Дизайн и использование аппарата для количественной оценки двустворчатых подвеска кормления на море
Summary
Поток через устройство для использования метода biodeposition для количественного определения поведения фильтрации и кормления двустворчатых моллюсков был изменен для использования на судне. Двумерный карданного таблицы построен вокруг устройства изолирует аппарат от движения лодки, тем самым позволяя точной количественной оценке переменных двустворчатых фильтрации на участках аквакультуры морских моллюсков.
Abstract
Как моллюски аквакультуры прибрежных заливах и лиманы переезжает в оффшорных зонах, необходимость количественной оценки экосистемы взаимодействия выращиваемых двустворчатые (т.е., мидии, устрицы и моллюски) представляет новые вызовы. Количественных данных на кормление поведение подвеска кормления моллюсков необходимо определить важные экосистемы взаимодействия морских моллюсков ферм, включая их пропускная способность, конкуренция с сообщество зоопланктона, Наличие трофических ресурсов на разных глубинах и осаждения на бентос. Метод biodeposition используется для количественного определения кормления переменные в подвеска кормления двустворчатых моллюсков в естественной обстановке и представляет более реалистичным прокси чем лабораторных экспериментов. Этот метод, однако, опирается на стабильную платформу для удовлетворения требований, которые воды скорости потока для моллюсков остаются постоянными и двустворчатые спокойно. Поток через устройство и процесс с использованием метода biodeposition для количественного определения кормления двустворчатых моллюсков были изменены на суше формата для использования судовых построения двумерных карданного таблицы вокруг устройства. Планиметр данные показывают минимальный шаг и рыскания палат, содержащий тестовый моллюсков несмотря на лодке движения, скорости потока в камерах остаются постоянными, и операторы в состоянии собрать biodeposits (Кала и pseudofeces) с достаточной последовательность для получения точных измерений двустворчатых Распродажа, фильтрации, отбора, при приеме внутрь, неприятие и поглощения на морских моллюсков аквакультуры сайтов.
Introduction
Дикий-промысла снижается во всем мире1. Соответственно будущий рост поставок морепродуктов должна исходить от расширения аквакультуры. Производство аквакультуры морепродуктов был растет и будет продолжать быстро расти до 2025 года, делая водных, сельскохозяйственных системы производства продовольствия наиболее быстро растущей2. Разведение кормление подвеска двустворчатых моллюсков (мидии, устрицы, морские гребешки и моллюски) считается среди наиболее экологически безопасные формы аквакультуры, потому что эти организмы требуют без дополнительного кормления, но вместо этого получить питание от естественной фитопланктона производство и передачу органических важны для бентических организмов в3,4. Действительно Моллюски аквакультуры рассматривается как законное средство для улучшения качества воды и трофической структуры в эвтрофных лиманы5,6. Несмотря на в целом благоприятные перспективы для расширения Моллюски аквакультуры в прибрежных заливах и лиманы конфликты с другими прибрежные морские интересы коммерческого и рекреационного рыболовства, рекреационной деятельности и эстетического желания прибрежных землевладельцев социальных ограничений объединяются под термином «социальной грузоподъемностью»-привели некоторых смотреть в «океане» для крупномасштабного расширения моллюсков, сельское хозяйство7.
Перемещение моллюсков земледелия оффшор, в открытых водах, предлагает большой потенциал для Моллюски аквакультуры расширения, но и представляет беспрецедентные вызовы для организмов в океанических экосистем8. Во-первых, самых выращиваемых, подвеска кормления двустворчатых видов являются устьевых организмов, которые развивались в условиях, которые отличаются во многих отношениях от экосистем открытого океана9. Сезонные и суточные временные колебания солености, температуры и химического состава воды и интенсивной биологической активности стимулируется высоким и переменная наличия питательных веществ в прибрежных водах выбрали для поведенческие и физиологические характеристики в мидии, устрицы, морские гребешки и моллюсков, которые могут наделять мало пользы в относительно постоянной, разбавляют океана окружающей среды10. Двустворчатые моллюски известны ответить на эти экологические изменения, регулируя их фильтрации воспользоваться периодов хорошее качество воды и оптимизировать их приобретения продовольствия11,12. В среде более постоянным, например открытых водах неясно, если двустворчатые будет регулировать их накачки и фильтрации ставки эффективно поддержать положительный энергетический баланс для быстрого роста. Вторая задача, стоящая перед морских моллюсков сельского хозяйства также связана с относительно низкой Сестона продовольствием в океане. С плотностью фитопланктона, будучи намного меньше оффшорных, чем в лиманах, двустворчатых видов в настоящее время обрабатывали успешно в эстуарии найти достаточно пищи для поддержания метаболизма и роста? Нынешняя практика использования линии, носки, клетки или другие корпуса провести моллюсков в лиманах привести к трехмерной фильтры, разрушающим фитопланктона локально, даже в эвтрофных, прибрежные воды,13,14. Предположения о культуре снаряжение дизайн, чулок плотность, расстояние между линиями, и урожай время цикла, возможно, потребуется пересмотреть в открытом океане управлять производством пропускной способности фермы и экологическая пропускной способности местной морской экосистемы 15 , 16. интенсивные моллюсков сельское хозяйство как практикуется nearshore, возможно, потребуется модифицировать, чтобы быть совместимым с разбавленной окружающей среды океана.
Для продвижения нашего понимания как прибрежные моллюсков земледелия практики может потребоваться изменение для успеха оффшор, количественные данные о как моллюсков взаимодействуют в настоящей Сестона оффшорных зонах предложил как потенциальных сайтов фермы имеют важное значение. Ряд методов для количественного определения фильтрации, распродажа, при приеме внутрь, неприятие и поглощения частиц подвеска кормления двустворчатых моллюсков были развитые17,18. Некоторые из этих методов были оптимизированы для обнаружения вариации на очень короткие сроки, выбор между частиц различных типов, или физиологические реакции различных экологических вариаций19,20,21 . Недавно уточнения того, что называют метод biodeposition привели к принятию такого подхода как законное средство для количественного определения наиболее важных фильтрации и кормления переменные в мидии и устрицы, моллюски17,22 .
Метод biodeposition, в общем, использует подход масс баланса, с компонентом неорганических Сестона отклоненным трассировщик, поддается секционирование по отдельным моллюсков Сестона органических и неорганических компонентов в плен, пропорции, внутрь, и всасывается через шкалы часов17. Этот подход быть точным критически важно, что скорости потока воды доставлены в отдельных моллюски являются постоянными и точно известна и что моллюсков не беспокоили физически, таким образом, что они поддерживают их постоянной фильтрации поведение. Это также необходимо для синхронизации доступа к коллекции воды в то время двустворчатых заглатывания с коллекцией образцов Кала выполненным после переваривания (например, щажению). Эти два процесса (при приеме внутрь и щажению), компенсируется количество времени, необходимое для твердых частиц для транзита через двустворчатых кишечник. Кишечнике транзит представляет время, время, прошедшее между употреблением в пищу продуктов питания и выпуска непереваренных материала в виде фекалии. Кроме того с практической точки зрения, biodeposits должны быть собраны количественно исследователем, прежде чем они дезагрегируются по движению воды. По этим причинам, аппарат и процедур для количественной оценки двустворчатых фильтрации с помощью метода biodeposition были ограничены очень прибрежных мест где стабильной платформы-сушу или фиксированной Пирс-это достаточно близко к моллюсков населения, расследование. Для метода biodeposition для использования оффшорных было необходимо найти способ, чтобы удовлетворить требования метод для стабильной платформы на борту лодки.
Много веков назад, моряки, стремясь решить же основные проблемы как для изоляции судовых статей от движения судна разработал карданного. Карданов подвес вводит один или больше поворачивается между платформы придает корабль и статьи изоляции, позволяя изолированные статьи больше реагировать на тяжести чем движения судна. Мы использовали возможно простым карданного дизайн контактный поворачивается на 90° углы в дизайн аппарата изменения от того, сообщили22Galimany и коллег. В настоящем докладе, эффективные функции аппарата проверяется посредством измерения: 1) движение таблицы с моллюсков камер по сравнению с движения лодки, 2) соответствия скорости потока через 20 реплицировать камеры во время в море и 3 Фильтрация данных из мидий испытания в трех морских местах на борту трех различных судов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Различные подходы использовались для изучения фильтрации и кормления двустворчатых моллюсков в лаборатории и на местах. Измерения, произведенные при использовании природных Сестона даст кормления ставки наиболее аналогичны в природной среды24. Существующих портативных загрузочных устройств для измерения двустворчатых кормления25,26 зависят от стабильной платформы, такие как земля или фиксированной док; Таким образом, количественной оценки двустворчатых фильтрации и кормления в поле до сих пор, было ограничено очень вблизи прибрежных вод. Роман аппарат и метод, представленные здесь представляют собой надежный инструмент для количественной оценки питания производительность двустворчатых моллюсков в прибрежных водах, где ранее были плохо описано взаимодействий между двустворчатые моллюски и окружающей среды.
Важнейшие шаги в рамках оффшорной применения метода biodeposition включают в себя следующее: (1) аэрации головы цистерны и калибровки расхода через все питание камер для обеспечения даже распределение частиц для двустворчатых моллюсков; (2) точного определения времени транзита экспериментальной кишки до коллекции biodeposits; (3 выявления, отделения и полная коллекция всех фекалий и pseudofeces, производимые двустворчатые моллюски, в том числе коллекции достаточно biodeposits, чтобы превысить предел обнаружения для органических и неорганических частиц. Высокий дебит необходимо избежать рециркуляции воды в питание камер, которые могут увеличить явление сокращения концентрации пищи из-за refiltration18,25,27,28.
Точная идентификация и разделение фекалий и pseudofeces может быть сложным в оффшорной среде. Сбор Кала и pseudofeces в водах Массачусетс был вероятно пострадавших от тяжелых морей в последний час измерения. Измерения с помощью этого метода будет ограничиваться государством моря, влияющих на способность выбора аккуратно отделить и точно различать Кала, pseudofeces и других твердых материалов (то есть, ила или частицы) на хранение в питание камеры. Этот экспериментальный проблема может наблюдаться в итоговые данные, где содержание органических pseudofeces имеет большую вариабельность результатов от штата Массачусетс, чем от других двух местах (рис. 7).
Места с очень низкой твердых частиц, таких как Калифорния, представит аналитический вызов, потому что частиц, собранных в этот эксперимент был очень близко к пределу обнаружения, даже несмотря на то, что 2 Л воды было отфильтровано для каждого образца воды. Метод количественного определения органических и неорганических вклад всего частиц основана на баланс массы; Таким образом небольшой аналитический ошибки вблизи предела обнаружения может привести к физиологически невозможно моллюсков, кормления результаты, такие как отрицательное отклонение или Распродажа ставки. Данные, получаемые от этого типа ошибки и соответствующее исправление, проиллюстрированы в рисунке 8, который участков среднее значение скорости очищения, скорости фильтрации и скорость поглощения от Калифорнии эксперимент. Количествах фекалии были настолько малы, в этом месте, что некоторые были ошибочно принимают за pseudofeces по biodeposit сборщиков. Очень небольшое количество «pseudofeces» собраны были очень близко к пределу обнаружения по весу, и результирующие данные дали отрицательные моллюсков фильтрации и кормления данных для нескольких реплицирует, которые физиологически невозможно и, таким образом, Очевидно, что неправильно. Близко к пределу обнаружения частиц также принесли высокой изменчивости, общей для этого измерения. Эти результаты могут быть вызваны ошибкой взвешивания фильтры, но более вероятно, было обусловлено неправильной идентификации pseudofeces. Последняя возможность дополнительно подкрепляется наблюдения, что общая твердых частиц воды был слишком низким для того, чтобы вызвать pseudofeces производство22,23. Данные были исправлены путем отбрасывания неправильный pseudofeces данных и только расчета пути при приеме внутрь (рис. 8).
Аппарат для количественной оценки двустворчатых подвеска кормления, с помощью метода biodeposition на борту лодки могут быть модифицировать и адаптировать к несколько видов двустворчатых. Размер кормления камер может незначительно отличаться для размещения более широким или узким двустворчатых раковин. Важно отметить, однако, что изменение размеров питания камеры от описанных здесь требуют, что даже частиц через питание камеры устанавливается до проведения любого измерения. Объем воды фильтруют должна быть скорректирована в зависимости от местных условий. Низкий Сестона средах, таких как Калифорния требуется больший объем воды, отфильтрованы, чтобы превысить предел обнаружения для анализа на основе веса. В то же время, если слишком много вода фильтруется, то засорить фильтры, и необходимо увеличить время сушки (не температура) в духовке. Аналогичным образом коллекции biodeposit может потребоваться быть удлинен в средах с низким Сестона собрать достаточно материала, чтобы превысить предел аналитического обнаружения. Еще одним показателем проблематичным biodeposit коллекции является относительной органическое содержание воды против pseudofeces и калом. Фекалии и pseudofeces не могут содержать значительно больший процент органического вещества, чем воды; они являются продуктом отфильтрованных и обработанные частиц из воды. При некоторых условиях органическое содержание biodeposits может быть немного больше, чем воды вследствие органических инвестиций, что двустворчатых моллюсков для обработки частицы пищи; Однако эта инвестиция самое большее, даст незначительное увеличение в фекалиях органического вещества. Доля органического вещества сообщили здесь намного выше процент, который может присваиваться метаболических фекальные потери. Pseudofeces образцы из Массачусетса иллюстрируют эту потенциальную проблему. Содержание органических pseudofeces был вполне переменной, как отмечалось выше, но некоторые из реплицирует принесли органическое содержание, которое значительно превышает число соответствующих проб воды. Вполне возможно, что во время тяжелых морей за последний час biodeposit коллекции, pseudofeces были объединены с экзогенные органические вещества, которые искусственно повышенное содержание органических и принесли результаты физиологически невозможно (рис. 7) . Если высокое море государства являются вероятным в будущем рекомендуется применения этого метода, Добавление более реплицирует через дополнительных камер.
Ограничения метода является, что этот аппарат предназначен для количественного определения кормления взрослых особей. Точной и полной коллекции фекалий и pseudofeces от двустворчатых семян затруднено из-за небольшого размера (псевдо) фекалии и потребует гораздо больше экспериментов, чтобы получить достаточно материала, чтобы превысить предел аналитического обнаружения. Если используются малые люди, некоторые могут выполняться в одной камере для увеличения скорости фекалии и pseudofeces производства на камеру. Кроме того устройства может быть переработан с гораздо меньше экспериментальной камеры. Погода и море государства также могут быть важные ограничения, как они будут влиять на точность biodeposit проб. Экстремальные температуры и дождь могут уменьшить количество двустворчатых реплицирует, которые питаются. Глубина, на которой воды, которые развертываются насосов может изменяться между эксперименты для обеспечения Сестона, используемых в экспериментах отражают Сестона типичным глубины, на которой будет происходить двустворчатых культивирования. Несмотря на эти потенциальные ограничения метод предоставляет уникальную возможность для изучения фильтрации и кормления двустворчатых моллюсков в естественных условиях, с естественным Сестона, в отличие от смоделированных условиях в лаборатории. Полученные данные являются гораздо более реалистичными, чем лабораторных экспериментов и скорее всего, отражает производительность двустворчатых моллюсков в месте интерес. Новый метод для проведения судовых измерений значительно расширяет потенциальный географический охват.
Растущий интерес к мидий оффшорных аквакультурой представляет группу идеально пользователя для будущего применения этого метода. Сторон, заинтересованных в оптимизации размещения новых оффшорных аквакультурой операций можно использовать этот подход для изучения двустворчатых производительность в предлагаемых местах. Примером приложения, которое планируется является для проверки гипотезы о оптимальной глубины для сине мидий подвеска культуры в прибрежных водах южной части Новой Англии (Мидзута и Wikfors, в обзоре).
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы признать NEFSC и NOAA рыболовства службы управления аквакультуры для финансирования. Авторы благодарны их академических и отраслевых партнеров, Скотт Линдел, специалист исследования океанографического института Вудс отверстие и Фил Cruver, Генеральный директор Каталина море ранчо, который аранжированы и обеспечили доступ к морских районов выращивания мидий. Работы не было бы возможным без следующих рабочих платформ; R/V Капитан Джек принадлежащие Каталина море ранчо, R/V Джемма принадлежат и управляются морской биологической лаборатории, и R/V Виктор Loosanoff управляется NOAA рыболовства, северо-востоке научный центр рыболовства. Мы также благодарим капитанов лодке Джим Cvitanovich и Билл Klim за их опыт. Вернер Шрайнера представила его технического опыта в проектировании и изготовлении рамы, карданного таблицы и балластные цистерны, Главный танк и экспериментальной камеры.
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).
