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

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Ambiente

Un Monitor di Strain Gauge (SGM) per misurazioni continue di Gape valvola nei molluschi bivalvi in risposta all'ipossia laboratorio indotto Diel-ciclismo e pH

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

Comprendere le risposte comportamentali di bivalvi sospensione-alimentatori alle variabili ambientali, come l’ossigeno disciolto, può spiegare alcuni processi dell’ecosistema. Abbiamo sviluppato un monitor economico, basato sul laboratorio, strain-gauge (SGM) per misurare le risposte di gape valvola di ostriche, Crassostrea virginica, ipossia diel-ciclismo e pH ciclica.

Abstract

Un monitor di gape valvola poco costoso, basato sul laboratorio, strain-gauge (SGM) è stato sviluppato per monitorare il comportamento di gape valvola di molluschi bivalvi in risposta all’ipossia diel-escursioni in bicicletta. Un ponte di Wheatstone era collegato ad estensimetri che sono stati attaccati ai gusci di ostriche (Crassostrea virginica). I segnali registrati consentito per l’apertura e la chiusura dei bivalvi da registrare continuamente sopra due giorni periodi di ipossia di diel-ciclismo sperimentalmente indotta e diel-ciclismo variazioni di pH. Qui, descriviamo un protocollo per lo sviluppo di un monitor economico strain-gauge e descrivere, in un esperimento di laboratorio di esempio, come abbiamo usato per misurare il comportamento di gape valvola di orientale ostriche (c. virginica), in risposta all’ipossia diel-ciclismo e cicliche variazioni di pH. Gape valvola è stata misurata su ostriche sottoposte a ciclica severa ipossia (0,6 mg/L) dissolto condizioni di ossigeno con e senza cambiamenti ciclici in pH, condizioni cicliche mite hypoxic (1,7 mg/L) e condizioni di normossia (7,3 mg/L). Dimostriamo che quando ostriche incontrano diel ripetuti cicli, rapidamente chiudere loro gusci in risposta all’ipossia severa e chiudere con un ritardo lieve ipossia. Quando viene ripristinato il normoxia, hanno rapidamente aperto nuovamente. Le ostriche non hanno risposto alla condizioni di pH ciclica sovrapposte diel ciclismo ipossia severa. Alle condizioni di ridotta di ossigeno, più di un terzo delle ostriche chiusi contemporaneamente. Dimostriamo che ostriche rispondono all’ipossia diel-escursioni in bicicletta, che deve essere considerato quando valutare il comportamento di bivalvi di ossigeno disciolto. La valvola SGM può essere utilizzata per valutare le risposte dei molluschi bivalvi ai cambiamenti di ossigeno disciolto o contaminanti. Tecniche per migliore guarnizione di tenuta valvola gape estensimetri da acqua di mare hanno bisogno di ulteriore miglioramento per aumentare la longevità dei sensori.

Introduction

Ipossia, cioè, dissolto le concentrazioni ossigeno [] sufficientemente basso per influenzare negativamente biologico e processi ecologici ma spesso funzionalmente definita come [DO] < 2 mg / L¹e anossia (funzionalmente definita come [DO] 0,0-0,2 mg/L) si verificano più frequentemente e gravemente in acque costiere del mondo, estuari e il profondo oceano²^,³ e sono spesso aggravate dalla crescente eutrofizzazione⁴^,⁵. Con un crescente estensione areale di ipossia e anossia, macrofauna sono influenzati negativamente e perdere la misura di habitat e qualità dell’habitat. Il cambiamento climatico è preveduto per peggiorare l’ipossia e anossia⁶.

In molti estuari stratificati, arricchita di sostanze nutritive come la Chesapeake Bay, Stati Uniti d’America, stagionalmente persistente ipossia può prevalere e può verificarsi anno dopo anno². Inoltre, diel-ciclismo di ipossia è frequente negli estuari come la baia di Chesapeake e altri luoghi e si verifica tardi durante la notte o le prime ore del mattino in estate⁷^,⁸.

Maggior parte degli studi si sono concentrati sull’effetto dell’esposizione continua di organismi a bassa [DO] e sulla loro tolleranza all’ipossia e anossia⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. Inoltre, gli studi hanno esaminato il cambiamento su larga scala nella composizione delle distribuzioni, abbondanze e specie specie in risposta a estesa [DO] basso⁴^,¹⁵. Spesso specie che sono molto sensibili a bassa [], morire nelle masse,¹⁶ spostando le restanti specie di una fauna più giovane, più piccolo di dimensioni, di breve durata come, ad esempio, trovate sulla mensola Louisiana-Texas ecosistema⁴.

Cambiamenti comportamentali in genere precedono comunità crollo¹⁷ e gli studi hanno riferito sulle risposte comportamentali degli organismi a estesa basso [DO]⁴^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹ ^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵. Questi studi, tuttavia, non si concentrano sulle risposte degli organismi alle esposizioni diel-ciclismo di ipossia e la natura fluttuante di [DO] disponibilità negli estuari.

Diel-ciclismo ipossia negli estuari superficiali ha ricevuto crescente consapevolezza come studi monitorare [DO] più frequentemente nel corso dei giorni con sonde in estuari¹⁶^,²⁶. Acqua può rimanere ipossica per ore alla fine della notte o le prime ore del mattino in estate quando non c’è nessuna fotosintesi di generazione di ossigeno durante la notte, ma che consumano ossigeno alta respirazione aerobica⁷^,¹⁶. Si è inoltre constatato che le maree influenzato il diel ciclismo condizioni basso con più estremi minimi osservati quando bassa marea ha coinciso con la fine della notte²⁷. Solo dopo diverse ore di ipossia [DO] tornare a normoxia⁷^,¹⁶^,²⁸ nel ciclo giornaliero.

Per determinare la risposta comportamentale di c. virginica diel-ciclismo ipossia e pH abbiamo monitorato l’apertura e la chiusura delle valvole di ostriche esposte al laboratorio indotto diel ciclica e ciclismo di [DO] pH. Gape risposte di bivalvi sono state utilizzate per rilevare condizioni ambientali avverse. Chiusure di valvola di molluschi bivalvi in risposta a contaminanti²⁹^,³⁰^,³¹, alghe tossiche³²^,³³^,³⁴, l’inquinamento termico³⁵^,³⁶ ^, ³⁷,³⁸^,³⁹^,⁴⁰, alimentazione regime³⁹^,⁴¹, emersione³⁷^,⁴², fotoperiodo⁴³ diminuire la quantità di cibo ^, ⁴⁴, pH⁴⁵^,⁴⁶e combinato pH e ossigeno disciolto⁴⁷ sono stati misurati. Gape tecniche hanno, ad esempio, incluso osservazioni dirette⁴⁸^,⁴⁹^,¹³, misurazioni continue utilizzando interruttori reed e magneti (Dreissena monitor)⁵⁰o sensori in fibra ottica ⁵¹ che richiedono acqua limpida. Inoltre, sensori di Hall forza magneti e campi magnetici sono stati utilizzati per studiare la cozza gape angolo⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵e un sistema di induzione elettromagnetica ad alta frequenza che può misurare la distanza varia tra due bobine elettriche che sono incollati sulle valvole è stato utilizzato⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹. Una sorgente di alta tensione è necessaria per il sistema di induzione elettromagnetica e potenza deve essere consegnato ad entrambi i lati del guscio⁵². Questo sistema è anche disponibile nel commercio come il “MOSSELMONITOR” (http://mosselmonitor.nl/).

Un budget di ricerca stretto, abbiamo costruito un monitor economico strain-gauge (SGM) per misurare continuamente gape ostrica sopra indotta da laboratorio diel ciclismo di [DO] e pH, in condizioni di scarsa visibilità. Il nostro sistema è anche molto più semplice rispetto ai sistemi concorrenti, consentendo molti animali da instrumentare durante un esperimento. Abbiamo voluto determinare le risposte comportamentali di c. virginica diel ciclismo grave ([] = 0,6 mg/L) ipossia con pH di controllo (pH = 7.8) e ciclismo pH (pH = 7,8-7.0), rispettivamente e le risposte di gape al delicato ([] = 1,7 mg/L) ipossia. Inoltre, abbiamo voluto determinare se le ostriche sono in grado di rispondere rapidamente ai cambiamenti in [] sopra il diel ciclo e come reagire quando normoxia ritorna dopo un evento hypoxic. Forse le ostriche sono adattate all’ambiente rapidamente fluttuante che si trova in molti estuari¹⁶^,²⁷ dove vivono. Mentre più complessa valvola gape monitor sono disponibili, la SGM offre una tecnica poco costoso che consente misurazioni continue della valvola gape nelle acque anche in condizioni di scarsa visibilità.

Figura 1. Ponte di Wheatstone per l’apparecchiatura di gape valvola. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I sensori dell’estensimetro utilizzati per il monitoraggio gape bivalvi sono film resistivo in un modello di meandro su un supporto di polyimide. Piccole quantità di sforzo modulano la resistenza del sensore. I bivalvi si flette l’estensimetro quando esso gapes causando un cambiamento nella resistenza del sensore. Abbiamo impiegato un ponte di Wheatstone Annulla, equilibrato, per ogni canale bivalvi come mostrato nella Figura 1 per misurare la variazione nella resistenza del sensore. Il ponte di Wheatstone è annullato dal potenziometro che permette un guadagno abbastanza alto essere impiegato dal datalogger. Un ponte di Wheatstone è un metodo standard per misurare con precisione una resistenza sconosciuta utilizzando un rapporto di un noto standard di resistenza e un voltmetro. La storia di questa antichissima tecnica è discussa in Ekelof (2001)⁶⁰. Abbiamo integrato 12 canali, ognuno con il proprio ponte di Wheatstone e Annulla potenziometro, Strain Gauge Monitor (SGM).

Protocol

1. costruzione del ponte di Wheatstone per apparecchiatura di Gape della valvola Nota: L’estensimetro è nominalmente 1000 Ω, così completamente bilanciare e il ponte di null, tutti i componenti dovrebbero essere 1000 Ω. Come illustrato nella Figura 1, resistori di precisione di saldatura due 1 kΩ a vicenda e poi per un resistore ~ 976 Ω e un Ω 100 10 Ruotare il potenziometro. La gamma tipica dell’estensimetro è qualche Ω fuori il Ω di 1000 nomi…

Representative Results

Ostriche esposte all’acqua di estuario normoxic ininterrotta (senza ipossia durante la fase di plateau basso del ciclo giornaliero) sono stati aperte la maggior parte del tempo e soltanto brevemente chiuso raramente (Figura 5). Quando hanno chiuso varia da ostrica di ostrica. Questo modello è stato trovato anche da Loosanoff e Nomejko 194644 e Higgins 198039. Ostriche, inoltre, non hanno risposto alla differenz…

Discussion

Focus tipici studi su continuo, estesi periodi di condizioni di bassa dell’ossigeno e la risposta, spesso misurata come la sopravvivenza, degli animali. Tuttavia, allo stato attuale, la nostra comprensione delle risposte comportamentali degli animali all’ipossia diel-ciclismo è minimo⁶³. Quindi, ulteriori studi dovrebbero concentrarsi sul comportamento degli organismi in risposta all’ipossia diel-escursioni in bicicletta, che si verifica regolarmente durante l’estate in molti estuari<sup class="x…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Si ringrazia Melinda Forseth per scattare foto di ostriche e misurando la loro larghezza di gape in ImageJ. Ringraziamo Denise Breitburg per l’accesso per gli acquari con diel ciclismo ipossia e condizioni di pH ciclica. Si ringrazia il centro di ricerca ambientale Smithsonian, Edgewater, Maryland, per lo spazio per gli esperimenti. Gli esperimenti di ipossia sono stati finanziati da un National Oceanic and Atmospheric Administration – Center per sponsorizzato Coastal Ocean Research grant No. NA10NOS4780138 e il fondo di Hunterdon Smithsonian a Denise Breitburg. La valvola gape misurazioni durante l’ipossia esperimenti erano finanziati da una sovvenzione di potenziamento di facoltà di Washington College di Elka T. Porter.

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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