Acoustic stress responses in juvenile sea bass Dicentrarchus labrax induced by offshore pile driving

海水打樁引起的對于海域中歐洲鱸活動過程產(chǎn)生低音的這種聲應(yīng)激反應(yīng)

來源：Environmental Pollution,2016, 208 , 747-757

 

一、摘要概述

論文摘要指出，離岸風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)中的打樁活動產(chǎn)生的水下脈沖聲音是主要環(huán)境關(guān)切點。本研究通過四個原位實驗（距離打樁活動45米），評估了幼年歐洲海鱸魚（68日和115日齡）的聲學(xué)應(yīng)激反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，初級應(yīng)激反應(yīng)指標（如全身皮質(zhì)醇）因易受“處理操作”干擾而敏感性不足；而次級應(yīng)激反應(yīng)（如耗氧率和全身乳酸濃度）對打樁聲音響應(yīng)顯著——耗氧率降低，乳酸濃度偏低。重復(fù)暴露于脈沖聲音會加劇初級和次級應(yīng)激反應(yīng)。在實驗室條件下，處理30天后未觀察到三級應(yīng)激反應(yīng)（如特定生長率或Fulton條件因子變化）。然而，急性應(yīng)激反應(yīng)和野外潛在重復(fù)暴露必然導(dǎo)致野生魚類適應(yīng)性下降。

二、研究目的

本研究旨在通過原位實驗，確定離岸打樁活動產(chǎn)生的水下脈沖聲音是否被幼年海鱸魚視為聲學(xué)應(yīng)激源。具體目標包括：

 

量化打樁聲音引發(fā)的應(yīng)激反應(yīng)等級：初級（生化參數(shù)，如皮質(zhì)醇）、次級（生理參數(shù)，如耗氧和乳酸）和三級（長期生長和形態(tài)參數(shù)）。

評估重復(fù)暴露對應(yīng)激反應(yīng)的累積效應(yīng)。

 

為離岸風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)的聲學(xué)影響提供實證數(shù)據(jù)，支持環(huán)境政策制定（如歐盟海洋戰(zhàn)略框架指令）。

 

三、研究思路

研究采用多層次方法結(jié)合原位和實驗室實驗：

 

實驗設(shè)計：在打樁船（Neptune DP2）上進行四個原位實驗（兩次行程，各兩天）。設(shè)置三組處理：(1)實驗室控制組（無處理）、(2)原位控制組（僅處理和運輸）、(3)原位暴露組（額外暴露于打樁聲音45米處，持續(xù)1.5小時）。使用幼年海鱸魚（68日和115日齡）作為模型生物。

聲學(xué)監(jiān)測：使用水聽器記錄水下聲壓（環(huán)境噪聲和打樁脈沖），計算聲壓級（SPLz-p達210 dB re 1μPa）和聲暴露級（SELss 181-188 dB re 1μPa2s）。

參數(shù)測量：在暴露后立即采集樣本，分析：

 

初級反應(yīng)：全身皮質(zhì)醇（放射免疫分析法）。

次級反應(yīng)：耗氧率（使用Unisense氧微傳感器）、全身乳酸（酶學(xué)法）。

 

三級反應(yīng)：30天后的特定生長率（SGR）、Fulton條件因子（K）和骨骼變形（微CT掃描）。

 

統(tǒng)計分析：使用線性混合效應(yīng)模型比較處理組間差異，考慮年齡和實驗重復(fù)作為隨機效應(yīng)。

 

四、測量數(shù)據(jù)及研究意義

以下列出關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)，注明來源（圖或表），并以描述性列表解釋其研究意義。避免使用表格，僅引用文檔中出現(xiàn)的圖或表。

 

全身皮質(zhì)醇（初級應(yīng)激反應(yīng)，來自圖3A）

 

數(shù)據(jù)：圖3A顯示，實驗室控制組皮質(zhì)醇水平低（68日齡魚3.37±0.98 ng/g，115日齡魚5.51±4.16 ng/g），而原位處理組（控制組和暴露組）皮質(zhì)醇升高但無顯著差異（如實驗3暴露組88.3 ng/g vs. 控制組41.8 ng/g）。

 

研究意義：皮質(zhì)醇作為初級應(yīng)激指標易受處理操作干擾（如運輸），導(dǎo)致信號噪聲大。數(shù)據(jù)表明其可能不適用于原位實驗的敏感檢測，需更穩(wěn)健方法（如尾部皮質(zhì)醇測定）。

 

耗氧率（次級應(yīng)激反應(yīng)，使用丹麥Unisense電極測量，來自圖3B）

 

數(shù)據(jù)：圖3B顯示，暴露組耗氧率顯著降低（實驗1降低55%，實驗3降低49%），而原位控制組已因處理有所下降。耗氧率通過Unisense微傳感器（型號OX-25）原位測量，校正細菌呼吸。

 

研究意義：耗氧率降低表明代謝抑制，是聲學(xué)應(yīng)激的可靠次級指標。數(shù)據(jù)揭示打樁聲音引發(fā)“凍結(jié)”樣焦慮反應(yīng)，減少能量消耗以應(yīng)對應(yīng)激。這部分將在第六部分詳細解讀。

 

全身乳酸（次級應(yīng)激反應(yīng)，來自圖3C）

 

數(shù)據(jù)：圖3C僅對115日齡魚顯示數(shù)據(jù)，原位控制組乳酸水平顯著高于實驗室控制組，但暴露組乳酸更低（如實驗4暴露組低于控制組）。

 

研究意義：乳酸升高反映無氧代謝激活，但暴露組乳酸降低支持耗氧率結(jié)論——打樁聲音導(dǎo)致活動減少，乳酸積累下降。數(shù)據(jù)強化聲學(xué)應(yīng)激的生理一致性。

 

生長和條件因子（三級應(yīng)激反應(yīng)，來自圖3D和表2）

 

數(shù)據(jù)：圖3D和表2顯示，30天后特定生長率（SGR）和Fulton條件因子（K）在處理組間無顯著差異（如SGR約0.04-0.07%/天）。

 

研究意義：在實驗室優(yōu)化條件下，魚類能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，無長期生長影響。但野外重復(fù)暴露可能通過減少攝食和免疫抑制導(dǎo)致適應(yīng)性下降。

 

骨骼變形（來自圖4）

 

數(shù)據(jù)：圖4通過微CT掃描顯示，處理組魚骨骼無異常（箭頭指示耳石正常）。

 

研究意義：打樁聲音未引起物理損傷，與既往研究一致，強調(diào)生理應(yīng)激而非直接傷害主導(dǎo)。

 

五、結(jié)論

本研究得出以下結(jié)論：

 

急性應(yīng)激反應(yīng)顯著：打樁聲音（45米處）引發(fā)幼年海鱸魚次級應(yīng)激反應(yīng)，如耗氧率降低（代謝抑制）和乳酸變化，表明聲學(xué)應(yīng)激源激活焦慮樣行為。

初級指標局限性：全身皮質(zhì)醇因操作干擾不適合原位應(yīng)用，需開發(fā)更穩(wěn)健方法。

無長期影響：實驗室條件下，30天后生長和形態(tài)無變化，魚類能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

 

野外啟示：重復(fù)暴露可能導(dǎo)致適應(yīng)性降低（如易被捕食），支持對離岸活動聲學(xué)管理的需求。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

丹麥Unisense氧微傳感器（型號OX-25）是本研究的核心工具，用于原位測量耗氧率，其研究意義至關(guān)重要：

1. 技術(shù)原理與優(yōu)勢

 

原理：Unisense傳感器基于安培法，尖端內(nèi)嵌微型電解池，通過氧還原反應(yīng)（ORR）的極限電流與氧濃度成正比輸出信號（mV）。傳感器含“守護陰極”設(shè)計，減少背景干擾。

技術(shù)優(yōu)勢：

 

高時空分辨率：25μm尖端直徑允許侵入式測量水體微小變化，提供實時耗氧數(shù)據(jù)（采樣率10 Hz），克服傳統(tǒng)實驗室方法的延遲。

原位適用性：直接在打樁現(xiàn)場操作，避免樣本運輸誤差，反映真實環(huán)境響應(yīng)。

 

動態(tài)校準：通過細菌呼吸校正（扣除僅海水瓶耗氧），確保數(shù)據(jù)準確性（文檔2.3.1節(jié)）。

 

2. 數(shù)據(jù)意義與科學(xué)貢獻

 

代謝抑制量化：耗氧率降低（圖3B）是聲學(xué)應(yīng)激的關(guān)鍵證據(jù)。降低幅度（49-55%）表明打樁聲音引發(fā)“代謝抑郁”策略，魚類通過減少活動保存能量，類似捕食威脅下的凍結(jié)反應(yīng)。

應(yīng)激等級確認：作為次級應(yīng)激指標，耗氧率變化比皮質(zhì)醇更穩(wěn)定，直接關(guān)聯(lián)生理代謝。數(shù)據(jù)證實打樁聲音而非處理操作是主要應(yīng)激源（原位控制組耗氧率已部分降低，但暴露組進一步下降）。

 

行為推論：耗氧率降低暗示活動減少，可能影響野外覓食和避敵行為，支持聲學(xué)污染的行為生態(tài)學(xué)影響。

 

3. 對聲學(xué)應(yīng)激研究的推動

 

方法學(xué)創(chuàng)新：本研究是首次在原位打樁環(huán)境中使用Unisense傳感器量化魚類耗氧響應(yīng)，為水下噪聲影響提供直接生理證據(jù)。

政策啟示：數(shù)據(jù)支持設(shè)定聲暴露閾值（如SELss > 181 dB），用于離岸活動監(jiān)管。例如，耗氧抑制可作為聲學(xué)應(yīng)激的生物標志物，用于環(huán)境風(fēng)險評估。

 

比較研究：與既往實驗室研究（如Buscaino et al., 2010）一致，但原位數(shù)據(jù)更可靠，減少實驗室人為偏差。

 

4. 局限性與展望

 

局限性：傳感器可能輕微擾動水體，但通過重復(fù)實驗最小化。未來需結(jié)合粒子運動測量，全面評估聲學(xué)應(yīng)激。

 

應(yīng)用擴展：該技術(shù)可推廣至其他海洋生物（如無脊椎動物）或其他應(yīng)激源（如溫度變化），推動水下聲學(xué)生態(tài)學(xué)發(fā)展。

 

總之，Unisense電極數(shù)據(jù)不僅驗證了聲學(xué)應(yīng)激的生理基礎(chǔ)，還通過原位精度填補了野外數(shù)據(jù)空白，為可持續(xù)離岸開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。