Dieses Protokoll stellt die Methoden zum Erstellen, Anbringen und Verfolgen von harmonischen Radarmarken für Insekten vor.
Methodenartikel
Harmonische Radar-Tags für die Insektenverfolgung: Leicht, kostengünstig und zugänglich
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die Verwendung von Ortungsgeräten zur Verfolgung von Tierbewegungen ist seit langem ein Standardansatz zur Untersuchung des Verhaltens und der Ökologie von Wirbeltieren. Bis vor relativ kurzer Zeit waren diese Tracking-Methoden für Entomologen aufgrund der unerschwinglich großen Größe und Masse der Tracking-Geräte, die angebracht werden müssen, nicht verfügbar. Zu den Technologien, die zur Insektenverfolgung eingesetzt werden, gehören Funktelemetrie, Bluetooth, RFID und harmonisches Radar. Unter diesen ist die Radiotelemetrie die am häufigsten verwendete Methode, um größere Insekten aufzuspüren. Es bietet einen größeren Erfassungsbereich und einzigartige Signale für jedes verfolgte Insekt, erfordert jedoch teure Etiketten, die eine begrenzte Haltbarkeit und Lebensdauer haben und schwer sind, in der Regel mindestens 150 Milligramm. Im Gegensatz dazu sind harmonische Radar-Tags, die erstmals 1986 verwendet wurden, mindestens um eine Größenordnung leichter, kostengünstig und haben Erfassungsbereiche, die eine Feldverfolgung vieler kleinerer Insekten ermöglichen. Hier demonstrieren wir den Einsatz eines handelsüblichen Transceivers, der für die Rettung im Hinterland vermarktet wird. Zusammen machen kostengünstige Tags und handelsübliche Transceiver diese Insektenverfolgungstechnik für Entomologen, die das Verhalten und die Ökologie von Insekten untersuchen, leicht zugänglich. In diesem Artikel werden wir uns mit dem Erstellen von Tags, dem Anbringen von Tags an Insekten, dem Verfolgen dieser getaggten Insekten und einigen repräsentativen Tracking-Ergebnissen befassen.
Einleitung
Der Einsatz von Ortungsgeräten zur Untersuchung der Bewegungen von Wirbeltieren ist seit langem ein Standardansatz für das Sammeln von Daten über das Verhalten und die Ökologie größerer Tiere wie Säugetiere, Vögel und Fische, wobei die Ortung hauptsächlich Radiotelemetrie und GPS-Ortung verwendet1. Bis vor relativ kurzer Zeit waren diese Tracking-Methoden für Entomologen jedoch aufgrund der unerschwinglich großen Größe und Masse der Tracking-Geräte, die angebracht werden müssen, nicht verfügbar2. Zu den Technologien, die zur Insektenverfolgung eingesetzt werden, gehören Funktelemetrie, Bluetooth, RFID und harmonisches Radar2,3. Von diesen ist die Radiotelemetrie bei weitem die am häufigsten verwendete Methode, um größere Insekten zu verfolgen2. Es bietet einen größeren Erfassungsbereich und einzigartige Signale für jedes verfolgte Insekt. Diese Methode erfordert jedoch teure Markierungen, die eine begrenzte Haltbarkeit und Feldlebensdauer haben und schwer sind, in der Regel mindestens 150 mg. Bluetooth ist derzeit die am wenigsten entwickelte Technik, mit kleineren Tags als Funktelemetrie, aber auch mit einer kürzeren Reichweite3. RFID-Tags können sehr klein sein und sind recht preiswert, haben aber die kürzeste Reichweite (oft nur wenige mm)4. Insektenkennzeichnung mit RFID-Tags wurde am häufigsten verwendet, um Bienenarbeiterinnen beim Betreten und Verlassen des Bienenstocks zu untersuchen5. Im Gegensatz dazu sind harmonische Radar-Tags mindestens um eine Größenordnung leichter als Radiotelemetrie-Tags, kostengünstig und verfügen über Erfassungsbereiche, die eine Feldverfolgung viel kleinerer Insekten ermöglichen6 (Abbildung 1).
Harmonisches Radar verwendet einen Transceiver, der ein Signal aussendet, das das vom Insekt getragene Tag mit Energie versorgt und das frequenzverdoppelte Rücksignal empfängt, das vom Tag gesendet wird7,8,9 (Abbildung 2). Während eine Reihe von Studien die Verwendung von harmonischen Radar-Tags bei mittelgroßen Insekten beschrieben haben6,10,11,12,13, gibt es keine richtige Demonstration, wie ein Tag hergestellt wird. In diesem Artikel finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Herstellung von zwei unterschiedlich großen harmonischen Radar-Tags, die jeweils aus einer Schottky-Diode und einem Nitinoldraht bestehen. Kleinere Tags sind leichter und eignen sich besser für kleinere Insekten6, während die größeren Tags eine größere Reichweite haben und von größeren Insekten untergebracht werden können11. Der Nitinoldraht ist eine kritische Designkomponente, da dieser Draht flexibel ist und sich das markierte Insekt relativ frei bewegen kann. Es kehrt auch schnell zu einer geraden Ausrichtung zurück, was eine maximale Signalrückgabe ermöglicht6,10,11. Wir demonstrieren auch die Verwendung eines handelsüblichen Transceivers (siehe Abschnitt "Abrufen von Signalen" unten), der für die Rettung im Hinterland vermarktet wird7,9,14. Zusammen machen kostengünstige Tags und handelsübliche Transceiver diese Insektenverfolgungstechnik für Entomologen, die das Verhalten und die Ökologie von Insekten untersuchen, leicht zugänglich. In diesem Artikel befassen wir uns mit dem Erstellen von Tags, dem Anbringen von Tags an Insekten, dem Verfolgen dieser markierten Insekten und liefern einige repräsentative Tracking-Ergebnisse.
Protokoll
1. Vorbereitung
- Montieren Sie alle Materialien, die für die Herstellung von Etiketten benötigt werden: Nitinoldraht (0,0254 mm für kleine Etiketten, 0,0762 mm für große Etiketten), Schottky-Dioden (eine pro Etikett), leitfähige Klebstoffe (silbernes leitfähiges Epoxidharz wird für maximale Festigkeit empfohlen, silberne Farbe für leichtere Etiketten) und 3D-gedruckte Vorrichtungen für das Drahtschneiden und die Montage von Etiketten (siehe Materialtabelle).
- Stellen Sie sicher, dass zwei unterschiedlich große Nitinoldrähte, 25 μm und 75 μm, für die Verwendung in kleinen bzw. großen Tags zur Verfügung stehen.
2. Großes Tag
HINWEIS: Dieser Abschnitt stellt die Montage von großen Tags dar. Es ist wichtig, zwei Drähte mit der richtigen Antennenlänge (8,25 cm passend zur Transceiver-Frequenz) für die großen Tags zu haben.
- Schneiden Sie die Drähte mit der Messlehre mit einer Schere reproduzierbar auf die gewünschte Länge (8,25 cm) ab.
- Verwenden Sie zunächst das einseitige Klebeband, um den Draht an der Vorrichtung zu befestigen.
- Wickeln Sie den Draht um die Vorrichtung (max. 20-30 Mal) und halten Sie dabei eine leichte Spannung aufrecht.
- Schneiden Sie die Drähte im Kanal mit einer Schere ab. Die Größe des erhaltenen Drahtes beträgt 8,25 cm.
- Entfernen Sie dann vorsichtig die Drähte vom Zylinder.
HINWEIS: Für jedes Etikett werden zwei Drähte benötigt.
- Bereiten Sie die Diode für die Kabelbefestigung vor.
- Befestigen Sie die Diodenverpackung mit Klebeband am Mikroskop. Ziehen Sie die Abdeckung mit einer Pinzette zurück und entfernen Sie die Dioden mit doppelseitigem Klebeband.
- Legen Sie doppelseitiges Klebeband über die Verpackung, um die Dioden leicht zu entfernen.
HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt befinden sich alle Dioden in der richtigen Ausrichtung, wobei die Kontakte nach oben zeigen, um das Antennenbonden zu erleichtern.
- Befestigen Sie das Klebeband mit den Dioden nach oben an der Vorrichtung. Legen Sie Karton auf jeder Seite parallel zu den Dioden und glätten Sie die Kanten, um zu verhindern, dass die Antenne am Klebeband kleben bleibt.
- Richten Sie die Drähte neben den Dioden aus, um die Befestigung vorzubereiten, und positionieren Sie sie unter einem Mikroskop so, dass sie jeweils einen einzelnen elektrischen Kontakt berühren.
HINWEIS: Die Drähte sollten nicht beide elektrischen Kontakte berühren. - Tragen Sie leitfähiges Material mit einem Insektenstift auf jeden Kontakt auf. Stellen Sie sicher, dass sowohl der Kontaktpunkt als auch der Draht abgedeckt sind.
- Achten Sie darauf, dass das leitfähige Material nicht zwischen den einzelnen Kontakten verteilt wird. Wenn das leitfähige Material miteinander verschmilzt oder den anderen Draht oder Kontakt berührt, verringert dies die Signalstärke des Tags erheblich.
- Tragen Sie bei Bedarf erneut leitfähiges Material auf, um jeden Draht zu sichern und die elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen.
- Lassen Sie die Etiketten mehrere Stunden lang ungestört, damit das leitfähige Material aushärten kann.
3. Kleiner Tag
HINWEIS: Dieser Abschnitt stellt die Montage von kleinen Tags dar.
- Schneiden Sie die Drähte auf eine Länge von 4,1 cm ab.
- Befestigen Sie den Draht mit dem einseitigen Klebeband an der Vorrichtung und achten Sie darauf, den Draht nicht zu überspannen.
- Wickeln Sie den Draht um die Vorrichtung und schneiden Sie ihn mit einer Schere entlang der Rille.
HINWEIS: Für jedes Etikett sind zwei Segmente des oben vorbereiteten Drahtes erforderlich. - Bereiten Sie die Dioden für die Befestigung vor. Legen Sie doppelseitiges Klebeband auf die Vorrichtung und übertragen Sie die Dioden mit einer Pinzette auf das Band, wobei Sie einen angemessenen Abstand zwischen ihnen einhalten müssen.
- Stellen Sie unter einem Mikroskop sicher, dass die Kontakte nach oben zeigen, um das Ausrichten von Draht und Diode zu erleichtern. Richten Sie diese bei Bedarf neu aus und stellen Sie sicher, dass sie in das Klebeband gedrückt werden, um Bewegungen während des Montageprozesses zu verhindern.
- Platzieren Sie einseitiges Klebeband entlang der Dioden, um den Draht auf Kontakthöhe anzuheben und zu verhindern, dass er am darunter liegenden Band kleben bleibt. Glätten Sie das Klebeband und platzieren Sie die Drähte in der Nähe der Diode.
- Legen Sie den Draht unter dem Mikroskop vorsichtig auf jeden Kontaktpunkt, um eine Überlappung des Drahtes zu vermeiden.
- Tragen Sie das leitfähige Material auf den Kontakt und den Draht auf und stellen Sie sicher, dass das leitfähige Material nicht zusammenfließt und die Diodenebene überflutet.
- Lassen Sie die Etiketten mehrere Stunden lang ungestört aushärten, damit das leitfähige Material aushärten kann.
4. Großer Tag-Aufsatz - Queensland Laubbockkäfer (QLB)
- Tragen Sie geeignete PSA zum Schutz vor UV-Strahlung (Schutzbrille wird empfohlen).
- Sichern Sie den Käfer, um den Zugang zur Befestigungsstelle zu erleichtern. Halten Sie den Käfer vorsichtig fest und üben Sie dabei leichten Druck auf die Tischoberfläche aus.
- Tragen Sie einen Tropfen UV-Kleber auf die Befestigungsstelle auf.
- Richten Sie das Etikett aus und platzieren Sie die Diode mit den elektrischen Kontakten nach unten auf dem Thorax.
- Wenn Sie mit der Position des Etiketts zufrieden sind, härten Sie den Kleber mit UV-Licht in verschiedenen Winkeln für insgesamt 5 bis 10 s aus. Dieser UV-Klebstoff wurde zuvor verwendet, um Tags an größeren Insekten anzubringen, ohne dass die UV-Strahlung sichtbar ist11.
5. Kleine Tags-Befestigung - tephritide Fruchtfliegen
- Tragen Sie geeignete PSA zum Schutz vor UV-Strahlung (Schutzbrille wird empfohlen).
- Betäuben Sie Fliegen bei 4 °C. Typischerweise kommt es bei Fliegen nach 10-15 Minuten zu einem Bewegungsstopp.
- Geben Sie einen Tropfen Kleber auf und tauchen Sie die Diode des Tags in den UV-Kleber. Achten Sie darauf, die Diode in den Kleber zu rollen, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten. Seien Sie vorsichtig, um zu verhindern, dass überschüssiger Klebstoff den Draht bedeckt.
- Befestigen Sie das Insekt zwischen Daumen und Zeigefinger, um die Befestigungsstelle zu präsentieren.
- Richten Sie das Etikett aus und platzieren Sie es in Längsrichtung auf der dorsalen Seite des Fliegenthorax. Bewegen Sie das Etikett hin und her, um den Kleber zu verteilen und eine sichere Verbindung zu gewährleisten. Achten Sie darauf, keinen Klebstoff auf den Kopf oder die Flügel aufzutragen.
- Wenn Sie mit der Platzierung des Etiketts zufrieden sind, härten Sie den Klebstoff mit UV-Licht aus. Mehrere Studien haben diesen UV-Klebstoff verwendet, um Tags an Fliegen anzubringen, ohne dass offensichtliche negative Auswirkungen der UV-Exposition zu haben sind6,10,12,13.
6. Signale erhalten
- Testen Sie die Flugfähigkeit von Insekten nach dem Anbringen von Etiketten. Tun Sie dies, indem Sie in einer Flugröhre testen.
- Dann lassen Sie die Fliegen in ihren Lebensraum entfliehen.
- Verwenden Sie einen Transceiver (siehe Materialtabelle), um Signale von großen und kleinen Insekten zu erhalten.
HINWEIS: Wenn der Transceiver an einem Tag ausgerichtet ist, erzeugt er einen Ton. Wenn der Transceiver um 90 Grad gedreht wird, wird aufgrund der Fehlausrichtung des Tags und des Transceivers ein schwaches oder gar kein Signal erhalten.
Ergebnisse
Messbereich und Transpondergröße sind vermutlich die beiden wichtigsten Merkmale von Insektenmarkierungstranspondern. Hier zeigen wir repräsentative Ergebnisse zur maximalen Reichweite der in diesem Artikel hergestellten großen und kleinen Transponder. Die maximale Reichweite wurde bestimmt, indem die Transponder mit doppelseitigem Klebeband längs an einem dicken Holzstab (~1,5 m) befestigt wurden. Anschließend wurde der Abstand zwischen Transceiver und Transponder solange vergrößert, bis kein Signal mehr hörbar war. Zehn Transponder jeder Größe wurden in einem freien Feld getestet. Die maximale Reichweite der größeren Transponder beträgt etwa das Vierfache der kleineren Transponder (Tabelle 1). Eine Fehlausrichtung zwischen Transponder und Transceiver sowie Störungen durch Vegetation verringern die Reichweite unter Feldbedingungen oft. Nach unserer Erfahrung gehen wir bei Arbeiten in baumartigen Kulturpflanzen von einer Reichweite von ~10 m für größere Transponder und ~5 m für kleinere Transponder aus.
Abschließend möchten wir die Ergebnisse einer repräsentativen Verfolgungsstudie mit dem Queensland-Hornkäfer (QLB) vorstellen. Ziel dieser Studie war es, die Bewegungsökologie des QLB zu untersuchen, da bisher wenig darüber bekannt ist, wo sich erwachsene Käfer in der Umwelt aufhalten. Da die Käfer versteckt leben, ist es ohne eine Verfolgungsmethode wie das HR-Tracking äußerst schwierig, sie in der Umwelt zu lokalisieren. Die Studie wurde in einem Bestand von Kukui-Bäumen (Aleurites moluccana) auf der Big Island von Hawaii durchgeführt. Im Verlauf der Studie wurden mehrere Käfer markiert und freigelassen. Anschließend wurden die Käfer mithilfe der in diesem Artikel zuvor dargestellten Tracking-Methoden lokalisiert. Ein Beispiel für den Weg, den ein einzelner Käfer über einen Zeitraum von 10 Tagen zurücklegte, ist in Abbildung 4 dargestellt. Beachten Sie, dass der Käfer an mehrere Orte verfolgt werden konnte, darunter auch hoch in Kukui-Bäumen sowie an abgestorbene Blätter. Dies war ein wichtiges Ergebnis der Studie. Da sich QLB oft gut tarnen kann, haben Landwirte häufig danach gefragt, wo sich die Käfer „verstecken“ würden. Durch die individuelle Verfolgung von QLB konnten wir feststellen, dass sich die Käfer häufig in trockenen Blättern verbergen, wodurch sie schwer zu entdecken sind. Diese Studie liefert wichtige neue Erkenntnisse darüber, wo sich erwachsene QLB sowohl tagsüber aufhalten als auch wie sie sich nachts bewegen.
Abbildung 1: Vergleich von Geräten, die häufig zur Verfolgung von Insekten eingesetzt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 2: Ein harmonisches Radar funktioniert, indem es ein Signal bei einer bestimmten Frequenz (blau) aussendet und anschließend das zurückkommende Signal mit doppelter Frequenz (rot) empfängt. Klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Die Signalstärke hängt von der Ausrichtung des Transponders und des Sendeempfängers ab. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Abbildung 4: Repräsentative Ergebnisse der Verfolgung eines einzelnen Queensland-Longhornkäfers in Kukui-Bäumen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
| Große Markierungen | Kleine Markierungen |
| 64 ± 1 m | 12 ± 1 m |
Tabelle 1: Maximale Nachweisentfernungen (Mittelwert ± SE, m) für Insekten-Harmonikaradar-Tags (N = 10).
Diskussion
In diesem Protokoll beschreiben und demonstrieren wir, wie zwei Größen von harmonischen Radar-Tags hergestellt werden. Darüber hinaus haben wir gezeigt, wie diese Tags mit UV-härtenden Klebstoffen an Insekten befestigt werden können, und die Signalstärke von Transceivern demonstriert. Dieses Protokoll wurde verfeinert, um die rationelle Herstellung vieler kostengünstiger HR-Tags mit minimaler Speziallaborausrüstung zu ermöglichen. Darüber hinaus sollte das Protokoll für Forscher zugänglich sein, die Erfahrung mit der Manipulation von Objekten unter einem Präpariermikroskop haben. Wir empfehlen, dass Personen, die versuchen, Tags herzustellen, mit größeren Tags beginnen, um Fähigkeiten in der Handhabung der Dioden und dem Auftragen der leitfähigen Klebstoffe zu entwickeln. Diese Fähigkeiten können anfangs schwierig sein, aber wir haben aus Erfahrung (beim Unterrichten von über 20 Personen) festgestellt, dass die Lernkurve es den Menschen ermöglicht, relativ schnell dazu überzugehen, kleinere Tags mit Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit herzustellen.
Während die Herstellung von zwei Tag-Größen gezeigt wurde, haben wir auch Tags mit einer mittelgroßen Diode6 hergestellt, wobei sowohl der Nitinoldraht mit kleinerem als auch größerem Durchmesser verwendet wurde. Unterschiedliche Anwendungen, wie z. B. die Insektengröße und der erforderliche Erfassungsbereich, beeinflussen die Wahl der Dioden- und Drahtgrößen.
Das in diesem Protokoll verwendete Tag-Design ist einfacher als andere, die zur Verfolgung von Insekten verwendet werden 15,16,17,18. Eine häufig verwendete Konstruktion besteht darin, eine Schleife in der Antenne zu haben, wodurch ein Gleichstromkurzschluss über die Diode18, 19 erzeugt wird. Tags mit Schlaufen in ihren Antennen werden in der Regel vertikal am Thorax angebracht und nicht in Längsrichtung, wie in diesem Protokoll gezeigt. Die vertikale Ausrichtung ermöglicht möglicherweise eine bessere Ausrichtung von Tag und LVS-Gerät, während das Insekt fliegt (da Insekten im Allgemeinen nicht kopfüber oder mit den Beinen zur Seite fliegen). Die vertikale Etikettenausrichtung verschiebt jedoch den Mittelpunkt der Tag-Masse vom Schwerpunkt des Insekts weg, wodurch möglicherweise ein größerer Einfluss auf das Gleichgewicht und die Flugfähigkeit hat.
Offenlegungen
Wir haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Danksagungen
Wir danken Kate Fairbanks und James Snyder (Florida Department of Agriculture & Consumer Services), Nicholas Manoukis (USDA-ARS-PBARC), James Yoder (Eastern Mennonite University) und Stefano De Faveri (Queensland Department of Agriculture and Fisheries) für die Überprüfung dieses Protokolls.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Große Montagevorrichtung | https://www.thingiverse.com/thing:6784793 | ||
| Große Drahtvorrichtung | https://www.thingiverse.com/thing:6784784 | ||
| Nitinoldraht (klein) | Fort Wayne Metals (Fort Wayne, IN, USA) | 17822174 | |
| RECCO R9 Handdetektor | RECCO AB (Lidingo· · , Schweden) | Betriebsfrequenzen: Europa, 866,9 MHz (Senden), 1733,8 MHz (Empfangen); US, 902,85 MHz (sendend), 1805,7 MHz (empfangend) | |
| RF Schottky Diode (klein) | MACOM Technology Solutions (Lowell, MA, USA) | MA4E2501L-1290 | gekauft über Richardson RFPD |
| Schottky Diode (groß) | RECCO AB (Lidingo· · , Schweden) | ||
| Silber leitfähiger Epoxidklebstoff | MG Chemicals | 12642-14 (Amazon: 8331D) | Über Amazon gekauft |
| Kleine Montagevorrichtung | https://www.thingiverse.com/thing:6784791 | ||
| Kleine Drahtvorrichtung | https://www.thingiverse.com/thing:6784775 | ||
| superelastischer Nitinoldraht (groß) | McMaster-Carr (Brookpark, Ohio, USA) | 8320K31 | 0,003" Durchmesser x 30 Fuß lang |
| Ted Pella Inc Silber leitfähiges Epoxid | Thermo Fisher Scientific (Waltham, MA, USA) | ||
| UV Adhesive | Bondic (Niagara Falls, NY, USA) | Gekauft über Amazon und/oder Bondic online (notaglue.com) |
Referenzen
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Nachdrucke und Genehmigungen
