Diseño y uso de un aparato para cuantificar bivalvo suspensión de alimentación en el mar
Summary
Un dispositivo de flujo por el método biodeposition para cuantificar el comportamiento de la filtración y alimentación de moluscos bivalvos fue modificado para el uso a bordo. Una tabla de dos dimensiones cardán construida alrededor del dispositivo aísla el aparato del movimiento del barco, lo que permite la cuantificación precisa de las variables de filtración bivalvos en sitios de acuicultura de mariscos costa afuera.
Abstract
Como acuicultura de mariscos se mueve desde bahías costeras y estuarios a ubicaciones offshores, la necesidad de cuantificar las interacciones del ecosistema de bivalvos cultivados (por ejemplo, mejillones, ostras y almejas) presenta nuevos desafíos. Datos cuantitativos sobre el comportamiento de alimentación de moluscos suspensión de alimentación están necesarios determinar las interacciones del ecosistema importante de granjas de mariscos costa afuera, incluyendo su capacidad, la competencia con la comunidad de zooplancton, la disponibilidad de recursos tróficos en diferentes profundidades y la deposición en el bentos. El método biodeposition se utiliza para cuantificar las variables alimentación en bivalvos suspensión de alimentación en un entorno natural y representa a un proxy más realista que experimentos de laboratorio. Este método, sin embargo, se basa en una plataforma estable para satisfacer los requisitos que las tasas de flujo suministradas al marisco el agua se mantienen constantes y los bivalvos son inalterados. Un dispositivo de flujo y proceso para utilizar el método biodeposition para cuantificar la alimentación de moluscos bivalvos fueron modificadas de un formato basado en la tierra para el uso a bordo mediante la construcción de una tabla de dos dimensiones cardán alrededor del dispositivo. Planímetro datos revelan una mínima echada y desvío de las cámaras que contienen los mariscos prueba a pesar del movimiento del barco, las velocidades de flujo dentro de las cámaras se mantienen constantes y los operadores son capaces de recoger el biodeposits (heces y pseudofeces) con suficiente consistencia para obtener mediciones precisas de bivalvo separación, filtración, selección, ingestión, rechazo y absorción en mariscos offshores sitios de acuicultura.
Introduction
Pesca de captura silvestre está declinando en todo el mundo1. En consecuencia, el crecimiento futuro en el suministro de pescados y mariscos debe provenir de una expansión de la acuicultura. La producción de acuicultura de mariscos ha sido creciendo y seguirá creciendo hasta el 2025, hacer acuáticos de cultivo de los alimentos más rápidamente cada vez mayor producción sistema2. El cultivo de la suspensión de alimentación moluscos bivalvos (mejillones, ostras, vieiras y almejas) se considera que entre las formas más ambientalmente benignas de la acuicultura, ya que estos organismos no requieren ninguna alimentación adicional, pero en su lugar, obtención nutrición desde el fitoplancton natural producción y transferencia orgánica materia organismos bentónicos3,4. De hecho, acuicultura de mariscos se considera como una herramienta legítima para mejorar la calidad del agua y estructura trófica en estuarios eutróficos5,6. A pesar de las perspectivas generalmente favorables para la expansión de la acuicultura de moluscos en bahías costeras y estuarios, conflictos con otros oceánico costero intereses tales como la pesca comercial y recreativa, actividades recreativas y la estética deseos de limitaciones sociales propietarios de tierras costeras agregaron bajo el término “capacidad social”-han llevado a algunos a buscar a “mar abierto” la expansión a gran escala de conquilicultura7.
Movimiento de cultivo de mariscos de la costa, en aguas abiertas, ofrece gran potencial para mariscos expansión acuícola pero también presenta desafíos sin precedentes a los organismos en el ecosistema oceánico8. En primer lugar, más cultivadas, suspensión de alimentación especies de bivalvas son organismos estuarinos que han evolucionado en ambientes que difieren en muchos aspectos de los ecosistemas de mar abierto9. Diurnas y estacionales variaciones temporales de salinidad, temperatura y composición química del agua y la intensa actividad biológica estimulada por la alta y variable la disponibilidad de nutrientes en las aguas costeras han seleccionado para comportamiento y fisiológicos características en mejillones, ostras, vieiras y almejas que pueden conferir un beneficio en el relativamente constante, diluir al mar medio ambiente10. Bivalvos son conocidos para responder a estos cambios ambientales mediante la regulación de la filtración para tomar ventaja de los períodos de buena calidad del agua y optimizar sus alimentos adquisición11,12. En un entorno más constante, como aguas abiertas, no está claro si bivalvos regulará sus tasas de bombeo y filtración efectiva para mantener un balance energético positivo para el crecimiento rápido. El segundo reto de cultivo de mariscos costa afuera también está relacionada con la disponibilidad de alimentos de seston relativamente baja en el océano. ¿Con densidades de fitoplancton es mucho menor offshore que en los estuarios, será la especie de bivalva actualmente cultivadas con éxito en estuarios encontrar suficiente comida para mantener el metabolismo y el crecimiento? Las prácticas actuales que emplean líneas, calcetines, jaulas u otras cajas para mariscos de esteros causar filtros tridimensionales que pueden agotar los fitoplancton localmente incluso en aguas eutróficas costeras13,14. Hipótesis sobre la cultura de engranaje diseño, densidad, espaciamiento de las líneas, y cultivo ciclo deba ser reconsiderada en el océano abierto para gestionar la capacidad de producción de la finca y la capacidad ecológica del ecosistema marino local 15 , 16. mariscos intensivo agricultura como nearshore practicado puede necesitar ser modificado para ser compatible con el medio ambiente diluido del océano.
Para avanzar en nuestra comprensión de cómo Costa agricultura mariscos prácticas pueden necesitar ser modificado para tener éxito, datos cuantitativos sobre cómo interactúan con el seston presente en los mariscos ubicaciones offshores propusieron como posibles sitios de explotación son esenciales. Un número de técnicas de cuantificación de la filtración, separación, ingestión, rechazo y absorción de partículas en suspensión-alimentación de moluscos bivalvos ha sido desarrollados17,18. Algunos de estos métodos han sido optimizados para detectar variaciones en escalas de tiempo muy corto, la selección entre los tipos de partículas diferentes o respuestas fisiológicas a diferentes variaciones ambientales19,20,21 . Recientemente, refinamientos de lo que se denomina el método de biodeposition han llevado a la aceptación de este enfoque como una herramienta legítima para cuantificar la mayor parte de la importante filtración y alimentación variables en mejillones, ostras y almejas17,22 .
El método de biodeposition, en general, utiliza un enfoque de balance de masa, con el componente de seston inorgánicos como un trazador, para cuantificar el repartir por mariscos individuales de componentes orgánicos e inorgánicos seston en proporciones capturados, rechazado, ingerido, y sobre un calendario de horas17. Para que este enfoque que precisa, es críticamente importante que los caudales de agua entregan a los mariscos son constantes y precisamente conocidos y que los mariscos no son perturbados físicamente por lo que mantener su comportamiento de filtración constante. También es necesario sincronizar la colección de agua las muestras en el momento de la ingestión de bivalvo con la colección de muestras de heces producción después de la digestión (es decir, egestion). Estos dos procesos (ingestión y egestion) se compensan por la longitud de tiempo que tarda un particulado al tránsito a través del intestino de bivalvo. El intestino tránsito representa tiempo el tiempo transcurrido entre la ingestión de alimentos y la liberación de material sin digerir en forma de heces. Además, desde un punto de vista práctico, biodeposits deba recogerse cuantitativamente por el investigador antes de que se desglosan por movimiento del agua. Por estas razones, aparatos y procedimientos para la cuantificación de bivalvo filtración utilizando el método biodeposition se han limitado a lugares muy cerca de la costa donde un secano de plataforma estable o un muelle fijo-es lo bastante a la población de mariscos está cerca investigado. Para que el biodeposition método de costa afuera, fue necesario encontrar una manera de satisfacer los requisitos del método para una plataforma estable a bordo de un barco.
Hace siglos, los navegantes que buscan resolver el mismo problema básico de cómo aislar a bordo artículos de movimiento de la nave desarrollaron el cardán. Un cardán introduce uno o más pivotes entre la plataforma unida a la nave y el artículo está aislado, lo que permite el artículo aislado responder más a la gravedad que al movimiento de la nave. Se empleó tal vez la más simple cardán diseño pines gira a 90 º ángulos-en el diseño de un aparato modificado del que informó por Galimany y compañeros de trabajo22. En el presente informe, la función efectiva del aparato se valida midiendo: 1) el movimiento de la tabla con cámaras de mariscos en comparación con el movimiento del barco, 2) la consistencia de las tasas de flujo a través de 20 replicar cámaras mientras que en el mar y 3) datos de filtración de mejillones probaron en tres localizaciones costa afuera a bordo de tres barcos diferentes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se han utilizado diferentes enfoques para el estudio de la filtración y alimentación de bivalvos en el laboratorio y el campo. Las mediciones realizadas cuando usando seston natural dará alimentación precios más similares a las de entorno natural24. Dispositivos existentes de alimentación portátiles para bivalvos medición alimentación de25,26 dependen de una plataforma estable, como la tierra o una base fija; así, cuantificar bivalvo filtración y alimentación en el campo, hasta ahora, se ha limitado a las aguas muy cerca de la costa. El novedoso aparato y el método presentado aquí representan una herramienta confiable para cuantificar el rendimiento de alimentación de bivalvos en aguas donde las interacciones entre el ambiente y bivalvos se han previamente descrito mal.
Los pasos críticos en la aplicación offshore del método biodeposition son los siguientes: (1) la aireación del tanque principal y la calibración de caudales a través de todas las cámaras de alimentación para asegurar una distribución uniforme de partículas para los bivalvos; (2) una determinación exacta del tiempo de tránsito intestinal experimental antes de la colección de biodeposits; (3) la identificación, separación y colección completa de todas las heces y pseudofeces producidos por los bivalvos, incluyendo la colección de suficiente biodeposits para exceder el límite de detección de partículas orgánicas e inorgánicas. Las tasas de flujo alto son esenciales para evitar la recirculación del agua en las cámaras de alimentación, que puede aumentar el fenómeno de la reducción de la concentración de alimentos debido a refiltration18,25,27,28.
La identificación precisa y la separación de las heces y pseudofeces pueden ser difíciles en ambientes costa afuera. La colección de heces y pseudofeces en las aguas de Massachusetts fue probablemente afectada por fuerte oleaje durante la última hora de la medición. Mediciones utilizando este método se obliga por el estado del mar, que afecta a la capacidad de los recolectores de limpia separar y distinguir con precisión entre las heces, pseudofeces y otro material particulado (es decir, sedimentos o partículas) depositados en las cámaras de alimentación. Este problema experimental puede observarse en los datos obtenidos, donde el contenido orgánico de las pseudofeces tiene una mayor variabilidad en los resultados de Massachusetts que de las otras dos localidades (figura 7).
Lugares con partículas muy bajas, como California, presentará un desafío analítico, porque la materia de partículas recogida en este experimento fue muy cerca del límite de detección, a pesar de 2 L de agua se filtró por cada muestra de agua. El método de cuantificación de los aportes orgánicos e inorgánicos para la materia particulada total se basa en el balance de masa; así, pequeños errores analíticos cerca del límite de detección pueden resultar en mariscos fisiológicamente imposibles alimentar resultados, tales como tasas negativas de rechazo o separación. Datos resultantes de este tipo de error y la corrección apropiada, se ilustran en la figura 8, que grafica el valor promedio de la tasa de liquidación, la tasa de filtración y la velocidad de absorción desde el experimento de California. Las cantidades de las heces eran tan pequeñas en este lugar que algunos eran confundidos desde pseudofeces por los recolectores de biodeposit. Las cantidades muy pequeñas de “pseudofeces” recogidas fueron muy cerca del límite de detección de peso, y los datos resultantes rindieron mariscos negativo filtración y alimentación de datos para varias repeticiones, lo cual es fisiológicamente imposible y, por tanto, obviamente incorrecto. Partículas cerca del límite de detección también rindieron una alta variabilidad total para esta medida. Estos resultados podrían deberse a un error en el pesaje de los filtros, sin embargo, más probable es que fue debido a la incorrecta identificación de pseudofeces. La última posibilidad fue más apoyada por la observación de que la materia particulada total del agua era demasiado baja para accionar pseudofeces producción22,23. Los datos fueron corregidos por descartar los datos incorrecto pseudofeces y calcular sólo la vía de ingestión (figura 8).
El aparato para la cuantificación de bivalvo suspensión de alimentación utilizando el método de biodeposition a bordo de un barco puede ser modificado y adaptado a varias especies de bivalvas. El tamaño de las cámaras de alimentación puede variar ligeramente para dar cabida a conchas de bivalvos más amplios o más estrechos. Es importante tener en cuenta, sin embargo, que modificar las dimensiones de las cámaras de alimentación de las descritas aquí requieren que se establezca la distribución de partículas incluso a través de las cámaras de alimentación antes de realizar cualquier medición. El volumen de agua filtrada debe ajustarse en base a las condiciones locales. Seston bajo entornos como California requieren un mayor volumen de agua filtrada para superar el límite de detección para el análisis basado en el peso. Al mismo tiempo, si se filtra mucha agua, obstruyen los filtros y el tiempo de secado (no temperatura) en el horno necesita ser aumentado. Del mismo modo, la colección de biodeposit deba ser alargado en entornos de baja seston para recolectar suficiente material para exceder el límite de detección analítico. Otro indicador de una colección de biodeposit problemático es el relativo contenido orgánico del agua vs el pseudofeces y heces. Heces y pseudofeces no puede contener un porcentaje sustancialmente mayor de materia orgánica que el agua; son un producto de las partículas del agua filtradas y procesadas. Bajo ciertas condiciones, el contenido orgánico de la biodeposits puede ser ligeramente mayor que la del agua debido a la inversión ecológica que bivalvos para procesar las partículas de alimentos; sin embargo, esta inversión, a lo sumo, producirá un aumento menor en las heces materia orgánica. El porcentaje de materia orgánica registrados aquí está muy por encima del porcentaje que podría atribuirse a metabólica pérdida fecal. Las muestras pseudofeces de Massachusetts ilustran este problema potencial. El contenido orgánico de las pseudofeces fue muy variable, como se señaló anteriormente, pero algunas de las repeticiones dado contenido en materia orgánica que excedió grandemente de las correspondientes muestras de agua. Es posible que durante el fuerte oleaje de la última hora de la colección biodeposit, pseudofeces fueron combinados con materia orgánica exógena, que artificialmente elevado el contenido orgánico y fisiológico imposible resultados (figura 7) . Si los Estados de alta mar son una posibilidad probable en el futuro se recomiendan aplicaciones de este método, la adición de más repeticiones a través de cámaras adicionales.
Una limitación del método es que este aparato está diseñado para cuantificar la alimentación de individuos adultos. La colección completa y precisa de las heces y pseudofeces de semilla de bivalvo es difícil debido al pequeño tamaño de las heces (pseudo) y requeriría mucho más experimentos para obtener suficiente material para exceder el límite de detección analítico. Si se utilizan individuos pequeños, varios pudieron combinarse en una sola cámara para aumentar la velocidad de producción de heces y pseudofeces por cámara. Como alternativa, los dispositivos podrían ser rediseñados con mucho cámaras experimentales más pequeñas. El estado del tiempo y el mar también puede ser limitaciones importantes, como éstos afectarán la exactitud de la recogida de muestras de biodeposit. Lluvia y temperaturas extremas pueden reducir el número de repeticiones de bivalvos que se alimentan. La profundidad a la que se utilizan bombas de agua puede variar entre los experimentos para el seston utilizada en los experimentos reflejan el seston típico de la profundidad a la que se produce el cultivo de bivalvo. A pesar de estas potenciales limitaciones, el método ofrece la oportunidad única de estudiar la filtración y alimentación de bivalvos en condiciones naturales, con natural seston, frente a condiciones simuladas en el laboratorio. Los datos generados son mucho más realistas que experimentos de laboratorio y más probabilidades de reflejar el rendimiento de bivalvos en el lugar de interés. El nuevo método para realizar mediciones a bordo grandemente amplía el alcance geográfico potencial.
El creciente interés en la acuicultura del mejillón offshore presenta un grupo de usuario ideal para futuras aplicaciones de este método. Actores interesados en optimizar el emplazamiento de nuevas operaciones de acuicultura offshore pueden utilizar este enfoque para examinar el desempeño de bivalvo en los lugares propuestos. Un ejemplo de una aplicación que se está planeando es probar las hipótesis acerca de las profundidades óptimas para una cultura de suspensión de mejillón azul en las aguas costeras de Nueva Inglaterra meridional (Mizuta y Wikfors, en revisión).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer el tiburón y el NOAA pesca servicio oficina de acuicultura para la financiación. Los autores agradecemos a sus académicos, socios de la industria, Scott Lindell, especialista en investigación en el Instituto Oceanográfico de Woods Hole y Phil Cruver, CEO de Catalina Sea Ranch, que arregló y acceso a zonas de cultivo de mejillón offshores. El trabajo no hubiera sido posible sin las siguientes plataformas de trabajo; R/V Capitán Jack propiedad de Catalina mar Rancho, R/V Gemma poseído y manejado por el laboratorio biológico marino, y la R/V Victor Loosanoff operado por pesquerías de NOAA, noreste Fisheries Science Center. También agradecemos a capitanes de barco Jim Cvitanovich y Bill Klim por sus conocimientos. Werner Schreiner proporcionó su experiencia técnica en el diseño y fabricación de los marcos, cardán mesa y tanque de lastre, tanque principal y cámaras experimentales.
Materials
| GF/C glass microfibre filters | Whatman | 1822-025 | 25 mm diameter circles |
| Submersible Utility Pump | Utilitech | PPSU33 | 1/3 HP |
| Filtration manifold | Sterlitech | 313400 | 3-place manifold, PVC |
| Filter forceps | Millipore | XX6200006P | |
| Filter funnel | Ace Glass | D140942 | 300 ml; glass |
| Frit support | Fisher Scientific | 09-753-14 | 25mm diameter; glass |
| Vacuum Filter Holders | Fisher Scientific | 09-753-4 | For 25mm filter funnels and frit supports |
| Drying Oven | Fisher Scientific | 15-103-0503 | Gravity convection |
| Box Furnace Oven | ThermoFisher Scientific | BF51794C | |
| Ammonium formate | Fisher Scientific | A666-500 | |
| Tetraselmis sp. | National Center for Marine Algae and Microbiota | 119 strains of Tetraselmis sp. are available for sale by NCMA, and specific strain should be selected based on temperature of planned experiments. As such, we have not recommended a specific catalog number here. | |
| Glass petri dish | Fisher Scientific | 08-747A | 60 mm diameter |
References
- Pauly, D., Zeller, D. Catch reconstructions reveal that global marine fisheries catches are higher than reported and declining. Nature Communications. 7, 10244 (2015).
- Diana, J. S. Aquaculture production and biodiversity conservation. BioScience. 59 (1), 27-38 (2009).
- Gallardi, D. Effects of bivalve aquaculture on the environment and their possible mitigation: a review. Fisheries and Aquaculture Journal. 5, 105 (2014).
- Newell, R. I. E. Ecosystem influences on natural and cultivated populations of suspension-feeding bivalve molluscs: A review. Journal of Shellfish Research. 23 (1), 51-61 (2004).
- Lindahl, O., Kollberg, S. Can the EU agri-environmental aid program be extended into the coastal zone to combat eutrophication. Hydrobiologia. 629 (1), 59-64 (2009).
- Rose, J. M., Bricker, S. B., Tedesco, M. A., Wikfors, G. H. A role for shellfish aquaculture in coastal nitrogen management. Environmental Science & Technology. 48 (5), 2519-2525 (2014).
- McKindsey, C. W., Thetmeyer, H., Landry, T., Silvert, W. Review of recent carrying capacity models for bivalve culture and recommendations for research and management. Aquaculture. 261 (2), 451-462 (2006).
- Cheney, D., Langan, R., Heasman, K., Friedman, B., Davis, J. Shellfish culture in the open ocean: lessons learned for offshore expansion. Marine Technology Society Journal. 44 (3), 55-67 (2010).
- Shumway, S. E. . Shellfish aquaculture and the environment. , (2011).
- Dame, R. F. . Ecology of marine bivalves: An ecosystem approach. , (2011).
- Bayne, B. L., et al. Feeding behaviour of the mussel, Mytilus edulis: responses to variations in quantity and organic content of the seston quantity and organic content of the seston. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom. 73 (4), 813-829 (1993).
- Ward, J. E., Shumway, S. E. Separating the grain from the chaff: particle selection in suspension- and deposit-feeding bivalves. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 300 (1-2), 83-130 (2004).
- Heck, K. L., Valentine, J. F. The primacy of top-down effects in shallow benthic ecosystems. Estuaries and Coasts. 30 (3), 371-381 (2007).
- Prins, T. C., Smaal, A. C., Dame, R. F. A review of the feedbacks between bivalve grazing and ecosystem processes. Aquatic Ecology. 31 (4), 349-359 (1998).
- Ferreira, J. G., Saurel, C., Lencarte e Silva, J. D., Nunes, J. P., Vazquez, F. Modelling of interactions between inshore and offshore aquaculture. Aquaculture. 426, 154-164 (2014).
- Stevens, C., Plew, D., Hartstein, N., Fredriksson, D. The physics of open-water shellfish aquaculture. Aquacultural Engineering. 38 (3), 145-160 (2008).
- Iglesias, J. I. P., Urrutia, M. B., Navarro, E., Ibarrola, I. Measuring feeding and absorption in suspension-feeding bivalves: an appraisal of the biodeposition method. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 219 (1-2), 71-86 (1998).
- Riisgård, H. U. On measurement of filtration rates in bivalves – the stony road to reliable data: review and interpretation. Marine Ecology Progress Series. 211, 275-291 (2001).
- Møhlenberg, F., Riisgård, H. U. Efficiency of particle retention in 13 species of suspension feeding bivalves. Ophelia. 17, 239-246 (1978).
- Shumway, S. E., Cucci, T. L., Newell, R. C., Yentsch, C. M. Particle selection, ingestion, and absorption in filter-feeding bivalves. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 91 (1-2), 77-92 (1985).
- Velasco, L. A., Navarro, J. M. Feeding physiology of two bivalves under laboratory and field conditions in response to variable food concentrations. Marine Ecology Progress Series. 291, 115-124 (2005).
- Galimany, E., Ramón, M., Ibarrola, I. Feeding behavior of the mussel Mytilus galloprovincialis (L.) in a Mediterranean estuary: A field study. Aquaculture. 314 (1-4), 236-243 (2011).
- Wilcox, R. R. . Understanding and applying basic statistical methods using R. , (2017).
- Velasco, L. A., Navarro, J. M. Feeding physiology of two bivalves under laboratory and field conditions in response to variable food concentrations. Marine Ecology Progress Series. 291, 115-124 (2005).
- Filgueira, R., Labarta, U., Fernández-Reiriz, M. J. Flow-through chamber method for clearance rate measurements in bivalves: design and validation of individual chambers and mesocosm. Limnology and Oceanography Methods. 4, 284-292 (2006).
- Grizzle, R. E., Greene, J. K., Luckenbach, M. W., Coen, L. D. A new in situ method for measuring seston uptake by suspension-feeding bivalve molluscs. Journal of Shellfish Research. 25 (2), 643-649 (2006).
- Riisgård, H. U. On measurement of filtration rates in bivalves – the stony road to reliable data: review and interpretation. Marine Ecology Progress Series. 211, 275-291 (2001).
- Newell, C. R., Wildish, D. J., MacDonald, B. A. The effects of velocity and seston concentration on the exhalant siphon area, valve gape and filtration rate of the mussel Mytilus edulis. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 262 (1), 91-111 (2001).
