船載振動脅迫對斑石鯛影響實驗研究

張宇雷,管崇武

(1中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海200092; 2青島海洋科學與技術國家實驗室深藍漁業(yè)工程裝備聯(lián)合實驗室,山東青島266237; 3農業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室,上海200092)

船載振動脅迫對斑石鯛影響實驗研究

張宇雷1,2,管崇武1,3

(1中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海200092; 2青島海洋科學與技術國家實驗室深藍漁業(yè)工程裝備聯(lián)合實驗室,山東青島266237; 3農業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室,上海200092)

為了探索魚類在船載振動條件下的應激響應和適應性,為深遠海大型養(yǎng)殖平臺養(yǎng)殖工藝設計與模式構建提供基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù),利用機械振動臺模擬船載工況,研究不同振動頻率和時間條件下斑石鯛(Oplegnathus punctatus)的血液和生化指標變化情況。結果表明:振動時間5min,10 Hz組和50 Hz組的斑石鯛各方面指標均與對照組無顯著性差異,30 Hz組的血清葡萄糖顯著降低,皮質醇和腎上腺素指標顯著升高,肌糖原和肝糖原無顯著差異;振動時間60min,各實驗組斑石鯛的血清葡萄糖指標均顯著降低,皮質醇和腎上腺素指標顯著升高,但對肌糖原和肝糖原指標無顯著影響;水質變化情況顯示,振動60 min后水體內溶氧濃度和氨氮濃度指標有所上升,水溫、鹽度、pH等無明顯變化。研究表明,低頻振動對魚類的影響主要是通過產生水流變化進而被側線器官感受到,引起斑石鯛腦神經興奮,產生應激。短時振動對斑石鯛不會造成較大影響,而長時間振動會引起斑石鯛一定程度的應激反應。

斑石鯛;振動;船載養(yǎng)殖;應激

近年來,以養(yǎng)殖工船或大型浮式養(yǎng)殖平臺等為核心裝備的深藍漁業(yè)受到了越來越多地關注[1]。與傳統(tǒng)陸基、池塘、網(wǎng)箱等養(yǎng)殖方式相比,船載或平臺養(yǎng)殖(簡稱船載養(yǎng)殖)存在特殊性,尤其是輪機設備和甲板機械的正常工作會產生大量的噪音和振動。Celi等[2]利用水聽器模擬船舶噪音,發(fā)現(xiàn)暴露在船舶噪音環(huán)境條件下10 d,會對海鱸的促腎上腺皮質激素、皮質醇、血糖等9項指標產生顯著影響,但是對體長和體重影響不大。Neo等[3]在對網(wǎng)箱養(yǎng)殖海鱸的過程中也發(fā)現(xiàn),魚類為遠離噪音源會主動提高游泳速度。國內相關研究認為,活魚運輸條件下振動頻率會對大口黑鱸、金魚和鱖魚的生理、生化特征等產生影響[4-6]。但是,目前尚未發(fā)現(xiàn)有關于船載振動脅迫對海水魚類影響的研究報道。本文以斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)為對象,研究了其在不同船載振動條件下的血清和生化指標,旨在為船載養(yǎng)殖模式的完善和養(yǎng)殖系統(tǒng)的精準設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗對象和試驗用水

選用萊州明波公司提供的斑石鯛。斑石鯛屬廣溫廣鹽性魚類,生存水溫6℃～32℃,適宜水溫22℃～28℃,適宜鹽度15～33[7-8]。體質量數(shù)據(jù)見表1。馴養(yǎng)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內,試驗前停止喂食2d。試驗用水通過自來水添加海水晶(上海藍海水產發(fā)展有限公司提供)配置,蓄存在水池內,24h不間斷曝氣備用,水溫24℃～26℃,鹽度20。

1.2 試驗用振動臺

機械振動臺采用日本振研株式會社G—1160型電動式振動試驗臺,可承載試件最大重量200kg(垂直),振動頻率0.5～500 Hz,垂直方向全負荷最大加速度24.5m/s2,最大速度30cm/s,最大位移80mm。振動參數(shù)選擇參考《船用電子設備環(huán)境試驗條件和方法 正弦振動》[9]中對船載通信、航行設備的要求:頻率1～50 Hz,加速度9.8 m/s2,位移幅值(±0.10～±1.6)mm。為了能夠反映斑石鯛對不同振動的應激響應,頻率設3個梯度,分別為10 Hz、30 Hz和50 Hz。

1.3 試驗方法

試驗按不同頻率及不同時間共設6組。振動頻率選擇參考《GB12267—1990船用導航設備通用要求和試驗方法》中對船載設備環(huán)境適應性的要求(2～13.2 Hz位移振幅±1 mm;13.2～100 Hz位移加速度7 m/s2),設計了3個振動頻率梯度,位移加速度7 m/s2;時間分別取5 min和60 min,分別用于比對斑石鯛在短時間和長時間振動脅迫下的應激反應。試驗使用7個450 mm×450 mm× 400 mm方形亞克力魚缸作為實驗池(具體編組見表1),放入試驗用水300 mm,接入曝氣頭通入適量空氣。將其中一個放置在實驗室空地上,放入3尾斑石鯛作為對照池(0組);每個實驗池都各放入3尾斑石鯛,分別固定在振動臺上。各實驗組工況匯總見表1。

表1 各實驗組試驗對象體質量數(shù)據(jù)匯總表Tab.1 Fish body weight of each group 單位:g

1.4 測定分析方法

采樣時將斑石鯛快速撈起并放入質量濃度0.1 ml/L的丁香油水溶液中做快速深度麻醉,尾靜脈采血,注入2 mL離心管中,血樣在4℃冰箱中靜置1～2 h后進行4 000 r/min、10 min離心制備血清,血清-20℃保存。采血后,將斑石鯛放置在碎冰上快速取其背部肌肉和肝臟樣品,-20℃保存、待測。樣本肌糖原、肝糖原、血清葡萄糖糖、血清皮質醇以及血清腎上腺素的含量均采用南京建成生物工程研究所的試劑盒進行測定。

排氨率計算:參考相關文獻[10-11]計算方法,將單位時間內試驗水體中的氨氮增加量除以試驗魚體重:

式中:FAOE—斑石鯛排氨率,mg/(kg·h);Ct2—試驗結束時水體氨氮濃度,mg/L;Ct1—試驗開始時水體氨氮濃度,mg/L;V—試驗用魚缸體積,L; t2—排氨率測定時間段結束時刻,h;t1—測定時間段開始時刻,h;TBW—試驗魚總體重,kg。

水溫、pH、鹽度和溶氧濃度等采用美國YSI多參數(shù)水質分析儀測定。氨氮濃度采用哈希試劑盒測試。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖使用 Excel 2010和SPSS19.0軟件處理。

2 結果

2.1 振動脅迫對斑石鯛血清指標的影響

在3種振動頻率下,振動5 min后斑石鯛血清指標詳見表2。從葡萄糖指標來看,0組最高, B1組最低,B1組與0組存在顯著差異,其余組間差異不顯著。從皮質醇和腎上腺素指標來看,都是0組最低,B1組最高,B1組和0組差異顯著,其余組間無顯著差異。總體來看,在振動頻率10～50 Hz條件下,短時間振動(5 min以內)不會對斑石鯛血清葡萄糖、皮質醇和腎上腺素指標產生顯著影響。

在3種振動頻率條件下,振動60 min后斑石鯛血清指標詳見表3。從葡萄糖指標來看,0組最高;0組和A2組、B2組、C2組之間存在顯著性差異,即隨著振動頻率的提高,60min后斑石鯛血清中的葡萄糖含量顯著降低。從皮質醇指標來看, 0組最低,B2組最高;0組和A2組、B2組、C2組之間差異顯著。從腎上腺素指標來看,同樣是0組最低;0組和和A2組、B2組、C2組之間差異顯著。綜合來看,在振動頻率10～50 Hz條件下,長時間振動(60 min以上)會對斑石鯛血清葡萄糖、皮質醇和腎上腺素指標產生顯著影響。

表2 振動5 min后斑石鯛血清指標變化情況Tab.2 Changes in serum index of Oplegnathus punctatus after vibration for 5 min

表3 振動60 min后的斑石鯛血清指標變化情況Tab.3 Changes in serum index of Oplegnathus punctatus after vibration for 60 min

2.2 振動脅迫對斑石鯛生化指標的影響

在3種振動頻率下,振動5min后斑石鯛的糖原指標詳見表4。從肌糖原指標來看,0組最低, C1組最高。方差齊性檢驗結果SIG值為0.031 (方差不齊),采用 Welch近似 F檢驗,F值為0.215。采用Dunnett T3進行多重比較分析顯示, 0組和A1組、B1組、C1組之間無顯著性差異。從肝糖原指標來看,C1組最高,B1組最低,方差檢驗齊性,各組間無顯著差異。實驗結果初步表明,在振動頻率10～50 Hz條件下,短時間振動(5min以內)不會對斑石鯛肌糖原和肝糖原指標產生顯著影響。

表4 振動5min后斑石鯛肌肉和肝組織糖元含量變化Tab.4 Changes inmuscle and hepatic glycogen of Oplegnathus punctatus after vibration for 5min

在3種振動頻率下,振動60 min后斑石鯛肌糖原、肝糖原指標詳見表5。從肌糖原指標來看, B2組最低,A2組最高。0組和A2組之間差異顯著,和B2組、C2組之間無顯著性差異。從肝糖原指標來看,C2組最高,B2組最低,各組間無顯著差異。

表5 振動60 min后斑石鯛肌肉和肝組織糖元含量變化Tab.5 Changes inmuscle and liver glycogen content of Oplegnathus punctatus after vibration for 60min

2.3 振動對水質指標的影響

從水質指標上來看,各實驗組在實驗開始到振動60min后,水溫、鹽度、pH等水質指標變化不明顯。氨氮濃度明顯升高,其中,B2組增幅最高(0.33mg/L),A2組其次(0.18 mg/L),0組增幅最少(0.13 mg/L)。根據(jù)公式(1)計算出各組斑石鯛的排氨率分別為 9.92、12.32、27.88和14.43mg/(kg·h)。從中可以看出各實驗組排氨率明顯高于0組,但不能表明排氨率隨著振動頻率的提高而增加。實驗水體中的溶氧濃度指標也明顯升高,其中,A2組增幅最高(1.3 mg/L), C2組其次(1.0 mg/L),0組幾乎沒有變化。分析認為,這主要是由于振動導致水面波動劇烈,氣液接觸頻繁,導致溶氧濃度不降反升。

表6 試驗開始和結束時水質指標變化情況Tab.6 Water quality index at the beginning and end of the experiment

3 討論

研究表明,魚類在水中主要通過內耳、側線器官和氣鰾感受聲音和振動,其中內耳是主要的聲音感受器,側線是魚類感受水中微小活動的感覺系統(tǒng)[12]。由于普通海水魚類的音頻感受范圍在36～7000Hz[13],而實驗設定的振動頻率不超過50Hz,一般無法被魚類清晰地感受到。因此認為,低頻振動對魚類的影響主要是通過產生水流變化進而被側線器官感受到,并引起腦神經興奮,產生應激。不同魚類的生理生態(tài)特性對于振動的響應不盡相同。王利娟等[4]研究發(fā)現(xiàn)大口黑鱸在連續(xù)振動3～6 h后皮質醇即達到峰值,隨后緩慢下降,表現(xiàn)出適應性;張飲江等[5]發(fā)現(xiàn)金魚在50Hz、±1cm振動脅迫條件下連續(xù)振動6 h、12h后皮質醇濃度明顯升高,24 h后開始下降。

魚類血液中皮質醇和腎上腺素的濃度可以作為衡量魚類應激強度的指標[14-15]。從短期振動脅迫實驗結果(表2)看,雖然各實驗組數(shù)據(jù)有不同程度的升高,但相對于對照組在統(tǒng)計分析上沒有顯著性差異。從長期振動脅迫實驗結果(表3)看,各實驗組指標相對于對照組顯著升高,但各組間差異不顯著。說明振動時間達到60 min后,斑石鯛表現(xiàn)出明顯的應激現(xiàn)象,但在10～50 Hz范圍內斑石鯛應激程度并不因為振動頻率的升高而顯著提高。綜合分析認為,試驗魚缸的振動導致水體流場不斷發(fā)生各種不規(guī)則變化,這些變化通過側線器官被斑石鯛感受到,刺激腎上腺素和皮質醇分泌。該現(xiàn)象與魚類在運輸脅迫下的響應相吻合[16-18]。

血清葡萄糖和組織糖元濃度指標能夠表征魚類體內代謝和能量消耗情況[12]。有研究指出,魚類在受到環(huán)境脅迫條件下會通過改變糖原磷酸化酶的活力來影響糖代謝,導致血糖濃度升高或降低[19-24]。本研究中,短期振動條件下,斑石鯛血糖指標雖然有所下降,但差異不顯著。振動時長達到60min后,各實驗組斑石鯛血糖濃度相對于對照組均顯著降低,而肝糖原和肌糖原含量變化不明顯。這說明魚體未將糖原轉化為血糖,而是通過消耗血糖來抵抗外界振動脅迫的影響。分析其原因,可能是由于試驗用魚缸尺寸規(guī)格較小,斑石鯛雖然能清晰感受到振動現(xiàn)象,但由于行動范圍受限而無法對其做出相應的趨避或應對行為,在整個試驗過程中幾乎維持在固定位置,所以能量消耗較少。在本實驗條件下,斑石鯛可能是為了適應環(huán)境調低體內代謝水平,造成所需能量水平反而低于對照組。在整個試驗過程中,斑石鯛的肌肉和肝組織糖原沒有發(fā)生顯著變化,也支持了這種可能性。

環(huán)境條件刺激亦有可能導致魚類排氨率增加[4,6,12]。 研究認為[11],300 g左右的斑石鯛在不攝食的情況下,排氨率為(6.23±6.71)mg/(kg· h),遠低于本實驗對照組和各實驗組計算結果。分析認為,導致該現(xiàn)象可能有幾個原因:試驗用魚缸較小,斑石鯛的行為受到了一定程度的限制,這本身可能就已經對斑石鯛產生了一定的應激;也可能是因為試驗時間較短,無法準確反映排氨率數(shù)據(jù)。綜上,關于振動脅迫對于斑石鯛排氨率是否有影響,還需做進一步試驗研究。

4 結論

利用機械振動臺模擬船載養(yǎng)殖工況,研究對比了不同頻率條件下斑石鯛的血清和生化指標變化情況。結果表明:(1)短時間振動條件下(5min),10Hz組和50 Hz組斑石鯛的各項指標均與對照組無顯著差異;30 Hz組的血清葡萄糖顯著降低,皮質醇和腎上腺素指標顯著升高,肌糖原和肝糖原無顯著差異。(2)長時間振動條件下(60min),基本上各振動實驗組斑石鯛的血清葡萄糖指標均顯著降低,皮質醇和腎上腺素指標顯著升高,但對肌糖原和肝糖原指標無顯著影響。(3)水質變化情況顯示,振動60 min后水體內溶氧濃度和氨氮濃度有所上升,水溫、鹽度、pH等無明顯變化。

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Experimental study on effects of ship vibration stress on Oplegnathus punctatus

ZHANG Yulei1,2,GUAN Chongwu1,3
(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China; 2 Blue Ocean Fishery Associated Lab,Qingdao National Laboratory forMarine Science and Technology,Qingdao Shandong 266237,China; 3 Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering,Ministry of Agriculture,Shanghai 200092,China)

In order to deeply understand the stress response and plasticity of sea fish under ship-vibration condition,and supply the basic data and theoretical basis for breeding process design and mode construction of large breeding platform on the deep sea,changes in blood and biochemical indexes of Oplegnathus punctatus under different vibration frequency and time conditions are studied by using amechanical vibrator to simulate the ship conditions.The results show that after vibration for 5 min,there is no significant difference between 10 Hz group,50 Hz group and the control group in all of the indexes,but for 30 Hz group,serum glucose is significantly decreased,cortisol and epinephrine are significantly increased,and muscle glycogen and hepatic glycogen show no significant difference;after vibration for 60 min,serum glucose of all groups is significantly decreased,cortisol and epinephrine are significantly increased,and muscle glycogen and hepatic glycogen show no significant difference;forwater quality change,after vibration for 60min,the dissolved oxygen concentration and ammonia concentration are slightly increased,and water temperature,salinity and pH show no significant change.According to the results,effects of low frequency vibration on fish mainly act on lateral line organ by causing changes in water flow,thus stimulating the brain of Oplegnathus punctatus and producing stress.Short time vibration would not have any great effect on Oplegnathus punctatus,however,long time vibration would cause stress response of Oplegnathus punctatus to some extent.

Oplegnathus punctatus;vibration;ship-based breeding;stress

S964.9;S959

A

1007-9580(2017)03-029-06

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.005

2017-03-27

上海市科委科研計劃項目(15DZ1202102);現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金(CARS-50)

張宇雷(1980—),副研究員,碩士,研究方向:漁業(yè)裝備與工程技術。E-mail:zhangyulei@fmiri.ac.cn