जलीय कॉपर की तीव्र जोखिम के जवाब में मछली तैराकी व्यवहार बढ़ाता कंप्यूटर असिस्टेड वीडियो और डिजिटल छवि विश्लेषण का उपयोग
Summary
मापने मछली व्यवहार पर पर्यावरण contaminants के प्रभावों अक्सर व्यक्तिपरक और विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण जब sublethal समापन के साथ काम कर रहा है। हम दौरान और तांबे के विभिन्न सांद्रता के 96 घंटा के तीव्र जोखिम के बाद प्रारंभिक जीवन में मंच सफेद स्टर्जन (Acipenser transmontanus) की तैराकी व्यवहार यों करने के लिए वीडियो प्रौद्योगिकी सहित विधियों का वर्णन।
Abstract
Behavioral responses of aquatic organisms to environmental contaminants can be precursors of other effects such as survival, growth, or reproduction. However, these responses may be subtle, and measurement can be challenging. Using juvenile white sturgeon (Acipenser transmontanus) with copper exposures, this paper illustrates techniques used for quantifying behavioral responses using computer assisted video and digital image analysis. In previous studies severe impairments in swimming behavior were observed among early life stage white sturgeon during acute and chronic exposures to copper. Sturgeon behavior was rapidly impaired and to the extent that survival in the field would be jeopardized, as fish would be swept downstream, or readily captured by predators. The objectives of this investigation were to illustrate protocols to quantify swimming activity during a series of acute copper exposures to determine time to effect during early lifestage development, and to understand the significance of these responses relative to survival of these vulnerable early lifestage fish. With mortality being on a time continuum, determining when copper first affects swimming ability helps us to understand the implications for population level effects. The techniques used are readily adaptable to experimental designs with other organisms and stressors.
Introduction
समझ कैसे दूषित पदार्थों को जोखिम व्यवहार को प्रभावित कर सकते हैं कई बार बहुत चुनौतीपूर्ण और व्यक्तिपरक है। व्यवहार आम तौर पर खुला, नमूदार, पूरे शरीर गतिविधियों है कि केंद्रीय तंत्रिका तंत्र के माध्यम से काम करते हैं और जीवित रहने के बढ़ने, और पुन: पेश करने के लिए एक जीव सक्षम की एक श्रृंखला के रूप में परिभाषित किया गया है। एक विषैला के लिए जोखिम के कारण व्यवहार में परिवर्तन जब अस्तित्व 1 की तुलना में पर्यावरण के तनाव के बीच अक्सर 10-100 गुना अधिक संवेदनशील के सबसे संवेदनशील संकेतक शामिल हैं। इन अध्ययनों के बहुमत तैराकी जांच की गतिविधि, वेंटिलेशन, और मछली 2,3,4 के व्यवहार foraging। तैराकी गतिविधि के सबसे अक्सर इस्तेमाल किया विषाक्तता परीक्षण 5 में एक प्रदूषक के जवाब में एक व्यवहार परिवर्तन का निर्धारण करने में sublethal समापन बिंदु है। तैराकी चर पानी कॉलम में आवृत्ति और कूच किया आंदोलन, गति और दूरी की अवधि, आवृत्ति और मुड़ता के कोण, स्थिति और तैराकी के पैटर्न शामिल हैं। तैराकी गतिविधि हैतैराकी व्यवहार का एक कारगर उपाय है जब एक विषैला मानदंड जलीय विष विज्ञान की पुस्तक बुनियादी बातों में रेंड 6 से 9 अध्याय में प्रस्तावित के आधार पर करने के लिए संवेदनशीलता का आकलन।
इस पत्र में कैसे प्रारंभिक विकास के विभिन्न चरणों में प्रारंभिक जीवन में मंच सफेद स्टर्जन के लिए तांबे की विषाक्तता (Acipenser transmontanus) पानी ही रिश्तेदार जोखिम STURGEON को तैराकी व्यवहार मूल्यांकन किया गया था का एक उदाहरण के रूप में एक विषाक्तता अध्ययन प्रस्तुत करता है और तैराकी बढ़ाता के लिए तरीकों को दिखाता है व्यवहार।
पिछले अध्ययनों में, प्रतिकूल व्यवहार प्रतिक्रियाओं तांबे के तीव्र और जीर्ण जोखिम के पहले कुछ दिनों के दौरान जल्दी शुरू होने के साथ स्पष्ट किया गया है और लोगों तक पहुंचाने की अवधि और एकाग्रता 7,8,9 भर में उत्तरोत्तर अधिक गंभीर हो गया। परिमाण और इन व्यवहार प्रतिक्रियाओं के शुरू होने के समय को लंबे समय तक जीवित रहने की संभावना सीमित करने के लिए पर्याप्त हैं और इस तरह recrui के लिए निहितार्थ दिया चिंता का विषय हैंtment विफलता 10। आदेश में सही धातु जोखिम तरीकों और प्रक्रियाओं को यह संवेदनशीलता के महत्व की व्याख्या करने में समय जरूर और तांबे की सांद्रता के सापेक्ष व्यवहार दोष की हद तक बढ़ाता के लिए विकसित किए गए।
व्यवहार समारोह और विकास के लिए टेस्ट प्रोटोकॉल जोखिम कक्षों में समुद्री मछली की भूमि के ऊपर वीडियो नमूने का विश्लेषण करके स्थापित किए गए थे। वीडियो नमूने जोखिम अवधि के दौरान तांबे के उपचार के बीच विकास और समारोह के गुणात्मक मूल्यांकन प्रदान की है। व्यवहार और आश्रय की मांग गतिविधि जलीय तांबा सांद्रता के लिए जोखिम के दौरान मूल्यांकन किया गया, समय का निर्धारण करने के लिए लागू करने के लिए और शरण की मांग, सुस्ती प्रभावित करता है, स्विमिंग समन्वय, संतुलन, और श्वसन हानि के अस्थायी अनुक्रम को चिह्नित करने के लिए। इसके अलावा, वीडियो रिकॉर्डिंग प्रत्येक से subsampled स्टर्जन के बने थे मात्रात्मक दस्तावेजीकरण सहज तैराकी acti के प्रयोजन के लिए दोहरानेvity। इन समापन अवधि के उपायों शामिल है या समय चलती बिताया, स्विमिंग गति और दूरी एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध डिजिटल छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग कर कूच 5,11। इस सॉफ्टवेयर को देखने का एक क्षेत्र के भीतर प्रत्येक छवि की रूपरेखा को परिभाषित करता है और इस से, प्रत्येक छवि के लिए केन्द्रक को परिभाषित करता है। सॉफ्टवेयर तो फ्रेम उत्तराधिकार द्वारा एक फ्रेम में प्रत्येक केन्द्रक की स्थिति पर नज़र रखने के आंदोलन के रास्तों का निर्धारण कर सकते हैं।
पशु कल्याण अधिनियम के नियमों (9 सीएफआर) के अंतिम नियमों के लागू सभी वर्गों के साथ और संस्कृति और प्रयोग के दौरान परीक्षण जीवों के साथ मानवीय व्यवहार के लिए सभी संस्थागत दिशा निर्देशों का पालन किया इस अध्ययन। अध्ययन की समाप्ति पर, सभी मछली उचित दिशा निर्देशों के रूप में अमेरिकी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण के लिए संस्थागत पशु की देखभाल और उपयोग समिति, कोलंबिया पर्यावरण अनुसंधान केंद्र द्वारा अनुमोदित के अनुसार euthanized थे।
Protocol
Representative Results
Discussion
एक contaminant के लिए जोखिम के कारण व्यवहार में परिवर्तन अक्सर उप घातक विषाक्तता के लिए एक समापन बिंदु के रूप में उपयोग किया जाता है, लेकिन मापने के लिए मुश्किल हो सकता है। आम तौर पर, व्यवहार प्रतिक्रियाओं दृश्य टिप्पणियों और मैन्युअल डेटा विश्लेषण जो प्रक्रिया के लिए समय की बहुत आवश्यकता से मापा जाता है। हालांकि प्रौद्योगिकी आगे बढ़ने के साथ, बढ़ाता तैराकी गतिविधि के लिए तरीकों की वीडियोग्राफी 18 और गति विश्लेषण या डिजिटल ट्रैकिंग सॉफ्टवेयर है जो प्रोसेसिंग और विश्लेषण समय कम कर देता का उपयोग करने पर जोर दिया है। वीडियो के विश्लेषण के दौरान डेटा पर कब्जा कर लिया, तैराकी चर इतनी लेने वाली वीडियो डेटा रिकॉर्डिंग और समुद्री मछली तैराकी व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए एक अधिक प्रभावी और कुशल तरीके से प्रदान की मछली ट्रैकिंग सॉफ्टवेयर के उपयोग के लिए मैन्युअल रूप से बहुत समय हो गया होता बढ़ाता। हालांकि प्रक्रिया एक मछली के व्यवहार तैराकी, इस तरह के उभयचर और जलीय अकशेरुकी सरल संशोधनों की आवश्यकता होगी के रूप में अन्य जीवों के लिए अनुरूपण पर प्रकाश डाला। क्या व्यवहार पर निर्भर करता है endpoinटीएस संबोधित किया जा रहा है, प्रयोगात्मक डिजाइन और कैमरा सिस्टम किसी भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ट्रैकिंग सॉफ्टवेयर पैकेज के साथ बस के बारे में उपयोग के लिए विकसित किया जा सकता है।
विधि भंग तांबे का उपयोग कर प्रदर्शन किया है, लेकिन अन्य जलीय contaminants या तापमान या ऑक्सीजन सामग्री के रूप में इस तरह के लक्षण के लिए लागू है। प्रोटोकॉल विकसित की है और इस अखबार में प्रस्तुत रिकॉर्डिंग डिवाइस के रूप में एक साधारण डिजिटल वीडियो कैमरा का उपयोग किया। डिजिटल फाइलों को आसानी से एक कंप्यूटर को हस्तांतरित और गति विश्लेषण करने के लिए सॉफ्टवेयर में अपलोड कर रहे हैं। तरीकों लगातार संशोधित और मात्रा का ठहराव प्रक्रिया को कारगर बनाने के लिए परिष्कृत किया जा रहा है। यह आवश्यक है कि वीडियो की गुणवत्ता विश्लेषण सॉफ्टवेयर पर नज़र रखने के लिए प्रत्येक व्यक्ति मछली की पहचान करने के लिए आदेश में उच्च परिभाषा में होना है। किसी भी पृष्ठभूमि है कि मछली के साथ इसके विपरीत नहीं है जब डेटा फाइलों पर कार्रवाई करने की कोशिश कर समस्या पैदा हो जाएगी। दो आयामी वीडियो ट्रैकिंग के साथ एक अन्य आम समस्या की पहचान व्यक्तियों हैजब तैराकी रास्ते को पार। यह रास्ता पार करने के दौरान प्रत्येक मछली की पहचान करने और सॉफ्टवेयर के भीतर पथ क्षेत्रों को जोड़ने के द्वारा मैन्युअल रूप से सुधारा जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, कुल गतिविधि एक समूह के औसत के रूप में प्रत्येक को दोहराने के चैम्बर से निर्धारित किया जा सकता है। एक मछली युक्त हर एक के साथ कई अलग-अलग कक्षों व्यक्ति मछली के आंदोलनों की गणना करने के लिए देखने का एक ही क्षेत्र में फिल्माया जा सकता है।
वर्तमान में हम जोखिम कक्षों कि एक उच्च परिभाषा डिजिटल वीडियो रिकॉर्डिंग डिवाइस (एचडी-डीवीआर) से जुड़े होते हैं उपरोक्त भूमि के ऊपर निगरानी कैमरों की एक श्रृंखला का उपयोग करने के लिए उन्नत किया है। हालांकि, कि उच्च परिभाषा एमपीईजी -4 वीडियो रिकॉर्ड कर सकते हैं किसी भी कैमरे प्रणाली के उपयोग के लिए काम करेंगे। HD-DVR एक निर्दिष्ट समय में रिकॉर्ड करने के लिए सेट और ऊपर से 7 दिनों के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। यह हाथ से बंद स्वचालित दृष्टिकोण एक ही समय बाहरी गड़बड़ी जो मछली व्यवहार समझौता कर सकता है जबकि कम से कम स्थिरता बनाए रखने के लिए पर कई वीडियो का कब्जा अनुमति देता है। HD-DVR systeएमएस एक आंतरिक नेटवर्क से जुड़े हुए हैं इसलिए फाइल के हस्तांतरण अपेक्षाकृत सरल है। जबकि स्वचालित कैमरा प्रणाली तैराकी व्यवहार बढ़ाता के लिए एक बहुत सुधार तकनीक है, यह अभी भी दृश्य टिप्पणियों का संचालन करने के लिए विषाक्तता परीक्षण के दौरान व्यवहार हानि दस्तावेजीकरण करने के लिए समर्थन के रूप में अतिरिक्त जानकारी की सेवा के लिए फायदेमंद है।
वहाँ साहित्य दस्तावेजीकरण बदल मछली व्यवहार 1960 के दशक में वापस डेटिंग 19,20,21 धातुओं के लिए जोखिम से उत्पन्न करने का एक लंबा इतिहास है। कॉपर ऐसे bluegill 22 में hypoactivity के रूप में गतिविधि के स्तर में परिवर्तन का कारण दिखाया गया है (Lepomis macrochirus rafinesque) और हरकत में परिवर्तन और ब्रुक ट्राउट 23 की गतिविधि खिला (Salvelinus fontinalis)। कम से कम कुछ किशोर मछली का पता लगाने और शिकारियों से बचने, और तांबे प्रेरित chemosensory अभाव का पता लगाने अलार्म रसायन 24,25,26 से संबंधित व्यवहार को प्रभावित कर सकता करने के लिए गंध की उनकी भावना पर भरोसा </sup>। घ्राण उपकला जिससे संवेदी तंत्र है जो भटकाव, व्यवहार परिहार, कम भोजन और किसी भी अन्य व्यवहार कि महक 27 द्वारा निर्देशित कर रहे हैं में हो सकता है प्रभावित करने वाले तांबे के जोखिम के कारण क्षतिग्रस्त है। ये बदल व्यवहार क्या जोखिम के दौरान देखा गया था के साथ संगत कर रहे थे।
सफेद स्टर्जन की तैराकी व्यवहार बहुत जलीय तांबा सांद्रता .. ये परिणाम वर्णन कैसे व्यवहार तांबे का sublethal सांद्रता में प्रभावित है और विषाक्त तनाव का एक संकेतक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है sublethal प्रदर्शन के दौरान प्रभावित हुआ। वीडियो आधारित विश्लेषण तैराकी व्यवहार बढ़ाता में प्रभावी साबित कर दिया है और यह भी प्रकार की समुद्री मछली पर गंभीर प्रभाव डालता है तांबे के संपर्क में गुणात्मक दृश्य प्रलेखन के रूप में कार्य किया। विश्लेषण सॉफ्टवेयर भी अन्य विभिन्न व्यवहार समापन बढ़ाता करने में सक्षम है। एक सूची के लिए 1 टेबल देखें। जोखिम प्रणाली में प्रत्येक समापन बिंदु को संबोधित करने के लिए संशोधित किया जा सकता हैवास्तविक समय मोड और चिंता के विभिन्न contaminants के लिए जोखिम के साथ जुड़े व्यवहार में अंतर यों इस्तेमाल किया जा सकता है।
जलीय विषाक्तता अनुसंधान में व्यवहार समापन का उपयोग तेजी से कार्यरत है और जब contaminants के प्रभावों का मूल्यांकन क्योंकि अनुकूली व्यवहार समारोह पर्यावरण चोट 9 के निर्धारण में महत्वपूर्ण है पर विचार किया जाना चाहिए। मछली व्यवहार करने के लिए पर्यावरण contaminants के प्रभावों अक्सर व्यक्तिपरक और विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण जब मानक तरीकों के अभाव में sublethal समापन के साथ काम कर रहा है ..
गतिविधि तैराकी के रूप में इन तरीकों का उपयोग कड़ाई से नजर रखी जा सकती द्वारा मात्रा, जीव के लिए कम से कम तनाव के साथ गैर विनाशकारी है और दोहराया जा सकता है। तैराकी व्यवहार sublethal विषाक्तता कि परीक्षण प्रोटोकॉल में शामिल किया जाना चाहिए मानक विषाक्तता परीक्षण 5 की संवेदनशीलता का विस्तार करने के लिए एक वैध और लगातार सूचकांक है।
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank the staff in the Ecology Branch, Toxicology Branch and Environmental Chemistry Branch of the U.S. Geological Survey, Columbia Environmental Research Center for technical and analytical assistance. Funding provided in part by Teck American Incorporated through an agreement with the US Environmental Protection Agency (USEPA) Region 10 with funds provided by USEPA to US Geological Survey (USGS) through the Department of Interior Central Hazmat Fund.
Materials
| copper II sulfate pentahydrate | Sigma-Aldrich | contaminant of concern | |
| syringe dispenser | Hamilton MicroLab 600 Series | apparatus to spike chemical | |
| 2-L volumetric flask | container for holding stock solution | ||
| 24-1.5 L glass jars | test chamber for 2 dph sturgeon | ||
| video camera | Sony Handycam HDR-CX550V | ||
| digital tracking software | Noldus Ethovision | ||
| 3-17" flat screen monitors | |||
| 24 surveillance cameras | Model CL101 | ||
| 3-16 channel digital recording devices | |||
| DO meter | YSI | ||
| pH meter | Orion 940 | ||
| ph probe | Orion | ||
| ammonia meter | |||
| ammonia probe | Orion | ||
| chiller unit | |||
| recirculating water pump |
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