Concepção e utilização de aparelhagem para quantificar a suspensão bivalves alimentação no mar
Summary
Um dispositivo de passagem para usando o biodeposition método para quantificar o comportamento de filtragem e alimentação dos moluscos bivalves foi modificado para uso de bordo. Uma tabela bidimensional gimbal construída em torno do dispositivo isola o aparelho do movimento do barco, permitindo a quantificação precisa das variáveis de filtração bivalves em sites de aquicultura offshore marisco.
Abstract
Como aquicultura marisco move de reentrâncias costeiras e estuários para locais offshore, a necessidade de quantificar as interações do ecossistema de caça de criação de moluscos bivalves (i.e., mexilhões, ostras e amêijoas) apresenta novos desafios. Dados quantitativos sobre o comportamento alimentar de moluscos de suspensão-alimentação são necessários determinar as interações do ecossistema importante de fazendas de mariscos no exterior, incluindo a sua capacidade de carga, a competição com a Comunidade do zooplâncton, a disponibilidade de recursos tróficos em diferentes profundidades e a deposição de Bentos. O método biodeposition é usado para quantificar variáveis alimentação em suspensão-alimentação de bivalves em um cenário natural e representa um proxy mais realista do que experimentos de laboratório. Este método, no entanto, depende de uma plataforma estável para satisfazer os requisitos que taxas de fluxo fornecidas para o molusco de água permanecem constantes e os bivalves são imperturbáveis. Um dispositivo de passagem e processo para usar o biodeposition método para quantificar a alimentação dos moluscos bivalves foram modificadas de um formato baseado em terra para uso de bordo através da construção de uma tabela bidimensional gimbal em torno do dispositivo. Dados do planímetro revelam um passo mínimo e guinada das câmaras contendo o marisco teste apesar do movimento do barco, as taxas de fluxo dentro das câmaras permanecem constantes e os operadores são capazes de coletar os biodepósitos (fezes e pseudofeces) com suficiente consistência para obter medições precisas do afastamento de bivalves, filtragem, seleção, ingestão, rejeição e absorção no marisco offshore aquícolas.
Introduction
Pesca de captura selvagem está em declínio em todo o mundo1. Por conseguinte, o futuro crescimento da oferta de frutos do mar deve ser provenientes de uma expansão da aquicultura. A produção de aquicultura de frutos do mar foi crescendo e continuará a crescer rapidamente através de 2025, tornando aquáticos agricultura o mais rapidamente crescente do sistema produção alimentar2. A agricultura de suspensão-alimentação moluscos bivalves (mexilhões, ostras, vieiras e amêijoas) é considerada entre as formas mais ambientalmente benignas da aquicultura, porque estes organismos não exigem nenhuma alimentação suplementar, mas, em vez disso, obter nutrição do fitoplâncton natural, produção e transferência orgânica importam para organismos bênticos3,4. Com efeito, aquicultura marisco está sendo considerada como um instrumento legítimo para melhorar a qualidade da água e a estrutura trófica em estuários eutróficos5,6. Apesar das perspectivas favoráveis para a expansão da aquicultura de marisco em reentrâncias costeiras e estuários, conflitos com outro oceano costeiro interesses tais como pesca comercial e de lazer, actividades recreativas e a estética desejos de limitações societal-proprietários de terras costeiras agregadas sob o termo “capacidade social”-já levou alguns a olhar para o “mar aberto” para a expansão em grande escala de moluscicultura7.
Movendo o cultivo de mariscos no mar, em águas abertas, oferece grande potencial de marisco da aquicultura expansão mas também apresenta desafios sem precedentes para os organismos no ecossistema oceânico8. Primeiras, mais de viveiro, suspensão-alimentação espécies de bivalves são organismos estuarinos que evoluíram em ambientes que diferem em muitas maneiras do oceano aberto ecossistema9. Variações temporais diurnas e sazonais na temperatura, salinidade e química da água e a intensa atividade biológica estimulada pela variável e alta disponibilidade de nutrientes em águas costeiras selecionou para comportamentais e fisiológicos características de mexilhões, ostras, vieiras e amêijoas que podem conferir pouco benefício na relativamente constante, diluir o oceano ambiente10. Moluscos bivalves são conhecidos para responder a essas mudanças ambientais regulando sua filtração para aproveitar os períodos de boa qualidade da água e otimizar sua aquisição de alimentos11,12. Em um ambiente mais constante, tais como águas abertas, não está claro se bivalves irão regular suas taxas de bombeamento e filtragem eficaz para manter um equilíbrio de energia positiva para o crescimento rápido. O segundo desafio de cultivo de mariscos no exterior também está relacionado com a disponibilidade de alimentos relativamente baixo Séston no oceano. Com densidades de fitoplâncton, sendo muito mais baixos no exterior do que em estuários, as espécies de bivalves atualmente cultivado com êxito em estuários encontrar o que comer para manter o metabolismo e o crescimento? Atuais práticas empregando linhas, meias, gaiolas ou outros compartimentos para segurar a frutos do mar em estuários resultam em filtros tridimensionais que podem esgotar o fitoplâncton localmente mesmo em águas costeiras, eutróficos13,14. Projeto, encabeçamento, o espaçamento de linhas, de engrenagem de suposições sobre a cultura e colheita tempo de ciclo pode precisar de ser repensado em mar aberto para gerenciar tanto a capacidade de carga de produção da fazenda e a capacidade de carga ecológica do ecossistema marinho local 15 , 16. marisco intensivo agricultura como praticado nearshore talvez precise ser modificado para ser compatível com o ambiente diluído do oceano.
Para avançar a nossa compreensão do cultivo de marisco como costeiras práticas talvez precise ser modificado para ter sucesso no mar, dados quantitativos sobre como marisco interage com o Séston presente em localizações offshore Sugerido como locais potenciais de fazenda são essenciais. Um número de técnicas para a quantificação da filtragem, afastamento, ingestão, rejeição e absorção de partículas por moluscos bivalves suspensão-alimentação foram desenvolvidos17,18. Alguns desses métodos foram otimizados para detectar variações em escalas de tempo muito curtas, a seleção entre tipos diferentes de partículas, ou respostas fisiológicas a diversas variações ambientais19,20,21 . Recentemente, refinamentos do que é chamado o método biodeposition levaram à aceitação desta abordagem como uma ferramenta legítima de quantificar a maioria de filtragem importante e alimentação variáveis em mexilhões, ostras e amêijoas17,22 .
O método de biodeposition, em geral, usa uma abordagem de balanço de massa, com o componente inorgânico Séston como um tracer, para quantificar o particionamento por marisco individuais dos componentes orgânicos e inorgânicos Séston em proporções capturadas, rejeitado, ingerida, e absorvida sobre uma escala de tempo de horas17. Para esta abordagem ser mais preciso, é extremamente importante que as taxas de fluxo de água entregue ao individual, frutos do mar são precisamente conhecida e constante e que o molusco não sejam perturbado fisicamente para que eles mantêm seu comportamento constante de filtração. Também é necessário sincronizar a coleção de água amostras no momento da ingestão de bivalves com a coleta de amostras de fezes produziram após a digestão (ou seja, egestion). Estes dois processos (ingestão e egestion) são compensados pelo comprimento de tempo que leva para uma matéria particulada para trânsito através do intestino de bivalves. O instinto de trânsito representa de tempo, o tempo decorrido entre a ingestão de alimentos e o lançamento de material não digerido, sob a forma de fezes. Além disso, do ponto de vista prática, a biodepósitos precisam ser coletado quantitativamente pelo pesquisador antes que eles são desagregados pelo movimento da água. Por estas razões, aparelhos e procedimentos para a quantificação dos bivalves filtragem usando o método de biodeposition foram limitados ao nearshore muito locais onde uma terra seca-plataforma estável ou um píer fixo-é perto o suficiente para ser a população de marisco investigada. Para o método biodeposition ser usado no mar, era necessário encontrar uma maneira de satisfazer os requisitos do método para uma plataforma estável a bordo de um barco.
Séculos atrás, os navegantes que pretendem resolver o mesmo problema básico de como isolar a bordo artigos do movimento do navio desenvolveram o cardan. Um giroscópio apresenta pivôs de um ou mais entre a plataforma anexado para o navio e o artigo a ser isolado, permitindo que o artigo isolado responder mais a gravidade do que ao movimento do navio. Talvez os mais simples gimbal projeto pinos pivôs a 90° ângulos-em que o design de um aparelho modificado do relatado por Galimany e cooperadores22foi utilizada. No presente relatório, a efetiva função do aparelho é validada pela medição: 1) o movimento da mesa com câmaras de frutos do mar, em comparação com o movimento do barco, 2) e a consistência dos caudais através de 20 replicar câmaras ao mesmo tempo no mar e 3) a dados da filtragem de mexilhões testaram em três locais no exterior, a bordo de três navios diferentes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diferentes abordagens têm sido usadas para estudar a filtração e alimentação de bivalves em laboratório e no campo. Medições feitas quando usar Séston natural renderá alimentação taxas mais similares do ambiente natural,24. Dispositivos de alimentação portátil existentes para medição bivalves alimentação25,26 dependem de uma plataforma estável, como a terra ou uma doca fixa; assim, quantificar a filtração de bivalves e alimentação no campo, até agora, foi limitado para águas muito perto da costa. O novo aparelho e método apresentado aqui representam uma ferramenta confiável para quantificar o desempenho alimentação de bivalves em águas offshore onde interações entre bivalves e o ambiente anteriormente foram mal descritas.
Os passos críticos dentro da aplicação offshore do método biodeposition incluem o seguinte: (1) a aeração do tanque principal e a calibração dos caudais através de todas as câmaras de alimentação para garantir uma distribuição de partículas até mesmo para os bivalves; (2) uma determinação precisa do tempo de trânsito do intestino experimental antes da colheita do biodepósitos; (3) a identificação, separação e coleção completa de todas as fezes e pseudofeces produzidos pelos bivalves, incluindo a recolha de suficiente biodepósitos para exceder o limite de detecção para as partículas orgânicas e inorgânicas. Débitos elevados são essenciais para evitar a recirculação de água nas câmaras de alimentação, podendo aumentar o fenômeno da redução de concentração de alimento devido a refiltration18,25,,27,28.
A exata identificação e separação de fezes e pseudofeces podem ser um desafio em ambientes offshore. A coleta de fezes e pseudofeces nas águas de Massachusetts provavelmente foi afetada pelo mar agitado durante a última hora da medição. Medições usando esse método irão ser restringidas pelo estado do mar, afetando a capacidade de catadores limpa separar e distinguir com precisão entre fezes, pseudofeces e outras partículas (isto é, sedimentos ou partículas) depositados em as câmaras de alimentação. Este problema experimental pode ser observado nos dados resultantes, onde o conteúdo orgânico dos pseudofeces tem uma maior variabilidade nos resultados de Massachusetts do que nos outros dois locais (Figura 7).
Locais com partículas muito baixa, tais como Califórnia, apresentará um desafio analítico, porque as partículas coletadas neste experimento foi muito próximo do limite de detecção, apesar de 2 L de água foi filtrada para cada amostra de água. O método de quantificar as contribuições orgânicas e inorgânicas para as partículas em suspensão total é baseado no balanço de massa; assim, pequenos erros analíticos perto do limite de detecção podem resultar em moluscos fisiologicamente impossíveis alimentar resultados, tais como taxas de rejeição ou afastamento negativos. Dados resultantes deste tipo de erro e a correção apropriada, estão ilustrados na Figura 8, que plota o valor médio para a taxa de liberação, a taxa de filtração e a taxa de absorção do experimento de Califórnia. As quantidades de fezes eram tão pequenas neste local que alguns foram confundidos com pseudofeces pelos catadores de biodeposit. As quantidades muito pequenas de “pseudofeces” coletados foram extremamente próximo do limite de detecção por peso, e os dados resultantes renderam marisco negativo de filtração e alimentação de dados para várias réplicas, que é fisiologicamente impossível e, assim, manifestamente incorrecta. Partículas em suspensão perto do limite de detecção também renderam uma alta variabilidade global para esta medida. Estes resultados podem ser causados por um erro na pesagem dos filtros, mas, mais provavelmente, deveu-se a identificação incorreta do pseudofeces. A última possibilidade foi ainda mais apoiada pela observação de que a matéria particulada total de água era demasiado baixa para acionar pseudofeces produção22,23. Os dados foram corrigidos descartando os dados incorretos pseudofeces e só calculando a via de ingestão (Figura 8).
O aparelho para quantificação dos bivalves suspensão usando o método biodeposition a bordo de um barco de alimentação pode ser modificado e adaptado às várias espécies de bivalves. O tamanho das câmaras de alimentação pode variar ligeiramente para acomodar conchas bivalves mais larga ou mais estreitas. É importante notar, no entanto, que modificando as dimensões das câmaras de alimentação daqueles descritos aqui exigem que a distribuição de partículas até mesmo através de câmaras de alimentação é estabelecida antes da realização de quaisquer medições. O volume de água filtrado deve ser ajustado baseado nas condições locais. Baixo-Séston ambientes tais como Califórnia requerem um maior volume de água filtrada para exceder o limite de detecção para a análise baseada em peso. Ao mesmo tempo, se muita água é filtrada, em seguida, entopem os filtros e o tempo de secagem (não temperatura) no forno precisa ser aumentado. Da mesma forma, a coleção de biodeposit pode precisar de ser alongada em ambientes de baixa-Séston para coletar material suficiente para exceder o limite de detecção analítica. Outro indicador de uma coleção de biodeposit problemático é o conteúdo orgânico relativo de água vs o pseudofeces e fezes. Fezes e pseudofeces não pode conter uma percentagem consideravelmente maior de matéria orgânica do que a água; Eles são um produto das partículas da água filtradas e processadas. Sob algumas condições, o conteúdo orgânico dos biodepósitos pode ser ligeiramente maior do que a da água devido o investimento orgânico que bivalves fazem para processar as partículas de alimento; no entanto, este investimento, no máximo, produzirá um pequeno aumento nas fezes matéria orgânica. A porcentagem de matéria orgânica relatada aqui está muito acima do percentual que poderia ser atribuído à perda fecal metabólica. As amostras de pseudofeces de Massachusetts ilustram este problema potencial. O conteúdo orgânico dos pseudofeces foi bastante variável, como mencionado acima, mas alguns das repetições renderam conteúdo orgânico que grandemente excedido das amostras de água correspondente. É possível que durante o mar agitado de última hora da coleção biodeposit, pseudofeces foram combinados com matéria orgânica exógena, que artificialmente elevado conteúdo orgânico e produziu resultados fisiologicamente impossíveis (Figura 7) . Se os Estados de alto mar são uma possibilidade no futuro aplicações deste método, a adição de mais repetições através de câmaras adicionais são recomendadas.
Uma limitação do método é que este aparelho é projetado para quantificar a alimentação de indivíduos adultos. A coleção exacta e completa de fezes e pseudofeces de sementes de bivalves é difícil devido ao pequeno tamanho das fezes (pseudo) e exigiria muito mais experiências para obter material suficiente para exceder o limite de detecção analítica. Se pequenos indivíduos estão sendo usados, vários poderiam ser agrupados em uma câmara para aumentar a taxa de produção de fezes e pseudofeces por câmara. Alternativamente, os dispositivos poderiam ser redesenhados com muito menor experimental chambers. O estado do tempo e do mar também pode ser importantes limitações, como estas afectam a precisão da coleção de amostra de biodeposit. Chuva e temperaturas extremas podem reduzir o número de repetições de bivalves que se alimentam. A profundidade na qual água bombas são implantadas pode variar entre experiências para garantir o Séston usado nas experiências refletem o Séston típico da profundidade em que ocorrerá o cultivo de bivalves. Apesar dessas limitações potenciais, o método oferece a oportunidade única de estudar a filtração e alimentação de bivalves em condições naturais, com Séston natural, em oposição a condições simuladas em laboratório. Os dados gerados são muito mais realistas do que os experimentos de laboratório e mais propensos a refletir o desempenho de moluscos bivalves no local de interesse. O novo método para realizar medidas de bordo grandemente expande o potencial alcance geográfico.
O crescente interesse na aquicultura offshore mexilhão apresenta um grupo de usuário ideal para futuras aplicações deste método. Os intervenientes interessados em otimizar a implantação de novas operações de aquicultura offshore podem usar essa abordagem para examinar o desempenho de bivalves em locais propostos. Um exemplo de um aplicativo que está sendo planejado é testar hipóteses sobre as profundezas ideais para uma cultura de mexilhão azul suspensão nas águas costeiras do Sul da Nova Inglaterra (Mizuta e Wikfors, em revisão).
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostaria de reconhecer a NEFSC e a NOAA Fisheries serviço escritório de aquicultura para financiamento. Os autores agradecem aos seus acadêmicos e parceiros do setor, Scott Lindell, especialista em pesquisa no Instituto Oceanográfico Woods e Phil Cruver, CEO da Catalina mar rancho, que organizou e forneceu acesso a áreas de cultivo mexilhão offshore. O trabalho não teria sido possível sem as seguintes plataformas de trabalho; R/V Capitão Jack Propriedade Catalina Sea Ranch, R/V Gemma detida e gerida pela The laboratório biológico marinho, e o R/V Victor Loosanoff operado pela NOAA Fisheries, centro de ciência de pesca nordeste. Agradecemos também os capitães do barco Jim Cvitanovich e Bill Klim para seus conhecimentos. Werner Schreiner fornecido seus conhecimentos técnicos em projetar e fabricar o quadros, tabela de cardan e tanque de lastro, tanque de cabeça e câmaras experimentais.
Materials
| GF/C glass microfibre filters | Whatman | 1822-025 | 25 mm diameter circles |
| Submersible Utility Pump | Utilitech | PPSU33 | 1/3 HP |
| Filtration manifold | Sterlitech | 313400 | 3-place manifold, PVC |
| Filter forceps | Millipore | XX6200006P | |
| Filter funnel | Ace Glass | D140942 | 300 ml; glass |
| Frit support | Fisher Scientific | 09-753-14 | 25mm diameter; glass |
| Vacuum Filter Holders | Fisher Scientific | 09-753-4 | For 25mm filter funnels and frit supports |
| Drying Oven | Fisher Scientific | 15-103-0503 | Gravity convection |
| Box Furnace Oven | ThermoFisher Scientific | BF51794C | |
| Ammonium formate | Fisher Scientific | A666-500 | |
| Tetraselmis sp. | National Center for Marine Algae and Microbiota | 119 strains of Tetraselmis sp. are available for sale by NCMA, and specific strain should be selected based on temperature of planned experiments. As such, we have not recommended a specific catalog number here. | |
| Glass petri dish | Fisher Scientific | 08-747A | 60 mm diameter |
References
- Pauly, D., Zeller, D. Catch reconstructions reveal that global marine fisheries catches are higher than reported and declining. Nature Communications. 7, 10244 (2015).
- Diana, J. S. Aquaculture production and biodiversity conservation. BioScience. 59 (1), 27-38 (2009).
- Gallardi, D. Effects of bivalve aquaculture on the environment and their possible mitigation: a review. Fisheries and Aquaculture Journal. 5, 105 (2014).
- Newell, R. I. E. Ecosystem influences on natural and cultivated populations of suspension-feeding bivalve molluscs: A review. Journal of Shellfish Research. 23 (1), 51-61 (2004).
- Lindahl, O., Kollberg, S. Can the EU agri-environmental aid program be extended into the coastal zone to combat eutrophication. Hydrobiologia. 629 (1), 59-64 (2009).
- Rose, J. M., Bricker, S. B., Tedesco, M. A., Wikfors, G. H. A role for shellfish aquaculture in coastal nitrogen management. Environmental Science & Technology. 48 (5), 2519-2525 (2014).
- McKindsey, C. W., Thetmeyer, H., Landry, T., Silvert, W. Review of recent carrying capacity models for bivalve culture and recommendations for research and management. Aquaculture. 261 (2), 451-462 (2006).
- Cheney, D., Langan, R., Heasman, K., Friedman, B., Davis, J. Shellfish culture in the open ocean: lessons learned for offshore expansion. Marine Technology Society Journal. 44 (3), 55-67 (2010).
- Shumway, S. E. . Shellfish aquaculture and the environment. , (2011).
- Dame, R. F. . Ecology of marine bivalves: An ecosystem approach. , (2011).
- Bayne, B. L., et al. Feeding behaviour of the mussel, Mytilus edulis: responses to variations in quantity and organic content of the seston quantity and organic content of the seston. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom. 73 (4), 813-829 (1993).
- Ward, J. E., Shumway, S. E. Separating the grain from the chaff: particle selection in suspension- and deposit-feeding bivalves. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 300 (1-2), 83-130 (2004).
- Heck, K. L., Valentine, J. F. The primacy of top-down effects in shallow benthic ecosystems. Estuaries and Coasts. 30 (3), 371-381 (2007).
- Prins, T. C., Smaal, A. C., Dame, R. F. A review of the feedbacks between bivalve grazing and ecosystem processes. Aquatic Ecology. 31 (4), 349-359 (1998).
- Ferreira, J. G., Saurel, C., Lencarte e Silva, J. D., Nunes, J. P., Vazquez, F. Modelling of interactions between inshore and offshore aquaculture. Aquaculture. 426, 154-164 (2014).
- Stevens, C., Plew, D., Hartstein, N., Fredriksson, D. The physics of open-water shellfish aquaculture. Aquacultural Engineering. 38 (3), 145-160 (2008).
- Iglesias, J. I. P., Urrutia, M. B., Navarro, E., Ibarrola, I. Measuring feeding and absorption in suspension-feeding bivalves: an appraisal of the biodeposition method. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 219 (1-2), 71-86 (1998).
- Riisgård, H. U. On measurement of filtration rates in bivalves – the stony road to reliable data: review and interpretation. Marine Ecology Progress Series. 211, 275-291 (2001).
- Møhlenberg, F., Riisgård, H. U. Efficiency of particle retention in 13 species of suspension feeding bivalves. Ophelia. 17, 239-246 (1978).
- Shumway, S. E., Cucci, T. L., Newell, R. C., Yentsch, C. M. Particle selection, ingestion, and absorption in filter-feeding bivalves. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 91 (1-2), 77-92 (1985).
- Velasco, L. A., Navarro, J. M. Feeding physiology of two bivalves under laboratory and field conditions in response to variable food concentrations. Marine Ecology Progress Series. 291, 115-124 (2005).
- Galimany, E., Ramón, M., Ibarrola, I. Feeding behavior of the mussel Mytilus galloprovincialis (L.) in a Mediterranean estuary: A field study. Aquaculture. 314 (1-4), 236-243 (2011).
- Wilcox, R. R. . Understanding and applying basic statistical methods using R. , (2017).
- Velasco, L. A., Navarro, J. M. Feeding physiology of two bivalves under laboratory and field conditions in response to variable food concentrations. Marine Ecology Progress Series. 291, 115-124 (2005).
- Filgueira, R., Labarta, U., Fernández-Reiriz, M. J. Flow-through chamber method for clearance rate measurements in bivalves: design and validation of individual chambers and mesocosm. Limnology and Oceanography Methods. 4, 284-292 (2006).
- Grizzle, R. E., Greene, J. K., Luckenbach, M. W., Coen, L. D. A new in situ method for measuring seston uptake by suspension-feeding bivalve molluscs. Journal of Shellfish Research. 25 (2), 643-649 (2006).
- Riisgård, H. U. On measurement of filtration rates in bivalves – the stony road to reliable data: review and interpretation. Marine Ecology Progress Series. 211, 275-291 (2001).
- Newell, C. R., Wildish, D. J., MacDonald, B. A. The effects of velocity and seston concentration on the exhalant siphon area, valve gape and filtration rate of the mussel Mytilus edulis. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 262 (1), 91-111 (2001).
