Name: 对水生生命值评价悬浮泥沙影响的流通系统曝光 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 15 s
Description: 了解FLEES流通系统如何精确控制悬浮泥沙浓度，用于评估水生生物在不同生命阶段的毒性效应。该系统支持30至800毫克每升的TSS范围，为环境毒理学研究提供可靠的实验平台。

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本研究由美国陆军工程兵团疏浚作业与环境研究计划（Dredging Operations and Environmental Research Program）资助，Todd Bridges 任项目主管。发布本材料已获得工程兵主管的许可。

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</ol>

观点、解释、结论和建议均为作者个人观点，不一定代表美国陆军的立场。本报告中引用的商业组织或商品名称并不构成美国陆军对该等组织的产品或服务的官方认可或批准。作者伯顿·C·苏德尔（Burton C. Suedel）和贾斯汀·L·威尔肯斯（Justin L. Wilkens），均来自美国陆军工程研究与发展中心，声明其不存在利益冲突的财务关系。

FLEES 技术通过采用自动化、计算机控制的系统，能够在广泛的暴露时间和悬浮沉积物浓度范围内维持并控制悬浮沉积物，从而改进了现有方法4,9 。该技术具有灵活性，可根据物种的不同，用于评估悬浮沉积物对多种水生生物及其从卵到成体等不同生命阶段的影响。未来，该技术还可用于评估悬浮沉积物对沉水水生植被的影响。
FLEES 已被成功用于生成效应数据（例如， 存活率和生长）对多种物种（如梭鲈5,10大西洋鲟鱼11 和牡蛎12FLEES 按照设计成功评估了来自美国不同地区的多种悬浮沉积物对淡水和海洋环境中水生生物的影响。该技术的便携性和封装设计也使其适用于野外现场使用。
为确保方法成功，最关键的步骤包括：1）每次使用新的测试沉积物时均需对FLEES进行校准，以量化总悬浮物（TSS）与浊度之间的关系，从而实现目标TSS浓度的准确匹配；2）基于TSS而非浊度开展实验，以便将实验结果与相应的监管标准和规范进行比较；3）使用合适的双隔膜泵，以确...

疏浚作业采用机械方法清除港口和航道底部的沉积物。在清除过程中，部分受扰动的沉积物会悬浮于水体中，可能对水生生物造成物理胁迫。除了发生悬浮外，沉积物还可能在沉降之前，受周围环境条件影响而被输运至远离疏浚作业区的区域。这两种机制的共同作用意味着，靠近正在作业的疏浚设备的水生生物可能会暴露于悬浮沉积物中，并遭受不利影响。为应对此类问题，环境窗口期（季节性疏浚限制）通常作为一种管理措施，用以减少或消除疏浚活动产生的悬浮沉积物对水生资源可能造成的有害影响1,2。
环境窗口通常用于保护濒危、受威胁或具有商业价值的物种，例如玻璃梭鲈（Sander vitreus）和东部牡蛎（Crassostrea virginica）3。实施环境窗口的支持性依据通常关注疏浚活动可能对动物完成其生活史特定阶段的能力造成物理干扰（例如，悬浮沉积物）。常被引用的生命阶段包括卵和幼体，以确保洄游性物种的迁徙通道畅通3。然而，目前有关悬浮沉积物对特定物种产生生物学影响的信息仍然有限4,5，这限制了环境窗口作为风险管理工具的应用。 
基于这些原因，设计、构建并使用了FLEES（鱼类早期生命阶段暴露系统），以模拟沉积物的悬浮状态，并确定其对水生生物早期生命阶段的影响。FLEES研究采用细颗粒沉积物（即，主要为粉砂、黏土和细砂），这类颗粒最有可能保持悬浮状态，并从源头迁移至最远距离。FLEES能够用于测试鱼类的卵和幼体，也可进行改造以适应其他水生生物，因而具备独特的能力。所获得的生物学响应数据可用于评估悬浮沉积物的影响。以下操作步骤概述了如何构建和运行该技术，以利用多种水生生物获得可重复的悬浮沉积物浓度及其效应数据。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;一个FLEES模块、水浴及水族箱的部件清单&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>木柱——用于搭建模块（切割为78英寸）</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：4&lt;br/&gt; 规格：4英寸×4英寸×8英尺</td></tr><tr><td>胶合板，船用级——固定在离地约18英寸高的木柱上，用于支撑水浴（60英寸×42英寸）</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：3/4英寸×4英尺×8英尺</td></tr><tr><td>胶合板——固定在木柱顶部，用于支撑管道、电磁阀和电气设备（60英寸×42英寸）</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：1/4英寸×4英尺×8英尺</td></tr><tr><td>木撑条——用于加固胶合板和木柱（按需切割）</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：4&lt;br/&gt; 规格：2英寸×4英寸×96英寸</td></tr><tr><td>水箱，玻璃钢材质——水浴，带两个排水口：1）连接冷却器；2）排水</td><td>Hydro Composites, LLC, Stockdale, TX, USA</td><td>FBT-226</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：150加仑</td></tr><tr><td>水冷机，自带水泵——用于水浴；冷却器置于模块下方</td><td>Remcor Products Co., Glendale Heights, IL, USA</td><td>CFF-500</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：1/2马力</td></tr><tr><td>水箱，圆顶底——FLEES水族箱——置于水浴内部</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>5197</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：19升</td></tr><tr><td>水箱支架——亚克力支架，12英寸×12英寸×6英寸——用于支撑水族箱</td><td>由ERDC车间定制</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：定制</td></tr><tr><td>磁力驱动泵——用于在每个水族箱中悬浮沉积物</td><td>March Manufacturing Inc., Glenview, IL, USA</td><td>MDX-3-1/2 115 v</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：28升/分钟</td></tr><tr><td>LED灯——安装在水浴上方</td><td>C2 Development, Inc., Ames, IA, USA</td><td>Hydra 26</td><td>数量：2&lt;br/&gt; 规格：根据照明面积确定</td></tr><tr><td>PVC Schedule 40管道——安装在水浴排水口，用于控制水位</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：-&lt;br/&gt; 规格：1英寸</td></tr><tr><td>贯通接头——用于水族箱/水浴与泵、排水口、水和泥浆管线的连接</td><td>Lifegard Aquatics, Cerritos, CA, USA</td><td>R270900</td><td>数量：30&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸FPT×FPT</td></tr><tr><td>快速接头，公螺纹管插入件——插入水箱贯通接头</td><td>Cole-Parmer, Vernon Hills, IL, USA</td><td>EW-31303-36</td><td>数量：10&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸MPT</td></tr><tr><td>快速接头，带阀软管接头——连接水族箱与水箱贯通接头中的插入件</td><td>Cole-Parmer, Vernon Hills, IL, USA</td><td>EW-31303-11</td><td>数量：10&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸</td></tr><tr><td>黑色HDPE螺纹弯头接头——用于水族箱乙烯基管与泥浆/水管线及泵的连接</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>62043</td><td>数量：20&lt;br/&gt; 规格：1/2 NPT×1/2英寸软管内径</td></tr><tr><td>黑色HDPE螺纹转换接头——用于泵与水箱贯通接头之间的连接</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>62017</td><td>数量：10&lt;br/&gt; 规格：1/2 NPT×1/2英寸软管内径</td></tr><tr><td>乙烯基管——连接泥浆/水管线与水族箱，以及泵与水族箱</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：25英尺&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸内径</td></tr><tr><td>乙烯基管——连接水族箱排水插入件与水浴排水口</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：25英尺&lt;br/&gt; 规格：5/8英寸内径</td></tr><tr><td>不锈钢软管夹——用于将乙烯基管固定在软管接头上</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：40&lt;br/&gt; 规格：#8</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;泥浆系统部件清单&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>水冷机，自带水泵——置于泥浆罐一侧</td><td>Remcor Products Co., Glendale Heights, IL, USA</td><td>CFF-500</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：1/2马力</td></tr><tr><td>125加仑敞口锥底水箱带支架——42英寸×35英寸——用于盛装水和沉积物以制备泥浆</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>8586</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：125加仑</td></tr><tr><td>125加仑水箱盖</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>8935</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：42英寸×35英寸</td></tr><tr><td>PVC阀门——连接水箱排水口与泵——用于隔离维护</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：2&lt;br/&gt; 规格：1-1/2英寸</td></tr><tr><td>双隔膜泵，带支架——用于循环泥浆</td><td>Wilden-pumps.co.uk &amp;amp; Air Pumping Ltd., Essex, UK</td><td>P2/PPPP/WF/WF/PTV/400</td><td>数量：1&lt;br/&gt; &lt;br/&gt; 联系经销商</td></tr><tr><td>光学背散射传感器——测量泥浆罐中的NTU</td><td>Campbell Scientific, Logan, UT, USA</td><td>OBS-3+</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：0-1,000 NTU</td></tr><tr><td>PVC Schedule 40管道——用于循环泥浆</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：20英尺&lt;br/&gt; 规格：1英寸</td></tr><tr><td>柔性PVC管——配备接头，用于连接下一模块</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：10英尺&lt;br/&gt; 规格：1英寸</td></tr><tr><td>接头，PVC Schedule 80承插式——连接泥浆管线与下一模块</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：8&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸</td></tr><tr><td>电磁阀，Plastomatic（常闭型）——用于引入泥浆</td><td>Plast-O-Matic Valves, Inc., Cedar Grove, NJ, USA</td><td>EASYMT4V12R24-PV</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸NPT螺纹，24 VAC&lt;br/&gt; 联系经销商</td></tr><tr><td>接头，PVC三通——连接泥浆管与电磁阀</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：1英寸×1英寸×1英寸滑动×滑动×FIPT</td></tr><tr><td>接头，1英寸PVC球阀螺纹——用于关闭泥浆输送至电磁阀/水管线</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：7&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸</td></tr><tr><td>接头，1英寸PVC螺纹接头——连接泥浆电磁阀与关闭阀</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸</td></tr><tr><td>乙烯基管——连接水电磁阀与泥浆电磁阀</td><td>本地供应商</td><td>N/A</td><td>数量：50英尺&lt;br/&gt; 规格：1/4&quot;内径</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;水系统部件清单&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>水冷机，自带水泵——置于储水罐一侧</td><td>Remcor Products Co., Glendale Heights, IL, USA</td><td>CFF-500</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：1/2马力</td></tr><tr><td>125加仑敞口锥底水箱带支架——42英寸×35英寸——用于盛装水和沉积物以制备泥浆</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>8586</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：125加仑</td></tr><tr><td>125加仑水箱盖</td><td>United States Plastic Corp, Lima, OH, USA</td><td>8935</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：42英寸×35英寸</td></tr><tr><td>PVC阀门——连接水箱排水口与水泵</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：2&lt;br/&gt; 规格：1英寸</td></tr><tr><td>磁力驱动泵，直连式——用于循环水至水族箱和冷却器</td><td>Little Giant, Fort Wayne, IN, USA</td><td>3-MD-SC</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：1/12马力</td></tr><tr><td>电磁阀，Alco——用于引入水</td><td>已停产；ASCO, Florham Park, NJ, USA提供类似产品</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：24 V，1/4英寸NIPT</td></tr><tr><td>接头，黑色HDPE变径连接器——将电磁阀的1/4英寸软管水管线连接至1/2英寸软管</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&amp;nbsp;&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸软管内径×1/4英寸软管内径</td></tr><tr><td>接头，黑色HDPE三通——连接1/2英寸软管水管线和泥浆至水族箱</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸NPT×1/2英寸软管内径×1/2英寸软管内径</td></tr><tr><td>接头，弯头</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸90&amp;deg; MIPT×FIPT</td></tr><tr><td>接头，PVC螺纹管接头——连接接头与电磁阀及其他连接</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：12&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸</td></tr><tr><td>接头，螺纹接头——连接泥浆/水管线与下一模块</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：6&lt;br/&gt; 规格：1英寸PVC&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>接头，变径衬套——连接至水管线中的变径三通</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：1/2英寸外螺纹×1/4英寸内螺纹FIPT</td></tr><tr><td>接头，螺纹管接头——连接衬套与水电磁阀</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：4英寸长×1/4英寸</td></tr><tr><td>PVC管道——用于连接水箱、水泵和冷却器</td><td>本地管道供应商</td><td>N/A</td><td>数量：5英尺&lt;br/&gt; 规格：Schedule 40</td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;传感器、数据采集设备及计算机软件部件清单&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>软件，LabView</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>LabView 2015 Base</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>SCXI-1001 12槽机箱，美国120 VAC</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>776571-01</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>SCXI 1100 - 32通道，&amp;plusmn;10 V模拟输入模块</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>776572-00</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>SCXI 1303 - 专为高精度热电偶测量设计的端子块</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>777687-03</td><td>数量：2&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>SCXI 1102B - 32通道热电偶/电压输入模块</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>776572-02B</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>SCXI 1161 - 通用继电器模块</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>776572-61</td><td>数量：6&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>SCXI 1300 - 通用电压模块</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>777687-00</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：N/A</td></tr><tr><td>PCMCIA数据采集卡 DAQCARD-AI-16E-4</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>N/A - 遗留产品</td><td>数量：1&lt;br/&gt; 规格：N/A&lt;br/&gt; 可在线购买二手卡</td></tr><tr><td>传感器，光学背散射——测量每个水族箱中的NTU</td><td>Campbell Scientific Inc., Logan, UT, USA</td><td>OBS-3+</td><td>数量：5&lt;br/&gt; 规格：0-1,000 NTU</td></tr></tbody></table>

一种用于评估悬浮沉积物对水生生物影响的流水暴露系统

A Flow-through Exposure System for Evaluating Suspended Sediments Effects on Aquatic Life

本文介绍了鱼类幼体与卵暴露系统（Fish Larvae and Egg Exposure System, FLEES）。该流水式暴露系统利用泵和自动化控制装置输送泥沙与水体，以模拟悬浮泥沙状态，用于在实验室条件下研究悬浮沉积物对多种水生生物及其不同生命阶段的影响。通过FLEES获得的数据可用于建立在特定暴露时长下水生生物效应与悬浮沉积物浓度之间的暴露-响应曲线。这些效应数据可用于评估旨在减少水生生物与人为来源悬浮沉积物相互作用的管理措施。FLEES能够生成总悬浮物（TSS）浓度范围为30至800 mg/L的实验条件，使其成为评估多种活动所导致TSS影响的理想系统，包括模拟环境中较低水平的TSS，以及评估疏浚作业、船舶交通、山洪和风暴等引起的悬浮沉积物来源。

在开始实验之前，需进行一系列运行操作，以确保FLEES向每个水族箱输送适当浓度的沉积物（第5.5和6.2节）。 图6 说明如何在实验水族箱中维持NTU浓度，以达到目标悬浮沉积物浓度。本示例中，FLEES评估了在为期三天的暴露期间内，使用拟议的测试沉积物是否能够维持悬浮沉积物浓度，该暴露时长代表了模拟野外典型暴露条件的常见实验周期。每个水族箱均设定为在三天内持续保持恒定浊度。测试沉积物在30日的4小时内被引入th 2016年5月。0 mg/L TSS浓度代表未添加沉积物的对照水族箱。在100、250和500 mg/L的目标浓度下，实验期间连续三天，水族箱内的浊度分别稳定维持在90、240和430 NTU。图6）。图中各浓度下均可观察到反映程序化定时添加悬浮沉积物的沉积物脉冲。FLEES 系统的灵活性使研究人员能够将悬浮物浓度控制在目标值约 20–40 NTU 的范围内。这些数据表明，FLEES 技术能够在一段时间内维持所需的悬浮沉积物浓度。
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介绍一种坚固且灵活的流通式暴露系统，该系统设计用于使沉积物保持悬浮状态。该系统可用于在实验室中研究悬浮沉积物对多种水生生物及其不同生命阶段的影响。

本文介绍了鱼类幼体与卵暴露系统（Fish Larvae and Egg Exposure System，FLEES）。该流水式暴露系统用于研究悬浮颗粒物对鱼类胚胎和幼体发育的影响。

该实验技术的总体目标是提供一种稳定且灵活的流水暴露系统，用于维持沉积物和悬浮状态，以便在实验室中研究悬浮沉积物对各种水生生物及其不同生命阶段的影响。该技术有助于解答环境毒理学领域的关键问题，从而加深我们对悬浮沉积物等物理胁迫因子在水生环境中影响的理解。该技术的主要优势在于能够模拟沉积物的悬浮状态，为 incoming 管理措施提供支持，以减少水生生物与悬浮沉积物之间的相互作用。尽管该方法可用于研究疏浚的影响，也可用于评估船舶交通、洪水和风暴所导致的悬浮沉积物的影响。该技术的可视化演示至关重要，因为其构建过程与校准步骤共同决定了应用是否成功。请按照文本方案中的描述，开始模块和水浴装置的搭建与组装。构建溢流排水管时，使用孔锯在19升圆底聚乙烯水箱顶部下方5厘米处切割一个直径为2.54厘米的孔。在箱体外侧安装贯通接头及插入件，作为溢流排水口。构建浆液进水口时，使用孔锯在水族箱顶部下方5厘米处再切割一个直径为2.54厘米的孔。安装另一个贯通接头和带螺纹的弯头软管接头。构建泵的出口时，在水箱底部中央切割相同类型的孔，并安装贯通接头。在贯通接头的外侧螺纹上连接一个弯头软管接头。为构建泵的进水口，在水箱底部偏离中心的位置再开一个孔，并安装贯通接头。将贯通接头外侧用弯头软管接头螺纹连接。在水浴槽外部，从底部向上测量9厘米，并沿水箱长度方向画一条线。沿着标记线，在水浴槽的长度方向上为每个水族箱切割一对直径为2.54厘米的孔，并安装贯通接头。将磁力驱动泵安装在一个支架上，该支架应能放置在水浴槽下方，并位于带有孔和贯通接头的一侧，以便连接水族箱。为每台泵安装一个串联电源开关，或将泵连接至开关盒以供电。用水管接头穿入水浴罐的外侧隔板。在将泵连接至相应水族箱的隔板之前，先将乙烯基管连接到泵的进水口和出水口。在水浴内部，将快速断开接头插入隔板中。将每个水族箱连接到泵后，将乙烯基管连接到安装在水族箱底部的软管接头上，并将管子连接到快速断开阀的软管接头。接下来，将快速接头连接在泵与水族箱之间。在此连接处安装一个球阀，以便在维护时隔离泵。接下来，使用乙烯基管将每个水族箱的溢流排水口连接至共用排水管。然后将共用排水管连接至水浴排水口。将每个水族箱的泥浆水进水口连接至安装在模块顶部的泥浆和水系统。将泥浆罐的排液口连接到安装在泥浆罐旁支架上的气动双隔膜泵的入口。安装一个PVCT，以引导泥浆流向泵或实验室排水口。同时安装连接罐体与泵的阀门，以便在维护时将其隔离。为驱动泵运行，将其连接至实验室建筑的空气压缩机。在模块顶部安装一根PVC管，并建立一个循环管线，以便根据需要向每个水族箱提供泥浆。在距离泥浆储液罐最远的使用点处，安装一条回流管线，将未使用的泥浆输送回储液罐。使用柔性PVC管和活接头连接各模块。通过三通、球阀和活接头将浆料电磁阀连接到循环浆料管上，以便在维护时将电磁阀与主PVC管隔离。确保每个

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环境

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