Quantifizieren Fisch Schwimmverhalten in Reaktion auf akute Exposition von wässrigen Kupfer Form von computergestützten Video und digitale Bildanalyse
概要
Die Messung der Auswirkungen von Umweltschadstoffen auf Fischverhalten ist oft subjektiv und eine Herausforderung vor allem, wenn mit subletalen Endpunkten zu tun haben. Wir beschreiben Methoden , einschließlich Videotechnik Schwimmverhalten der frühen Lebensphase weißen Stör (Acipenser transmontanus) während und nach 96 Stunden akute Exposition gegenüber verschiedenen Konzentrationen von Kupfer zu quantifizieren.
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
Zu verstehen, wie Schadstoffbelastung Verhalten beeinflussen kann manchmal sehr schwierig und subjektiv. Verhalten wird typischerweise als eine Reihe von manifesten, beobachtbar, Ganzkörper-Aktivitäten definiert, die durch das zentrale Nervensystem betreiben und einen Organismus ermöglichen, zu überleben, zu wachsen und sich vermehren. Verhaltensänderungen aufgrund der Exposition zu einer toxicant gehören zu den sensibelsten Indikatoren für Umweltstress oft zwischen 10-100 – mal empfindlicher als im Vergleich zum Überleben 1. Die meisten dieser Studien untersuchten Schwimmaktivität, Belüftung und Verhalten der Fische 2,3,4 Nahrungssuche. Aktivität Schwimmen ist die am häufigsten verwendete subletalen Endpunkt in 5 eine Verhaltensänderung in Reaktion auf eine Verunreinigung in Toxizitätstests zu bestimmen. Schwimmen Variablen umfassen die Häufigkeit und Dauer der Bewegung, Geschwindigkeit und zurückgelegte Strecke, die Frequenz und die Winkel der Drehungen, die Position in der Wassersäule und das Muster des Schwimmens. Schwimmen Aktivitäteine wirksame Maßnahme der Schwimmverhalten , wenn die Empfindlichkeit auf einen toxicant über die Kriterien vorgeschlagen in Kapitel 9 von Rand 6 in dem Buch Fundamentals of Aquatic Toxicology Basis der Bewertung.
Dieser Beitrag stellt eine toxikologische Untersuchung als ein Beispiel dafür , wie die Toxizität von Kupfer zu Frühstadium von weißen Stör (Acipenser transmontanus) in verschiedenen Stadien der frühen Entwicklung in wasser nur der Engagements Schwimmverhalten zu Stör wurde ausgewertet und stellt Methoden zum Schwimmen Quantifizierung Verhalten.
In früheren Studien waren die Nebenverhaltensreaktionen offensichtlich mit frühem Beginn in den ersten Tagen der akuten und chronischen Exposition gegenüber Kupfer und wurde immer schwerer über Expositionsdauer und Konzentration 7.8.9. Die Größe und der Zeitpunkt des Beginns dieser Verhaltensreaktionen sind wahrscheinlich ausreichend langfristige Überleben zu begrenzen und somit bedenklich sind angesichts der Auswirkungen auf recruitment Ausfall 10. Um wurden die Bedeutung dieser Empfindlichkeit gegenüber Metallexposition Methoden und Verfahren, um genau zu interpretieren zur Quantifizierung der zeitlichen Verlauf und Ausmaß von Verhaltensstörungen in Bezug auf Kupferkonzentrationen entwickelt.
Testprotokolle für die Verhaltensfunktion und Entwicklung wurden durch die Analyse von Überkopfvideoproben von Stör in Expositionskammern hergestellt. Die Videoproben qualitative Bewertung der Entwicklung und Funktion unter Kupfer-Behandlungen in der gesamten Belichtungszeit zur Verfügung gestellt. Verhalten und Schutz suchenden Aktivität wurden bei Expositionen gegenüber wässrigen Kupferkonzentrationen ausgewertet, um die Zeit zu bestimmen, zu bewirken und die zeitliche Abfolge der Beeinträchtigung zu charakterisieren, die Zuflucht such betrifft, Lethargie, Schwimmen Koordination, Gleichgewicht und Atmung. Darüber hinaus wurden Videoaufnahmen von Stör aus jeder unterabgetasteten replizieren zum Zwecke der quantitativ zu dokumentieren spontane Schwimmen aktivität. Diese Endpunkte umfassten Maßnahmen von Dauer oder die Zeit bewegen, Schwimmen Geschwindigkeit und Distanz 5,11 gereist eines im Handel erhältlichen digitalen Bildanalyse – Software – Paket. Diese Software definiert den Umriss jedes Bild innerhalb eines Sichtfeldes und von diesem, definiert den Schwerpunkt für jedes Bild. Die Software kann in einem Frame für Frame nacheinander bestimmen die Wege der Bewegung der Position jedes Schwerpunktverfolgungs.
Diese Studie mit allen anwendbaren Abschnitten der Schlussregeln der Tierschutzgesetz Vorschriften (9 CFR) und mit allen institutionellen Richtlinien für die humane Behandlung der Testorganismen während der Kultur und des Experimentierens halten. Nach Beendigung der Studie wurden alle Fische nach entsprechenden Richtlinien eingeschläfert wie von der Institutional Animal Care und Use Committee für die US Geological Survey, Columbia Environmental Research Center genehmigt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verhaltensänderungen aufgrund der Exposition gegen Verunreinigung häufig als Endpunkt für die subletale Toxizität verwendet, kann aber schwierig sein, zu messen. Im Allgemeinen werden Verhalten Antworten durch visuelle Beobachtungen und manuelle Datenanalyse gemessen, die sehr viel Zeit erfordert, zu verarbeiten. Allerdings Technologie mit fortschreitendem haben Methoden zur Quantifizierung von Schwimmaktivität konzentrierte sich auf mit Videografie 18 und Bewegungsanalyse oder digitale Tracking – Software , die die Verarbeitung und Analyse Zeit reduziert. Bei der Analyse der Video erfassten Daten, Quantifizierung Schwimmen Variablen manuell sehr zeitaufwendig gewesen wäre, so die Verwendung von Videodaten Aufnahmen und Fisch-Tracking-Software, eine effektive und effiziente Möglichkeit zur Analyse von Stör Schwimmverhalten zur Verfügung gestellt. Obwohl das Verfahren hervorgehoben Verhalten eines Fisches schwimmen, für andere Organismen, wie Amphibien und wirbellose Wasser Anpassung würden einfache Modifikationen erfordern. Je nachdem, was Verhaltens Endpunts werden adressiert, experimentelles Design und Kamerasysteme können mit fast jedem handelsüblichen Tracking-Software-Paket für den Einsatz entwickelt werden.
Das Verfahren wird unter Verwendung von gelöstem Kupfer gezeigt, ist aber auch auf andere wässrige Verunreinigungen oder Eigenschaften wie Temperatur oder Sauerstoffgehalt. Die Protokolle in dieser Arbeit entwickelt und präsentiert dazu verwendet, eine einfache digitale Videokamera als Aufzeichnungsgerät. Die digitalen Dateien werden einfach auf einen Computer übertragen und in die Bewegungsanalyse-Software hochgeladen. Die Methoden werden ständig modifiziert und verfeinert, um die Quantifizierung Prozess zu optimieren. Es ist zwingend notwendig, dass die Videoqualität für die Analyse-Software, um in High-Definition sein, jede einzelne Fische zu identifizieren, für die Verfolgung. Jeder Hintergrund, die mit den Fisch nicht Kontrast wird zu Problemen führen, wenn man versucht, die Datendateien zu verarbeiten. Ein weiteres häufiges Problem mit zweidimensionalen Videotracking ist Identifizierung von Personenbeim Schwimmen Wege kreuzen. Dies kann manuell korrigiert werden, indem jeder Fisch während des Bahnübergang zu identifizieren und die Pfadsegmente innerhalb der Software-Verknüpfung. Alternativ kann die Gesamtaktivität von jeder Wiederholungskammer als Gruppendurchschnitt bestimmt werden. Mehreren einzelnen Kammern mit jeweils einem einen Fisch enthalten, können im gleichen Sichtfeld gefilmt werden Bewegungen einzelner Fisch zu berechnen.
Zur Zeit haben wir über den Expositionskammern mit einer Reihe von Kopfüberwachungskameras aufgerüstet, das Aufzeichnungsgerät digitale Video zu einer High-Definition (HD-DVR) verbunden sind. die Verwendung eines Kamerasystems jedoch, die High-Definition-MPEG-4-Videos aufzeichnen kann funktionieren. Der HD-DVR kann zu einem bestimmten Zeitpunkt und programmiert für bis zu 7 Tage zum Datensatz gesetzt werden. Diese hands-off automatisierten Ansatz ermöglicht die Erfassung von mehreren Videos gleichzeitig die Konsistenz zu halten, während externe Störungen zu minimieren, die Fischverhalten beeinträchtigen könnten. Der HD-DVR Systems sind mit einem internen Netzwerk so der Übertragung von Dateien ist relativ einfach. Während die automatische Kamerasystem eine viel bessere Technik für die Quantifizierung von Schwimmverhalten ist, ist es immer noch vorteilhaft visuelle Beobachtungen durchzuführen als zusätzliche unterstützende Informationen zur Dokumentation von Verhaltens Beeinträchtigung bei Toxizitätstests dienen.
Es gibt eine lange Geschichte der Literatur Dokumentieren verändert Fischverhalten von der Exposition gegenüber Metallen resultierenden aus dem Anfang der 1960er Jahre 19,20,21. Kupfer hat sich gezeigt , um zu bewirken Veränderungen im Tätigkeitsniveau wie Hypoaktivität in bluegill 22 (Lepomis macrochirus Rafinesque) und Veränderungen in der Bewegungs- und der Nahrungsaufnahme von Bachforelle 23 (Salvelinus fontinalis). Wenigstens einige Jungfische verlassen sich auf ihren Geruchssinn zu erkennen und Räuber zu vermeiden, und Kupfer-induzierte chemosensorische Deprivation kann Verhaltensweisen beeinflussen 24,25,26 in Bezug auf Erkennung Alarm Chemikalien </sup>. Das Riechepithel ist beschädigt durch Kupfer Exposition dadurch sensorischen Mechanismen beeinflussen , die in Desorientierung, Verhaltensvermeidung, reduziert Fütterung und alle anderen Verhaltensweisen , die geführt werden von olfaction 27 führen könnte. Diese veränderten Verhaltensweisen wurden im Einklang mit dem, was während der Expositionen beobachtet wurde.
Das Schwimmverhalten von weißen Stör wurde stark bei subletalen Exposition gegenüber wässrigen Kupferkonzentrationen beeinflusst .. Diese Ergebnisse veranschaulichen, wie das Verhalten bei subletalen Konzentrationen von Kupfer beeinflusst und kann als Indikator für toxische Belastung verwendet werden. Die Video-basierte Analyse erwies sich als wirksam bei der Schwimmverhalten zu quantifizieren und diente auch als qualitative visuelle Dokumentation der schwerwiegende Auswirkungen auf die Stör Kupfer ausgesetzt. Die Analyse-Software ist auch in der Lage andere verschiedene Verhaltensendpunkte zu quantifizieren. Siehe Tabelle 1 für eine Liste. Das Belichtungssystem kann modifiziert werden, um jeden Endpunkt zu adressieren inEchtzeit-Modus und kann verwendet werden, Unterschiede im Verhalten mit der Exposition gegenüber verschiedenen Verunreinigungen von Belang zu quantifizieren.
Die Verwendung von Verhaltensendpunkte in Wasser toxikologischen Forschung ist zunehmend beschäftigt und sollte in Betracht gezogen werden , wenn die Auswirkungen von Verunreinigungen Auswertung , da adaptive Verhaltensfunktion bei der Bestimmung von Umweltschäden 9 von entscheidender Bedeutung ist. Die Auswirkungen von Umweltschadstoffen auf Fischverhalten ist oft subjektiv und eine Herausforderung vor allem, wenn mit subletalen Endpunkte in Abwesenheit von Standard-Methoden zu tun ..
als quantifiziert Schwimmaktivität durch diese Verfahren verwenden, können streng überwacht werden, ist zerstörungsfrei mit minimaler Spannung auf den Organismus und wiederholt werden kann. Verhalten Schwimmen ist eine gültige und konsistente Index der subletale Toxizität , die in Testprotokolle aufgenommen werden sollte 5 die Empfindlichkeit der Standard – Toxizitätstests zu erweitern.
開示
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 |
参考文献
- Gerhardt, A. Aquatic behavioral ecotoxicology-prospects and limitations. Hum Ecol Risk Assess: An International Journal. 13 (3), 481-491 (2007).
- Beitinger, T. L. Behavioral reactions for the assessment of stress in fishes. J Great Lakes Res. 16, 495-528 (1990).
- Beitinger, T. L., McCauley, R. W. Whole-animal and physiological processes for the assessment of stress in fishes. J Great Lakes Res. 16, 542-575 (1990).
- Dell’Omo, G. . Behavioural Ecotoxicology. , (2002).
- Little, E. E., Finger, S. E. Swimming behavior as an indicator of sublethal toxicity in fish. Environ Toxicol Chem. 9, 13-19 (1990).
- Rand, G. M., Rand, G. M., Petrocelli, S. R. Behavior. Fundamentals of Aquatic Toxicology: Methods and Applications. , 221-256 (1985).
- Calfee, R. D., et al. Acute sensitivity of white sturgeon (Acipenser transmontanus) and rainbow trout (Onchorhynchus mykiss) to copper, cadmium, or zinc in water-only laboratory exposures. Environ Toxicol Chem. 33 (10), 2259-2272 (2014).
- Little, E. E., Calfee, R. D., Linder, G. Toxicity of smelter slag-contaminated sediments from Upper Lake Roosevelt and associated metals to early life stage White Sturgeon (Acipenser transmontanus Richardson, 1836). J Appl Ichthyol. , 1-11 (2014).
- Wang, N., et al. Chronic sensitivity of white sturgeon (Acipenser transmontanus) and rainbow trout (Onchorhynchus mykiss) to cadmium, copper, lead or zinc in water-only laboratory exposures. Environ Toxicol Chem. 33 (10), 2246-2258 (2014).
- Little, E. E., Dell’Omo, G. Behavioral measures of injuries to fish and aquatic organisms: regulatory considerations. Behavioural Ecotoxicology. , 411-431 (2002).
- Little, E. E., Brewer, S. K., Schlenk, D., Benson, W. H. Neurobehavioral toxicity in fish. Target Organ Toxicity in Marine and Freshwater Teleosts New Perspectives: Toxicology and the Environment. Volume 2. , 139-174 (2001).
- Mount, D. I., Brungs, W. A. A simplified dosing apparatus for fish toxicological studies. Water Res. 1, 21-29 (1967).
- . Standard guide for performing early life-stage toxicity tests with fishes. Annual.Book of ASTM International Standards. Volume 11.06. , 1241-1305 (2013).
- . Standard guide for measurement of behavior during fish toxicity tests. Annual.Book of ASTM Standards. Volume 11.06. , 1711 (2014).
- . Standard guide for conducting acute toxicity tests on test materials with fishes, macroinvertebrates, and amphibians. Annual.Book of ASTM Standards. Volume 11.06. , 729-796 (2014).
- Brunson, , et al. Assessing bioaccumulation of contaminants from sediments from the upper Mississippi River using field-collected oligochaetes and laboratory-exposed Lumbriculus variegatus. Arch Environ ConTox. 5, 191-201 (1998).
- Brumbaugh, W. G., May, T. W., Besser, J. M., Allert, A. L., Schmitt, C. J. Assessment of elemental concentrations in streams of the New Lead Belt in southeastern Missouri, 2002-05. U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2007-5057. , (2007).
- Kane, A. S., Salierno, J. D., Gipson, G. T., Molteno, T. C. A., Hunter, C. A video-based movement analysis system to quantify behavioral stress responses of fish. Water Res. 38, 3993-4001 (2004).
- Sprague, J. B. Avoidance of Copper-Zinc Solutions by Young Salmon in the Laboratory. JWater Pollut Control Fed. 36 (8), 990-1004 (1964).
- Saunders, R. L., Sprague, J. B. Effects of copper-zinc mining pollution on a spawning migration of Atlantic salmon. Water Res. 1 (6), 419-432 (1967).
- Barron, M. G., Dell’Omo, G. Environmental contaminants altering behavior. Behavioural Ecotoxicology. , 167-186 (2002).
- Ellgaard, E. G., Guillot, J. L. Kinetic analysis of the swimming behavior of bluegill sunfish, Lepomis macrochirus rafinesque, exposed to copper: hypoactivity induced by sublethal concentrations. J Fish Biol. 33, 601-608 (1998).
- Drummond, R. A., Spoor, W. A., Olson, G. G. Some short-term indicators of sublethal effects of copper on brook trout, Salvelinus fontinalis. J Fish Res Board Can. 30, 698-701 (1973).
- Hansen, J. A., Rose, J. D., Jenkins, R. A., Gerow, K. G., Bergman, H. L. Chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha) and rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) exposed to copper: neurophysiological and histological effects on the olfactory system. Environl Toxicol Chem. 18, 1979-1991 (1999).
- Sandahl, J. F., Baldwin, D. H., Jenkins, J. J., Scholz, N. L. A sensory system at the interface between urban stormwater runoff and salmon survival. Environ Sci Technol. 41 (8), 2998-3004 (2007).
- McIntyre, J. K., Baldwin, D. H., Beauchamp, D. A., Scholz, N. L. Low-level copper exposures increase visibility and vulnerability of juvenile coho salmon to cutthroat trout predators. Ecol Appl. 22 (5), 1460-1471 (2012).
- Green, W. W., Mirza, R. S., Wood, C. M., Pyle, G. G. Copper binding dynamics and olfactory impairment in fathead minnows (Pimephales promelas). Environ Sci Technol. 44 (4), 1431-1437 (2010).
