Summary

Rask testing av motstand av tømmer til biologisk nedbrytning av marine treborende krepsdyr

Published: January 29, 2022
doi:

Summary

Denne protokollen presenterer en metode for å vurdere fôringshastigheten til den treborende krepsdyret Limnoria, ved å måle fekal pelletsproduksjon. Denne metoden er designet for bruk i ikke-spesialiserte laboratorier og har potensial for innlemmelse i standard testprotokoller, for å evaluere forbedret tre holdbarhet under marine forhold.

Abstract

Treborende hvirvelløse dyr ødelegger raskt marine tømmer og kystinfrastruktur i tre, noe som forårsaker milliarder av dollar i skade over hele kloden hvert år. Ettersom behandlinger av tre med bredspektret biocider, som kreosot og kromert kobber arsenat (CCA), nå er begrenset i marin bruk av lovgivning, er det nødvendig med naturlig holdbare tømmerarter og nye bevaringsmetoder for tre. Disse metodene gjennomgår testing for å oppfylle regulatoriske standarder, for eksempel den europeiske standarden for testing av trebeskyttelsesmidler mot marine borers, EN 275. Innledende undersøkelse av holdbare tømmerarter eller trebeskyttelsesbehandlinger kan oppnås raskt og billig gjennom laboratorietesting, noe som gir mange fordeler i forhold til marine feltforsøk som vanligvis er kostbare, langsiktige bestrebelser. Mange arter av Limnoria (gribble) er marine treborende krepsdyr. Limnoria er ideell for bruk i laboratorietesting av biologisk nedbrytning av tre av marine treborere, på grunn av det praktiske med å oppdra dem i akvarier og hvor enkelt det er å måle fôringshastighetene på tre. Her skisserer vi en standardiserbar laboratorietest for å vurdere biologisk nedbrytning av tre ved hjelp av gribble.

Introduction

Treborere kan forårsake omfattende skade på marine trekonstruksjoner, for eksempel sjøforsvar, brygger og akvakulturstrukturer; erstatning eller restaurering som koster milliarder av dollar per år over hele verden1,2,3. For å beskytte disse strukturene blir tømmer ofte behandlet for å redusere biologisk nedbrytning. Men på grunn av begrensningen av bruk av bredspektret biocider i Australia, EU, Storbritannia og USA, i det marine miljøet, er nye modifikasjonsteknikker og treslag som er naturlig holdbare for borers ettertraktet4,5,6,7. Nye teknikker for bevaring av tre i det marine miljøet krever grundig testing for å oppfylle regulatoriske standarder og begrense miljøpåvirkninger fra farer som utvasking av kjemiske konserveringsmidler. For eksempel brukes den europeiske standarden EN 275, som er den nåværende europeiske standarden fra 1992, til å evaluere trebevaringsbehandlinger mot marine treborerskader8,9. Denne standarden, sammen med andre lover mot bruk av biocidforbindelser, som CCA4,5,6,7 og kreosot10, nødvendiggjør bærekraftige, ikke-giftige metoder for trebeskyttelse og bruk av naturlig holdbare trearter for å erstatte biocidbehandlinger11,12 . Marine studier, som de som er spesifisert i EN 275, krever lange eksponeringsperioder og er dermed dyre og trege for å gi meningsfulle resultater. Laboratorietester gir imidlertid et mye raskere alternativ til testmetoder for å bevare treprodukter mot marine treborangrep, noe som muliggjør rask evaluering av justeringer i behandlingsplanene13. Resultater fra dette raske laboratorieforsøket er designet for å informere nye modifikasjonsprosesser av tre og for å identifisere tømmerarter med naturlig holdbarhet for borerskader. En lav fôringshastighet og vitalitet kan indikere økt motstand i potensielle produkter, og denne informasjonen kan deretter mates tilbake til bransjepartnere for å tillate dem å forbedre designene. Vår metode gir en kvikk og rask respons, som er ønskelig i industrien, og når lovende produkter er identifisert, kan resultatene suppleres med de fra marine studier.

Gribbles (Limnoria) er en slekt av isopod krepsdyr i familien Limnoriidae. Det er over 60 arter av Limnoria over hele verden13,14,15, med tre vanlige arter funnet i Storbritannia, Limnoria lignorum, Limnoria tripunctata og Limnoria quadripunctata16. De bar tunneler på overflaten av tre som er nedsenket i sjøvann, noe som ofte forårsaker økonomisk betydelig skade. Gribbles er svært rikelig i kystnære britiske farvann og er enkle å vedlikeholde under laboratorieforhold, noe som gjør dem ideelle organismer for studiet av trebiodegradering av marine treborende hvirvelløse dyr. Evaluering av fôringshastigheter og vitalitet av gribbles på ulike tømmerarter og trebevaringsmetoder kan bestemme effekten av deres motstand mot biologisk nedbrytning. Følgende protokoll angir en standardmetode for måling av gribble fôringshastigheter, utviklet fra det som beskrives av Borges og kolleger12,17, i tillegg til å effektivisere innføringen av bildeanalyse for å gjøre prosessen operable i ikke-spesialiserte laboratorier. Bildeanalyse brukes også til å redusere de praktiske begrensningene ved manuell telling av et stort antall prøver. Holdbarhet i langsiktig marin testing, i henhold til den britiske standarden EN350-1:1994, er gradert med referanse til Pinus sylvestris sapwood18. I den kortsiktige laboratorietestingen som presenteres her, bruker vi scots furu (Pinus sylvestris L) sapwood som en kontroll for å teste heartwood av arten ekki (Lophira alata Banks ex C.F Gaertn), bøk (Fagus sylvatica L), søt kastanje (Castanea sativa Mill) og terpentin (Syncarpia glomulifera (Sm.) Nied). Gjennomsnittlig fekal pelletsproduksjon og vitalitet blant åtte repliker per treslag ble brukt som en indikator på holdbarhet. Vi tilbyr illustrative data samlet inn fra en typisk evaluering, ved hjelp av gribble arten Limnoria quadripunctata og en rekke naturlig holdbare tømmerarter. Limnoria quadripunctata, identifisert av nøklene levert av Menzies (1951), ble valgt som den optimale arten for biologisk nedbrytningsstudier på grunn av det faktum at det er det mest studerte medlemmet av familien og er veletablert som modellarter for bruk i biologisk nedbrytningsstudier. Denne protokollen gjelder også for testing av skoger av forskjellige behandlinger, selv om kontrollen som brukes bør være ubehandlede replikasjoner av samme art.

Protocol

1. Forbereder testpinner Når noen behandlingsprosesser er fullført, skjær tørt tre i testpinner til størrelse 2 mm x 4 mm x 20 mm (figur 1). Lufttørk holder seg til en konstant vekt, under laboratorieforhold. Bruk minst 5 replikeringer av hvert tre som testes. Figur 1: Tes…

Representative Results

Et fôringseksperiment av L. quadripunctata ble utført over 20 dager, ved hjelp av fem forskjellige tretyper (Scots pine (Pinus sylvestris L) sapwood, og halstre av bøk (Fagus sylvatica L), ekki (Lophira alata Banks ex C. F Gaertn), søt kastanje (Castanea sativa Mil), og terpentin (Syncarpia glomulifera (Sm.) Neid)) (Se Tabell over materialer), i november 2020. Åtte replikeringspinner ble brukt per treslag, og ett eksemplar av Limnor…

Discussion

Før du velger gribbleprøver som skal brukes i fôringseksperimentet, bør enkeltpersoner screenes for å vurdere deres egnethet. Det kan være en viss variasjon i fôringshastigheten mellom individer på grunn av forskjeller i størrelse, så bare fullvoksne voksne prøver bør velges. Det ble ikke påvist noen signifikant forskjell mellom fôringshastigheten til individer mellom 1,5 mm og 3 mm lengde av Borges et al., 200917. Kvinne Limnoria brød eggene sine, i løpet av hvilken tid …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Takk til Norges forskningsråd (Oslo regionale fond, Alcofur rffofjor 269707) og University of Portsmouth (Det vitenskapelige fakultets ph.d.-forskning) for å finansiere studiene av Lucy Martin. Også til Gervais S. Sawyer som ga treet som brukes til å generere de representative resultatene. Terpentin ble levert av prof. Philip Evans ved 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

  1. Morrell, J. J., Kutz, M. Protection of wood-based materials. Handbook of environmental degradation of materials, 3rd ed. , 343-368 (2018).
  2. 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).
  3. Buslov, V., Scola, P. Inspection and structural evaluation of timber pier: case study. Journal of Structural Engineering. 117 (9), 2725-2741 (1991).
  4. 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)
  5. 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)
  6. 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)
  7. 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)
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Cookson, L. Australasian species of Limnoriidae (Crustacea: Isopoda). Memoirs of the Museum of Victoria. 52 (2), 137 (1991).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Menzies, R. . The phylogeny, systematics, distribution, and natural history of limnoria. , 196-208 (1951).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Treu, A., et al. Durability and protection of timber structures in marine environments in Europe: An overview. BioResources. 14 (4), 10161-10184 (2019).
  28. 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).
  29. Purnell, P. The carbon footprint of reinforced concrete. Advances in Cement Research. 25 (6), 362-368 (2013).
  30. Hill, C. A. S. The environmental consequences concerning the use of timber in the built environment. Frontiers in Built Environment. 5, 129 (2019).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).

Play Video

Cite This Article
Martin, L. S., Shipway, J. R., Martin, M. A., Malyon, G. P., Akter, M., Cragg, S. M. Rapid Testing of Resistance of Timber to Biodegradation by Marine Wood-Boring Crustaceans. J. Vis. Exp. (179), e62776, doi:10.3791/62776 (2022).

View Video