH4+浓度从2.0降低到约0.05mmol/l。这些条件的变化，尤其是氧气和氨含量的变化，将为胚胎的生长提供更好的环境。

拥挤对胚胎边界层的水化学有很大影响。正如预期的那样，与单个胚胎处理相比，拥挤胚胎的氧气、pH值和氨的边界层梯度明显更高。此外，这种胚胎在水平面相邻的拥挤实验可能低估了自然河床产卵区中边界层效应的程度，因为在自然河床产卵区中，胚胎可能在所有维度上都被包围。在这项研究中，有多少拥挤效应是由于单纯的水流中断造成的？计算方法是：将假拥挤O2、pH或NH4+边界层梯度(仅水流受阻)除以匹配的胚胎拥挤O2、pH或NH4+边界层梯度(水流受阻+新陈代谢变化)，然后乘以100。根据上述计算，水流受阻造成的拥挤效应在氧气梯度中占61%，在pH梯度中占94%，在NH4+梯度中占78%。因此，对胚胎边界层的拥挤效应大部分是由于水流变化(61-94%)而不是直接的新陈代谢(6-39%)造成的。在对水生动物的研究中，水流的微小变化对氧气边界层梯度的影响很大。事实上，39%的氧气边界层与新陈代谢效应有关(相对于pH和NH4+梯度要高得多)，这可能仅仅是由于进出胚胎的分子运动在数量上存在差异。与氨的产生量相比，近孵化期的虹鳟胚胎消耗的氧气约多10倍。pH值的变化受多种因素的影响，包括H+的直接排泄率、排泄的CO2中水合形成H+(和HCO3-)的部分以及水的缓冲能力。无论如何，这些结果表明，在自然河床产卵区中，胚胎在密集的卵囊中的微环境会受到邻近的影响。

除了上述生物因素外，流体动力学也会改变发育中胚胎周围的水质。例如，雌性鲑科倾向于在砾石内水流高于平均水平的生境中产卵。这将增加通过卵的水量，从而补充消耗的氧气，并通过对流清除废物。此外，由于缺氧水和富氧水的密度不同，卵周围会出现环形水流。这些环形水流可以提高水流速度，大大增加对流。此外，在密集的卵囊中，卵与卵之间的间隙水流速度会比单个卵增加。然而，由于新陈代谢的影响，其他卵的存在会损害水质。因此，自然河床产卵区条件非常复杂，难以在实验室中模拟，而且将探针插入自然河床产卵区也可能会干扰正常的水流模式。

总之，研究结果强调了水生胚胎孵化过程中非生物因素和生物因素之间复杂的相互作用。这项研究表明，呼吸废物会在虹鳟早期生命阶段的微环境中积累。在胚胎发育过程中，边界层条件会发生变化，同种动物的拥挤会对胚胎的微环境产生负面影响。在自然河床中，胚胎的发育和生长可能会受到卵囊中位置的影响，因为在单个胚胎和拥挤胚胎之间观察到的水化学差异很大。