Måle effekter av miljøgifter på fiskens atferd er ofte subjektive og utfordrende spesielt når du arbeider med subletale endepunkter. Vi beskriver metoder, inkludert video teknologi for å kvantifisere svømming atferd tidlig livsfase hvit stør (Acipenser transmontanus) under og etter 96 timers akutt eksponering for ulike konsentrasjoner av kobber.
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.
Forstå hvordan forurensning eksponering kan påvirke atferden er til tider svært utfordrende og subjektive. Opptreden er vanligvis definert som en serie av utilslørt, observerbare, hele kroppen aktiviteter som opererer gjennom det sentrale nervesystemet og gjør det mulig for en organisme å overleve, vokse og formere seg. Endringer i atferd som følge av eksponering for et giftstoff er blant de mest følsomme indikatorer på miljøstress ofte mellom 10-100 ganger mer følsom i forhold til overlevelse ett. De fleste av disse studiene undersøkte svømmeaktivitet, ventilasjon og beite atferd av fisk 2,3,4. Svømming aktivitet er den mest brukte sublethal endepunkt i å bestemme en atferdsendring som følge av en forurensning i toksisitetstester 5. Svømme variabler inkluderer hyppighet og varighet av bevegelse, fart og distanse, frekvens og vinkel på svinger, plassering i vannsøylen og mønsteret av svømming. Svømmeaktivitet eret effektivt tiltak for svømmeatferd ved vurdering av følsomhet for et giftstoff basert på kriteriene som foreslås i kapittel 9 av Rand 6 i boken Fundamentals of Aquatic Toxicology.
Dette notatet presenterer en toksikologisk undersøkelse som et eksempel på hvordan giftigheten av kobber til tidlig livsstadiet hvit stør (Acipenser transmontanus) på ulike stadier av tidlig utvikling i vann bare status i forhold til stør svømmeatferd ble evaluert og illustrerer metoder for å kvantifisere bading oppførsel.
I tidligere studier, uønskede atferdsmessige reaksjoner var tydelig med tidlig debut i løpet av de første dagene av akutte og kroniske eksponeringer til kobber og ble stadig mer alvorlig over eksponering varighet og konsentrasjon 7,8,9. Størrelsen og tidspunktet for utbruddet av disse atferdsmessige reaksjoner er sannsynlig nok til å begrense langsiktig overlevelse og dermed er av interesse gitt konsekvenser for recruitment svikt 10. For nøyaktig å tolke betydningen av denne følsomhet overfor metalleksponerings metoder og fremgangsmåter er utviklet for å kvantifisere tidsforløpet og graden av atferdsmessige svakheter i forhold til kobberkonsentrasjonen.
Test protokoller for atferds funksjon og utvikling ble etablert ved å analysere overhead video prøver av stør i eksponeringskamrene. Videoen prøvene gitt kvalitativ vurdering av utvikling og funksjon blant kobber behandlinger i løpet av eksponeringstiden. Atferd og husly søkende aktivitet ble evaluert i løpet av eksponering for vannkobberkonsentrasjoner å bestemme tidspunktet for å gjennomføre og å karakterisere tidsmessige rekkefølgen på verdifall som påvirker ly søkende, slapphet, svømming koordinasjon, balanse og respirasjon. I tillegg ble videoopptak gjort av stør delutvalgt fra hver replikere i den hensikt kvantitativt dokumentere spontan svømming aktiteten. Disse endepunkter inkluderte tiltak av varighet eller tidsbruk i bevegelse, svømming hastighet og distanse 5,11 med en kommersielt tilgjengelig digital bildeanalyse programvarepakken. Denne programvaren definerer omrisset av hvert bilde innenfor et synsfelt og fra denne, definerer den sentroide for hvert bilde. Programvaren kan deretter spore posisjonen til hver sentroide i en ramme for ramme rekkefølge for å bestemme banene til bevegelse.
Denne studien holdt alle relevante deler av den endelige reglene for dyrevernloven bestemmelser (9 CFR) og med alle institusjonelle retningslinjer for human behandling av testorganismene under kultur og eksperimentering. Ved avslutning av studien, ble all fisk avlivet i henhold til hensiktsmessige retningslinjer som er godkjent av Institutional Animal Care og bruk komité for US Geological Survey, Columbia Environmental Research Center.
Endringer i oppførsel, på grunn av eksponering for en forurensning blir ofte brukt som et sluttpunkt for sub-letal toksisitet, men kan være vanskelig å måle. Vanligvis er atferdsresponser målt ved visuelle observasjoner og manuell dataanalyse som krever mye tid å behandle. Men med fremme teknologi, har metoder for å kvantifisere svømmeaktivitet fokusert på å bruke videoopptak 18 og bevegelsesanalyse eller digital sporing programvare som reduserer bearbeiding og analyse tid. Under analysen av videoen fanget data, kvantifisere svømme variabler manuelt ville ha vært svært tidkrevende, slik at bruk av videodataopptak og fisk sporing programvare følger en mer effektiv måte for å analysere stør svømming oppførsel. Selv om prosedyren uthevet svømming oppførsel av en fisk, tilpassing for andre organismer som amfibier og virvelløse dyr ville kreve enkle modifikasjoner. Avhengig av hva atferds endpoints blir adressert, eksperimentell design og kamera systemer kan utvikles for bruk sammen med omtrent alle kommersielt tilgjengelig sporing programvarepakken.
Fremgangsmåten er vist ved bruk av oppløst kobber, men er anvendelig for andre vandige forurensninger eller egenskaper, slik som temperatur eller oksygeninnhold. Protokollene utviklet og presentert i denne artikkelen benyttes en enkel digitalt videokamera som opptaksenhet. De digitale filer kan enkelt overføres til en datamaskin og lastet inn til bevegelsesanalyse programvare. Metodene blir stadig endret og videreutviklet for å effektivisere kvantifisering prosessen. Det er viktig at videokvaliteten være i høy definisjon for at analyseprogramvare for å identifisere hver enkelt fisk for sporing. Enhver bakgrunn som ikke kontrast med fisken vil føre til problemer når du prøver å behandle datafiler. Et annet vanlig problem med todimensjonal video sporing er identifisering av enkeltindividernår svømming veier krysses. Dette kan korrigeres manuelt ved å identifisere hver fisk i løpet av banen krysset og knytte opp banesegmenter i programvaren. Alternativt kan totale aktivitet bestemmes ut fra hvert replikat kammer som en gruppe gjennomsnitt. Flere individuelle kamre med hver og en inneholdende en fisk kan filmes i det samme synsfelt for å beregne bevegelser av enkeltfisk.
Foreløpig har vi oppgradert til å bruke en rekke luftovervåkingskameraer over eksponeringskamrene som er knyttet til en high definition digital video-opptak enhet (HD-DVR). Imidlertid vil bruk av kamerasystem som kan ta opp HD MPEG-4 video fungerer. Den HD-DVR kan settes til posten på en bestemt tid og programmert i opptil 7 dager. Dette hands-off automatisert tilnærming tillater fangst av flere videoer samtidig å opprettholde konsistens samtidig minimere ytre forstyrrelser som kan kompromittere fiskens atferd. Den HD-DVR systems er forbundet med et internt nettverk slik at overføring av filer er forholdsvis enkel. Mens automatisert kamerasystemet er en mye bedre teknikk for å kvantifisere svømmeatferd, er det fortsatt gunstig å gjennomføre visuelle observasjoner for å tjene som ekstra støtte informasjon for å dokumentere adferdsvansker i løpet av toksisitetstester.
Det er en lang historie av litteratur dokumentere endret fiskens atferd som følge av eksponering for metaller dateres tilbake til tidlig 1960-tallet 19,20,21. Kobber har vist seg å føre til endringer i aktivitetsnivå som hypoactivity i bluegill 22 (Lepomis macrochirus Rafinesque) og endringer i bevegelses og fôringer aktivitet av bekkerøye 23 (Salvelinus fontinalis). I det minste noen ungfisk stole på luktesansen for å oppdage og unngå rovdyr, og kobber-indusert chemosensory deprivasjon kan påvirke atferd knyttet til oppdage alarm kjemikalier 24,25,26 </sup>. Den lukteepitelet er skadet på grunn av kobber eksponering og dermed påvirke sensoriske mekanismer som kan føre til forvirring, atferdsmessige unngåelse, redusert fôring og annen type atferd som er styrt av luktesans 27. Disse endret atferd var i samsvar med det som ble observert under eksponeringene.
Svømme oppførsel av hvite stør ble sterkt påvirket i løpet av subletal eksponering til vandige kobberkonsentrasjoner .. Disse resultatene illustrerer hvordan oppførsel påvirkes ved subletale konsentrasjoner av kobber og kan brukes som en indikator på giftig stress. Videoen basert analyse vist seg effektiv i å kvantifisere svømmeatferd og fungerte også som kvalitativ visuell dokumentasjon av de alvorlige konsekvenser for stør utsatt for kobber. Analysen Programvaren er også i stand til å kvantifisere andre ulike atferds endepunkter. Se tabell 1 for en liste. Eksponeringen systemet kan bli endret for å løse hvert endepunkt isanntidsmodus, og kan brukes til å kvantifisere forskjeller i oppførsel assosiert med eksponering for forskjellige forurensninger av interesse.
Bruken av atferds endepunkter i vann toksikologisk forskning er stadig ansatt og bør vurderes ved evaluering av effekter av miljøgifter fordi adaptive atferds funksjon er avgjørende for fastsettelse av miljøskader 9. Virkningene av miljøgifter til fiskens atferd er ofte subjektive og utfordrende spesielt når du arbeider med subletale endepunkter i fravær av standardmetoder ..
Svømming aktivitet som kvantifiseres ved hjelp av disse metodene kan være strengt overvåket, er ikke-destruktive med minimal belastning for organismen og kan gjentas. Svømming atferd er en gyldig og konsekvent indeks over sublethal toksisitet som bør innlemmes i testprotokoller for å utvide følsomheten av standard toksisitetstester 5.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |