Bilgisayar Destekli Video ve Dijital Görüntü Analizi Sulu Bakır Akut Maruz Cevabı Balık Yüzme Davranışı nicel
Özet
Balık davranışları üzerindeki çevresel kirleticilerin etkilerini ölçülmesi genellikle sübjektif ve öldürücü bitiş noktaları ile uğraşırken özellikle zorlu olduğunu. Biz sırasında ve bakır çeşitli konsantrasyonlarda 96 saat akut maruz kalma sonrası erken yaşam evresi beyaz mersin (Acipenser transmontanus) yüzme davranışlarını ölçmek için video teknolojisi de dahil olmak üzere yöntemler açıklanmaktadır.
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
kirletici poz davranışını nasıl etkilediğini anlamak bazen çok zor ve subjektiftir. Davranış genellikle santral sinir sistemi üzerinden çalışacak ve hayatta büyümek ve üreme bir organizma sağlayacak açık, gözlemlenebilir, tüm vücut bir dizi etkinlik olarak tanımlanmaktadır. Hayatta kalma 1 ile karşılaştırıldığında nedeniyle zehiri maruz kalma davranış değişiklikleri, çevresel stres, genellikle 10-100 arası kat daha hassas en hassas göstergelerinden birisidir. Bu çalışmaların büyük çoğunluğu faaliyeti, havalandırma, yüzme ve balık 2,3,4 davranışını yiyecek arama incelenir. Yüzme etkinliği toksisite testleri 5 bir kirletici karşılık olarak bir davranış değişikliği belirlenmesinde en sık kullanılan subletal uç noktasıdır. Yüzme değişkenleri sıklığı ve seyahat hareket, hız ve mesafe süresini, sıklığını ve dönüşlerin açısını, konumunu su kolonu ve yüzme desen içerir. Yüzme aktivitediryüzme davranışı etkili bir önlem Sucul Toksikoloji kitap Temelleri Rand 6 ile Bölüm 9'da önerilen kriterlere göre bir zehiri duyarlılığın değerlendirilmesi.
Bu yazıda erken gelişmenin çeşitli aşamalarında erken yaşam evresi beyaz mersin bakır toksisitesi (Acipenser transmontanus) Su sadece yüzme davranışı değerlendirilmiştir mersin göre maruziyet nasıl bir örnek olarak bir toksikolojik çalışma sunar ve yüzme ölçülmesine yönelik yöntemler göstermektedir davranış.
Daha önceki çalışmalarda, advers davranışsal tepkileri bakır akut ve kronik maruziyetin ilk birkaç gün boyunca erken başlangıçlı belirgindi ve maruz kalma süresi ve konsantrasyon 7,8,9 üzerinde giderek daha şiddetli hale geldi. büyüklüğü ve bu davranışsal tepkilerin başlama zamanlaması uzun süreli sağkalım sınırlandırmak için yeterli muhtemeldir ve bu nedenle recrui için sonuçlar göz önüne alındığında endişe vardırtment hatası 10. doğru, metal maruziyeti yöntemler ve prosedürler bu duyarlılığın önemini yorumlamak için bakır konsantrasyonları göre davranışsal bozuklukların zaman sürecini ve kapsamını ölçülmesi için geliştirilmiştir.
davranışsal fonksiyon ve gelişimi için test protokolleri poz odalarında mersin balığı havai video örnekleri analiz edilerek kuruldu. video örnekleri maruziyet süresi boyunca bakır tedaviler arasında gelişimi ve işlevi niteliksel bir değerlendirme sağladı. Davranış ve barınak arayan faaliyeti gerçekleştirmek üzere ve koordinasyon, denge ve solunum yüzme, barınak arayışı, uyuşukluk etkileyen düşüklüğü zamansal dizisi karakterize etmek zamanı belirlemek için sulu bakır konsantrasyonları maruz sırasında değerlendirildi. Buna ek olarak, video kayıtları kantitatif belgeleyen kendiliğinden yüzme ACTi amacıyla çoğaltma her birinden alt örnekler mersin yapılmıştırvity. Bu bitiş noktaları süresi tedbirleri dahil veya zaman hız ve mesafe piyasada bulunan bir dijital görüntü analiz yazılımı paketi kullanarak 5,11 gitti, yüzme hareketli geçirdi. Bu yazılım bir görüş alanı içindeki her görüntünün ana hatlarını belirler ve bundan, her resim için merkezini tanımlar. Yazılım sonra hareketin yolları belirlemek için çerçeve arkaya bir çerçeve içinde her centroid konumunu izleyebilirsiniz.
Hayvan Refahı Yasası düzenlemelerine (9 CFR) Final Kuralları geçerli tüm bölümleri ile kültür ve deney sırasında test organizmalarının insani tedavisi için tüm kurumsal kurallarına uyulması Bu çalışma. Çalışmanın sona ermesi üzerine, bütün balık US Geological Survey için Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu, Columbia Çevre Araştırma Merkezi tarafından onaylanmış uygun kurallarına göre ötenazi uygulandı.
Protocol
Representative Results
Discussion
nedeniyle kirletici maruz kalma davranış değişiklikleri genellikle alt öldürücü toksisite için bir son nokta olarak kullanılır, ancak ölçmek zor olabilir. Genellikle, davranış yanıtları işlemek için çok fazla zaman gerektiren görsel gözlem ve manuel veri analizi ile ölçülmektedir. Ancak ilerleyen teknolojiyle birlikte, ölçülmesi yüzme faaliyeti için yöntemler işleme ve analiz süresini kısaltır videography 18 ve hareket analizi veya dijital izleme yazılımını kullanarak odaklanmıştır. Videonun analizi sırasında yani mersin balığı yüzme davranışlarını analiz için daha etkin ve verimli bir şekilde sağlanan video veri kayıtları ve balık izleme yazılımı kullanımını alıcı elle çok zaman olurdu yüzme değişkenler miktarının, verileri ele geçirdi. Prosedür böyle basit değişiklikler gerektirecektir Kurbağa ve sucul omurgasızlar gibi diğer canlılar için özelleştirme, bir balığın davranışlarını yüzme vurgulanan rağmen. Ne davranışsal endpoin bağlıts deneysel tasarım ve kamera sistemleri hemen hemen her piyasada mevcut izleme yazılım paketi ile kullanılmak üzere geliştirilmiş olabilir, ele alınmaktadır.
yöntem çözünmüş bakır kullanılarak ortaya, ama diğer sulu kirletici veya sıcaklık veya oksijen içeriği gibi özelliklere uygulanabilir olduğu. Bu yazıda geliştirilen ve sunulan protokoller kayıt cihazı gibi basit bir dijital video kamera kullandı. Dijital dosyaları kolayca bir bilgisayara aktarılır ve hareket analiz yazılımı olarak yüklenir. yöntemler sürekli değiştirilmiş ve miktar süreci hızlandırmaya yönelik rafine ediliyor. Video kalitesi izleme için her balık tanımlamak için analiz yazılımı için sırayla yüksek çözünürlükle olması zorunludur. veri dosyalarını işlemek için çalışırken balık ile kontrast olmayan herhangi bir arka plan sorunlara neden olur. İki boyutlu bir video izleme ile diğer ortak sorunu tanımlayan bireyler olduğunuyüzme yolları geçerken. Bu yol geçişi sırasında her balık belirlenmesi ve yazılım içindeki yol parçalarını birbirine bağlayan el düzeltilebilir. Seçenek olarak ise, toplam etkinlik, bir grup ortalaması olarak, her çoğaltma bölmesinden belirlenebilir. bir balık içeren her biri ile birkaç ayrı odaları tek tek balık hareketlerini hesaplamak için aynı görüş alanında filme olabilir.
Şu anda biz yüksek çözünürlüklü dijital video kayıt cihazı (HD-DVR) bağlı kalma odaları üzerinde havai güvenlik kameraları bir dizi kullanarak yükselttiniz. Ancak, yüksek tanımlı MPEG-4 video kaydedebilirsiniz herhangi bir kamera sisteminin kullanımı çalışacaktır. HD-DVR belirli bir zamanda kayıt ayarlanır ve 7 güne kadar programlanabilir. yaklaşım otomatik Bu hands-off balık davranışları tehlikeye atabilecek dış bozuklukları en aza indirerek tutarlılığı korumak için aynı anda birkaç video yakalama sağlar. HD-DVR sistems bir iç ağa bağlı, dosyaların aktarılması oldukça basittir. Otomatik kamera sistemi yüzme davranışını ölçülmesi için bir çok gelişmiş teknik olmasına rağmen, yine de toksisite testleri sırasında davranışsal bozukluk belgelenmesi için ek destek bilgileri sunmak için görsel incelemelerde bulunmak amacıyla faydalıdır.
1960'ların başında 19,20,21 kadar uzanan metallere maruz kalma sonucu literatür belgeleyen değişmiş balık davranışlarının uzun bir geçmişi vardır. Bakır gibi Bluegill 22 hipoaktivite olarak aktivite düzeyleri değişikliklere neden olduğu gösterilmiştir (Lepomis macrochirus rafinesque) ve lokomotor değişiklikler ve alabalığı 23 beslenme aktivitesi (Salvelinus fontinalis). En azından bazı yavru balık algılamak ve predatör önlemek ve bakır kaynaklı kimyasal-duyusal yoksunluk tespit alarm kimyasallar 24,25,26 ilgili davranışları etkileyebilir için koku alma duygusu güveniyor </sup>. Koku epiteli nedeniyle böylece oryantasyon bozukluğu, davranış kaçınma, azaltılmış beslenme ve olfaction 27 tarafından yönlendirilir başka davranışlar neden olabilir duyusal mekanizmaların etkileyen bakır maruz kalma hasar görmüştür. Bunlar değişmiş davranışlar poz sırasında gözlemlenen ne ile uyumlu idi.
beyaz mersin yüzme davranışı büyük ölçüde Bu sonuçlar davranış bakır öldürücü olmayan konsantrasyonlarında etkilenir ve toksik stresin bir göstergesi olarak nasıl kullanılabileceğini göstermek .. sulu bakır konsantrasyonlarına öldürücü pozlama sırasında etkilendi. Video tabanlı analiz yüzme davranışı miktarının etkili olduğunu kanıtladı ve aynı zamanda bakır maruz mersin balığı üzerinde ciddi etkileri kalitatif görsel belgeler olarak görev yaptı. analiz yazılımı da diğer çeşitli davranışsal uç noktaları miktarının yeteneğine sahiptir. Listesi için Tablo 1'e bakınız. poz sistemi her bir son nokta için değiştirilebilirGerçek zamanlı mod ve endişe, çeşitli kirletici maddelere maruz kalma ile bağlantılı davranış farklılıkları ölçmek için kullanılabilir.
Sudaki toksikolojik araştırmalarda davranış uç noktaları kullanımı giderek istihdam ve adaptif davranış fonksiyon çevre yaralanma 9 belirlenmesinde çok önemlidir, çünkü kirleticilerin etkilerini değerlendirirken dikkate alınmalıdır. Balık davranışına çevresel kirletici etkileri genellikle sübjektif ve standart yöntemlerle yokluğunda öldürücü olmayan bitiş noktaları ile uğraşırken özellikle zorlu olduğunu ..
titizlikle izlenebilir bu yöntemleri kullanarak sayısal olarak yüzme etkinliği, organizmaya az stres ile tahribatsız ve tekrarlanabilir. Davranışı Yüzme standart toksisite testlerinin 5 hassasiyetini genişletmek için deney protokolleri dahil edilmelidir öldürücü toksisite geçerli ve tutarlı endeksidir.
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).
