Un enfoque simple para manipular el oxígeno disuelto para las observaciones de comportamiento animal
Summary
En este artículo se describe un protocolo simple y reproducible para manipular las condiciones de oxígeno disuelto en un entorno de laboratorio para estudios de comportamiento animal. Este protocolo se puede utilizar tanto en entornos de enseñanza y la investigación de laboratorio para evaluar la respuesta del organismo de macroinvertebrados, peces, anfibios o de cambios en la concentración de oxígeno disuelto.
Abstract
La capacidad de manipular el oxígeno disuelto (DO) en un entorno de laboratorio tiene una aplicación importante para investigar una serie de cuestiones ecológicas y de comportamiento del organismo. El protocolo descrito aquí proporciona un método simple, reproducible, y controlado para manipular DO para estudiar la respuesta de comportamiento en los organismos acuáticos resultantes de la hipoxia y condiciones anóxicas. Durante la realización de la desgasificación del agua con nitrógeno se utiliza comúnmente en entornos de laboratorio, ningún método explícito para su aplicación ecológica (acuático) existe en la literatura, y este protocolo es el primero en describir un protocolo para desgasificar el agua para observar la respuesta del organismo. Esta técnica y el protocolo fueron desarrollados para la aplicación directa de los macroinvertebrados acuáticos; Sin embargo, pequeños peces, anfibios y otros vertebrados acuáticos podrían ser fácilmente sustituidos. Se permite la fácil manipulación de los niveles de OD que van desde 2 mg / L a 11 mg / L con la estabilidad para un máximo de un período de observación de los animales-5 min.Más allá de un periodo de observación de 5 minutos la temperatura del agua comenzó a subir, ya los 10 minutos se convirtieron en los niveles de OD demasiado inestable para mantener. El protocolo es escalable para el organismo estudio, reproducible y fiable, lo que permite una rápida implementación en laboratorios de enseñanza de introducción y aplicaciones de investigación de alto nivel. Los resultados esperados de esta técnica deberán establecer una relación disuelto cambios de oxígeno a las respuestas de comportamiento de los organismos.
Introduction
El oxígeno disuelto (DO) es un parámetro fisicoquímico clave importante en la mediación de un número de procesos biológicos y ecológicos dentro de los ecosistemas acuáticos. Las exposiciones a la hipoxia aguda y crónica subletal reducir las tasas de crecimiento en ciertos insectos acuáticos y reducen la supervivencia de los insectos expuestos 1. Este protocolo fue desarrollado para proporcionar un método controlado para manipular los niveles de OD en el agua corriente para observar los efectos sobre el comportamiento animal. Dado que la supervivencia de todos los organismos acuáticos aeróbicos 'depende de la concentración de oxígeno para vivir y reproducirse, los cambios en la concentración de DO a menudo se reflejan en los cambios de comportamiento de los organismos. Se han observado más invertebrados acuáticos y peces móviles para responder a bajas concentraciones de oxígeno (hipoxia) mediante la búsqueda de los lugares con mayor DO 2,3. Para los organismos acuáticos menos móviles, adaptaciones de comportamiento para aumentar la ingesta de DO puede ser la única opción viable. El orden de macroinvertebrados acuáticos de PlecOptera (stonefly) se ha observado para realizar movimientos "push-up" para aumentar el flujo de agua, y la absorción de oxígeno, a través de sus branquias externas 4 – 6. Estos comportamientos adaptativos se han observado en los entornos naturales y en experimentos de laboratorio.
manipulación en el laboratorio de OD en el agua abre importantes oportunidades para estudios de comportamiento animal, pero existen importantes lagunas en la implementación metodológica. Por ejemplo, un estudio utilizó grandes acuarios para evaluar el tiempo fisiológico respuesta de perca americana (Micropterus salmoides) a entornos hipóxicos siguiente gasificación con nitrógeno, pero escasa detalle se da para la metodología 7. Otro estudio realizado en peces cebra (Danio rerio) describe el uso de gas nitrógeno y una piedra porosa para entregar gas al agua y reducir la DO del agua 8. Para las aplicaciones basadas en la química, métodos para la desgasificación de solventes utilizan especializadaaparato 9-11 para eliminar el oxígeno a partir de disolventes, pero no sería adecuado para estudios de comportamiento animal. Si bien estos estudios emplean métodos para eliminar el oxígeno del agua, ningún método descriptivo se pudo identificar que permitiría la evaluación de la conducta animal en respuesta a cambios DO.
Este método se describe a continuación es un intento para describir completamente un protocolo para la manipulación de la DO de agua mediante el uso de gas nitrógeno. Además, este método fue desarrollado hacia la observación de relaciones entre el comportamiento stonefly (flexiones) y DO que se empleó en un laboratorio de biología de nivel de primer año. Una de las principales ventajas de este método es que se puede realizar fácilmente en un laboratorio con material de vidrio y materiales accesibles a la mayoría de los centros de enseñanza secundaria y superior común. El protocolo también es fácilmente adaptable, lo que permite a las personas a escala del procedimiento para cumplir con los objetivos establecidos para aplicaciones de investigación o de enseñanza. </p>
Protocol
Representative Results
Discussion
Los pasos críticos
Este procedimiento proporciona una manera sencilla y eficaz para manipular DO en un entorno de laboratorio para llevar a cabo estudios de comportamiento en los organismos acuáticos. Encontramos que hayan varios pasos / los elementos vitales para tener en cuenta al realizar este experimento que relaciona directamente con los resultados. Dentro de un ensayo, es crítico para mantener la presión de la cámara para evitar cambios en la presión parcial de los gases por encima del agua, y posteri…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The Authors would first like to acknowledge all students from the freshman Biology 121- Ecology Module lab at Juniata College for their help in generating data used in this study. We would also like to thank Dr. Randy Bennett, Chris Walls, Sherry Isenberg, and Taylor Cox for their assistance in acquiring materials necessary to develop this methodology. Additionally, we would like to thank Dr. Norris Muth and Dr. John Unger for their advice on methodological development and Dr. Jill Keeney and the Biology department for their support of this endeavor. We would also like to thank the anonymous reviewers that have helped to shape and focus this manuscript. Last but not least, I'd like to thank Hudson Grant for his help with the initial stonefly collection for use in development of this technique
Materials
| Filter flask 2 L | Pyrex | 5340 | |
| Rubber Stopper size 6 | Sigma-Aldrich | Z164534 | |
| Nalgene 180 Clear Plastic Tubing | Thermo Scienfitic | 8001-1216 | |
| Whisper 60 air pump | Tetra | N/A | |
| Standard flexible Air line tubing | Penn Plax | ST25 | |
| 0.25 inch Copper tubing | Lowes Home Improvement | 23050 | |
| Male hose barb | Grainger | 5LWH1 | |
| Female Connector | Grainger | 20YZ22 | |
| Heavy Duty Dissolved Oxygen Meter | Extech | 407510 | |
| Nitrogen gas | Matheson TRIGAS | N/A | |
| Radnor AF150-580 Regulator | Airgas | RAD64003036 |
References
- Hoback, W., Stanley, D. Insects in hypoxia. J. Insect Physiol. 47 (6), 533-542 (2001).
- Craig, J., Crowder, L. Hypoxia-induced habitat shifts and energetic consequences in Atlantic croaker and brown shrimp on the Gulf of Mexico shelf. Mar Ecol-Prog Ser. 294, 79-94 (2005).
- Gaulke, G., Wolfe, J., Bradley, D., Moskus, P., Wahl, D., Suski, C. Behavioral and Physiological Responses of Largemouth Bass to Rain-Induced Reductions in Dissolved Oxygen in an Urban System. T Am Fish Soc. 144 (5), 927-941 (2015).
- Genkai-Kato, M., Nozaki, K., Mitsuhashi, H., Kohmatsu, Y., Miyasaka, H., Nakanishi, M. Push-up response of stonefly larvae in low-oxygen conditions. Ecol Res. 15 (2), 175-179 (2000).
- McCafferty, W. . Aquatic Entomology: The Fishermen’s and Ecologists’ Illustrated Guide to Insects and Their Relatives. , (1983).
- Chapman, L., Schneider, K., Apodaca, C., Chapman, C. Respiratory ecology of macroinvertebrates in a swamp-river system of east Africa. Biotropica. 36 (4), 572-585 (2004).
- Suski, C., Killen, S., Kieffer, J., Tufts, B. The influence of environmental temperature and oxygen concentration on the recovery of largemouth bass from exercise implications for live – release angling tournaments. J Fish Biol. 68, 120-136 (2006).
- Abdallah, S., Thomas, B., Jonz, M. Aquatic surface respiration and swimming behaviour in adult and developing zebrafish exposed to hypoxia. J Exp Biol. 218 (11), 1777-1786 (2015).
- Gassmann, H., Chen, C., Vermot, M. Method and apparatus for degassing viscous liquids and removing gas bubbles suspended therein. US patent. , (1974).
- Berndt, M., Schomburg, W., Rummler, Z., Peters, R., Hempel, M. Apparatus for degassing liquids. US patent. , (2001).
- Sims, C., Gerner, Y., Hamberg, K. Vacuum degassing. US patent. , (2002).
- Barbour, M., Gerritsen, J., Snyder, B., Stribling, J. Report number EPA 841-B-99-002. Rapid bioassessment protocols for use in streams and wadeable rivers. , (1999).
- Anderson, T., Darling, D. A Test of Goodness of Fit. J Am Stat Assoc. 49 (268), 765-769 (1954).
- Rounds, S., Wilde, F., Ritz, G. Chapter A6 Field Measurements. Section 6.2 DISSOLVED OXYGEN. National Field Manual for the Collection of Water-Quality Data. , (2013).
- Hem, J. . Study and Interpretation of the Chemical Characteristics of Natural. , (1985).
- Burggren, W. 34;Air Gulping" Improves Blood Oxygen Transport during Aquatic Hypoxia in the Goldfish Carassius auratus. Physiol Zool. 55 (4), 327-334 (2015).
- Frederic, H., Mathieu, J., Garlin, D., Freminet, A. Behavioral, Ventilatory, and Metabolic Responses to Severe Hypoxia and Subsequent Recovery of the Hypogean Niphargus rhenorhodanensis and the Epigean Gammarus fossarum (Crustacea: Amphipoda). Physiol Zool. 68 (2), 223-244 (2015).
- Ultsch, G., Duke, J. Gas Exchange and Habitat Selection in the Aquatic Salamanders Necturus maculosus and Cryptobranchus alleganiensis. Oecologia. 83 (2), 250-258 (1990).
