循环水养殖系统（RAS）光周期操控对虹鳟生长的影响及其在RAS与半咸水网箱中的激素调控

《Aquaculture》：Effects of light period manipulation on rainbow trout growth and its hormonal control in RAS and brackish water cages

　　

研究人员探讨了两种不同的光照与投喂周期对虹鳟（Oncorhynchus mykiss）生长及其激素调控的影响；该虹鳟先在循环水养殖系统（RAS）中养殖，随后被转移至半咸水网箱。实验设计旨在确定在RAS中于不同光照与投喂周期下养殖的虹鳟，其生长和/或生长的激素调控是否存在差异，以及这些周期是否会影响半咸水网箱养殖阶段的生长和/或生长的激素调控。此外，研究人员还希望探究将鱼从RAS转移至半咸水网箱后光照条件的影响。为此，研究人员在RAS中设置LD24:0（连续光照与投喂）和LD18:6（18 h光照与投喂，6 h黑暗与禁食）两种处理，并在半咸水网箱养殖阶段将来自两种光照与投喂周期的鱼分别置于连续光照（CL，配置水下灯）和自然光照（NL）条件下。研究测定了生长参数，以及血浆生长激素（GH）、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、血管紧张素（VT）水平和鳃Na⁺/K⁺-ATP酶（NKA）活性。结果表明，光照与投喂周期未影响RAS中虹鳟的生长或生长的激素调控；LD18:6处理使网箱转移后血管紧张素水平升高；RAS中的光照与投喂周期对网箱养殖期间的生长无影响；水下灯促进了RAS养殖虹鳟在网箱养殖阶段的生长。

研究背景方面，水产养殖产量的提升途径之一是采用循环水养殖系统（recirculating aquaculture system，RAS）与海水网箱养殖相结合的模式。该模式通过增大RAS中鱼的规格以缩短海水网箱养殖期（16–27个月），从而降低逃逸、疾病与寄生虫等生物风险，并有助于规避越冬相关风险；同时，由于RAS具备废物收集与处理能力，扩大RAS生产比例还可减少营养盐排放。然而，从鱼类生理学角度看，RAS与开放海域是差异巨大的环境，这种差异可能对鱼适应新环境的能力构成挑战。

目前存在的问题主要有：RAS养殖中常用的连续光照与连续投喂有助于维持水质稳定，是保障RAS鱼类健康与生产性能的关键，且持续产生的鱼类代谢物使水处理系统无需按投喂高峰设计；但连续投喂并不符合海水网箱养殖的正常操作实践（每日仅投喂数次或一次），网箱光照也遵循自然昼夜与季节周期，与RAS截然不同。光照周期影响鱼类生理进而影响生长：在淡水流水系统中，较长光照期可改善虹鳟（Oncorhynchus mykiss）生长，因而被推荐用于虹鳟降海型幼鱼（smolt）生产；但在RAS中连续光照养殖的虹鳟转移至海水后曾被观察到生长问题，且支持连续光照适合诱导虹鳟smolt化的证据稀少。Morro等（2019）发现光照对淡水流水系统养殖虹鳟的海水适应无显著影响，并提示光照诱导虹鳟smolt化的效果不如其他鲑科鱼类；连续光照还被发现可引起虹鳟应激并损害其免疫系统。光照效应经光-脑-垂体轴介导：自然界中光照增加触发鲑科鱼类smolt化，继而升高血浆生长激素（growth hormone，GH）水平；GH通过刺激胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）的合成与分泌间接促进生长与海水适应，并增加鳃中Na⁺/K⁺-ATP酶（NKA）数量，而IGF-1提高NKA活性。但GH/IGF-1轴参与渗透压调节的程度受种间离子调控能力与策略差异影响。由于虹鳟在smolt化等过程上不同于研究较充分的鲑（Salmo salar），需针对虹鳟开展进一步研究。此外，血管紧张素（vasotocin，VT）——一种存在于非哺乳类脊椎动物、与哺乳类血管加压素和催产素同源的寡肽——也调控虹鳟的渗透压调节及昼夜与年节律；血浆VT水平随应激源升高，并在应激相关食欲丧失中起关键作用，因而VT是环境变化及其相关应激的良好指标。

基于上述背景，研究人员开展了本项研究，考察两种不同光照与投喂周期对先在RAS养殖、随后转移至半咸水网箱的虹鳟生长及其激素调控的影响，并进一步考察转移后网箱光照条件的作用。研究结论为：在RAS养殖期间，与连续光照和投喂相比，增加黑暗期和/或禁食并未对虹鳟所测生长指标或血浆激素水平产生负面影响；RAS养殖期间的连续光照和投喂似乎降低了网箱养殖期间的血浆VT水平（相较LD18:6处理）；然而，RAS养殖期间的光照与投喂周期对网箱养殖期间的生长或其他所测生理参数无影响；在网箱养殖期间，与自然光照条件相比，水下灯似乎刺激了虹鳟生长，但网箱养殖期间的光照条件未影响所测生理参数，故所观察响应背后的根本原因仍不清楚。未来研究可聚焦于昼夜节律相关激素、光照与投喂周期对食欲调控的影响以及半咸水网箱养殖中的转移相关应激。

研究方法方面，研究采用的关键技术方法包括：以芬兰国家标准虹鳟育种计划JALO品系全雌虹鳟为实验鱼（ eggs源自Natural Resources Institute Finland (Luke)，Laukaa，Finland），在Luke水产养殖研究基础设施（Laukaa）的8个RAS水箱中进行193天养殖实验，设置LD24:0与LD18:6两种光照与投喂处理，随后转移至波罗的海群岛海（Archipelago Sea）半咸水网箱（协作型海水养殖研究基础设施，Luke，Rym?ttyl?，Finland）养殖至2024年6月4日，网箱分设CL（水下灯）与NL（自然光）两类；于转移前一日和转移后一个月进行两次采样，测定体长、体重、去内脏重、肝重并计算特定生长率（SGR）、饲料转化率（FCR）、肥满度（CF）与肝体指数（HSI）；采用酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒测定血浆GH、IGF-1与VT水平，并测定红细胞压积（Hct）、血红蛋白（Hb）及鳃NKA活性；依据Noble等（2020）的13项个体福利指标进行标准化福利评分；统计分析使用RStudio，以水箱和网箱为实验单元计算最小二乘均值（LS-means），采用双因素方差分析（ANOVA）评估RAS与网箱光照条件及其交互作用，福利指标采用累积连接混合模型（CLMM）、广义线性混合效应模型（GLMM）等分析。

研究结果方面：第一，RAS养殖期。两种光照与投喂周期之间未观察到显著差异；但LD18:6组血浆GH水平（4.02 ± 0.63 ng ml^?1）几乎是LD24:0组（2.02 ± 0.63 ng ml^?1）的两倍，尽管差异不显著（p = 0.066）。福利指标中，鳃盖、脊柱畸形与鳞片脱落状态在两种光照周期间无显著差异；吻部伤口、颌畸形、眼、眼浑浊、皮肤出血与伤口等指标因数据变异不足无法检验。以最差鳍评估鳍状态时，两种光照周期间无显著差异；LD24:0组与LD18:6组中尾鳍被归为最差鳍的比例分别为64%和78%，且尾鳍显著比胸鳍、腹鳍和背鳍更常被归为最差鳍；光照周期对鳍损伤为已愈合或活动性无影响，两个周期中已愈合鳍损伤比例均显著高于活动性鳍损伤。第二，半咸水网箱养殖期。CL组水下灯显著提高增重（p = 0.004），而RAS养殖期光照与投喂周期及其与网箱光照条件的交互作用对增重均无显著影响；CL网箱SGR亦更高（p < 0.001），RAS光照周期与交互作用对SGR无显著影响，其他规格或生长相关参数未见显著差异。RAS光照与投喂周期对血浆VT水平呈临界显著影响（p = 0.050），网箱光照条件及交互作用对VT无显著影响；血液、血浆激素、鳃NKA活性及存活率等其他参数未见显著差异。福利指标中多数因变异不足无法检验；以最差鳍评估时，RAS光照与投喂周期、网箱光照条件及交互作用均未显著影响最差鳍比例，各处理组中尾鳍均显著更常被归为最差鳍；鳍损伤愈合状态不受RAS光照与投喂周期或网箱光照条件显著影响，但LD24:0来源鱼在CL网箱中的活动性鳍损伤发生率显著低于LD18:6来源鱼（p = 0.043），且两个RAS光照与投喂周期组从第一次到第二次采样活动性鳍损伤比例均显著增加。

讨论部分总结如下：研究发现，CL半咸水网箱中的水下灯对鱼生长具有显著正向影响，无论RAS光照周期处理如何，但RAS光照周期似乎影响鱼的激素状态。关于RAS养殖期的生长与激素调控，研究第一问题是不同光照与投喂周期下虹鳟的生长和/或激素调控是否存在差异，目的在于探究转移前操控光照周期能否使其为更自然条件做好准备。基于淡水流水系统研究显示延长光照期可提高虹鳟生长，研究者曾假设较长光照期亦促进淡水RAS中虹鳟生长，预期连续光照下GH与IGF-1水平更高，且因VT强烈抑制食欲而预期连续光照下VT水平更低。总体上养殖实验结果与文献报道值一致：SGR（2.21–2.22）、FCR（0.98–1.01）和CF（1.45–1.48）为该规格虹鳟的典型值。RAS养殖期间LD24:0与LD18:6之间未见生长显著差异；此前不同养殖系统中虹鳟不同光照周期的研究结果不一，淡水流水系统研究显示长光照期促进虹鳟生长，而Liu等（2026）发现硬头鳟（O. mykiss的溯河型）在海水RAS中LD18:6光照期下生长最佳；本研究结果与未观察到不同光照周期显著差异的淡水流水系统及RAS研究一致，原因可能是所采用6小时黑暗期过短，不足以显现差异，在观察到差异的研究中黑暗期持续8至24小时，故更长黑暗期（如8小时）或可使差异更明显，未来研究应设置多种光照周期以探究虹鳟在淡水RAS中生长的最佳条件。不过，采用此类黑暗期未损害鱼生长，且可能使其为自然周期条件做好准备，尽管这仍属未经检验的假设；黑暗期使GH水平几乎翻倍，差异接近统计显著，这可能是值得进一步研究的生物学趋势。通常血浆GH水平在smolt化与海水适应期间升高；尽管自然界中光照增加触发鲑科鱼类smolt化，但连续光照被发现通过干扰smolt化相关激素而阻止大西洋鲑smolt化完成，连续光照也可能通过干扰GH等smolt化相关激素影响虹鳟smolt化，故所观察趋势与Stefansson等（2007）结果一致，即暴露于自然光照期的大西洋鲑GH水平高于连续光照者。另一方面，禁食本身是强效的GH促分泌因素并减少IGF-1分泌；此外，血浆GH升高而IGF-1水平不变/降低且生长不变，提示限制性或间歇性能量摄入下存在肝脏GH抵抗，即营养驱动的GH/IGF-1轴解偶联。因此，LD18:6组6小时禁食也可能较LD24:0组升高血浆GH；此外采样前两日禁食可能消除了区分各处理的急性营养信号，故采样前禁食可能影响处理对GH水平的真实效应。但需注意这只是接近显著的差异，且当前实验设计无法区分光照与投喂周期对GH水平的影响。与假设相反，未观察到所应用光照与投喂周期间血浆IGF-1水平的显著差异，结果与Cui等（2022）一致，后者亦未观察到虹鳟不同光照周期间IGF-1水平显著差异；Stefansson等（2007）亦未观察到大西洋鲑IGF-1水平显著差异，但Taylor等（2005）发现LD18:6光照期提高虹鳟IGF-1水平，且IGF-1与SGR强相关。据此，由于未观察到生长差异，预期亦不会观察到IGF-1水平差异，VT水平同理：由于VT强烈抑制食欲且未观察到生长差异，预期血浆VT水平亦无差异。此外未观察到血Hct或Hb值显著差异，与Leonardi和Klempau（2003）一致，后者亦未观察到不同光照周期间红细胞计数差异。RAS中光照与投喂周期间鳃NKA活性亦无显著差异；Morro等（2019）观察到虹鳟NKA活性的季节变化，但不同光照周期间仅见微小差异，因而提示光照对虹鳟smolt化影响极小；另一方面，Cui等（2022）发现虹鳟生长与NKA活性正相关，提示鱼体规格与生长影响NKA活性，由于未观察到所应用光照周期间生长差异，预期NKA活性亦无差异。基于福利评分结果，鱼可被认为处于良好状态；尾鳍较其他鳍更常获得最差鳍状态，可能因尾鳍更易受机械损伤且不如其他鳍受保护，其他鱼的攻击（如咬、击、追逐）也可能针对尾鳍，且尾鳍持续运动并处于应激下，愈合无法跟上损伤速度；尽管已愈合鳍损伤比例高于活动性鳍损伤，仍应持续关注鳍损伤及其原因。总体上，在RAS光照周期中加入黑暗期未对鱼生长的激素调控或生长本身产生负面影响，但观察到生物学上有趣的趋势：加入黑暗期和/或在此期间禁食升高GH水平；然而需注意这只是轻微趋势而非统计显著（p = 0.066），且当前实验设计无法区分光照与投喂周期的效应。

关于RAS光照与投喂周期对半咸水网箱养殖期生长与激素调控的影响，研究第二问题是RAS中光照与投喂周期是否影响网箱中的生长和/或激素调控。此前研究表明，RAS中连续光照养殖的鲑科鱼类转移至半咸水或海水网箱后出现生长与性能问题，故研究者曾假设使RAS光照周期略微更自然将影响半咸水网箱养殖期的生长和/或激素调控。与预期相反，RAS中所应用的光照与投喂周期（LD24:0与LD18:6）未影响虹鳟在半咸水网箱养殖期的生长。与此前观察到RAS来源鱼转移至半咸水后甚至出现负生长的研究相反，两组鱼均能在网箱中开始生长；同样，Morro等（2019）发现虹鳟转移至海水后不同光照周期间生长差异很小，尽管其研究中14%的转移鱼表现出微小或生长受阻。在针对大西洋鲑的研究中，Ytrest?yl等（2023）观察到RAS中连续光照养殖的200 g鲑转移至海水后生长下降，相较接受冬季信号（winter signal）的鱼；但在较大鲑中，无论光照周期如何生长均下降，Montgomery等（2024，2025）关于连续光照与冬季信号对淡水RAS转移至海水RAS后大西洋鲑影响的研究亦获类似结果。根据本研究结果，此前研究中观察到的RAS养殖鱼生长受阻似乎并非源于光照条件，而可能受其他因素影响；群岛海盐度很低，意味着470 g虹鳟仅面临轻微渗透压调节挑战，故此前研究中观察到的生长受阻可能受更大渗透压调节挑战等因素影响，但生长受损和/或受阻很可能是多种环境因素共同作用的结果。未观察到RAS养殖中所应用光照与投喂周期对网箱养殖期血Hct的显著影响；相反，观察到血Hb的轻微趋势：RAS中连续光照与投喂似乎较LD18:6提高血Hb值，差异接近显著（p = 0.059）。连续光照节律下Hb略高的原因未知，但可能与应激反应或代谢增强有关，二者均需要更高携氧能力而由升高的Hb提供；该发现与此前表明连续光照对虹鳟具应激性及过度光照触发应激反应的研究一致，但需注意这只是趋势而非统计显著差异。未发现调控smolt化的GH与IGF-1水平或NKA活性的显著差异，可能因为鱼已在半咸水中一月，已完成smolt化；初始体重470 g的虹鳟转移至半咸水时亦不面临重大渗透压调节挑战，因群岛海盐度很低（5.7‰至6.2‰）；此外，这些同时参与生长调控的激素（GH与IGF-1）与本研究生长结果一致。RAS中所应用的连续光照与投喂似乎在网箱养殖期较LD18:6降低血浆VT水平。VT调控渗透压调节及昼夜与年节律，故VT水平对渗透变化敏感并对血浆渗透压变化作出反应；VT水平还呈现强烈昼夜变化，光照下升高而黑暗下降低；此外血浆VT水平随应激源升高。鉴于此，研究者曾预期连续光照与投喂会升高血浆VT水平，因此前研究表明RAS中连续光照养殖的鲑科鱼类转移至网箱后出现生长与性能问题；然而结果相反，原因未知，但VT在长期适应半咸水中亦起关键作用。与LD18:6处理（较高VT水平）养殖的鱼不同，RAS中连续光照与投喂（较低VT水平）养殖的鱼可能无法对半咸水的轻微渗透挑战激活正常的VT反应。由于所有用于VT分析的样品均在白天采集，结果不应受VT水平昼夜变化影响；但该结果应谨慎解读，因统计显著性处于临界水平（p = 0.05）。

关于网箱养殖期的生长与激素调控，研究第三也是最后一个问题是RAS转移至半咸水网箱后的光照条件是否影响网箱养殖期的生长和/或激素调控。研究发现连续额外光照增强海水网箱中的生长，故研究者曾假设转移至半咸水后CL网箱中的水下灯也会影响虹鳟生长和/或激素调控。CL网箱中的水下灯较自然光照（NL）显著提高RAS来源虹鳟在网箱养殖期的生长，CL网箱养殖的鱼增重也多于NL网箱，但未观察到初始或终末体重的显著差异；同样未检测到FCR显著差异，其潜在机制值得进一步研究。水下灯营造了人工但简单的环境，就夜间照明、光照分布与强度而言，光照条件较变化的自然光更稳定；此情形下环境更可预测，鱼无需对不断变化的光照条件作出反应。已有观察表明，对虹鳟而言光照分布均匀比光照强度更重要；CL网箱配水下灯时鱼也可能更容易发现饲料。然而，改善的生长并未反映在CL与NL组间所分析的血液参数（Hct与Hb）、激素水平（GH、IGF-1或VT）或NKA活性上，原因未知。尽管未观察到GH与IGF-1结果的显著差异，改善的生长仍可能与GH/IGF-1轴有关，但需通过研究主要靶组织中的GH信号传导加以验证。此外，研究者假设改善的生长与食欲之间可能存在联系，未来或值得研究不同光照条件对食欲调控因子如胃饥饿素（ghrelin）、神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）、瘦素（leptin）与胆囊收缩素（cholecystokinin，CCK）的影响。基于福利评分结果，尾鳍再次较其他鳍更常被归为最差鳍，原因可能与RAS养殖期相同；然而网箱养殖期活动性鳍损伤较已愈合鳍损伤更常见，此变化可能部分源于转移造成的机械刺激，此外半咸水微生物组不同于RAS环境，转移后鱼的社会等级亦发生变化，当鱼试图适应新环境时组织再生与伤口愈合未必处于优先地位，仍应重视鳍损伤及其原因。

未来展望方面，本实验仅聚焦血浆GH、IGF-1与VT水平，从一个侧面揭示光照与投喂周期如何影响虹鳟的激素调控。GH、IGF-1与VT分析采用商业化ELISA试剂盒，尽管GH测定法为鲑科鱼类开发、IGF-1与VT测定法为鱼类设计，但这些测定法对虹鳟的特异性无法完全验证；不过测定法产生了可测量的一致响应，观察到的模式与此前研究报告的发现一致。然而考察虹鳟VT水平的研究相对较少，限制了与既往工作的直接比较，凸显了进一步研究的必要性。研究者亦承认激素分析基于相对较少的实验单元，限制了研究的统计功效，故本研究仅能检测较大差异，所测生理变量无统计学显著差异不应被解读为无生物学效应的证据；研究目标在于理解该现象，故设置了多个处理与许多重复，因而无法对每个重复进行大量分析，未来可聚焦于单一激素和/或处理并在每组中进行更多分析。未来研究可进一步探究光照与投喂周期如何通过主要靶组织中的GH信号传导影响GH/IGF-1轴；由于操控光照周期影响鱼的昼夜节律，考察血浆褪黑素（melatonin）与5-羟色胺（serotonin）水平会很有意义；评估光照与投喂周期是否影响食欲及其调控因子（如ghrelin、NPY、leptin与CCK）亦有价值；由于鱼在养殖环境间转移可引起应激，应激与福利相关参数如血浆皮质醇（cortisol）、葡萄糖与乳酸水平值得进一步研究；此外，耗氧量与能量平衡也可加以研究。

研究结论部分翻译如下：在RAS养殖期间，与连续光照和投喂相比，增加黑暗期和/或禁食并未对虹鳟所测生长结果或血浆激素水平产生负面影响。RAS养殖期间的连续光照和投喂似乎在网箱养殖期间较LD18:6处理降低血浆VT水平。然而，RAS养殖期间的光照与投喂周期对网箱养殖期间的生长或其他所分析生理参数无影响。在网箱养殖期间，与自然光照条件相比，水下灯似乎刺激虹鳟生长。然而，网箱养殖期间的光照条件未影响所分析的生理参数。因此，所观察响应背后的根本原因仍不清楚。未来研究可聚焦于昼夜节律相关激素、光照与投喂周期对食欲调控的影响以及半咸水网箱养殖中的转移相关应激。