Evaluation of Damage Caused by Fish Pump Based on Principal Component Analysis

Shan Jianjun; Guan Chongwu; Song Hongqiao; Liu Shijing; Hong Yang; Zhuang Baolu

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0044

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2021, Vol. 37 ›› Issue (29) : 140-145. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0044

Evaluation of Damage Caused by Fish Pump Based on Principal Component Analysis

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Abstract

To provide technical parameters for the research and improvement of fish pump, the damage comprehensive evaluation method of vacuum fish pump was established by means of Principal Component Analysis (PCA). Experiments on Carassius auratus were carried out by vacuum fish pump to obtain fish body damage data. A comprehensive injury evaluation model was established by measuring the injured surface area ratio, 24-hour survival rate, red blood cell number, white blood cell number, superoxide dismutase activity, alanine aminotransferase activity and creatinine content. The results showed that the cumulative contribution rate of three principal components extracted by PCA was 78.232%, which could represent most of the fish damage. The comprehensive evaluation model of fish damage by vacuum fish pump was F=0.285X₁+0.111X₂+0.316X₃+0.366X₄-0.118X₅+0.234X₆. There was no significant damage to the surface and viscera of fish by vacuum fish pump, and the comprehensive score was -0.102, which was close to that of the control group, indicating that the damage effect of vacuum fish pump on fish was very small. The results of experiments show that SOD activity, white blood cell count and body surface damage area ratio are the data indexes that have great influence on damage evaluation. The comprehensive damage evaluation model established by PCA can be used as a feasible method to evaluate the damage of fish, which provides a powerful reference for the improvement of fish suction pump.

Key words

vacuum fish pump / Carassius auratus / damage assessment / principal component analysis / comprehensive evaluation model

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Shan Jianjun , Guan Chongwu , Song Hongqiao , Liu Shijing , Hong Yang , Zhuang Baolu. Evaluation of Damage Caused by Fish Pump Based on Principal Component Analysis. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2021, 37(29): 140-145 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0044

0 引言

2019年,中国水产品总量达到6480.36万t^[1],随着水产养殖行业的快速发展,在鱼类的换池、分级、放养、起捕等过程中,活鱼的捕捞成为重要环节^[2]。吸鱼泵具有机械化程度高、起鱼效率高、劳动强度低、操作人员少等优点成为解决问题的关键^[2,3]。降低鱼体损伤率是国内外关于吸鱼泵的研究重点之一^[2]。刘平等^[4]对离心式吸鱼泵的叶轮结构采用CFturbo进行优化设计;徐茂森等^[5]对射流式吸鱼泵的喉管与喷嘴截面积比进行优化;加拿大CanaVac公司采用特种阀门防止鱼体体表损伤^[6];美国ETI公司采用柔性吸口和出口进行无损吸捕^[7];挪威MMC Tendos公司通过一种压差的形式替代了传统斗式泵以避免鱼被叶片刮伤^[8],诸多研究主要从泵体结构和操作方式等方面进行优化,但尚无学者开展吸鱼泵损伤综合评价方面的研究。目前关于损伤评价方面主要采用单指标分析法,Long等^[9]研究了射流式吸鱼泵对鲫鱼的鱼鳔破损率和肝脏损伤情况进行分析;徐茂森等^[10,11]研究了射流式吸鱼泵对草鱼的呼吸频率和部分血液指标的影响,吴宁等^[12]研究了射流式吸鱼泵对草鱼的应激胁迫和组织损伤。单指标分析法属于确定性方法,具有操作比较简便,是各种综合评价方法的根本,但评价结果偏于概况,仅反映最差因子状况^[13]。吸鱼泵对鱼损伤影响因素比较多,损伤指标的评价上也存在许多不确定因素。有采用肉眼观察^[14]、测量尺检测及图像摄影技术^[15]等方式进行体表损伤评价,有采用解剖镜检法和抽血检测血液指标进行内部脏器损伤评价,对损伤指标的选择存在一定程度的随意性,也存在一定的冗余问题。因此,需要建立一种综合的损伤评价模型,对指标进行客观筛选。主成分分析法是一种同时对多变量进行降维、简化、定量分析的方法^[16],本研究将在前人的研究基础上,采用此方法对吸鱼泵的损伤进行相对客观的评价,依据评价因子的贡献率进行赋值分析,避免了主观性。

本研究为了提高吸鱼泵对鱼损伤评价的客观性和公正性,采用主成分分析法对损伤指标进行综合分析,建立损伤综合评价模型,并以鲫鱼(Carassius auratus)为例,选用单罐真空吸鱼泵进行鲫鱼的吸捕试验,验证模型的准确性,为后续的真空式吸鱼泵研发和损伤评价奠定良好基础。

1 材料与方法

1.1 损伤评价综合模型构建

鱼类在经过吸鱼泵时可能会受到机械损伤和压力损伤,可能会导致鳞片脱落、鳍条受损、鱼鳔破裂、肝脏肾脏受损、鱼游动平衡破坏等后果^[10]。这些损伤表征现象相互独立但又互有联系,需要采用数学分析结合每种测定方法,才能确切反映其真实损伤情况。目前,对损伤情况通常采用单指标分析法,逐一对比每个指标的高低,这种方式虽然比较简单明了,但不能充分反映出吸鱼泵对鱼的综合损伤情况。近几年主成分分析法作为一种多元统计分析方法,在水体富营养化分析评价^[17,18]、养殖品种品质评价^[19]方面获得了一些成果,为了客观评价吸鱼泵对鱼的损伤情况,揭示不同损伤指标在整体损伤评价中影响大小,采用主成分分析法构建损伤综合评价模型。

主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)就是一种利用降维思想,通过对原始数据变量相关系数矩阵或协方差矩阵相关关系的研究,从众多原始变量中找出几个综合性强的变量来替代原始变量,新的综合变量之间不仅互不相关,而且保留了原始变量的绝大部分信息,最终实现降维目的,使问题得到最佳综合^[20]。参照黄鸾玉等^[16,17]描述方法,按主成分分析法步骤,计算推导出损伤评价主成分的表达式,其计算方法见公式(1)。

F_{i} = a_{i 1} X_{1} + a_{i 2} X_{2} + \dots + a_{ip} X_{p}

,(i=1,2,…,p)

(1)

式中,F_i为第i个主成分的损伤评价得分;a_i₁、a_i₂、…、a_ip为前i个特征根对应的特征向量;X₁、X₂、…、X_p为预处理后各损伤评价指标的样本向量。

利用方差贡献率为权重,对i个主成分得分进行加权综合,取得损伤综合评价表达式,其计算方法见公式(2)。

\begin{array}{l} F = \frac{λ_{1}}{λ_{1} + λ_{2} + \dots + λ_{k}} F_{1} + \frac{λ_{2}}{λ_{1} + λ_{2} + \dots + λ_{i}} F_{2} + \\ \dots + \frac{λ_{i}}{λ_{1} + λ_{2} + \dots + λ_{i}} F_{i} \end{array}

(2)

式中,F为综合损伤评价得分;λ₁、λ₂、…、λ_i为第1、2、…、i个主成分的方差;F₁、F₂、…、F_i为第1、2、…、i个主成分的损伤评价得分。

通过公式(2)建立一个关于吸鱼泵损伤综合评价模型,将试验取得原始数据按上述方法应用统计分析软件SPSS计算分析,可得到损伤综合主成分值F,根据F值大小进行损伤程度综合对比排序。

1.2 真空式吸鱼泵损伤试验的试验用鱼和试验装置

选用鲫鱼为试验对象,取自中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所渔业装备与工程中试基地,选用体质健壮、活力旺盛的鱼苗进行,试验用鱼体长为(18.03±1.38)cm、体质量为(144.40±34.71)g。将鱼分别放置在4个水体约2 m³的玻璃钢鱼池暂养3天,每个鱼池平均放置40尾鱼,暂养期内不投喂,保持连续充气和水体循环,溶氧保持在7.0~7.5 mg/L,温度保持在23~24℃。

选用单罐真空吸鱼泵进行试验,该吸鱼泵的罐体直径600 mm,长1100 mm,单次可吸鱼水混合物0.3 m³,如图1所示。罐体的出口端装有一个拍门,该拍门外侧为不锈钢板,内侧夹有一层硅胶垫。当吸鱼泵处于吸气工况时,拍门在大气压以及罐体负压的作用下紧贴罐体的出口,以保证罐体的密封。当进行排水工况时,拍门打开,鱼水在罐体出口流出。

图1 单罐真空吸鱼泵模型

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1.3 真空式吸鱼泵损伤试验的试验设计和试验方法

根据表1,将各试验组对应鱼池内的鱼短时间内将鱼池内的鱼重复抽吸不同次数,达到设置3组不同程度鱼的损伤效果以进行试验对比。在开始试验时鱼池内用围网将鱼固定在相对较小的空间内,在按试验设计用泵将鱼重复抽吸数次后,按要求挑选6尾鱼进行拍照计算体表损伤程度,然后抽血进行相关生理指标检测;对照组则不经过吸鱼泵,在鱼池里随机捞取6尾鱼进行拍照和抽血检测;剩余的鱼分别放置于分隔好的鱼池内,观察鱼在池内活动状态和1天后的存活率。

表1 试验分组条件

组别	重复经吸鱼泵次数	备注
A组	1次	随机选取
B组	2次	选取损伤程度较高的鱼
C组	5次	选取损伤程度较高的鱼
对照组	0次	随机选取

在试验后根据表1选取不同损伤程度的鱼,将鱼放入含有丁香酚（2-甲氧-4-丙烯基酚）的水中,待鱼麻醉后取出在鱼尾静脉处取血,采用上海源叶生物科技有限公司的红细胞稀释液和白细胞稀释液进行红细胞和白细胞计数;将血液离心后取血清,采用南京建成生物研究所的试剂盒检测SOD活力、ALT活力和Cr含量。

除了上述血液指标外,还对鱼体表鳞片脱落、碰伤撞伤等情况进行统计,通过将麻醉后的鱼放置在手机固定支架上,固定位置和放大倍数进行拍照,拍照后通过鱼类损伤面积计数软件进行鱼体表面积统计和损伤面积统计,鱼体表损伤面积比以损伤面积与体表总面积的比值计。

1.4 数据处理

所有试验数据以平均值±标准差(Mean±SD)表示,组间比较采用单因素方差分析和LSD检验,以P<0.05为差异显著,使用Excel软件应用统计分析软件SPSS 20.0进行主成分分析及数据处理。

2 结果与分析

2.1 损伤指标变化情况

各试验组和对照组关于损伤指标的检测结果如表2所示,A组鱼的体表损伤率与对照组无显著差异,C组显著高于其他组,表明短时重复进入吸鱼泵对鱼的体表有较明显损伤情况发生。各试验组和对照组在试验后暂养24 h后,无死鱼情况发生存活率为100%,且在暂养期未发现鱼有异常游动状态,并在暂养时间达到后进行鱼体解剖,也未发现有明显的鱼鳔破裂和内脏受损情况。

表2 试验组和对照组的损伤指标变化情况

组别	体表损伤面积比/%	红细胞数/（×10¹¹个/L）	白细胞数/（×10⁹个/L）	SOD活力/(U/mL)	ALT活力/(U/L)	Cr含量/(μmol/L)	存活率/%
A组	0.78±0.24c	16.25±4.62a	5.33±1.06b	258.53±27.25ab	1.72±0.47b	46.39±11.46a	100
B组	1.59±0.42b	14.83±1.24ab	6.96±2.83ab	285.75±23.06a	1.87±0.47b	42.38±15.60a	100
C组	4.10±1.13a	11.23±2.53b	12.17±4.69a	247.92±57.24ab	2.01±0.54b	40.28±7.91a	100
对照组	0.51±0.30c	13.68±3.36ab	7.73±2.66ab	222.79±38.76b	3.35±1.35a	52.45±16.90a	100

注：同列数据上标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

红细胞数和白细胞数各试验组与对照组无显著差异,但随着重复进入吸鱼泵次数的增加,鱼血液中白细胞显明显上升趋势,白细胞是鱼类体内一种能吞噬异物、具有免疫和自我保护能力的物质,C组显著高于A组,表明多次抽吸造成对鱼有应激影响,导致白细胞数量快速增多。SOD活力反映鱼体内自由基含量与其对组织的损害程度,ALT活力和Cr含量分别是表征肝脏损伤和肾脏损伤的指标,在本试验中,3个指标在3个试验组间均无显著差异,表明真空泵吸鱼泵的吸抽对于鱼的内脏无明显损伤影响。

2.2 损伤的主成分分析和综合评价

从体表损伤、肝脏损伤、肾脏损伤、应激响应等几个方面出发,选用体表损伤面积比、红细胞计数、白细胞计数、SOD活力、ALT活力、Cr含量6个关于鱼体损伤的指标,采用主成分分析法进行损伤主影响因子选择及分类。首先通过KMO检验和Bartlett球形检验可做因子分析,提取特征值≥1的3个主成分,即k值为3,其特征值分别为2.080、1.527、1.087,各个主成分的方差贡献率分别为34.659%、25.451%和18.122%,累积方差贡献率是78.232%（表3）。

表3 解决的总方差

成份	初始特征值			提取平方和载入
成份	合计	方差/%	累积/%	合计	方差/%	累积/%
F₁	2.080	34.659	34.659	2.080	34.659	34.659
F₂	1.527	25.451	60.110	1.527	25.451	60.110
F₃	1.087	18.122	78.232	1.087	18.122	78.232
F₄	0.607	10.115	88.347	-	-	-
F₅	0.542	9.029	97.376	-	-	-
F₆	0.157	2.624	100.000	-	-	-

每个主成分都可以由体表损伤面积比、红细胞计数、白细胞计数、SOD活力、ALT活力、Cr含量这6个指标的线性组合构成一个固定的表达式来体现,且每个主成分只有少数几个指标的载荷量较大,载荷量越大的指标,与主成分的相关性越强。从表4可以看出,第一主成分F₁的贡献率为34.659%,体表损伤面积比和白细胞数的载荷量均在0.840以上,说明第一主成分与这2个指标有着很强的相关性;第二主成分F₂的贡献率为25.451%,ALT活力和SOD活力的载荷量在0.699以上,说明第二主成分主要反映这2个指标的信息;第三主成分F₃的贡献率为18.122%,与其关联的主要是肌酐含量。将表4的成分矩阵数值除以相应特征根的开方根,求出主成分的系数矩阵。系数矩阵每一列代表一个特征向量,作为预处理后的变量线性组合的系数。根据公式(1)可得到各主成分的表达式：

F₁=0.618X₁-0.298X₂+0.583X₃+0.167X₄-0.055X₅-0.399X₆

F₂=0.015X₁+0.495X₂-0.116X₃+0.565X₄-0.620X₅-0.193X₆

F₃=0.026X₁+0.353X₂+0.418X₃+0.464X₄+0.466X₅+0.518X₆

根据公式(2),结合上式计算取得关于损伤的主成分综合模型：F=0.443 F₁+0.325 F₂+0.232 F₃,即F=0.285X₁+0.111X₂+0.316X₃+0.366X₄-0.118X₅+0.234X₆。

表4 主成分载荷矩阵

相关系数	成份
相关系数	F₁	F₂	F₃
体表损伤面积比(X₁)	0.891	0.019	0.027
红细胞数RBC(X₂)	-0.429	0.611	0.369
白细胞数WBC(X₃)	0.840	-0.144	0.435
SOD活力(X₄)	0.241	0.699	0.484
ALT活力(X₅)	-0.079	-0.766	0.486
Cr含量(X₆)	-0.575	-0.239	0.540

根据主成分综合模型即可计算综合主成分值,并对其按综合主成分值进行排序,即可对各试验组鱼的损伤情况进行评价,综合得分越高则损伤程度越高,结果见表5。从表5可以看出C组的损伤情况最严重,这与原试验设计的要求结果相符。

表5 综合得分及排序

组别	综合得分	排序
对照组	-0.477	4
A组	-0.102	3
B组	0.302	2
C组	0.755	1

3 讨论

3.1 主成分分析法的应用

在解决实际问题和研究中,经常会对研究对象尽可能收集更多的信息,以期对问题有一个全面综合的认识,但是由于理论发展和应用技术的限制,过多变量无法在处理和分析中发挥作用,大量信息反而成了分析和解决问题的障碍,为解决这一问题应采用主成分分析^[21]。随着渔业技术研究和应用的发展和深入,主成分分析法在渔业研究和应用中占有一定地位^[22]。已经有多位学者应用该方法进行养殖区水质^[23]、底质改良机运行效果^[24]等方面进行综合评价,取得不错的应用效果。在传统吸鱼泵的损伤评价中通常采用单指标分析法,即逐一对比每个指标的高低,分析过程简单,但仅考虑评价对象单个指标含量的变化,不能充分反映其综合指标的变化情况^[16]。在本研究中,采用主成分分析法筛选影响损伤评价的重要因子,从鱼体体表损伤面积比、内部脏器损伤评价指标、生理应激反应指标等方面展开吸鱼泵对鱼体的损伤情况评价研究,利用各指标间的相关关系,去除重叠信息,在确保原始指标信息量丢失最小的原则下,将原始指标缩减成简化成3个反映原始指标大部分信息的主成分综合因子,这3个主成分综合因子累计贡献率达到78.232%,可以代表原始损伤指标的大部分信息,综合得分也很好的反应了损伤评价的排序等级。表明主成分分析法作为吸鱼泵对鱼的损伤评价方法是可行的,既避免主观因素的影响,又提高了数据分析效率。

3.2 吸鱼泵的损伤评价及损伤指标的选择

吸鱼泵的种类繁多,真空式吸鱼泵是吸鱼设备中较为理想的一种设备^[25],其基本原理是通过运用罐体内的负压环境对鱼体进行抽吸,但若控制不好负压将还是会对鱼体产生不可逆转的损伤^[2]。开发出结构、性能优异的吸鱼泵以提高鱼类的无损伤率及存活率是当前研究的热点^[2],在本试验中,A组经单次抽吸,鱼体表的损伤面积比为(0.78±0.24)%,对鱼体的体表损伤低于射流式吸鱼泵^[5,10,12]。在试验结束后24 h内,没有鱼表现出游泳异常和死亡现象,解剖也未发现组织或鱼鳔损伤,存活率均达到100%,表明真空式吸鱼泵对鱼的表观损伤影响较小。

鱼类的血液反映了鱼类机体非特异性免疫和特异性免疫机能的变化,相关参数是诊断疾病和评价健康状况的重要指标^[26]。其中白细胞的主要作用是保护机体,抵御病害的侵袭,在出现炎症或损伤时,数量会有显著变化^[27],在本试验中随着重复经吸鱼泵次数的增加,鱼体表的损伤面积比增加,鱼血液中白细胞数量也呈上升趋势,C组显著高于A组,其原因可能是多次抽吸对鱼产生应激反应,刺激鱼体免疫机能在短时间内增强,造成数量快速升高。SOD活力高低变化可指示鱼受应激水平^[28,29],在本研究中,各试验组SOD活力均高于对照组,其中B组显著高于对照组,表明经吸鱼泵抽吸后,鱼体对抗氧自由基的能力有所提高,负压的应激造成鱼机体产生过多的氧自由基并引起氧化损伤,SOD活力的升高可消除过多的自由基,以减轻氧化应激对机体的损伤,其活力的升高是对自由基积累的响应^[30,31],表明吸鱼泵的抽吸操作对鱼有一定的氧化应激。ALT活力是指标肝功能损伤的血液学指标^[12],徐茂森等^[5]采用鲫鱼在通过射流式吸鱼泵后ALT活力持续增加,对鲫鱼肝脏造成较严重的损伤。在本研究中,各试验组的ALT活力均低于对照组,表明吸鱼泵的抽吸操作并没对鱼的肝组织造成影响。Cr含量是肌酸通过不可逆的非酶脱水反应形成的代谢产物,被释放到血液中,再通过肾随尿排泄^[5]。因此,Cr含量常作为判别肾功能好坏的一项指标^[30,32],本研究中各试验组和对照组均无显著差异,这与徐茂森等^[5]研究规律相符,表明真空吸鱼泵对鲫鱼的肾脏无损伤影响,Cr含量指标对于损伤评价意义不大。

4 结论

真空式吸鱼泵在正常抽吸情况下对鱼的损伤情况与对照组无显著差异,采用本研究的主成分分析法构建其损伤评价综合评价模型：F =0.285X₁+0.111X₂+0.316X₃+0.366X₄-0.118X₅+0.234X₆,正常抽吸条件下鱼的损伤综合得分为-0.102,与对照组得分较为接近,表明其对鱼的损伤程度较低;连续5次抽吸条件下鱼的损伤综合得分为0.755,显著高于对照组,表明连续抽吸对鱼造成较大的损伤影响,该损伤综合评价模型为后续吸鱼泵的改进研究提供有力参考。

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Received	Revised	Published
2021-01-15	2021-06-22	2021-10-15
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2021-10-29

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