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Uma abordagem simples para manipular oxigênio dissolvido para o comportamento animal Observações

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DOI:

10.3791/54430

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28 de junho de 2016

 , 
1Department of Biology, Juniata College

Neste artigo

Resumo

Este artigo descreve um protocolo simples e reprodutível para manipular condições de oxigénio dissolvido em um ambiente de laboratório para estudos de comportamento animal. Este protocolo pode ser utilizado tanto em ambientes de ensino e laboratórios de investigação para avaliar a resposta do organismo de macroinvertebrados, peixes, anfíbios ou a alterações na concentração de oxigênio dissolvido.

Resumo

A capacidade de manipular o oxigênio dissolvido (OD) em um ambiente de laboratório tem aplicação significativa para investigar uma série de questões de comportamento ecológico e organismos. O protocolo aqui descrito proporciona um método simples, reprodutível e controlado para manipular DO para estudar a resposta comportamental em organismos aquáticos que resultam de hipoxia e condições anóxicas. Durante a execução de desgaseificação de água com nitrogênio é comumente usado em configurações de laboratório, nenhum método explícito para aplicação ecológica (aquático) existe na literatura, e este protocolo é o primeiro a descrever um protocolo para desgaseificar água para observar a resposta do organismo. Esta técnica e protocolo foram desenvolvidos para aplicação directa de macroinvertebrados aquáticos; No entanto, pequenos peixes, anfíbios e outros vertebrados aquáticos poderia ser facilmente substituído. Ele permite a fácil manipulação dos níveis de OD variando entre 2 mg / L até 11 mg / L, com estabilidade de até um período de observação de animais-5 min.Além de um período de 5 min de observação temperaturas da água começou a subir, e aos 10 min FAZER níveis tornou-se demasiado instável para manter. O protocolo é escalável para o organismo estudo, reprodutível e confiável, permitindo uma rápida implementação em laboratórios de ensino introdutório e aplicações de pesquisa de alto nível. Os resultados esperados desta técnica deve relacionar dissolvido mudanças de oxigênio para as respostas comportamentais de organismos.

Introdução

oxigênio dissolvido (OD) é um parâmetro físico-químico chave importante na mediação de uma série de processos biológicos e ecológicos nos ecossistemas aquáticos. Exposições a sub-letal hipóxia aguda e crónica reduzir as taxas de crescimento em certos insetos aquáticos e reduzir a sobrevivência dos insetos expostos 1. Este protocolo foi desenvolvido para fornecer um método controlado para manipular os níveis de OD em água corrente para observar os efeitos sobre o comportamento animal. Desde a sobrevivência todos os organismos aquáticos aeróbios 'depende da concentração de oxigênio para viver e se reproduzir, alterações na concentração de OD são muitas vezes reflete em mudanças de comportamento por organismos. Invertebrados aquáticos móveis mais e peixes foram observados para responder a baixas concentrações de oxigênio (hipóxia), buscando locais com maior DO 2,3. Para os organismos aquáticos menos móveis, adaptações comportamentais para aumentar a ingestão de OD pode ser a única opção viável. A ordem de macroinvertebrados aquáticos de Plecoptera (stonefly) foi anotado para realizar movimentos "push-up" para aumentar o fluxo de água e absorção de oxigênio, através de suas brânquias externas 4 - 6. Estes comportamentos adaptativos foram observados em ambientes naturais e em experiências de laboratório.

manipulação laboratorial de OD na água abre oportunidades significativas para estudos de comportamento animal, mas existem lacunas significativas na implantação metodológica. Por exemplo, um estudo utilizou grandes aquários para avaliar o tempo fisiológico resposta do baixo Largemouth (Micropterus salmoides) para ambientes hipóxicos seguinte gaseamento com nitrogênio, mas pouca detalhe é dado para a metodologia 7. Outro estudo realizado na zebra peixes (Danio rerio) descreveu o uso de gás de azoto e uma pedra porosa para entregar gás para água e reduzir a DO da água 8. Para aplicações baseadas em química, métodos de desgaseificação de solventes utilizam especializadaAparelho 9-11 para remover o oxigénio a partir de solventes, mas não seria adequado para estudos de comportamento animal. Embora esses estudos empregar métodos para remover oxigênio da água, nenhum método descritivo puderam ser identificados que permitem a avaliação do comportamento animal em resposta a mudanças FAZER.

Este método descrito a seguir é uma tentativa de descrever completamente um protocolo para a manipulação de OD de água utilizando gás nitrogênio. Além disso, este método foi desenvolvido no sentido de observar as relações entre o comportamento stonefly (flexões) e fazer isso era empregado em um laboratório de biologia de nível de calouro. Uma das principais vantagens deste método é que ele pode facilmente ser realizada dentro de um laboratório com vidros e materiais acessíveis para a maioria das instituições de ensino secundário e superior comum. O protocolo também é facilmente adaptável, permitindo a indivíduos para escalar o procedimento para cumprir os objectivos estabelecidos para aplicações de pesquisa ou de ensino.

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Protocolo

Nota: Este experimento não usar vertebrados e, portanto, não necessitam de aprovação pelo Instituto de Juniata College for Animal Care e do Comitê Use. No entanto, para os indivíduos adaptando este método para uso com vertebrados, aprovação IACUC deve ser procurado.

Coleta de Amostras 1. Campo

  1. Determinar e avaliar os sites de campo potenciais para a capacidade de coletar, armazenar e stoneflies transporte rapidamente para minimizar o tempo em trânsito com um tempo máximo recomendado em trânsito de 1 hora.
  2. Operações de amostragem kick-net no local campo selecionado seguindo os procedimentos pontapé-net padrão vezes o suficiente para recolher pelo menos 35 stoneflies 12.
  3. Colete 50 L de água corrente e as rochas com um diâmetro máximo de 2 cm a partir de fluxos.
  4. Coloque aquários num frigorífico ajustado para a temperatura do local de corrente. Distribuir rochas coletadas no local do fluxo em aquários e encher com 4 L de água corrente por aquário. coloque 20-30 Stoneflies recolhidos por aquário e colocar uma pedra borbulhante anexado a um bubbler aquário em cada tanque e ligue bubblers para adicionar continuamente o ar ambiente para a água.
  5. Permitir que as stoneflies para se adaptar ao novo ambiente nos aquários para um período de 48 horas.

figure-protocol-1
Figura 1. Configurar a manipulação de oxigénio dissolvido. (A) 1) Montagem de tubo de cobre para espigão macho 2) Localização do selo rolha para examinar para assegurar o bem vedação frasco. (B) 1) 2 L frasco de braço lateral cheio com 1,9 L de água 2) do tubo de gás e um borbulhador de ar (azul) para uso em borbulhamento de azoto e quarto borbulhamento de ar, respectivamente, 3) tanque de azoto e os valores calibrados 4) 2 L balão cheia com 0,4 L de água com tubo de vácuo submersa 5) dissolvido medidor de oxigênio. por favor clique aqui paraver uma versão maior desta figura.

2. Experimental Set up

  1. No topo de uma bancada, ligar um tubo de vácuo de paredes padrão para o braço lateral de um frasco de braço lateral de 2 L como é mostrado (1 na Figura 1B).
  2. Encha o frasco com 1,9 L de água corrente a partir de 3 L recipientes de plástico de retenção de água corrente coletado em frigorífico ajustado a 12 ° C.
  3. Colocar o balão e tubos em uma bandeja grande o suficiente para conter um banho de gelo em torno do frasco de braço lateral sem obscurecer a visão do interior balão e encher a bandeja com gelo.
  4. Perfurar dois buracos de 3 mm de diâmetro em uma rolha de borracha para permitir a passagem de 1) um tubo de cobre para distribuir o gás para o recipiente e 2) a sonda de um medidor de OD para o frasco de braço lateral de 2 L (1 na Figura 1B) .
  5. Adicione uma incisão lateral a partir da borda da tampa de um dos furos para permitir que o assento de fio de a sonda de OD na rolha.
  6. Conectar um acoplador macho com uma mangueira de 3 milímetrosfarpa a um pedaço com 2 mm de diâmetro de tubo de cobre (1 na Figura 1A). Assegure-se que este tubo é suficientemente longo para alcançar a menos de 10 cm do fundo do frasco, para se alcançar através da rolha.
  7. Colocar o tubo com acoplador embora o segundo buraco na tampa até que o comprimento da parte inferior da rolha é suficiente para alcançar a menos de 10 cm do fundo do frasco.
  8. Conectar um comprimento de 0,75 m, tubo de parede fina de polietileno de gás com um diâmetro de 3 mm para o engate no tubo.
  9. Deslize tanto a sonda de OD e tubo de cobre para o balão e selar a garrafa com a rolha.
  10. Entrada para uma vedação perfeita entre a tampa e a garrafa, bem como um ajuste confortável entre o tubo e o fio de sonda no interior da rolha.
  11. Encher um balão de 1 L com 0,4 L de água da torneira e colocar ao lado da bandeja com o banho de gelo e frasco de vácuo.
  12. Submergir o tubo de polietileno proveniente do balão de vácuo grande para a água do balão de 1 L. Fixe otubo com fita adesiva de tal modo que ele irá permanecer submerso por meio da experiência.
  13. Ligue a linha de gás de 3 mm de diâmetro do balão de vácuo a um bubbler sala de ar do aquário. Comece a bolha da água no balão de 2 L ligando o bubbler aquário, que introduz ar ambiente e oxigênio para a água.
  14. Monitorar a concentração de OD e temperatura da água com o medidor de OD durante 5 min ou até que o equilíbrio de OD é estabelecida dentro da câmara de tal modo que pouca mudança no DO está a ocorrer.

3. Teste a estabilidade da montagem experimental

  1. Teste cada configuração para a estabilidade DO antes da adição de stoneflies.
  2. Adicione três ou quatro pedras para o balão de 2 L de modo que stoneflies tem substrato propício para flexões.
  3. Comece uma manipulação experimental de DO, desligando o tubo do gás proveniente do borbulhador e anexá-lo para a linha de gás nitrogênio.
  4. Comece borbulhando azoto a 20 pés cúbicos por hora (CFH) por aproximadamente 40s a 1 min.
  5. Uma vez que a DO caiu para menos de 0,5 mg / L de concentração do alvo, reduzir o fluxo para 15 CFH e permitir que a concentração diminuir para o alvo.
  6. Cessar o fluxo de nitrogênio imediatamente uma vez que a concentração alvo é atingido.
  7. Use o bubbler sala de ar do aquário para retornar a concentração para a concentração de destino se a DO diminui abaixo da meta.
  8. Se a DO é instável durante o teste de um set-up, em seguida, verificar o volume de água ainda está em 1,9 L e nenhuma água foi originado fora, a temperatura da água é estável e não mudando, e os selos em todos os acessórios parecem ser apertado e selado.
  9. Depois de três ensaios foram realizados e o analista tem confiança na capacidade para controlar DO, anexar a linha de gás para o bubbler e bolha ao equilíbrio novamente.
  10. Bolha até ao equilíbrio, anexando a linha de gás de 3 mm de diâmetro para o borbulhador de aquário e iniciando a adição de ar ambiente para a água até que a concentração dede oxigénio na água não aumentar ou alterar durante 3 min.
  11. Uma vez em equilíbrio, parar borbulhando e abre o frasco.

4. Stonefly Experiment Push-up

  1. Dividir o número total de stoneflies ao número de observadores para determinar o número de ensaios a realizar.
  2. Determinar diferentes níveis de OD entre 2 e 10 mg / L para avaliar a resposta comportamental de stoneflies (número de flexões).
  3. Configure um frasco por tentativa e adicionar um número igual de stoneflies como há observadores para o frasco (4 stoneflies dentro deste design), coloque a sonda e o tubo de volta para o balão, em seguida, feche o frasco com a tampa de borracha.
    Nota: Uma concentração de DO inicial de 10 mg / L foi escolhido como o primeiro ponto de observação, uma vez que era a concentração de OD da corrente a partir de onde os stoneflies foram amostrados.
  4. Uma vez que a água é de 10 mg / L por borbulhamento seguintes etapas 2,10-2,11, registar a temperatura da água inicial e permitir ostoneflies para anexar ao substrato rocha no frasco.
  5. Atribuir apenas um observador para assistir a um único stonefly para garantir uma contagem precisa do comportamento do push-up, que é o movimento do corpo para cima e para baixo exibida pela stonefly.
  6. Contar e registrar o número de flexões observados ao longo de um período de observação 3 min.
  7. Manipular FAZER para o próximo nível de OD experimental e repetir período de observação de 3 minutos para os níveis experimentais adicionais.
    Nota: Dentro deste desenho experimental, três níveis de OD diferentes foram avaliados.

5. Análise Estatística

  1. Para executar número médio utilização análise estatística de flexões nas quatro stoneflies através de um grupo para um determinado julgamento DO.
  2. Use o software estatístico R computação livre de 12 para executar uma análise de variância (ANOVA) sobre o número de flexões e as concentrações fazer usando a ordem de cada ensaio experimental (DO nível) e temperatura que covariates. Analisados ​​fazer como níveis discretos de um único fator.
  3. Use um teste de normalidade de Anderson-Darling na resíduos para verificar a normalidade 13.
  4. Executar uma regressão linear nos dados locando a média do número de flexões contra concentrações de OD.

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Resultados

Seis estudos da configuração descrita foram realizados por 24 calouros estudantes de graduação em um ambiente de laboratório de ensino para quantificar o número de flexões stoneflies executar em resposta a concentração de OD diferente na água. O número médio de flexões realizada dentro de um nível de OD e dentro de cada ensaio foi reunida para traçar flexões contra o nível de OD na Figura 2. Uma análise de variância foi realizada inicialmente utilizando concentraçã...

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Discussão

As etapas críticas
Este procedimento proporciona um modo simples e eficaz para manipular OD num ambiente de laboratório para realizar estudos comportamentais em organismos aquáticos. Descobrimos que haja vários críticos passos / itens para estar ciente de quando realizar este experimento que directamente relacionada com os resultados. Dentro de um teste, é crítica para manter a pressão da câmara a fim de evitar alterações na pressão parcial de gases acima da água, e subsequente FAZER flutuações. Seguindo os passo...

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Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Os autores gostariam primeiro de agradecer a todos os alunos do laboratório do Módulo de Biologia 121 - Ecologia do Juniata College por sua ajuda na geração de dados usados neste estudo. Também gostaríamos de agradecer ao Dr. Randy Bennett, Chris Walls, Sherry Isenberg e Taylor Cox por sua assistência na aquisição de materiais necessários para desenvolver esta metodologia. Além disso, gostaríamos de agradecer ao Dr. Norris Muth e ao Dr. John Unger por seus conselhos sobre o desenvolvimento metodológico e à Dra. Jill Keeney e ao departamento de Biologia por seu apoio a esse esforço. Também gostaríamos de agradecer aos revisores anônimos que ajudaram a moldar e focar este manuscrito. Por último, mas não menos importante, gostaria de agradecer a Hudson Grant por sua ajuda com a coleção inicial de moscas-da-pedra para uso no desenvolvimento desta técnica

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Frasco de filtro 2 LPyrex5340
Rolha de borracha tamanho 6Sigma-AldrichZ164534
Nalgene 180 Tubo de plástico transparenteThermo Scienfitic8001-1216
Bomba de ar Whisper 60Tubo
StandardPenn PlaxST25
Tubo de cobre de 0,25 polegadaLowes Home Improvement23050
Mangueira macho farpaGrainger5LWH1
Conector fêmeaGrainger20YZ22
Medidor de oxigênio dissolvido para serviço pesadoExtech407510
Gás nitrogênioMatheson TRIGAS
Radnor AF150-580 ReguladorAirgas RAD64003036
de linha de ar flexível Tetra

Referências

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