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

Um Monitor de Strain Gauge (SGM) para válvula contínua Gape medições em moluscos bivalves em resposta à hipóxia laboratório induzido 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

Noções básicas sobre as respostas comportamentais dos bivalves suspensão-alimentadores de variáveis ambientais, tais como oxigênio dissolvido, pode explicar alguns processos do ecossistema. Nós desenvolvemos um monitor de baixo custo, baseado em laboratório, calibre de tensão (SGM) para medir respostas de abertura da válvula de ostra, Crassostrea virginica, hipóxia diel-ciclismo e pH cíclico.

Abstract

Um monitor de gape do calibre de tensão de baixo custo, baseado em laboratório, válvula (SGM) foi desenvolvido para monitorar o comportamento de abertura da válvula de moluscos bivalves em resposta à hipoxia diel-ciclismo. Uma ponte de Wheatstone estava ligada ao extensómetros que foram anexados às conchas de ostras (Crassostrea virginica). Os sinais gravados permitiram a abertura e fechamento dos bivalves para ser gravada continuamente durante dois dias períodos de hipóxia induzida experimentalmente de diel-ciclismo e diel-ciclismo a mudanças no pH. Aqui, descrevemos um protocolo para o desenvolvimento de um monitor de baixo custo Extensômetro e descrever, em um experimento de laboratório de exemplo, como usamos para medir o comportamento de abertura da válvula do Oriental ostras (c. virginica), em resposta à hipoxia diel-ciclismo e mudanças cíclicas no pH. Abertura de válvula foi medida em ostras submetidas a cíclica severa hipoxia (0,6 mg/L) dissolvido condições de oxigênio com e sem mudanças cíclicas no pH, condições cíclicas suave hipóxica (1,7 mg/L) e condições normoxic (7,3 mg/L). Demonstramos que quando deparamos com ostras diel repetidos ciclos, eles rapidamente fechem suas conchas em resposta à hipoxia severa e fechem com um intervalo de tempo à hipoxia suave. Quando normoxia é restaurado, eles rapidamente abrir novamente. As ostras não respondeu às condições de pH cíclico sobrepostas a diel ciclismo hipoxia severa. Em condições de oxigênio reduzido, mais de um terço das ostras fechadas simultaneamente. Demonstramos que ostras respondem à hipoxia diel-andar de bicicleta, que deve ser considerada quando avaliar o comportamento de moluscos bivalves de oxigênio dissolvido. A válvula SGM pode ser usada para avaliar as respostas dos moluscos bivalves para alterações em oxigénio dissolvido ou contaminantes. Técnicas para melhor selo de vedação do válvula gape extensómetros da água do mar precisa de novas melhorias para aumentar a longevidade dos sensores.

Introduction

Hipóxia, ou seja, dissolvido as concentrações de oxigênio [] suficientemente baixo para afetar negativamente biológicas e processos ecológicos, mas muitas vezes funcionalmente definida como [fazer] < 2 mg / L¹e anóxia (funcionalmente definida como [fazer] de 0.0-0.2 mg/L) ocorrem mais frequentemente e severamente em águas costeiras do mundo, estuários e o oceano profundo²^,³ e são muitas vezes agravada pela crescente eutrofização⁴^,⁵. Com uma extensão de areal crescente de hipóxia e anóxia, macrofauna são afetados negativamente e perder a medida do habitat e qualidade de habitat. Mudança climática prevê-se a agravar a hipóxia e anóxia⁶.

Em muitos estuários estratificados, enriquecidos com nutrientes como Chesapeake Bay, Estados Unidos, hipóxia sazonalmente persistente pode prevalecer e pode ocorrer ano após ano². Além disso, diel-ciclismo de hipóxia é frequente em estuários como a Baía de Chesapeake e outros locais e ocorre tarde durante a noite ou de madrugada no verão⁷^,⁸.

A maioria dos estudos centraram-se sobre os efeitos da exposição contínua dos organismos para baixo [fazer] e sua tolerância à hipóxia e anóxia⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. Além disso, estudos têm olhou para a mudança em grande escala na composição de espécies distribuições, abundâncias e espécies em resposta ao prolongado baixa [fazer]⁴^,¹⁵. Frequentemente espécies que são muito sensíveis à baixa [,] morrer em massas,¹⁶ deslocando as restantes espécies de uma fauna mais jovem, de menor porte, curta duração, como, por exemplo, encontradas no ecossistema Louisiana-Texas prateleira⁴.

Mudanças comportamentais normalmente precedem comunidade colapso¹⁷ e estudos relataram sobre respostas comportamentais dos organismos para estendido baixa [fazer]⁴^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹ ^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵. Estes estudos, no entanto, não se concentre as respostas dos organismos para exposições diel-ciclismo de hipóxia e a natureza flutuante do [fazer] disponibilidade em estuários.

Hipoxia Diel-ciclismo em estuários rasos tem recebido crescente sensibilização como estudos monitorar [fazer] mais frequentemente ao longo dos dias com sondas em estuários¹⁶^,²⁶. Água pode permanecer hipóxica por horas no final da noite ou de madrugada no verão quando não há nenhuma fotossíntese geradora de oxigênio durante a noite mas o alto consumo de oxigênio de⁷^,de respiração aeróbia¹⁶. Também foi encontrado que as marés afetou o diel ciclismo de baixas condições de fazer com a mais extremas mínimos observados quando as marés baixa coincidiu com o fim da noite²⁷. Só depois de várias horas de hipóxia [fazer] voltar a normoxia⁷^,¹⁶^,²⁸ do ciclo diário.

Para determinar a resposta comportamental de c. virginica hipóxia diel-ciclismo e pH nós monitorados a abertura e fechamento das válvulas de ostras expostas ao laboratório induzido diel cíclico e ciclismo de [fazer] pH. Gape respostas de bivalves têm sido utilizadas para detectar condições ambientais adversas. Tampas de válvula de bivalves em resposta a contaminantes²⁹^,³⁰^,³¹, algas tóxicas³²^,³³^,³⁴, poluição térmica³⁵^,³⁶ ^, ³⁷,³⁸^,³⁹^,⁴⁰, alimentação regime³⁹^,⁴¹, emersão³⁷^,⁴², fotoperíodo⁴³ diminuir a quantidade de alimentos ^, ⁴⁴, pH⁴⁵^,⁴⁶e combinado de pH e oxigênio dissolvido⁴⁷ foram medidos. Técnicas de abertura, por exemplo, incluíram observações diretas⁴⁸^,⁴⁹^,¹³, medições contínuas usando ímãs (Dreissena monitor)⁵⁰e reed switches ou sensores de fibra óptica ⁵¹ que requerem água clara. Além disso, sensores de Hall de força magnética e campo magnético têm sido usados para estudar o mexilhão gape ângulo⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵e um sistema de indução eletromagnética de alta frequência que pode, a medida da variação da distância entre duas bobinas elétricas que são coladas nas válvulas foi usado⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹. Uma fonte de alta tensão é necessária para o sistema de indução eletromagnética e poder tem que ser entregue para ambos os lados do escudo⁵². Este sistema também é comercialmente disponível como o “MOSSELMONITOR” (http://mosselmonitor.nl/).

Em um orçamento apertado pesquisa, construímos um monitor barato Extensômetro (SGM) para medir continuamente gape ostra sobre induzida em laboratório diel ciclismo de [fazer] e pH, em condições de baixa visibilidade. Nosso sistema também é muito mais simples do que os sistemas concorrentes, permitindo que muitos animais para serem instrumentados durante um experimento. Nós queríamos determinar as respostas comportamentais de c. virginica para diel ciclismo severa ([] = 0,6 mg/L) hipóxia com pH de controle (pH = 7,8) e ciclagem de pH (pH = 7,8-7.0), respectivamente e gape respostas a suave ([] = 1,7 mg/L) hipóxia. Além disso, queríamos determinar se as ostras são capazes de responder rapidamente às mudanças em [] sobre o diel ciclo e como eles respondem quando normoxia retorna após um evento hipóxico. Talvez as ostras são otimamente adaptadas ao ambiente rapidamente flutuante que é encontrado em muitos estuários¹⁶^,²⁷ onde eles vivem. Enquanto mais complexa válvula gape monitores estão disponíveis, a SGM oferece uma técnica de baixo custo que permite medições contínuas de válvula gape nas águas, mesmo em condições de baixa visibilidade.

Figura 1. Ponte de Wheatstone para o aparelho de abertura da válvula. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os calibre de tensão sensores para monitorar gape bivalves são filmes resistivos em um padrão de Meandro em um revestimento protetor de poliimida. Pequenas quantidades de estirpe modulam a resistência do sensor. Os bivalves flexiona o gage estirpe quando ele gapes causando uma mudança na resistência do sensor. Utilizamos uma ponte de Wheatstone anulação, equilibrada, para cada canal de bivalves, como mostrado na Figura 1 para medir a mudança na resistência do sensor. A ponte de Wheatstone é anulada pelo potenciômetro que permite um ganho bastante elevado ser empregado pelo datalogger. Uma ponte de Wheatstone é um método padrão para medir com precisão uma resistência desconhecida usando um rácio para uma resistência conhecida padrão e um voltímetro. A história desta técnica muito antiga é discutida em Ekelof (2001)⁶⁰. 12 canais, cada um com sua própria ponte de Wheatstone e anulação potenciómetro, integrados a unidade Strain Gauge Monitor (SGM).

Protocol

1. construção da ponte de Wheatstone para o aparelho de Gape de válvula Nota: O calibre de tensão é nominalmente 1000 Ω, tão totalmente equilibrar e nulo a ponte, todos os componentes devem ser Ω de 1000. Como na Figura 1, solda kΩ dois 1 resistores de precisão uns aos outros e depois para um resistor Ω ~ 976 e um Ω 100 10 Gire o potenciômetro. O intervalo de calibre de tensão típica é Ω alguns fora a 1000 Ω nominal, tão somente que es…

Representative Results

Ostras expostas a normoxic ininterrupto de água estuarinas (sem hipóxia durante a fase de platô baixa do ciclo diário) estavam abertas a maior parte do tempo e apenas brevemente fechado com pouca frequência (Figura 5). Quando eles fecharam variadas da ostra de ostra. Esse padrão também foi encontrado por Loosanoff e Nomejko 194644 e Higgins 198039. Ostras também não respondeu à diferença nas fases cla…

Discussion

Típico de estudos enfocam o contínuo, estendido períodos de tempo, das condições de baixo oxigênio e a resposta, muitas vezes medido como a sobrevivência, dos animais. No entanto, neste momento, nosso entendimento das respostas comportamentais dos animais à hipoxia diel-ciclismo é mínima⁶³. Assim, mais estudos devem centrar-se sobre o comportamento dos organismos em resposta à hipoxia diel-ciclismo que ocorre regularmente durante o verão em muitos estuários⁷<su…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Agradecemos a Melinda Forseth para tirar fotos de ostras e medir sua largura de abertura no ImageJ. Agradecemos Denise Breitburg acesso para os aquários com diel ciclismo hipóxia e as condições de pH cíclico. Agradecemos o centro de investigação ambiental Smithsonian, Edgewater, Maryland, espaço para os experimentos. Os experimentos de hipóxia foram financiados por uma Administração Nacional Oceânica e atmosférica – centro para bolsa de investigação de oceano costeiro patrocinado não. NA10NOS4780138 e o fundo de Hunterdon Smithsonian para Denise Breitburg. A válvula gape medições durante a hipóxia experimentos foram financiados por uma concessão de realce do corpo docente pela Universidade de Washington para 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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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).