Articolo metodologico

Laboratorio Stima di Net trofiche trasferimento incrementi di efficienza di congeneri di PCB a Lake Trout ( Salvelinus namaycush) Dalla sua preda

DOI:

10.3791/51496

⸱

29 agosto 2014

 ,  ,  , 
1Great Lakes Science Center, U. S. Geological Survey, 2Annis Water Resources Institute, Grand Valley State University, 3Daniel P. Haerther Center for Conservation and Research, Shedd Aquarium

In questo articolo

Sommario

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Una tecnica per la stima laboratorio di rendimento netto trasferimento trofico dei bifenili policlorurati (PCB) congeneri di pesce piscivori dalla loro preda è presentato. Per massimizzare l'applicabilità dei risultati di laboratorio al campo, il pesce piscivori dovrebbe essere alimentato pesce preda che sono tipicamente consumati in campo.

Abstract

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Una tecnica per la stima laboratorio di efficienza di rete trofica trasferimento (γ) dei bifenili policlorurati (PCB) congeneri di pesce piscivori dalla loro preda è qui descritta. Nel corso di un esperimento di laboratorio 135 giorni, ci siamo nutriti aringa (Coregonus hoyi), che era stato catturato nel lago Michigan a Trout Lake (Salvelinus namaycush) tenuti in otto serbatoi di laboratorio. Bloater è una preda naturale per la trota lago. In quattro dei serbatoi, una portata relativamente elevato è stato utilizzato per garantire relativamente elevata attività della trota di lago, mentre una bassa portata è stata utilizzata nelle altre quattro vasche, consentendo bassa attività trota di lago. Su una base serbatoio-by-tank, la quantità di cibo mangiato da trota lago ogni giorno dell'esperimento è stato registrato. Ogni trota di lago è stato pesato all'inizio e alla fine dell'esperimento. Quattro a nove trota lago da ciascuna delle otto serbatoi sono stati sacrificati all'inizio dell'esperimento, e tutti trota lago restante 10 in ciascuno dei serbatoi erano euthanzata alla fine dell'esperimento. Abbiamo determinato le concentrazioni di 75 congeneri di PCB nel trota lago all'inizio dell'esperimento, la trota lago alla fine dell'esperimento, e in bloaters nutriti alla trota lago durante l'esperimento. Sulla base di queste misurazioni, γ è stata calcolata per ciascuno dei 75 congeneri dei PCB in ciascuna delle otto serbatoi. Significa γ è stata calcolata per ciascuno dei 75 congeneri di PCB per trota di lago sia attiva che inattiva. Poiché l'esperimento è stato replicato in otto serbatoi, l'errore standard sulla media γ potrebbe essere stimato. I risultati di questo tipo di esperimento sono utili nei modelli di valutazione del rischio per predire il futuro rischio per l'uomo e la fauna selvatica che mangiano pesce contaminato sotto vari scenari di contaminazione ambientale.

Introduzione

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Di tutti i fattori che influenzano la velocità con cui i pesci accumulano contaminanti, l'efficienza con cui i pesci trattengono i contaminanti dal cibo che mangiano è uno dei più importanti1-3. Sono stati sviluppati modelli di valutazione del rischio per prevedere i rischi futuri sia per le persone che per la fauna selvatica che mangiano pesce contaminato in vari scenari di contaminazione ambientale, e l'affidabilità di queste previsioni dipende in modo critico dall'accuratezza delle stime dell'efficienza con cui i pesci trattengono i contaminanti dal loro cibo4.

L'efficienza con cui il contaminante nel cibo ingerito dal predatore viene trasportato attraverso la parete intestinale è nota come efficienza di trasferimento trofico lordo5. Una parte della quantità di contaminante trasportata attraverso la parete intestinale del predatore può eventualmente essere persa attraverso la depurazione e/o la trasformazione metabolica. L'efficienza con cui il contaminante nel cibo ingerito dal predatore viene trattenuto dal predatore, comprese le eventuali perdite dovute all'eliminazione e alla trasformazione metabolica, è nota come efficienza di trasferimento trofico netto6.

L'efficienza di trasferimento trofico lordo dei contaminanti organici ai pesci dalle loro prede sembra variare con le proprietà chimiche del contaminante, compresa l'affiliazione lipidica misurata dal coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua, Kow3,7. Secondo una relazione empirica sviluppata da Thomann3, l'efficienza di trasferimento trofico lordo è relativamente alta quando log Kow è uguale a un valore compreso tra 5 e 6. L'efficienza di trasferimento trofico lordo diminuisce esponenzialmente ad un tasso del 50% per unità di log Kow all'aumentare di log Kow da 6 a 10, secondo la relazione Thomann3.

Tuttavia, le efficienze di trasferimento trofico lordo e netto dei congeneri di policlorobifenile (PCB) ai pesci dalle loro prede non sembrano seguire la relazione di Thomann3 nella maggior parte dei casi. Sebbene le efficienze trofiche di trasferimento dei congeneri di PCB al coregone di lago (Coregonus clupeaformis) dal suo cibo seguissero la relazione proposta da Thomann8, le efficienze trofiche di trasferimento dei congeneri di PCB erano solo debolmente correlate o non erano affatto correlate al log Kow per il salmone atlantico (Salmo salar)9, la trota iridea (Oncorhynchus mykiss)10, il salmone coho (Oncorhynchus kisutch)11e il luccio settentrionale (Esox lucius)11.

L'obiettivo generale di questo studio era quello di presentare una tecnica di laboratorio per stimare le efficienze di trasferimento trofico netto dei congeneri PCB a un pesce piscivoro dalla sua preda. La trota di lago (Salvelinus namaycush) è stata scelta come pesce piscivoro per il nostro esperimento perché le trote di lago sono relativamente facili da mantenere in vasche di laboratorio. Il bloater (Coregonus hoyi) è stato selezionato come pesce preda da dare in pasto alla trota di lago perché il bloater viene mangiato dalla trota di lago nel suo ambiente naturale12. Inoltre, abbiamo determinato se le efficienze di trasferimento trofico netto per la trota di lago stimate dal nostro esperimento di laboratorio seguissero la relazione di Thomann3. Abbiamo anche determinato se il grado di attività della trota di lago avesse un effetto significativo sull'efficienza di trasferimento trofico netto (γ) dei congeneri PCB. Si ritiene che l'attività della trota di lago nei Grandi Laghi Laurenziani sia recentemente aumentata perché i cambiamenti nelle reti alimentari hanno indotto la trota di lago a dedicare più energia alla ricerca di cibo13. Le trote di lago sono state costrette ad esercitarsi in una serie di vasche sottoponendo queste trote di lago a portate relativamente elevate, mentre le altre trote di lago sono state autorizzate a rimanere relativamente inattive sottoponendole a portate relativamente basse. Infine, vengono discussi i dettagli specifici della nostra procedura di laboratorio che devono essere seguiti attentamente per garantire il massimo grado di accuratezza nelle stime di γ e per rendere i risultati di laboratorio applicabili al campo, nonché le direzioni future per la ricerca basata sulla nostra tecnica di laboratorio. L'efficienza di trasferimento trofico netto può essere stimata sia in laboratorio che sul campo e vantaggi e svantaggi sono associati a entrambi gli approcci. L'accuratezza nella stima del γ dipende dall'accuratezza della stima del consumo alimentare. La quantità di cibo consumato dai pesci in laboratorio può essere determinata con precisione quando vengono seguiti i protocolli adeguati, mentre la quantità di cibo consumata dai pesci sul campo è tipicamente stimata tramite modelli bioenergetici. L'uso di modelli bioenergetici per derivare la quantità di cibo consumato ha il potenziale per introdurre una notevole quantità di incertezza nelle stime del consumo alimentare. È stato dimostrato che i modelli di bioenergetica dei pesci stimano il consumo di cibo senza distorsioni rilevabili per il caso della trota di lago14,15, ma una notevole distorsione nelle stime del consumo di cibo dei modelli bioenergetici è stata rilevata per il caso del coregone di lago15,16. D'altra parte, le stime dell'efficienza di trasferimento trofico netto stimata in laboratorio potrebbero non essere applicabili al campo a causa di una differenza nei tassi di alimentazione tra il laboratorio e il campo17. Le prove sia dal laboratorio che dal campo suggeriscono che la velocità di alimentazione può influenzare γ14,17.

La metodologia utilizzata nel presente studio per stimare le γ in laboratorio è applicabile a situazioni in cui il pesce predatore viene nutrito con pesci preda e la quantità di pesci preda mangiati dal predatore può essere tracciata con precisione. Per fare ciò, lo sperimentatore deve pesare tutto il cibo prima di metterlo nella vasca; E lo sperimentatore deve essere in grado di rimuovere tutto il cibo non consumato dal serbatoio, e poi pesare il cibo non consumato. Inoltre, dovrebbe essere disponibile un'adeguata suite di miscelatori e miscelatori per ottenere un grado sufficiente di omogeneizzazione dei campioni sia dei pesci predatori che delle prede. Infine, la strumentazione per gascromatografia e spettrometria di massa utilizzata per determinare le concentrazioni di congeneri di PCB deve essere in grado di rilevare e quantificare i singoli congeneri di PCB a concentrazioni relativamente basse.

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Protocollo

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1 Provette

  1. Ottenere il pesce preda da alimentare per il pesce predatore durante l'esperimento. Preferibilmente questi pesci preda dovrebbero essere acquisite in campo, congelati e conservati a circa -30 ° C. Considerate le operazioni di pesca commerciale come fonte potenziale per il pesce preda.
  2. Introdurre il pesce predatore nei serbatoi di laboratorio da utilizzare per l'esperimento. Fino al 15 predatore pesci sono stati introdotti in ciascuna delle vasche 870-L, e fino a 30 predatore pesci sono stati introdotti in ciascuna delle cisterne 2.380-L in studi precedenti 16,18.
  3. Acclimatare il pesce predatore ad una dieta del pesce preda selezionata. Una volta acclimatati, il pesce predatore dovrebbe rimanere su questa dieta per 1-3 mesi prima di iniziare l'esperimento.
  4. Mettere da parte i campioni di pesce preda selezionando in modo casuale 10 a 20 campioni compositi dal lotto di pesce preda. Numero di pesce preda in un campione composito può variare da 3 a 100, a seconda delle dimensioni della predapesce. Ogni campione composito deve essere il doppio insaccato, congelato e conservato a circa -30 ° C.
  5. Avviare l'esperimento sacrificando 30 al 50% dei pesci in ciascuna delle vasche.
    1. Per eutanasia il pesce, mescolare 8 g di Finquel con 45 L di acqua in un grande contenitore di plastica e poi mettere il pesce nel contenitore con la soluzione Finquel.
    2. Una volta eutanasia, inserire tutti i pesci sacrificato da un serbatoio in un sacchetto, poi doppio sacchetto, e conservare a circa -30 ° C fino al momento della lavorazione.
    3. Pesare ciascuna del pesce rimanente in ciascuna delle cisterne, e registrare i pesi; un anestetico sarà probabilmente necessario per condurre la pesatura.
    4. Per anestetizzare il pesce, mescolare 4,6 g di Finquel con 45 L di acqua in un grande contenitore di plastica, e poi mettere il pesce nel contenitore con la soluzione Finquel.
    5. Attendere qualche minuto per l'anestetico abbia effetto prima di pesare il pesce.
  6. Ogni giorno dell'esperimento, scongelare unadeguata quantità di pesce preda, e tagliare il pesce preda in pezzi del peso di circa 1 a 5 g. Pesare la quantità di pesce preda ad essere messi in ciascuna delle vasche, poi rilasciare i pezzi di pesce preda in ogni serbatoio e permettere al pesce predatore circa 1 ora da sfamare. Quindi rimuovere tutto il cibo non mangiato, permettere al cibo di aria secca per circa 20 minuti, e poi pesare il cibo non consumato per ciascuna delle vasche. Registrare la quantità di cibo collocato nel serbatoio e la quantità di resti di cibo per ciascuno dei serbatoi ogni giorno.
    NOTA: Per l'esperimento rappresentativo, trota di lago sono stati alimentati con tanto cibo quanto avrebbero consumare nel corso di un periodo di alimentazione ogni giorno 18. Tuttavia, il pesce predatore potrebbe anche essere collocato su razioni fisse 16,19.
  7. Terminare l'esperimento sacrificando tutti i restanti pesci predatori in ciascuno dei serbatoi. Per eutanasia il pesce, mescolare 8 g di Finquel con 45 L di acqua in un grande contenitore di plastica e poi mettere il pesce nel contenitore con la soluzione Finquel. Record tegli peso di ciascuno dei pesci sacrificato. Per ottenere risultati affidabili, l'esperimento deve funzionare per almeno 100 giorni, preferibilmente per almeno 130 giorni. Mettere tutti i pesci da un serbatoio in un sacchetto, poi doppio sacchetto, e conservare a circa -30 ° C fino al momento della lavorazione.

2 Pesce Omogeneizzazione

  1. Selezionare un insieme di pesci predatori e / o compositi pesce preda per lo scongelamento. Lasciare i compositi scongelare parzialmente. Ogni composito può richiedere da 0,5 a 1 ora per omogeneizzare.
  2. Utilizzando i frullatori appropriate dimensioni, omogenizzare ciascuno dei compositi. Per ogni composito, posizionare un campione (da 50 a 100 g), del omogenato in un barattolo pulito, acetone-sciacquati, ed etichettati. Poi tappare il vaso e conservare il vaso a circa -30 ° C fino al momento della lavorazione.
  3. Lavare tutte le attrezzature utilizzate per omogeneizzare il pesce, e poi risciacquare bene con acqua distillata e metanolo, tra i campioni.

3 Estrazione

  1. Pesare 20,0 gdi pesce scongelato tessuto omogeneizzato in un bicchiere da 200 ml.
  2. Aggiungere circa 40 g di solfato di sodio e mescolare bene con la spatola.
  3. Aggiungere la soluzione picco surrogato contenente congeneri 30, 61, 161, e 166 Spike ad una concentrazione che produce una concentrazione finale di 20 ng / ml nell'estratto.
  4. Lasciare il campione asciugare a temperatura ambiente mescolando ogni 20 min.
  5. Lasciare che il campione raggiunga una consistenza di sabbia asciutta, a questo punto il campione è pronto per l'estrazione.
  6. Sistemare il dispositivo di estrazione Soxhlet con un pallone da 500 ml contenente chip Teflon bollire, Soxhlet, e condensatore.
  7. Aggiungere il composto di pesce essiccato in un ditale di vetro con fondo a disco grossa sinterizzato o carta ditale.
  8. Aggiungere 150 ml di esano 50% e il 50% diclorometano nel becher usato per il campione e mescolare mentre raschiando le pareti del becher con una spatola.
  9. Trasferire il solvente per la parte superiore del Soxhlet con il pallone attaccato e permettono di scorrere le Soxhlet e inal pallone.
  10. Ripetere l'operazione una seconda volta con 150 ml di nuovo.
  11. Inserire il Soxhlet con la beuta adattata sull'elemento di riscaldamento e collegare il condensatore.
  12. Accendere l'elemento riscaldante e portare il solvente a lenta ebollizione, poi estrarre per un minimo di 16 ore assicurandosi che l'acqua fredda viene fornita ai condensatori.
  13. Dopo aver lasciato il solvente raffreddare, controllare per vedere se uno qualsiasi dei flaconi campione contengono acqua. Per i flaconi contenenti acqua, aggiungere solfato di sodio e agitare fino a quando l'acqua viene assorbita dal solfato di sodio.
  14. Concentrare il campione utilizzando un campione concentratore azoto o un Kaderna danese (KD) installazione cristalleria con un bagno di acqua calda.
  15. Lasciare il campione evaporare a un volume di meno di 2 ml, e quindi portare ad un volume finale di 5 ml utilizzando piccoli lavaggi di esano per trasferire il campione dalla vetreria utilizzata in un matraccio tarato da 5 ml.
  16. Trasferimento a 10 ml flacone e l'etichetta con le informazioni del campione.

  1. Preparare gel di silice acidificato con l'aggiunta di 44 g di acido solforico concentrato a 100 g di gel di silice attivato.
  2. Aggiungere 10 g di gel di silice acidificato in una piccola colonna cromatografica contenente un piccolo tampone di lana di vetro nella parte inferiore.
  3. Aggiungere 1 ml di estratto del campione alla colonna dopo il pre-pulizia della colonna con 10 ml di esano.
  4. Eluire la colonna con 20 ml di esano e raccogliere in provetta conica da 20 ml.
  5. Posizionare il tubo di vetro sull'apparato evaporatore azoto (N-Vap) sotto flusso di azoto e immerso in acqua calda.
  6. Evaporare a meno di 1 ml ma non a secchezza.
  7. Rimuovere dal N-Vap e trasferimento in 1 ml matraccio con piccoli lavaggi di esano.
  8. Trasferire in un flacone da 1,8 ml autocampionatore etichettati con informazioni sui campioni.
  9. Spike 4 ml di standard interno nel flaconcino. Il campione è ora pronto per l'analisi.

5. analeYsis mediante gascromatografia - spettrometria di massa Utilizzando Negativo ionizzazione chimica

  1. Utilizzare gli standard per calibrare lo strumento: le norme siano disponibili in miscele costituite da gruppi di congeneri ben separati. Miscele 1-5 composto da quasi tutti i congeneri presenti in Aroclor 1016, 1221, 1232, 1242, 1248, 1254, e 1260 Mix 1 è usato come un mix di calibrazione multi-livello, e la linearità del sistema è confermata da preparare almeno cinque livelli di taratura a concentrazioni comprese tra 2 e 100 ng / ml. Miscele 2-5 sono usati come punto di taratura singoli per ogni composto.
  2. Impostare la cromatografia - sistema di spettrometria di massa in modalità di ionizzazione chimica negativa con idrogeno come gas di trasporto (1 ml / min) e il metano come gas reagente.
  3. Utilizzare un-silice fusa, colonna capillare (60 m × 0,25 millimetri di diametro interno) rivestito con DB-XLB a spessore del film di 0,25 micron per la separazione. Programma temperatura forno 60-212 ° C a 25 ° C / min, poi a 260 ° C a 1 ° C / min, e poi a 280 ° C a 4 ° C / min, con un tempo di mantenimento finale di 4 min. Temperature dell'iniettore e linea di trasferimento devono essere impostati a 280 ° C. Iniettare 1 a 2 ml di campione utilizzando la modalità di iniezione splitless.
  4. Analizzare tutti gli standard ed i campioni con il metodo dello standard interno con 13 C-marcato decachlorobiphenyl.
  5. Eseguire un controllo sulla taratura iniziale mediante l'esecuzione di un secondo livello di origine e Aroclors 1242 e il 1260, e poi confrontare i valori previsti per i congeneri Aroclor con gli importi osservati di questa procedura di controllo.
  6. Una volta che la procedura di calibrazione iniziale è stata compiuta con successo, un'analisi completa di tutti i campioni. Eseguire un controllo di calibrazione ogni dieci campioni, utilizzando una delle miscele di taratura dalla calibrazione iniziale.

6 Calcolo del Net trofico efficienza di trasferimento

  1. Calcola efficienza di trasferimento trofico rete, γ, per ogni combinazione oserbatoio F e PCB composto utilizzando la seguente equazione:
    figure-protocol-1 , Dove [PCB f] è la concentrazione media di PCB congenere dei pesci predatori nel serbatoio alla fine dell'esperimento, W f è il peso medio dei pesci predatori nel serbatoio alla fine dell'esperimento, [PCB i] è la concentrazione media di PCB congenere dei pesci predatori nel serbatoio all'inizio dell'esperimento, W i è il peso medio dei pesci predatori all'inizio dell'esperimento, e la quantità di PCB congenere ingerito si riferisce al peso del congenere PCB ingerito, in media, da ogni trota lago nel serbatoio durante il corso dell'esperimento.
  2. Calcolare il denominatore nell'equazione di cui sopra moltiplicando la concentrazione media del congenere PCB nei compositi pesce preda per l'importo medio (peso) del pesce preda mangiato al pesce predatore nel dur serbatoiozione l'intero corso dell'esperimento.

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Risultati

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Trout Lake ha mostrato una notevole quantità di crescita durante l'esperimento, come la trota lago iniziali significano pesi variava 694-907 g, mentre le trote lacustri finali il peso medio variava da 853 a 1566 g (Tabella 1). La quantità media di cibo consumato da una trota lago durante il corso dell'esperimento 135 giorni variava da 641 a 2.649 g. Concentrazioni di PCB congeneri media nella trota lago aumentato durante l'esperimento, le concentrazioni di congeneri PCB media variava 0,01-7,14 ng / g (u...

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Discussione

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Per le stime più accurate di γ, lo sperimentatore deve essere in grado di monitorare con precisione sia la quantità di cibo posto in ciascuno dei serbatoi e la quantità di resti di cibo in ciascuno dei serbatoi durante il corso dell'esperimento. Per fare questo, lo sperimentatore deve essere in grado di rimuovere tutto il cibo non consumato dai serbatoi e determinare con precisione il suo peso. Oltre al monitoraggio accurato del cibo effettivamente consumato dai pesci predatori, stima accurata di γ può dipendere anc...

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Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato finanziato, in parte, dalla Commissione per la pesca dei Grandi Laghi e dall'Annis Water Resources Institute. L'uso di nomi commerciali, di prodotti o di aziende non implica l'approvazione da parte del governo degli Stati Uniti. Questo articolo è il contributo 1867 dell'U. S. Geological Survey Great Lakes Science Center.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Serbatoi in fibra di vetro da 870 LUnità frigideRT-430-1
Serbatoi in fibra di vetro da 2.380 LUnità frigideRT-630-1
Tricaina metansolfonato (Finquel)Argent Chemical Laboratories, Inc.C-FINQ-UE-100GL'eugenolo potrebbe essere utilizzato anche come anestetico.
Coltello da chef AshlandPosate Chicago SKU1106336
TagliereWilliams-Sonoma3863586
Hobart verical mixer (40 quart)Hobart Corporation
1.9-L robot da cucinaRobot Coupe, Inc.RSI 2Y1 
Sacchetti di polietilene (varie dimensioni)Arcan Inc.
Vasetti I-ChemI-Chem220-0125
Bilancia elettronica a carica dall'altoMettler ToledoMettler PM 6000 
Solfato di sodio, anidro - granulareEMDSX0760E-3
Ditali di estrazione in vetro (45 mm x 130 mm)Wilmad-Lab GlassLG-7070-114
Chips di bollitura in teflonChemware919120
Concentratore di campioni di azoto Rapid VapLabconco7910000
Concentratore di azoto N-VapOrganomazione112
Vetreria da estrazione Soxhlet (500 ml)Wilmad-Lab Glass  LG-6900-104
EsanoBurdick & JacksonCat. 211-4
DiclorometanoBurdick & JacksonCat. 300-4
Gel di siliceBDHCat. BDH9004-1KG
Labl Line 5000 riscaldatore di estrazione multi-unitàLab Line Strumenti
Agilent 5973 GC/MS con ionizzazione chimicaAgilent5973N
Soluzione standard interna Cambridge Isotope LaboratoriesEC-1410-1.2
Standard di calibrazione dei congeneri PCBColonna AccustandardC-CSQ-SET
DB-XLB (60 m x 0,25 mm, 0,25 micron)Agilent/ J& W122-1262

Riferimenti

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