低頻振動刺激對大黃魚行為及生理影響

葉林昌,劉 赟,劉 媛,郭建磊,殷雷明

(1 中國船舶集團有限公司第七一一研究所,上海 201108;2 大連海洋大學遼寧省海洋牧場工程技術研究中心,大連 116023)

大黃魚(Larimichthyscrocea)屬于石首魚科,主要分布在中國黃海以南、東海、臺灣海峽以及南海雷州半島區域,具有極高的經濟價值,以聽覺敏感而著稱[1]。養殖工船作為一種新型的養殖載體,不僅可以提供優質的養殖水體還能保持恒溫的養殖環境,相比于網箱養殖大大降低了自然環境破壞的風險[2],然而養殖船艙內水下噪聲對大黃魚是否會產生影響則有待研究。

養殖工船內主要噪聲源為船舶的固體聲,它是由船上機械設備振動輻射到空氣中及水下,同時向機座及其連接板壁等固體中傳遞,引起機座和相鄰板壁等的振動噪聲,雖然振幅和功率都很微小,但危害性極強[3]。魚類在水中主要通過內耳、側線和鰾感受聲壓和振動,且低頻振動對魚類的影響主要是被側線器官感受到并引起腦神經興奮產生應激[4]。活魚運輸條件下振動頻率會對大口黑鱸(Micropterussalmoides)和鱖魚(Sinipercachuatsi)的生理、生化特征等產生影響[5-6]。張飲江等[7]探討金魚(CarassiusauratusLinnaeus)對低溫和振動脅迫的反應規律,結果表明在振動頻率為50 Hz的條件下,金魚的呼吸率下降30%～49%,血液中的皮質醇質量分數升高35%～129%,因此振動刺激是影響金魚苗存活的重要外部環境因子。王文博[8]對鯽(Carassiusauratus)進行振動應激研究,發現振動應激后鯽血清中皮質醇水平明顯高于正常組。Demers等[9]在虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)的振動脅迫研究中也得到了相同的結論。張宇雷等[10]利用機械振動臺模擬船載養殖工況,研究對比了不同頻率條件下斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)的血清和生化指標變化情況,結果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。

目前關于大黃魚聲敏感性的研究方法主要為水槽聲暴露試驗觀察行為反應及生理生化指標變化。相關研究指出,高強度短暫性的水下噪聲會導致大黃魚產生暫時性失聰、行為異常、血液和神經組織等生理指標異常。長期暴露在高強度水下噪聲中,可能會降低攝食轉換效率、免疫力、存活率和生長率等,從而影響大黃魚生長[11]。劉貞文等[12]針對3個年齡段的大黃魚進行了不同頻率和不同聲壓等級的刺激試驗,得到魚齡越小的大黃魚對聲音越敏感,高強度噪聲不會對魚直接致死,在后續的2～3 d內出現非正常行為或不進食而死亡。林聽聽等[11]將大黃魚產卵場附近的航船噪聲作為刺激源對大黃魚的幼魚進行聲刺激,當噪聲低于60 dB時,反應不強烈,隨著噪聲的加劇,表現出不同強度的趨避行為,超過200 dB,刺激2 min后死亡,在120～150 dB范圍內進行單次或多次刺激,其中皮質醇、血糖和乳酸上升幅度最大。施慧雄等[13]模擬船舶噪聲對大黃魚皮質醇分泌的影響,結果表明當受到船舶噪聲刺激時,大黃魚血液中皮質醇水平顯著升高,并發生應激反應,影響健康。關于大黃魚對振動刺激的反應研究未見相關文獻。

本研究通過自制鋼制水槽及作動器模擬養殖艙振動,利用傳統敲罟作業捕撈大黃魚的水下噪聲主頻率對大黃魚進行振動刺激試驗,以此研究大黃魚對振動刺激的行為反應及生理生化指標的影響,為實現對養殖工船內水下噪聲定量控制,提升大黃魚的生長率、存活率以及品質提供數據參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置設計

大黃魚振動刺激試驗系統主要由試驗水槽、作動器、攝像頭、傳感器、數據采集系統組成(圖1),其中試驗水槽為2.0 m×1.7 m×1.2 m(長×寬×深)的鋼質(Q 235B)水槽;單個作動器尺寸120 mm×120 mm×85 mm,質量5.6 kg,輸出力大于85 N,工作頻率30～1 000 Hz,安裝在鋼制水槽側邊靠近中央位置。

圖1 魚群聲敏感性試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fish herd acoustic sensitivity test system

作動器在不運行或者失效狀態下不會對水槽壁面產生不利的振動影響。作動器可同時設置6個特征頻率,信號輸出類型可以設置帶寬輸出(帶通頻率范圍內能量全部激勵)和單頻正弦輸出,因此可模擬船上會產生中低頻機械噪聲的主動力設備。

1.2 振動刺激試驗

試驗用大黃魚,250 g試驗組的平均體質量為268.09±58.94 g,500 g試驗組的平均體質量為448.88±79.86 g。試驗前于室內水泥池中暫養2周,試驗水槽表面光強為28 Lx,所用海水經過砂濾處理,水溫為20.0±0.5 ℃,鹽度為29.57±0.84,使用氣泵進行連續充氣。

每組試驗開始前,從暫養水槽中隨機選取5尾健康試驗魚進行振動刺激試驗,并利用Accelnet直流驅動器操作,產生125 Hz(150 dB)、200 Hz(150 dB)的正弦波連續1 h振動刺激,同時通過水槽上方高清攝像頭進行實時行為記錄,試驗結束后對試驗魚進行抽血用于生理生化指標測定。考慮到運輸和安裝,試驗水槽空間有限,為了便于觀察試驗魚的行為反應,需要留出充足的運動空間,因此在試驗水槽中并未按照實際工船養殖密度進行試驗。

水下噪聲使用水聽器(靈敏度:-193 dB re 1V/μPa,日本,頻率帶寬20 Hz～20 kHz,日本AQH)進行測量校準(圖2)。

圖2 水槽內振動噪聲測量校準示意圖Fig.2 Schematic diagram of the calibration of vibration noise measurement in the tank

1.3 數據分析

大黃魚行為反應分析,參照張旭光等[14]的方法,根據試驗魚的行為進行特征分類,并以不同字母定義,然后在記錄時間內將代表這些行為特征的字母按時間順序組合,構建大黃魚的行為序列譜。

大黃魚的生理生化指標,則是選取皮質醇、腎上腺素、甲狀腺素作為應激反應的參考指標[15-16]。對試驗魚取樣時,從鋼制水槽中取5尾大黃魚個體,迅速用MS-222麻醉后進行尾靜脈取血。血液樣品放置在4 ℃靜置6 h后進行離心(8 000 r/min,15 min),收集上層血清用于皮質醇、腎上腺素和甲狀腺素的ELISA方法測定。測定所用試劑盒購于南京建成生物工程研究所,具體測定方法參照說明書進行。

2 結果

2.1 大黃魚振動刺激行為反應

試驗魚群在125 Hz、200 Hz振動條件下不同頻率刺激1 h條件下的行為反應如圖3所示。聲刺激初期,試驗魚主要表現為四處亂竄、無規則運動、緩慢靠近后巡航離開、自由或環繞巡航。試驗魚在不同頻率條件下會出現靠近振源而后巡航離開;待適應后,試驗魚基本處于規則繞壁或自由巡航、緩慢靠近后巡航離開或停滯不前,未出現明顯驚擾反應現象。在聲暴露條件下大黃魚行為序列圖譜如圖4所示。

注:250 g組(a.125 Hz振動刺激下游泳狀態;b.200 Hz振動刺激下游泳狀態); 500 g組(c.125 Hz振動刺激下游泳狀態;d.200 Hz振動刺激下游泳狀態)圖3 試驗魚的運動軌跡示意圖Fig.3 Schematic representation of the movement trajectory of the test fish

圖4 大黃魚在不同振動頻率條件下的行為序列圖譜Fig.4 Behavior sequence map of Larimichthys crocea at different vibrational frequencies

2.2 大黃魚振動刺激后生理生化反應

大黃魚連續振動刺激1 h后生理生化指標變化結果為:250 g試驗組在振動頻率為125 Hz條件下,血清中皮質醇的濃度上升了16.65%,腎上腺素的濃度上升了40.30%,甲狀腺素的濃度上升了26.82%;在振動頻率為200 Hz條件下,血清中皮質醇的濃度上升了26.90%,腎上腺素的濃度上升了15.68%,甲狀腺素的濃度上升了41.07%;500 g試驗組在振動頻率為125 Hz條件下,血清中皮質醇的濃度下降了4.75%,腎上腺素的濃度下降了9.07%,甲狀腺素的濃度上升了28.68%;在振動頻率為200 Hz情況下,血清中皮質醇的濃度上升了18.19%,腎上腺素的濃度上升了18.41%,甲狀腺素的濃度上升了41.79%。具體分析如下:

(1)皮質醇

試驗魚皮質醇變化結果如圖5所示。

圖5 不同頻率聲刺激下大黃魚的皮質醇含量變化Fig.5 Cortisol content changes in Larimichthys crocea under acoustic stimulation at different frequencies

與對照組相比,1 h不同頻率振動刺激下,250 g試驗組大黃魚血清中的皮質醇含量上升,其中振動頻率為200 Hz時顯著上升(P<0.05),500 g試驗組大黃魚的皮質醇在125 Hz振動刺激頻率時出現下降,但在200 Hz振動刺激頻率時皮質醇含量略有上升,與對照組并無顯著性差異(P>0.05)。

(2)腎上腺素

試驗魚腎上腺素變化結果如圖6所示。

與對照組相比,1 h不同頻率振動刺激下,250 g試驗組大黃魚的腎上腺素含量上升。但與對照組并無顯著性差異(P>0.05),500 g試驗組大黃魚的腎上腺素在125 Hz振動刺激頻率出現下降,但在200 Hz振動刺激頻率腎上腺素含量上升,與對照組并無顯著性差異(P>0.05)。

(3)甲狀腺素

試驗魚甲狀腺素變化結果如圖7所示。

圖7 不同頻率聲刺激下大黃魚的甲狀腺素含量變化Fig.7 Changes in thyroxine content in Larimichthys crocea under acoustic stimulation at different frequencies

與對照組相比,1 h不同頻率振動刺激下,250 g試驗組大黃魚的甲狀腺素含量上升,但與對照組并無顯著性差異。500 g試驗組大黃魚的甲狀腺素含量上升,且振動刺激頻率為125 Hz、200 Hz大黃魚的甲狀腺素顯著高于對照組(P<0.05)。

試驗魚在125 Hz和200 Hz振動條件下無異常行為反應。具體分析如表1所示。

表1 大黃魚在1 h連續振動刺激下的行為反應Tab.1 Behavioral responses of Larimichthys crocea under 1 h continuous vibration stimulation

3 討論

3.1 低頻振動對大黃魚行為的影響

Banner[17]使用標準地震探測器測量了聲學粒子振動,并證實了檸檬鯊(Negaprionbrevirostris)可感知聲粒子位移。 Lu等[18]使用自制振動系統從-90°～90°方向對魚類粒子振動行為感知閾值進行了測量,并提出粒子振動在魚類聽覺測量中更精準。而在本研究振動刺激的行為試驗中,未出現明顯的應激行為反應(即敲罟作業描述的行為現象),這主要是由于單一的激振器無法模擬上百艘漁船敲罟作業的方式,水下噪聲無法達到振暈大黃魚的量級。本試驗使用的是250 g和500 g的大黃魚成魚,而大黃魚成魚魚鰾已發育完全。因此,對聲壓表現更加敏感,對振動刺激的敏感性較弱。另一方面原因可能是由于試驗用水槽尺寸規格較小,大黃魚雖然能清晰感受到振動現象,但由于行動范圍受限而無法對其做出相應的趨避行為。

3.2 低頻振動對大黃魚血液指標的影響

魚的應激由下丘腦-垂體-髓質(HPI軸)控制[19]。魚的應激主要表現為生理參數的波動,導致魚體內外穩態的變化。皮質醇、腎上腺素、甲狀腺素和其他指標被廣泛地用作魚類應激指標,以評估魚類所面臨的各種環境和運輸壓力[20-23]。

從振動刺激試驗結果可知,250 g試驗組,125 Hz頻率條件下腎上腺素變化(增長約40.93%)最為顯著(P<0.05);200 Hz頻率條件下甲狀腺素(增長約41.08%)變化最為顯著(P<0.05),除了腎上腺素以外,其他血液指標增長均高于125 Hz頻率組,故認為250 g大黃魚對200 Hz更為敏感;500 g試驗組,125 Hz頻率條件下甲狀腺素(增長約28.68%)變化最為顯著(P<0.05),其他項血液指標均出現了下降等情況;200 Hz頻率條件下也是甲狀腺素(增長約41.79%)變化最為顯著(P<0.05)且高于125 Hz頻率組,而其他項血液指標在200 Hz頻率組則不同程度地出現增長的情況,故認為500 g大黃魚對200 Hz更為敏感。

綜合分析認為,試驗水槽的振動導致水體流場不斷發生各種不規則變化,這些變化通過側線器官被大黃魚感受到并產生應急反應,該現象與魚類在運輸脅迫下的響應相吻合[21,24-25]。

3.3 低頻振動應激對魚類肌肉品質的影響

肌肉是動物體內最基本的物質,也是最大的能量和氨基酸儲備[26-27]。由于受到多種不利環境因素的干擾,以及運輸和屠宰等因素的作用,動物會產生應激反應,從而造成肌肉品質下降,生長遲緩,免疫力下降等現象[28]。當受到脅迫因素的影響而發生應激時,其對應激的響應是通過調節體內一些與之有關的物質的代謝來影響其正常的生理狀況,從而導致魚體出現“亞健康”“疲倦”等現象,進而影響其肉質。從本次振動刺激試驗結果可知:除振動頻率為125 Hz,500 g試驗組以外,其他試驗組腎上腺素、皮質醇、甲狀腺素均出現了不同程度的增長。處于應激反應狀態中,腎上腺分泌腎上腺激素,面對慢性而持續的刺激,腎上腺也會分泌皮質醇,又稱為糖皮質激素,能夠快速升高血糖,急性應激下,魚體內與葡萄糖代謝相關的酶類活性顯著升高,而肌肉中糖原含量顯著降低,血液中葡萄糖濃度升高[27,29-30]。這表明刺激提高了魚的生命活動,這會導致體內無氧糖酵解、脂質過氧化和其他反應的增加。這時,身體調動與能量代謝相關的物理化學反應來適應壓力,導致代謝物大量堆積,從而導致肌肉質量下降[27,31-32]。

4 結論

本研究通過自制鋼制水槽及作動器模擬養殖工船結構聲能量的傳遞,并利用傳統敲罟作業捕撈大黃魚過程中的噪聲主頻率對大黃魚進行振動刺激試驗。在振動刺激條件下,250 g和500 g組的試驗魚在120 Hz和200 Hz條件下生理生化指標均變化顯著,從一定程度上解釋了漁船敲罟作業的工作原理。大黃魚行為上未出現明顯的應激行為反應,主要是由于單一的作動器無法模擬上百艘漁船敲罟作業的方式,水下噪聲無法達到振暈大黃魚的量級;從應激反應生理生化指標變化結果可知,250 g組和500 g組大黃魚均對200 Hz更為敏感,養殖工船的聲學控制過程中須特別注意此頻率下的控制效果。本研究僅做了125 Hz、200 Hz頻率,今后將從不同魚體規格、振動刺激頻率、養殖密度進行試驗,為實現對養殖工船內水下噪聲定量控制,提升大黃魚的生長率、存活率以及品質提供數據參考和理論依據。