测量鱼的行为环境污染物的影响往往是主观的和亚致死打交道时特别具有挑战性。我们描述方法,包括中,后96小时急性暴露于各种浓度的铜的视频技术来量化早期生命阶段白鲟( 鲟transmontanus)的游泳行为。
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.
了解污染物暴露会如何影响行为有时是非常具有挑战性的和主观的。行为通常被定义为一系列的通过中枢神经系统操作和使生物体生存,生长,繁殖公开的,可观察,全身活动。在行为由于暴露于一个毒物变化环境胁迫倍常常10-100之间更敏感的最敏感的指标之一相比存活1时。这些研究大部分的游泳年审活动,通风和觅食的鱼2,3,4的行为。游泳活动是在确定响应于污染物在毒性试验5一行为改变中最常用的亚致死端点。游泳变量包括在水柱的频率和行进的移动,速度和距离的持续时间,频率和匝数角度,位置和游泳的图案。游泳活动评估的基础上由兰德6毒理学中的基础书第九章中提出的标准毒物敏感性,当游泳行为的有效措施。
本文提出了一种毒理研究作为如何铜的早期生命阶段的白鲟在早期开发的各个阶段中的毒性( 鲟transmontanus)只有水的敞口相对于鲟鱼游泳的行为进行评价的例子,说明了量化游泳方法行为。
在以前的研究中,不良的行为反应急性和慢性接触铜的开始几天是早发型明显,逐渐变得过度曝光时间和浓度7,8,9更加严重。幅度和这些行为反应的发作时间可能足以限制长期生存,因此是令人关注的给定为中心人才招聘的影响tment失败10。为了准确地解释这种敏感性金属曝光方法和程序的意义被用于定量相对于铜的浓度的行为障碍的时间过程和程度的发展。
对行为功能和开发测试协议被曝光室分析鲟鱼的开销视频样本建立。视频样本提供铜处理间的发育和功能的定性评估整个曝光周期。暴露于水铜的含量在行为和庇护寻求活性评估,以确定时间效应和表征损害的时间顺序,影响寻求庇护,嗜睡,游泳协调,平衡和呼吸。此外,视频记录作了鲟从各子采样的复制用于定量记录自发游泳ACTI的目的VITY。这些终点包括持续时间的措施或所花费的时间移动,游泳用市售的数字图象分析软件包的速度和行驶距离5,11。这个软件定义各图像的轮廓的视场之内,并从这个,定义了每个图像的质心。然后,该软件可以通过帧连续跟踪每个质心的一帧中的位置,以确定运动的路径。
这项研究与动物福利法的规定(9 CFR)的最终规则所有适用的部分,并与测试生物的文化和实验过程中人性化的对待所有机构准则规定。在研究结束时,所有的鱼都按照批准的机构动物护理和使用委员会的美国地质调查局,哥伦比亚大学环境研究中心适当的指导方针安乐死。
在行为由于暴露于污染物的变化常常被用来作为用于亚致死毒性的端点,但可能难以测量。通常,行为响应由目视观测和人工数据分析这需要大量的时间来处理测量。然而与发展的技术,用于量化游泳活性的方法集中在使用录像18和运动分析或数字跟踪软件,它减少了处理和分析时间。在视频的分析捕获的数据,量化游泳变量手动将是非常耗时所以使用视频数据记录,并提供用于分析鲟鱼游泳行为更加有效和高效的方式鱼类跟踪软件。虽然过程突出游泳的鱼的行为,定制其他生物,如两栖类和水生无脊椎动物需要简单的修改。根据什么行为endpoinTS正在解决,实验设计和摄像头的系统可以与几乎所有市售的跟踪软件包的使用进行开发。
该方法是使用溶解铜表现出来,但也适用于其他的水性污染物或特征,如温度或氧含量。本文开发和提出的协议利用一个简单的数字摄像机为录音设备。数字文件被容易地传输到计算机,并在给运动分析软件上传。该方法在不断进行修改和完善,以简化量化过程。当务之急是视频质量在高清晰度,以便用于分析软件来识别用于跟踪每个单独的鱼。试图处理数据文件时不与鱼对比任何背景会引起问题。与二维视频跟踪另一个常见的问题是识别个体当游泳路径交叉。这可以手动路径穿越期间识别每条鱼和衔接软件中的路径段被校正。可替代地,总活性可以从每个重复室为一组平均来确定。与每一个含有一个鱼几个单独腔室可在同一视场进行拍摄来计算个人的鱼的运动。
目前我们已经升级到使用一系列的开销监控摄像机上面的链接到高清晰度数字视频记录设备(HD-DVR)的曝光室。然而,使用任何摄像系统,可以录制高清晰度的MPEG-4视频会工作。用HD-DVR可以在指定的时间被设置为记录并设置最多7天。自动化的方法这种放手允许的几部影片拍摄的同时保持一致性,同时尽量减少可能危害鱼的行为外部干扰。在HD-DVR SYSTE毫秒被连接到内部网络,以便文件的传输是相对简单的。而自动相机系统是用于量化游泳行为大大改进的技术,它仍然是有利的,进行视觉观察以作为附加的支持信息用于在毒性试验记录行为损伤。
还有就是从接触到金属追溯到20世纪60年代初19,20,21导致文学文档化改变鱼的行为很长的历史。铜已被证明导致活动水平的变化,例如在翻车22活动减退( 蓝鳃太阳鱼rafinesque),并在运动和变化河鳟鱼23的摄食活性( 红点 鲑 )。至少有一些幼鱼依靠嗅觉来探测和躲避天敌,和铜引起的化学感应剥夺可能会影响相关检测报警化学品24,25,26行为</sup>。嗅觉上皮因铜曝光从而影响,可能会造成定向障碍,行为回避,摄食减少和由嗅觉27引导任何其他行为感觉机制受损。这些改变的行为均与曝光过程中观察到的是一致的。
白鲟的游泳行为亚致死暴露于含水铜的浓度。这些结果说明行为是如何在铜的亚致死浓度的影响,并且可以作为有毒应力的指示期间,大大影响。视频为基础的分析证明是有效的量化游泳行为,还担任过接触到铜鲟鱼严重影响的定性视觉文档。该分析软件也能够量化等各种行为端点。请参考表1中的列表。曝光系统可以修改,以处理每个端点中实时模式和可以用来量化暴露于关注的各种污染物相关联的行为差异。
在水产毒理学研究中使用行为的端点是越来越多的利用和评估污染物的效果时,因为自适应行为功能是在环境损伤9的确定关键应予以考虑。环境污染物鱼行为的影响常常是主观的并用亚致死端点在没有标准方法处理时挑战尤其..
游泳活动通过使用这些方法,可严格监测作为定量,是无损最小应力对生物体和可重复。游泳行为是应该在测试协议被掺入到扩大的标准毒性试验5的灵敏度亚致死毒性的有效的和一致的索引。
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 |