Summary
センサーフィッシュと生きた魚を回収するためのバルーンタグを設計および製造するためのプロトコルが提示され、水理構造物での物理的状態と生物学的性能の評価が可能になります。この方法では、バルーンの体積、膨張/収縮時間、コンポーネントの選択、注入された水の特性などの要因を考慮して、バルーンタグの性能を最適化します。
Abstract
魚は、水力発電ダムの水力輸送を通過するときに、下流のバイパスシステム、改造された余水吐、タービンなど、魚に優しいように設計されていても、怪我や死亡を経験する可能性があります。水理構造物の魚の通過条件を研究するために使用される主な方法は、センサーフィッシュ技術と生きた魚を使用した直接の in situ テストです。センサーフィッシュのデータは、魚の通過環境における物理的なストレス要因とその位置を特定するのに役立ち、生きた魚は怪我や死亡率について評価されます。バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。
この記事では、シュウ酸、重炭酸ナトリウム粉末、および2つの異なる温度の水の混合物を含む、さまざまな数の溶解性植物ベースのカプセルを備えたバルーンタグの開発に焦点を当てています。私たちの研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3つのカプセルを備えたバルーンタグが、一貫して目的のバルーン容量を達成することがわかりました。これらのタグの平均膨張体積は114cm3で、標準偏差は1.2cm3でした。18.3°Cで水を注入したバルーンタグのうち、2カプセルのバルーンタグが完全に膨張するまでに最も長い時間がかかったことが観察されました。さらに、4カプセルのバルーンタグは膨張開始時間が速く、3カプセルのバルーンタグは収縮開始時間が速いことが示されました。全体として、このアプローチは、新技術の性能を検証し、タービン設計を改善し、魚道条件を改善するための運用上の決定を下すのに効果的であることが証明されています。これは、研究やフィールド評価のための貴重なツールとして機能し、油圧構造の設計と操作の両方の改良に役立ちます。
Introduction
水力発電は、世界的に重要な再生可能エネルギー資源です。米国では、水力発電は再生可能エネルギー源から発電される電力の推定38%にあたる274TWhに貢献しており1、年間約460TWhを追加する可能性があります2。しかし、水力発電の開発が進むにつれて、水力航路中の魚の怪我や死亡に関する懸念が最重要課題となっています3。急激な減圧(気圧外傷)、せん断応力、乱流、ストライク、キャビテーション、粉砕など、さまざまなメカニズムが通過中の魚の損傷に寄与します4。これらの損傷メカニズムは、魚の全体的な状態にすぐに影響を与えることはないかもしれませんが、病気、真菌感染症、寄生虫、捕食に対してより脆弱になる可能性があります5。さらに、タービンやその他の水力構造物との衝突による直接的な人身傷害は、重大な死亡につながる可能性があり、水力発電開発においてこれらのリスクを軽減することの重要性が強調されています。
魚の通過状態を評価するための最も一般的な方法の1つは、水理構造を介してセンサーフィッシュと生きた魚を放流することです6,7。Sensor Fishは、タービン、余水吐、ダムバイパスの代替案8,9などの水理構造物を通過する際に魚が経験する物理的条件を研究するために設計された自律デバイスです。3D加速度計、3Dジャイロスコープ、温度センサー、圧力センサー9を搭載したセンサーフィッシュは、魚の通過状況に関する貴重なデータを提供します。
バルーンタグは、センサーフィッシュや生きた魚に外部に取り付けられた自己膨張式のバルーンで、水力構造物を通過した後の回復を助けます。バルーンタグは、ガス発生化学物質(シュウ酸や重炭酸ナトリウムなど)で満たされた溶解可能なカプセル、シリコンストッパー、釣り糸で構成されています。展開する前に、シリコンストッパーからバルーンに水が注入されます。水は植物ベースのカプセルを溶かし、化学反応を引き起こしてガスを生成して風船を膨らませます。この中和反応では、弱塩基である炭酸水素ナトリウムと弱酸であるシュウ酸とが反応して、二酸化炭素、水、シュウ酸ナトリウムを形成する10。化学反応を以下に示します。
2NaHCO3+H2 C2O4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C 2O4
膨らませたバルーンは、センサーフィッシュと生きた魚の浮力を高め、水面に浮かび上がらせて回復を容易にします。
浮遊選鉱を達成し、サンプル(センサーフィッシュや生きた魚など)の回収を容易にするために必要なバルーンタグの数は、サンプルの体積と質量の特性によって異なる場合があります。バルーンタグの膨張時間は、異なる温度で水を注入することで調整できます。水が冷たいと膨張時間が長くなり、水が温かいと膨張時間が短くなります。バルーンタグは、オレゴン州フッドリバーのユニークな水平平板の魚と破片のスクリーン構造であるファーマーズスクリーン11や、ラオス人民民主共和国のナムグムダムのフランシス水車12など、さまざまな場所で成功裏に採用されています。別の市販のバルーンタグの例は、Hi-Z Turb'N Tag13,14です。Hi-Z Turb'N Tagは、注入された水温に応じて、膨張時間を2分から60分の間で調整することができます13。この技術は、コロンビア川のロッキーリーチダムで放流されたチヌークサーモンのスモルトや、コネチカット川のハドリーフォールズダムで放流されたアメリカシャッドの稚魚に関する研究など、多くの野外で魚類の研究に使用されています15,16。どちらの技術も、酸塩基化学反応を利用してバルーンタグを膨らませて回収します。
この方法は、製造における費用対効果とシンプルさを提供し、バルーンあたりの推定材料費はわずか0.50ドルです。ここで説明したように、製造プロセスは簡単にたどることができ、誰でもバルーンタグの製造にアクセスできます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 酸/塩基封入
- ミキシングカップでH2C 2 O4(シュウ酸)およびNaHCO3(重炭酸ナトリウム)の重量で1:2の比率で混合する(材料表を参照)。酸塩基粉末混合物が結晶化している場合は、乳鉢と乳棒を使用して粉砕します(図1A)。
- サイズ3の植物性カプセルと半自動カプセル充填機を取り出して、プロセスを開始します( 材料表を参照)。
- キャップシートを清潔で乾燥した面に平らに置きます。黒いペグを使用してカプセル化シートをキャップシートの上に合わせ、所定の位置に正しく固定します(図1B)。
- 事前に分離されたカプセルを使用しない限り、カプセルの上部と下部を分離します。.サイズ#3の植物性カプセルは、閉じたとき、長さ15.9 mm、外径(OD)5.57 mm、体積0.30 mL、重量47 mgの全体寸法を有する。
- カプセルトップをカプセル化シートに流し込みます(図1C)。円を描くように、上部を穴にそっと振ってください。その間、カプセル化シートの壁の隙間を片手またはパウダースプレッダーで覆い、上部がこぼれないようにします(図1D)。
- 穴がふさがれたら、余分なカプセルトップを清潔なカップに注ぎます(図1E)。逆さまになったカプセルトップを特定し、裏返します(図1F)。すべてのカプセルトップがキャップシートの正しい方向を向いていることを確認します。位置合わせを誤ると、カプセルの上部がカプセルの下部と適切に結合しなくなる可能性があるため、適切な向きを確保することが重要です。
- カプセル化シートをはがし、充填されたキャップシートを脇に置きます。
- 本体または「ボトム」シートを取り出します。清潔で乾燥した平らな面に置きます。カプセル化シートを下部シートに固定し、黒いペグを使用して正しい位置に配置して、適切な位置合わせを確保します。
- カプセルの底をカプセルシートに注ぎ、前と同じように円を描くように振って穴を埋めます。余分なカプセルの底を注ぎます。逆さまになったカプセルの底を特定し、裏返します。
- 下部シートからカプセル化シートをはがし、脇に置きます。
- 充填されたボトムシートに酸/塩基粉末の混合物を注ぎます(図1G)。プラスチック製のスプレッダーを使用して、カプセルの底に粉末を充填します(図1H)。カプセルの底部がすべて満たされていることを確認します(図1I)。未使用の酸/塩基粉末を取り除きます。
- キャップシートを平らな面に置き、中央のシートを上に置き、黒いペグに合わせ、正しくフィットするようにします。すべてのカプセルトップを中央のシートの対応する穴に合わせてください。
- キャップシートを貼った中央のシートで反転させ、充填された下部シートに合わせます(図1J)。
- キャップシートのすべての側面を均等に軽く押し下げて上部と下部を結合し、カプセルの両側を合わせます(図1K)。
- キャップシートとミドルシートを下部シートから取り外します。この時点で、カプセルの底と上が適切に結合されている必要があります。
- 各カプセルの上部と下部がしっかりと取り付けられていることを確認します。そうでない場合は、カプセルの上部と下部を手動で押して、ぴったりとフィットさせます。充填したカプセルを取り出し、密閉可能な容器に入れます(図1L)。
注意: 安全に取り扱うには、個人用保護具(PPE)と顔の保護具を着用することが不可欠です。十分な換気を確保し、摂取、吸入、および皮膚、目、または衣服の物質との接触を避けるための予防措置を講じる必要があります。.また、粉塵の発生を防ぐことも重要です。安全性の詳細については、シュウ酸および炭酸水素ナトリウムの安全データシート(SDS)を参照してください。酸/塩基カプセルの完全性を維持するために、直射日光や高湿度を避けて保管することをお勧めします。未使用のカプセルは密閉された密閉容器に保管してください。カプセルが乾燥した状態に保たれ、湿気がない状態であれば、効果的に使用して最適な機能を確保することができます。
- 各カプセルの上部と下部がしっかりと取り付けられていることを確認します。そうでない場合は、カプセルの上部と下部を手動で押して、ぴったりとフィットさせます。充填したカプセルを取り出し、密閉可能な容器に入れます(図1L)。
2.シリコーンストッパーの製造
- 溶融堆積モデリング(FDM)3Dプリンター( 材料表を参照)を使用して、 補足ファイル1のSTLファイルを使用してモールドプレートを印刷します。
- モールドプレートの底面に透明な梱包テープを貼り、各開口部が密閉されるようにします(図2A)。
- 市販のシリコーンモールド材料を重量比1:1(例えば、パートAとパートBをそれぞれ50g)混合カップに混合する( 材料表参照)。使い捨てスプーンを使用して、化合物を約5分間、または均一になるまで完全に混合します。
- パッキングテープで型板を紙の上に置きます。紙は、モールドプレートからこぼれる可能性のあるシリコンをキャッチします。
- シリコーン混合物を各ストッパー穴に注ぎ始め、それらがすべて満たされていることを確認します(図2B)。ゴム製のスキージを使用して、シリコンを各ストッパー穴に広げます(図2C)。モールドプレートの表面から残ったシリコーン混合物を取り除きます。
- ゴム栓を4時間乾かします。ストッパーが完全に硬化したことを確認した後(たとえば、シリコーン混合物が完全に乾燥して硬化した)、モールドプレートの背面からテープをはがし(図2D)、ストッパーを金型から引き出し始めます(図2E)。
- ストッパーに付着している余分なシリコンをすべて取り除きます(図2F)。
3.バルーンタグの組み立て
- ピアスツール(ストレートデンタルピックなど)をシリコンストッパー(図3A)に慎重に挿入します( 材料表を参照)。ピアスツールを15Gのシリンジ針に挿入し、15Gの針だけを残してシリコンストッパーからピアスツールを取り外します(図3B)。ピアスツールは、材料を切断したり取り除いたりすることなく、シリコンストッパーの内側にスリットを作成します。
- 50ポンドの釣り糸( 材料表を参照)を150mmの長さにカットします。釣り糸を15Gのシリンジ針に通し、シリコンストッパーに挿入します(図3C)。
- ストッパーと釣り糸を慎重に保持しながら、釣り糸をストッパー内に残して、ストッパー本体から15Gのシリンジ針を取り外します(図3D)。釣り糸の長さがストッパーの両側で均等であることを確認してください。
- 酸/塩基粉末で満たされた2つのカプセルをラテックスバルーンに挿入します(図3E)( 材料表を参照)。輪ゴム拡張ツール(去勢バンドプライヤーなど)を使用してバルーンの開口部を広げ、釣り糸の両端をバルーンの外側に残して、1つのシリコンストッパーをバルーンの開口部に慎重に挿入します(図3F)。
- 2つのOリング(幅1.6 mm、内径8.1 mm、 材料表を参照)をラバーバンド拡張ツールに配置し、拡張します。ラテックスバルーンの首を2つの拡張Oリングに挿入します(図3G)。2つのOリングを輪ゴムバンド拡張ツールから慎重に引き離し、ストッパーの中央でバルーンの首にしっかりと巻き付けたままにします(図3H)。
4.センサーフィッシュキャップへのバルーンタグの取り付け
- 釣り糸の一端をセンサーフィッシュキャップの小さな穴の1つに通し( 資料表を参照)、キャップの中央にある大きな穴に通します(図4A)。
- 釣り糸の両端を結び、キャップの上部とバルーンの底の間に約13〜26mmを残します。釣り糸を結ぶときは、4つのオーバーハンドノットを重ねて使用します。
- 余分な釣り糸は、結び目に近づきすぎると結び目がほどけてしまう可能性があるため、取り付けたままにしておきます(図4B)。
- 結び目の両側の釣り糸を指でつかみ、できるだけ強く引っ張って、結び目をテストします。風船に近づきすぎると、ゴム栓を通して釣り糸が意図せず引き裂かれる可能性があるため、注意してください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
バルーンタグの最適な製造方法を検討するため、バルーンに注入する水の量と温度に着目して検討を行いました。この研究では、インフレ開始時間、フルインフレ開始時間、デフレ開始時間、フルインフレ時のバルーンの体積など、さまざまな入力パラメータを調べました。この研究は、周囲温度が21°Cの机で行われました。
この研究のために、合計360個のバルーンタグが準備されました。タグは36セットに分けられ、各セットには10個のバルーンタグが含まれていました。セットは、2カプセル、3カプセル、または4カプセルを含むカプセルの数に基づいて分類されました。各セットのタグに、18.3°Cまたは12.7°Cの温度で5、6、7、8、9、または10mLの水を注入しました。 カプセルの溶解が可能な最低温度は12.7°C、実用性を考慮して室温は18.3°Cとしました。
その結果、12.7°Cの水を使用した場合と比較して、18.3°Cの水を使用した場合の方が完全に膨張するのが速くなることが示されました(図5)。植物由来のカプセルの低温での溶解が遅いため、膨張が遅れました。試験条件の中で、18.3°Cで5mLの水を注入した3カプセルバルーンタグは、平均体積が114cm3、標準偏差が1.28cm3で、一貫したサイズを示しました(表1)。18.3°Cでは、4カプセルのバルーンタグの方が膨張開始時間が速く、3カプセルのバルーンタグの方が収縮開始時間が短いことが示されました(図6)。しかし、2カプセルと4カプセルのバルーンタグの完全な膨張時間はほぼ同じでした。3カプセルが最初に収縮し始め、次に4カプセル、最後に2カプセルが収縮します。
図1:バルーンタグ膨張試薬カプセルの充填プロセスを示すステップバイステップの画像 。 (A)シュウ酸と炭酸水素ナトリウムを混合粉砕する。(B)キャップシートの上に封入シートを位置合わせする。(C)カプセルトップをカプセル化シートに流し込む。(D)封入シートの穴にトップを振る。(E)余分なトップを清潔なカップに注ぎます。(F)逆さまのカプセルトップを識別し、それらを裏返します。(g)酸/塩基粉末混合物を底のシートに注ぎます。(H)カプセルの底を満たすように粉末を広げます。(I)すべてのカプセル底が満たされていることを確認します。(J)キャップシートを貼った中間シートで反転させ、充填された底面シートに合わせます。(K)キャップシートを押し下げて、上部と下部のカプセルを結合します。(L)各カプセルの上部と下部がしっかりとフィットするようにします。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:バルーンタグのシリコンストッパーの製造工程をステップバイステップ で示した画像。 (A)金型プレートの底面に透明な梱包テープで各開口部を密封します。(B)シリコーン混合物を各ストッパー穴に流し込む。(C)ゴムスキージを使用して各ストッパー穴にシリコーンを広げます。(D)栓が硬化した後、金型プレートの裏側からテープを剥がします。(E)型からストッパーを取り外す。(F)ストッパーに付着している余分なシリコンを取り除きます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:バルーンタグの組み立てをステップバイステップ で示した写真。 (A)シリコンストッパーにピアス工具を挿入します。(B)15Gのシリンジ針にピアスツールを挿入する。(C)50ポンドの釣り糸を6インチカットし、15Gのシリンジ針に通してシリコンストッパーに通します。(D)15Gのシリンジ針をストッパーから取り外し、釣り糸を内側に残します。(E)2つの酸/塩基充填カプセルをラテックスバルーンに挿入します。(F)輪ゴム拡張工具でバルーン開口部を拡張し、シリコンストッパーを1つ挿入します。(G)2つのOリングを輪ゴムバンド拡張ツールに配置し、それらを拡張し、拡張したOリングにラテックスバルーンネックを挿入します。(H)2つのOリングを輪ゴム拡張ツールから慎重に引き離し、ストッパーを中心にバルーンネックにしっかりと巻き付けます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:バルーンタグをセンサーフィッシュキャップに結び付ける工程をステップバイステップ で示した写真。 (A)釣り糸の一端をセンサーフィッシュキャップの小さな穴に通し、中央の大きな穴に通し、両端を結び、キャップの上部とバルーンのベースの間に13〜26mmの隙間を残します。(B)センサーフィッシュキャップに取り付けられたバルーンタグ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:バルーンタグのインフレーション。 2カプセル(緑)、3カプセル(青)、および4カプセル(灰色)のバルーンタグに5〜10 mLの水を使用した(A)12.7°Cおよび(B)18.3°Cの水によるバルーンタグの平均膨張時間。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:バルーンタグの体積と膨張時間。 (A)18.3°Cで5 mLの水を使用した2カプセル(正方形)、3カプセル(三角形)、および4カプセル(星形)バルーンタグの膨張開始、完全膨張、および収縮開始までの平均時間。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| 水温 | 18.3 °C | 12.7 °C | ||||
| カプセルの量 | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| 平均出来高 | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| 標準偏差 | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
表1:18.3°Cおよび12.7°Cで5 mLの水を注入した後の、2カプセル、3カプセル、および4カプセルのバルーンタグの平均容量と標準偏差(cm3)。
補足ファイル1:金型プレートを印刷するためのSTLファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル2:クエン酸。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
この研究では、18.3°Cで5 mLの水を注入した3カプセルのバルーンタグは、2カプセルおよび4カプセルのバルーンタグと比較して、開始膨張時間が遅く、一貫して体積が大きいと結論付けられました。バルーンタグに12.7°Cの水を注入すると、平均体積が小さくなり、膨張時間が長くなりました。3カプセルが最初に収縮し始め、次に4カプセル、最後に2カプセルが収縮します。各水温に関連する膨張期間と収縮期間は、現場で役立ちます。より長い膨張時間を必要とする研究では、水温が低いとバルーンタグの膨張が遅くなる可能性があり、Martinezらが実施したフィールド調査と同様に、魚やセンサーフィッシュがより広く分布し、より長い回収時間を必要とする大規模な施設での試験が可能になります7,12。より暖かい水は、縮小スケールモデルや、ファーマースクリーンやスケール付き水力タービンなどの小さな水力構造物をテストするためのインフレ率を上げるために利用することができます11,17。
バルーンタグを製造する上で最も重要なステップは、重炭酸ナトリウムとシュウ酸の粉末を乳鉢と乳棒で完全に混合してからカプセル化することです。これにより、化学比を変化させる可能性のある塊のない細かく粉砕された化合物が生成されます。製造後、カプセルは直射日光を避け、密閉容器に密封して、植物ベースのカプセル18を劣化させる可能性のある空気からの吸湿を防ぐ必要があります。
この方法の主な利点は、その費用対効果とシンプルな製造プロセスです。バルーンを1つ製造するための推定材料費はわずか0.50ドルです。これは、大きなサンプルサイズを必要とする限られた予算の研究に有利です。バルーンタグは、水力発電ダムやその他の水理構造物でのセンサーフィッシュの展開と魚の生存と傷害の評価をサポートします。この方法は、米国における持続可能なエネルギーと継続的なタービン交換の必要性の高まりに対応しています19。新技術の導入後、技術20の設計改善を検証するためにフィールド評価が必要である。また、評価結果は、改善されたタービン設計のための洞察を提供し、魚の通過条件を強化するためのタービンの運転に関する管理上の決定に情報を提供することができる21。
バルーンタグの製造と使用には、考慮する必要がある特定の制限があります。カプセル化する前に重炭酸ナトリウムとシュウ酸粉末を完全に混合するために乳鉢と乳棒を使用して手動で混合するプロセスは、時間と労力がかかり、スケーラビリティが制限される可能性があります。さらに、タグに使用されている植物由来のカプセルは、劣化を防ぐために密閉容器に入れて直射日光を避けて慎重に保管する必要があり、特に現場での取り扱いと輸送が複雑になります。さらに、バルーンタグの性能は温度に依存し、水温が低いと平均体積が小さくなり、膨張時間が長くなるため、膨張期間を短くする必要がある研究や、より小さな水理構造での試験には適していません。逆に、水温が高いとインフレ率が上昇する可能性がありますが、より寒い環境や、より長い回収時間を必要とする大規模な施設での適用が制限される可能性があります。これらの制限は、さまざまな研究シナリオでバルーンタグを最適に使用するために慎重に検討し、対処する必要があります。
この原稿で詳述されているような危険な化学物質を扱う際の安全を確保するためには、SDSを参照して、適切な取り扱いと保管に関する包括的なガイダンスを得ることが不可欠です。具体的には、シュウ酸は皮膚に接触したり摂取したりすると、人間の健康にリスクをもたらします。さらに、熱に敏感であり、硝酸塩などの酸化剤と激しく反応し、火災や爆発を引き起こす可能性があります22。したがって、シュウ酸を取り扱うときは、換気の良いドラフトで作業し、怪我や刺激を防ぐために、目の保護具、マスク、手袋などのPPEを着用することが不可欠です。
クエン酸は、主に食品と皮膚製品の両方に使用できる安全な物質として食品医薬品局が認めているため、シュウ酸の代わりにバルーンタグの代替化学物質として機能する可能性があります23。シュウ酸とは対照的に、クエン酸は熱に対する感受性が低下し、酸化剤、強塩基、または酸と相溶しません。シュウ酸と同様に、クエン酸の取り扱いには、換気の良いドラフトと適切なPPEを使用する必要があります。
水中のクエン酸(C6H8O7)と重炭酸ナトリウム(NaHCO3)を含む反応は、バルーンタグを膨らませるための二酸化炭素(CO2)も生成します。この化学プロセスにより、次の式に示すように、クエン酸ナトリウム(Na3C6H5O7)、水、および二酸化炭素が形成されます。
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na3 C6H5O7 + 3H 2 O+3CO2
クエン酸を使用する制限は、バルーンタグ内に貯蔵されている同じ質量の物質(酸+重炭酸ナトリウム)に対して、生成されるCO2 の量がシュウ酸によって生成される量の約81%であることです。これは、バルーン タグのサイズが小さくなり、バルーン タグの完全な膨張時間が長くなるため、重要な考慮事項です。シュウ酸の代わりにクエン酸を使用する場合は、1:2(重炭酸ナトリウムとクエン酸)の質量比を使用して、バルーンの体積を46 cm3 、完全な膨張時間を15分とすることをお勧めします。詳しくは、補足ファイル2:クエン酸をご覧ください。
本研究では、センサーフィッシュや生きた魚が水理構造物を航行した後、その位置を特定して回収するためのツールであるバルーンタグ技術の開発と利用に焦点を当てています。主な目的は、これらの構造が水生動物にどのような影響を与えるかについての理解を深め、最終的にはより魚に優しいタービンの作成を促進することです。このアプローチは、費用対効果が高いだけでなく、簡単な製造プロセスも含んでおり、最適化すると、これらのタグの大量生産が可能になります。さらに、これらのタグは、さまざまな種や水生環境に対応するようにカスタマイズできます。今後の研究では、さまざまな条件下でのバルーンタグの性能の最適化、魚の行動への影響の調査、環境問題への対処について掘り下げていきます。暫定的な結果は有望ですが、実際の検証と長期的な耐久性評価には広範なフィールドテストが必要です。全体として、この研究は、水理構造物が魚に与える影響の評価と軽減を支援するツールを提供することにより、持続可能で責任ある水力発電の開発を促進することを目的としています。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者には利益相反はありません。
Acknowledgments
この研究は、米国エネルギー省(DOE)の水力発電技術局から資金提供を受けました。実験室での研究は、契約DE-AC05-76RL01830の下でDOEのためにBattelleが運営するパシフィックノースウエスト国立研究所で実施されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printed Silicone Stopper Plate | NA | NA | |
| ARC800 Sensor Fish | ATS | NA | |
| FDM 3D printer | NA | NA | |
| Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3) | Capsulcn | NA | |
| Mold Star 15 SLOW | Smooth-On | NA | |
| Oil-Resistant Buna-N O-Ring | McMaster-Carr | SN: 9262K141 | |
| Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4) | Thermo Scientific | CAS: 144-62-7 | |
| Rubber Band Expansion Tool | iplusmile | NA | |
| Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3) | Capsule Connection | NA | |
| Smiley Face YoYo Latex balloon | YoYo Balloons, Etc. | NA | |
| Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3) | Sigma | CAS: 144-55-8 | |
| Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.) | Power Pro | NA |
References
- Uria-Martinez, R., et al.
- Kao, S., et al. New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States. Oak Ridge National Laboratory. , (2014).
- Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane. Applied Energy. 276, 115492 (2020).
- Čada, G. lenn F. The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival. Fisheries. 26, 14-23 (2001).
- Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. E. Extent of injury and mortality arising from entrainment of fish through a Very Low Head hydropower turbine in central Ontario, Canada. Hydrobiologia. 849, 407-420 (2020).
- Deng, Z., Carlson, T. J., Duncan, J. P., Richmond, M. C., Dauble, D. D. Use of an autonomous sensor to evaluate the biological performance of the advanced turbine at Wanapum Dam. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2, 053104 (2010).
- Martinez, J. J., et al. Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine. Renewable energy. 131, 240-249 (2019).
- Zhiqun Deng,, et al. Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation. 7, 3399-3415 (2007).
- Deng, Z. D., et al. Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development. Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).
- Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids. AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).
- Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors. Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).
- Martinez, J., et al. In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region. Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).
- Heisey, P. G., Mathur, D., D'Allesandro, L. A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations. International Atomic Energy Agency. , (1993).
- Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam. Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).
- Watson, S., et al. Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine. Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).
- Al-Tabakha, M. oawia M., et al. Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules. Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).
- Hydropower Vision. U.S. Department of Energy. , https://www.energy.gov/eere/water/articles/hydropower-vision-report-full-report (2016).
- Duncan, J. oanne P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
- Trumbo, B. radly A., et al. Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery. Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).
- Pohanish, R. P. Sittig's handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , William Andrew Publishing. (2017).
- U.S. Food and Drug Administration. CFR - Code of Federal Regulations Title 21. , Available from: https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?fr=184.1033 (1994).
