葉林昌,劉 赟,劉 媛,郭建磊,殷雷明

(1 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所,上海 201108;2 大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心,大連 116023)

大黃魚(yú)(Larimichthyscrocea)屬于石首魚(yú)科,主要分布在中國(guó)黃海以南、東海、臺(tái)灣海峽以及南海雷州半島區(qū)域,具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,以聽(tīng)覺(jué)敏感而著稱[1]。養(yǎng)殖工船作為一種新型的養(yǎng)殖載體,不僅可以提供優(yōu)質(zhì)的養(yǎng)殖水體還能保持恒溫的養(yǎng)殖環(huán)境,相比于網(wǎng)箱養(yǎng)殖大大降低了自然環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn)[2],然而養(yǎng)殖船艙內(nèi)水下噪聲對(duì)大黃魚(yú)是否會(huì)產(chǎn)生影響則有待研究。

養(yǎng)殖工船內(nèi)主要噪聲源為船舶的固體聲,它是由船上機(jī)械設(shè)備振動(dòng)輻射到空氣中及水下,同時(shí)向機(jī)座及其連接板壁等固體中傳遞,引起機(jī)座和相鄰板壁等的振動(dòng)噪聲,雖然振幅和功率都很微小,但危害性極強(qiáng)[3]。魚(yú)類在水中主要通過(guò)內(nèi)耳、側(cè)線和鰾感受聲壓和振動(dòng),且低頻振動(dòng)對(duì)魚(yú)類的影響主要是被側(cè)線器官感受到并引起腦神經(jīng)興奮產(chǎn)生應(yīng)激[4]?；铘~(yú)運(yùn)輸條件下振動(dòng)頻率會(huì)對(duì)大口黑鱸(Micropterussalmoides)和鱖魚(yú)(Sinipercachuatsi)的生理、生化特征等產(chǎn)生影響[5-6]。張飲江等[7]探討金魚(yú)(CarassiusauratusLinnaeus)對(duì)低溫和振動(dòng)脅迫的反應(yīng)規(guī)律,結(jié)果表明在振動(dòng)頻率為50 Hz的條件下,金魚(yú)的呼吸率下降30%～49%,血液中的皮質(zhì)醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高35%～129%,因此振動(dòng)刺激是影響金魚(yú)苗存活的重要外部環(huán)境因子。王文博[8]對(duì)鯽(Carassiusauratus)進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)激研究,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)應(yīng)激后鯽血清中皮質(zhì)醇水平明顯高于正常組。Demers等[9]在虹鱒魚(yú)(Oncorhynchusmykiss)的振動(dòng)脅迫研究中也得到了相同的結(jié)論。張宇雷等[10]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(Oplegnathuspunctatus)的血清和生化指標(biāo)變化情況,結(jié)果表明低頻振動(dòng)對(duì)魚(yú)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)。

目前關(guān)于大黃魚(yú)聲敏感性的研究方法主要為水槽聲暴露試驗(yàn)觀察行為反應(yīng)及生理生化指標(biāo)變化。相關(guān)研究指出,高強(qiáng)度短暫性的水下噪聲會(huì)導(dǎo)致大黃魚(yú)產(chǎn)生暫時(shí)性失聰、行為異常、血液和神經(jīng)組織等生理指標(biāo)異常。長(zhǎng)期暴露在高強(qiáng)度水下噪聲中,可能會(huì)降低攝食轉(zhuǎn)換效率、免疫力、存活率和生長(zhǎng)率等,從而影響大黃魚(yú)生長(zhǎng)[11]。劉貞文等[12]針對(duì)3個(gè)年齡段的大黃魚(yú)進(jìn)行了不同頻率和不同聲壓等級(jí)的刺激試驗(yàn),得到魚(yú)齡越小的大黃魚(yú)對(duì)聲音越敏感,高強(qiáng)度噪聲不會(huì)對(duì)魚(yú)直接致死,在后續(xù)的2～3 d內(nèi)出現(xiàn)非正常行為或不進(jìn)食而死亡。林聽(tīng)聽(tīng)等[11]將大黃魚(yú)產(chǎn)卵場(chǎng)附近的航船噪聲作為刺激源對(duì)大黃魚(yú)的幼魚(yú)進(jìn)行聲刺激,當(dāng)噪聲低于60 dB時(shí),反應(yīng)不強(qiáng)烈,隨著噪聲的加劇,表現(xiàn)出不同強(qiáng)度的趨避行為,超過(guò)200 dB,刺激2 min后死亡,在120～150 dB范圍內(nèi)進(jìn)行單次或多次刺激,其中皮質(zhì)醇、血糖和乳酸上升幅度最大。施慧雄等[13]模擬船舶噪聲對(duì)大黃魚(yú)皮質(zhì)醇分泌的影響,結(jié)果表明當(dāng)受到船舶噪聲刺激時(shí),大黃魚(yú)血液中皮質(zhì)醇水平顯著升高,并發(fā)生應(yīng)激反應(yīng),影響健康。關(guān)于大黃魚(yú)對(duì)振動(dòng)刺激的反應(yīng)研究未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

本研究通過(guò)自制鋼制水槽及作動(dòng)器模擬養(yǎng)殖艙振動(dòng),利用傳統(tǒng)敲罟作業(yè)捕撈大黃魚(yú)的水下噪聲主頻率對(duì)大黃魚(yú)進(jìn)行振動(dòng)刺激試驗(yàn),以此研究大黃魚(yú)對(duì)振動(dòng)刺激的行為反應(yīng)及生理生化指標(biāo)的影響,為實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖工船內(nèi)水下噪聲定量控制,提升大黃魚(yú)的生長(zhǎng)率、存活率以及品質(zhì)提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

大黃魚(yú)振動(dòng)刺激試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)水槽、作動(dòng)器、攝像頭、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成(圖1),其中試驗(yàn)水槽為2.0 m×1.7 m×1.2 m(長(zhǎng)×寬×深)的鋼質(zhì)(Q 235B)水槽;單個(gè)作動(dòng)器尺寸120 mm×120 mm×85 mm,質(zhì)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(cè)邊靠近中央位置。

圖1 魚(yú)群聲敏感性試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fish herd acoustic sensitivity test system

作動(dòng)器在不運(yùn)行或者失效狀態(tài)下不會(huì)對(duì)水槽壁面產(chǎn)生不利的振動(dòng)影響。作動(dòng)器可同時(shí)設(shè)置6個(gè)特征頻率,信號(hào)輸出類型可以設(shè)置帶寬輸出(帶通頻率范圍內(nèi)能量全部激勵(lì))和單頻正弦輸出,因此可模擬船上會(huì)產(chǎn)生中低頻機(jī)械噪聲的主動(dòng)力設(shè)備。

1.2 振動(dòng)刺激試驗(yàn)

試驗(yàn)用大黃魚(yú),250 g試驗(yàn)組的平均體質(zhì)量為268.09±58.94 g,500 g試驗(yàn)組的平均體質(zhì)量為448.88±79.86 g。試驗(yàn)前于室內(nèi)水泥池中暫養(yǎng)2周,試驗(yàn)水槽表面光強(qiáng)為28 Lx,所用海水經(jīng)過(guò)砂濾處理,水溫為20.0±0.5 ℃,鹽度為29.57±0.84,使用氣泵進(jìn)行連續(xù)充氣。

每組試驗(yàn)開(kāi)始前,從暫養(yǎng)水槽中隨機(jī)選取5尾健康試驗(yàn)魚(yú)進(jìn)行振動(dòng)刺激試驗(yàn),并利用Accelnet直流驅(qū)動(dòng)器操作,產(chǎn)生125 Hz(150 dB)、200 Hz(150 dB)的正弦波連續(xù)1 h振動(dòng)刺激,同時(shí)通過(guò)水槽上方高清攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)行為記錄,試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)魚(yú)進(jìn)行抽血用于生理生化指標(biāo)測(cè)定?？紤]到運(yùn)輸和安裝,試驗(yàn)水槽空間有限,為了便于觀察試驗(yàn)魚(yú)的行為反應(yīng),需要留出充足的運(yùn)動(dòng)空間,因此在試驗(yàn)水槽中并未按照實(shí)際工船養(yǎng)殖密度進(jìn)行試驗(yàn)。

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

圖2 水槽內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)量校準(zhǔn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the calibration of vibration noise measurement in the tank

1.3 數(shù)據(jù)分析

大黃魚(yú)行為反應(yīng)分析,參照張旭光等[14]的方法,根據(jù)試驗(yàn)魚(yú)的行為進(jìn)行特征分類,并以不同字母定義,然后在記錄時(shí)間內(nèi)將代表這些行為特征的字母按時(shí)間順序組合,構(gòu)建大黃魚(yú)的行為序列譜。

大黃魚(yú)的生理生化指標(biāo),則是選取皮質(zhì)醇、腎上腺素、甲狀腺素作為應(yīng)激反應(yīng)的參考指標(biāo)[15-16]。對(duì)試驗(yàn)魚(yú)取樣時(shí),從鋼制水槽中取5尾大黃魚(yú)個(gè)體,迅速用MS-222麻醉后進(jìn)行尾靜脈取血。血液樣品放置在4 ℃靜置6 h后進(jìn)行離心(8 000 r/min,15 min),收集上層血清用于皮質(zhì)醇、腎上腺素和甲狀腺素的ELISA方法測(cè)定。測(cè)定所用試劑盒購(gòu)于南京建成生物工程研究所,具體測(cè)定方法參照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 大黃魚(yú)振動(dòng)刺激行為反應(yīng)

試驗(yàn)魚(yú)群在125 Hz、200 Hz振動(dòng)條件下不同頻率刺激1 h條件下的行為反應(yīng)如圖3所示。聲刺激初期,試驗(yàn)魚(yú)主要表現(xiàn)為四處亂竄、無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)、緩慢靠近后巡航離開(kāi)、自由或環(huán)繞巡航。試驗(yàn)魚(yú)在不同頻率條件下會(huì)出現(xiàn)靠近振源而后巡航離開(kāi);待適應(yīng)后,試驗(yàn)魚(yú)基本處于規(guī)則繞壁或自由巡航、緩慢靠近后巡航離開(kāi)或停滯不前,未出現(xiàn)明顯驚擾反應(yīng)現(xiàn)象。在聲暴露條件下大黃魚(yú)行為序列圖譜如圖4所示。

注:250 g組(a.125 Hz振動(dòng)刺激下游泳狀態(tài);b.200 Hz振動(dòng)刺激下游泳狀態(tài)); 500 g組(c.125 Hz振動(dòng)刺激下游泳狀態(tài);d.200 Hz振動(dòng)刺激下游泳狀態(tài))圖3 試驗(yàn)魚(yú)的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.3 Schematic representation of the movement trajectory of the test fish

圖4 大黃魚(yú)在不同振動(dòng)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(yú)振動(dòng)刺激后生理生化反應(yīng)

大黃魚(yú)連續(xù)振動(dòng)刺激1 h后生理生化指標(biāo)變化結(jié)果為:250 g試驗(yàn)組在振動(dòng)頻率為125 Hz條件下,血清中皮質(zhì)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(dòng)頻率為200 Hz條件下,血清中皮質(zhì)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(yàn)組在振動(dòng)頻率為125 Hz條件下,血清中皮質(zhì)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(dòng)頻率為200 Hz情況下,血清中皮質(zhì)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(zhì)醇

試驗(yàn)魚(yú)皮質(zhì)醇變化結(jié)果如圖5所示。

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

與對(duì)照組相比,1 h不同頻率振動(dòng)刺激下,250 g試驗(yàn)組大黃魚(yú)血清中的皮質(zhì)醇含量上升,其中振動(dòng)頻率為200 Hz時(shí)顯著上升(P<0.05),500 g試驗(yàn)組大黃魚(yú)的皮質(zhì)醇在125 Hz振動(dòng)刺激頻率時(shí)出現(xiàn)下降,但在200 Hz振動(dòng)刺激頻率時(shí)皮質(zhì)醇含量略有上升,與對(duì)照組并無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

(2)腎上腺素

試驗(yàn)魚(yú)腎上腺素變化結(jié)果如圖6所示。

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

(3)甲狀腺素

試驗(yàn)魚(yú)甲狀腺素變化結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同頻率聲刺激下大黃魚(yú)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(duì)照組相比,1 h不同頻率振動(dòng)刺激下,250 g試驗(yàn)組大黃魚(yú)的甲狀腺素含量上升,但與對(duì)照組并無(wú)顯著性差異。500 g試驗(yàn)組大黃魚(yú)的甲狀腺素含量上升,且振動(dòng)刺激頻率為125 Hz、200 Hz大黃魚(yú)的甲狀腺素顯著高于對(duì)照組(P<0.05)。

試驗(yàn)魚(yú)在125 Hz和200 Hz振動(dòng)條件下無(wú)異常行為反應(yīng)。具體分析如表1所示。

表1 大黃魚(yú)在1 h連續(xù)振動(dòng)刺激下的行為反應(yīng)Tab.1 Behavioral responses of Larimichthys crocea under 1 h continuous vibration stimulation

3 討論

3.1 低頻振動(dòng)對(duì)大黃魚(yú)行為的影響

Banner[17]使用標(biāo)準(zhǔn)地震探測(cè)器測(cè)量了聲學(xué)粒子振動(dòng),并證實(shí)了檸檬鯊(Negaprionbrevirostris)可感知聲粒子位移。 Lu等[18]使用自制振動(dòng)系統(tǒng)從-90°～90°方向?qū)︳~(yú)類粒子振動(dòng)行為感知閾值進(jìn)行了測(cè)量,并提出粒子振動(dòng)在魚(yú)類聽(tīng)覺(jué)測(cè)量中更精準(zhǔn)。而在本研究振動(dòng)刺激的行為試驗(yàn)中,未出現(xiàn)明顯的應(yīng)激行為反應(yīng)(即敲罟作業(yè)描述的行為現(xiàn)象),這主要是由于單一的激振器無(wú)法模擬上百艘漁船敲罟作業(yè)的方式,水下噪聲無(wú)法達(dá)到振暈大黃魚(yú)的量級(jí)。本試驗(yàn)使用的是250 g和500 g的大黃魚(yú)成魚(yú),而大黃魚(yú)成魚(yú)魚(yú)鰾已發(fā)育完全。因此,對(duì)聲壓表現(xiàn)更加敏感,對(duì)振動(dòng)刺激的敏感性較弱。另一方面原因可能是由于試驗(yàn)用水槽尺寸規(guī)格較小,大黃魚(yú)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)的趨避行為。

3.2 低頻振動(dòng)對(duì)大黃魚(yú)血液指標(biāo)的影響

魚(yú)的應(yīng)激由下丘腦-垂體-髓質(zhì)(HPI軸)控制[19]。魚(yú)的應(yīng)激主要表現(xiàn)為生理參數(shù)的波動(dòng),導(dǎo)致魚(yú)體內(nèi)外穩(wěn)態(tài)的變化。皮質(zhì)醇、腎上腺素、甲狀腺素和其他指標(biāo)被廣泛地用作魚(yú)類應(yīng)激指標(biāo),以評(píng)估魚(yú)類所面臨的各種環(huán)境和運(yùn)輸壓力[20-23]。

從振動(dòng)刺激試驗(yàn)結(jié)果可知,250 g試驗(yàn)組,125 Hz頻率條件下腎上腺素變化(增長(zhǎng)約40.93%)最為顯著(P<0.05);200 Hz頻率條件下甲狀腺素(增長(zhǎng)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(biāo)增長(zhǎng)均高于125 Hz頻率組,故認(rèn)為250 g大黃魚(yú)對(duì)200 Hz更為敏感;500 g試驗(yàn)組,125 Hz頻率條件下甲狀腺素(增長(zhǎng)約28.68%)變化最為顯著(P<0.05),其他項(xiàng)血液指標(biāo)均出現(xiàn)了下降等情況;200 Hz頻率條件下也是甲狀腺素(增長(zhǎng)約41.79%)變化最為顯著(P<0.05)且高于125 Hz頻率組,而其他項(xiàng)血液指標(biāo)在200 Hz頻率組則不同程度地出現(xiàn)增長(zhǎng)的情況,故認(rèn)為500 g大黃魚(yú)對(duì)200 Hz更為敏感。

綜合分析認(rèn)為,試驗(yàn)水槽的振動(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)線器官被大黃魚(yú)感受到并產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng),該現(xiàn)象與魚(yú)類在運(yùn)輸脅迫下的響應(yīng)相吻合[21,24-25]。

3.3 低頻振動(dòng)應(yīng)激對(duì)魚(yú)類肌肉品質(zhì)的影響

肌肉是動(dòng)物體內(nèi)最基本的物質(zhì),也是最大的能量和氨基酸儲(chǔ)備[26-27]。由于受到多種不利環(huán)境因素的干擾,以及運(yùn)輸和屠宰等因素的作用,動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),從而造成肌肉品質(zhì)下降,生長(zhǎng)遲緩,免疫力下降等現(xiàn)象[28]。當(dāng)受到脅迫因素的影響而發(fā)生應(yīng)激時(shí),其對(duì)應(yīng)激的響應(yīng)是通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)一些與之有關(guān)的物質(zhì)的代謝來(lái)影響其正常的生理狀況,從而導(dǎo)致魚(yú)體出現(xiàn)“亞健康”“疲倦”等現(xiàn)象,進(jìn)而影響其肉質(zhì)。從本次振動(dòng)刺激試驗(yàn)結(jié)果可知:除振動(dòng)頻率為125 Hz,500 g試驗(yàn)組以外,其他試驗(yàn)組腎上腺素、皮質(zhì)醇、甲狀腺素均出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)。處于應(yīng)激反應(yīng)狀態(tài)中,腎上腺分泌腎上腺激素,面對(duì)慢性而持續(xù)的刺激,腎上腺也會(huì)分泌皮質(zhì)醇,又稱為糖皮質(zhì)激素,能夠快速升高血糖,急性應(yīng)激下,魚(yú)體內(nèi)與葡萄糖代謝相關(guān)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(yú)的生命活動(dòng),這會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)無(wú)氧糖酵解、脂質(zhì)過(guò)氧化和其他反應(yīng)的增加。這時(shí),身體調(diào)動(dòng)與能量代謝相關(guān)的物理化學(xué)反應(yīng)來(lái)適應(yīng)壓力,導(dǎo)致代謝物大量堆積,從而導(dǎo)致肌肉質(zhì)量下降[27,31-32]。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)自制鋼制水槽及作動(dòng)器模擬養(yǎng)殖工船結(jié)構(gòu)聲能量的傳遞,并利用傳統(tǒng)敲罟作業(yè)捕撈大黃魚(yú)過(guò)程中的噪聲主頻率對(duì)大黃魚(yú)進(jìn)行振動(dòng)刺激試驗(yàn)。在振動(dòng)刺激條件下,250 g和500 g組的試驗(yàn)魚(yú)在120 Hz和200 Hz條件下生理生化指標(biāo)均變化顯著,從一定程度上解釋了漁船敲罟作業(yè)的工作原理。大黃魚(yú)行為上未出現(xiàn)明顯的應(yīng)激行為反應(yīng),主要是由于單一的作動(dòng)器無(wú)法模擬上百艘漁船敲罟作業(yè)的方式,水下噪聲無(wú)法達(dá)到振暈大黃魚(yú)的量級(jí);從應(yīng)激反應(yīng)生理生化指標(biāo)變化結(jié)果可知,250 g組和500 g組大黃魚(yú)均對(duì)200 Hz更為敏感,養(yǎng)殖工船的聲學(xué)控制過(guò)程中須特別注意此頻率下的控制效果。本研究?jī)H做了125 Hz、200 Hz頻率,今后將從不同魚(yú)體規(guī)格、振動(dòng)刺激頻率、養(yǎng)殖密度進(jìn)行試驗(yàn),為實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖工船內(nèi)水下噪聲定量控制,提升大黃魚(yú)的生長(zhǎng)率、存活率以及品質(zhì)提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。