Snel testen van de weerstand van hout tegen biologische afbraak door mariene houtborende schaaldieren
Summary
Dit protocol presenteert een methode voor het beoordelen van de voedingssnelheid van het houtborende schaaldier Limnoria door de productie van fecale pellets te meten. Deze methode is ontworpen voor gebruik in niet-gespecialiseerde laboratoria en heeft potentieel voor opname in standaard testprotocollen, om verbeterde houtduurzaamheid onder maritieme omstandigheden te evalueren.
Abstract
Houtborende ongewervelde dieren vernietigen snel zeehout en houten kustinfrastructuur en veroorzaken elk jaar miljarden dollars aan schade over de hele wereld. Aangezien behandelingen van hout met breedspectrum biociden, zoals creosoot en gechromateerd koperarsenaat (CCA), nu door wetgeving worden beperkt in gebruik in de zee, zijn natuurlijk duurzame houtsoorten en nieuwe conserveringsmethoden van hout vereist. Deze methoden worden getest om te voldoen aan wettelijke normen, zoals de Europese norm voor het testen van houtconserveringsmiddelen tegen scheepsboorders, EN 275. Het eerste onderzoek naar duurzame houtsoorten of houtconserveringsbehandelingen kan snel en goedkoop worden bereikt door middel van laboratoriumtests, wat veel voordelen biedt ten opzichte van mariene veldproeven die doorgaans kostbare, langdurige inspanningen zijn. Veel soorten Limnoria (gribble) zijn mariene houtborende schaaldieren. Limnoria zijn ideaal voor gebruik in laboratoriumtests van de biologische afbraak van hout door mariene houtboorders, vanwege de praktische bruikbaarheid van het fokken in aquaria en het gemak van het meten van hun voedingssnelheden op hout. Hierin schetsen we een standaardiseerbare laboratoriumtest voor het beoordelen van de biologische afbraak van hout met behulp van gribble.
Introduction
Houtboorders kunnen uitgebreide schade toebrengen aan mariene houten structuren, zoals zeewering, pieren en aquacultuurstructuren; waarvan de vervanging of restauratie wereldwijd miljarden dollars per jaar kost1,2,3. Om deze structuren te beschermen, wordt hout vaak behandeld om de biologische afbraak te verminderen. Vanwege de beperking van het gebruik van breedspectrum biociden in Australië, de EU, het VK en de VS, in het mariene milieu, zijn echter nieuwe modificatietechnieken en houtsoorten die van nature duurzaam zijn voor boren gewild4,5,6,7. Nieuwe technieken voor het behoud van hout in het mariene milieu vereisen grondige tests om te voldoen aan wettelijke normen en de milieueffecten van gevaren zoals uitloging van chemische conserveermiddelen te beperken. Zo wordt de Europese norm EN 275, de huidige Europese norm uit 1992, gebruikt om houtconserveringsbehandelingen te evalueren tegen schade aan houtboorders in zee8,9. Deze norm, samen met andere wetgevingen tegen het gebruik van biocideverbindingen, zoals CCA4,5,6,7 en creosoot10, vereist duurzame, niet-toxische methoden voor houtbescherming en het gebruik van van nature duurzame houtsoorten ter vervanging van biocidebehandelingen11,12 . Mariene proeven, zoals die gespecificeerd in EN 275, vereisen lange blootstellingsperioden en zijn dus duur en traag om zinvolle resultaten op te leveren. Laboratoriumtests bieden echter een veel sneller alternatief voor testmethoden voor het conserveren van houtproducten tegen aanvallen van houtboorders in zee, waardoor snelle evaluatie van aanpassingen in behandelingsschema’s mogelijk is13. De resultaten van dit snelle laboratoriumexperiment zijn ontworpen om nieuwe modificatieprocessen van hout te informeren en om houtsoorten te identificeren met natuurlijke duurzaamheid voor boorschade. Een lage voedingssnelheid en vitaliteit kunnen wijzen op een verhoogde weerstand in potentiële producten en deze informatie kan vervolgens worden teruggekoppeld naar industriële partners om hen in staat te stellen ontwerpen te verbeteren. Onze methode maakt een wendbare en snelle reactie mogelijk, die wenselijk is in de industrie, en zodra veelbelovende producten zijn geïdentificeerd, kunnen de resultaten worden aangevuld met die van mariene proeven.
Gribbles (Limnoria) is een geslacht van kreeftachtigen uit de familie Limnoriidae. Er zijn wereldwijd meer dan 60 soorten Limnoria13,14,15, met drie veel voorkomende soorten in het Verenigd Koninkrijk, Limnoria lignorum, Limnoria tripunctata en Limnoria quadripunctata16. Ze boren tunnels op het oppervlak van hout dat wordt ondergedompeld in zeewater, vaak met economisch aanzienlijke schade tot gevolg. Gribbles zijn zeer overvloedig aanwezig in de britse kustwateren en zijn gemakkelijk te onderhouden onder laboratoriumomstandigheden, waardoor ze ideale organismen zijn voor de studie van de biologische afbraak van hout door ongewervelde zeedieren. Het evalueren van de voedingssnelheden en vitaliteit van gribbles op verschillende houtsoorten en houtconserveringsmethoden kan de effectiviteit van hun weerstand tegen biologische afbraak bepalen. Het volgende protocol beschrijft een standaardmethode voor het meten van gribblevoedingssnelheden, ontwikkeld op basis van de door Borges en collega’s beschreven 12,17, naast het stroomlijnen van de introductie van beeldanalyse om het proces bedienbaar te maken in niet-gespecialiseerde laboratoria. Beeldanalyse wordt ook gebruikt om de praktische beperkingen van het handmatig tellen van een groot aantal monsters te verminderen. Duurzaamheid bij langdurige mariene tests, volgens de Britse norm EN350-1:1994, worden beoordeeld in verwijzing naar Pinus sylvestris spinthout18. In de hier gepresenteerde laboratoriumtests op korte termijn gebruiken we grove den (Pinus sylvestris L) spinthout als controle voor het testen van kernhout van de soorten ekki (Lophira alata Banks ex C.F Gaertn), beuk (Fagus sylvatica L), tamme kastanje (Castanea sativa Mill) en terpentijn (Syncarpia glomulifera (Sm.) Nied). De gemiddelde productie en vitaliteit van fecale pellets tussen acht replicaties per houtsoort werd gebruikt als indicator voor duurzaamheid. We bieden illustratieve gegevens verzameld uit een typische evaluatie, met behulp van de gribble-soort Limnoria quadripunctata en een reeks natuurlijk duurzame houtsoorten. Limnoria quadripunctata, geïdentificeerd door de sleutels van Menzies (1951), werd geselecteerd als de optimale soort voor biologische afbraakproeven vanwege het feit dat het het meest bestudeerde lid van de familie is en goed ingeburgerd is als een modelsoort voor gebruik in biologische afbraakproeven. Dit protocol is ook van toepassing op het testen van bossen met verschillende behandelingen, hoewel de gebruikte controle onbehandelde replicaties van dezelfde soort moet zijn.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voordat gribblespecimens worden geselecteerd voor gebruik in het voedingsexperiment, moeten individuen worden gescreend om hun geschiktheid te beoordelen. Er kan enige variatie in voedingssnelheid tussen individuen zijn als gevolg van verschillen in grootte, dus alleen volgroeide volwassen exemplaren moeten worden geselecteerd. Borges et al., 200917, hebben geen significant verschil tussen de voedingssnelheid van individuen tussen 1,5 mm en 3 mm gedetecteerd. Vrouwelijke Limnoria broeden…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dank aan de Onderzoeksraad van Noorwegen (Oslo Regional Fund, Alcofur rffofjor 269707) en de Universiteit van Portsmouth (Faculty of Science PhD research bursary) voor het verstrekken van financiering voor de studies van Lucy Martin. Ook aan Gervais S. Sawyer die het hout leverde dat werd gebruikt om de representatieve resultaten te genereren. Terpentijn werd geleverd door Prof. Philip Evans van de Universiteit van 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
- Morrell, J. J., Kutz, M. Protection of wood-based materials. Handbook of environmental degradation of materials, 3rd ed. , 343-368 (2018).
- 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).
- Buslov, V., Scola, P. Inspection and structural evaluation of timber pier: case study. Journal of Structural Engineering. 117 (9), 2725-2741 (1991).
- 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)
- 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)
- 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)
- 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)
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cookson, L. Australasian species of Limnoriidae (Crustacea: Isopoda). Memoirs of the Museum of Victoria. 52 (2), 137 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- Menzies, R. . The phylogeny, systematics, distribution, and natural history of limnoria. , 196-208 (1951).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Treu, A., et al. Durability and protection of timber structures in marine environments in Europe: An overview. BioResources. 14 (4), 10161-10184 (2019).
- 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).
- Purnell, P. The carbon footprint of reinforced concrete. Advances in Cement Research. 25 (6), 362-368 (2013).
- Hill, C. A. S. The environmental consequences concerning the use of timber in the built environment. Frontiers in Built Environment. 5, 129 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
