Methodenartikel

Continu Noninvasive meten van rivierkreeft cardiale en gedragsmatige activiteiten

DOI:

10.3791/58555

⸱

6 februari 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1Faculty of Fisheries and Protection of Waters, South Bohemian Research Center of Aquaculture and Biodiversity of Hydrocenoses, University of South Bohemia in České Budĕjovice

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit artikel presenteert een noninvasive biomonitoring-systeem voor de continue opname en de analyses van rivierkreeft cardiale en motorische activiteiten. Dit systeem bestaat uit een nabij-infrarood optische sensor, een video-tracking module en software voor de evaluatie van rivierkreeft hartslagen die zijn fysiologische toestand weerspiegelt en karakteriseert rivierkreeft gedrag tijdens de schommelingen van de hartslag.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een rivierkreeft is een cruciale aquatisch organisme dat als een praktische biologische model voor gedrags- en fysiologische studies van ongewervelden en tevens als een nuttige biologische indicator van de kwaliteit van het water dient. Hoewel rivierkreeft niet direct voor de stoffen die leiden verslechtering van de kwaliteit van het water opgeven tot, kunnen ze mens van verslechtering van de kwaliteit van water via acute veranderingen in hun hart- en gedrags-activiteiten onmiddellijk (binnen een paar seconden) in waarschuwen.

In deze studie presenteren wij een noninvasive methode die is eenvoudig genoeg om te worden uitgevoerd onder diverse omstandigheden als gevolg van een combinatie van eenvoud en betrouwbaarheid in een model.

Deze aanpak, die de biologische organismen ten uitvoer worden gelegd in milieu evaluatieprocessen, biedt een betrouwbare en tijdige alarm voor waarschuwing voor en preventie van verslechtering van de acute water in een omgevingstemperatuur milieu. Daarom dit noninvasive systeem gebaseerd op rivierkreeft fysiologische en ethologische parameter opnames werd onderzocht voor de opsporing van wijzigingen in een aquatisch milieu. Dit systeem wordt nu toegepast op een lokale brouwerij voor het beheersen van de kwaliteit van het water gebruikt voor de Drankproductie van de, maar het kan worden gebruikt op elk waterbehandeling en levering faciliteit voor de evaluatie van de kwaliteit van het water continue, real-time en voor regelmatige laboratorium onderzoeken van rivierkreeft cardiale fysiologie en gedrag.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het onderwerp van aquatische organismen toepassingen, zowel als modelorganismen voor verschillende laboratorium onderzoeken1,2 en tools voor de monitoring van de industriële en natuurlijke/milieu water kwaliteit3,4 , lijkt te worden goed bestudeerd. Dit onderwerp is echter nog steeds van opmerkelijk belang voor de mens, ongeacht of ze deel uitmaken van de wetenschappelijke gemeenschap of tot andere beroepen. Ondanks het bestaan van een aantal geavanceerde methoden voor de controle van bepaalde parameters (zogenaamde "biomarkers")5,6,7,8, de belangrijkste eisen voor de selectie van een indicator bestaan uit drie eenvoudige factoren: (i) eenvoud, (ii) betrouwbaarheid en (iii) de algemene beschikbaarheid.

Rivierkreeft, onderscheidt als een essentiële vertegenwoordiger van zoetwater fauna, zich omdat het wereldwijd is gevonden, wijdverbreid is en, in de meeste gevallen9, een voldoende grote en harde carapax geschikt voor manipulatie is. Deze crustacean behoort tot de groep van de hoger-ongewervelde dieren die voldoende ontwikkeling van vitale fysiologische systemen en organen van de respectieve terwijl op hetzelfde moment bieden, behoud van een relatief eenvoudige organisatie10.

Methoden gebaseerd op de beoordeling van het bereik van rivierkreeftjes biologische en/of gedrags-parameters, zoals beschreven in de wetenschappelijke literatuur, hebben aanzienlijk bijgedragen aan de ontwikkeling van biomonitoring en rivierkreeftjes studies in het algemeen. De meeste van de momenteel beschikbare invasieve methoden voor rivierkreeft hartslag metingen zijn gebaseerd op opnames van de elektrocardiogram waarvoor een complexe en precieze chirurgische ingreep11,12,13; dergelijke manipulaties kunnen leiden tot aanzienlijke stress bij en kunnen voorschrijven dat langdurige door de rivierkreeft. Ook, het is niet bekend hoe lang een rivierkreeft dergelijke elektroden kunnen en of het met succes molt zal terwijl de uitvoering van deze bijlage. De beschreven noninvasive methoden zijn gebaseerd op plethysmographic opnames, die worden bemoeilijkt door de complexiteit van de hardware en vereisen een conditionering circuit voor signaal filteren14 en een versterking of precieze en dure optische onderdelen15 ,16.

In deze studie beschreven we een benadering die bijdraagt aan de bestaande resultaten en biedt nieuwe alternatieven om huidige rivierkreeft hartslag meting procedures te verbeteren. Onder de voordelen zijn er: (i) een snel en noninvasive bijlage die niet een langdurige fysiologische aanpassing vereist; (ii) rivierkreeftjes vermogen te voeren van de sensor binnen een periode van een paar maanden na de Rui naar Rui; (iii) de software kunnen controleren real-time cardiale en gedrags activiteiten en de evaluatie van de gegevens gelijktijdig uit meerdere rivierkreeft; (iv) een lage productie prijs en eenvoud. De biomonitoring-systeem dat we beschrijven laat de noninvasive en de continue monitoring van rivierkreeft cardiale en motorische activiteiten gebaseerd op veranderingen in rivierkreeftjes etho-fysiologische kenmerken. Dit systeem kan gemakkelijk worden toegepast in laboratoriumonderzoeken rivierkreeft cardiale fysiologie en/of ethologie, naast industriële implementaties voor het beheersen van de kwaliteit van het water op water behandeling en levering faciliteiten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. rivierkreeft selectie

  1. Om het met succes toepassen van de huidige aanpak op rivierkreeft, selecteer de respectieve volwassen exemplaren met voldoende carapax maten (die een lengte van de schaal van ten minste 30 mm) voor bevestiging van de sensor, visueel onderzoeken voor de afwezigheid van ziekten, en controleer het liften of beide chelae als het wordt aangeraakt. De bovengenoemde parameters geven een in aanmerking komend land van rivierkreeft gezondheid.
    Opmerking: Als verschillende rivierkreeft moeten worden gebruikt in het proces worden blootgesteld aan dezelfde voorwaarden, de experimentele groep moet worden gevormd op basis van verschillende parameters: (i) vergelijkbaar gewicht en lengte; (ii) de vergelijkbare hartslag; (iii) uitgesproken nachtelijke activiteit; (iv) regelmatige voedselconsumptie; (v) Rui inter periode17. Soms, is het moeilijk om te bepalen of een rivierkreeft is in de buurt van Rui door de hartslag metingen of visuele en tactiele onderzoeken alleen; de analyses van de de rivierkreeft Hemolymfe totale eiwitgehalte kunnen daarom handig zijn. Gehalte aan andere melkeiwitten verwachting hoger te zijn wanneer de rivierkreeft dichter is bij de Rui dan in de Inter Rui staat18.

2. opname van rivierkreeft cardiale activiteit en gedrag

  1. Om te noninvasively meten de tarieven van het hart van de rivierkreeft, preliminair bereiden de sensor voor deze procedure. Voordat dit, een rivierkreeft gestoken in de tank met water en laat het er voor een paar dagen acclimatiseren, zoals de voorbereiding van de sensor19 ook een paar dagen duurt.
    1. Axiaal echtpaar een IR light - emitting diode (LED) met een fototransistor. Koppelen van het circuit van de optische sensor op een bord; het vergt een voedingsspanning van 5 V. Voor de aansluiting van de LED, plaats een weerstand van de 200 Ω op de IR sensor van bestuur; om te verbinden de fototransistor, plaats u een weerstand van 220 Ω op het bord.
    2. Wanneer aangesloten op de rivierkreeft, de sensor output wordt gemoduleerd door de hoeveelheid Hemolymfe vullen de hartspier rivierkreeft en verstrooit een invallende licht van de LED. Teneinde de wederzijdse interferentie van het licht door de LED verlichte IR en de teruggekaatste IR licht uit het hart van rivierkreeft, die wordt ontvangen door de fototransistor, plaats een kleine muur (0,5 x 1.5 x 4 mm, dikte x hoogte x breedte) gemaakt van zwarte antistatische plastic tussen de LED en de fototransistor.
    3. Plaats de LED in een waterdichte verpakking en dekking van het oppervlak van de sensor met de waterdichte diëlektrische gel van de zijde die grenst aan het kopborststuk voor de bescherming van de elektronische onderdelen van potentiële schade (Figuur 1). Laat de gel gedurende 3 dagen drogen om te krijgen de beste beschermende eigenschappen.
    4. Voor een analoog signaal, dunne flexibele kabels (ongeveer 3 m lang) hechten aan de sensor en sluit aan op de analoog-digitaalomzetter (ADC); hieruit een gedigitaliseerde signaal worden overgedragen aan een personal computer een USB-interface, op dat punt van de informatie over de rivierkreeft cardiale activiteit wordt opgeslagen, geanalyseerd in real time met speciale software (Zie Tabel of Materials), en opgeslagen voor meer gedetailleerde analyses.
  2. Zo snel als de sensor is voorbereid, kunt u deze koppelen aan de rivierkreeft. Om dit te doen, zet de computer en stormloop naar de software. Bepaal het aantal rivierkreeft vast te stellen naar de sensoren en opgenomen hartslag worden opgeslagen in het bestand datum.
  3. Verwijder de rivierkreeft uit het water en veeg de dorsale carapax kant met een papieren handdoek. Wikkel de chelae en de buik van de rivierkreeft in de papieren handdoek om te voorkomen dat schade door menselijke hand en te elimineren extra stress op de rivierkreeft veroorzaakt door warme menselijke handen.
    Opmerking: Gebruik niet een eerdere koeling van de rivierkreeft op ijs of in de vriezer voor haar immobilisatie voordat manipulaties met de bijlage van de sensor. Het verschil in temperatuur leidt tot rivierkreeft dorsale oppervlak geween die, beurtelings, tot onbetrouwbare sensor sluiting en snelle zelfklevende detachement van de rivierkreeft carapax leidt.
  4. Prepareer een oppervlak (dat wil zeggen, neem een klein plat stukje plastic of scheur een stukje plakband en repareren aan een tabel) en een stok voor het mengen van de lijm. Druk op uit twee kleine druppels (met een diameter van ongeveer 0,5 cm) van de buizen A en B met epoxy lijm en snel meng ze.
  5. Koppelen van de sensor aan de dorsale carapax van rivierkreeft en proberen te vinden van de plaats waarin de amplitude van de cardiale signaal zou maximale. Houd de rivierkreeft met de sensor in de ene hand en, met behulp van de andere vrije hand, een daling van gemengde lijm op elk van de vier ondersteunende draden, gelegen op de sensor (corrigeren tussen stappen 2.1.1 en 2.1.4.). Verplaats de sensor ten minste 5 min niet totdat de lijm verhardt (de verharding van de lijm is afhankelijk van de omgevingstemperatuur en vochtigheid).
    Opmerking: Bij de vaststelling van de sensor naar het kopborststuk rivierkreeft, onderzoeken grondig het hele cardiale gebied uit de carapax-kant om te bepalen van het gebied met de beste (maximale) cardiale signaal amplitude. Dat zal helpen de software te verstrekken meer nauwkeurige berekeningen van de hartslag.
  6. Raak de lijm met een vrije hand, en als er geen kleverige, zetten de onverpakt rivierkreeft met de bijgevoegde sensor (Figuur 2) naar de vogelhuisje zonder water voor een paar minuten totdat de lijm volledig droog is.
    Opmerking: Een optimale temperatuur voor rivierkreeft en lijm manipulatie varieert van 18 tot 22 ° C. Bij deze temperaturen, de lijm verhardt binnen 5 tot 7 min en is volledig droog binnen 8 tot 10 minuten. Bij lagere temperaturen, is de spanning in de rivierkreeft minder uitgesproken; de lijm moet echter meer tijd om te harden, ongeveer 15 en 20 min onder de 15 ° C en 10 ° C, respectievelijk. Bij hogere temperaturen, vooral boven de 25 ° C, de lijm verhardt binnen 3 min, maar de rivierkreeft ondergaat veel meer stress; Dus, probeer te minimaliseren van de blootstelling van de schaaldieren aan extreme omstandigheden zonder water.
  7. Alvorens de rivierkreeft terug in de tank, dompel het kopborststuk in het water meerdere keren met korte tussenpozen van een paar seconden zodat een lozing van de lucht die heeft opgelopen in de kieuwen, en verlaten de rivierkreeft in het water voor ongeveer 1 h voor het verwijderen van eventuele overtollige chemische stoffen. Nadat dit proces voltooid is, de rivierkreeft vrij in het water en laat ze acclimatiseren gedurende één tot twee weken onder proefomstandigheden, afhankelijk van de waargenomen fysiologische indexcijfers. Optimale wateruitwisseling gedurende de acclimatisatie-perioden is om de andere dag.
    Opmerking: Kenmerken van rivierkreeftjes die acclimated hebben en zich in een gezonde toestand zijn uitgesproken circadiane cardiale en motorische activiteiten, regelmatige voedselconsumptie en uitgaven van de meeste daglicht in een gespecialiseerde opvangcentrum (indien aanwezig).

3. camera en Software-instellingen

  1. Start de software; de videocamera wordt automatisch overgeschakeld op.
  2. Selecteer een optie voor beweging detectie, grondig detecteren gebied van elke tank op het scherm en de software zal beginnen voor het bijhouden van het gedrag en het koppelen met de opnames van de cardiale activiteit.
    Opmerking: Een rivierkreeft motion detectiemodule bestaat uit een videocamera die tracks rivierkreeft gedrag onder de tank en de software die het gedrag met cardiale activiteit combineert. De gegevens uit de module worden gebruikt om meer precieze verwerking van de gegevens van de cardiale activiteit door het elimineren van de perioden waarin de rivierkreeft locomotief hoogactieve toont. Plotselinge rivierkreeft bewegingen (bijvoorbeeld een escape-reactie of voeding Inleiding) kunnen leiden tot schommelingen of korte termijn pieken in de cardiale signalen dat de precisie van berekeningen van de cardiale interval kunnen verminderen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Daardoor kregen we een combinatie van rivierkreeftjes cardiale en gedrags activiteiten, geregistreerd en opgeslagen in een txt-formaat bestand (Figuur 3). Naast het aantal experimentele rivierkreeft, de datum en de samplefrequentie, het bestand bestaat uit drie kolommen: (1) de voortdurende tijd in de notatie van de UU; (2) de hartslag automatisch berekend in slagen per minuut; (3) de motoriek geregistreerd als afwezigheid (0) of aanwezigheid (1) van elke bew...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het is alom gesuggereerd dat het meten van bepaalde fysiologische parameters (zoals hart of ventilatie tarief of beide) een meer betrouwbare methode is voor het opnemen van rivierkreeft reacties dan de evaluatie van gedrags reacties die niet altijd voorkomen onmiddellijk de11. Het is echter duidelijk dat de meest efficiënte aanpak voor de beoordeling van de echte rivierkreeft reacties op veranderingen in het milieu de combinatie van cardiale activiteit en gedrag opnames, is want dat maakt het moge...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd ondersteund door het ministerie van onderwijs, jeugd en sport van de Tsjechische Republiek-projecten "CENAKVA" nr. CZ.1.05/2.1.00/01.0024 en "CENAKVA II'' nr. LO1205 onder de nationale duurzaamheid Program I, door het Bureau van de subsidie van de Universiteit van Zuid-Bohemen in České Budějovice (012/2016/Z), en door het Agentschap van de subsidie van de Tsjechische Republiek (nr. 16-06498S)

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
IR LED diodeKINGBRIGHT ELECTRONICKP-3216F3C
PhototransistorEVERLIGHTELPT15-21C
ResistorROYAL OHM0805S8J0201T5E
ResistorROYAL OHM0805S8F2200T5E
CapacitorKEMETC0805C334K5RACTU
CableTECHNOKABELFTP KAT.5E 4X2X0,14C
ConnectorHARTING21348100380005
ConnectorHARTING21348000380005
Dielectric gelKRAYDENSylgard 535
Analogue-to-digital convertorTEDIAUDAQ-1416CA
GlueKUPSITO.SK7338723044
Kinect video cameraABCSTORE.CZGT3-00002
Analysis softwareUniversity of South Bohemia in Ceske Budejovice, Faculty of Fisheries and Protection of Waters, Institute of Complex SystemsLink naar de software: www.frov.jcu.cz/crayfishmonitoring
Gebruikersnaam: frov
Wachtwoord: CF2018

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bownik, A., Sokołowska, N., Ślaska, B. Effects of apomorphine, a dopamine agonist, on Daphnia magna: Imaging of swimming track density as a novel tool in the assessment of swimming activity. Science of the Total Environment. 635, 249-258 (2018).
  2. Jeong, T. Y., Yoon, D., Kim, S., Kim, H. Y., Kim, S. D. Mode of action characterization for adverse effect of propranolol in Daphnia magna. based on behavior and physiology monitoring and metabolite profiling. Environmental Pollution. 233, 99-108 (2018).
  3. do Nascimento, M. T. L., et al. Determination of water quality, toxicity and estrogenic activity in a nearshore marine environment in Rio de Janeiro, Southeastern Brazil. Ecotoxicology and Environmental Safety. 149, 197-202 (2018).
  4. Xiao, G., et al. Water quality monitoring using abnormal tail-beat frequency of crucian carp. Ecotoxicology and Environmental Safety. 111, 185-191 (2015).
  5. Aagaard, A., Andersen, B. B., Depledge, M. H. Simultaneous monitoring of physiological and behavioral activity in marine organisms using non-invasive, computer aided techniques. Marine Ecology Progress Series. 73 (2), 277-282 (1991).
  6. Bloxham, M. J., Worsfold, P. J., Depledge, M. H. Integrated biological and chemical monitoring: in situ. physiological responses of freshwater crayfish to fluctuations in environmental ammonia concentrations. Ecotoxicology. 8 (3), 225-237 (1999).
  7. Depledge, M. H., Andersen, B. B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. Comparative Biochemistry and Physiology. A, Comparative Physiology. 96 (4), 473-477 (1990).
  8. Depledge, M. H., Galloway, T. S. Healthy animals, healthy ecosystems. Frontiers in Ecology and the Environment. 3 (5), 251-258 (2005).
  9. Holdich, D. M., Reynolds, J. D., Souty-Grosset, C., Sibley, P. J. A review of the ever increasing threat to European crayfish from non-indigenous crayfish species. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems. 11, 394-395 (2009).
  10. Vogt, G. Functional anatomy. Biology of freshwater crayfish. Holdich, D. M. , Blackwell Science. Oxford, UK. 53-151 (2002).
  11. Bierbower, S. M., Cooper, R. L. Measures of heart and ventilatory rates in freely moving crayfish. Journal of Visualized Experiments. (32), e1594(2009).
  12. Li, H., Listerman, L. R., Doshi, D., Cooper, R. L. Heart rate in blind cave crayfish during environmental disturbances and social interactions. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 127 (1), 55-70 (2000).
  13. Listerman, L. R., Deskins, J., Bradacs, H., Cooper, R. L. Heart rate within male crayfish: social interactions and effects of 5-HT. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 125 (2), 251-263 (2000).
  14. Burnett, N. P., et al. An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals. Limnology and Oceanography: Methods. 11 (2), 91-100 (2013).
  15. Fedotov, V. P., Kholodkevich, S. V., Strochilo, A. G. Study of contractile activity of the crayfish heart with the aid of a new non-invasive technique. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 36 (3), 288-293 (2000).
  16. Kholodkevich, S. V., Ivanov, A. V., Kurakin, A. S., Kornienko, E. L., Fedotov, V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations. Environmental Bioindicators. 3 (1), 23-34 (2008).
  17. Kuznetsova, T. V., Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Evaluation of functional state of crayfish Pontastacus leptodactylus in normal and toxic environment by characteristics of their cardiac activity and hemolymph biochemical parameters. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 46 (3), 241-250 (2010).
  18. Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Total protein in hemolymph of crawfish Pontastacus leptodactylus as a parameter of the functional state of animals and a biomarker of quality of habitat. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 47 (2), 160-167 (2011).
  19. Pautsina, A., Kuklina, I., Štys, D., Císař, P., Kozák, P. Noninvasive crayfish cardiac activity monitoring system. Limnology and Oceanography: Methods. 12 (10), 670-679 (2014).
  20. Císař, P., Saberioon, M., Kozák, P., Pautsina, A. Fully contactless system for crayfish heartbeat monitoring: Undisturbed crayfish as bio-indicator. Sensors and Actuators B: Chemical. 255, 29-34 (2018).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Cardiale activiteit van rivierkreeftenniet invasieve monitoringevaluatie van waterkwaliteittracking van gedragsactiviteitnabij infraroodsensorbeeldbewerkingsanalysehartslagmetingbewegingsdetectiesysteemmilieu biomonitoringfysiologie van kreeftachtigen

Gerelateerde artikelen