船载振动胁迫对斑石鲷影响实验研究

张宇雷,管崇武

(1中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092; 2青岛海洋科学与技术国家实验室深蓝渔业工程装备联合实验室,山东青岛266237; 3农业部渔业装备与工程技术重点实验室,上海200092)

船载振动胁迫对斑石鲷影响实验研究

张宇雷1,2,管崇武1,3

(1中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092; 2青岛海洋科学与技术国家实验室深蓝渔业工程装备联合实验室,山东青岛266237; 3农业部渔业装备与工程技术重点实验室,上海200092)

为了探索鱼类在船载振动条件下的应激响应和适应性,为深远海大型养殖平台养殖工艺设计与模式构建提供基础数据和理论依据,利用机械振动台模拟船载工况,研究不同振动频率和时间条件下斑石鲷(Oplegnathus punctatus)的血液和生化指标变化情况。结果表明:振动时间5min,10 Hz组和50 Hz组的斑石鲷各方面指标均与对照组无显著性差异,30 Hz组的血清葡萄糖显著降低,皮质醇和肾上腺素指标显著升高,肌糖原和肝糖原无显著差异;振动时间60min,各实验组斑石鲷的血清葡萄糖指标均显著降低,皮质醇和肾上腺素指标显著升高,但对肌糖原和肝糖原指标无显著影响;水质变化情况显示,振动60 min后水体内溶氧浓度和氨氮浓度指标有所上升,水温、盐度、pH等无明显变化。研究表明,低频振动对鱼类的影响主要是通过产生水流变化进而被侧线器官感受到,引起斑石鲷脑神经兴奋,产生应激。短时振动对斑石鲷不会造成较大影响,而长时间振动会引起斑石鲷一定程度的应激反应。

斑石鲷;振动;船载养殖;应激

近年来,以养殖工船或大型浮式养殖平台等为核心装备的深蓝渔业受到了越来越多地关注[1]。与传统陆基、池塘、网箱等养殖方式相比,船载或平台养殖(简称船载养殖)存在特殊性,尤其是轮机设备和甲板机械的正常工作会产生大量的噪音和振动。Celi等[2]利用水听器模拟船舶噪音,发现暴露在船舶噪音环境条件下10 d,会对海鲈的促肾上腺皮质激素、皮质醇、血糖等9项指标产生显著影响,但是对体长和体重影响不大。Neo等[3]在对网箱养殖海鲈的过程中也发现,鱼类为远离噪音源会主动提高游泳速度。国内相关研究认为,活鱼运输条件下振动频率会对大口黑鲈、金鱼和鳜鱼的生理、生化特征等产生影响[4-6]。但是,目前尚未发现有关于船载振动胁迫对海水鱼类影响的研究报道。本文以斑石鲷(Oplegnathuspunctatus)为对象,研究了其在不同船载振动条件下的血清和生化指标,旨在为船载养殖模式的完善和养殖系统的精准设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验对象和试验用水

选用莱州明波公司提供的斑石鲷。斑石鲷属广温广盐性鱼类,生存水温6℃～32℃,适宜水温22℃～28℃,适宜盐度15～33[7-8]。体质量数据见表1。驯养在循环水养殖系统内,试验前停止喂食2d。试验用水通过自来水添加海水晶(上海蓝海水产发展有限公司提供)配置,蓄存在水池内,24h不间断曝气备用,水温24℃～26℃,盐度20。

1.2 试验用振动台

机械振动台采用日本振研株式会社G—1160型电动式振动试验台,可承载试件最大重量200kg(垂直),振动频率0.5～500 Hz,垂直方向全负荷最大加速度24.5m/s2,最大速度30cm/s,最大位移80mm。振动参数选择参考《船用电子设备环境试验条件和方法 正弦振动》[9]中对船载通信、航行设备的要求:频率1～50 Hz,加速度9.8 m/s2,位移幅值(±0.10～±1.6)mm。为了能够反映斑石鲷对不同振动的应激响应,频率设3个梯度,分别为10 Hz、30 Hz和50 Hz。

1.3 试验方法

试验按不同频率及不同时间共设6组。振动频率选择参考《GB12267—1990船用导航设备通用要求和试验方法》中对船载设备环境适应性的要求(2～13.2 Hz位移振幅±1 mm;13.2～100 Hz位移加速度7 m/s2),设计了3个振动频率梯度,位移加速度7 m/s2;时间分别取5 min和60 min,分别用于比对斑石鲷在短时间和长时间振动胁迫下的应激反应。试验使用7个450 mm×450 mm× 400 mm方形亚克力鱼缸作为实验池(具体编组见表1),放入试验用水300 mm,接入曝气头通入适量空气。将其中一个放置在实验室空地上,放入3尾斑石鲷作为对照池(0组);每个实验池都各放入3尾斑石鲷,分别固定在振动台上。各实验组工况汇总见表1。

表1 各实验组试验对象体质量数据汇总表Tab.1 Fish body weight of each group 单位:g

1.4 测定分析方法

采样时将斑石鲷快速捞起并放入质量浓度0.1 ml/L的丁香油水溶液中做快速深度麻醉,尾静脉采血,注入2 mL离心管中,血样在4℃冰箱中静置1～2 h后进行4 000 r/min、10 min离心制备血清,血清-20℃保存。采血后,将斑石鲷放置在碎冰上快速取其背部肌肉和肝脏样品,-20℃保存、待测。样本肌糖原、肝糖原、血清葡萄糖糖、血清皮质醇以及血清肾上腺素的含量均采用南京建成生物工程研究所的试剂盒进行测定。

排氨率计算:参考相关文献[10-11]计算方法,将单位时间内试验水体中的氨氮增加量除以试验鱼体重:

式中:FAOE—斑石鲷排氨率,mg/(kg·h);Ct2—试验结束时水体氨氮浓度,mg/L;Ct1—试验开始时水体氨氮浓度,mg/L;V—试验用鱼缸体积,L; t2—排氨率测定时间段结束时刻,h;t1—测定时间段开始时刻,h;TBW—试验鱼总体重,kg。

水温、pH、盐度和溶氧浓度等采用美国YSI多参数水质分析仪测定。氨氮浓度采用哈希试剂盒测试。

数据统计分析与作图使用 Excel 2010和SPSS19.0软件处理。

2 结果

2.1 振动胁迫对斑石鲷血清指标的影响

在3种振动频率下,振动5 min后斑石鲷血清指标详见表2。从葡萄糖指标来看,0组最高, B1组最低,B1组与0组存在显著差异,其余组间差异不显著。从皮质醇和肾上腺素指标来看,都是0组最低,B1组最高,B1组和0组差异显著,其余组间无显著差异。总体来看,在振动频率10～50 Hz条件下,短时间振动(5 min以内)不会对斑石鲷血清葡萄糖、皮质醇和肾上腺素指标产生显著影响。

在3种振动频率条件下,振动60 min后斑石鲷血清指标详见表3。从葡萄糖指标来看,0组最高;0组和A2组、B2组、C2组之间存在显著性差异,即随着振动频率的提高,60min后斑石鲷血清中的葡萄糖含量显著降低。从皮质醇指标来看, 0组最低,B2组最高;0组和A2组、B2组、C2组之间差异显著。从肾上腺素指标来看,同样是0组最低;0组和和A2组、B2组、C2组之间差异显著。综合来看,在振动频率10～50 Hz条件下,长时间振动(60 min以上)会对斑石鲷血清葡萄糖、皮质醇和肾上腺素指标产生显著影响。

表2 振动5 min后斑石鲷血清指标变化情况Tab.2 Changes in serum index of Oplegnathus punctatus after vibration for 5 min

表3 振动60 min后的斑石鲷血清指标变化情况Tab.3 Changes in serum index of Oplegnathus punctatus after vibration for 60 min

2.2 振动胁迫对斑石鲷生化指标的影响

在3种振动频率下,振动5min后斑石鲷的糖原指标详见表4。从肌糖原指标来看,0组最低, C1组最高。方差齐性检验结果SIG值为0.031 (方差不齐),采用 Welch近似 F检验,F值为0.215。采用Dunnett T3进行多重比较分析显示, 0组和A1组、B1组、C1组之间无显著性差异。从肝糖原指标来看,C1组最高,B1组最低,方差检验齐性,各组间无显著差异。实验结果初步表明,在振动频率10～50 Hz条件下,短时间振动(5min以内)不会对斑石鲷肌糖原和肝糖原指标产生显著影响。

表4 振动5min后斑石鲷肌肉和肝组织糖元含量变化Tab.4 Changes inmuscle and hepatic glycogen of Oplegnathus punctatus after vibration for 5min

在3种振动频率下,振动60 min后斑石鲷肌糖原、肝糖原指标详见表5。从肌糖原指标来看, B2组最低,A2组最高。0组和A2组之间差异显著,和B2组、C2组之间无显著性差异。从肝糖原指标来看,C2组最高,B2组最低,各组间无显著差异。

表5 振动60 min后斑石鲷肌肉和肝组织糖元含量变化Tab.5 Changes inmuscle and liver glycogen content of Oplegnathus punctatus after vibration for 60min

2.3 振动对水质指标的影响

从水质指标上来看,各实验组在实验开始到振动60min后,水温、盐度、pH等水质指标变化不明显。氨氮浓度明显升高,其中,B2组增幅最高(0.33mg/L),A2组其次(0.18 mg/L),0组增幅最少(0.13 mg/L)。根据公式(1)计算出各组斑石鲷的排氨率分别为 9.92、12.32、27.88和14.43mg/(kg·h)。从中可以看出各实验组排氨率明显高于0组,但不能表明排氨率随着振动频率的提高而增加。实验水体中的溶氧浓度指标也明显升高,其中,A2组增幅最高(1.3 mg/L), C2组其次(1.0 mg/L),0组几乎没有变化。分析认为,这主要是由于振动导致水面波动剧烈,气液接触频繁,导致溶氧浓度不降反升。

表6 试验开始和结束时水质指标变化情况Tab.6 Water quality index at the beginning and end of the experiment

3 讨论

研究表明,鱼类在水中主要通过内耳、侧线器官和气鳔感受声音和振动,其中内耳是主要的声音感受器,侧线是鱼类感受水中微小活动的感觉系统[12]。由于普通海水鱼类的音频感受范围在36～7000Hz[13],而实验设定的振动频率不超过50Hz,一般无法被鱼类清晰地感受到。因此认为,低频振动对鱼类的影响主要是通过产生水流变化进而被侧线器官感受到,并引起脑神经兴奋,产生应激。不同鱼类的生理生态特性对于振动的响应不尽相同。王利娟等[4]研究发现大口黑鲈在连续振动3～6 h后皮质醇即达到峰值,随后缓慢下降,表现出适应性;张饮江等[5]发现金鱼在50Hz、±1cm振动胁迫条件下连续振动6 h、12h后皮质醇浓度明显升高,24 h后开始下降。

鱼类血液中皮质醇和肾上腺素的浓度可以作为衡量鱼类应激强度的指标[14-15]。从短期振动胁迫实验结果(表2)看,虽然各实验组数据有不同程度的升高,但相对于对照组在统计分析上没有显著性差异。从长期振动胁迫实验结果(表3)看,各实验组指标相对于对照组显著升高,但各组间差异不显著。说明振动时间达到60 min后,斑石鲷表现出明显的应激现象,但在10～50 Hz范围内斑石鲷应激程度并不因为振动频率的升高而显著提高。综合分析认为,试验鱼缸的振动导致水体流场不断发生各种不规则变化,这些变化通过侧线器官被斑石鲷感受到,刺激肾上腺素和皮质醇分泌。该现象与鱼类在运输胁迫下的响应相吻合[16-18]。

血清葡萄糖和组织糖元浓度指标能够表征鱼类体内代谢和能量消耗情况[12]。有研究指出,鱼类在受到环境胁迫条件下会通过改变糖原磷酸化酶的活力来影响糖代谢,导致血糖浓度升高或降低[19-24]。本研究中,短期振动条件下,斑石鲷血糖指标虽然有所下降,但差异不显著。振动时长达到60min后,各实验组斑石鲷血糖浓度相对于对照组均显著降低,而肝糖原和肌糖原含量变化不明显。这说明鱼体未将糖原转化为血糖,而是通过消耗血糖来抵抗外界振动胁迫的影响。分析其原因,可能是由于试验用鱼缸尺寸规格较小,斑石鲷虽然能清晰感受到振动现象,但由于行动范围受限而无法对其做出相应的趋避或应对行为,在整个试验过程中几乎维持在固定位置,所以能量消耗较少。在本实验条件下,斑石鲷可能是为了适应环境调低体内代谢水平,造成所需能量水平反而低于对照组。在整个试验过程中,斑石鲷的肌肉和肝组织糖原没有发生显著变化,也支持了这种可能性。

环境条件刺激亦有可能导致鱼类排氨率增加[4,6,12]。 研究认为[11],300 g左右的斑石鲷在不摄食的情况下,排氨率为(6.23±6.71)mg/(kg· h),远低于本实验对照组和各实验组计算结果。分析认为,导致该现象可能有几个原因:试验用鱼缸较小,斑石鲷的行为受到了一定程度的限制,这本身可能就已经对斑石鲷产生了一定的应激;也可能是因为试验时间较短,无法准确反映排氨率数据。综上,关于振动胁迫对于斑石鲷排氨率是否有影响,还需做进一步试验研究。

4 结论

利用机械振动台模拟船载养殖工况,研究对比了不同频率条件下斑石鲷的血清和生化指标变化情况。结果表明:(1)短时间振动条件下(5min),10Hz组和50 Hz组斑石鲷的各项指标均与对照组无显著差异;30 Hz组的血清葡萄糖显著降低,皮质醇和肾上腺素指标显著升高,肌糖原和肝糖原无显著差异。(2)长时间振动条件下(60min),基本上各振动实验组斑石鲷的血清葡萄糖指标均显著降低,皮质醇和肾上腺素指标显著升高,但对肌糖原和肝糖原指标无显著影响。(3)水质变化情况显示,振动60 min后水体内溶氧浓度和氨氮浓度有所上升,水温、盐度、pH等无明显变化。

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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

上海市科委科研计划项目(15DZ1202102);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-50)

张宇雷(1980—),副研究员,硕士,研究方向:渔业装备与工程技术。E-mail:zhangyulei@fmiri.ac.cn