We introduce the VacuSIP, a simple, non-intrusive, and reliable method for clean and accurate point sampling of water. The system was developed and evaluated for the simultaneous collection of the water inhaled and exhaled by benthic suspension feeders in situ, to cleanly measure removal and excretion of particulate and dissolved compounds.
Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and detritus, and excreting particulate and dissolved compounds, they serve as important agents for benthic-pelagic coupling. Accurately measuring the compounds removed and excreted by suspension feeders (such as sponges, ascidians, polychaetes, bivalves) is crucial for the study of their physiology, metabolism, and feeding ecology, and is fundamental to determine the ecological relevance of the nutrient fluxes mediated by these organisms. However, the assessment of the rate by which suspension feeders process particulate and dissolved compounds in nature is restricted by the limitations of the currently available methodologies. Our goal was to develop a simple, reliable, and non-intrusive method that would allow clean and controlled water sampling from a specific point, such as the excurrent aperture of benthic suspension feeders, in situ. Our method allows simultaneous sampling of inhaled and exhaled water of the studied organism by using minute tubes installed on a custom-built manipulator device and carefully positioned inside the exhalant orifice of the sampled organism. Piercing a septum on the collecting vessel with a syringe needle attached to the distal end of each tube allows the external pressure to slowly force the sampled water into the vessel through the sampling tube. The slow and controlled sampling rate allows integrating the inherent patchiness in the water while ensuring contamination free sampling. We provide recommendations for the most suitable filtering devices, collection vessel, and storing procedures for the analyses of different particulate and dissolved compounds. The VacuSIP system offers a reliable method for the quantification of undisturbed suspension feeder metabolism in natural conditions that is cheap and easy to learn and apply to assess the physiology and functional role of filter feeders in different ecosystems.
مغذيات تعليق القاعية تلعب أدوارا أساسية في أداء النظم الإيكولوجية البحرية 1. من خلال تصفية كميات كبيرة من المياه 2،3، وإزالة وتفرز الجسيمات (العوالق والمخلفات) والمركبات الذائبة 1 (والمراجع فيها) والتي تشكل عاملا مهما من بين القاعية البحرية اقتران 4،5 والمغذيات الدراجات 6،7. قياس بدقة الجسيمات وحلت المركبات إزالتها والتي تفرز مغذيات تعليق القاعية (مثل الإسفنج، المزقييات، الأشواك، وذوات الصدفتين) هو أمر أساسي لفهم علم وظائف الأعضاء، والتمثيل الغذائي، والبيئة التغذية الخاصة بهم. جنبا إلى جنب مع ضخ قياسات معدل، فإنه يمكن أيضا تقدير حجم تدفقات المواد الغذائية بوساطة هذه الكائنات والتأثير البيئي على نوعية المياه فضلا عن العمليات على نطاق والنظام البيئي.
اختيار الطريقة المناسبة لقياس إزالة والإنتاج معدلات الجسيمات وكوم المنحلجنيه فلتر مغذيات تعليق أمر حاسم للحصول على بيانات موثوق بها بشأن نشاط التغذية من 8. كما أشار Riisgård وغيرها، غير لائقة النتائج منهجيات التحيز وتشويه ظروف تجريبية، إنتاج تقديرات غير صحيحة من الابتلاع وإفراز مواد معينة، ويمكن أن يؤدي إلى تقدير خاطئ لتدفقات المواد الغذائية المصنعة من قبل هذه الكائنات.
طريقتين المستخدمة في معظم الأحيان لقياس جسيمات وتدفقات المغذيات الذائبة في مغذيات الترشيح تنطوي إما حضانة (تقنيات غير المباشرة) أو جمع في وقت واحد من المحيط والمياه الزفير (تقنيات المباشرة). وتعتمد تقنيات الحضانة على قياس معدل التغير في تركيز الجسيمات والمواد الغذائية الذائبة في الماء المحتضنة، وتقدير معدلات الإنتاج أو إزالة مقارنة مع الضوابط الكافية 8. ومع ذلك، أرفق كائن حي في غرفة الحضانة يمكن أن يغير feedin لهاز وضخ السلوك نتيجة للتغيرات في النظام التدفق الطبيعي، وذلك بسبب انخفاض الأكسجين و / أو في تركيز المواد الغذائية، أو بسبب تراكم مركبات افرازه في 7،9 المياه الحضانة (والمراجع فيها). بالإضافة إلى آثار الولادة وإمدادات المياه المعدلة، وجود تحيز كبير من التقنيات حضانة ينبع من آثار إعادة الترشيح (انظر على سبيل المثال 10). على الرغم من أن بعض هذه المشاكل المنهجية التي تم التغلب عليها باستخدام حجم المناسب وشكل سفينة الحضانة 11 أو مع إدخال نظام جرس جرة إعادة تدوير في الموقع 12، هذا الأسلوب غالبا ما يقلل إزالة والإنتاج أسعار الفائدة. قياس استقلاب المركبات الذائبة مثل النيتروجين المذاب العضوية (DON) والكربون (DOC) أو المواد الغذائية غير العضوية، وقد ثبت أن تكون عرضة بشكل خاص لالتحيزات الناجمة عن تقنيات الحضانة 13.
في أواخر 60s و 70s في وقت مبكر، هنري Reiswig9،14،15 رائدا في تطبيق تقنيات المباشرة لتحديد إزالة الجسيمات من الإسفنج العملاقة في منطقة البحر الكاريبي، عن طريق أخذ عينات بشكل منفصل الماء استنشاق والزفير من قبل الكائنات الحية في الموقع. نظرا لصعوبة تطبيق تقنية Reiswig على مغذيات تعليق أصغر وفي ظروف تحت الماء أكثر تحديا، واقتصر الجزء الأكبر من البحوث في هذا المجال إلى المختبر (في المختبر) استخدام تقنيات حضانة غير المباشرة في الغالب 16. أصلحت ياهيل وزملاؤه مباشرة في Reiswig في تقنية الموقع على العمل في ظروف نطاق أصغر. طريقتهم، وصف INEX 16، يقوم على أخذ العينات تحت الماء في وقت واحد من الماء استنشاقه (في) والزفير (خروج) من قبل الكائنات الحية دون عائق. وتراكيز مختلفة من مادة (على سبيل المثال، والبكتيريا) بين زوج من عينات (INEX) يوفر قدرا من الاحتفاظ (أو الإنتاج) من هذه المادة من قبل الحيوان. تقنية INEX توظف أنابيب مفتوحة وتعتمد على طائرة إفراغي التي تنتجها النشاط ضخ الكائن درس ليحل محل سلبي على المياه المحيطة في أنبوب جمع. في حين ياهيل وزملاؤه طبقت بنجاح هذه التقنية في دراسة شملت أكثر من 15 تعليق مختلف مغذيات الأصناف (على سبيل المثال، 17)، يتم تقييد طريقة من مستوى عال من الممارسة والخبرة اللازمة، حسب حجم ضئيلة من بعض فتحات إفراغي، و حالة البحر.
للتغلب على هذه العقبات، قمنا بتطوير تقنية بديلة تقوم على شفط رقابة من الماء عينات من خلال أنابيب دقيقة (القطر الخارجي <1.6 مم). وكان لدينا هدف إلى إنشاء جهاز بسيط وموثوق بها، وغير مكلفة من شأنها أن تسمح نظيفة وتسيطر عليها في عينات المياه خارج الوضع من وجهة نظر محددة جدا، مثل فتحة إفراغي من مغذيات تعليق القاعية. أن تكون فعالة، وطريقة يجب أن يكون غير تدخلية حتى لا تؤثر على نظام تدفق المحيطة أو تعديل بehavior من الكائنات التي شملتها الدراسة. ويطلق على الجهاز المعروضة هنا VacuSIP. هو تبسيط نظام SIP التي وضعتها ياهيل وآخرون. (2007) 18 لأخذ العينات نقطة أساس ROV في أعماق البحار. وVacuSIP هو أرخص بكثير من SIP الأصلي وتم تكييفه للعمل على أساس الغوص. وقد صمم هذا النظام وفقا للمبادئ التي قدمت واختبارها من قبل رايت وستيفنز (1978) 19 وMøhlenberg وRiisgård (1978) (20) لبيئة معملية.
وعلى الرغم من تصميم نظام VacuSIP لفي دراسات الموقع من عملية التمثيل الغذائي للمغذيات تعليق القاعية، ويمكن أن تستخدم أيضا لدراسات مخبرية وحيثما هو مطلوب، عينة المياه نقطة مصدر التحكم ونظيفة. هذا النظام هو مفيد خصوصا عندما يطلب من التكامل على فترات طويلة (مين ساعة) أو في الفلترة الموقع. وقد استخدم VacuSIP بنجاح في المختبر ياهيل منذ عام 2011، ولديه أيضااستخدمت في اثنين من الدراسات التي أجريت مؤخرا من تدفقات المواد الغذائية بوساطة أنواع الإسفنج البحر الكاريبي والبحر الأبيض المتوسط 21 (مورجانتي آخرون المقدمة).
استخدام عينات محددة، ومدة أخذ العينات لفترات طويلة، والظروف الميدانية، التي يتم تطبيقها VacuSIP، يستلزم بعض الانحرافات من بروتوكولات المحيطات القياسية لجمع وتصفية وتخزين العينات لمدة التحاليل الحساسة. للحد من مخاطر التلوث من قبل النظام VacuSIP أو احتمال تعديل المياه عينات من النشاط البكتيري بعد جمع، نحن اختبار مختلفة في إجراءات الترشيح وتخزين الموقع. تم فحص الأجهزة المختلفة الترشيح، والسفن جمع، وإجراءات تخزين من أجل تحقيق هذه التقنية الأكثر مناسبة لتحليل حل غير العضوية (PO 4 3-، أكاسيد النيتروجين – NH 4 +، شافي 4) والعضوية (DOC + DON) مركبات، وفائقة العوالق (<1081؛ م) والجسيمات العضوية (POC + PON) أخذ العينات. لمزيد من خفض خطر التلوث، خاصة في ظل الظروف الميدانية، تم تخفيض عدد من الخطوات التعامل إلى الحد الأدنى. يتم توجيه شكل البصرية التي يتم عرضها في طريقة لتسهيل التكاثر ويقلل من الوقت اللازم لتطبيق كفاءة هذه التقنية.
نبذة عن النظام
لأخذ عينات من الماء في الموقع التي يتم ضخها من مغذيات تعليق مع فتحات زافر صغيرة مثل 2 مم، هو تصور النشاط ضخ كل عينة لأول مرة عن طريق الإفراج عن تصفيتها فلوريسئين مصبوغ مياه البحر بالقرب من فتحة المستنشق (ق) ومراقبة التدفق من إفراغي الفتحة 16 (انظر أيضا الشكل 2B في 18). الماء استنشاق والزفير من قبل عينة الدراسة (incurrent وإفراغي) ثم يتم أخذ عينات في وقت واحد باستخدام زوج من أنابيب دقيقة مثبتة على مناور مبنية خصيصا أو على اثنين من "عالسيدة "لترايبود المحمولة مرنة رأسا على عقب (الشكل 1 والتكميلية فيديو 1). ويتم جمع المياه استنشاقه من قبل كائن الدراسة عن طريق وضع بعناية نهاية القريبة من أنبوب واحد داخل أو بالقرب من فتحة المستنشق للكائن الحي الدراسة. متطابقة ثم يتم وضع أنبوب داخل فتحة إفراغي. وتتطلب هذه العملية رعاية جيدة لتجنب الاتصال أو اضطراب الحيوان، على سبيل المثال، من خلال إعادة تعليق الرواسب. للبدء في أخذ العينات، غطاس يخترق الحاجز في وعاء جمع بإبرة حقنة تعلق على النهاية البعيدة من كل أنبوب، والسماح للضغط المياه الخارجية لإجبار المياه عينات في الإناء من خلال أنبوب أخذ العينات. وتبدأ شفط من فراغ إنشاؤها مسبقا في قارورة واختلاف الضغط بين الماء الخارجي وعاء العينة إجلاء .
لضمان جمع نظيفة من المياه الزفير وتجنب شفط عرضي AMBIوالأنف والحنجرة المياه 16، يحتاج معدل أخذ العينات الماء إلى أن يبقى على معدل أقل بكثير (<10٪) من معدل تدفق إفراغي. يتم التحكم في معدل الامتصاص من طول الأنبوب وقطره الداخلي (ID). كما يضمن القطر الداخلي صغير حجم القتلى لا يكاد يذكر (<200 ميكرولتر لكل متر من الأنابيب). أخذ العينات على فترات طويلة (دقائق إلى ساعات) يجعل من الممكن دمج patchiness المتأصل في معظم المواد المثيرة للاهتمام. للتأكد من أن العينات يتم الاحتفاظ بشكل كاف في جلسات أخذ العينات تحت الماء لفترات طويلة فضلا عن النقل إلى المختبر، وهو في الترشيح الموقع يستحب للالتحاليل الحساسة. وأملت اختيار السفن أخذ العينات، والتجمع، والترشيح، وأنابيب من الكائنات دراسة ومسألة بحثية محددة. البروتوكول هو موضح أدناه يفترض أن ملف تعريف التمثيل الغذائي الكامل هو من مصلحة (لمحة عامة انظر الشكل 2). ومع ذلك، فإن طبيعة وحدات من هذا البروتوكول يسمح وأو تعديل من السهل استيعاب مخططات أخذ العينات أبسط أو حتى مختلفة جدا. لمحة التمثيل الغذائي الكامل، ينبغي أن يتضمن بروتوكول أخذ العينات الخطوات التالية: (1) التصور التدفق. (2) التغذية أخذ العينات فائقة العوالق (العوالق <10 ميكرون). (3) أخذ العينات غير العضوية المغذيات امتصاص وإفراز (باستخدام مرشحات في خط)؛ (4) أخذ العينات حل امتصاص العضوية وإفراز (باستخدام مرشحات في خط)؛ (5) التغذية الجسيمات وإفراز (باستخدام مرشحات في خط)؛ (6) كرر الخطوة 2 (فائقة العوالق التغذية كما فحص الجودة)؛ (7) تدفق التصور.
عندما يكون ذلك ممكنا من الناحية اللوجستية، فمن المستحسن أن القياسات الشخصية الأيضية هي مجتمعة مع معدل الضخ (على سبيل المثال، الأسلوب سرعة صبغ الجبهة، في 16) وكذلك مع القياسات التنفس. من الأفضل أخذ هذه القياسات في بداية ونهاية الدورة أخذ العينات. لقياس التنفس، optodes تحت الماء أو الأقطاب الكهربائية الصغيرة هي الافضل.
الخطوات التحضيرية
قارورة جامعي لDOM وتحليل المواد الغذائية
منذ السفن جامع قد تتفاعل مع حل المكونات الدقيقة والجدران العينات قد تكون ركيزة لنمو البكتيريا 30-34، تم ?…
The authors have nothing to disclose.
نشكر مانيل بوليفار لمساعدته في العمل الميداني. ونحن ممتنون لل"بارك الطبيعية ديل مونتغري، ليه ميديس ط شرم BAIX تير" على دعمهم لدينا أذونات البحوث وأخذ العينات. تم تصميم مناور تحت الماء عن طريق ايليت دادون-Pilosof وملفقة من قبل السيد Pilosof. وأيد هذا العمل من قبل مشروع الحكومة الاسبانية CSI-كورال [عدد المنح CGL2013-43106-R إلى الصليب الأحمر وMR] وزمالة فبو من "MINISTERIO دي EDUCACION، ثقافة ذ ديبورتي (MECD)" لTM. وهذه مساهمة من الكيمياء الحيوية البحرية ومجموعة التغيير الأبحاث العالمية التي تمولها الحكومة الكاتالانية [منحة عدد 2014SGR1029] وقوى الأمن الداخلي منحة 1280-1213 والبنك السعودي الفرنسي منحة 2012089 لG. ياهيل.
GorillaPod, Original | Joby | GP000001 | flexible portable tripod |
Flangeless Ferrule | IDEX Health & Science | P-200X | 1/16" in Blue/pk |
Male Nut | IDEX Health & Science | P-205X | 1/16" in Green/10pk |
Female to Female Luer | IDEX Health & Science | P-658 | |
Female-Male Luer | IDEX Health & Science | P-655 | |
Peek Tubing (250µm ID) | IDEX Health & Science | 1531 | 1/16" OD x 0.01in ID x 5ft lenght. Alternative ID can be used |
Two component resin epoxy | IVEGOR | 9257 | Mix well the two component resin before use |
(TOC) EPA VIALS | Cole -Parmer | 03756-20 | 40 ml glass vials. Manifactured also by Thomas Scientific (ref. number 9711F09) |
HDPE VIALS | Wheaton | 986701 (E78620) | 20 ml high-density polyethylene vials |
Vacuette Z no additive | Greiner bio-one | 455001 | pre-vacuum by the manufacturer |
Septum Sample Bottles | Thomas Scientific | 1755C01 | 250 ml glass bottles |
Septum Cap 1 | Wheaton | W240844SP (E7865R) | 22-400 for HDPE vials |
Septum Cap 2 | Wheaton | W240846 (1078-5553) | 24-400 for glass vials and bottles. Also manufactured by Thermo Scientific National (ref. 03-377-42) |
In-line stainless steel Swinney Filter holders | Pall | 516-9067 | 13mm of diameter |
PTFE Seal Washer | Pall | 516-8064 | ring for stainless steel filter holders |
TCLP Glass Filters | Pall | 516-9126 | binder-free glass fiber filters, 13mm of diameter, pore size 0.7µm |
Polycarbonate Filter Holders | Cole -Parmer | 17295 | 13mm of diameter |
Isopore Membrane Filters | Millipore | GTTP01300 | 13mm of diameter, pore size 0.2 µm |
Contrad 2000 Solution | Decon Labs | E123FH | highly soluble basic mix of anionic and non-ionic surfactant solution |
Sterile Syringe Filters | VWR International Eurolab S.L. | 514-0061P | 25mm of diameter , pore size 0.2 µm |
Fluorescein | Sigma-Aldrich | (old ref.28802) 46955-100G | 100g |
Holdex, disposable,sterile | Greiner bio-one | 450263 | sterile, single-use tube holder with off-center luer for Vacuette |
Sterile Needles | IcoGammaPlus | 5160 | 0.7mm x 30mm |
Cryovials Nalgene | Nalgene | V5007(Cat. No.5000-0020) | 2ml |
Cryobox carton | Rubilabor | M-600 | 145x145x55mm p/microtube 1.5 ml |
Orthophosphoric Acid | Sigma | 79617 | |
Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | 500g |
Glutaraldehyde | Merck | 8,206,031,000 | 25%, 1 L |
Hand Vacuum Pump | Bürkle | 5620-2181 |