En simpel tilgang til manipulere Opløst ilt for Animal Behavior Observationer
Summary
Denne artikel beskriver en enkel og reproducerbar protokol til at manipulere opløst iltforholdene i et laboratorium indstilling for dyreadfærd studier. Denne protokol kan bruges i både undervisning og forskning laboratoriet indstillinger til evaluering organismal respons af smådyr, fisk eller padder på ændringer i koncentrationen af opløst ilt.
Abstract
Evnen til at manipulere opløst oxygen (DO) i laboratoriet har betydelig anvendelse for at undersøge en række økologiske og organismal adfærd spørgsmål. Den her beskrevne protokol giver en enkel, reproducerbar, og kontrolleret metode til at manipulere DO at studere adfærdsmæssige respons i akvatiske organismer hidrørende fra hypoxiske og iltfrie forhold. Under udførelsen af afgasning af vand med kvælstof er almindeligt anvendt i laboratoriet indstillinger, findes der ingen eksplicitte metode til økologisk (vand) anvendelse i litteraturen, og denne protokol er den første til at beskrive en protokol til degasify vand at observere organismal respons. Denne teknik og protokol blev udviklet til direkte ansøgning om vandlevende hvirvelløse dyr; dog små fisk, padder og andre akvatiske hvirveldyr let kunne erstattes. Det giver mulighed for nem manipulation af DO-niveauer i området fra 2 mg / l til 11 mg / l med stabilitet i op til 5 min dyr-observationsperiode.Beyond en 5 min observationsperiode begyndte vandtemperaturer at stige, og på 10 min DO niveauer blev for ustabil til at vedligeholde. Protokollen er skalerbar til studiet organisme, reproducerbar og pålidelig, giver mulighed for en hurtig gennemførelse i indledende undervisning laboratorier og højt niveau forskningsansøgninger. De forventede resultater af denne teknik bør relaterer opløst ilt ændringer adfærdsmæssige reaktioner af organismer.
Introduction
Opløst ilt (DO) er en vigtig fysisk-parameter vigtige i at mediere en række biologiske og økologiske processer i akvatiske økosystemer. Engagementer med akut og kronisk subletal hypoxi reducere vækstrater i visse vandinsekter og reducere overlevelsen af insekter udsat en. Denne protokol blev udviklet til at give en kontrolleret metode til at manipulere DO niveauer i stream vand at observere virkningerne på dyrs adfærd. Eftersom alle aerobe vandlevende organismer overlevelse afhænger af koncentrationen ilt for at leve og formere sig, indregnes ændringer i koncentrationen af DO afspejles ofte i adfærdsmæssige ændringer ved organismer. Flere mobile hvirvelløse vanddyr og fisk er observeret til at reagere på lave iltkoncentrationer (hypoxiske) ved at søge lokaliteter med højere DO 2,3. For mindre mobile vandlevende organismer, at adfærdsmæssige tilpasninger øge indtagelsen af DO kan være den eneste holdbare løsning. Den akvatiske makroinvertebrater rækkefølge Plecoptera (Stonefly) er blevet noteret for at udføre "Push-up" bevægelser for at øge strømmen af vand, og optagelsen af ilt, på tværs af deres eksterne gæller 4 – 6. Disse adaptive adfærd er blevet observeret i naturlige miljøer og i laboratorieforsøg.
Laboratorium manipulation af DO i vand åbner betydelige muligheder for dyrs adfærd studier, men store huller i metodiske implementering eksisterer. For eksempel er en undersøgelse brugte store akvarier til at evaluere den fysiologiske responstid på largemouth bas (Micropterus salmoides) til hypoxiske miljøer efter gasning med nitrogen, men ringe detalje er givet for den metode 7. En anden undersøgelse udført på zebrafisk (Danio rerio) beskrevet anvendelse af nitrogengas og en porøs sten til at levere gas til vand og reducere DO af vandet 8. For kemi-baserede applikationer, metoder til afgasning af opløsningsmidler udnytte specialiseredeApparatet 9 – 11 til fjerne oxygen fra opløsningsmidler, men ville ikke være egnet til dyrs adfærd studier. Mens disse undersøgelser anvender metoder til at fjerne oxygen fra vand, kunne der ikke beskrivende metode identificeres som ville give mulighed for evaluering af dyrenes adfærd som reaktion på DO ændringer.
Denne metode er beskrevet i det følgende er et forsøg på at fuldt beskrive en protokol for manipulation af DO af vand ved anvendelse af nitrogengas. Endvidere blev denne metode udviklet i retning af at observere relationer mellem Stonefly adfærd (pushups) og DO, der blev ansat i en freshman-niveau biologi laboratorium. En af de vigtigste fordele ved denne metode er, at det nemt kan udføres inden for et laboratorium med fælles glasvarer og materialer tilgængelige for de fleste sekundære og højere uddannelsesinstitutioner. Protokollen er også let at tilpasse, der giver mulighed for den enkelte at skalere procedure for at opfylde de mål, der er fastsat for forskning eller undervisning applikationer. </p>
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin
Denne procedure giver en enkel og effektiv måde at manipulere DO i et laboratorium indstilling til at udføre adfærdsmæssige undersøgelser på vandorganismer. Vi fandt der at være flere kritiske trin / elementer til at være opmærksom på, når du udfører dette eksperiment, der er direkte relateret til resultaterne. Inden for en prøveperiode, er det afgørende at opretholde trykkammeret for at undgå ændringer i partialtrykket af gasser over vandet, og efterfølgende DO udsving. Efter trine…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The Authors would first like to acknowledge all students from the freshman Biology 121- Ecology Module lab at Juniata College for their help in generating data used in this study. We would also like to thank Dr. Randy Bennett, Chris Walls, Sherry Isenberg, and Taylor Cox for their assistance in acquiring materials necessary to develop this methodology. Additionally, we would like to thank Dr. Norris Muth and Dr. John Unger for their advice on methodological development and Dr. Jill Keeney and the Biology department for their support of this endeavor. We would also like to thank the anonymous reviewers that have helped to shape and focus this manuscript. Last but not least, I'd like to thank Hudson Grant for his help with the initial stonefly collection for use in development of this technique
Materials
| Filter flask 2 L | Pyrex | 5340 | |
| Rubber Stopper size 6 | Sigma-Aldrich | Z164534 | |
| Nalgene 180 Clear Plastic Tubing | Thermo Scienfitic | 8001-1216 | |
| Whisper 60 air pump | Tetra | N/A | |
| Standard flexible Air line tubing | Penn Plax | ST25 | |
| 0.25 inch Copper tubing | Lowes Home Improvement | 23050 | |
| Male hose barb | Grainger | 5LWH1 | |
| Female Connector | Grainger | 20YZ22 | |
| Heavy Duty Dissolved Oxygen Meter | Extech | 407510 | |
| Nitrogen gas | Matheson TRIGAS | N/A | |
| Radnor AF150-580 Regulator | Airgas | RAD64003036 |
References
- Hoback, W., Stanley, D. Insects in hypoxia. J. Insect Physiol. 47 (6), 533-542 (2001).
- Craig, J., Crowder, L. Hypoxia-induced habitat shifts and energetic consequences in Atlantic croaker and brown shrimp on the Gulf of Mexico shelf. Mar Ecol-Prog Ser. 294, 79-94 (2005).
- Gaulke, G., Wolfe, J., Bradley, D., Moskus, P., Wahl, D., Suski, C. Behavioral and Physiological Responses of Largemouth Bass to Rain-Induced Reductions in Dissolved Oxygen in an Urban System. T Am Fish Soc. 144 (5), 927-941 (2015).
- Genkai-Kato, M., Nozaki, K., Mitsuhashi, H., Kohmatsu, Y., Miyasaka, H., Nakanishi, M. Push-up response of stonefly larvae in low-oxygen conditions. Ecol Res. 15 (2), 175-179 (2000).
- McCafferty, W. . Aquatic Entomology: The Fishermen’s and Ecologists’ Illustrated Guide to Insects and Their Relatives. , (1983).
- Chapman, L., Schneider, K., Apodaca, C., Chapman, C. Respiratory ecology of macroinvertebrates in a swamp-river system of east Africa. Biotropica. 36 (4), 572-585 (2004).
- Suski, C., Killen, S., Kieffer, J., Tufts, B. The influence of environmental temperature and oxygen concentration on the recovery of largemouth bass from exercise implications for live – release angling tournaments. J Fish Biol. 68, 120-136 (2006).
- Abdallah, S., Thomas, B., Jonz, M. Aquatic surface respiration and swimming behaviour in adult and developing zebrafish exposed to hypoxia. J Exp Biol. 218 (11), 1777-1786 (2015).
- Gassmann, H., Chen, C., Vermot, M. Method and apparatus for degassing viscous liquids and removing gas bubbles suspended therein. US patent. , (1974).
- Berndt, M., Schomburg, W., Rummler, Z., Peters, R., Hempel, M. Apparatus for degassing liquids. US patent. , (2001).
- Sims, C., Gerner, Y., Hamberg, K. Vacuum degassing. US patent. , (2002).
- Barbour, M., Gerritsen, J., Snyder, B., Stribling, J. Report number EPA 841-B-99-002. Rapid bioassessment protocols for use in streams and wadeable rivers. , (1999).
- Anderson, T., Darling, D. A Test of Goodness of Fit. J Am Stat Assoc. 49 (268), 765-769 (1954).
- Rounds, S., Wilde, F., Ritz, G. Chapter A6 Field Measurements. Section 6.2 DISSOLVED OXYGEN. National Field Manual for the Collection of Water-Quality Data. , (2013).
- Hem, J. . Study and Interpretation of the Chemical Characteristics of Natural. , (1985).
- Burggren, W. 34;Air Gulping" Improves Blood Oxygen Transport during Aquatic Hypoxia in the Goldfish Carassius auratus. Physiol Zool. 55 (4), 327-334 (2015).
- Frederic, H., Mathieu, J., Garlin, D., Freminet, A. Behavioral, Ventilatory, and Metabolic Responses to Severe Hypoxia and Subsequent Recovery of the Hypogean Niphargus rhenorhodanensis and the Epigean Gammarus fossarum (Crustacea: Amphipoda). Physiol Zool. 68 (2), 223-244 (2015).
- Ultsch, G., Duke, J. Gas Exchange and Habitat Selection in the Aquatic Salamanders Necturus maculosus and Cryptobranchus alleganiensis. Oecologia. 83 (2), 250-258 (1990).
