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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Environment

Ein DMS-Monitor (SGM) für Ventil klaffen Dauermessungen in Muscheln Muscheln als Reaktion auf Hypoxie Labor induzierte Diel-Radfahren und pH-Wert

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

Verständnis der Verhaltensreaktionen von zweischaligen Aussetzung-Zubringer zu Umgebungsvariablen wie gelöster Sauerstoff, kann einige Ökosystemprozesse erklären. Wir haben einen kostengünstige, Labor-basierte, DMS-Monitor (SGM) Ventil Gape Antworten von Austern, Crassostrea Virginica, Messen, Diel Radfahren Hypoxie und zyklischen pH entwickelt.

Abstract

Ein preiswerte, Labor-basierte DMS Ventil Gape Monitor (SGM) wurde entwickelt, um das Ventil Gape Verhalten von Muscheln als Reaktion auf Hypoxie Diel-Radfahren zu überwachen. Eine Wheatstone-Brücke wurde mit Dehnungsmessstreifen verbunden, die die Schalen der Austern (Crassostrea Virginica) zugeordnet wurden. Die aufgezeichneten Signale erlaubt für das Öffnen und Schließen der Muscheln, kontinuierlich über aufgezeichnet werden jeweils zweitägigen Perioden der experimentell induzierten Diel Radfahren Hypoxie und Diel Radfahren Veränderung des pH-Wertes. Hier wir beschreiben ein Protokoll für eine kostengünstige DMS-Monitor zu entwickeln und in einem Laborexperiment Beispiel beschreiben, wie wir es verwendet, um das Ventil Gape Verhalten Messen Eastern Austern (C. Virginica), als Reaktion auf Hypoxie Diel-Radfahren und zyklische Veränderungen des pH-Wertes. Ventil Gape auf Austern ausgesetzt zyklischen schweren hypoxischen (0,6 mg/L) gemessen wurde aufgelöst sauerstoffbedingungen mit und ohne zyklische Veränderungen im pH-Wert, zyklische milde Hypoxie (1,7 mg/L) und Inklusieve (7,3 mg/L) Bedingungen. Wir zeigen, dass wenn Austern wiederholte Diel Zyklen begegnen, sie schnell ihre Schalen als Reaktion auf schwere Hypoxie schließen und mit einer zeitlichen Verzögerung zur Milde Hypoxie schließen. Wenn normoxiezustand wiederhergestellt wird, öffnen sie schnell wieder. Austern reagierte nicht auf zyklische pH-Bedingungen Diel Radfahren schwere Hypoxie überlagert. Bei reduzierten sauerstoffbedingungen mehr als ein Drittel der Austern gleichzeitig geschlossen. Wir zeigen, dass Austern auf Diel Radfahren Hypoxie reagieren, die berücksichtigt werden müssen bei der Beurteilung des Verhaltens der Muscheln zu Sauerstoff aufgelöst. Das Ventil SGM kann verwendet werden, um Antworten von Muscheln auf Änderungen an gelöstem Sauerstoff oder Verunreinigungen zu beurteilen. Dichtungstechniken für bessere Abdichtung brauchen Ventil Gape Dehnungsmessstreifen aus Meerwasser weitere Verbesserungen erhöhen die Lebensdauer der Sensoren.

Introduction

Hypoxie, d.h. aufgelöst Sauerstoffkonzentrationen [] ausreichend niedrige um sich negativ auf biologische und ökologische Prozesse aber oft funktionell definiert als [tun] < 2 mg / L¹und Sauerstoffmangel (funktional definiert als [tun] 0,0-0,2 mg/L) treten immer häufiger und stark in der Welt Küstengewässer, Flussmündungen und die Tiefen des Ozeans²^,³ auf und sind oft verschärft durch die zunehmende Eutrophierung⁴^,⁵. Mit areal in zunehmendem Maße von Hypoxie und Anoxie Makrofauna negativ beeinflusst und verlieren Lebensraum Umfang und Lebensraumqualität. Der Klimawandel wird voraussichtlich Hypoxie und Anoxie⁶verschlechtern.

In vielen geschichtete, Nährstoff angereicherte Flussmündungen wie Chesapeake Bay, USA saisonal anhaltende Hypoxie kann sich durchsetzen und Jahr für Jahr²auftreten kann. Darüber hinaus Diel-Radfahren von Hypoxie ist häufig in Flussmündungen wie der Chesapeake Bay und an anderen Orten und tritt spät während der Nacht oder den frühen Morgenstunden in der Sommer-⁷^,–⁸.

Die meisten Studien konzentrierten sich auf die Wirkung der Dauerbelastung von Organismen zu niedrigen [tun] und auf ihre Toleranz gegenüber Hypoxie und Anoxie⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. Darüber hinaus haben Studien der großen Verschiebung der Artenzusammensetzung Distributionen, Häufigkeiten und Arten als Reaktion auf Erweiterte niedrig [tun]⁴^,¹⁵angeschaut. Oft Arten, die sehr empfindlich auf niedrige in Massen sterben [],¹⁶ verlagert die übrigen Arten, eine jüngere, kleinere, kurzlebige Fauna wie zum Beispiel auf der Louisiana-Texas Regal Ökosystem⁴gefunden.

Verhaltensänderungen in der Regel vorausgehen Gemeinschaft Zusammenbruch¹⁷ und Studien haben berichtet, auf Verhaltensreaktionen von Organismen auf Erweiterte niedrig [tun]⁴^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹ ^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵. Diese Studien jedoch konzentrieren nicht auf den Antworten von Organismen Diel-cycling Belichtungen von Hypoxie und dem schwankenden Charakter [tun] Verfügbarkeit in Flussmündungen.

Diel-Radfahren Hypoxie in seichten Flussmündungen erhielt Sensibilisierung als Studien zu [tun] mehr überwachen häufig im Laufe der Tage mit Sonden in Flussmündungen¹⁶^,²⁶. Wasser kann für Stunden am Ende der Nacht oder am frühen Morgenstunden im Sommer hypoxischen bleiben wenn es keine Photosynthese Sauerstoff erzeugenden während der Nacht aber hohe Sauerstoff verbrauchenden gibt aerobe Atmung⁷^,¹⁶. Ferner wurde festgestellt, dass die Gezeiten die Diel beeinflusst Radfahren niedrig-Bedingungen mit den extremen Minima beobachtet, wenn Ebbe fiel mit dem Ende der Nacht²⁷. Erst nach mehreren Stunden der Hypoxie [tut] normoxiezustand⁷^,¹⁶^,²⁸ im täglichen Zyklus zurückkommen.

Bestimmen die Verhaltensreaktion C. Virginica Diel Radfahren Hypoxie und pH-Wert wir überwacht das Öffnen und Schließen der Ventile von Austern ans Labor induzierte Diel Radfahren [tun] und zyklischen pH. Gape Antworten von Muscheln wurden zur ungünstigen Umweltbedingungen erkennen. Ventil-Schließungen von Muscheln als Reaktion auf Verunreinigungen²⁹^,³⁰^,³¹, giftige Algen³²^,³³^,³⁴, thermische Verunreinigung³⁵^,³⁶ ^, ³⁷, Essen Quantität verringern³⁸^,³⁹^,⁴⁰, Fütterung Regime³⁹^,⁴¹, auftauchen³⁷^,⁴², Photoperiode⁴³ ^, ⁴⁴, pH⁴⁵^,⁴⁶, und kombinierte pH und gelösten Sauerstoff⁴⁷ wurden gemessen. Gape Techniken haben, direkte Beobachtungen⁴⁸^,⁴⁹^,¹³, kontinuierliche Messungen mit Reed-Schalter und Magnete (Dreissena Monitor)⁵⁰oder faseroptischen Sensoren beispielsweise enthalten. ⁵¹ , die klares Wasser benötigen. Darüber hinaus wurden Magnet und Magnetfeld Stärke-Hall-Sensoren zur Muschel Gape Winkel⁵²^,⁵³^,⁵⁴^,⁵⁵, und eine hochfrequente elektromagnetische Induktionssystem studieren dass die unterschiedlichen Distanz zwischen zwei elektrischen Spulen, die auf den Ventilen geklebt werden bislang⁵⁶^,⁵⁷^,⁵⁸^,⁵⁹verwendet. Eine Hochspannungsquelle ist erforderlich für die elektromagnetische Induktionssystem und macht hat an beiden Seiten der Schale⁵²geliefert werden. Dieses System ist auch als “MOSSELMONITOR” (http://mosselmonitor.nl/) im Handel erhältlich.

Auf einem engen Forschungsbudget wir einen kostengünstige DMS-Monitor (SGM) kontinuierlich zu Auster Gape Messen über Labor-induzierte Diel gebaut [tun] Radfahren und pH unter schlechten Sichtverhältnissen. Unser System ist auch viel einfacher als konkurrierende Systeme, so dass viele Tiere während eines Experiments instrumentiert werden. Wir wollten herausfinden, die Verhaltensreaktionen von C. Virginica , Diel Radfahren schwere ([] = 0,6 mg/L) Hypoxie mit Kontrolle pH (pH = 7,8) und Radsport pH (pH = 7,8-7.0) bzw. und Gape Antworten zu Mild ([] = 1,7 mg/L) Hypoxie. Darüber hinaus wollten wir um festzustellen, ob Austern in der Lage sind, auf Veränderungen schnell reagieren, [] über die Diel Zyklus und wie sie reagieren, wenn normoxiezustand nach einem hypoxischen Event kehrt zurück. Vielleicht sind Austern optimal angepasst an die stark schwankenden Umgebung, die in vielen Flussmündungen¹⁶^,²⁷ gefunden wird, wo sie leben. Während komplexer Ventil Gape Monitore zur Verfügung stehen, bietet der SGM eine preiswerte Technik, die Dauermessungen Ventil klaffen in den Gewässern auch bei schlechten Sichtverhältnissen ermöglicht.

Abbildung 1. Wheatstone-Brücke für den Ventil Gape Apparat. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die DMS-Sensoren zur Überwachung von zweischaligen Gape eingesetzt sind resistive Filme in einem Mäander-Muster auf einem Polyimid sichern. Geringe Mengen an Stamm modulieren den Widerstand des Sensors. Die Muscheln beugt DMS, wenn es klafft verursacht eine Änderung in der Widerstand des Sensors. Wir Beschäftigten eine Abgleich, ausgewogene, Wheatstone-Brücke für jeden zweischaligen Kanal, wie in Abbildung 1 dargestellt, um den Wandel im Widerstand des Sensors messen. Die Wheatstone-Brücke ist durch das Potentiometer ermöglicht eine relativ hohe Verstärkung durch den Datenlogger eingesetzt werden wwww. Eine Wheatstone-Brücke ist eine Standardmethode für die präzise Messung einen unbekannten Widerstand Verhältnis zu einem bekannten Widerstand standard und ein Voltmeter. Die Geschichte dieser uralten Technik ist in Ekelof (2001)⁶⁰diskutiert. Wir haben 12 Kanäle, jeweils mit eigenem Wheatstone-Brücke und Abgleich Potentiometer in DMS-Monitor (SGM) Einheit integriert.

Protocol

1. Bau der Wheatstone-Brücke für das Ventil Gape Gerät Hinweis: Die DMS ist nominell 1000 Ω, also in vollem Umfang auszugleichen und null, die Brücke, alle Komponenten sollte 1000 Ω. Wie in Abbildung 1drehen Lot zwei 1 kΩ Präzisionswiderstände zueinander und dann zu einem ~ 976 Ω Widerstand und eine 100 Ω 10 Potentiometer. Das typische DMS ist ein paar Ω aus der 1000 Ω nominal, nur dieser Widerstand muss angepasst werden. Verwenden Sie zu di…

Representative Results

Austern, die ununterbrochene Inklusieve Mündungs Wasser (keine Hypoxie während der niedrigen Plateauphase des täglichen Zyklus) ausgesetzt waren die meiste Zeit offen und selten nur kurz geschlossen (Abbildung 5). Wenn sie abwechslungsreiche von Auster, Austern geschlossen. Dieses Muster ist auch in Loosanoff und Nomejko 194644 und Higgins 198039festgestellt worden. Austern reagierte auch nicht auf die Differ…

Discussion

Typische Studien Fokus auf kontinuierliche, erweitert Zeiträume der sauerstoffarmen Bedingungen und die Antwort, die oft als das Überleben der Tiere gemessen. Zur Zeit ist unser Verständnis von Verhaltensreaktionen von Tieren zur Hypoxie Diel Radfahren jedoch minimal⁶³. Daher sollten weitere Studien auf das Verhalten der Organismen als Reaktion auf Hypoxie Diel-Radfahren konzentrieren, die tritt regelmäßig im Laufe des Sommers in vielen Flussmündungen⁷^,<sup…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken für die Fotos von Austern und Messen ihre klaffen Breite in ImageJ Melinda Forseth. Wir danken Denise Breitburg für den Zugriff auf die Aquarien mit Diel Radfahren Hypoxie und zyklischen pH-Bedingungen. Wir danken dem Smithsonian Environmental Research Center, Edgewater, Maryland, Raum für Experimente. Die Hypoxie-Experimente wurden von einem National Oceanic and Atmospheric Administration – Zentrum für gesponserte Coastal Ocean Research Grant Nein finanziert. NA10NOS4780138 und dem Smithsonian Hunterdon Fonds, Denise Breitburg. Das Ventil klaffen Messungen während der Hypoxie, die Experimente durch eine Fakultät für Verbesserung von Washington College, Elka T. Porter finanziert wurden.

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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