Быстрое тестирование устойчивости древесины к биодеградации морскими древесными ракообразными
Summary
Этот протокол представляет собой метод оценки скорости кормления древесно-бурового ракообразного , Limnoria, путем измерения производства фекальных гранул. Этот метод предназначен для использования в неспециализированных лабораториях и имеет потенциал для включения в стандартные протоколы испытаний для оценки повышенной долговечности древесины в морских условиях.
Abstract
Древовидные беспозвоночные быстро разрушают морскую древесину и деревянную прибрежную инфраструктуру, нанося ущерб на миллиарды долларов по всему миру каждый год. Поскольку обработка древесины биоцидами широкого спектра действия, такими как креозот и хромированный арсенат меди (ОАС), в настоящее время ограничена в морском использовании законодательством, требуются естественно прочные породы древесины и новые методы сохранения древесины. Эти методы проходят испытания на соответствие нормативным стандартам, таким как европейский стандарт для тестирования консервантов древесины против морских буров, EN 275. Первоначальное исследование долговечных пород древесины или обработки древесины консервантами может быть достигнуто быстро и недорого с помощью лабораторных испытаний, которые предлагают множество преимуществ по сравнению с морскими полевыми испытаниями, которые, как правило, являются дорогостоящими, долгосрочными усилиями. Многие виды Limnoria (gribble) являются морскими древовидными ракообразными. Лимнории идеально подходят для использования в лабораторных испытаниях биодеградации древесины морскими лесорубами, благодаря практичности выращивания их в аквариумах и простоте измерения скорости их питания на древесине. Здесь мы описываем стандартизируемый лабораторный тест для оценки биодеградации древесины с использованием грибка.
Introduction
Дровосеки могут нанести значительный ущерб морским деревянным конструкциям, таким как морские оборонительные сооружения, пирсы и сооружения аквакультуры; замена или восстановление которых обходится в миллиарды долларов в год во всем мире1,2,3. Чтобы защитить эти структуры, древесину часто обрабатывают, чтобы уменьшить биодеградацию. Однако из-за ограничения использования биоцидов широкого спектра действия в Австралии, ЕС, Великобритании и США в морской среде востребованы новые методы модификации и породы древесины, которые естественным образом долговечны для бурильщиков4,5,6,7. Новые методы сохранения древесины в морской среде требуют тщательного тестирования в целях соблюдения нормативных стандартов и ограничения воздействия на окружающую среду таких опасностей, как выщелачивание любого химического консерванта. Например, европейский стандарт EN 275, который является действующим европейским стандартом с 1992 года, используется для оценки обработки древесины на предмет повреждения морской древесиной8,9. Настоящий стандарт, наряду с другими законодательными актами, запрещающими использование биоцидных соединений, таких как CCA4,5,6,7 и creosote10, требует устойчивых, нетоксичных методов защиты древесины и использования естественно прочных древесных пород для замены биоцидных обработок11,12 . Морские испытания, такие как те, которые указаны в EN 275, требуют длительных периодов воздействия и, таким образом, являются дорогостоящими и медленными для получения значимых результатов. Лабораторные испытания, однако, обеспечивают гораздо более быструю альтернативу методам испытаний древесины против нападения морских дровосек, что позволяет быстро оценить корректировки графиков обработки13. Результаты этого быстрого лабораторного эксперимента предназначены для информирования о новых процессах модификации древесины и выявления пород древесины с естественной стойкостью к повреждению. Низкая скорость кормления и жизнеспособность могут указывать на повышенную устойчивость потенциальных продуктов, и эта информация затем может быть передана партнерам по отрасли, чтобы позволить им улучшить конструкции. Наш метод позволяет гибко и быстро реагировать, что желательно в промышленности, и как только перспективные продукты были идентифицированы, результаты могут быть дополнены результатами морских испытаний.
Limnoria — род изоподовых ракообразных из семейства Limnoriidae. Существует более 60 видов Limnoria во всем мире13,14,15, с тремя распространенными видами, найденными в Великобритании: Limnoria lignorum, Limnoria tripunctata и Limnoria quadripunctata16. Они прокладывали туннели на поверхности древесины, которая погружается в морскую воду, часто нанося экономически значительный ущерб. Грибы очень распространены в прибрежных водах Великобритании и их легко поддерживать в лабораторных условиях, что делает их идеальными организмами для изучения биодеградации древесины морскими древесными беспозвоночными. Оценка скорости кормления и жизнеспособности грибков на различных породах древесины и методов сохранения древесины может определить эффективность их устойчивости к биодеградации. Следующий протокол устанавливает стандартный метод измерения скорости подачи грибка, разработанный на основе того, что описан Борхесом и его коллегами12,17, в дополнение к упрощению внедрения анализа изображений, чтобы сделать процесс работоспособным в неспециализированных лабораториях. Анализ изображений также используется для уменьшения практических ограничений ручного подсчета большого количества образцов. Долговечность при длительных морских испытаниях, согласно британскому стандарту EN350-1:1994, оценивается по отношению к заболоне Pinus sylvestris18. В краткосрочном лабораторном тестировании, представленном здесь, мы используем заболонью сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L) в качестве контроля для тестирования сердцевины пород экки (Lophira alata Banks ex C.F Gaertn), бука (Fagus sylvatica L), сладкого каштана (Castanea sativa Mill) и скипидара (Syncarpia glomulifera (Sm.) Nied). В качестве показателя долговечности использовалось среднее производство фекальных гранул и жизнеспособность среди восьми реплик на одну породу древесины. Мы предоставляем иллюстративные данные, собранные из типичной оценки, с использованием вида Limnoria quadripunctata и ряда естественно прочных пород древесины. Limnoria quadripunctata, идентифицированная ключами, предоставленными Menzies (1951), была выбрана в качестве оптимального вида для испытаний биодеградации из-за того, что она является наиболее хорошо изученным членом семейства и хорошо зарекомендовала себя в качестве модельного вида для использования в испытаниях биодеградации. Этот протокол также применим для тестирования древесины с различными обработками, хотя используемый контроль должен быть необработанными репликациями одного и того же вида.
Protocol
Representative Results
Discussion
Прежде чем выбрать образцы грибка для использования в эксперименте по кормлению, особи должны быть проверены, чтобы оценить их пригодность. Могут быть некоторые различия в скорости кормления между особями из-за различий в размерах, поэтому следует отбирать только полностью взрослые э?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Спасибо Исследовательскому совету Норвегии (Региональный фонд Осло, Alcofur rffofjor 269707) и Университету Портсмута (исследовательская стипендия факультета естественных наук) за предоставление финансирования исследований Люси Мартин. Кроме того, Жерве С. Сойеру, который предоставил древесину, используемую для получения репрезентативных результатов. Скипидар был предоставлен профессором Филиппом Эвансом из Университета Британской Колумбии.
Materials
| 12-well cell culture plates | ThermoFisher Scientific | 150200 | |
| 50ml Falcon tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| Adjustable volume pipette | Fisher Scientific | FBE10000 | 1-10 ml |
| Beech | G. Sawyer (consultant in timber technology) | Fagus sylvatica | Taxonomic authority: L |
| Ekki | G. Sawyer (consultant in timber technology) | Lophira alata | Taxonomic authority: Banks ex C. F. Gaertn. |
| Forceps | Fisher Scientific | 10098140 | |
| Incubator | LMS LTD | INC5009 | |
| Microporous specimen capsules | Electron Microscopy Sciences | 70187-20 | |
| Petri dish | Fisher Scientific | FB0875713 | |
| Scots Pine | G. Sawyer (consultant in timber technology) | Pinus sylvestris | Taxonomic authority: L. |
| Size 00000 paintbrush | Hobby Craft | 5674331001 | Size 000 or 0000 also acceptable |
| Sweet Chestnut | G. Sawyer (consultant in timber technology) | Castanea sativa | Taxonomic authority: Mill |
| Turpentine | P. Evans (Professor, Dept. Wood Science, University of British Columbia) | Syncarpia glomulifera | Taxonomic authority: (Sm.) Nied. |
| Vacuum desiccator | Fisher Scientific | 15544635 |
References
- Morrell, J. J., Kutz, M. Protection of wood-based materials. Handbook of environmental degradation of materials, 3rd ed. , 343-368 (2018).
- Distel, D. L., Goodell, B., Nicholas, D., Schultz, T. The biology of marine wood boring bivalves and their bacterial endosymbionts. Wood deterioration and preservation. , 253-271 (2003).
- Buslov, V., Scola, P. Inspection and structural evaluation of timber pier: case study. Journal of Structural Engineering. 117 (9), 2725-2741 (1991).
- Registration Eligibility Decision for Chromated Arsenicals. List A, Case No. 0132. US EPA – Office of prevention, pesticides and toxic substances Available from: https://swap.stanford.edu/20110202084/http://www.epa.gov/oppsrrd1/reregistration/REDs/cca_red.pdf (2008)
- Arsenic timber treatments (CCA and arsenic trioxide) review scope document, Review series 03.1. ISSN number 1443. Australian pesticides and veterinary medicines authority Available from: https://apvma.gov.au/sites/default/files/publication/14296-arsenic-timber-review-scope.pdf (2003)
- Commission directive 2003/2/EC of 6 January 2003 relating to restrictions on the marketing and use of arsenic (tenth adaptation to technical progress to Council Deretive 76/769/EEC). Official Journal of the European Communities Available from: https://www.legislation.gov.uk/eudr/2003/2/adopted (2003)
- The Hazardous Waste (England and Wales) Regulations 2005 No.894. Environmental Protection England and Wales Available from: https://www.legislation.gov.uk/uksi/2005/894/contents/made (2005)
- Palanti, S., Cragg, S. M., Plarre, R. Resistance against marine borers: About the revision of EN 275 and the attempt for a new laboratory standard for Limnoria. International Research Group on Wood Preservation, Document No. IRG/WP 20-20669. , (2020).
- The European Commission for Standardization. EN 275:1992. Wood preservatives- Determination of the protective effectiveness against marine wood borers. The European Commission for Standardization (CEN). , (1992).
- European Commission. Directive 98/8/EC concerning the placing of biocidal products on the market. Communication and Information Resource Centre for Administrations, Businesses and Citizens. , (2010).
- Mantanis, G. I. Chemical modification of wood by acetylation or furfurylation: A review of the present scaled-up technologies. BioResources. 12 (2), 4478-4489 (2017).
- Borges, L. M. S., Cragg, S. M., Bergot, J., Williams, J. R., Shayler, B., Sawyer, G. S. Laboratory screening of tropical hardwoods for natural resistance to the marine borer Limnoria quadripunctata: The role of leachable and non-leachable factors. Holzforschung. 62 (1), 99-111 (2008).
- Cragg, S. M., Pitman, A., Henderson, S. Developments in the understanding of the biology of marine wood boring crustaceans and in methods of controlling them. International Biodeterioration & Biodegradation. 43 (4), 197-205 (1999).
- Cookson, L. J., Vic, M. D. C. Additions to the taxonomy of the Limnoriidae. Memoirs of the Museum of Victoria. 56 (1), 129-143 (1997).
- Cookson, L. Australasian species of Limnoriidae (Crustacea: Isopoda). Memoirs of the Museum of Victoria. 52 (2), 137 (1991).
- Jones, L. T. The geographical and vertical distribution of British Limnoria [Crustacea: Isopoda]. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom. 43 (3), 589-603 (1963).
- Borges, L. M. S., Cragg, S. M., Busch, S. A laboratory assay for measuring feeding and mortality of the marine wood borer Limnoria under forced feeding conditions: A basis for a standard test method. International Biodeterioration & Biodegradation. 63 (3), 289-296 (2009).
- BSI Standards Publication. BS EN 350:2016. Durability of wood and wood-based products – Testing and classification of the durability to biological agents of wood and wood-based materials. BSI Standards Publication. , (2016).
- Menzies, R. . The phylogeny, systematics, distribution, and natural history of limnoria. , 196-208 (1951).
- Palanti, S., Feci, E., Anichini, M. Comparison between four tropical wood species for their resistance to marine borers (Teredo spp and Limnoria spp) in the Strait of Messina. International Biodeterioration & Biodegradation. 104, 472-476 (2015).
- Delgery, C. C., Cragg, S. M., Busch, S., Morgan, E. Effects of the epibiotic heterotrich ciliate Mirofolliculina limnoriae and moulting on the faecal pellet production by the wood-boring isopods Limnoria tripunctata and Limnoria quadripunctata. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 334 (2), 165-173 (2006).
- Morrell, J. J., Helsing, G. G., Graham, R. D. Marine wood maintenance manual: a guide for proper use of Douglas-fir in marine exposures. Forest Research Laboratory. , (1984).
- Slevin, C. R., Westin, M., Lande, S., Cragg, S. Laboratory and marine trials of resistance of furfurylated wood to marine borers. Eighth European Conference on Wood Modification. , 464-471 (2015).
- Westin, M., et al. Marine borer resistance of acetylated and furfurylated wood – results from up to 16 years of field exposure. International Research Group on Wood Preservation. , (2016).
- Westin, M., Rapp, A., Field Nilsson, T. Field test of resistance of modified wood to marine borers. Wood Material Science and Engineering. 1 (1), 34-38 (2006).
- Borges, L. M. S. Biodegradation of wood exposed in the marine environment: Evaluation of the hazard posed by marine wood-borers in fifteen European sites. International Biodeterioration & Biodegradation. 96 (1), 97-104 (2014).
- Treu, A., et al. Durability and protection of timber structures in marine environments in Europe: An overview. BioResources. 14 (4), 10161-10184 (2019).
- Williams, J. R., Sawyer, G. S., Cragg, S. M., Simm, J. A questionnaire survey to establish the perceptions of UK specifiers concerning the key material attributes of timber for use in marine and freshwater engineering. Journal of the Institute of Wood Science. 17 (1), 41-50 (2005).
- Purnell, P. The carbon footprint of reinforced concrete. Advances in Cement Research. 25 (6), 362-368 (2013).
- Hill, C. A. S. The environmental consequences concerning the use of timber in the built environment. Frontiers in Built Environment. 5, 129 (2019).
- Mercer, T. G., Frostick, L. E. Leaching characteristics of CCA-treated wood waste: a UK study. Science of the Total Environment. 427, 165-174 (2012).
- Brown, C. J., Eaton, R. A., Thorp, C. H. Effects of chromated copper arsenate (CCA) wood preservative on early fouling community formation. Marine Pollution Bulletin. 42 (11), 1103-1113 (2001).
- Brown, C. J., Eaton, R. A. Toxicity of chromated copper arsenate (CCA)-treated wood to non-target marine fouling communities in Langstone Harbour, Portsmouth, UK. Marine Pollution Bulletin. 42 (4), 310-318 (2001).
- Brown, C. J., Albuquerque, R. M., Cragg, S. M., Eaton, R. A. Effects of CCA (copper-chrome-arsenic) preservative treatment of wood on the settlement and recruitment of wood of barnacles and tube building polychaete worms. Biofouling. 15 (1-3), 151-164 (2000).
- Lebow, S. T., Foster, D. O., Lebow, P. K. Release of copper, chromium and arsenic from treated southern pine exposed in seawater and freshwater. Forest Products Journal. 49 (7), 80-89 (1999).
- Smith, P. T. Risk to human health and estuarine posed by pulling out creosote-treated timber on oyster farms. Aquatic Toxicology. 86 (2), 287-298 (2008).
- Brown, C. J., et al. Assessment of Effects of Chromated Copper Arsenate (CCA)-Treated Timber on Nontarget Epibiota by Investigation of Fouling Community Development at Seven European Sites. Archives of Environmental Contamination and Toxicology. 45 (1), 0037-0047 (2003).
