Hanteer- en merktechnieken voor het implanteren van juveniele Amerikaanse elft met een nieuwe akoestische microtransmitter

Summary

Dit artikel geeft een gedetailleerde procedure voor optimale hanteringspraktijken en implantatie van een akoestische microzender in juveniele Amerikaanse elft. De resultaten van onze laboratoriumstudie suggereren dat deze merktechnieken kunnen worden geïmplementeerd in veldstudies van juveniele Amerikaanse elften met een hoge overlevingskans.

Abstract

Het gebruik van telemetrietechnieken om het gedrag en de overleving van jonge Amerikaanse elften (Alosa sapidissima) beter te begrijpen, terwijl ze door waterkrachtsystemen migreren, is een uitdaging geweest omdat het algemeen bekend is dat elften bijzonder gevoelig zijn voor hantering. Het doel van deze studie was om een tagging-protocol te ontwikkelen met behulp van een nieuwe, akoestische microzender die de schadelijke effecten van het tagging-proces minimaliseert en de overleving van juveniele Amerikaanse elft na het taggen maximaliseert. Het beperken van het hanteren van water en het gebruik van brak zout water (7,5 delen per duizend) voor en na het zenderen verbeterde de overleving van elft met behulp van een eenvoudige borstimplantatiemethode. Dit protocol biedt een gedetailleerde, stap-voor-stap procedure voor het taggen van jonge elften met akoestische zenders. Vissen die met deze procedure werden gelabeld en 60 dagen in het laboratorium werden gehouden, hadden een overlevingspercentage van 81,5%, vergeleken met 70% voor hun niet-gemerkte tegenhangers. De succesvolle merk- en hanteringspraktijken die in deze studie zijn ontwikkeld, kunnen worden toegepast op veldtelemetriestudies van jonge elften en andere gevoelige soorten.

Introduction

Amerikaanse elft (Alosa sapidissima) is een anadrome vissoort die inheems is aan de oostkust van de Verenigde Staten. Verminderde beschikbaarheid van habitat en toegenomen ontwikkeling van hydro-elektrische dammen hebben geleid tot een afname van de populatie elften in hun oorspronkelijke verspreidingsgebied ^1,2. Juveniele elften en andere alosines kunnen tijdens hun migratie naar de oceaan bijzonder gevoelig zijn voor letsel en sterfte bij het passeren van hydro-elektrische structuren ^3,4,5. Inzicht in de doorgang en overlevingskansen van jonge elften bij waterkrachtdammen is van cruciaal belang voor het informeren van de hervergunningverlening van deze faciliteiten en voor herstelinspanningen voor de soort. Het ontbreekt echter aan succesvolle merktechnieken om de doorgang en overlevingskansen van Amerikaanse elften te beoordelen terwijl ze naar de oceaan migreren. Elften die zijn getagd met zenders voor telemetrieonderzoeken moeten representatief zijn voor de niet-gelabelde populatie van inferentie en mogen niet negatief worden beïnvloed door de tag of het tagging-proces ^6,7.

Om het vermogen om jonge elften te volgen te verbeteren, heeft het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) een nieuwe akoestische microzender ontwikkeld voor het bestuderen van Amerikaanse elften en andere vissoorten met vergelijkbare compressievormige lichaamstypes. Een van de meest voorkomende uitdagingen bij het bestuderen van Amerikaanse elften en andere alosinen is hun gevoeligheid voor hantering, transport en tagging in vergelijking met andere soorten. Raquel et ^al.8 ontdekten bijvoorbeeld dat de sterfte aan hantering en vrachtvervoer consequent hoger was voor jonge Amerikaanse elften dan voor de andere vijf soorten jonge vissen in hun studie. Van de weinige gepubliceerde studies die de inspanningen om juveniele Amerikaanse elften te zenden hebben geëvalueerd, is een breed scala aan overleving gerapporteerd, van slechts 2% na 7 dagen⁹ en tot 100% na 48 uur na het merken van¹⁰ en er is zeer weinig informatie beschikbaar over overleving op langere termijn en zenderretentie voor gezenderde juveniele elft.

De uitdagingen bij het succesvol hanteren en merken van gevoelige soorten zoals de Amerikaanse elft hebben licht geworpen op de kennislacunes over hun migratie, gedrag en habitatgebruik. De mogelijkheid om bewegingen door waterkrachtdammen te volgen, zou het begrip van doorgangs- en overlevingskansen voor Amerikaanse elften aanzienlijk vergroten. Het zou helpen bij het nemen van managementbeslissingen voor bestaande waterkrachtcentrales en nieuwe ontwerpen voor systemen die de effecten op vissoorten en levensfasen minimaliseren die nog niet eerder zijn bestudeerd. Naarmate nieuwe zendertechnologie wordt ontwikkeld, is het absoluut noodzakelijk om de effecten van de zender en het tagging-proces te begrijpen om vooringenomenheid te minimaliseren en passage en overleving nauwkeurig te beoordelen. De doelstellingen van deze studie waren het evalueren van de 60-daagse overleving van juveniele Amerikaanse elft die was gemerkt met een nieuwe akoestische microzender en het bieden van een behandelings- en merkprotocol dat de negatieve effecten van het merken op elften zou verminderen, waardoor ze beter vergelijkbaar zouden worden met hun niet-gelabelde tegenhangers.

Protocol

PNNL is geaccrediteerd door de Vereniging voor Beoordeling en Accreditatie Proefdierverzorging. Amerikaanse elften werden behandeld in overeenstemming met de federale richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van proefdieren11, en de protocollen voor onze studie werden uitgevoerd in overeenstemming met en goedgekeurd door PNNL’s Institutional Animal Care and Use Committee. 1. Voorbereiding van een post-tagging recovery tank Als brak zout water (7,5 ppt) niet direct beschikbaar is, gebruik dan een statisch systeem voor het vasthouden van elft met de juiste beluchting en circulatie gedurende 1-2 dagen voordat het wordt vrijgelaten (Figuur 1). Installeer in een statische, ronde tank een luchtliftsysteem om voor beluchting te zorgen. Sluit een PVC-buis aan op de zijkant van de tank, zodat er zich aan de bovenkant een T-stuk bevindt, een ander T-stuk zich in het midden bevindt en een afgeschermde fitting op de onderkant van de buis wordt geschroefd. Sluit vervolgens een luchtsteen aan op een persluchtleiding en plaats de luchtsteen op de bodem van de buis bij het scherm.NOTITIE: Het scherm voorkomt dat vissen in het luchtbrugsysteem zwemmen. Vul de tank met vers water totdat de uitgangspoort (middelste PVC-T-stuk) van de luchtbrug ongeveer halverwege onder water staat. Draai vervolgens het water dicht.Schakel vervolgens de luchttoevoer in en verhoog deze totdat het beluchte water dat de poort verlaat een gerichte stroom creëert voor de vissen om zich te oriënteren. Voeg commercieel zeezout toe om een brakke zoutwateroplossing van 7,5 ppt te maken en roer tot het is opgelost. 2. Bereiding van zoutwatervisbronemmer en zoutwateranesthesieoplossing Meet 7,5 g zeezout af voor elke 0,5 L water en los op in een emmer.OPMERKING: In stap 3.5 wordt een gelijk volume zoet water met de elft toegevoegd om een uiteindelijke concentratie van 7,5 ppt te creëren. Meet in een andere emmer 7,5 g zeezout af en los het op voor elke liter water.Voeg 120 mg tricaïnemethaansulfonaat (MS-222) toe, gebufferd met 120 mg natriumbicarbonaat per liter zout water. Voeg extra lucht toe aan de verdovingsemmers. 3. Verzamelen van elft met een water-naar-water overplaatsing in brak zout water Vul een andere emmer gedeeltelijk met vers water en plaats deze zijwaarts in de pre-tagging brontank. Gebruik een net of hand om de elft voorzichtig in de emmer te laten zwemmen. Zodra er een geschikt aantal vissen in de emmer zit, zet u de emmer rechtop en zet u deze vast met een geperforeerd deksel. Giet overtollig water door het deksel en houd de vis in de beoogde hoeveelheid zoet water (d.w.z. de helft van het volume van de laatste zoutwaterbronemmer van 7.5 ppt). Giet de elft en het zoetwater voorzichtig in de zoutwaterbronemmer die in stap 2.1 is voorbereid.OPMERKING: Het uiteindelijke zoutgehalte is 7,5 ppt. Voorzie de pre-tag visbronemmer van extra lucht met behulp van een aquariumluchtpomp en luchtsteen om de opgeloste zuurstof op een acceptabel niveau te houden (>90% verzadiging is ideaal). 4. Implantatie van een akoestische zender in een elft Desinfecteer de zenders gedurende 20 minuten in 70% ethanol en spoel ze voor gebruik af met steriel water. Gebruik een dompelnet met gladde, extra fijne mazen (~0,4 mm) om een vis uit de bronemmer in de verdovingsemmer te vangen. Elft zou zijn evenwicht en spinale reflexen moeten verliezen in ~2-3 minuten, afhankelijk van de watertemperatuur en andere waterkwaliteitsparameters. Eenmaal volledig verdoofd tot stadiumvier 12, gebruikt u een gehandschoende hand om de vis voorzichtig op een natte meetplank te plaatsen om de lengte te verkrijgen. Verplaats de vis in een met water gevulde weegboot op een getarreerde weegschaal om zijn gewicht te verkrijgen. Noteer de lengte en het gewicht, de akoestische tagcode en eventuele opmerkingen over de toestand van de vis voorafgaand aan het taggen, zoals kalkverlies of bloedingen. Plaats de vis in een transfercontainer gevuld met verdovingszout water en lever deze, samen met de akoestische zender, af bij de vischirurg. Leg de vis met de linkerkant naar beneden op een nat, waterbestendig schuimkussen dat is voorbereid met een v-groef (Figuur 2A).NOTITIE: De v-groef zorgt ervoor dat de vis niet te veel glijdt tijdens de procedure en zorgt ervoor dat water zich rond de bek van de vis kan verzamelen, zodat deze actief water over zijn kieuwen kan trekken. Voer vers water naar de bek van de vis via slangen die zijn bevestigd aan een door zwaartekracht gevoed waterreservoir. Maak met behulp van een gedesinfecteerd of gloednieuw #11 roestvrijstalen chirurgisch mes een 3 mm lange incisie verticaal tussen de myomeren nabij het distale uiteinde van de borstvin. Verwijder indien nodig een schub aan de punt van het mes als deze de huid van de vis blokkeert.Steek de zender voorzichtig in de incisie en duw deze naar achteren totdat de hele tag in de lichaamsholte rust (Figuur 2B). Gebruik indien nodig het stompe uiteinde van de scalpel (of een pincet met fijne punt) om het label voorzichtig volledig in te brengen. Plaats de gezenderde vis in een kleine bak van 7,5 ppt zout water met beluchting om de vis te laten herstellen van de anesthesie. Zodra de vis weer in evenwicht is, brengt u water naar water over van de opvangbak naar de opslagtank na het labelen met 7,5 ppt zout water. Laat de gezenderde vissen 1-2 dagen voor de vrijlating herstellen in zout water.

Representative Results

Er werden twee reeksen tagging-evaluaties uitgevoerd om de werkzaamheid van het taggen van juveniele elften aan te pakken – voorlopige proeven in 2020 en een langetermijnonderzoek in 2021. In november 2020 werden bij PNNL voorlopige laboratoriumevaluaties uitgevoerd om een voorkeursmethode te bepalen voor het implanteren van Amerikaanse elft met een nieuwe akoestische microtransmitter. Prototype-zenderontwerpen (n = 4, P1-P4) werden gecombineerd met verschillende zenderlocaties (maag, borst, bekken en dorsaal) voor een gecombineerd totaal van 4 unieke akoestische zender-tagging-locatiebehandelingen (n = 40 vissen per behandeling, tabel 1). Alle testvissen werden willekeurig toegewezen aan een behandelings- en vuilwatertank. Testvissen werden gedurende 14 dagen in 2 opslagtanks gehouden met gelijke aantallen vissen van elke behandeling (d.w.z. 20 vissen per behandeling) per tank. Gedurende de eerste 2 dagen van de evaluatie werden elften gehouden in brak zout water (7,5 ppt) en mochten ze herstellen van het taggen en hanteren. Vervolgens werden de tanks voor de rest van de evaluatieperiode overgeschakeld op doorstromend zoet water. Voor de voorlopige evaluatie varieerden de gemerkte vissen en de met vinnen geknipte bedieningselementen in grootte van 50-80 mm in vorklengte. De overleving van de juveniele elft en het vasthouden van de tag waren het hoogst voor vissen die via een incisie in de borst waren geïmplanteerd in vergelijking met de andere tagging-technieken (Figuur 3). Aanvullende pilotevaluaties toonden ook aan dat hanteringstechnieken zoals water-naar-water-overdrachten en het vasthouden van vis in brak zout water voor en na stressvolle gebeurtenissen, zoals taggen, van cruciaal belang waren voor het verhogen van de overlevingskansen. Met behulp van de succesvolle tagging- en handlingprotocollen uit de voorlopige evaluatie werd in 2021 een laboratoriumstudie uitgevoerd bij PNNL om de overleving van 60 dagen op lange termijn en het behoud van tags te evalueren van juveniele Amerikaanse elft die was geïmplanteerd met een akoestische zender met behulp van de pectorale incisie-tagging-methode. Bij de evaluatie op lange termijn werd gebruik gemaakt van de dummyzender P5 (figuur 4), een verbeterd prototypeontwerp dat qua vorm en grootte vergelijkbaar is met het P1-ontwerp dat in de voorlopige evaluatie werd gebruikt. De gemiddelde afmetingen en het gewicht van de dummy P5-tag waren 7,6 mm lang × 2,3 mm in diameter en een gewicht in lucht van 0,058 g (standaarddeviatie 0,002 g), wat resulteerde in een tagbelasting van <1%. Het prototype van de akoestische zender met functionele componenten (afbeelding 4) heeft afmetingen van 7,6 mm lang x 2,0 mm in diameter en een gewicht in lucht van 0,050 g. Jonge Amerikaanse elften die bij de langetermijnevaluatie werden gebruikt, waren op het moment van testen al 4 maanden in gevangenschap gehouden. Hoewel het experiment was ontworpen om gelijke aantallen behandelings- en controlevissen gedurende een periode van 60 dagen in twee tanks te houden, waren de resterende elften op het moment van taggen laag. Daarom werden er willekeurig meer elften toegewezen aan de getagde behandelingsgroep dan aan de controlegroep om een beter begrip te krijgen van de werkzaamheid op lange termijn van de tagging-techniek op elft. Elk van de twee tanks bevatte 27 behandelingsvissen en 9 of 10 controlevissen. Aangezien de overleving van tank A (13,8%) echter aanzienlijk slechter was dan die van tank B (78,4%; Fisher’s exact-test, p < 0,001) en er was geen verschil in overleving tussen de getagde en controlegroepen binnen elke tank, alleen de resultaten voor tank B zijn hier opgenomen. Elften (vorklengte 69-105 mm; gewicht 3,9-11,7 g) werden ofwel gelabeld met de P5-zender met behulp van de borstincisie (n = 27) of toegewezen aan de controlegroep (n = 10). Controlevissen werden behandeld met behulp van dezelfde procedures, waaronder ~ 20 s op het operatiekussen worden geplaatst, maar ze kregen geen vinclip of incisie en werden ook niet geïmplanteerd met een zender. Na het taggen werden beide behandelingsgroepen gedurende 1 dag in brak zout water (7,5 ppt) gehouden en vervolgens overgeschakeld op doorstromend rivierwater voor de rest van het onderzoek. De overleving na 60 dagen was 81,5% voor de getagde groep en 70% voor de niet-gelabelde controles (Figuur 5). Overleving voor getagde vissen in deze evaluatie werd gedefinieerd als zowel overleving als het vasthouden van tags, omdat het uitdrijven van tags niet kan worden onderscheiden van een sterftegebeurtenis in een telemetrieonderzoek. Er was geen significant verschil in overleving tussen de twee groepen (Fisher’s exact-test, P = 0,884); Het vermogen om een verschil te detecteren was echter 38,4% vanwege de kleine steekproefomvang. Hoewel het vermogen om een verschil tussen de behandelingen te detecteren laag was, tonen de resultaten van de langetermijnevaluatie aan dat dit hanterings- en taggingprotocol met matig succes kan worden gebruikt om Amerikaanse elft te implanteren met akoestische zenders. Figuur 1: Post-tagging recovery tank gevuld met brak zout water. Een airliftsysteem levert zuurstof aan de statische tank. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Akoestische transmitter implantatie van een Juveniele Amerikaanse elft. Juveniele Amerikaanse elft (A) met een incisie in de borst en (B) met de dummy P5-zender in de incisie. Let op, de mond van de elft is gedeeltelijk ondergedompeld in water dat uit de blauwe slang stroomt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.  Figuur 3: Overlevingspercentage over een voorlopige evaluatie van 14 dagen met één groep niet-gelabelde controles en vier getagde groepen juveniele Amerikaanse elft. De getagde behandelingen bestonden uit vier tagging-locaties (maag, borst, bekken en dorsaal) elk gekoppeld aan een uniek prototype van de zender (P1-P4). Overleving van de gezenderde vis werd gedefinieerd als zowel overleving als het behoud van de merktekens. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.  Figuur 4: Akoestische en dummyzenders voor het zenderen van jonge Amerikaanse elften. (A) Functionele akoestische microtransmitter en (B) het prototype van de dummy P5-zender, die werd gebruikt in het 60 d laboratoriumoverlevingsonderzoek. Merk op dat de cijfers 4-7 op de liniaal centimeters vertegenwoordigen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.  Figuur 5: Overlevingspercentage van Amerikaanse elften gedurende een langlopend onderzoek naar het vasthouden van 60 dagen. Juveniele elften werden ofwel ongelabeld (Untagged Controls; ononderbroken lijn) of getagd (Tagged [Pectoral P5]; stippellijn) met een dummyzender. Overleving van de getagde groep werd gedefinieerd als zowel overleving als tagbehoud. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.  Tag Type Locatie taggen N Vork Lengte (mm) Gemiddeld taggewicht (SD; g) Tag-last (%) Overleving (%) Gemiddelde tijd om te taggen/knippen (s) Bereik Gemiddelde (SD) Blz. 1 Gastrisch 40 50 – 76 60 (6.0) 0.058 (0.003) 1.5 – 5.2 45 12 P2 Pectoral 40 50 – 78 60 (7.3) 0.039 (0.001) 1.0 – 3.2 80 23 Blz.3 Bekken 40 50 – 70 58 (5.3) 0.039 (0.001) 1.0 – 4.1 55 26 Blz. 4 Dorsaal 40 50 – 80 61 (6.8) 0.088 (0.004) 0 60 57 Beheersen N.v.t. (Clip) 40 50 – 80 59 (5.7) N.v.t. 0 92.5 14 Tabel 1:Tagging- en overlevingsinformatie voor Amerikaanse elften die zijn geïmplanteerd met prototypezenders (P1-P4) of gemarkeerd met clips van de bovenste staartvin en de onderste staartvin (controle) als onderdeel van de voorlopige evaluatie. De locatie van de tag voor de controlegroep is niet van toepassing (NA) omdat deze vissen alleen vinclips (Clip) hebben ontvangen. Merk op dat het tagtype P4 een neutraal drijvend ontwerp was. De standaarddeviatie (SD) van het gemiddelde staat tussen haakjes.

Discussion

De noodzaak om de bewegingen van jonge Amerikaanse elften rond waterkrachtcentrales te bestuderen, heeft geleid tot de ontwikkeling van een behandelings- en merkprotocol om de overleving van gezenderde elften te verbeteren. Bij PNNL resulteerden de eerste pogingen om jonge elften te implanteren met een nieuwe akoestische zender, zonder het gebruik van zout water, binnen 24 uur in 100% sterfte. Het daaropvolgende, zorgvuldig ontwikkelde hanterings- en merkprotocol toonde aan dat Amerikaanse elft kan worden geïmplanteerd met een akoestische microtransmitter en langdurig kan worden vastgehouden in een laboratoriumomgeving met een hoog overlevingspercentage (81,5%). Het minimaliseren van de behandeling buiten het water en het gebruik van brak zout water voor en na het zenderen was essentieel voor het succes van het zenderen van jonge Amerikaanse elft.

In de voorlopige evaluatie werden elften zo klein als 50 mm gelabeld met een dummy-zender met behulp van vier implantatiemethoden. Gastric tagging, een van de meest gebruikelijke methoden voor het taggen van volwassen elft 13,14,15 had veelbelovende resultaten tijdens pilottests, maar had een hoge incidentie van tagverlies tijdens de voorlopige evaluatie. Implantatie via een bekkenincisie is met succes gebruikt om de bewegingen van volwassen Twaite-elften^{te bestuderen 16} en dorsale aanhechtingen zijn gebruikt voor kortetermijnmonitoring van juveniele Amerikaanse elft¹⁰. Meer recent werd tag-implantatie via een incisie in de borst gebruikt om bewegingen op langere termijn van volwassen elften in zowel rivier- als mariene omgevingen te bestuderen¹⁷. In de voorlopige evaluatie bij PNNL presteerde de locatie van de borstincisie beter dan de drie andere geëvalueerde locaties, en de 7-d overleving na tagging was meer dan 90%.

Over het algemeen toonden de resultaten van deze evaluaties aan dat de overleving van gezenderde elft vergelijkbaar was met de overleving van niet-gelabelde elft na de duur van de levensduur van de batterij van de akoestische zender, die naar verwachting ~30 dagen zal zijn met een akoestisch signaal dat elke 5 seconden wordt uitgezonden.

Dit zenderontwerp en tagging-protocol zijn veelbelovend voor het bestuderen van kleine, gevoelige en bedreigde vissoorten zoals Amerikaanse elft in veldtoepassingen, waardoor onderzoekers waardevolle informatie kunnen verkrijgen over visbewegingen in de buurt van waterkrachtcentrales. Deze tagging-techniek zal bijvoorbeeld worden gebruikt in een toekomstige veldtoepassing om het gedrag van akoestisch gelabelde jonge elften te bestuderen wanneer ze de overlaat en krachtpatser van een hydro-elektrische dam naderen. De resultaten van studies in de rivier kunnen de managementbeslissingen in deze faciliteiten beter onderbouwen en kunnen helpen de soort gedurende hun jonge levensfase te behouden. Toekomstige studies moeten de doeltreffendheid van deze procedure voor het merken en volgen van riviervissen in veldomstandigheden evalueren. Bovendien zijn deze technieken gemakkelijk overdraagbaar op het implanteren van elften of andere gevoelige soorten met Passive Integrated Transponder (PIT)-tags, die gedurende hun hele levensgeschiedenis langdurige monitoring kunnen bieden.

Materials

#11 stainless steel surgical blade	Exel	29502	purchased from Med-Vet International; no real preference on blade vendor
#11 stainless steel surgical blade	Miltex	MIL4-311	purchased from Med-Vet International; no real preference on blade vendor
2 gallon bucket	Leaktite	#2GL White Pail
acoustic transmitter for American shad	Pacific Northest National Laboratory	Patent-Pending	BattelleIPID: 32500
air stone	Pentair	AS3
aquarium air pump	Tetra	Whisper
dissolved oxygen meter	YSI	ProODO or ProSolo
ethanol	Decon Laboratories	2805HC
fine mesh net	Blue Ribbon	ABLEC8
fish holding tank	Reiff Manufacturing	NA	round aquaculture tank
foam garden kneeler	Tommyco	12003
plastic storage container	Ziploc	discontinued; 8oz container with lid
PVC cement	Oatey	30821
PVC pipe	Charlotte Pipe	NA	PVC Schedule 40 2" diameter
PVC primer	Oatey	30757
PVC tee	Charlotte Pipe	NA	2" PVC Schedule 40 S x S x S Tee
sea salt	InstantOcean	SS15-10
silicone tubing 3/16"	Pentair	tp30s	tubing to supply water during tagging
sodium bicarbonate	Fisher Chemical	S233-500
sterile water	NA	NA	water is sterilized using an autoclave
tricaine methanesulfonate	Syndel USA	15650
tubing for airline	Hydromaxx	1403038050