Snabb testning av virkes motståndskraft mot biologisk nedbrytning av marina träuppborrningsskorpor
Summary
Detta protokoll presenterar en metod för att bedöma utfodringshastigheten för träuppborrningskräftan, Limnoria, genom att mäta fekal pelletsproduktion. Denna metod är utformad för användning i icke-specialiserade laboratorier och har potential att införlivas i standardtestprotokoll, för att utvärdera förbättrad träbeständighet under marina förhållanden.
Abstract
Träuppborrningslösa ryggradslösa djur förstör snabbt marint timmer och kustinfrastruktur i trä, vilket orsakar skador för miljarder dollar runt om i världen varje år. Eftersom behandlingar av trä med bredspektrumbiocider, såsom kreosot och kromaterat koppararsenat (CCA), nu begränsas i marin användning enligt lagstiftning krävs naturligt hållbara träslag och nya konserveringsmetoder för trä. Dessa metoder testas för att uppfylla lagstadgade standarder, såsom den europeiska standarden för testning av träskyddsmedel mot marina borrare, EN 275. Inledande undersökning av hållbara träslag eller träskyddsbehandlingar kan uppnås snabbt och billigt genom laboratorietester, vilket erbjuder många fördelar jämfört med marina fältförsök som vanligtvis är kostsamma, långsiktiga ansträngningar. Många arter av Limnoria (gribble) är marina träuppborrningsdjur. Limnoria är idealiska för användning i laboratorietester av biologisk nedbrytning av trä av marina träborrare, på grund av det praktiska i att föda upp dem i akvarier och hur lätt det är att mäta deras utfodringshastigheter på trä. Häri beskriver vi ett standardiserat laboratorietest för bedömning av biologisk nedbrytning av trä med hjälp av gribble.
Introduction
Träborrar kan orsaka omfattande skador på marina träkonstruktioner, såsom havsförsvar, bryggor och vattenbruksstrukturer. ersättning eller restaurering av vilken kostar miljarder dollar per år över hela världen1,2,3. För att skydda dessa konstruktioner behandlas timmer ofta för att minska biologisk nedbrytning. På grund av begränsningen av användningen av bredspektrumbiocider i Australien, EU, Storbritannien och USA, i den marina miljön, är nya modifieringstekniker och träslag som är naturligt hållbara för borers eftertraktade4,5,6,7. Nya tekniker för att bevara trä i den marina miljön kräver noggranna tester för att uppfylla lagstadgade standarder och begränsa miljöpåverkan från faror som utlakning av alla kemiska konserveringsmedel. Till exempel används den europeiska standarden EN 275, som är den nuvarande europeiska standarden från 1992, för att utvärdera träbevarande behandlingar mot skador på marina träborrar8,9. Denna standard, tillsammans med annan lagstiftning mot användning av biocidföreningar, såsom CCA4,5,6,7 och kreosot10, kräver hållbara, giftfria metoder för träskydd och användning av naturligt hållbara träslag för att ersätta biocidbehandlingar11,12 . Marina försök, såsom de som anges i EN 275, kräver långa exponeringsperioder och är därför dyra och långsamma för att ge meningsfulla resultat. Laboratorietester är dock ett mycket snabbare alternativ till testmetoder för att bevara trävaror mot angrepp av marina träborrar, vilket möjliggör en snabb utvärdering av justeringar av behandlingsscheman13. Resultaten från detta snabba laboratorieexperiment är utformade för att informera nya modifieringsprocesser av trä och för att identifiera träslag med naturlig hållbarhet för borrskador. En låg matningshastighet och vitalitet kan indikera ökat motstånd i potentiella produkter och denna information kan sedan matas tillbaka till branschpartners så att de kan förbättra designen. Vår metod möjliggör en smidig och snabb respons, vilket är önskvärt inom industrin, och när lovande produkter har identifierats kan resultaten kompletteras med resultaten från marina försök.
Gribbles (Limnoria) är ett släkte av isopod kräftdjur i familjen Limnoriidae. Det finns över 60 arter av Limnoria över hela världen13,14,15, med tre vanliga arter som finns i Storbritannien, Limnoria lignorum, Limnoria tripunctata och Limnoria quadripunctata16. De borrade tunnlar på ytan av trä som är nedsänkt i havsvatten, vilket ofta orsakar ekonomiskt betydande skador. Gribbles är mycket rikliga i brittiska kustvatten och är lätta att underhålla under laboratorieförhållanden, vilket gör dem till idealiska organismer för studier av tränedskränkning av marina träuppborrningsstörtverk. Utvärdering av utfodringshastigheter och vitalitet av gribbles på olika träslag och träbevarande metoder kan bestämma effektiviteten av deras motståndskraft mot biologisk nedbrytning. I följande protokoll fastställs en standardmetod för mätning av gribblematningshastigheter, utvecklad från den som beskrivs av Borges och kollegor12,17, förutom att effektivisera införandet av bildanalys för att göra processen fungerande i icke-specialiserade laboratorier. Bildanalys används också för att minska de praktiska begränsningarna för att manuellt räkna ett stort antal prover. Hållbarhet i långsiktiga marina tester, enligt den brittiska standarden EN350-1:1994, graderas med hänvisning till Pinus sylvestris sapwood18. I de kortsiktiga laboratorietester som presenteras här använder vi skotsk tall (Pinus sylvestris L) sapwood som en kontroll för att testa kärnved av arten ekki (Lophira alata Banks ex C.F Gaertn), bok (Fagus sylvatica L), söt kastanj (Castanea sativa Mill) och terpentin (Syncarpia glomulifera (Sm.) Nied). Genomsnittlig produktion och vitalitet av fekal pellet bland åtta replikat per träslag användes som en indikator på hållbarhet. Vi tillhandahåller illustrativa data som samlats in från en typisk utvärdering, med hjälp av gribblearten Limnoria quadripunctata och en rad naturligt hållbara träslag. Limnoria quadripunctata, som identifieras av de nycklar som Menzies (1951) tillhandahöll, valdes som den optimala arten för biologisk nedbrytningsförsök på grund av att det är den mest välstuderade medlemmen i familjen och är väletablerad som en modellart för användning i biologiska försök. Detta protokoll är också tillämpligt för att testa skogar av olika behandlingar även om den kontroll som används bör vara obehandlade replikationer av samma art.
Protocol
Representative Results
Discussion
Innan du väljer gribbleprover som ska användas i utfodringsexperimentet bör individer screenas för att bedöma deras lämplighet. Det kan finnas en viss variation i utfodringshastigheten mellan individer på grund av skillnader i storlek, så endast fullvuxna vuxna exemplar bör väljas. Ingen signifikant skillnad mellan utfodringshastigheten hos individer mellan 1,5 mm och 3 mm längd upptäcktes av Borges m.fl., 200917. Kvinnlig Limnoria grubblar sina ägg, under vilken tid har en …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Tack till Norges forskningsråd (Oslo Regional Fund, Alcofur rffofjor 269707) och University of Portsmouth (Faculty of Science PhD research bursary) för att ha tillhandahållit finansiering för studierna av Lucy Martin. Dessutom till Gervais S. Sawyer som tillhandahöll träet som användes för att generera de representativa resultaten. Turpentin tillhandahölls av prof. Philip Evans vid 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).
