Het meten van de effecten van milieuverontreinigende stoffen op vis gedrag is vaak subjectief en uitdagend in het bijzonder bij de behandeling van subletale eindpunten. We beschrijven methoden, waaronder video-technologie om te zwemmen gedrag van de vroege levensfase witte steur (Acipenser transmontanus) te kwantificeren tijdens en na 96 uur acute blootstelling aan verschillende concentraties van koper.
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.
Begrijpen hoe contaminant blootstelling gedrag van invloed kan zijn is soms zeer uitdagend en subjectief. Gedrag wordt gewoonlijk gedefinieerd als een reeks van openlijke, waarneembare gehele lichaam activiteiten die werken via het centrale zenuwstelsel en maken een organisme om te overleven, te groeien en te reproduceren. Gedragsveranderingen door blootstelling aan een giftige stof tot de meest gevoelige indicatoren van omgevingsstress vaak tussen 10-100 maal gevoeliger in vergelijking met overleving 1. De meerderheid van deze studies onderzocht zwemmen activiteit, ventilatie en foerageergedrag van vis 2,3,4. Geschikt activiteit is de meest gebruikte subletale eindpunt bepalen een gedragsverandering reactie op verontreiniging in toxiciteitstesten 5. Zwemmen variabelen zijn de frequentie en de duur van de beweging, snelheid en afgelegde afstand, de frequentie en de hoek van de bochten, de positie in de waterkolom en het patroon van het zwemmen. Zwemmen activiteiteen effectieve maatregel van het zwemmen gedrag bij de beoordeling van de gevoeligheid van een giftige stof op basis van de in hoofdstuk 9 van Rand 6 voorgesteld in het boek Fundamentals of Aquatic Toxicology criteria.
Deze paper presenteert een toxicologisch onderzoek als een voorbeeld van hoe de toxiciteit van koper aan het begin van het leven stadium witte steur (Acipenser transmontanus) in verschillende stadia van de vroege ontwikkeling in water-only blootstelling ten opzichte van de Steur zwemmen gedrag werd geëvalueerd en illustreert methoden voor het kwantificeren van het zwemmen gedrag.
In eerdere studies, gedragsstoornissen reacties waren duidelijk met een vroeg begin in de eerste paar dagen van acute en chronische blootstelling aan koper en werd geleidelijk ernstiger dan blootstellingsduur en concentratie 7,8,9. De omvang en de timing van het begin van deze gedragsreacties waarschijnlijk voldoende zijn om lange-termijn overleving beperken en derhalve van belang zijn gezien de implicaties voor recruitment mislukking 10. Om de betekenis van deze gevoeligheid voor metaalblootstelling methoden en procedures te interpreteren zijn ontwikkeld voor het kwantificeren van het tijdsverloop en de omvang van gedrags- stoornissen opzichte koperconcentraties.
Test protocollen voor gedrags-functie en ontwikkeling werden vastgesteld door het analyseren van overhead video monsters van steur in de blootstelling kamers. De video monsters geleverd kwalitatieve beoordeling van de ontwikkeling en functie tussen koper behandelingen gedurende de gehele periode blootstelling. Gedrag en onderdak zoeken naar activiteit werden geëvalueerd tijdens blootstelling aan waterige koper concentraties om de tijd te bepalen om te bewerkstelligen en om de tijdelijke opeenvolging van bijzondere waardevermindering die onderdak zoeken, lethargie beïnvloedt, zwemmen coördinatie, evenwicht, en de ademhaling te karakteriseren. Daarnaast werden video-opnames gemaakt van steur subsampled uit elke repliceren voor het doel van kwantitatief documenteren van spontane zwemmen activiteit. Deze eindpunten opgenomen maatregelen van de duur of de tijd besteed bewegen, zwemmen snelheid en afgelegde afstand 5,11 met behulp van een commercieel beschikbare digitale beeldanalyse softwarepakket. Deze software bepaalt de omtrek van elk beeld binnen een gezichtsveld en naar definieert het zwaartepunt voor elk beeld. De software kan dan de positie van elk zwaartepunt in een rupsframe frame opvolging in de paden van beweging te bepalen.
Deze studie voldaan aan alle van toepassing zijnde secties van de Final Rules van de Animal Welfare Act regelgeving (9 CFR) en met alle institutionele richtlijnen voor een humane behandeling van de test organismen tijdens cultuur en experimenteren. Bij beëindiging van de studie werden alle vissen gedood volgens passende richtlijnen zoals goedgekeurd door de Institutional Animal Care en gebruik Comite voor de US Geological Survey, Columbia Environmental Research Center.
Gedragsveranderingen door blootstelling aan een verontreiniging worden vaak gebruikt als eindpunt voor sublethale toxiciteit, maar moeilijk te meten. In het algemeen zijn gedrag responsen gemeten door visuele waarneming en handmatige gegevensanalyse die veel verwerkingstijd nodig. Maar met de vooruitgang van de technologie, hebben methoden voor het kwantificeren van het zwemmen activiteiten gericht op het gebruik videografie 18 en bewegingsanalyse of digitale tracking software die de verwerking en analyse tijd vermindert. Tijdens de analyse van de video vastgelegde gegevens, het kwantificeren van het zwemmen variabelen handmatig zou veel tijd geweest zijn in beslag, zodat het gebruik van video-opnames data en vis tracking software voorzien van een effectievere en efficiëntere manier voor het analyseren van steur zwemmen gedrag. Hoewel de procedure benadrukte zwemmen gedrag van een vis, het aanpassen van andere organismen zoals amfibieën en ongewervelde zou eenvoudige aanpassingen vereisen. Afhankelijk van wat behavioral Eindpunts worden aangepakt, experimenteel ontwerp en camera systemen kunnen worden ontwikkeld voor gebruik met zowat elke commercieel beschikbare tracking software pakket.
De werkwijze wordt aangetoond door middel opgelost koper, maar is toepasbaar op andere waterige verontreinigingen of eigenschappen zoals temperatuur of zuurstofgehalte. De ontwikkeld en gepresenteerd in dit document protocollen gebruik gemaakt van een eenvoudige digitale video camera als het opnameapparaat. De digitale bestanden kunnen eenvoudig overgezet naar een computer en geüpload in om de beweging analyse software. De werkwijzen worden voortdurend gemodificeerd en verfijnd om de kwantificering te stroomlijnen. Het is noodzakelijk dat de beeldkwaliteit in high definition zodat de analysesoftware elke afzonderlijke vis identificeren volgen. Elke achtergrond die niet contrasteren met de vis zal problemen veroorzaken wanneer het proberen om de gegevensbestanden te verwerken. Een ander veel voorkomend probleem met twee dimensionale video-tracking is het identificeren van individuentijdens het zwemmen paden kruisen. Dit kan handmatig worden gecorrigeerd door het identificeren van elke vis tijdens de overtocht pad en het koppelen van het pad segmenten binnen de software. Als alternatief kan de totale activiteiten worden bepaald uit elke repliceren kamer als groep gemiddeld. Verschillende afzonderlijke kamers met elk een met een vis kan worden gefilmd in hetzelfde gezichtsveld van de bewegingen van de individuele vis te berekenen.
Op dit moment hebben we een upgrade naar het gebruik van een reeks van overhead bewakingscamera's boven de belichting kamers die zijn gekoppeld aan een high-definition digitale video-opname-apparaat (HD-DVR). Echter, het gebruik van een camerasysteem dat high definition MPEG-4 video kan opnemen werken. De HD-DVR kan ingesteld worden om op te nemen op een bepaald tijdstip en geprogrammeerd voor maximaal 7 dagen. Deze hands-off geautomatiseerde aanpak maakt het mogelijk de vangst van verschillende video's op hetzelfde moment om de consistentie te behouden, terwijl het minimaliseren van externe verstoringen die vis gedrag in gevaar kunnen brengen. De HD-DVR systems aansluiting op een netwerk, zodat het overbrengen van bestanden is relatief eenvoudig. Terwijl de automatische camerasysteem een veel betere werkwijze voor het kwantificeren zwemgedrag, is het nog steeds voordelig voor visuele waarneming voeren als aanvullende ondersteunende informatie voor het documenteren behavioral impairment in toxiciteitsproeven dienen.
Er is een lange geschiedenis van de literatuur documenteren veranderde vis gedrag als gevolg van blootstelling aan metalen die teruggaat tot de vroege jaren 1960 19,20,21. Koper is aangetoond dat veranderingen in de activiteit zoals hypoactiviteit in zonnebaars 22 veroorzaken (Lepomis macrochirus Rafinesque) en de veranderingen in het bewegingsapparaat en het voeden van de activiteit van de beek forel 23 (Salvelinus fontinalis). Ten minste een aantal jonge vis vertrouwen op hun gevoel van geur op te sporen en te voorkomen dat roofdieren, en koper-geïnduceerde chemosensory ontbering kan gedrag met betrekking tot het opsporen van alarm chemicaliën 24,25,26 invloed </sup>. De reukepitheel is beschadigd als gevolg van blootstelling aan koper daardoor zintuiglijke mechanismen die kunnen leiden tot desoriëntatie, gedragsmatige vermijding, verminderde voeding en andere gedragingen die worden geleid door de reukzin 27 beïnvloeden. Deze gewijzigde gedrag waren consistent met wat tijdens de blootstelling waargenomen.
De zwemgedrag witte steur werd sterk beïnvloed tijdens subletale blootstelling aan waterige koperconcentraties .. Deze resultaten illustreren hoe gedrag beïnvloed op subletale concentraties van koper en kan worden gebruikt als een indicator van toxische stress. De video gebaseerde analyse bleek effectief bij het kwantificeren zwemmen gedrag en diende ook als kwalitatieve visuele documentatie van de ernstige gevolgen voor de steur blootgesteld aan koper. De analysesoftware kan ook kwantificeren andere gedrags- eindpunten. Zie tabel 1 voor een lijst. Het belichtingssysteem kan worden aangepast aan elk eindpunt in te pakkenreal-time gecontroleerd en kan worden gebruikt om verschillen in gedrag van blootstelling aan diverse verontreiniging bezorgdheid kwantificeren.
Het gebruik van gedrags- eindpunten in aquatische toxicologisch onderzoek steeds werknemer en moet worden beschouwd als de effecten van verontreinigingen omdat adaptieve gedragsfuncties cruciaal is bij het bepalen van het milieu schade 9. De effecten van milieuverontreinigende stoffen te vissen gedrag is vaak subjectief en uitdagend in het bijzonder als het gaat om subletale eindpunten in de afwezigheid van standaardmethoden ..
Geschikt activiteit gekwantificeerd met behulp van deze werkwijzen kan streng worden gecontroleerd, niet destructief met minimale belasting van het organisme en kan worden herhaald. Geschikt gedrag is geldig en consistente index subletale toxiciteit die in testprotocollen moeten worden opgenomen om de gevoeligheid van standaard toxiciteitstests 5 vergroten.
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 |