厚頜魴幼魚的胃排空特征及其數(shù)學(xué)模型研究

曲煥韜，廖建新，代 偉，劉 勇，魯雪報(bào)，楊元金

( 1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司 中華鱘研究所，三峽工程魚類資源保護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443100； 2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610041 )

胃排空率是指魚類攝食后食物從胃中排出的速率[1]，同攝食率和消化吸收率一樣，是反映魚類消化生理功能的重要參數(shù)[2-3]，可作為評(píng)價(jià)魚類消化功能及食物可消化性的重要指標(biāo)[4-5]。魚類在攝食后能否將胃中食物迅速消化并排入腸道進(jìn)一步消化吸收將顯著影響魚類的生長(zhǎng)發(fā)育[6]。針對(duì)魚類胃排空率的研究主要集中在生理生態(tài)學(xué)和健康養(yǎng)殖學(xué)兩個(gè)方面。其中，生理生態(tài)學(xué)方面主要是將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的胃排空率與野外自然種群胃含物特征相結(jié)合，用來(lái)研究魚類在自然生境中日攝食量、攝食周期頻率以及生態(tài)轉(zhuǎn)換效率等一系列生態(tài)學(xué)問(wèn)題，目前這種估算方法已被生態(tài)工作者廣泛采用[7-8]。而在魚類健康養(yǎng)殖方面，可利用胃排空率開(kāi)展人工配合飼料開(kāi)發(fā)、餌料轉(zhuǎn)換率以及投喂策略等相關(guān)研究[9-11]。在魚類消化過(guò)程中，胃排空狀況與食欲恢復(fù)密切相關(guān)，在魚類食欲恢復(fù)時(shí)投喂飼料能使攝食率最大化，從而增加生產(chǎn)效益[12]。因此，研究胃排空率可以得到特定養(yǎng)殖條件下魚類食欲恢復(fù)時(shí)間，為養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中制定合理投喂策略提供科學(xué)依據(jù)。

厚頜魴(Megalobramapellegrini)，屬鯉形目、鯉科、鲌亞科、魴屬，其自然資源主要分布于長(zhǎng)江上游干流及部分支流。厚頜魴屬定居性魚類，產(chǎn)黏性卵，是長(zhǎng)江上游特有魚類之一，也是魴屬中唯一分布在長(zhǎng)江上游地區(qū)的物種[13]。近年來(lái)，由于棲息地環(huán)境變遷、水質(zhì)環(huán)境污染以及過(guò)度捕撈等原因，其野生資源量顯著下降，分布范圍趨于狹窄。在三峽工程及金沙江干流下游梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)生態(tài)補(bǔ)償工作中，已明確將厚頜魴列為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，其資源保護(hù)與增殖問(wèn)題也日益得到重視。目前，關(guān)于厚頜魴的研究多集中于自然資源[13]、人工繁育[14-16]和環(huán)境生態(tài)因子的毒理效應(yīng)[17-20]等方面，而有關(guān)厚頜魴幼魚攝食和消化生理等方面的研究相對(duì)較少[21-22]。因此，筆者以厚頜魴幼魚為研究對(duì)象，測(cè)定魚體攝食后不同時(shí)間胃內(nèi)容物質(zhì)量變化，并利用線性模型、指數(shù)模型和平方根模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，確定胃排空最優(yōu)數(shù)學(xué)模型及胃排空理論時(shí)間，得到最適投喂間隔時(shí)間，從而為人工養(yǎng)殖過(guò)程中科學(xué)投喂策略的制定提供參考依據(jù)，并豐富厚頜魴基礎(chǔ)生物學(xué)研究資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)魚來(lái)源與馴化

試驗(yàn)于2019年3月上旬在金沙江溪洛渡向家壩水電站珍稀特有魚類增殖放流站開(kāi)展，試驗(yàn)所用厚頜魴幼魚為放流站通過(guò)人工繁殖、培育獲得。馴化期間，暫養(yǎng)在載水量約3.0 m3玻纖缸培育池中，采用流水培育模式，養(yǎng)殖水日交換約6～7次，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均在厚頜魴生長(zhǎng)發(fā)育適宜范圍內(nèi)，其中，溶解氧≥6 mg/L，氨氮<0.05 mg/L，亞硝態(tài)氮<0.03 mg/L。每日分別于9:00和16:00飽食投喂配合飼料，馴養(yǎng)7 d后正式開(kāi)始試驗(yàn)。所用配合飼料為通威-152膨化配合飼料(粗蛋白36%、粗脂肪4%、水分10%)，粒徑為2.0 mm。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

挑選體質(zhì)健壯、活力較好的厚頜魴幼魚300 尾，平均體質(zhì)量(38.17±2.45) g，平均體長(zhǎng)(12.8±0.43) cm。將試驗(yàn)魚平均分配到12個(gè)200 L的圓形養(yǎng)殖桶內(nèi)，每桶25 尾，采用流水養(yǎng)殖模式，日交換6～7次，保持水體溶解氧≥6 mg/L，試驗(yàn)水溫(15.0±0.3) ℃。試驗(yàn)開(kāi)始前2 d停止投喂，饑餓結(jié)束后從每個(gè)試驗(yàn)桶中取3尾魚進(jìn)行解剖，確保胃內(nèi)容物徹底排空。試驗(yàn)正式開(kāi)始時(shí)，用人工配合飼料通威-152膨化配合飼料一次性飽食投喂，30 min后清除殘餌。同時(shí)，從1號(hào)試驗(yàn)桶隨機(jī)挑取10尾試驗(yàn)魚，用于分析飽食狀態(tài)下厚頜魴幼魚攝食總量。此后，分別于攝食后的2、4、6、8、12、16、20、24 h依次從2號(hào)～9號(hào)試驗(yàn)桶各取10尾魚，解剖測(cè)定特定時(shí)間胃內(nèi)容物濕質(zhì)量，具體取樣及胃內(nèi)容物濕質(zhì)量測(cè)定參照文獻(xiàn)[23-24]的方法：

P/%=m0/m1×100%

式中，P代表特定取樣時(shí)間胃內(nèi)容物總量占總攝食量的百分比，m0代表特定取樣時(shí)刻胃內(nèi)容物的質(zhì)量，m1代表厚頜魴幼魚在飽食狀態(tài)下的總攝食量。

1.3 數(shù)學(xué)模型

采用線性模型、指數(shù)模型以及平方根模型分別對(duì)胃內(nèi)容物進(jìn)行擬合[21]：

線性模型：y=A-Bt；指數(shù)模型：y=Ae-Bt；平方根模型：y0.5=A-Bt

式中，y為瞬時(shí)胃內(nèi)殘余飼料濕質(zhì)量，B為瞬時(shí)胃排空率，t為攝食后的時(shí)間(h)，A為常數(shù)。

通過(guò)比較各擬合模型的相關(guān)系數(shù)、殘差平方和以及殘差的標(biāo)準(zhǔn)差篩選確定厚頜魴幼魚最佳的胃排空模型[23]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有數(shù)值均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。SAS 9.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，顯著水平設(shè)定為0.05。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得相關(guān)模型參數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 厚頜魴幼魚胃排空時(shí)間和排空率

在水溫(15.0±0.3) ℃條件下，厚頜魴幼魚最大攝食量為體質(zhì)量的(2.28±0.11)%(圖1，表1)。隨著攝食時(shí)間延長(zhǎng)，胃內(nèi)容物濕質(zhì)量及濕質(zhì)量百分比均呈現(xiàn)出顯著減少的階段性變化特征，且二者的同步性較好；攝食后0～4 h之間，胃內(nèi)容物濕質(zhì)量呈顯著性下降趨勢(shì)(P<0.05)，攝食后第4 h胃內(nèi)容物濕質(zhì)量百分比為65.98%，消化處理的食物量已超過(guò)攝食總量的1/3。攝食后4～12 h，消化進(jìn)程趨于減緩，各取樣時(shí)間點(diǎn)胃含物濕質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)；攝食后約8 h，胃排空率基本可達(dá)到50%；攝食后12～20 h，胃內(nèi)容物濕質(zhì)量進(jìn)一步顯著降低(P<0.05)，攝食后約24 h，胃內(nèi)容物徹底排空。

2.2 厚頜魴幼魚胃排空率的最適模型擬合

分別采用線性模型、指數(shù)模型以及平方根模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果顯示，3種數(shù)學(xué)模型均能較好地?cái)M合厚頜魴幼魚的胃排空過(guò)程(表2)。以相關(guān)系數(shù)r2為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，平方根模型>線性模型>指數(shù)模型。進(jìn)一步比較各模型的殘差平方和和殘差標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)，平方根模型的殘差平方和和殘差標(biāo)準(zhǔn)差均略低于線性模型。綜合r2、殘差平方和以及殘差標(biāo)準(zhǔn)差的評(píng)價(jià)結(jié)果，平方根模型是描述厚頜魴幼魚胃排空規(guī)律的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型，其方程式為y0.5=0.951-0.036t(r2=0.899，P<0.001)。根據(jù)平方根模型模擬得到厚頜魴幼魚在(15.0±0.3) ℃條件下胃排空率為0.036 g/h，50%、80%和99%胃排空的理論時(shí)間分別為8.10、14.83 h和23.83 h。

圖1 厚頜魴幼魚胃排空變化Fig.1 Change in gastric evacuation of juvenile M. pellegrini

表1 厚頜魴幼魚攝食量及胃內(nèi)容物濕質(zhì)量變化情況

表2 厚頜魴幼魚胃內(nèi)容物濕重量變化規(guī)律的3種數(shù)學(xué)模型比較

3 討 論

3.1 厚頜魴幼魚胃排空特征分析

通過(guò)研究魚類的胃排空時(shí)間可以估算魚體攝食率、能量代謝和日攝食情況。而胃排空時(shí)間受到水溫、魚的種類、魚體大小和飼料組成的影響[25-27]。在本試驗(yàn)條件下，厚頜魴幼魚胃內(nèi)容物的質(zhì)量在0～4 h內(nèi)顯著下降，而在4～12 h胃排空速度明顯放緩，24 h后胃內(nèi)容物基本排空。表明食物在魚體胃中消化后內(nèi)容物迅速進(jìn)入小腸，隨后排空率顯著下降，屬于固有的、內(nèi)在的胃排空方式。此種胃排空方式常見(jiàn)于在自然環(huán)境中以浮游動(dòng)植物等微小生物為攝食對(duì)象的魚類中[7]。且相關(guān)報(bào)道表明，厚頜魴在幼魚階段主要以浮游動(dòng)物為食，其中以橈足類為主[28]。其消化道前端為短的狹窄食道，前腸膨大，伸縮性較強(qiáng)，有粗的膽管與其相通，腸絨毛粗大，形成紋狀皺褶，并可分泌大量黏液，消化能力強(qiáng)[28]。因此，消化道結(jié)構(gòu)特征也使得食物在厚頜魴幼魚體內(nèi)能夠快速被消化吸收，與本試驗(yàn)觀察到的胃排空方式相吻合。同樣，在其他一些魚類如玉筋魚(Ammodytespersonatus)[7]、日本下魚(Hyporhamphussajori)[7]中也發(fā)現(xiàn)了與厚頜魴類似的胃排空方式。此外，魚類中存在另外2種常見(jiàn)的胃排空方式。黑鯛(Acanthopagrusschlegelii)[1]等肉食性魚類，胃內(nèi)容物含量隨攝食時(shí)間延長(zhǎng)呈直線下降趨勢(shì)。在大多數(shù)具有發(fā)達(dá)胃結(jié)構(gòu)的肉食性魚類中均呈現(xiàn)出此類的胃排空方式，其在自然條件下的攝食對(duì)象也以其他魚類為主。而某些雜食性魚類胃排空時(shí)初始階段速度較慢或者延滯，隨后進(jìn)入快速排空階段，而最后再次進(jìn)入緩慢排空階段。此種胃排空方式在俄羅斯鱘(Acipensergueldenstaedtii)[24]、南方鲇(Silurusmeridionalis)[23]以及日本黃姑魚(Argyrosomusjaponicus)[9]中有相應(yīng)發(fā)現(xiàn)。因此，魚類的胃腸道結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過(guò)程中形成的攝食習(xí)性是影響胃排空時(shí)間的主要內(nèi)因。未來(lái)有必要研究厚頜魴在不同溫度、不同飼料來(lái)源下胃排空的時(shí)間，有助于進(jìn)一步了解其對(duì)食物的消化特征。

3.2 厚頜魴幼魚最適胃排空模型分析

建立符合研究魚類胃排空特征的最佳數(shù)學(xué)模型，有助于進(jìn)一步了解其食欲恢復(fù)程度，在養(yǎng)殖生產(chǎn)中可以為確定飼料投喂量、最佳投喂頻率等提供科學(xué)依據(jù)。然而由于不同魚類胃排空特征存在較大差異，因此在表達(dá)方式和模型選擇上具有較大差異。用來(lái)描述胃排空特征的數(shù)學(xué)模型多達(dá)10余個(gè)，但以線性模型、指數(shù)模型和平方根模型應(yīng)用最為普遍[1,7-11]。表3總結(jié)了常見(jiàn)魚類胃排空的最佳數(shù)學(xué)模型。其中巖原鯉(Procyprisrabaudi)[29]、玉筋魚[7]以及日本鳀(Engraulisjaponicus)[8]等中小型魚類是以指數(shù)模型方式排空胃內(nèi)容物；部分大型肉食性魚類如許氏平鲉(Sebastesschlegelii)[30]、黑鯛[1]以及眼斑擬石首魚(Sciaenopsocellatus)[31]等通常是以線性模型方式進(jìn)行胃內(nèi)容物排空；而平方根模型適用于南方鲇[23]、俄羅斯鱘[24]、鲇魚(Silurusasotus)[32]、施氏鱘(Acipenserschrenckii)[33]以及綠鰭?cǎi)R面鲀(Thamnaconusseptentrionalis)[34]的胃排空特征。本試驗(yàn)中，在(15.0±0.3) ℃養(yǎng)殖條件下，以濕質(zhì)量作為胃內(nèi)容物的表達(dá)方式，厚頜魴幼魚胃排空的最優(yōu)模型為平方根模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為y0.5=0.951-0.036t(r2=0.899，P<0.001)。已有研究表明，濕質(zhì)量百分比和干質(zhì)量百分比是胃內(nèi)容物的常見(jiàn)表達(dá)方式[21]。但在最優(yōu)數(shù)學(xué)模型的擬合上呈現(xiàn)出不同的結(jié)果。日本黃姑魚[9]和南方鲇[23]等魚類上的研究發(fā)現(xiàn)，胃內(nèi)容物干質(zhì)量百分比擬合結(jié)果要稍優(yōu)于濕質(zhì)量百分比，在鲇魚等[32]魚類上的研究表明，胃內(nèi)容物濕質(zhì)量百分比擬合結(jié)果要稍優(yōu)于干質(zhì)量百分比。但是，無(wú)論哪種胃內(nèi)容物以哪種方式表述得到的最佳擬合數(shù)學(xué)模型均一致。而與干質(zhì)量相比，濕質(zhì)量在一定程度上能夠減少烘干及稱量過(guò)程造成的誤差，因此本試驗(yàn)采用濕質(zhì)量進(jìn)行表述。

表3 不同魚類胃排空最適模型

3.3 厚頜魴幼魚胃排空與投喂策略分析

魚類胃排空速度和程度與食欲恢復(fù)密切相關(guān)，通過(guò)分析胃排空進(jìn)程可以間接為魚類養(yǎng)殖過(guò)程中投喂策略的制定提供科學(xué)依據(jù)[10-11]。一般認(rèn)為，胃內(nèi)殘留物為零或胃內(nèi)容物完全排空時(shí)魚類食欲完全恢復(fù)，即食欲恢復(fù)的極限點(diǎn)[11]。Grove等[35]對(duì)虹鱒(Oncorhynchusmykiss)胃內(nèi)容物排空與食欲關(guān)系的研究表明，胃內(nèi)容物排出超過(guò)50%后，其食欲恢復(fù)也超過(guò)50%。Riche等[36]認(rèn)為，類似尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)這種胃容量較小的魚類，80%的胃排空時(shí)間點(diǎn)可以作為其投喂后食欲基本恢復(fù)的時(shí)間。在本試驗(yàn)中，按照最優(yōu)的平方根模型測(cè)算，厚頜魴幼魚在(15.0±0.3) ℃條件下，50%和80%胃排空理論時(shí)間分別為飽食投喂后8.1 h和14.83 h。據(jù)此測(cè)算，在本試驗(yàn)條件下，厚頜魴幼魚的餌料投喂頻率以2次/d為宜。關(guān)于投喂頻率對(duì)厚頜魴幼魚生長(zhǎng)性能、日糧利用率、消化生理指標(biāo)以及機(jī)體免疫指標(biāo)的具體影響仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

綜上所述，在本試驗(yàn)條件下[(15.0±0.3) ℃]，體質(zhì)量(38.17±2.45) g厚頜魴幼魚胃內(nèi)容物濕質(zhì)量擬合結(jié)果以平方根模型最佳，并根據(jù)此模型得到其胃排空率為0.036 g/h，而80%理論胃排空時(shí)間為14.83 h，并由此推測(cè)2次/d是厚頜魴幼魚的最適投喂頻率。因此，本試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)楹耦M魴幼魚養(yǎng)殖過(guò)程中有效提高攝食量、減少飼料浪費(fèi)以及促進(jìn)飼料轉(zhuǎn)化提供理論依據(jù)，具有一定實(shí)際意義。