野外魚類呼吸代謝測(cè)量及運(yùn)動(dòng)、行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：魚類 呼吸代謝 動(dòng)物行為 動(dòng)物遷徙 DST 生理監(jiān)測(cè) PIT標(biāo)簽

近日，多通道魚類間歇式呼吸測(cè)量系統(tǒng)被北密歇根大學(xué)Jill Leonard實(shí)驗(yàn)室的研究小組帶到了野外。他們的目標(biāo)是測(cè)量野生溪紅點(diǎn)鮭的靜止代謝率和大代謝率，從而評(píng)估其代謝水平以區(qū)分魚個(gè)體，并且對(duì)個(gè)體進(jìn)行PIT標(biāo)記研究其遷徙規(guī)律。

四通道魚類間歇式呼吸測(cè)量系統(tǒng)用于野生溪紅點(diǎn)鮭的呼吸代謝測(cè)量

Jill Leonard向我們?cè)敿?xì)介紹了研究小組所使用的設(shè)備：“野外測(cè)量獲得的呼吸代謝數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的相匹配，我們會(huì)拿這些數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)進(jìn)行比較。為了實(shí)現(xiàn)野外實(shí)地測(cè)量，這套呼吸測(cè)量系統(tǒng)采用了發(fā)電機(jī)供電。同時(shí)為了充分利用野外環(huán)境和獲取更為真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，我們用天然河水來測(cè)量和進(jìn)行溫度控制。在確定了個(gè)體的代謝水平并且據(jù)此對(duì)其歸類之后，溪紅點(diǎn)鮭將會(huì)被電子標(biāo)簽標(biāo)記，并放回河流中。我們之后會(huì)使用固定式和移動(dòng)式的天線終端監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)行為。”

Jill Leonard和野生溪紅點(diǎn)鮭

先前的研究已經(jīng)確定了魚類多種多樣的連續(xù)的運(yùn)動(dòng)策略，包括在特定地點(diǎn)定居、穿越整條河流洄游。Jill希望探究個(gè)體水平上的魚類運(yùn)動(dòng)行為和生理參數(shù)的相關(guān)性，以此來幫助解釋半洄游種群為什么會(huì)選擇不同的生活史策略。

北京易科泰提供完整的野外魚類呼吸代謝測(cè)量及運(yùn)動(dòng)、行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，讓您帶著“魚類實(shí)驗(yàn)室”去野外進(jìn)行調(diào)查和研究。該系統(tǒng)主要用于魚類行為、遷徙及生理學(xué)的綜合性研究，適合動(dòng)物生理學(xué)、動(dòng)物生態(tài)學(xué)、環(huán)境毒理學(xué)等領(lǐng)域。主要包括：

• 多通道魚類間歇式呼吸測(cè)量系統(tǒng)；
• 植入式動(dòng)物生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；
• 水生動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)。

• 多通道魚類間歇式呼吸測(cè)量系統(tǒng)

耗氧率是一個(gè)靈敏反映硬骨魚水下生活環(huán)境的變化的重要指標(biāo)（Turker，2011），因此耗氧率及其計(jì)算參數(shù)常常用來衡量環(huán)境變化（溫度、酸化、重金屬污染）對(duì)魚類的影響。利用耗氧率（MO2）計(jì)算得到的基礎(chǔ)代謝率（BMR）及維持基礎(chǔ)代謝的低環(huán)境氧氣分壓（Pcrit）是常用的指標(biāo)之一（Bilberg et al.，2010）。

采用間歇式呼吸測(cè)量技術(shù)獲得的鱸魚耗氧率曲線，水平虛線代表基礎(chǔ)代謝率BMR

自動(dòng)化的間歇式呼吸測(cè)量技術(shù)廣泛地用于水生生物生態(tài)學(xué)、水體環(huán)境毒理學(xué)等領(lǐng)域，其優(yōu)勢(shì)在于：一方面，該技術(shù)對(duì)耗氧率的測(cè)量能夠達(dá)到很高的時(shí)間分辨率。自動(dòng)化的魚類的呼吸監(jiān)測(cè)不僅能夠長達(dá)數(shù)小時(shí)、數(shù)天，而且能夠做到每十分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)就能得到魚類的耗氧率，因此能夠揭示呼吸的短期變化（Bilberg et al.，2010）。另一方面，該技術(shù)配套的環(huán)境控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種環(huán)境因子的調(diào)控，例如水體流速、CO2濃度（Melzner，et al., 2009）、pH、溫度等，從而能夠自動(dòng)化地模擬海水酸化、溫度升高等氣候變化。

 基于間歇式呼吸測(cè)量技術(shù)的游泳室，可調(diào)控水體流速進(jìn)行游泳測(cè)試

連續(xù)記錄大西洋鱈魚在游泳室適應(yīng)期的代謝率（A）；高CO2分壓下的代謝率和游泳速度的關(guān)系（B）

• 植入式動(dòng)物生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來魚類跟蹤相關(guān)的技術(shù)大量涌現(xiàn)。被動(dòng)式電子標(biāo)簽(Passive Integrated Transponder，PIT)和DST數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)（Data Storage Tag，DST）相比于其他傳統(tǒng)的魚類標(biāo)記和跟蹤技術(shù)，具有*的優(yōu)勢(shì)。

PIT標(biāo)簽是一個(gè)微小的包含特定編號(hào)的無線電應(yīng)答器，能夠賦予單個(gè)個(gè)體（魚類、兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物甚至巖石）一個(gè)*的字母數(shù)字識(shí)別號(hào)碼。標(biāo)簽的識(shí)別需要使用標(biāo)簽讀取器（Reader或者Scanner）：讀取器能夠發(fā)射射頻，當(dāng)標(biāo)簽處于讀取范圍內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽?zāi)軌虬炎R(shí)別號(hào)碼反饋給讀取器。被動(dòng)式電子標(biāo)簽并不需要電池，因此能夠大大縮小標(biāo)簽的體積用于微小組織，延長魚類等研究對(duì)象的壽命。

DST數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)（Data Storage Tag，DST）因其“小巧、高精度、生物相容性”等優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物監(jiān)測(cè)、動(dòng)物生理生態(tài)研究、藥理學(xué)研究、病理學(xué)研究、毒性實(shí)驗(yàn)、免疫學(xué)研究實(shí)驗(yàn)、能量代謝測(cè)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

DST記錄器通過縫合固定到大西洋鱈魚的腹鰭以小化標(biāo)簽的移動(dòng)，降低記錄誤差

無鉛的設(shè)計(jì)使得DST記錄器的植入對(duì)魚類的侵害降低到低且易于恢復(fù)。DST記錄器體積小、質(zhì)量輕，且能夠把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄在內(nèi)置存儲(chǔ)器里。數(shù)據(jù)獲取完畢可將其擦除重置繼續(xù)投入使用。

魚類植入式的DST記錄器能夠長期記錄體溫、心率和活動(dòng)等參數(shù)。三種類型的數(shù)據(jù)既可單獨(dú)使用，也可相互配合使用，又可分析三者的相關(guān)性。體溫記錄適用于無干擾地記錄研究周期內(nèi)魚類的核心體溫，活動(dòng)記錄的是相對(duì)于地球重力場的三個(gè)維度上的加速度，結(jié)合心率的數(shù)據(jù)，幫助研究者推斷研究對(duì)象在數(shù)月乃至數(shù)年內(nèi)的一系列生理活動(dòng)和變化，例如晝夜節(jié)律、冬眠模式、脅迫響應(yīng)、溫度調(diào)節(jié)等等。

• 水生動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)

在一定的環(huán)境脅迫下，動(dòng)物對(duì)外界環(huán)境變化進(jìn)行適應(yīng)首要體現(xiàn)在行為上。當(dāng)外界某一或多個(gè)環(huán)境因子發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)物能夠依靠行為調(diào)節(jié)機(jī)制保持體內(nèi)生理環(huán)境的穩(wěn)定，以快速適應(yīng)環(huán)境變化。所以，生物行為狀態(tài)的變化（由強(qiáng)至弱或由弱至強(qiáng)）通常被用作外界環(huán)境變化導(dǎo)致其死亡的早期診斷指標(biāo)。而水生動(dòng)物的行為變化也常常用于水質(zhì)的快速監(jiān)測(cè)預(yù)警（梁鴻等，2016）。

動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)由動(dòng)物行為分析軟件、動(dòng)物活動(dòng)室/池、攝像頭等組成，通過數(shù)碼攝像頭錄制數(shù)碼視頻，并通過軟件在計(jì)算機(jī)上根據(jù)反差法（彩色或黑白）原理對(duì)視頻中的目標(biāo)動(dòng)物進(jìn)行行為分析。

動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)的組成和原理；追蹤分析24孔板里的斑馬魚行為

通過動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)能夠獲得諸如動(dòng)物活動(dòng)時(shí)間與非活動(dòng)時(shí)間、活動(dòng)速度、加速度、轉(zhuǎn)彎率、在某一區(qū)域的逗留時(shí)間和訪問次數(shù)等行為學(xué)的數(shù)據(jù)。這些行為學(xué)的參數(shù)能夠很敏感地反映環(huán)境水體的變化，尤其是污染物（C. Ferrario et al.，2018）。

不同濃度的殺蟲劑毒死蜱（CPF）對(duì)大型溞游泳行為的影響

因此，動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)在野外實(shí)地調(diào)查和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。又如，根據(jù)鹵蟲無節(jié)幼蟲的行為追蹤和分析，動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)配合定制的微流控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的快速監(jiān)測(cè)（Huang Y，et al.，2016）。

動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)和微流控芯片組成的水質(zhì)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

主要參考文獻(xiàn)

Bilberg K, Malte H, Wang T, et al. Silver nanoparticles and silver nitrate cause respiratory stress in Eurasian perch (Perca fluviatilis).[J]. Aquatic Toxicology, 2010, 96(2):159-165.

Ferrario C, Parolini M, De Felice B, et al. Linking sub-individual and supra-individual effects in Daphnia magna exposed to sub-lethal concentration of chlorpyrifos[J]. Environmental Pollution, 2018, 235: 411-418.

Huang Y, Nigam A, Campana O, et al. Miniaturized video-microscopy system for near real-time water quality biomonitoring using microfluidic chip-based devices[C]// SPIE BioPhotonics Australasia. 2016:100131R.

Melzner F, Göbel S, Langenbuch M, et al. Swimming performance in Atlantic Cod (Gadus morhua) following long-term (4-12 months) acclimation to elevated seawater PCO2.[J]. Aquatic Toxicology, 2009, 92(1):30.

Turker H. The effect of water temperature on standard and routine metabolic rate in two different sizes of Nile tilapia.[J]. Kafkas Universitesi Veteriner Fakultesi Dergisi, 2011, 17(4):575-580.