低频振动刺激对大黄鱼行为及生理影响

叶林昌,刘 赟,刘 媛,郭建磊,殷雷明

(1 中国船舶集团有限公司第七一一研究所,上海 201108;2 大连海洋大学辽宁省海洋牧场工程技术研究中心,大连 116023)

大黄鱼(Larimichthyscrocea)属于石首鱼科,主要分布在中国黄海以南、东海、台湾海峡以及南海雷州半岛区域,具有极高的经济价值,以听觉敏感而著称[1]。养殖工船作为一种新型的养殖载体,不仅可以提供优质的养殖水体还能保持恒温的养殖环境,相比于网箱养殖大大降低了自然环境破坏的风险[2],然而养殖船舱内水下噪声对大黄鱼是否会产生影响则有待研究。

养殖工船内主要噪声源为船舶的固体声,它是由船上机械设备振动辐射到空气中及水下,同时向机座及其连接板壁等固体中传递,引起机座和相邻板壁等的振动噪声,虽然振幅和功率都很微小,但危害性极强[3]。鱼类在水中主要通过内耳、侧线和鳔感受声压和振动,且低频振动对鱼类的影响主要是被侧线器官感受到并引起脑神经兴奋产生应激[4]。活鱼运输条件下振动频率会对大口黑鲈(Micropterussalmoides)和鳜鱼(Sinipercachuatsi)的生理、生化特征等产生影响[5-6]。张饮江等[7]探讨金鱼(CarassiusauratusLinnaeus)对低温和振动胁迫的反应规律,结果表明在振动频率为50 Hz的条件下,金鱼的呼吸率下降30%～49%,血液中的皮质醇质量分数升高35%～129%,因此振动刺激是影响金鱼苗存活的重要外部环境因子。王文博[8]对鲫(Carassiusauratus)进行振动应激研究,发现振动应激后鲫血清中皮质醇水平明显高于正常组。Demers等[9]在虹鳟鱼(Oncorhynchusmykiss)的振动胁迫研究中也得到了相同的结论。张宇雷等[10]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(Oplegnathuspunctatus)的血清和生化指标变化情况,结果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。

目前关于大黄鱼声敏感性的研究方法主要为水槽声暴露试验观察行为反应及生理生化指标变化。相关研究指出,高强度短暂性的水下噪声会导致大黄鱼产生暂时性失聪、行为异常、血液和神经组织等生理指标异常。长期暴露在高强度水下噪声中,可能会降低摄食转换效率、免疫力、存活率和生长率等,从而影响大黄鱼生长[11]。刘贞文等[12]针对3个年龄段的大黄鱼进行了不同频率和不同声压等级的刺激试验,得到鱼龄越小的大黄鱼对声音越敏感,高强度噪声不会对鱼直接致死,在后续的2～3 d内出现非正常行为或不进食而死亡。林听听等[11]将大黄鱼产卵场附近的航船噪声作为刺激源对大黄鱼的幼鱼进行声刺激,当噪声低于60 dB时,反应不强烈,随着噪声的加剧,表现出不同强度的趋避行为,超过200 dB,刺激2 min后死亡,在120～150 dB范围内进行单次或多次刺激,其中皮质醇、血糖和乳酸上升幅度最大。施慧雄等[13]模拟船舶噪声对大黄鱼皮质醇分泌的影响,结果表明当受到船舶噪声刺激时,大黄鱼血液中皮质醇水平显著升高,并发生应激反应,影响健康。关于大黄鱼对振动刺激的反应研究未见相关文献。

本研究通过自制钢制水槽及作动器模拟养殖舱振动,利用传统敲罟作业捕捞大黄鱼的水下噪声主频率对大黄鱼进行振动刺激试验,以此研究大黄鱼对振动刺激的行为反应及生理生化指标的影响,为实现对养殖工船内水下噪声定量控制,提升大黄鱼的生长率、存活率以及品质提供数据参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置设计

大黄鱼振动刺激试验系统主要由试验水槽、作动器、摄像头、传感器、数据采集系统组成(图1),其中试验水槽为2.0 m×1.7 m×1.2 m(长×宽×深)的钢质(Q 235B)水槽;单个作动器尺寸120 mm×120 mm×85 mm,质量5.6 kg,输出力大于85 N,工作频率30～1 000 Hz,安装在钢制水槽侧边靠近中央位置。

图1 鱼群声敏感性试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the fish herd acoustic sensitivity test system

作动器在不运行或者失效状态下不会对水槽壁面产生不利的振动影响。作动器可同时设置6个特征频率,信号输出类型可以设置带宽输出(带通频率范围内能量全部激励)和单频正弦输出,因此可模拟船上会产生中低频机械噪声的主动力设备。

1.2 振动刺激试验

试验用大黄鱼,250 g试验组的平均体质量为268.09±58.94 g,500 g试验组的平均体质量为448.88±79.86 g。试验前于室内水泥池中暂养2周,试验水槽表面光强为28 Lx,所用海水经过砂滤处理,水温为20.0±0.5 ℃,盐度为29.57±0.84,使用气泵进行连续充气。

每组试验开始前,从暂养水槽中随机选取5尾健康试验鱼进行振动刺激试验,并利用Accelnet直流驱动器操作,产生125 Hz(150 dB)、200 Hz(150 dB)的正弦波连续1 h振动刺激,同时通过水槽上方高清摄像头进行实时行为记录,试验结束后对试验鱼进行抽血用于生理生化指标测定。考虑到运输和安装,试验水槽空间有限,为了便于观察试验鱼的行为反应,需要留出充足的运动空间,因此在试验水槽中并未按照实际工船养殖密度进行试验。

水下噪声使用水听器(灵敏度:-193 dB re 1V/μPa,日本,频率带宽20 Hz～20 kHz,日本AQH)进行测量校准(图2)。

图2 水槽内振动噪声测量校准示意图Fig.2 Schematic diagram of the calibration of vibration noise measurement in the tank

1.3 数据分析

大黄鱼行为反应分析,参照张旭光等[14]的方法,根据试验鱼的行为进行特征分类,并以不同字母定义,然后在记录时间内将代表这些行为特征的字母按时间顺序组合,构建大黄鱼的行为序列谱。

大黄鱼的生理生化指标,则是选取皮质醇、肾上腺素、甲状腺素作为应激反应的参考指标[15-16]。对试验鱼取样时,从钢制水槽中取5尾大黄鱼个体,迅速用MS-222麻醉后进行尾静脉取血。血液样品放置在4 ℃静置6 h后进行离心(8 000 r/min,15 min),收集上层血清用于皮质醇、肾上腺素和甲状腺素的ELISA方法测定。测定所用试剂盒购于南京建成生物工程研究所,具体测定方法参照说明书进行。

2 结果

2.1 大黄鱼振动刺激行为反应

试验鱼群在125 Hz、200 Hz振动条件下不同频率刺激1 h条件下的行为反应如图3所示。声刺激初期,试验鱼主要表现为四处乱窜、无规则运动、缓慢靠近后巡航离开、自由或环绕巡航。试验鱼在不同频率条件下会出现靠近振源而后巡航离开;待适应后,试验鱼基本处于规则绕壁或自由巡航、缓慢靠近后巡航离开或停滞不前,未出现明显惊扰反应现象。在声暴露条件下大黄鱼行为序列图谱如图4所示。

注:250 g组(a.125 Hz振动刺激下游泳状态;b.200 Hz振动刺激下游泳状态); 500 g组(c.125 Hz振动刺激下游泳状态;d.200 Hz振动刺激下游泳状态)图3 试验鱼的运动轨迹示意图Fig.3 Schematic representation of the movement trajectory of the test fish

图4 大黄鱼在不同振动频率条件下的行为序列图谱Fig.4 Behavior sequence map of Larimichthys crocea at different vibrational frequencies

2.2 大黄鱼振动刺激后生理生化反应

大黄鱼连续振动刺激1 h后生理生化指标变化结果为:250 g试验组在振动频率为125 Hz条件下,血清中皮质醇的浓度上升了16.65%,肾上腺素的浓度上升了40.30%,甲状腺素的浓度上升了26.82%;在振动频率为200 Hz条件下,血清中皮质醇的浓度上升了26.90%,肾上腺素的浓度上升了15.68%,甲状腺素的浓度上升了41.07%;500 g试验组在振动频率为125 Hz条件下,血清中皮质醇的浓度下降了4.75%,肾上腺素的浓度下降了9.07%,甲状腺素的浓度上升了28.68%;在振动频率为200 Hz情况下,血清中皮质醇的浓度上升了18.19%,肾上腺素的浓度上升了18.41%,甲状腺素的浓度上升了41.79%。具体分析如下:

(1)皮质醇

试验鱼皮质醇变化结果如图5所示。

图5 不同频率声刺激下大黄鱼的皮质醇含量变化Fig.5 Cortisol content changes in Larimichthys crocea under acoustic stimulation at different frequencies

与对照组相比,1 h不同频率振动刺激下,250 g试验组大黄鱼血清中的皮质醇含量上升,其中振动频率为200 Hz时显著上升(P<0.05),500 g试验组大黄鱼的皮质醇在125 Hz振动刺激频率时出现下降,但在200 Hz振动刺激频率时皮质醇含量略有上升,与对照组并无显著性差异(P>0.05)。

(2)肾上腺素

试验鱼肾上腺素变化结果如图6所示。

与对照组相比,1 h不同频率振动刺激下,250 g试验组大黄鱼的肾上腺素含量上升。但与对照组并无显著性差异(P>0.05),500 g试验组大黄鱼的肾上腺素在125 Hz振动刺激频率出现下降,但在200 Hz振动刺激频率肾上腺素含量上升,与对照组并无显著性差异(P>0.05)。

(3)甲状腺素

试验鱼甲状腺素变化结果如图7所示。

图7 不同频率声刺激下大黄鱼的甲状腺素含量变化Fig.7 Changes in thyroxine content in Larimichthys crocea under acoustic stimulation at different frequencies

与对照组相比,1 h不同频率振动刺激下,250 g试验组大黄鱼的甲状腺素含量上升,但与对照组并无显著性差异。500 g试验组大黄鱼的甲状腺素含量上升,且振动刺激频率为125 Hz、200 Hz大黄鱼的甲状腺素显著高于对照组(P<0.05)。

试验鱼在125 Hz和200 Hz振动条件下无异常行为反应。具体分析如表1所示。

表1 大黄鱼在1 h连续振动刺激下的行为反应Tab.1 Behavioral responses of Larimichthys crocea under 1 h continuous vibration stimulation

3 讨论

3.1 低频振动对大黄鱼行为的影响

Banner[17]使用标准地震探测器测量了声学粒子振动,并证实了柠檬鲨(Negaprionbrevirostris)可感知声粒子位移。 Lu等[18]使用自制振动系统从-90°～90°方向对鱼类粒子振动行为感知阈值进行了测量,并提出粒子振动在鱼类听觉测量中更精准。而在本研究振动刺激的行为试验中,未出现明显的应激行为反应(即敲罟作业描述的行为现象),这主要是由于单一的激振器无法模拟上百艘渔船敲罟作业的方式,水下噪声无法达到振晕大黄鱼的量级。本试验使用的是250 g和500 g的大黄鱼成鱼,而大黄鱼成鱼鱼鳔已发育完全。因此,对声压表现更加敏感,对振动刺激的敏感性较弱。另一方面原因可能是由于试验用水槽尺寸规格较小,大黄鱼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行为。

3.2 低频振动对大黄鱼血液指标的影响

鱼的应激由下丘脑-垂体-髓质(HPI轴)控制[19]。鱼的应激主要表现为生理参数的波动,导致鱼体内外稳态的变化。皮质醇、肾上腺素、甲状腺素和其他指标被广泛地用作鱼类应激指标,以评估鱼类所面临的各种环境和运输压力[20-23]。

从振动刺激试验结果可知,250 g试验组,125 Hz频率条件下肾上腺素变化(增长约40.93%)最为显著(P<0.05);200 Hz频率条件下甲状腺素(增长约41.08%)变化最为显著(P<0.05),除了肾上腺素以外,其他血液指标增长均高于125 Hz频率组,故认为250 g大黄鱼对200 Hz更为敏感;500 g试验组,125 Hz频率条件下甲状腺素(增长约28.68%)变化最为显著(P<0.05),其他项血液指标均出现了下降等情况;200 Hz频率条件下也是甲状腺素(增长约41.79%)变化最为显著(P<0.05)且高于125 Hz频率组,而其他项血液指标在200 Hz频率组则不同程度地出现增长的情况,故认为500 g大黄鱼对200 Hz更为敏感。

综合分析认为,试验水槽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大黄鱼感受到并产生应急反应,该现象与鱼类在运输胁迫下的响应相吻合[21,24-25]。

3.3 低频振动应激对鱼类肌肉品质的影响

肌肉是动物体内最基本的物质,也是最大的能量和氨基酸储备[26-27]。由于受到多种不利环境因素的干扰,以及运输和屠宰等因素的作用,动物会产生应激反应,从而造成肌肉品质下降,生长迟缓,免疫力下降等现象[28]。当受到胁迫因素的影响而发生应激时,其对应激的响应是通过调节体内一些与之有关的物质的代谢来影响其正常的生理状况,从而导致鱼体出现“亚健康”“疲倦”等现象,进而影响其肉质。从本次振动刺激试验结果可知:除振动频率为125 Hz,500 g试验组以外,其他试验组肾上腺素、皮质醇、甲状腺素均出现了不同程度的增长。处于应激反应状态中,肾上腺分泌肾上腺激素,面对慢性而持续的刺激,肾上腺也会分泌皮质醇,又称为糖皮质激素,能够快速升高血糖,急性应激下,鱼体内与葡萄糖代谢相关的酶类活性显著升高,而肌肉中糖原含量显著降低,血液中葡萄糖浓度升高[27,29-30]。这表明刺激提高了鱼的生命活动,这会导致体内无氧糖酵解、脂质过氧化和其他反应的增加。这时,身体调动与能量代谢相关的物理化学反应来适应压力,导致代谢物大量堆积,从而导致肌肉质量下降[27,31-32]。

4 结论

本研究通过自制钢制水槽及作动器模拟养殖工船结构声能量的传递,并利用传统敲罟作业捕捞大黄鱼过程中的噪声主频率对大黄鱼进行振动刺激试验。在振动刺激条件下,250 g和500 g组的试验鱼在120 Hz和200 Hz条件下生理生化指标均变化显著,从一定程度上解释了渔船敲罟作业的工作原理。大黄鱼行为上未出现明显的应激行为反应,主要是由于单一的作动器无法模拟上百艘渔船敲罟作业的方式,水下噪声无法达到振晕大黄鱼的量级;从应激反应生理生化指标变化结果可知,250 g组和500 g组大黄鱼均对200 Hz更为敏感,养殖工船的声学控制过程中须特别注意此频率下的控制效果。本研究仅做了125 Hz、200 Hz频率,今后将从不同鱼体规格、振动刺激频率、养殖密度进行试验,为实现对养殖工船内水下噪声定量控制,提升大黄鱼的生长率、存活率以及品质提供数据参考和理论依据。