船載振動(dòng)脅迫對(duì)斑石鯛影響實(shí)驗(yàn)研究

張宇雷,管崇武

(1中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海200092; 2青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程裝備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,山東青島266237; 3農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

船載振動(dòng)脅迫對(duì)斑石鯛影響實(shí)驗(yàn)研究

張宇雷1,2,管崇武1,3

(1中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海200092; 2青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程裝備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,山東青島266237; 3農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

為了探索魚類在船載振動(dòng)條件下的應(yīng)激響應(yīng)和適應(yīng)性,為深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖平臺(tái)養(yǎng)殖工藝設(shè)計(jì)與模式構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù),利用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)模擬船載工況,研究不同振動(dòng)頻率和時(shí)間條件下斑石鯛(Oplegnathus punctatus)的血液和生化指標(biāo)變化情況。結(jié)果表明:振動(dòng)時(shí)間5min,10 Hz組和50 Hz組的斑石鯛各方面指標(biāo)均與對(duì)照組無(wú)顯著性差異,30 Hz組的血清葡萄糖顯著降低,皮質(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)顯著升高,肌糖原和肝糖原無(wú)顯著差異;振動(dòng)時(shí)間60min,各實(shí)驗(yàn)組斑石鯛的血清葡萄糖指標(biāo)均顯著降低,皮質(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)顯著升高,但對(duì)肌糖原和肝糖原指標(biāo)無(wú)顯著影響;水質(zhì)變化情況顯示,振動(dòng)60 min后水體內(nèi)溶氧濃度和氨氮濃度指標(biāo)有所上升,水溫、鹽度、pH等無(wú)明顯變化。研究表明,低頻振動(dòng)對(duì)魚類的影響主要是通過(guò)產(chǎn)生水流變化進(jìn)而被側(cè)線器官感受到,引起斑石鯛腦神經(jīng)興奮,產(chǎn)生應(yīng)激。短時(shí)振動(dòng)對(duì)斑石鯛不會(huì)造成較大影響,而長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)引起斑石鯛一定程度的應(yīng)激反應(yīng)。

斑石鯛;振動(dòng);船載養(yǎng)殖;應(yīng)激

近年來(lái),以養(yǎng)殖工船或大型浮式養(yǎng)殖平臺(tái)等為核心裝備的深藍(lán)漁業(yè)受到了越來(lái)越多地關(guān)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(tái)養(yǎng)殖(簡(jiǎn)稱船載養(yǎng)殖)存在特殊性,尤其是輪機(jī)設(shè)備和甲板機(jī)械的正常工作會(huì)產(chǎn)生大量的噪音和振動(dòng)。Celi等[2]利用水聽(tīng)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(huì)對(duì)海鱸的促腎上腺皮質(zhì)激素、皮質(zhì)醇、血糖等9項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響,但是對(duì)體長(zhǎng)和體重影響不大。Neo等[3]在對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖海鱸的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn),魚類為遠(yuǎn)離噪音源會(huì)主動(dòng)提高游泳速度。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究認(rèn)為,活魚運(yùn)輸條件下振動(dòng)頻率會(huì)對(duì)大口黑鱸、金魚和鱖魚的生理、生化特征等產(chǎn)生影響[4-6]。但是,目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)于船載振動(dòng)脅迫對(duì)海水魚類影響的研究報(bào)道。本文以斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)為對(duì)象,研究了其在不同船載振動(dòng)條件下的血清和生化指標(biāo),旨在為船載養(yǎng)殖模式的完善和養(yǎng)殖系統(tǒng)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)用水

選用萊州明波公司提供的斑石鯛。斑石鯛屬?gòu)V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(zhì)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。馴養(yǎng)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi),試驗(yàn)前停止喂食2d。試驗(yàn)用水通過(guò)自來(lái)水添加海水晶(上海藍(lán)海水產(chǎn)發(fā)展有限公司提供)配置,蓄存在水池內(nèi),24h不間斷曝氣備用,水溫24℃～26℃,鹽度20。

1.2 試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)

機(jī)械振動(dòng)臺(tái)采用日本振研株式會(huì)社G—1160型電動(dòng)式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),可承載試件最大重量200kg(垂直),振動(dòng)頻率0.5～500 Hz,垂直方向全負(fù)荷最大加速度24.5m/s2,最大速度30cm/s,最大位移80mm。振動(dòng)參數(shù)選擇參考《船用電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)條件和方法 正弦振動(dòng)》[9]中對(duì)船載通信、航行設(shè)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(duì)不同振動(dòng)的應(yīng)激響應(yīng),頻率設(shè)3個(gè)梯度,分別為10 Hz、30 Hz和50 Hz。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按不同頻率及不同時(shí)間共設(shè)6組。振動(dòng)頻率選擇參考《GB12267—1990船用導(dǎo)航設(shè)備通用要求和試驗(yàn)方法》中對(duì)船載設(shè)備環(huán)境適應(yīng)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(shè)計(jì)了3個(gè)振動(dòng)頻率梯度,位移加速度7 m/s2;時(shí)間分別取5 min和60 min,分別用于比對(duì)斑石鯛在短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)脅迫下的應(yīng)激反應(yīng)。試驗(yàn)使用7個(gè)450 mm×450 mm× 400 mm方形亞克力魚缸作為實(shí)驗(yàn)池(具體編組見(jiàn)表1),放入試驗(yàn)用水300 mm,接入曝氣頭通入適量空氣。將其中一個(gè)放置在實(shí)驗(yàn)室空地上,放入3尾斑石鯛作為對(duì)照池(0組);每個(gè)實(shí)驗(yàn)池都各放入3尾斑石鯛,分別固定在振動(dòng)臺(tái)上。各實(shí)驗(yàn)組工況匯總見(jiàn)表1。

表1 各實(shí)驗(yàn)組試驗(yàn)對(duì)象體質(zhì)量數(shù)據(jù)匯總表Tab.1 Fish body weight of each group 單位:g

1.4 測(cè)定分析方法

采樣時(shí)將斑石鯛快速撈起并放入質(zhì)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(jìn)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(cè)。樣本肌糖原、肝糖原、血清葡萄糖糖、血清皮質(zhì)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(jìn)行測(cè)定。

排氨率計(jì)算:參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]計(jì)算方法,將單位時(shí)間內(nèi)試驗(yàn)水體中的氨氮增加量除以試驗(yàn)魚體重:

式中:FAOE—斑石鯛排氨率,mg/(kg·h);Ct2—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體氨氮濃度,mg/L;Ct1—試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)水體氨氮濃度,mg/L;V—試驗(yàn)用魚缸體積,L; t2—排氨率測(cè)定時(shí)間段結(jié)束時(shí)刻,h;t1—測(cè)定時(shí)間段開(kāi)始時(shí)刻,h;TBW—試驗(yàn)魚總體重,kg。

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

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

2 結(jié)果

2.1 振動(dòng)脅迫對(duì)斑石鯛血清指標(biāo)的影響

在3種振動(dòng)頻率下,振動(dòng)5 min后斑石鯛血清指標(biāo)詳見(jiàn)表2。從葡萄糖指標(biāo)來(lái)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(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)來(lái)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(wú)顯著差異。總體來(lái)看,在振動(dòng)頻率10～50 Hz條件下,短時(shí)間振動(dòng)(5 min以內(nèi))不會(huì)對(duì)斑石鯛血清葡萄糖、皮質(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

在3種振動(dòng)頻率條件下,振動(dòng)60 min后斑石鯛血清指標(biāo)詳見(jiàn)表3。從葡萄糖指標(biāo)來(lái)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(dòng)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(zhì)醇指標(biāo)來(lái)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(biāo)來(lái)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(lái)看,在振動(dòng)頻率10～50 Hz條件下,長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)(60 min以上)會(huì)對(duì)斑石鯛血清葡萄糖、皮質(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

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

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

2.2 振動(dòng)脅迫對(duì)斑石鯛生化指標(biāo)的影響

在3種振動(dòng)頻率下,振動(dòng)5min后斑石鯛的糖原指標(biāo)詳見(jiàn)表4。從肌糖原指標(biāo)來(lái)看,0組最低, C1組最高。方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果SIG值為0.031 (方差不齊),采用 Welch近似 F檢驗(yàn),F值為0.215。采用Dunnett T3進(jìn)行多重比較分析顯示, 0組和A1組、B1組、C1組之間無(wú)顯著性差異。從肝糖原指標(biāo)來(lái)看,C1組最高,B1組最低,方差檢驗(yàn)齊性,各組間無(wú)顯著差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明,在振動(dòng)頻率10～50 Hz條件下,短時(shí)間振動(dòng)(5min以內(nèi))不會(huì)對(duì)斑石鯛肌糖原和肝糖原指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響。

表4 振動(dòng)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(dòng)頻率下,振動(dòng)60 min后斑石鯛肌糖原、肝糖原指標(biāo)詳見(jiàn)表5。從肌糖原指標(biāo)來(lái)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(wú)顯著性差異。從肝糖原指標(biāo)來(lái)看,C2組最高,B2組最低,各組間無(wú)顯著差異。

表5 振動(dòng)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(dòng)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的影響

從水質(zhì)指標(biāo)上來(lái)看,各實(shí)驗(yàn)組在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到振動(dòng)60min后,水溫、鹽度、pH等水質(zhì)指標(biāo)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(jì)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(shí)驗(yàn)組排氨率明顯高于0組,但不能表明排氨率隨著振動(dòng)頻率的提高而增加。實(shí)驗(yàn)水體中的溶氧濃度指標(biāo)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(méi)有變化。分析認(rèn)為,這主要是由于振動(dòng)導(dǎo)致水面波動(dòng)劇烈,氣液接觸頻繁,導(dǎo)致溶氧濃度不降反升。

表6 試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)水質(zhì)指標(biāo)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(guò)內(nèi)耳、側(cè)線器官和氣鰾感受聲音和振動(dòng),其中內(nèi)耳是主要的聲音感受器,側(cè)線是魚類感受水中微小活動(dòng)的感覺(jué)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(shí)驗(yàn)設(shè)定的振動(dòng)頻率不超過(guò)50Hz,一般無(wú)法被魚類清晰地感受到。因此認(rèn)為,低頻振動(dòng)對(duì)魚類的影響主要是通過(guò)產(chǎn)生水流變化進(jìn)而被側(cè)線器官感受到,并引起腦神經(jīng)興奮,產(chǎn)生應(yīng)激。不同魚類的生理生態(tài)特性對(duì)于振動(dòng)的響應(yīng)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(dòng)3～6 h后皮質(zhì)醇即達(dá)到峰值,隨后緩慢下降,表現(xiàn)出適應(yīng)性;張飲江等[5]發(fā)現(xiàn)金魚在50Hz、±1cm振動(dòng)脅迫條件下連續(xù)振動(dòng)6 h、12h后皮質(zhì)醇濃度明顯升高,24 h后開(kāi)始下降。

魚類血液中皮質(zhì)醇和腎上腺素的濃度可以作為衡量魚類應(yīng)激強(qiáng)度的指標(biāo)[14-15]。從短期振動(dòng)脅迫實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)看,雖然各實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)有不同程度的升高,但相對(duì)于對(duì)照組在統(tǒng)計(jì)分析上沒(méi)有顯著性差異。從長(zhǎng)期振動(dòng)脅迫實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表3)看,各實(shí)驗(yàn)組指標(biāo)相對(duì)于對(duì)照組顯著升高,但各組間差異不顯著。說(shuō)明振動(dòng)時(shí)間達(dá)到60 min后,斑石鯛表現(xiàn)出明顯的應(yīng)激現(xiàn)象,但在10～50 Hz范圍內(nèi)斑石鯛?wèi)?yīng)激程度并不因?yàn)檎駝?dòng)頻率的升高而顯著提高。綜合分析認(rèn)為,試驗(yàn)魚缸的振動(dòng)導(dǎo)致水體流場(chǎng)不斷發(fā)生各種不規(guī)則變化,這些變化通過(guò)側(cè)線器官被斑石鯛感受到,刺激腎上腺素和皮質(zhì)醇分泌。該現(xiàn)象與魚類在運(yùn)輸脅迫下的響應(yīng)相吻合[16-18]。

血清葡萄糖和組織糖元濃度指標(biāo)能夠表征魚類體內(nèi)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(huì)通過(guò)改變糖原磷酸化酶的活力來(lái)影響糖代謝,導(dǎo)致血糖濃度升高或降低[19-24]。本研究中,短期振動(dòng)條件下,斑石鯛血糖指標(biāo)雖然有所下降,但差異不顯著。振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到60min后,各實(shí)驗(yàn)組斑石鯛血糖濃度相對(duì)于對(duì)照組均顯著降低,而肝糖原和肌糖原含量變化不明顯。這說(shuō)明魚體未將糖原轉(zhuǎn)化為血糖,而是通過(guò)消耗血糖來(lái)抵抗外界振動(dòng)脅迫的影響。分析其原因,可能是由于試驗(yàn)用魚缸尺寸規(guī)格較小,斑石鯛雖然能清晰感受到振動(dòng)現(xiàn)象,但由于行動(dòng)范圍受限而無(wú)法對(duì)其做出相應(yīng)的趨避或應(yīng)對(duì)行為,在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中幾乎維持在固定位置,所以能量消耗較少。在本實(shí)驗(yàn)條件下,斑石鯛可能是為了適應(yīng)環(huán)境調(diào)低體內(nèi)代謝水平,造成所需能量水平反而低于對(duì)照組。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,斑石鯛的肌肉和肝組織糖原沒(méi)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(dǎo)致魚類排氨率增加[4,6,12]。 研究認(rèn)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(yuǎn)低于本實(shí)驗(yàn)對(duì)照組和各實(shí)驗(yàn)組計(jì)算結(jié)果。分析認(rèn)為,導(dǎo)致該現(xiàn)象可能有幾個(gè)原因:試驗(yàn)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(jīng)對(duì)斑石鯛產(chǎn)生了一定的應(yīng)激;也可能是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)間較短,無(wú)法準(zhǔn)確反映排氨率數(shù)據(jù)。綜上,關(guān)于振動(dòng)脅迫對(duì)于斑石鯛排氨率是否有影響,還需做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

利用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)模擬船載養(yǎng)殖工況,研究對(duì)比了不同頻率條件下斑石鯛的血清和生化指標(biāo)變化情況。結(jié)果表明:(1)短時(shí)間振動(dòng)條件下(5min),10Hz組和50 Hz組斑石鯛的各項(xiàng)指標(biāo)均與對(duì)照組無(wú)顯著差異;30 Hz組的血清葡萄糖顯著降低,皮質(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)顯著升高,肌糖原和肝糖原無(wú)顯著差異。(2)長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)條件下(60min),基本上各振動(dòng)實(shí)驗(yàn)組斑石鯛的血清葡萄糖指標(biāo)均顯著降低,皮質(zhì)醇和腎上腺素指標(biāo)顯著升高,但對(duì)肌糖原和肝糖原指標(biāo)無(wú)顯著影響。(3)水質(zhì)變化情況顯示,振動(dòng)60 min后水體內(nèi)溶氧濃度和氨氮濃度有所上升,水溫、鹽度、pH等無(wú)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(jì)劃項(xiàng)目(15DZ1202102);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)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(shù)。E-mail:zhangyulei@fmiri.ac.cn