Количественная рыба плавание поведение в ответ на Острое отравление водного раствора меди с помощью с помощью компьютера видео и цифрового анализа изображений
Summary
Измерение воздействия загрязнителей окружающей среды на поведение рыбы часто субъективны и сложным особенно при работе с сублетальных. Описаны методы , включая видео технологию для количественной оценки плавание поведение ранней жизни стадии белого осетра (Acipenser transmontanus) во время и после 96 ч острого воздействия различных концентраций меди.
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
Понимание того, как загрязняющее воздействие может повлиять на поведение порой очень сложным и субъективным. Поведение, как правило, определяется как ряд откровенных, наблюдаемыми, деятельность всего тела, которые действуют через центральную нервную систему и позволяют организму выживать, расти и размножаться. Изменения в поведении в результате воздействия токсиканта являются одними из наиболее чувствительных показателей экологического стресса часто между 10-100 раз более чувствителен по сравнению с выживанием 1. Большинство этих исследований рассматривались плавательной активности, вентиляции и нагула поведение рыбы 2,3,4. Плавательной активности является наиболее часто используемым сублетальная конечной точки при определении изменений в поведении в ответ на загрязнителя в тестах на токсичность 5. Плавательные переменные включают частоту и продолжительность движения, скорость и расстояние, частоту и угол поворотов, положение в толще воды и образец плавания. Плавание деятельностьэффективной мерой плавательного поведения при оценке чувствительности к токсиканта на основе критериев , предложенных в главе 9 Рэнда 6 в книге Основы водной токсикологии.
Эта статья представляет собой токсикологическое исследование в качестве примера того , как токсичность меди к ранней жизни стадии белого осетра (Acipenser transmontanus) на различных этапах раннего развития в воде только обнажений по отношению к осетровые плаванию поведение оценивали и иллюстрирует методы количественной оценки плавание поведение.
В предыдущих исследованиях, неблагоприятные поведенческие реакции были очевидны с ранним началом в течение первых нескольких дней острых и хронических воздействий на меди и стали все более серьезными в течение длительности воздействия и концентрации 7,8,9. Масштабы и сроки наступления этих поведенческих реакций, вероятно, достаточно, чтобы ограничить долгосрочное выживание и, таким образом, представляют интерес, учитывая последствия для recruiотказ tment 10. Для того, чтобы точно интерпретировать значение этой чувствительности к методам и процедурам воздействия металла были разработаны для количественной оценки временной ход и степень поведенческих нарушений по отношению к концентрации меди.
протоколы испытаний для поведенческой функции и развития были созданы на основе анализа накладных видео образцов осетровых рыб в камерах облучения. Видео образцы при условии качественной оценки развития и функционирования среди медных обработок на протяжении всего периода экспозиции. Поведение и кров ищущий активность оценивали во время воздействия на водных концентраций меди, чтобы определить время, чтобы осуществить и охарактеризовать временную последовательность нарушений, что влияет на кров потребовался, вялость, плавание координацию, равновесие и дыхание. Кроме того, видеозаписи были сделаны из осетровых рыб субдискретизированных из каждой репликации с целью количественного документирующего спонтанного плавательном ACTiVity. Эти конечные точки включали меры по продолжительности или время , проведенное перемещение, плавание скорость и расстояние , пройденное 5,11 с использованием коммерчески доступного цифрового изображения пакет программного обеспечения для анализа. Это программное обеспечение определяет контуры каждого изображения в пределах поля зрения и из этого, определяет центр тяжести для каждого изображения. Затем программное обеспечение может отслеживать положение каждого центроида в кадре с помощью последовательности кадров, чтобы определить пути движения.
Это исследование выполнило все применимые секции Заключительных Правил на основании положений Закона защиты животных (9 CFR), а также со всеми институциональными руководящих принципов гуманного обращения исследуемых организмов в процессе культивирования и экспериментов. По окончании исследования все рыбы были умерщвлены в соответствии с руководящими принципами, соответствующих утвержденных по уходу и использованию комитета Institutional животных для Геологической службы США, научно-исследовательский центр экологической Колумбии по.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изменения в поведении из-за воздействия загрязнителя часто используются в качестве конечной точки для сублетального токсичности, но может быть трудно измерить. Как правило, поведенческие реакции измеряют с помощью визуального наблюдения и ручного анализа данных, который требует много времени для обработки. Тем не менее с развития технологии, методы количественной оценки активности плавания были сосредоточены на использовании видеографию 18 и анализа движения или цифрового отслеживания программного обеспечения , которое сокращает время обработки и анализа. При анализе видео захваченные данные, количественной оценки плавание вручную переменные были бы очень много времени, поэтому использование записи данных видео и программного обеспечения отслеживания рыбы обеспечивает более эффективный и эффективный способ для анализа поведения осетр плавания. Хотя процедура выделенный плавание поведение рыбы, настраивая для других организмов, таких как амфибий и водных беспозвоночных, потребует простых модификаций. В зависимости от того, какой поведенческой endpoinTS решаются, опытно-конструкторские и камеры системы могут быть разработаны для использования с любой коммерчески доступного отслеживания пакетов программного обеспечения.
Метод демонстрируется с использованием растворенной меди, но применимо к другим водных загрязнителей или характеристик, таких как температура или содержание кислорода. Протоколы, разработанные и представленные в этой статье используется простой цифровой видеокамеры в качестве записывающего устройства. Цифровые файлы легко переносятся на компьютер и загружены в программное обеспечение анализа движения. Методы постоянно модифицируется и уточнена, чтобы упростить процесс количественной оценки. Крайне важно, чтобы качество видео будет в формате высокой четкости для того, чтобы программное обеспечение для анализа, чтобы идентифицировать каждую индивидуальную рыбу для отслеживания. Любой фон, который не контрастирует с рыбой будет вызывать проблемы при попытке обработать файлы данных. Еще одна распространенная проблема с двухмерной отслеживания видео является выявление лицпри плавании пути пересекутся. Это может быть исправлено вручную путем идентификации каждой рыбы во время пути пересечения и связывая сегменты пути внутри программного обеспечения. В качестве альтернативы, общая активность может быть определена из каждой повторности камеры в среднем по группе. Несколько отдельных камер с каждый из которых содержит одну рыбу можно снять в том же поле зрения для расчета движения отдельных рыб.
В настоящее время мы модернизировали к использованию ряд воздушных камер наблюдения над камерами воздействия, которые связаны с цифровым видео устройства записи высокой четкости (HD-DVR). Тем не менее, использование любой системы камеры, которая может записывать видео высокой четкости в формате MPEG-4 видео будет работать. HD-DVR может быть настроен на запись в определенное время и запрограммировать на срок до 7 дней. Это руки прочь автоматизированный подход позволяет захват нескольких видео одновременно, чтобы обеспечить согласованность при одновременной минимизации внешних возмущений, которые могли бы поставить под угрозу поведение рыбы. HD-DVR систмс подключены к внутренней сети так что передача файлов является относительно простым. В то время как автоматизированная система камеры является значительно улучшена методика количественной оценки поведения плавания, он по-прежнему полезно проводить визуальные наблюдения, чтобы служить в качестве дополнительной вспомогательной информации для документирования нарушения поведения во время тестов на токсичность.
Существует долгая история литературы , документирующей измененном поведения рыб в результате воздействия металлов , начиная с начала 1960 – х годов 19,20,21. Медь было показано , чтобы вызвать изменения в уровне активности , такие как гипофункции в синежаберного 22 (Lepomis macrochirus Rafinesque) и изменения в опорно – двигательного аппарата и подкормки активность ручьевая форель 23 (голец Fontinalis). По крайней мере , некоторые молодь рыбы полагаются на свое обоняние , чтобы обнаруживать и избегать хищников, а также медно-индуцированной хемосенсорных лишение может повлиять на поведение , связанные с химическими веществами сигнализации обнаружения 24,25,26 </sup>. Обонятельный эпителий повреждается из – за воздействия меди влияя тем самым на сенсорные механизмы , которые могут привести к дезориентации, поведенческие избегания, снижение питания и любые другие виды поведения, которые руководствуются обонянием 27. Эти измененные формы поведения соответствовали тому, что наблюдалось во время экспозиции.
Поведение плавание белого осетра было большое влияние во время сублетального воздействия водных концентраций меди .. Эти результаты показывают, как поведение влияет на концентрации сублетальных меди и может быть использовано в качестве индикатора токсического стресса. На основе анализа видео оказалось эффективным при количественной оценке поведения плавания, а также служил в качестве качественной визуальной документации серьезных воздействий на осетровых рыб, подвергшихся воздействию меди. Программное обеспечение для анализа также может количественной оценки другие различные поведенческие конечные точки. Пожалуйста , обратитесь к таблице 1 для списка. Система экспозиции может быть изменена для решения каждой конечной точки врежим реального времени и могут быть использованы для количественной оценки различий в поведении, связанных с воздействием различных загрязнений, вызывающих озабоченность.
Использование поведенческих конечных точек в водной токсикологических исследований все чаще применяется и следует учитывать при оценке воздействия загрязняющих веществ , потому что адаптивная поведенческая функция имеет решающее значение при определении экологической травмы 9. Воздействие загрязнителей окружающей среды на поведение рыб часто субъективны и сложным особенно при работе с сублетальных в отсутствие стандартных методов ..
Плавательной активности, как количественно, используя эти методы могут быть строго контролироваться, является неразрушающим с минимальным стрессом для организма и может повторяться. Плавание поведение является корректным и последовательным индексом сублетального токсичности , которые должны быть включены в протоколы испытаний , чтобы расширить чувствительность стандартных тестов на токсичность 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 |
References
- 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).
