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

ひずみゲージモニター (SGM) 研究室による日周サイクリング酸素分圧および pH 応答の二枚貝軟体動物の連続弁 Gape 測定

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

二枚貝の懸濁液の送り装置の溶存酸素などの環境変数への行動応答を理解することはいくつかの生態系のプロセスを説明できます。安価な実験室ベースのひずみゲージモニター (SGM) カキ、マガキ virginicaバルブ、ぼうぜんとしている応答を測定する日周サイクリング低酸素と循環 pH を開発しました。

Abstract

安価な実験室ベースのひずみゲージ弁 gape モニター (SGM) は、日周サイクリング低酸素に対する反応で二枚貝のバルブ口を大きく開ける動作を監視するため開発されました。ホイートストンブリッジは、牡蠣 (マガキ virginica) のシェルに接続されているひずみゲージに接続されました。記録された信号許可を継続的に記録する二枚貝の開閉実験による日周サイクリングの低酸素と pH の変化を日周サイクリング 2 日間の期間。ここで、我々は安価なひずみゲージモニターを開発するためのプロトコルを記述する例の実験に記述して、東が日周サイクリング低酸素に対する反応で (C. virginica) を牡蠣のバルブ口を大きく開ける動作を測定するために使用私たちどのようにとpH の周期的変化。バルブ、ぼうぜんとしている循環的な重篤な低酸素 (0.6 mg/L) を受けるにカキに測定した溶存酸素条件と pH、循環的な軽度低酸素 (1.7 mg/L) 条件と平地 (7.3 mg/L) 条件の周期的な変化なし。示すカキには、繰り返される日周サイクルが発生した、彼ら急速に重度の低酸素に対する反応で自分の殻を閉じて軽度低酸素のタイムラグを閉じます。常が回復すると、彼らは急速に再度開きます。カキは、重度の低酸素症をサイクリング日周の上に重ね循環 pH 条件に応答しませんでした。低酸素条件下でカキの 3 分の 1 以上を同時に閉じる。カキ対応日周サイクリング低酸素症、酸素溶解する二枚貝の挙動を評価するとき考慮しなければならないことを示します。バルブ SGM は、溶存酸素や汚染物質の変化に二枚貝の応答を評価するために使用できます。技術より良いシールをシール海の水からバルブ gape ひずみゲージはセンサーの寿命を増加するそれ以上の改善を必要があります。

Introduction

低酸素症、すなわち、溶存酸素濃度 [] 十分に低を行う生物に悪影響を生態学的プロセスが、しばしば機能的に定義されたとして [行う] < 2 mg/L の¹、および無酸素症の (機能的 [DO] として定義されている 0.0 0.2 mg/L)世界の沿岸水域、河口および海洋深層²^,³でより頻繁に、深刻なを発生しているし、しばしば富栄養化⁴^、⁵の増加によって悪化させます。低酸素血症と低酸素の増加面積程度、大型動物が悪影響を受けるし、生息地の範囲や生息場所の質を失います。気候変動は、低酸素、無酸素⁶を悪化させると予測されます。

チェサピーク湾、アメリカなど多くの成層、栄養強化河口で季節持続的な低酸素症勝つことができるし、²年後に起こります。さらに、低酸素の日周サイクリングはチェサピーク湾そして他の場所などの河口に頻繁に、夜や早朝時間の夏⁷^,⁸の後期に起こる。

ほとんどの研究は、[は] を低に生物の連続的な露出の効果と低酸素と無酸素⁹^,¹⁰^、¹¹^,¹²^,¹³^,^{14 への耐性に焦点を当てています。}.また、研究は、拡張低 [は]⁴^,¹⁵に応えて種分布、組成、および種組成の大規模な変化を見てきました。しばしば種低固まりで死ぬ [行う] に非常に敏感な¹⁶ルイジアナ州、テキサス州棚生態系⁴として、たとえば、若い、小さいサイズ、短命の相に残りの種をシフトします。

行動の変化は通常コミュニティ崩壊¹⁷を前し、拡張低 [は]⁴^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,^{19 への生物の行動応答が報告されて} ^,^,²⁰²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵。しかし、これらの研究は、低酸素症の日周サイクリングエクスポージャーと河口では可用性の変動の性質への生物の応答にフォーカスしていません。

浅い河口域で日周サイクリング低酸素を受けている意識の高まり研究モニター詳細を行う頻繁ゾンデ河口¹⁶^,²⁶日間にわたって。水は夜の終わりに時間や夏の早朝時間に低酸素に残ることができる夜が高酸素消費の中に酸素を生成する光合成が無い場合好気呼吸⁷^,¹⁶。また、日周が潮の干満に影響を受けることがわかりました低潮が夜²⁷の終わりと重なったとき観測された最も極端な極小の低か条件のサイクリングします。[か] 低酸素症のいくつかの時間後にのみ毎日のサイクルに常⁷^,¹⁶^,²⁸に帰ってくる。

日周サイクリング酸素分圧および pH 我々は研究室にさらされるカキのバルブの開閉監視c. virginicaの行動応答を判断する誘導日周 [は] のサイクリングと循環 pH。二枚貝の gape 応答は、不利な環境条件を検出するために使用されています。汚染物質²⁹^,³⁰^,³¹, 有毒藻類³²^,³³^,³⁴, 熱汚染³⁵^,³⁶の応答における二枚貝類の弁閉鎖^,³⁷食べ物の量を減らす³⁸^,³⁹^,⁴⁰, 供給体制³⁹^,⁴¹, エマーション³⁷^,⁴², 日長⁴³^,⁴⁴、pH⁴⁵^,⁴⁶, と結合された pH と溶存酸素⁴⁷を測定しました。口を大きく開ける技術にはなどが含まれている直接観察⁴⁸^,⁴⁹^,¹³, リードスイッチと磁石 (Dreissena モニター)⁵⁰、または光ファイバーセンサーを用いた連続測定には⁵¹澄んだ水を必要とします。さらに、磁石と磁場強度のホールセンサーは、ムール貝、ぼうぜんとしている角度⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵, 高周波電磁誘導システムの検討に使用されています。ことができます測定バルブに接着されて 2 つの電気コイル間距離を変化させるされていること⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹を使用します。高電圧源は電磁誘導システムに必要な電源シェル⁵²の両側に配信されます。このシステムは「MOSSELMONITOR」(http://mosselmonitor.nl/) として市販も。

研究室による日周以上安価なひずみゲージモニター (SGM) オイスター gape を連続測定するタイトな研究予算で構築した [は] のサイクリング、pH、低い可視性の条件の下で。我々のシステムも多くの動物実験中に計測する、競合するシステムよりもはるかに簡単です。日周深刻なサイクリングにC. virginicaの行動対応を決定したい ([行う] = 0.6 mg/L) pH コントロールと低酸素症 (pH = 7.8) とサイクリングの pH (pH = 7.8 7.0) をそれぞれと gape に対する軽度 ([行う] = 1.7 mg/L) 低酸素。また、カキあるサイクル、日周上 [か] と低酸素イベント後常が返されるときの対処方法の変化に迅速に対応することができるかどうかと考えました。おそらくカキは、彼らが住んでいる最適多く河口¹⁶^,²⁷は、「急速に変動の環境に適応されます。複雑なバルブ、ぼうぜんとしているモニターが利用可能な SGM は低視程条件でも水のバルブ gape の連続測定を可能にする安価な方法を提供しています。

図 1。バルブ gape 用ホイートストンブリッジします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

二枚貝 gape の監視用ひずみゲージセンサーは、バックアップポリイミド蛇行パターンで抵抗膜です。歪み量が少ないセンサーの抵抗を調節します。二枚貝は、それはセンサーの抵抗の変化をもたらす口をあけるときにひずみゲージを折り曲げ。センサーの抵抗の変化を測定する図 1に示すように、二枚貝のチャネルごとにヌル、バランスの取れた、ホイートストーンブリッジを採用しました。ホイートストーンブリッジはかなりハイゲインデータロガーに雇用されることを許可するポテンショメータによって null します。ホイートストンブリッジは、標準的な既知抵抗と電圧計に比を用いた未知抵抗の正確な測定のための標準的な方法です。この非常に古い技術の歴史は、Ekelof (2001 年)⁶⁰で論議されます。ひずみゲージモニター (SGM) ユニットに 12 チャンネル、それぞれ独自のホイートストンブリッジとヌルのポテンショメータを統合されています。

Protocol

1. バルブ Gape 用ホイートストンブリッジの建設注: ひずみゲージは名目上 1000 Ω、ので完全にバランスし、橋を null に、すべてのコンポーネントは、1000 Ω をする必要があります。図 1のようにお互いにし〜 976 Ω 抵抗と 100 Ω 10 はんだ 2 1 kΩ 精密抵抗器はポテンショメータをオンにします。標準歪みゲージ範囲は公称、1000 Ω からいくつか?…

Representative Results

カキの中断のない平地河口水 (毎日のサイクルの低いプラトー段階低酸素) にさらされる時間のほとんどが開いていたし、簡潔にだけ頻繁に閉鎖 (図 5)。いつ彼らはカキからオイスターに様々な閉じる。このパターンは、Loosanoff と Nomejko 194644とヒギンズ 198039も見つかってください。また、カキは、闇と光の位?…

Discussion

典型的な研究焦点、連続拡張低酸素条件の期間と応答は、しばしば動物の生存として測定します。ただし、現時点では、日周サイクリング低酸素に対する動物の行動応答の私達の理解は、最小限⁶³です。したがってより多くの研究は多く河口⁷^,⁸で夏に定期的に発生する日周サイクリングの低酸素に対する反応で有機体の行動に焦点…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

牡蠣の写真を撮る、ImageJ でぼうぜんとしている幅を測定、メリンダ・ Forseth に感謝します。サイクリング低酸素と循環 pH 条件日周と、水槽へのアクセス、デニス Breitburg に感謝しますエッジウォーター, メリーランド州, スミソニアン環境研究センターは、実験スペースを感謝いたします。低酸素症実験された no.、国立海洋大気圏局 – 沿岸海洋研究のスポンサー助成センターによって資金を供給NA10NOS4780138 し、スミソニアン Hunterdon 基金デニス Breitburg します。バルブは、実験 Elka t. ポーターにワシントン大学によって学部強化助成金によって資金が供給された低酸素吸入時の測定をぼうぜんと。

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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Porter, E. T., Porter, F. S. A Strain Gauge Monitor (SGM) for Continuous Valve Gape Measurements in Bivalve Molluscs in Response to Laboratory Induced Diel-cycling Hypoxia and pH. J. Vis. Exp. (138), e57404, doi:10.3791/57404 (2018).