Hurtig testning af træs modstandsdygtighed over for bionedbrydning af marine træborende krebsdyr
Summary
Denne protokol præsenterer en metode til vurdering af fodringshastigheden for den træborende krebsdyr Limnoria ved at måle fækal pelletproduktion. Denne metode er designet til brug i ikke-specialiserede laboratorier og har potentiale til inkorporering i standard test protokoller, til at evaluere forbedret træ holdbarhed under marine forhold.
Abstract
Træborende hvirvelløse dyr ødelægger hurtigt skibstræ og trækystinfrastruktur og forårsager skader for milliarder af dollars rundt om i verden hvert år. Da behandlinger af træ med bredspektrede biocider, såsom creosot og kromateret kobberarsenat (CCA), nu er begrænset i havbrug ved lovgivning, er der behov for naturligt holdbare træarter og nye konserveringsmetoder for træ. Disse metoder underkastes test for at opfylde lovgivningsmæssige standarder, såsom den europæiske standard for afprøvning af træbeskyttelsesmidler mod havborere, EN 275. Indledende undersøgelse af holdbare træarter eller træbeskyttelsesbehandlinger kan opnås hurtigt og billigt gennem laboratorieundersøgelser, hvilket giver mange fordele i forhold til forsøg med havfelt, der typisk er dyre, langsigtede bestræbelser. Mange arter af Limnoria (gribble) er marine træ-kedelige krebsdyr. Limnoria er ideelle til brug i laboratorieundersøgelser af bionedbrydning af træ af marine træborere på grund af det praktiske i at opdrætte dem i akvarier og den nemme at måle deres fodringshastigheder på træ. Heri skitserer vi en standardiserbar laboratorietest til vurdering af trænedbrydning ved hjælp af gribble.
Introduction
Træborere kan forårsage omfattende skader på marine trækonstruktioner, såsom havforsvar, moler og akvakulturstrukturer; udskiftning eller restaurering, som koster milliarder af dollars om året på verdensplan1,2,3. For at beskytte disse strukturer behandles træ ofte for at reducere bionedbrydningen. På grund af begrænsningen af brugen af bredspektrede biocider i Australien, EU, DET FORENEDE KONGERIGE og USA i havmiljøet søges der imidlertid nye modifikationsteknikker og træarter, der er naturligt holdbare for borerne, efter 4,5,6,7. Nye teknikker til bevarelse af træ i havmiljøet kræver grundige undersøgelser for at opfylde de lovgivningsmæssige standarder og begrænse miljøpåvirkninger fra farer såsom udvaskning af kemisk konserveringsmiddel. F.eks. anvendes den europæiske standard, EN 275, som er den nuværende europæiske standard fra 1992, til at evaluere træbevarelsesbehandlinger mod skader på havtræsbor8,9. Denne standard kræver sammen med andre lovgivninger mod anvendelse af biocidholdige forbindelser, såsom CCA4, 5,6,7 og creosot10, bæredygtige, ikke-giftige metoder til træbeskyttelse og anvendelse af naturligt holdbare træarter til erstatning for biocidholdige behandlinger11,12 . Marineforsøg, som dem, der er angivet i EN 275, kræver lange eksponeringsperioder og er derfor dyre og langsomme til at give meningsfulde resultater. Laboratorieundersøgelser er imidlertid et meget hurtigere alternativ til testmetoder til konservering af træprodukter mod angreb fra marine træborer, hvilket muliggør en hurtig evaluering af justeringer af behandlingsplaner13. Resultaterne fra dette hurtige laboratorieforsøg er designet til at informere nye modifikationsprocesser af træ og til at identificere træarter med naturlig holdbarhed til borerskader. En lav fodringshastighed og vitalitet kan indikere øget modstand i potentielle produkter, og disse oplysninger kan derefter føres tilbage til industripartnere for at give dem mulighed for at forbedre design. Vores metode giver mulighed for en adræt og hurtig reaktion, der er ønskelig i industrien, og når lovende produkter er blevet identificeret, kan resultaterne suppleres med resultaterne fra marine forsøg.
Gribbles (Limnoria) er en slægt af isopod krebsdyr i familien Limnoriidae. Der er over 60 arter af Limnoria på verdensplan13,14,15, med tre almindelige arter findes i Storbritannien, Limnoria lignorum, Limnoria tripunctata og Limnoria quadripunctata16. De bar tunneler på overfladen af træ, der er nedsænket i havvand, ofte forårsager økonomisk betydelig skade. Gribbles er meget rigelige i kystnære britiske farvande og er nemme at vedligeholde under laboratorieforhold, hvilket gør dem ideelle organismer til undersøgelse af trænedbrydning af marine træborende hvirvelløse dyr. En vurdering af foderprocenten og gribbles’ levedygtighed på forskellige træarter og træbevarelsesmetoder kan bestemme effekten af deres modstandsdygtighed over for bionedbrydning. Følgende protokol indeholder en standardmetode til måling af gribble fodringshastigheder, der er udviklet ud fra den, der er beskrevet af Borges og kolleger12,17, ud over at strømline indførelsen af billedanalyse for at gøre processen anvendelig i ikke-specialiserede laboratorier. Billedanalyse bruges også til at reducere de praktiske begrænsninger ved manuelt at tælle et stort antal prøver. Holdbarhed i langsigtede marine test, i henhold til den britiske Standard EN350-1:1994, er klassificeret med henvisning til Pinus sylvestris sapwood18. I den kortsigtede laboratorieundersøgelse, der præsenteres her, bruger vi skotsk fyr (Pinus sylvestris L) sapwood som en kontrol til at teste kernetræ af arten ekki (Lophira alata Banks ex C.F Gaertn), bøg (Fagus sylvatica L), sød kastanje (Castanea sativa Mill) og terpentin (Syncarpia glomulifera (Sm.) Nied). Gennemsnitlig fækal pelletproduktion og vitalitet blandt otte gentagelser pr. træart blev brugt som indikator for holdbarhed. Vi leverer illustrative data indsamlet fra en typisk evaluering ved hjælp af gribble art Limnoria quadripunctata og en række naturligt holdbare træarter. Limnoria quadripunctata, identificeret ved nøglerne fra Menzies (1951), blev valgt som den optimale art til bionedbrydningsforsøg på grund af det faktum, at det er det mest veloplærte medlem af familien og er veletableret som en modelart til brug i bionedbrydningsforsøg. Denne protokol gælder også for afprøvning af træsorter af forskellige behandlinger, selv om den anvendte kontrol bør være ubehandlede replikationer af samme art.
Protocol
Representative Results
Discussion
Før der vælges gribble-prøver, der skal anvendes i fodringsforsøget, skal enkeltpersoner screenes for at vurdere deres egnethed. Der kan være en vis variation i fodringshastigheden mellem individer på grund af forskelle i størrelse, så der bør kun vælges fuldvoksne voksne prøver. Borges et al., 200917, opdagede ingen signifikant forskel mellem fodringshastigheden for individer mellem 1,5 mm og 3 mm længde. Kvindelige Limnoria ruger deres æg, i hvilken tid har en reduceret fo…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Tak til Norges Forskningsråd (Oslo Regional Fund, Alcofur rffofjor 269707) og University of Portsmouth (Det Naturvidenskabelige Fakultets ph.d.-forskningsstipensar) for at yde støtte til Lucy Martins studier. Også til Gervais S. Sawyer, der leverede det træ, der blev brugt til at generere de repræsentative resultater. Terpentin blev leveret af prof. Philip Evans fra University of British Columbia.
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).
