Användning av Chironomidae (Diptera) Utanpå Flytande PUPP exuviae som en snabb Bioassessment protokoll för vattenförekomster
Summary
Rapid bioassessment protocols using benthic macroinvertebrates are often used to monitor and assess water quality. An efficient protocol involves collections of Chironomidae surface-floating pupal exuviae (SFPE). Here, techniques for field collection, laboratory processing, slide mounting, and identification of Chironomidae SFPE are described.
Abstract
Snabba bioassessment protokoll som använder botten makroinvertebrater assemblage har med framgång använts för att bedöma mänskliga påverkan på vattenkvaliteten. Tyvärr, traditionella bentiska larver provtagnings-, såsom dip-nätet, kan vara tidskrävande och dyrt. Ett alternativt protokoll innebär insamling av Chironomidae yta flytande PUPP exuviae (SFPE). Chironomidae är en art-rik familj av flugor (Diptera) vars omogna stadier vanligtvis förekommer i akvatiska miljöer. Vuxna fjädermyggor dyker upp från vattnet, lämnar sina PUPP skinn, eller exuviae, flyter på vattenytan. Exuviae ofta samlas längs banker eller bakom hinder genom påverkan av vind eller strömmande vattnet, där de kan samlas in för att bedöma Chironomid mångfald och rikedom. Fjädermyggor kan användas som viktiga biologiska indikatorer, eftersom vissa arter är mer toleranta mot föroreningar än andra. Därför relativa förekomst och artsammansättning av insamlade SFPE återspeglarförändringar i vattenkvaliteten. Här är metoder som är förknippade med fält insamling, laboratoriebearbetning, montering på objektglas, och identifiering av Chironomid SFPE beskrivas i detalj. Fördelar med SFPE metoden inkluderar minimal störning vid ett provtagningsområdet, effektivt och ekonomiskt provsamling och laboratorie bearbetning, att underlätta identifiering, tillämplighet i nästan alla vattenmiljöer, och en potentiellt mer känsligt mått på ekosystem stress. Begränsningar omfattar oförmågan att bestämma larv microhabitat användning och oförmåga att identifiera PUPP exuviae arter om de inte har satts i samband med vuxna män.
Introduction
Biologiska övervakningsprogrammen, som använder levande organismer att utvärdera miljö och hälsa, används ofta för att bedöma vattenkvaliteten eller övervaka framgång för program ekosystem restaurering. Snabba bioassessment protokoll (RBP) med hjälp av bottenlevande makroinvertebrater assemblage har varit populära bland statliga vattenresursbyråer sedan 1989 1. Traditionella metoder för provtagning bentiska macroinvertebrates för RBP-anordningama, såsom dip-net, Surber sampler och Hess sampler 2, kan vara tids krävande, dyrt, och kan bara mäta assemblage från en viss microhabitat 3. En effektiv, alternativt RBP för generering av biologisk information om en viss vattenförekomst innebär insamling av Chironomidae yta flytande PUPP exuviae (SFPE) 3.
Den Chironomidae (Insecta: Diptera), allmänt känd som icke-bitande knott, är holometabolous flugor som vanligtvis förekommer i vattenmiljöer innan framstår som vuxna 60, på vattenytan. Den Chironomid familj är rik på arter, med cirka 5.000 arter beskrivna världen; dock så många som 20.000 arter som bedöms vara 4. Fjädermyggor är användbara i att dokumentera vatten och habitatkvalitet i många akvatiska ekosystem på grund av deras höga mångfald och varierande toleransföroreningsnivåer 5. Dessutom är de ofta den mest förekommande och utbredda botten macroinvertebrates i akvatiska system, typiskt svarar för 50% eller mer av de arter som i samhället 5,6. Efter uppkomsten av mark vuxen, PUPP exuviae (kasta PUPP hud) är fortfarande flyter på vattenytan (Figur 1). Pupal exuviae ansamlas längs banker eller bakom hinder genom inverkan av vind eller strömmande vattnet och kan enkelt och snabbt samlas in för att ge en heltäckande urval av Chironomid arter som har framkommit under den föregående 24-48 timmar 7.
ntent "> Den relativa överflöd och taxonomisk sammansättning insamlade SFPE speglar vattenkvalitet, med tanke på att vissa arter är mycket föroreningar tolerant, medan andra är ganska känsliga 5 SFPE metod har många fördelar jämfört med traditionella larv Chironomid urvalsmetoder inklusive:. (1) minimal Eventuella sker livsmiljö störning vid ett provtagningsområdet, (2) prover inte fokusera på att samla in levande organismer, utan snarare icke-levande hud, så banan för samhällsdynamiken påverkas inte, (3) identifiering genus, och ofta arter är relativt lätt med tanke lämpliga nycklar och beskrivningar 3, (4) insamling, bearbetning, och identifiera prover är effektivt och ekonomiskt i jämförelse med traditionella provtagningsmetoder 3,8,9, (5) ackumulerade exuviae representerar taxa som har sitt ursprung från ett brett spektrum av mikrohabitat 10, (6) metoden är tillämpbar i nästan alla vattenmiljöer, inklusive bäckar och floder, flodmynningar, lakes, dammar, pooler rock och våtmarker; och (7) SFPE kanske vara en mer känslig indikator på ekosystemens hälsa eftersom de representerar individer som har fullgjort alla omogna stadier och framgångsrikt uppstått som vuxna 11.Den SFPE Metoden är inte en ny metod för att samla in information om Chironomid samhällen. Användning av SFPE föreslogs först av Thienemann 12 i början av 1900-talet. En mängd olika studier har använt SFPE för taxonomiska undersökningar (t.ex. 13-15), biologisk mångfald och ekologiska studier (t.ex. 7,16-19), och biologiska bedömningar (t.ex. 20-22). Dessutom har vissa studier behandlas olika aspekter av urvalsdesign, urvalsstorlek och antal prov händelser som krävs för att uppnå olika bevakningsnivåer av arter eller släkten (t.ex. 8,9,23). Dessa studier tyder på att en relativt hög andel av arter eller släkten kan detekteras med måttlig effort eller kostnader i samband med provbearbetning. Till exempel, Anderson och Ferrington 8 konstaterat att baseras på en 100-count delprov, var 1/3: e mindre tid som krävs för att plocka SFPE prover jämfört med doppa-net prover. En annan studie konstaterat att 3-4 SFPE prover kan sorteras och identifieras för varje doppnettourval och att SFPE proverna var mer effektiv än dip-net prover på att upptäcka arter som artrikedom ökade 3. Till exempel, på platser med artrikedom värden på 15-16 arter, den genomsnittliga dip-net Effektiviteten var 45,7%, medan SFPE prover var 97,8% effektiv 3.
Viktigt har SFPE metoden standardiserats i Europeiska unionen 24 (känd som Chironomid PUPP exuviae teknik (CPET)) och Nordamerika 25 för ekologisk bedömning, men metoden har inte beskrivits i detalj. En tillämpning av SFPE metod beskrevs av Ferrington et al. <supp> 3; var dock det primära målet för denna studie för att utvärdera effektiviteten, effektivitet och ekonomi SFPE metoden. Syftet med detta arbete är att beskriva alla steg i SFPE metoden i detalj, inklusive provtagning, laboratorie bearbetning, montering på objektglas, och genus identifiering. Målgruppen omfattar doktorander, forskare och yrkesverksamma intresserade av att expandera traditionella övervaknings vattenkvalitet insatser i sina studier.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiska stegen för en framgångsrik SFPE provtagning, plocka, sortering, montering på objektglas, och identifiering är: (1) lokalisera områden med hög SFPE ackumulation inom det studerade området under fält samling (Figur 2A); (2) långsamt scanning av innehållet i petriskålen för detektering av alla SFPE under provplockning; (3) utveckla nödvändig fingerfärdighet för att dissekera cephalothorax från buken under montering på objektglas (Figur 4A); och (4) Erkän…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiering för att komponera och publicera detta dokument tillhandahölls genom flera bidrag och kontrakt till Chironomidae Research Group (LC Ferrington, Jr., PI) vid institutionen för entomologi vid University of Minnesota. Tack vare Nathan Roberts för att dela fält fotografier som används som siffror i videon associerad med detta manuskript.
Materials
| Ethanol | Fisher Scientific | S25309B | 70-95% |
| Plastic wash bottles | Fisher Scientific | 0340923B | |
| Sample jar | Fisher Scientific | 0333510B | Glass or plastic, 60-mL recommended |
| Testing sieve | Advantech | 120SS12F | 125-micron mesh size |
| Larval tray | BioQuip | 5524 | White |
| Stereo microscope | |||
| Glass shell vials | Fisher Scientific | 0333926B | 1-dram size |
| Plastic dropper | Thermo Scientific | 1371110 | 30 to 35 drops/mL |
| Fine forceps | BioQuip | 4524 | #5 |
| Petri dish | Carolina | 741158 | Glass or plastic |
| Multi-well plate | Thermo Scientific | 144530 | Glass or plastic |
| Glass microslides | Thermo Scientific | 3010002 | 3 x 1 in. |
| Glass cover slips | Thermo Scientific | 12-519-21G | Circular or square |
| Euparal mounting medium | BioQuip | 6372B | |
| Pigma pen | BioQuip | 1154F | Black |
| Probe | BioQuip | 4751 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark Professional™ | 34120 |
References
- Southerland, M. T., Stribling, J. B., Davis, W. S., Simon, T. P. . Biological Assessment and Criteria: Tools for Water Resource Planning and Decision Making. , 81-96 (1995).
- Merritt, R. W., Cummins, K. W., Resh, V. H., Batzer, D. P., Merritt, R. W., Cummins, K. W., Berg, M. B. . An Introduction to the Aquatic Insects of North America. , 15-37 (2008).
- Ferrington, L. C., et al. . Sediment and Stream Water Quality in a Changing Environment: Trends and Explanation. , 181-190 (1991).
- Ferrington, L. C., Balian, E. V., Lévêque, C., Segers, H., Martens, K. . Freshwater Animal Diversity Assessment in Hydrobiology. , 447-455 (2008).
- Ferrington, L. C., Berg, M. B., Coffman, W. P., Merritt, R. W., Cummins, K. W., Berg, M. B. . An Introduction to the Aquatic Insects of North America. , 847-989 (2008).
- Armitage, P. D., Cranston, P. S., Pinder, L. C. V. . The Chironomidae: Biology and Ecology of Non-Biting Midges. 572, (1995).
- Coffman, W. P. Energy Flow in a Woodland Stream Ecosystem: II. The Taxonomic Composition of the Chironomidae as Determined by the Collection of Pupal Exuviae. Archiv fur Hydrobiologie. 71, 281-322 (1973).
- Anderson, A. M., Ferrington, L. C., Ekrem, T., Stur, E., Aagaard, K. . Proceedings of 18th International Symposium on Chironomidae on Fauna norvegica. 31, (2011).
- Bouchard, R. W., Ferrington, L. C. The Effects of Subsampling and Sampling Frequency on the Use of Surface-Floating Pupal Exuviae to Measure Chironomidae (Diptera) Communities in Wadeable Temperate Streams. Environmental Monitoring and Assessment. 181, 205-223 (2011).
- Wilson, R. S. Monitoring the Effect of Sewage Effluent on the Oxford Canal Using Chironomid Pupal Exuviae. Water and Environment Journal. 8, 171-182 (1994).
- Wentsel, R., McIntosh, A., McCafferty, W. P. Emergence of the Midge Chironomus tentans when Exposed to Heavy Metal Contaminated Sediment. Hydrobiologia. 57, 195-196 (1978).
- Thienemann, A. Das Sammeln von Puppenhäuten der Chironomiden. Eine Bitte um Mitarbeit. Archiv fur Hydrobiologie. 6, 213-214 (1910).
- Anderson, A. M., Kranzfelder, P., Egan, A. T., Ferrington, L. C. Survey of Neotropical Chironomidae (Diptera) on San Salvador Island, Bahamas. Florida Entomologist. 97, 304-308 (2014).
- Coffman, W. P., de la Rosa, C. Taxonomic Composition and Temporal Organization of Tropical and Temperate Assemblages of Lotic Chironomidae. Journal of the Kansas Entomological Society. 71, 388-406 (1998).
- Brundin, L. Transantarctic Relationships and their Significance, as Evidenced by Chironomid Midges. With a Monograph of the Subfamilies Podonominae and Aphroteniinae and the Austral Heptagyiae. Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar. 11, 1-472 (1966).
- Anderson, A. M., Ferrington, L. C. Resistance and Resilience of Winter-Emerging Chironomidae (Diptera) to a Flood Event: Implications for Minnesota Trout Streams. Hydrobiologia. 707, 59-71 (2012).
- Ferrington, L. C., Anderson, T. . Contributions to the Systematics and Ecology of Aquatic Diptera-A Tribute to Ole A. Saether. , 99-105 (2007).
- Bouchard, R. W., Ferrington, L. C. Winter Growth, Development, and Emergence of Diamesa mendotae (Diptera: Chironomidae) in Minnesota Streams. Environmental Entomology. 38, 250-259 (2009).
- Hardwick, R. A., Cooper, P. D., Cranston, P. S., Humphrey, C. L., Dostine, P. L. Spatial and Temporal Distribution Pattens of Drifting Pupal Exuviae of Chironomidae (Diptera) in Streams of Tropical Northern Australia. . Freshwater Biology. 34, 569-578 (1995).
- Wilson, R. S., Bright, P. L. The Use of Chironomid Pupal Exuviae for Characterizing Streams. Freshwater Biology. 3, 283-302 (1973).
- Raunio, J., Paavola, R., Muotka, T. Effects of Emergence Phenology, Taxa Tolerances and Taxonomic Resolution on the Use of the Chironomid Pupal Exuvial Technique in River Biomonitoring. Freshwater Biology. 52, 165-176 (2007).
- Ruse, L. Lake Acidification Assessed using Chironomid Pupal Exuviae. Fundamental and Applied Limnology. 178, 267-286 (2011).
- Rufer, M. R., Ferrington, L. C. Sampling Frequency Required for Chironomid Community Resolution in Urban Lakes with Contrasting Trophic States. Boletim do Museu Municipal do Funchal (História Natural) Supplement. 13, 77-84 (2008).
- . . CEN. 15196, 1-13 (2006).
- Ferrington, L. C. Collection and Identification of Surface Floating Pupal Exuviae of Chironomidae for Use in Studies of Surface Water Quality. Standard Operating Procedure No. FW 130A. , (1987).
- Saither, O. A. Glossary of Chironomid Morphology Terminology (Chironomidae Diptera). Entomologica Scandinavica Supplement. 14, 51 (1980).
- Pinder, L. C. V., Reiss, F., Wiederholm, T. . Chironomidae of the Holarctic region. Keys and Diagnoses Part 2. Pupa. 28, 299-456 (1986).
- Wiederholm, T. . Chironomidae of the Holarctic region – Keys and Diagnoses, Part 2, Pupae. 28, (1989).
- Merritt, R. W., Webb, D. W. . An Introduction to the Aquatic Insects of North America. , (2008).
- Wilson, R. S., Ruse, L. P., Sutcliffe, D. W. . A Guide to the Identification of Genera of Chironomid Pupal Exuviae Occurring in Britain and Ireland (including Common Genera from Northern Europe) and Their Use in Monitoring Lotic and Lentic Fresh Waters. , (2005).
- Egan, A. T. . Communities in Freshwater Coastal Rock Pools of Lake Superior, with a Focus on Chironomidae (Diptera). , (2014).
- Raunio, J., Heino, J., Paasivirta, L. Non-Biting Midges in Biodiversity Conservation and Environmental Assessment: Findings from Boreal Freshwater Ecosystems. Ecological Indicators. 11, 1057-1064 (2011).
- Kavanaugh, R. G., Egan, A. T., Ferrington, L. C. Factors affecting decomposition rates of chironomid (Diptera) pupal exuviae. Chironomus: Newsletter on Chironomidae Research. 27, 16-24 (2014).
- Anderson, A. M., Stur, E., Ekrem, T. Molecular and Morphological Methods Reveal Cryptic Diversity and Three New Species of Nearctic Micropsectra (Diptera: Chironomidae). Freshwater Science. 32, 892-921 (2013).
- Ekrem, T., Willassen, E. Exploring Tanytarsini Relationships (Diptera: Chironomidae) using Mitochondrial COII Gene Sequences. Insect Systematics & Evolution. 35, 263-276 (2004).
- Ekrem, T., Willassen, E., Stur, E. A Comprehensive DNA Sequence Library is Essential for Identification with DNA Barcodes. Molecular Phylogenetics and Evolution. 43, 530-542 (2007).
