قياس سلوك الأسماك سباحة ردا على التعرض الحاد للمائي النحاس عن طريق الكمبيوتر بمساعدة الفيديو الرقمية وتحليل الصور
Özet
قياس تأثيرات الملوثات البيئية على سلوك الأسماك في كثير من الأحيان شخصي وتحديا من نوع خاص عند التعامل مع النهاية دون المميتة. وصفنا الأساليب بما في ذلك تكنولوجيا الفيديو لتحديد السلوك السباحة من الحياة المبكرة مرحلة الأبيض سمك الحفش (أسيبنسر ترانسمونتانوس) أثناء وبعد 96 ساعة التعرض الحاد لتركيزات مختلفة من النحاس.
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
فهم كيفية التعرض الملوثات يمكن أن تؤثر على السلوك غير في أوقات صعبة للغاية وشخصي. ويعرف السلوك عادة على شكل سلسلة من العلنية يمكن ملاحظتها، والأنشطة، كامل الجسم التي تعمل من خلال الجهاز العصبي المركزي وتمكن الكائن من البقاء على قيد الحياة، وتنمو، وتتكاثر. التغييرات في السلوك بسبب التعرض لمادة سامة هي من بين المؤشرات الأكثر حساسية من الإجهاد البيئي في كثير من الأحيان بين 10-100 مرات أكثر حساسية بالمقارنة مع البقاء على قيد الحياة 1. غالبية هذه الدراسات درست السباحة النشاط، والتهوية، ويبحث الفأر سلوك 2،3،4 الأسماك. السباحة النشاط هو الأكثر استخداما نقطة النهاية دون المميتة في تحديد التغيير السلوكي ردا على الملوثات في اختبارات السمية 5. وتشمل المتغيرات السباحة وتيرة ومدة الحركة والسرعة والمسافة المقطوعة، وتواتر وزاوية من الأدوار، والموقف في عمود الماء ونمط السباحة. نشاط السباحةتدبيرا فعالا لسلوك السباحة عند تقييم حساسية لمادة سامة على أساس المعايير المقترحة في الفصل 9 من راند 6 في أصول كتاب المائية السموم.
تقدم هذه الورقة دراسة السمية كمثال لكيفية سمية النحاس إلى المراحل الأولى من حياة سمك الحفش الأبيض (أسيبنسر ترانسمونتانوس) في مراحل مختلفة من التنمية في وقت مبكر في الماء فقط التعرض نسبة إلى سمك الحفش تم تقييم سلوك السباحة وتوضح أساليب لقياس السباحة سلوك.
في دراسات سابقة، كانت الاستجابات السلوكية السلبية واضحة مع بداية مبكرة خلال الأيام القليلة الأولى من التعرض الحاد والمزمن للنحاس وأصبحت تدريجيا أكثر شدة على مدة التعرض و7،8،9 التركيز. هي حجم وتوقيت ظهور هذه الاستجابات السلوكية المرجح كافية للحد من البقاء على قيد الحياة على المدى الطويل، وبالتالي يشكل مصدر قلق نظرا للآثار لrecruiفشل tment 10. من أجل تفسير دقيق لأهمية هذه الحساسية لأساليب وإجراءات التعرض معدنية وضعت لقياس دوام ومدى ضعف السلوكية النسبية لتركيزات النحاس.
تم تأسيس بروتوكولات لاختبار وظيفة السلوكية والتنمية من خلال تحليل عينات الفيديو العامة من سمك الحفش في غرف التعرض. قدمت عينات فيديو التقييم النوعي للتنمية وظيفة من بين العلاجات النحاس طوال فترة التعرض. وتم تقييم السلوك والمأوى التماس النشاط خلال التعرض لتركيزات النحاس المائية لتحديد الوقت لتفعيل وتميز التسلسل الزمني للضعف الذي يؤثر تسعى المأوى والخمول، والسباحة التنسيق والتوازن، والتنفس. وبالإضافة إلى ذلك، أدلى تسجيلات الفيديو من سمك الحفش subsampled من كل تكرار لغرض توثيق كميا تشغيل إشارات السباحة العفويvity. وتضمنت هذه النهاية التدابير لمدة أو الوقت تتحرك، السباحة السرعة والمسافة المقطوعة 5،11 باستخدام المتاحة تجاريا الصورة الرقمية حزمة برامج التحليل. هذا البرنامج يحدد الخطوط العريضة للكل صورة داخل مجال الرؤية ومن هذا، ويعرف النقطه الوسطى لكل صورة. البرنامج ثم يمكن تتبع موقف كل النقطه الوسطى في إطار بالخلافة إطار لتحديد مسارات الحركة.
هذه الدراسة امتثلت لجميع أقسام المعمول بها في قوانين الختامية لوائح قانون رعاية الحيوان (9 CFR) ومع جميع المبادئ التوجيهية المؤسسية من أجل المعاملة الإنسانية للكائنات الاختبار خلال الثقافة والتجريب. عند انتهاء الدراسة، والموت الرحيم جميع الأسماك وفقا للمبادئ التوجيهية الملائمة التي وافقت عليها لجنة الحيوان الرعاية المؤسسية واستخدام لهيئة المسح الجيولوجي الأميركية، مركز بحوث البيئة في كولومبيا.
Protocol
Representative Results
Discussion
وغالبا ما تستخدم التغييرات في السلوك بسبب التعرض لملوثات باعتبارها نقطة النهاية لسمية شبه قاتلة، ولكن يمكن أن يكون من الصعب قياس. عموما، يتم قياس ردود السلوك حسب الملاحظات البصرية وتحليل البيانات يدويا الأمر الذي يتطلب الكثير من الوقت لمعالجة. ولكن مع تقدم التكنولوجيا، وركزت وسائل للنشاط السباحة قياس على استخدام بالفيديو 18 و تحليل الحركة أو تتبع البرامج الرقمية مما يقلل من الوقت اللازم لتجهيز والتحليل. خلال تحليل الفيديو التي تم التقاطها البيانات، قياس المتغيرات السباحة يمكن أن يكون الوقت ذاته يدويا المستهلكة وبالتالي فإن استخدام تسجيلات الفيديو والبيانات تتبع البرامج الأسماك المقدمة بطريقة أكثر فعالية وكفاءة لتحليل سلوك السباحة سمك الحفش. على الرغم من أن الإجراء أبرز السباحة سلوك الأسماك، وتكييف للكائنات الحية الأخرى مثل البرمائيات واللافقاريات المائية سيتطلب تعديلات بسيطة. اعتمادا على ما endpoin السلوكيةيتم تناول الخبر، ويمكن تطوير تصميم وكاميرا النظم التجريبية للاستخدام مع عادل عن أي متوفرة تجاريا حزمة برامج تتبع.
ويتجلى في طريقة استخدام النحاس المذاب، ولكن ينطبق على ملوثات أو خصائص مثل درجة الحرارة أو محتوى الأكسجين المائية الأخرى. البروتوكولات وضعت وقدم في هذه الورقة استخدمت بسيطة كاميرا الفيديو الرقمية وجهاز التسجيل. ونقل الملفات الرقمية بسهولة إلى جهاز الكمبيوتر وتحميلها الدخول إلى برنامج تحليل الحركة. يجري باستمرار تعديل الأساليب وصقلها لتبسيط عملية القياس الكمي. لا بد من أن جودة الفيديو تكون عالية الوضوح من أجل برامج التحليل للتعرف على كل الأسماك الفردية لتتبع. فإن أي الخلفية التي لا تتناقض مع السمك يسبب مشاكل عند محاولة معالجة ملفات البيانات. مشكلة مشتركة أخرى مع اثنين من تتبع الفيديو الأبعاد هي تحديد الأفرادعند عبور مسارات السباحة. هذا يمكن تصحيحها يدويا عن طريق تحديد كل الأسماك أثناء عبور الطريق وربط قطاعات مسار داخل البرنامج. بدلا من ذلك، النشاط الكلي يمكن أن تحدد من كل غرفة تكرار كمتوسط المجموعة. عدة غرف فردية مع كل واحدة تحتوي على الأسماك واحد يمكن أن يتم تصويره في نفس مجال الرؤية لحساب حركات الأسماك الفردية.
حاليا لدينا ورفع مستواها لباستخدام سلسلة من كاميرات المراقبة العامة فوق غرف التعرض التي ترتبط عالية الوضوح جهاز تسجيل الفيديو الرقمي (DVR-HD). ومع ذلك، فإن استخدام أي نظام الكاميرا التي يمكن أن تسجل عالية الوضوح MPEG-4 أشرطة الفيديو يعمل. وHD-DVR يمكن تعيين لتسجيل في وقت محدد ومبرمجة لمدة تصل إلى 7 أيام. هذا والتلقائية الآلي يسمح القبض على العديد من أشرطة الفيديو في نفس الوقت للحفاظ على الاتساق مع التقليل من الاضطرابات الخارجية التي يمكن أن تضر سلوك الأسماك. التنفسي HD-DVRترتبط مللي ثانية إلى الشبكة الداخلية حتى نقل الملفات هي بسيطة نسبيا. في حين أن نظام الكاميرا الآلي هو تحسين تقنية الكثير لقياس سلوك السباحة، فإنه لا يزال من المفيد إجراء الملاحظات البصرية لخدمة المعلومات الداعمة كما إضافية لتوثيق ضعف السلوكي خلال اختبارات السمية.
وهناك تاريخ طويل من الأدب توثيق سلوك الأسماك غيرت الناتجة عن التعرض للمعادن التي يعود تاريخها إلى أوائل 1960s 19،20،21. وقد تبين النحاس تسبب تغيرات في مستويات النشاط مثل قصور النشاط في الخيشوم 22 (Lepomis macrochirus rafinesque) والتغيرات في الحركي والنشاط تغذية من سمك السلمون المرقط تحتمل 23 (Salvelinus fontinalis). على الأقل تعتمد بعض الأسماك الصغيرة على حاسة الشم لكشف وتجنب الحيوانات المفترسة، والحرمان حسي كيميائي الناجم عن النحاس قد يؤثر السلوكيات المتعلقة الكشف عن المواد الكيميائية إنذار 24،25،26 </sup>. تلف الظهارة الشمية بسبب التعرض النحاس مما يؤثر على آليات الحسية التي يمكن أن تؤدي إلى الارتباك، وتجنب السلوك، وانخفاض التغذية وأي السلوكيات الأخرى التي تسترشد الشم 27. وكانت هذه السلوكيات تتغير متسقة مع ما لوحظ خلال التعرض.
وقد أثرت على سلوك السباحة من سمك الحفش الأبيض إلى حد كبير خلال التعرض لتركيزات دون المميت النحاس المائية .. هذه النتائج توضح كيف يتأثر سلوك بتركيزات دون المميتة من النحاس، ويمكن استخدامها كمؤشر على التوتر السامة. أثبت التحليل القائم فيديو فعال في قياس السلوك السباحة ويقدم أيضا وثائق بصرية النوعية من آثار وخيمة على سمك الحفش معرضة لالنحاس. برامج التحليل هو أيضا قادرة على قياس النهاية السلوكية المختلفة الأخرى. يرجى الرجوع إلى الجدول رقم 1 للحصول على قائمة. تعرض النظام يمكن تعديلها لمعالجة كل نقطة النهاية فيالوضع في الوقت الحقيقي، ويمكن استخدامها لتحديد الاختلافات في السلوك المصاحبة للتعرض للملوثات المختلفة للقلق.
استخدام نقاط النهاية السلوكية في مجال البحوث السمية المائية يعمل على نحو متزايد، وينبغي أخذها في الاعتبار عند تقييم آثار الملوثات لأن وظيفة السلوكية التكيفية حاسمة في تحديد الضرر البيئي 9. آثار الملوثات البيئية لسلوك الأسماك في كثير من الأحيان غير موضوعية وتحديا من نوع خاص عند التعامل مع النهاية دون المميتة في غياب الأساليب القياسية ..
السباحة النشاط كما كميا باستخدام هذه الأساليب يمكن رصدها بدقة، هو غير مدمرة مع الحد الأدنى من الضغط على الكائن الحي ويمكن أن تتكرر. السباحة السلوك هو مؤشر صالح وثابت من سمية مميتة التي ينبغي إدخالها على بروتوكولات اختبار لتوسيع حساسية من اختبارات السمية القياسية 5.
Açıklamalar
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 |
Referanslar
- 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).
