暗纹东方鲀运动训练后游泳能力和呼吸代谢的变化

顾玲玲 冯广朋 , 韩志强

(1.浙江海洋大学水产学院,舟山 316022;2.中国水产科学研究院东海水产研究所,上海 200090;3.上海长江口渔业资源增殖和生态修复工程技术研究中心,上海 200090)

暗纹东方鲀(Takifugu obscurus),隶属于辐鳍亚纲、鲀形目鲀科、东方鲀属,为江海洄游性鱼类,主要分布于太平洋西岸的中国近海区域以及长江中下游地区、朝鲜半岛和日本[1]。20世纪60年代以前我国长江流域暗纹东方鲀的资源极为丰富,1954年仅长江江苏段河豚产量就达到1000吨[2],然而由于环境污染、过度捕捞等,其野生资源量急速下降。为恢复暗纹东方鲀资源量,近年来长江口暗纹东方鲀的规模化增殖放流活动逐步开展,每年放流数量达数十万尾。

放流苗种的存活率是影响增殖放流效果的重要因素,然而放流所用的暗纹东方鲀苗种均来自于人工繁育和养殖,在饵料丰富且无敌害的养殖水体中,暗纹东方鲀摄食和躲避敌害的能力较弱,导致其在野外环境中的存活率较低,影响放流效果。为提高鱼类野外释放存活率,许多学者对鱼类进行运动训练。运动训练是通过改变鱼类养殖环境中的水流速度,对其形成刺激,促使鱼类的游泳行为或者生理代谢等发生改变以适应环境变化,进而提高其到达自然环境中的存活率[3]。其中鱼类游泳能力的高低对鱼类摄食存活、生长发育及躲避敌害是至关重要的,也是机体保证代谢正常的重要因子[4,5]。目前评价鱼类游泳能力的指标包括巡游速度、临界游泳速度(Critical swimming speed,Ucrit)和突进游泳速度(Burst swimming speed,Ubrust)[6,7]。临界游泳速度是指鱼类在进行有氧运动时的最大可持续游泳速度,通常用来作为评价鱼类有氧运动能力的指标[8],可反映鱼类游泳能力受不同环境因子影响后的变化,其测定耗时相对较短,可操作性较强,因此使用范围较广;突进游泳速度又称为暴发性游泳速度,是指鱼类在较短时间内(不大于20s)可达到的最大游泳速度,通常以白肌中的糖原、ATP和磷脂作为燃料,可以反映鱼类无氧运动的能力,衡量鱼类运动过程中的加速能力[9,10],一般只与鱼种和体长相关[11],突进游泳速度在自然界中与配对行为、种内竞争、捕获猎物、逃避敌害和穿越激流等行为有关[12],可评价鱼类对自然风险的规避能力。运动作为鱼类重要的生理活动之一,常受到呼吸和循环系统功能的限制。呼吸代谢是鱼类生长发育过程中最基本的活动之一,通常与鱼类自身因素、生境变化及活动状态密切相关[13],一般通过耗氧率的变化来反映。其中,静止代谢率(Resting metabolic rate,RMR)是指健康动物个体在某一温度、禁食且静止状态下的最小能量代谢,可反映鱼类维持整体生理状况和能量消耗的情况,只有当个体能量代谢水平高于该值时才能保证其生理功能的正常[14];活动代谢率(Activity metabolic rate,AMR)是指鱼类在特定温度下进行临界运动的最大代谢率,表示鱼体可为机体其他生理功能(如消化、排泄、繁殖、逃避捕食和迁徙洄游等)提供的最大代谢潜能[15]。

目前,国内外有关运动训练对鱼类游泳能力影响的研究已有很多,但多集中在鲤科鱼类、鲑鳟鱼类等,其他鱼类的相关研究较少。暗纹东方鲀作为长江口重要经济物种,其游泳能力相关的研究较为少见。为了评价运动训练对暗纹东方鲀游泳能力和呼吸代谢的影响,本研究测定了不同训练强度和训练时间下暗纹东方鲀的临界游泳速度、突进游泳速度、静止代谢率及活动代谢率的变化。研究结果有助于了解暗纹东方鲀对水流变化的适应特征,为放流地点的选择提供依据,也为今后暗纹东方鲀野化训练相关技术的优化奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验鱼饲养及管理

实验所用暗纹东方鲀为上海市阿顺特种水产养殖合作社人工繁育的健康个体,实验鱼体长为(13.81±0.64) cm,体重为(75.14±12.00) g。实验鱼暂养于中国水产科学研究院东海水产研究所的养殖桶内,每日8:30定时投喂,饵料为复合型饵料,购自于上述合作社中,全天不间断充氧,含氧量≥7 mg/L,温度为23.5—24℃,光照为自然光,实验时各条件基本保持一致,开展游泳能力测试前禁食24h。

1.2 实验方法和实验装置

实验流速按实验鱼体长的倍数设定为1个对照组和2个流速组[0.75 BL/s(9.94 cm/s)和1.5 BL/s(20.72 cm/s)],实际测量值分别为0、9.73和20.50 cm/s[在实验开始前测定暗纹东方鲀感应流速为(7.30±1.59) cm/s],所设流速可被实验鱼感知。流速测定采用L1206B型旋桨式流速仪(江苏南水水务科技有限公司)。每日8:00开始训练,每训练0.5h停训1.5h,每日总训练时间达6h。训练时间设定3个梯度,分别为持续1周、2周和4周。

实验装置购自丹麦Loligo Systems公司,内置1个封闭式循环水槽,水槽体积为90 L,实验观察区(实验对象游泳区)尺寸约为66 cm×20 cm×20 cm(长×宽×高)。在实验过程中相关参数设置均在计算机上进行,仪器配备软件AutoRespTM,同步读取实验鱼的耗氧率变化。在装置上方装有一个摄像机,用以观测记录实验过程(图1)。

图1 鱼类游泳能力测定装置Fig.1 Apparatus for the determination of swimming ability of fish

图2 暗纹东方鲀临界游泳速度随训练强度和时间变化趋势Fig.2 Change of critical swimming speed with exercise time and intensity of Takifugu obscurus

图3 暗纹东方鲀突进游泳速度随训练强度和时间变化趋势Fig.3 Change of burst swimming speed with exercise time and intensity of T.obscurus

图4 暗纹东方鲀静止代谢率随训练强度和时间变化趋势Fig.4 Change of resting metabolic rate with exercise time and intensity of T.obscurus

1.3 测定指标

临界游泳速度本实验采用“流速递增法”测定暗纹东方鲀的临界游泳速度。实验开始前先利用6尾暗纹东方鲀(健康无损伤)对绝对临界游泳速度进行预实验,取其平均值得出。在正式实验时,将健康无损伤的实验鱼放入装置中,在低流速(5 cm/s)中适应1h,随后每隔5min增加0.5 BL/s,至60%后每隔15min增加15%,直至实验鱼力竭疲劳。具体方法参照王晓等[16]对四大家鱼各游泳速度的测定步骤。当实验鱼尾部贴下游网壁无法游动超过20s时即视为疲劳,记录此时的水流速度。由于本实验所用暗纹东方鲀身体的横截面积(Cross-sectional area)并未超过游泳区域横截面的5%,没有引发阻挡效应(Solid blocking effect),所以Ucrit无须校正。临界游泳速度的计算公式如下:

突进游泳速度突进游泳速度的测定方法类似于临界游泳速度。测定前需禁食24h,实验开始后先将实验鱼置于5 cm/s流速中适应1h,随后快速将流速提高至60%,后每20s增加15%,直至鱼体疲劳不再游动。突进游泳速度的计算公式如下:

静止代谢率将实验鱼放置于游泳区适应1h,在静水条件下每20min利用软件AutoRespTM测得溶氧量,持续2h,通过初末溶氧差计算实验鱼的耗氧率,计算公式如下:

式中,V是密封游泳区的体积(L),M是鱼体质量(kg),是密封游泳区溶氧量随时间变化的斜率。

活动代谢率在测定临界游泳速度的同时测定其游泳耗氧率,即从实验初始阶段到暗纹东方鲀力竭时的耗氧率。计算公式同(3)。

1.4 数据统计及分析

实验数据利用IBM SPSS Statistics 26进行双因素方差分析,探究训练强度与训练时间不同因素及其交互作用下暗纹东方鲀游泳能力和呼吸代谢率的变化,梯度为0、0.75和1.5 BL/s,训练1周、2周和4周,采用Duncan’s多重比较法进行组间比较。统计值均使用平均值±标准差(mean±SD)表示,统计结果P＜0.05 时认为差异显著。图形绘制均在OriginPro 2021中完成。

2 结果

2.1 暗纹东方鲀运动训练后游泳能力的变化

临界游泳速度结果显示,训练强度和训练时间对暗纹东方鲀Ucrit水平无交互作用(P＞0.05)。但在不同强度和时间持续训练后,暗纹东方鲀临界游泳速度存在显著差异(P＜0.05;图 2)。在整个训练过程中,1.5 BL/s训练组的临界游泳速度相较于对照组略有升高,但二者之间无显著差异(P＞0.05);0.75 BL/s实验组在训练1周后显著升高(P＜0.05),训练2周后Ucrit显著高于其他组(P＜0.05),达到相对较高水平;在训练4周后,Ucrit显著下降(P＜0.05)。在训练4周后,训练组暗纹东方鲀的临界游泳速度较对照组分别提高了11.02%(0.75 BL/s)和8.07%(1.5 BL/s)。

突进游泳速度结果显示,训练强度和训练时间对暗纹东方鲀Ubrust水平无交互作用(P＞0.05)。在不同强度和时间持续训练后,暗纹东方鲀突进游泳速度不存在显著差异(P＞0.05;图 3)。在训练4周后,训练组暗纹东方鲀突进游泳速度均低于对照组(P＞0.05)。

2.2 暗纹东方鲀运动训练后呼吸代谢的变化

静止代谢率结果显示,训练强度和训练时间对暗纹东方鲀静止代谢率水平无交互作用(P＞0.05)。在不同强度和时间持续训练后,暗纹东方鲀静止代谢率不存在显著差异(P＞0.05;图 4)。随着训练时间的延长,0.75 BL/s训练组的静止代谢率有升高的趋势,而1.5 BL/s训练组则呈现先上升后下降的趋势,训练4周后基本降为对照组水平。

活动代谢率结果显示,训练强度和训练时间对暗纹东方鲀的活动代谢率水平具有显著的交互作用(图5;P＜0.05)。在不同强度和时间持续训练后,暗纹东方鲀的活动代谢率存在显著差异(P＜0.05)。在相同训练强度下,0.75 BL/s 训练组训练2周变化不显著,在训练4周后显著提升(P＜0.05);1.5 BL/s训练组的耗氧率随着训练时间的延长呈现先上升后下降的趋势,在训练4周后则显著下降(P＜0.05)。在相同训练时间下,在训练2周后各组耗氧率无显著性变化,在训练4周后0.75 BL/s训练组高于对照组(P＜0.05),而1.5 BL/s训练组显著低于对照组(P＜0.05)。

图5 暗纹东方鲀活动代谢率随训练强度和时间变化趋势Fig.5 Change of Activity metabolic rate with exercise intensity and time of T.obscurus

3 讨论

运动训练对不同鱼类的影响不同。一方面不同鱼类经运动训练后Ucrit的变化不同,一些鱼类在进行运动训练后其Ucrit会显著提高,例如鲈鲤(Percocypris pingi)[17]、宽鳍鱲(Zacco platypus)[18];而经过运动训练后的草鱼(Ctenopharyngodon)[3]Ucrit显著下降。另一方面不同鱼类经运动训练后代谢率的变化也不同,例如黄尾鰤(Seriola lalandi)[19]的RMR上升;而斑马鱼(Danio rerio)[20]则表现为不变;虹鳟(Oncorhynchus mykiss)[21]的RMR甚至下降。此外,不同鱼类经运动训练后Ucrit和RMR变化的相关性也有所不同。鲤(Cyprinus carpio)在经过4周的持续运动后,Ucrit显著提升,而RMR却显著下降[22];以60%Ucrit训练中华倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)2周后,其Ucrit显著提升,而RMR变化不显著[23]。本研究结果同样发现,暗纹东方鲀Ucrit升高,而RMR变化却不明显。Ucrit和RMR之间变化趋势的不同可能是因为不同鱼类应对持续运动的“能量分配转换策略” (Switching strategy of energy allocation)不同[24],即鱼体能量在一种高水平的生长和高水平的游泳活动之间存在权衡。

不同的训练强度对鱼类的影响不同。研究表明,对于大多数鱼类而言,适中的水流速度对鱼体有积极作用,而流速过高或过低时都会对鱼体产生一定的负面影响[25]。例如,训练强度为1和2 BL/s时,齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)的累积存活率优于4 BL/s强度组和静水组的鱼[26]。当鱼体长期处在高强度运动状态下,不仅会导致机体免疫力下降[27—29],损害鱼体健康,而且还会过量消耗体内的能量储备,形成运动性疲劳,影响鱼类的游泳活动[30],但训练时间过短又无法达到训练效果。在训练1周后,0.75 BL/s暗纹东方鲀Ucrit和RMR一定程度上均有所升高。研究表明鱼类的RMR升高,运动能力也会增强[31,32]。在相同的训练时间下,0.75 BL/s的Ucrit和RMR均高于1.5 BL/s训练组,说明该训练强度下的暗纹东方鲀有氧运动能力较强。这可能是因为中低强度的运动训练会提高鱼类的能量利用效率,而高强度的运动训练可能提高了鱼类的基础代谢水平,导致其耗能过高,形成运动性疲劳[33,34],并且长期高强度的训练过程中肌体会产生大量自由基,导致细胞损伤,个体免疫机能下降,不利于游泳能力的提高[30]。此外,研究表明当RMR上升时,鱼类的生化代谢活性也会随之而升高,鱼类可具备更强的生长潜能[35],这意味着0.75 BL/s训练组的生长潜能优于1.5 BL/s训练组。

不同的训练时间对鱼类的影响也不同。在一般情况下,AMR的提高有助于鱼体在游泳过程中进行其他生理活动,有利于提高鱼类游泳能力[36,37]。本研究发现训练4周后0.75 BL/s训练组的RMR和AMR均有明显提升,这意味着训练4周后的暗纹东方鲀维持自身生理状况以及为其他生理功能提供能量的潜能有所提升;然而训练4周后暗纹东方鲀的Ucrit显著下降,这说明暗纹东方鲀Ucrit可能不会随着训练时间的延长而增加。一方面可能是该时期的能量更多用于消化代谢[24];另一方面也有可能是长期运动训练已使暗纹东方鲀产生疲劳,在进行能量权衡后减少游泳耗能以维持其他生理功能。因此,以0.75 BL/s的强度训练4周可能并不利于提高暗纹东方鲀的游泳能力。

持续运动训练对暗纹东方鲀Ubrust的影响并不显著,而研究表明持续运动训练可提高鱼类的Ubrust,例如虹鳟[38]突进游泳历时延长,这可能是鱼种的不同而导致的不同训练效果。训练4周后暗纹东方鲀的Ubrust较对照组均有所下降,与Ucrit变化趋势一致,也能说明训练时间过长可能会导致暗纹东方鲀产生运动性疲劳,并不利于其游泳能力的提升。因此,在开展暗纹东方鲀的运动训练时,训练时间应少于4周。

4 结论

暗纹东方鲀的运动训练研究表明,短期低强度训练(0.75 BL/s训练1—2周)提高了暗纹东方鲀的临界游泳能力;持续低强度训练(0.75 BL/s训练2—4周)提高了暗纹东方鲀的活动代谢率。因此,本文建议暗纹东方鲀的运动训练强度以0.75 BL/s、训练时间以2周为宜。本研究对今后优化暗纹东方鲀放流前的关键技术环节、提高放流后的野外成活率有指导意义。然而,目前增殖放流前的野化训练多是在室内进行,其驯化环境与野外环境存在较大差别,今后在开展野化训练时应加强对野外环境的模拟,以期为暗纹东方鲀的增殖放流提供更精确的参考数据。