Continua la misurazione non invasiva dell'attività cardiaca e comportamentali di gamberi
Summary
Questo articolo presenta un sistema di biomonitoraggio non invadente per la registrazione continua e l’analisi dell’attività cardiaca e locomotore gamberi. Questo sistema è costituito da un sensore ottico infrarosso, un modulo di rilevamento video e software per la valutazione di battiti cardiaci gamberi che riflette il suo stato fisiologico e caratterizza il comportamento di gamberi durante le fluttuazioni di battito cardiaco.
Abstract
Un gambero di fiume è un organismo acquatico cardine che serve sia come un pratico modello biologico per studi comportamentali e fisiologici di invertebrati come un utile indicatore biologico della qualità delle acque. Anche se gamberi non è possibile specificare direttamente le sostanze che causano il deterioramento della qualità dell’acqua, si possono immediatamente (entro pochi secondi) avvertono gli esseri umani di deterioramento della qualità dell’acqua tramite cambiamenti acuti nella loro attività cardiaca e comportamentali.
In questo studio, presentiamo un metodo non invasivo che è abbastanza semplice da attuare nelle varie circostanze a causa di una combinazione di semplicità e affidabilità in un modello.
Questo approccio, in cui gli organismi biologici vengono implementati nei processi di valutazione ambientale, fornisce un affidabile e tempestivo allarme per l’allarme e prevenendo il deterioramento acuto dell’acqua in un ambiente. Pertanto, questo sistema non invasivo basato su gamberi fisiologici e registrazioni di parametro etologico è stato studiato per la rilevazione dei cambiamenti nell’ambiente acquatico. Questo sistema è ora applicato a una birreria locale per il controllo della qualità dell’acqua utilizzata per la produzione di bevande, ma può essere utilizzato in qualsiasi trattamento dell’acqua e l’impianto per l’approvvigionamento per la valutazione della qualità dell’acqua di continuo, in tempo reale e per laboratorio regolare indagini di fisiologia cardiaca gamberi e comportamento.
Introduction
Oggetto di domande gli organismi acquatici sia come organismi modello per1,varie indagini di laboratorio2 strumenti per il monitoraggio industriale e naturale/ambientale acqua qualità3,4 , sembra essere ben studiato. Tuttavia, questo argomento è ancora di notevole interesse per gli esseri umani, indipendentemente dalla loro appartenenza alla comunità scientifica o ad altre occupazioni. Nonostante l’esistenza di un certo numero di metodi avanzati per il monitoraggio di alcuni parametri (cosiddetti “biomarcatori”)5,6,7,8, i requisiti più importanti per la selezione di un indicatore è costituito da tre semplici fattori: (i) semplicità, (ii) affidabilità e disponibilità (iii) generale.
Gamberi di fiume, come un essenziale rappresentante della fauna d’acqua dolce, si distingue perché si trova in tutto il mondo, è molto diffusa e, nella maggior parte dei casi9, ha un carapace sufficientemente grande e duro adatto per la manipolazione. Questo crostaceo appartiene al gruppo degli invertebrati superiori che forniscono sufficienti dello sviluppo di sistemi fisiologici vitali e rispettivi organi mentre, allo stesso tempo, mantenendo un’ organizzazione relativamente semplice10.
Metodi basati sulla valutazione della gamma di parametri biologici e/o comportamentali dei gamberi, come descritto nella letteratura scientifica, hanno contribuito significativamente allo sviluppo di studi di biomonitoraggio e gamberi di fiume in generale. La maggior parte dei metodi invasivi attualmente disponibili per le misure di frequenza cardiaca di gamberi sono basata sulle registrazioni elettrocardiogramma che richiedono una procedura chirurgica complessa e precisa11,12,13; tali manipolazioni possono causare notevole stress a e possono richiedere adattamento prolungato dal Gambero di fiume. Inoltre, non è noto come lungo un gambero può trasportare tali elettrodi e se esso verrà correttamente muta mentre lo si trasporta questo attaccamento. I metodi descritti non invadenti sono basati sulle registrazioni pletismografica, che sono complicate dalla complessità dell’hardware e richiedono un circuito condizionata per segnale filtraggio14 e un’amplificazione o precisione e costose componenti ottiche15 ,16.
In questo studio, abbiamo descritto un approccio che contribuisce ai risultati esistenti e offre nuove alternative per migliorare le attuali procedure di misurazione frequenza cardiaca di gamberi. Tra i vantaggi, ci sono (i) un collegamento veloce e non invasivo che non richiede un adattamento fisiologico prolungato; (ii) capacità di gamberi portare il sensore entro un periodo di pochi mesi da muta a muta; (iii) il software in grado di monitoraggio cardiaco in tempo reale e comportamentali attività e la valutazione dei dati ottenuti simultaneamente da più gambero di fiume; (iv) una produzione basso prezzo e la semplicità. Il sistema di biomonitoraggio che descriviamo consente la non invadente e continuo monitoraggio delle attività di gamberi cardiache e dell’apparato locomotore basata sui cambiamenti nelle caratteristiche etho-fisiologiche degli astaci. Questo sistema può essere applicato facilmente negli esami del laboratorio di fisiologia cardiaca gamberi e/o etologia, oltre alle implementazioni industriali per il controllo di qualità delle acque: Servizi di trattamento e fornitura di acqua.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ampiamente è stato suggerito che la misura di alcuni parametri fisiologici (ad esempio cuore o tasso di ventilazione o entrambi) è un metodo più affidabile per la registrazione delle reazioni di gamberi che la valutazione delle risposte comportamentali che non sempre si verificano immediatamente11. Tuttavia, è evidente che l’approccio più efficace per valutare le reazioni di gamberi reali ai cambiamenti ambientali è la combinazione di attività cardiaca e registrazioni di comportamento, dal …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dal Ministero della pubblica istruzione, gioventù e dello sport della Repubblica Ceca-progetti “CENAKVA” No. CZ.1.05/2.1.00/01.0024 e ‘CENAKVA II ‘ n. LO1205 sotto la sostenibilità nazionale programma I, Grant dell’Agenzia dell’Università della Boemia meridionale a České Budějovice (012/2016/Z) e dall’Agenzia Grant della Repubblica Ceca (n. 16-06498S)
Materials
| IR LED diode | KINGBRIGHT ELECTRONIC | KP-3216F3C | |
| Phototransistor | EVERLIGHT | ELPT15-21C | |
| Resistor | ROYAL OHM | 0805S8J0201T5E | |
| Resistor | ROYAL OHM | 0805S8F2200T5E | |
| Capacitor | KEMET | C0805C334K5RACTU | |
| Cable | TECHNOKABEL | FTP KAT.5E 4X2X0,14C | |
| Connector | HARTING | 21348100380005 | |
| Connector | HARTING | 21348000380005 | |
| Dielectric gel | KRAYDEN | Sylgard 535 | |
| Analogue-to-digital convertor | TEDIA | UDAQ-1416CA | |
| Glue | KUPSITO.SK | 7338723044 | |
| Kinect video camera | ABCSTORE.CZ | GT3-00002 | |
| Analysis software | University of South Bohemia in Ceske Budejovice, Faculty of Fisheries and Protection of Waters, Institute of Complex Systems | Link to the software: www.frov.jcu.cz/crayfishmonitoring User name: frov Password: CF2018 |
Referenzen
- Bownik, A., Sokołowska, N., Ślaska, B. Effects of apomorphine, a dopamine agonist, on Daphnia magna: Imaging of swimming track density as a novel tool in the assessment of swimming activity. Science of the Total Environment. 635, 249-258 (2018).
- Jeong, T. Y., Yoon, D., Kim, S., Kim, H. Y., Kim, S. D. Mode of action characterization for adverse effect of propranolol in Daphnia magna. based on behavior and physiology monitoring and metabolite profiling. Environmental Pollution. 233, 99-108 (2018).
- do Nascimento, M. T. L., et al. Determination of water quality, toxicity and estrogenic activity in a nearshore marine environment in Rio de Janeiro, Southeastern Brazil. Ecotoxicology and Environmental Safety. 149, 197-202 (2018).
- Xiao, G., et al. Water quality monitoring using abnormal tail-beat frequency of crucian carp. Ecotoxicology and Environmental Safety. 111, 185-191 (2015).
- Aagaard, A., Andersen, B. B., Depledge, M. H. Simultaneous monitoring of physiological and behavioral activity in marine organisms using non-invasive, computer aided techniques. Marine Ecology Progress Series. 73 (2), 277-282 (1991).
- Bloxham, M. J., Worsfold, P. J., Depledge, M. H. Integrated biological and chemical monitoring: in situ. physiological responses of freshwater crayfish to fluctuations in environmental ammonia concentrations. Ecotoxicology. 8 (3), 225-237 (1999).
- Depledge, M. H., Andersen, B. B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. Comparative Biochemistry and Physiology. A, Comparative Physiology. 96 (4), 473-477 (1990).
- Depledge, M. H., Galloway, T. S. Healthy animals, healthy ecosystems. Frontiers in Ecology and the Environment. 3 (5), 251-258 (2005).
- Holdich, D. M., Reynolds, J. D., Souty-Grosset, C., Sibley, P. J. A review of the ever increasing threat to European crayfish from non-indigenous crayfish species. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems. 11, 394-395 (2009).
- Vogt, G., Holdich, D. M. Functional anatomy. Biology of freshwater crayfish. , 53-151 (2002).
- Bierbower, S. M., Cooper, R. L. Measures of heart and ventilatory rates in freely moving crayfish. Journal of Visualized Experiments. (32), e1594 (2009).
- Li, H., Listerman, L. R., Doshi, D., Cooper, R. L. Heart rate in blind cave crayfish during environmental disturbances and social interactions. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 127 (1), 55-70 (2000).
- Listerman, L. R., Deskins, J., Bradacs, H., Cooper, R. L. Heart rate within male crayfish: social interactions and effects of 5-HT. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 125 (2), 251-263 (2000).
- Burnett, N. P., et al. An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals. Limnology and Oceanography: Methods. 11 (2), 91-100 (2013).
- Fedotov, V. P., Kholodkevich, S. V., Strochilo, A. G. Study of contractile activity of the crayfish heart with the aid of a new non-invasive technique. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 36 (3), 288-293 (2000).
- Kholodkevich, S. V., Ivanov, A. V., Kurakin, A. S., Kornienko, E. L., Fedotov, V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations. Environmental Bioindicators. 3 (1), 23-34 (2008).
- Kuznetsova, T. V., Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Evaluation of functional state of crayfish Pontastacus leptodactylus in normal and toxic environment by characteristics of their cardiac activity and hemolymph biochemical parameters. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 46 (3), 241-250 (2010).
- Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Total protein in hemolymph of crawfish Pontastacus leptodactylus as a parameter of the functional state of animals and a biomarker of quality of habitat. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 47 (2), 160-167 (2011).
- Pautsina, A., Kuklina, I., Štys, D., Císař, P., Kozák, P. Noninvasive crayfish cardiac activity monitoring system. Limnology and Oceanography: Methods. 12 (10), 670-679 (2014).
- Císař, P., Saberioon, M., Kozák, P., Pautsina, A. Fully contactless system for crayfish heartbeat monitoring: Undisturbed crayfish as bio-indicator. Sensors and Actuators B: Chemical. 255, 29-34 (2018).
