Continu Noninvasive meten van rivierkreeft cardiale en gedragsmatige activiteiten
Summary
Dit artikel presenteert een noninvasive biomonitoring-systeem voor de continue opname en de analyses van rivierkreeft cardiale en motorische activiteiten. Dit systeem bestaat uit een nabij-infrarood optische sensor, een video-tracking module en software voor de evaluatie van rivierkreeft hartslagen die zijn fysiologische toestand weerspiegelt en karakteriseert rivierkreeft gedrag tijdens de schommelingen van de hartslag.
Abstract
Een rivierkreeft is een cruciale aquatisch organisme dat als een praktische biologische model voor gedrags- en fysiologische studies van ongewervelden en tevens als een nuttige biologische indicator van de kwaliteit van het water dient. Hoewel rivierkreeft niet direct voor de stoffen die leiden verslechtering van de kwaliteit van het water opgeven tot, kunnen ze mens van verslechtering van de kwaliteit van water via acute veranderingen in hun hart- en gedrags-activiteiten onmiddellijk (binnen een paar seconden) in waarschuwen.
In deze studie presenteren wij een noninvasive methode die is eenvoudig genoeg om te worden uitgevoerd onder diverse omstandigheden als gevolg van een combinatie van eenvoud en betrouwbaarheid in een model.
Deze aanpak, die de biologische organismen ten uitvoer worden gelegd in milieu evaluatieprocessen, biedt een betrouwbare en tijdige alarm voor waarschuwing voor en preventie van verslechtering van de acute water in een omgevingstemperatuur milieu. Daarom dit noninvasive systeem gebaseerd op rivierkreeft fysiologische en ethologische parameter opnames werd onderzocht voor de opsporing van wijzigingen in een aquatisch milieu. Dit systeem wordt nu toegepast op een lokale brouwerij voor het beheersen van de kwaliteit van het water gebruikt voor de Drankproductie van de, maar het kan worden gebruikt op elk waterbehandeling en levering faciliteit voor de evaluatie van de kwaliteit van het water continue, real-time en voor regelmatige laboratorium onderzoeken van rivierkreeft cardiale fysiologie en gedrag.
Introduction
Het onderwerp van aquatische organismen toepassingen, zowel als modelorganismen voor verschillende laboratorium onderzoeken1,2 en tools voor de monitoring van de industriële en natuurlijke/milieu water kwaliteit3,4 , lijkt te worden goed bestudeerd. Dit onderwerp is echter nog steeds van opmerkelijk belang voor de mens, ongeacht of ze deel uitmaken van de wetenschappelijke gemeenschap of tot andere beroepen. Ondanks het bestaan van een aantal geavanceerde methoden voor de controle van bepaalde parameters (zogenaamde “biomarkers”)5,6,7,8, de belangrijkste eisen voor de selectie van een indicator bestaan uit drie eenvoudige factoren: (i) eenvoud, (ii) betrouwbaarheid en (iii) de algemene beschikbaarheid.
Rivierkreeft, onderscheidt als een essentiële vertegenwoordiger van zoetwater fauna, zich omdat het wereldwijd is gevonden, wijdverbreid is en, in de meeste gevallen9, een voldoende grote en harde carapax geschikt voor manipulatie is. Deze crustacean behoort tot de groep van de hoger-ongewervelde dieren die voldoende ontwikkeling van vitale fysiologische systemen en organen van de respectieve terwijl op hetzelfde moment bieden, behoud van een relatief eenvoudige organisatie10.
Methoden gebaseerd op de beoordeling van het bereik van rivierkreeftjes biologische en/of gedrags-parameters, zoals beschreven in de wetenschappelijke literatuur, hebben aanzienlijk bijgedragen aan de ontwikkeling van biomonitoring en rivierkreeftjes studies in het algemeen. De meeste van de momenteel beschikbare invasieve methoden voor rivierkreeft hartslag metingen zijn gebaseerd op opnames van de elektrocardiogram waarvoor een complexe en precieze chirurgische ingreep11,12,13; dergelijke manipulaties kunnen leiden tot aanzienlijke stress bij en kunnen voorschrijven dat langdurige door de rivierkreeft. Ook, het is niet bekend hoe lang een rivierkreeft dergelijke elektroden kunnen en of het met succes molt zal terwijl de uitvoering van deze bijlage. De beschreven noninvasive methoden zijn gebaseerd op plethysmographic opnames, die worden bemoeilijkt door de complexiteit van de hardware en vereisen een conditionering circuit voor signaal filteren14 en een versterking of precieze en dure optische onderdelen15 ,16.
In deze studie beschreven we een benadering die bijdraagt aan de bestaande resultaten en biedt nieuwe alternatieven om huidige rivierkreeft hartslag meting procedures te verbeteren. Onder de voordelen zijn er: (i) een snel en noninvasive bijlage die niet een langdurige fysiologische aanpassing vereist; (ii) rivierkreeftjes vermogen te voeren van de sensor binnen een periode van een paar maanden na de Rui naar Rui; (iii) de software kunnen controleren real-time cardiale en gedrags activiteiten en de evaluatie van de gegevens gelijktijdig uit meerdere rivierkreeft; (iv) een lage productie prijs en eenvoud. De biomonitoring-systeem dat we beschrijven laat de noninvasive en de continue monitoring van rivierkreeft cardiale en motorische activiteiten gebaseerd op veranderingen in rivierkreeftjes etho-fysiologische kenmerken. Dit systeem kan gemakkelijk worden toegepast in laboratoriumonderzoeken rivierkreeft cardiale fysiologie en/of ethologie, naast industriële implementaties voor het beheersen van de kwaliteit van het water op water behandeling en levering faciliteiten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het is alom gesuggereerd dat het meten van bepaalde fysiologische parameters (zoals hart of ventilatie tarief of beide) een meer betrouwbare methode is voor het opnemen van rivierkreeft reacties dan de evaluatie van gedrags reacties die niet altijd voorkomen onmiddellijk de11. Het is echter duidelijk dat de meest efficiënte aanpak voor de beoordeling van de echte rivierkreeft reacties op veranderingen in het milieu de combinatie van cardiale activiteit en gedrag opnames, is want dat maakt het mog…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door het ministerie van onderwijs, jeugd en sport van de Tsjechische Republiek-projecten “CENAKVA” nr. CZ.1.05/2.1.00/01.0024 en “CENAKVA II” nr. LO1205 onder de nationale duurzaamheid Program I, door het Bureau van de subsidie van de Universiteit van Zuid-Bohemen in České Budějovice (012/2016/Z), en door het Agentschap van de subsidie van de Tsjechische Republiek (nr. 16-06498S)
Materials
| IR LED diode | KINGBRIGHT ELECTRONIC | KP-3216F3C | |
| Phototransistor | EVERLIGHT | ELPT15-21C | |
| Resistor | ROYAL OHM | 0805S8J0201T5E | |
| Resistor | ROYAL OHM | 0805S8F2200T5E | |
| Capacitor | KEMET | C0805C334K5RACTU | |
| Cable | TECHNOKABEL | FTP KAT.5E 4X2X0,14C | |
| Connector | HARTING | 21348100380005 | |
| Connector | HARTING | 21348000380005 | |
| Dielectric gel | KRAYDEN | Sylgard 535 | |
| Analogue-to-digital convertor | TEDIA | UDAQ-1416CA | |
| Glue | KUPSITO.SK | 7338723044 | |
| Kinect video camera | ABCSTORE.CZ | GT3-00002 | |
| Analysis software | University of South Bohemia in Ceske Budejovice, Faculty of Fisheries and Protection of Waters, Institute of Complex Systems | Link to the software: www.frov.jcu.cz/crayfishmonitoring User name: frov Password: CF2018 |
References
- Bownik, A., Sokołowska, N., Ślaska, B. Effects of apomorphine, a dopamine agonist, on Daphnia magna: Imaging of swimming track density as a novel tool in the assessment of swimming activity. Science of the Total Environment. 635, 249-258 (2018).
- Jeong, T. Y., Yoon, D., Kim, S., Kim, H. Y., Kim, S. D. Mode of action characterization for adverse effect of propranolol in Daphnia magna. based on behavior and physiology monitoring and metabolite profiling. Environmental Pollution. 233, 99-108 (2018).
- do Nascimento, M. T. L., et al. Determination of water quality, toxicity and estrogenic activity in a nearshore marine environment in Rio de Janeiro, Southeastern Brazil. Ecotoxicology and Environmental Safety. 149, 197-202 (2018).
- Xiao, G., et al. Water quality monitoring using abnormal tail-beat frequency of crucian carp. Ecotoxicology and Environmental Safety. 111, 185-191 (2015).
- Aagaard, A., Andersen, B. B., Depledge, M. H. Simultaneous monitoring of physiological and behavioral activity in marine organisms using non-invasive, computer aided techniques. Marine Ecology Progress Series. 73 (2), 277-282 (1991).
- Bloxham, M. J., Worsfold, P. J., Depledge, M. H. Integrated biological and chemical monitoring: in situ. physiological responses of freshwater crayfish to fluctuations in environmental ammonia concentrations. Ecotoxicology. 8 (3), 225-237 (1999).
- Depledge, M. H., Andersen, B. B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. Comparative Biochemistry and Physiology. A, Comparative Physiology. 96 (4), 473-477 (1990).
- Depledge, M. H., Galloway, T. S. Healthy animals, healthy ecosystems. Frontiers in Ecology and the Environment. 3 (5), 251-258 (2005).
- Holdich, D. M., Reynolds, J. D., Souty-Grosset, C., Sibley, P. J. A review of the ever increasing threat to European crayfish from non-indigenous crayfish species. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems. 11, 394-395 (2009).
- Vogt, G., Holdich, D. M. Functional anatomy. Biology of freshwater crayfish. , 53-151 (2002).
- Bierbower, S. M., Cooper, R. L. Measures of heart and ventilatory rates in freely moving crayfish. Journal of Visualized Experiments. (32), e1594 (2009).
- Li, H., Listerman, L. R., Doshi, D., Cooper, R. L. Heart rate in blind cave crayfish during environmental disturbances and social interactions. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 127 (1), 55-70 (2000).
- Listerman, L. R., Deskins, J., Bradacs, H., Cooper, R. L. Heart rate within male crayfish: social interactions and effects of 5-HT. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. 125 (2), 251-263 (2000).
- Burnett, N. P., et al. An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals. Limnology and Oceanography: Methods. 11 (2), 91-100 (2013).
- Fedotov, V. P., Kholodkevich, S. V., Strochilo, A. G. Study of contractile activity of the crayfish heart with the aid of a new non-invasive technique. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 36 (3), 288-293 (2000).
- Kholodkevich, S. V., Ivanov, A. V., Kurakin, A. S., Kornienko, E. L., Fedotov, V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations. Environmental Bioindicators. 3 (1), 23-34 (2008).
- Kuznetsova, T. V., Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Evaluation of functional state of crayfish Pontastacus leptodactylus in normal and toxic environment by characteristics of their cardiac activity and hemolymph biochemical parameters. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 46 (3), 241-250 (2010).
- Sladkova, S. V., Kholodkevich, S. V. Total protein in hemolymph of crawfish Pontastacus leptodactylus as a parameter of the functional state of animals and a biomarker of quality of habitat. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 47 (2), 160-167 (2011).
- Pautsina, A., Kuklina, I., Štys, D., Císař, P., Kozák, P. Noninvasive crayfish cardiac activity monitoring system. Limnology and Oceanography: Methods. 12 (10), 670-679 (2014).
- Císař, P., Saberioon, M., Kozák, P., Pautsina, A. Fully contactless system for crayfish heartbeat monitoring: Undisturbed crayfish as bio-indicator. Sensors and Actuators B: Chemical. 255, 29-34 (2018).
