A Strain Gauge Monitor (SGM) for Continuous Valve Gape Measurements in Bivalve Molluscs in Response to Laboratory Induced Diel-cycling Hypoxia and pH

Elka T Porter; Frederick S Porter

doi:10.3791/57404

JoVE Journal > Environment

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Ambiente

प्रयोगशाला प्रेरित Diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया और पीएच के जवाब में Bivalve मोलस्क में सतत वाल्व खोलना माप के लिए एक तनाव गेज मॉनिटर (SGM)

Published: August 01, 2018

doi:

10.3791/57404

Elka T Porter, Frederick S Porter

¹Yale Gordon College of Arts & Sciences,University of Baltimore, ²Goddard Space Flight Center,NASA

Summary

bivalve निलंबन के व्यवहार प्रतिक्रियाओं को समझना पर्यावरण चर के लिए भक्षण, इस तरह के ऑक्सीजन भंग के रूप में, कुछ पारिस्थितिकी तंत्र प्रक्रियाओं की व्याख्या कर सकते हैं । हम एक सस्ती विकसित की है, प्रयोगशाला आधारित, तनाव गेज मॉनिटर (SGM) कस्तूरी, Crassostrea virginica, diel साइकिल चालन हाइपोक्सिया और चक्रीय पीएच के लिए वाल्व खोलना प्रतिक्रियाओं को मापने के लिए ।

Abstract

एक सस्ती, प्रयोगशाला आधारित, तनाव गेज वाल्व खोलना मॉनिटर (SGM) diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया के जवाब में bivalve मोलस्क के वाल्व खोलना व्यवहार पर नजर रखने के लिए विकसित किया गया था । एक ह्वीटस्टोन पुल तनाव गेज से जुड़ा हुआ था जो कस्तूरी (Crassostrea virginica) के गोले से जुड़ी हुई थी । रिकॉर्ड खोलने और bivalves के समापन के लिए अनुमति दी लगातार दो दिन की अवधि के प्रयोग पर दर्ज किया जाना प्रेरित diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया और diel-पीएच में साइकिल चालन परिवर्तन । यहां, हम एक सस्ती तनाव गेज की निगरानी के विकास के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन और वर्णन, एक उदाहरण प्रयोगशाला प्रयोग में, हम कैसे यह पूर्वी कस्तूरी (सी virginica) के वाल्व खोलना व्यवहार को मापने के लिए इस्तेमाल किया, के जवाब में diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया और पीएच में चक्रीय परिवर्तन । वाल्व की दूरी पर मापा गया था कस्तूरी चक्रीय गंभीर hypoxic के अधीन (०.६ mg/l) के साथ और पीएच में चक्रीय परिवर्तन के बिना ऑक्सीजन शर्तों भंग, चक्रीय हल्के hypoxic (१.७ mg/l) शर्तों और normoxic (७.३ mg/l) शर्तों. हम यह है कि जब कस्तूरी दोहराया diel चक्र मुठभेड़ का प्रदर्शन, वे तेजी से गंभीर हाइपोक्सिया के जवाब में अपने गोले बंद और हल्के हाइपोक्सिया के लिए एक समय अंतराल के साथ बंद । जब normoxia को बहाल किया जाता है, वे तेजी से फिर से खुला । कस्तूरी diel सायक्लिंग गंभीर हाइपोक्सिया पर चक्रीय पीएच शर्तों आरोपित का जवाब नहीं था । कम ऑक्सीजन की स्थिति में, एक तिहाई से अधिक कस्तूरी एक साथ बंद कर दिया । हम प्रदर्शित करते है कि कस्तूरा diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया, जो bivalves के व्यवहार का आकलन जब ऑक्सीजन भंग करने के लिए विचार किया जाना चाहिए का जवाब । वाल्व SGM भंग ऑक्सीजन या दूषित पदार्थों में परिवर्तन करने के लिए bivalve मोलस्क की प्रतिक्रियाओं का आकलन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । तकनीक सील बेहतर करने के लिए सील वाल्व खोलना समुद्र के पानी से तनाव गेज सेंसरों की दीर्घायु को बढ़ाने के लिए आगे सुधार की जरूरत है ।

Introduction

हाइपोक्सिया, यानी, ऑक्सीजन सांद्रता भंग [क्या] पर्याप्त रूप से नकारात्मक जैविक और पारिस्थितिक प्रक्रियाओं को प्रभावित करने के लिए, लेकिन अक्सर कार्यात्मक रूप [के रूप में परिभाषित] < 2 mg/l¹, और anoxia (कार्य के रूप में परिभाषित [do] के 0.0-0.2 mg/l) अधिक बार और गंभीर रूप से उत्पंन कर रहे है दुनिया के तटीय जल, ज्वारनदमुख और गहरे महासागर में²^,³ और अक्सर eutrophication⁴^,⁵बढ़ाने से बढ़ा रहे हैं । हाइपोक्सिया और anoxia के एक बढ़ती आरईएल सीमा के साथ, macrofauna नकारात्मक प्रभाव और निवास सीमा और आवास की गुणवत्ता खो रहे हैं । जलवायु परिवर्तन हाइपोक्सिया और anoxia⁶खराब करने की भविष्यवाणी की है ।

कई स्तरीकृत में, पोषक तत्वों से समृद्ध ज्वारनदमुख जैसे Chesapeake खाड़ी, संयुक्त राज्य अमरीका, मौसम लगातार हाइपोक्सिया प्रबल कर सकते है और वर्ष के बाद साल²हो सकता है । इसके अलावा, हाइपोक्सिया के diel-सायक्लिंग ज्वारनदमुख में Chesapeake खाड़ी और अंय स्थानों के रूप में लगातार है और देर रात या गर्मियों में सुबह घंटे के दौरान⁷^,⁸है ।

अधिकांश अध्ययनों से कम करने के लिए जीवों के निरंतर जोखिम के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित किया है [DO] और हाइपोक्सिया और anoxia के लिए उनकी सहिष्णुता पर⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. इसके अलावा, अध्ययन प्रजातियों के वितरण, बहुतायत में बड़े पैमाने पर बदलाव को देखा है, और प्रजातियों के लिए विस्तारित कम के जवाब में संरचना []⁴^,¹⁵। अक्सर प्रजातियों कि बहुत कम करने के लिए संवेदनशील है [DO], जनता में मर जाते हैं,¹⁶ एक छोटी, छोटे आकार, लघु के रूप में रहने वाले जीव के लिए शेष प्रजातियों स्थानांतरण, उदाहरण के लिए, लुइसियाना पर पाया-टेक्सास शेल्फ पारिस्थितिकी तंत्र⁴।

व्यवहार परिवर्तन आम तौर पर समुदाय पतन से पहले¹⁷ और अध्ययन जीवों की व्यवहार प्रतिक्रियाओं पर सूचित किया है कम करने के लिए बढ़ाया [DO]⁴^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹ ^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵। इन अध्ययनों से, तथापि, जीवों की प्रतिक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित नहीं करने के लिए diel-हाइपोक्सिया के सायक्लिंग जोखिम और के अस्थिर प्रकृति [do] ज्वारनदमुख में उपलब्धता.

Diel-साइकिलिंग हाइपोक्सिया उथले ज्वारनदमुख में अध्ययन की निगरानी के रूप में बढ़ती जागरूकता प्राप्त किया है [क्या]¹⁶ज्वारनदमुख^,²⁶में sondes के साथ दिन के पाठ्यक्रम पर अधिक बार । पानी रात के अंत में घंटे के लिए hypoxic रह सकता है या गर्मियों में सुबह घंटे जब वहां कोई ऑक्सीजन पैदा कर रहा है रात के दौरान प्रकाश संश्लेषण लेकिन उच्च ऑक्सीजन लेने वाली एरोबिक श्वसन⁷^,¹⁶। यह भी पाया गया कि ज्वार की सबसे चरम minima के साथ कम कर शर्तों के diel सायक्लिंग प्रभावित जब कम ज्वार रात²⁷के अंत के साथ मेल किया । हाइपोक्सिया के कई घंटे के बाद ही करता है [क्या] normoxia⁷^,¹⁶^,²⁸ दैनिक चक्र में वापस आ जाओ ।

diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया और पीएच के लिए सी virginica के व्यवहार प्रतिक्रिया का निर्धारण करने के लिए हम पर नजर रखने के उद्घाटन और कस्तूरी के वाल्व के बंद करने के लिए प्रेरित प्रयोगशाला diel सायक्लिंग के [करना] और चक्रीय पीएच । bivalves के जवाब खोलना प्रतिकूल पर्यावरणीय परिस्थितियों का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया है । संदूषण के जवाब में bivalves के वाल्व क्लोजर²⁹^,³⁰^,³¹, विषाक्त शैवाल^३२^,^३३^,^३४, थर्मल प्रदूषण^३५^,^३६ ^, ^३७, खाद्यान्न मात्रा घटने^३८^,^३९^,^४०, फीडिंग रेट्स^३९,^४१, emersion^३७^,^४२, photoperiod^४३ ^, ^४४, पीएच^४५^,^४६, और संयुक्त पीएच और भंग ऑक्सीजन^४७ मापा गया है । खोलना तकनीक है, उदाहरण के लिए, प्रत्यक्ष प्रेक्षणों^४८^,^४९^,¹³, सतत रीड स्विच और मैग्नेट (Dreissena मॉनिटर)^५०, या फाइबर ऑप्टिक सेंसर का उपयोग कर माप शामिल ^५१ कि साफ पानी की आवश्यकता होती है । इसके अलावा, चुंबक और चुंबकीय क्षेत्र शक्ति हॉल सेंसर कौड़ी खोलना कोण^५२^,^५३^,^५४^,^५५, और एक उच्च आवृत्ति विद्युत चुंबकीय प्रेरण प्रणाली का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है कि वाल्व पर चिपके हुए हैं कि दो बिजली के तार के बीच अलग दूरी को मापने कर सकते हैं^५६^,^५७^,^५८^,^५९इस्तेमाल किया गया है । एक उच्च वोल्टेज स्रोत विद्युत प्रेरण प्रणाली और बिजली के लिए आवश्यक है खोल^५२के दोनों पक्षों को दिया है । यह प्रणाली “MOSSELMONITOR” (http://mosselmonitor.nl/) के रूप में भी व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है ।

एक तंग अनुसंधान बजट पर, हम एक सस्ती तनाव गेज की निगरानी (SGM) का निर्माण लगातार के लिए प्रयोगशाला पर कस्तूरा खोलना-प्रेरित diel सायक्लिंग [DO] और पीएच कम दृश्यता की स्थिति के तहत, उपाय । हमारी प्रणाली भी प्रतिस्पर्धा प्रणालियों की तुलना में बहुत आसान है, कई जानवरों की अनुमति एक प्रयोग के दौरान साधन हो । हम सी के व्यवहार प्रतिक्रियाओं का निर्धारण करना चाहते थे . virginica diel सायक्लिंग गंभीर ([do] = ०.६ मिलीग्राम/l) नियंत्रण पीएच (पीएच = ७.८) और सायक्लिंग पीएच (पीएच = 7.8-7.0), क्रमशः, और हल्के करने के लिए प्रतिक्रियाओं ([do] = १.७ मिलीग्राम/l) हाइपोक्सिया के साथ हाइपोक्सिया । इसके अलावा, हम अगर कस्तूरी को तेजी से [क्या में परिवर्तन का जवाब कर सकते है निर्धारित करना चाहता था] diel चक्र से अधिक है और वे कैसे प्रतिक्रिया जब एक hypoxic घटना के बाद normoxia रिटर्न । शायद कस्तूरी इष्टतम तेजी से अस्थिर वातावरण है कि कई ज्वारनदमुख¹⁶^,²⁷ में पाया जाता है कि वे कहां रहते है अनुकूलित कर रहे हैं । जबकि अधिक जटिल वाल्व खोलना पर नज़र रखता है उपलब्ध हैं, SGM एक सस्ती तकनीक है कि कम दृश्यता की स्थिति में भी पानी में वाल्व खोलना की सतत माप की अनुमति देता है प्रदान करता है ।

चित्र 1. वाल्व खोलना तंत्र के लिए ह्वीटस्टोन पुल । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

bivalve खोलना निगरानी के लिए इस्तेमाल किया तनाव गेज सेंसर एक polyimide समर्थन पर एक बल पैटर्न में विरोध फिल्मों रहे हैं । तनाव की छोटी मात्रा में सेंसर का प्रतिरोध मिलाना । bivalve फ्लेक्स तनाव ललकार जब यह है सेंसर प्रतिरोध में परिवर्तन के कारण मुर्गियों । हम प्रत्येक bivalve चैनल के लिए एक अशक्त, संतुलित, ह्वीटस्टोन पुल के रूप में चित्रा 1 में दिखाया सेंसर प्रतिरोध में परिवर्तन को मापने के लिए कार्यरत हैं । ह्वीटस्टोन पुल डेटा लकड़हारा द्वारा नियोजित किया जा करने के लिए एक काफी अधिक लाभ की अनुमति नापने द्वारा नल है । एक ह्वीटस्टोन पुल सही एक ज्ञात प्रतिरोध मानक और एक वाल्टमीटर के लिए एक अनुपात का उपयोग कर एक अज्ञात प्रतिरोध को मापने के लिए एक मानक विधि है । इस बहुत पुरानी तकनीक का इतिहास Ekelof (२००१)^६०में चर्चा की है । हम एकीकृत 12 चैनलों, अपने स्वयं के ह्वीटस्टोन पुल और नल नापने के साथ, तनाव गेज मॉनिटर (SGM) इकाई में ।

Protocol

1. वाल्व खोलना उपकरण के लिए ह्वीटस्टोन पुल का निर्माण नोट: तनाव गेज नाममात्र १००० ω है, तो पूरी तरह से संतुलन और नल पुल के लिए, सभी घटकों १००० Ω होना चाहिए । 1 चित्राके रूप में, मिलाप …

Representative Results

कस्तूरी अबाधित normoxic estuarine पानी के संपर्क में (दैनिक चक्र के कम पठार चरण के दौरान कोई हाइपोक्सिया) समय के सबसे खुले थे और केवल संक्षेप में अक्सर बंद (चित्रा 5) । जब वे कस्तूरी से विभिंन ?…

Discussion

ठेठ अध्ययन कम ऑक्सीजन की स्थिति और प्रतिक्रिया, अक्सर पशुओं के अस्तित्व के रूप में मापा के निरंतर, विस्तारित समय अवधि पर ध्यान केंद्रित । हालांकि, वर्तमान में, diel-सायक्लिंग हाइपोक्सिया करने के लिए पशुओ?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

हम कस्तूरी की तस्वीरें लेने और ImageJ में उनकी दूरी की चौड़ाई को मापने के लिए मेलिंडा फोरसिथ धंयवाद । हम diel सायक्लिंग हाइपोक्सिया और चक्रीय पीएच शर्तों के साथ aquaria के लिए उपयोग के लिए डेनिस Breitburg धंयवाद । हम स्मिथसोनियन पर्यावरण अनुसंधान केंद्र, Edgewater, मैरीलैंड, प्रयोगों के लिए अंतरिक्ष के लिए धंयवाद । हाइपोक्सिया प्रयोगों एक राष्ट्रीय ओशियानिक और वायुमंडलीय प्रशासन द्वारा वित्त पोषित किया गया केंद्र के लिए प्रायोजित तटीय महासागर अनुसंधान अनुदान No. NA10NOS4780138 और स्मिथसोनियन Hunterdon कोष डेनिस Breitburg के लिए । हाइपोक्सिया प्रयोगों के दौरान वाल्व दूरी माप वाशिंगटन कॉलेज द्वारा एक संकाय संवर्धन अनुदान द्वारा वित्त पोषित किया गया Elka टी पोर्टर ।

Materials

Campbell CR 10x data logger	Campbell Scientific, Logan, Utah		Or other data logger. At Campbell the CR 10X has been replaced with the CR 1000
Campbell CR 10x multiplexer	Campbell Scientific, Logan, Utah		Data logger needs to have space for 12 channels
Dsub connector male crimp pins	TE Connectivity	205089-1	pins for gape sensor leads
PCA tape	Micro Measurements Corp, NC		To seal the strain gauge
Duro Quick Gel	Ace Hardware		Superglue
SG13/1000-LY43 or LY41	Omega Engineering Inc., Stanford, CT		Strain gauges
32 AWG (7/40) teflon Alpha wires	AlphaWire, Elizabeth, NJ	2840/7	Sensor cables, different colors are available
1/16" heat shrink tubing	Qualtek	B01A3QKKO6	To seal the leads of the sensor cable
Weller WES51 Analog Soldering Station	Amazon		Lots of soldering, need a good soldering iron. https://www.amazon.com/Weller-WES51-Analog-Soldering-Station/dp/B000BRC2XU/ref=sr_1_23?s=hi&ie=UTF8&qid=1505654295 &sr=1-23&keywords=soldering+iron
Rosin Soldering Flux Paste	Amazon		Needed for soldering
60-40 Tin Lead Rosin Core Solder Wire	Amazon		Needed for soldering
Aquarium sealant	Home Depot		Attach sensors to bivalve
PC Laptop			Any old PC to run Campbell gape program
heat gun	Amazon		shrink shrink tubing
Drill	Hardware store, Amazon		for twisting wires to make sensor cables
AC to DC power module	Acopian	DB15-30	Wheatstone bridge power supply
Poteniometer	Clarostat	733A	Wheatsone bridge nulling
isolating BNC connector	Sterren Electronics	"200-148	Wheatstone bridge output for multimeter
Fused AC receptical panel module	Adam technologies	IEC-GS-1-200	Wheatstone bridge power supply connector
976 ohm 1% resistor	Vishay Dale	CMF50976R00FHEB	Wheatstone bridge resistor
1 kohm 1% resistor	Vishay Dale	CMF501K0000FHEB	Wheatstone bridge resistor
Potentiometer scale dial	Kilo International	462	10 turn dial for nulling potentiometer
DB25 male panel connector	TE connectivity	1757819-8	Data logger connector on Wheatstone bridge
DB25 female panel connector	TE connectivity	1757819-8	Sensor connector to Wheatstone bridge
perforated circuit board	Vector electronics	64P44WE	circuit board for mounting of bridge components
enclosure	Hammond Manufacturing	1444-29	Enclosure for sensor readout electronics

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