Quantifier Poisson Natation Comportement en réponse à une exposition aiguë de cuivre aqueux assistées par ordinateur et vidéo numérique Analyse d'image
Summary
Mesurer les impacts des contaminants environnementaux sur le comportement des poissons est souvent subjective et stimulant notamment lorsqu'ils traitent avec paramètres sublétaux. Nous décrivons les méthodes , y compris la technologie vidéo pour quantifier le comportement de nage de la vie stade précoce de l' esturgeon blanc (Acipenser transmontanus) pendant et après 96 h une exposition aiguë à diverses concentrations de cuivre.
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
Comprendre comment l'exposition aux contaminants peut affecter le comportement est parfois très difficile et subjective. Le comportement est généralement défini comme une série d'activités, l'ensemble du corps observables manifestes qui opèrent à travers le système nerveux central et permettent à un organisme de survivre, se développer et se reproduire. Les changements de comportement dus à l' exposition à une substance toxique sont parmi les indicateurs les plus sensibles du stress environnemental souvent entre 10-100 fois plus sensible par rapport à la survie 1. La majorité de ces études ont examiné l' activité de natation, la ventilation et le comportement alimentaire des poissons 2,3,4. Piscine activité est sublétale critère le plus fréquemment utilisé dans la détermination d' un changement de comportement en réponse à un contaminant dans les tests de toxicité 5. les variables de natation incluent la fréquence et la durée du mouvement, la vitesse et la distance parcourue, la fréquence et l'angle de tours, la position dans la colonne d'eau et le motif de la natation. activité de natation estune mesure efficace de comportement de nage pour évaluer la sensibilité à une substance toxique sur la base des critères proposés dans le chapitre 9 par Rand 6 dans les Principes comptables de toxicologie aquatique.
Cet article présente une étude toxicologique comme un exemple de la façon dont la toxicité du cuivre jusqu'au début du stade de vie de l' esturgeon blanc (Acipenser transmontanus) à différents stades de développement précoce dans l' eau uniquement les expositions par rapport à l' esturgeon comportement de nage a été évalué et illustre les méthodes de quantification de la natation comportement.
Dans des études précédentes, les réponses comportementales indésirables étaient évidents avec l' apparition précoce au cours des premiers jours de l' exposition aiguë et chronique au cuivre et sont devenus de plus en plus sévère sur la durée d'exposition et la concentration 7,8,9. L'ampleur et le moment de l'apparition de ces réponses comportementales sont probablement suffisantes pour limiter la survie à long terme et sont donc préoccupants étant donné les implications pour recruiéchec timent 10. Afin d'interpréter correctement la signification de cette sensibilité aux méthodes et procédures d'exposition métalliques ont été mis au point pour quantifier le cours du temps et de l'étendue des troubles de comportement par rapport aux concentrations de cuivre.
protocoles d'essai pour la fonction du comportement et du développement ont été établis en analysant des échantillons vidéo généraux de l'esturgeon dans des chambres d'exposition. Les échantillons vidéo fournis évaluation qualitative du développement et de la fonction entre les traitements de cuivre pendant toute la période d'exposition. Comportement et abri recherche de l'activité ont été évalués au cours de l'exposition à des concentrations de cuivre aqueux pour déterminer le temps d'effectuer et de caractériser la séquence temporelle de la déficience qui affecte un abri recherche, la léthargie, la natation coordination, l'équilibre et la respiration. En outre, les enregistrements vidéo ont été faites de l'esturgeon sous-échantillonné de chaque répétition dans le but de documenter quantitativement la natation acti spontanéetivité. Ces critères d' évaluation comprenaient des mesures de durée ou le temps passé en mouvement, la natation vitesse et la distance parcourue 5,11 en utilisant un logiciel d'analyse d'image numérique disponible dans le commerce. Ce logiciel définit le contour de chaque image à l'intérieur d'un champ de vision et de cela, définit le centre de gravité de chaque image. Le logiciel peut alors suivre la position de chaque centroïde dans un cadre par succession de trame pour déterminer les trajectoires de déplacement.
Cette étude satisfait à toutes les sections applicables des Règles finales des règlements de la Loi la protection des animaux (9 CFR) et avec toutes les directives institutionnelles pour le traitement humain des organismes d'essai au cours de la culture et de l'expérimentation. En cas de résiliation de l'étude, tous les poissons ont été euthanasiés selon des directives appropriées approuvées par le Comité soin et l'utilisation institutionnelle animale pour l'US Geological Survey, Columbia Environmental Research Center.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les changements de comportement dus à l'exposition à un contaminant sont souvent utilisés comme un critère d'évaluation de la toxicité sub-létale, mais peut être difficile à mesurer. En règle générale, les réponses de comportement sont mesurés par des observations visuelles et l'analyse manuelle des données qui nécessite beaucoup de temps à traiter. Cependant , avec les progrès technologiques, des procédés permettant de quantifier l' activité de natation se sont concentrés sur l' utilisation de 18 vidéographie et analyse de mouvement ou d'un logiciel de suivi de piste numérique qui réduit le temps de traitement et d' analyse. Lors de l'analyse de la vidéo données capturées, la quantification des variables de natation manuellement auraient été beaucoup de temps donc l'utilisation d'enregistrements de données vidéo et de logiciels de suivi des poissons fournis d'une manière plus efficace et efficient pour l'analyse du comportement de natation de l'esturgeon. Bien que la procédure a mis en évidence la natation comportement d'un poisson, la personnalisation pour d'autres organismes tels que les amphibiens et les invertébrés aquatiques nécessiteraient des modifications simples. Selon ce que endpoin comportementalets sont traitées, les systèmes de conception et de caméras expérimentales peuvent être développés pour une utilisation avec à peu près tout paquet disponible dans le commerce de logiciel de suivi.
La méthode est démontrée en utilisant le cuivre dissous, mais est applicable à d'autres contaminants ou des caractéristiques telles que la température ou la teneur en oxygène aqueux. Les protocoles développés et présentés dans ce document ont utilisé une caméra vidéo numérique simple que le dispositif d'enregistrement. Les fichiers numériques sont facilement transférées vers un ordinateur et téléchargées dans le logiciel d'analyse de mouvement. Les méthodes sont constamment modifiées et raffinées pour rationaliser le processus de quantification. Il est impératif que la qualité vidéo soit en haute définition pour que le logiciel d'analyse pour identifier chaque poisson individuel pour le suivi. Tout fond qui ne contraste pas avec les poissons causera des problèmes en essayant de traiter les fichiers de données. Un autre problème commun avec deux suivi vidéo dimensionnel est d'identifier les individuslorsque les chemins de natation se croisent. Ceci peut être corrigé manuellement en identifiant chaque poisson pendant la traversée de chemin et reliant les segments de chemin dans le logiciel. En variante, l'activité totale peut être déterminée à partir de chaque chambre répliquée comme une moyenne du groupe. Plusieurs chambres individuelles avec chacune contenant un poisson peuvent être filmés dans le même champ de vision pour calculer les mouvements de chaque poisson.
Actuellement, nous avons mis à niveau à l'aide d'une série de caméras de surveillance aériennes au-dessus des chambres d'exposition qui sont liés à un dispositif d'enregistrement vidéo numérique haute définition (HD-DVR). Cependant, l'utilisation de tout système de caméra qui peut enregistrer en haute définition MPEG-4 vidéos fonctionnera. Le HD-DVR peut être configuré pour enregistrer à un moment précis et programmé pour un maximum de 7 jours. Cette main-off approche automatisée permet la capture de plusieurs vidéos en même temps de maintenir la cohérence tout en minimisant les perturbations externes qui pourraient compromettre le comportement des poissons. Le syste HD-DVRms sont connectés à un réseau interne afin de transférer des fichiers est relativement simple. Alors que le système de caméra automatique est une technique améliorée beaucoup pour quantifier le comportement de la natation, il est toujours utile de mener des observations visuelles pour servir de support d'information supplémentaire pour documenter des altérations comportementales lors des tests de toxicité.
Il y a une longue histoire de comportement des poissons modifié la littérature documentant résultant de l' exposition aux métaux remontant au début des années 1960 19,20,21. Il a été démontré en cuivre pour provoquer des changements dans les niveaux d'activité tels que l' hypoactivité chez le crapet 22 (Lepomis macrochirus Rafinesque) et les changements dans locomoteur et de l' activité d' alimentation de l' omble de fontaine 23 (Salvelinus fontinalis). Au moins certains poissons juvéniles comptent sur leur sens de l' odorat pour détecter et éviter les prédateurs, et chemosensory privation induite de cuivre peut avoir un impact comportements liés à la détection des produits chimiques d'alarme 24,25,26 </sup>. L'épithélium olfactif est endommagé en raison de l' exposition de cuivre affectant ainsi les mécanismes sensoriels qui pourraient entraîner une désorientation, un comportement d' évitement, réduction de l' alimentation et d'autres comportements qui sont guidés par olfaction 27. Ces comportements modifiés étaient conformes à ce qui a été observé lors des expositions.
Le comportement de nage de l'esturgeon blanc a été grandement affecté lors de l'exposition sublétale à des concentrations de cuivre aqueux .. Ces résultats illustrent comment le comportement est affecté à des concentrations sublétales de cuivre et peut être utilisé comme un indicateur de stress toxique. L'analyse basée vidéo avérée efficace pour quantifier le comportement de natation et a également servi en tant que documentation visuelle qualitative des impacts graves sur l'esturgeon exposés au cuivre. Le logiciel d'analyse est également capable de quantifier les divers autres paramètres comportementaux. S'il vous plaît se référer au tableau 1 pour une liste. Le système d'exposition peut être modifié pour répondre à chaque extrémité dansle mode en temps réel et peut être utilisé pour quantifier les différences dans le comportement associé à l'exposition à divers contaminants préoccupants.
L'utilisation de paramètres comportementaux dans la recherche toxicologique aquatique est de plus en plus employée et doit être considéré lors de l' évaluation des effets des contaminants parce que la fonction du comportement adaptatif est crucial dans la détermination du préjudice environnemental 9. Les effets des contaminants environnementaux pour le comportement des poissons est souvent subjective et stimulant notamment lorsqu'ils traitent avec paramètres sublétaux en l'absence de méthodes standard ..
Piscine activité quantifiée par l'utilisation de ces méthodes peuvent être surveillées avec rigueur, est non-destructive avec un minimum de stress pour l'organisme et peut être répétée. Piscine comportement est un index valide et cohérente de toxicité sublétale qui devrait être intégrée dans les protocoles de test pour développer la sensibilité des tests de toxicité standard 5.
Disclosures
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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