Name: macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix
Uploaded: 2020-07-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 13 s
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Die Autoren würdigen die Unterstützung und Finanzierung durch das GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Wir danken Professor L. Patricia Hernandez vom Department of Biological Sciences der George Washington University für die Inspiration der Untersuchung und die laufende Zusammenarbeit, die Bereitstellung biologischer Expertise zur Physiologie des Silberkarpfens und die Bereitstellung der Schleimproben. Wir danken den Studenten, Herrn David Palumbo, Frau Carly Cohen, Herrn Isaac Finberg, Herrn Dominick Petrosino, Herrn Alexis Renderos, Frau Priscilla Varghese, Herrn Carter Tegen und Herrn Raghav Pajjur für die Hilfe im Labor und Herrn Thomas Evans und Herrn James Thomas von TA Instruments, New Castle, DE für die Unterstützung bei der Ausbildung und Wartung des Rheometers. Die Bilder für die Abbildungen 5A,C wurden während einer Sezierung aufgenommen, die von Professor L. Patricia Hernandez vom Department of Biological Sciences der George Washington University durchgeführt wurde.

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Keine Interessenkonflikte deklariert.

Eines der Hauptziele bei der Entwicklung dieses Protokolls ist es, festzustellen, dass es sich gut für die rheologische Charakterisierung von GR-Schleim eignet, wenn sehr kleine Probenvolumina verfügbar sind. Wir erkennen an, dass mehr Proben aus einer Schule von Silberkarpfen benötigt werden, um die rheologischen Eigenschaften des GR-Schleims vollständig zu charakterisieren, und die hier vorgestellten Daten stellen keine Verallgemeinerung über die gesamte Silberkarpfenpopulation dar. Unsere Technik ist wegen ihrer ...

Der Silberkarpfen( Hypophthalmichthys molitrix) ist ein planktivorer Filterfresser und eine invasive Art, die mehrere natürliche Wasserstraßen in den Vereinigten Staaten infiltriert hat. Diese Art wurde ursprünglich im oberen Mississippi River Becken eingeführt, um Algenblüten1,2,3zu kontrollieren. Der Silberkarpfen ist ein äußerst effizienter Feeder. Typischerweise reichen die Partikelgrößen der Verbrauchsmaterialien von 4 bis 20 μm bis zu größerem Zooplankton, das etwa 80 μm3,4,5beträgt. Diese Art hat andere einheimische Fische ihnen abverdlichtet und kann durch die Begrenzung der verfügbaren Ressourcen enorme Schäden an einheimischen Wasserstraßen verursachen1,2,6. So stellen filterfütterende Fische wie der Silberkarpfen und der Großkopfkarpfen eine große Bedrohung für die Großen Seendar 1,2,6,7,8.
Filterfütternde Fische besitzen spezielle Organe, die als Kiemenrechen (GRs) bezeichnet werden, wobei sich eine dünne Schleimschicht auf ihrer Oberfläche befindet. Diese Organe verbessern die Effizienz der Filtration und Aggregation kleiner Partikel aus der ankommenden Flüssigkeit. Ziel des hier vorgestellten Protokolls ist es, die nicht-newtonsche, scherverdünnende Materialeigenschaft und streckgrenze des GR-Schleims zu charakterisieren, der von der innenfläche der Kiemenrechen im Silberkarpfen gewonnen wird. Der mit einem Rotationsrheometer ermittelte Wert der Streckgrenze des GR-Schleims ist in dieser Studie von Interesse. Die gemessene Streckgrenze, auch "scheinbare Streckgrenze" genannt, hängt von den Prüfverfahren wie Steady Shear Rate- oder Dynamic Oscillatory Strain-Typ9,10ab. Die scherverdünnende " Streckgrenzerflüssigkeit" durchläuft einen Übergang von festem zu flüssigkeitsähnlichem Verhalten bei einer kritischen angelegten Spannung9,11. Die scheinbare Streckgrenze ist die minimale Scherspannung, die erforderlich ist, um eine Strömung einzuleiten, oder die, bei der eine irreversible plastische Verformung zuerst beobachtet wird, wenn der Schleim von einem gelartigen Material zu einem flüssigkeitsähnlichen Material übergeht. Dieses Verhalten kann in strukturierten viskoelastischen Materialien beobachtet werden. Der Übergang vom gelartigen zum flüssigkeitsähnlichen Verhalten des GR-Schleims beinhaltet zwei Funktionen, d.h. eine Kleberolle zum Sammeln von Lebensmittelpartikeln und eine Transportfahrzeugrolle zur Unterstützung des Partikelabgabe- und Filtrationsprozesses. Die erweiterte Funktion des Schleims umfasst die Schaffung von Diffusionsbarrieren bei krankheitsresistenz und Atmung, die kontrollierte Freisetzung von Ernährungsfaktoren, toxischen Komponenten und Ausscheidungen, die Schaffung von Stoffwechselwegen für die Fütterung und Verschachtelung, die Unterstützung beim Schutz von Raubtieren und die Erzeugung von Grenzschichtmodifikationen, die die Fortbewegung und die Antriebseffizienz verbessern12,13,14.
Im Gegensatz zu einfachen Flüssigkeiten besitzen komplexe Flüssigkeiten wie der Schleim Eigenschaften, die mit den Strömungsbedingungen variieren und zusätzliche Messparameter erfordern, um ihr physikalisches Verhalten im Großmaßstab zu definieren. Zur Überwachung der Viskosität und Streckgrenze von GR-Schleim werden rheologische Messungen mit einem Rotationsrheometer durchgeführt. Das Rotationsrheometer wendet eine stetige oder oszillierende Scherspannung oder -dehnung mittels einer rotierenden Scheibe in Kontakt mit der Flüssigkeitsprobe an und misst deren Reaktion. Der Grund für die Verwendung dieses Instruments und dieser Technik ist, dass das Rheometer eine Reihe von Messungen liefern kann, um die Materialeigenschaften des GR-Schleims des Silberkarpfens zu beschreiben, die nicht allein durch viskose definiert werden können.
Der Schleim ist ein viskoelastisches Material und seine mechanische Reaktion auf eine auferlegte Verformung liegt zwischen der eines reinen Feststoffs (geregelt durch das Hookesche Elastizitätsgesetz) und der einer reinen Flüssigkeit (geregelt durch das Newtonsche Viskositätsgesetz)15,16. Das komplexe makromolekulare Netzwerk, das im Schleim enthalten ist, kann sich als Reaktion auf äußere Kräfte oder Verformungen dehnen und neu ausrichten. Ein Rotationsrheometer besteht aus einer Kegelgeometrie und einer Peltierplatte, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt (siehe Tabelle 1 für Die Spezifikationen der Instrumentierung). Ziel dieser Studie war es, ein Protokoll zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften des GR-Schleims zu entwickeln. Ein Vorteil des Rotationsrheometers gegenüber einem Viskosimeter ist seine Fähigkeit, dynamische Messungen mit kleinen Probenvolumina durchzuführen. Das GR-Schleimprobenvolumen in dieser Studie betrug etwa 1,4 ml. Das Viskosimeter hingegen ist auf konstante Scherraten beschränkt und erfordert große Probenvolumina.
Es wird erwartet, dass die rheologischen Eigenschaften des Schleims innerhalb der Anatomie des Silberkarpfens stark variieren. Zum Beispiel können sich die Eigenschaften des Schleims, der sich auf den GR-Oberflächen befindet, vom Epibranchialorgan unterscheiden. Um die potenzielle Variabilität der Schleimeigenschaften in verschiedenen Regionen der Fische zu berücksichtigen, wurde die erworbene GR-Schleimprobe verdünnt und Lösungen mit drei Konzentrationen wurden mit dem Rotationsrheometer erstellt und getestet. Die nach Der Durchführung des Protokolls gemeldeten Daten und Ergebnisse zur Schleimrheologie zeigten die Wirksamkeit der Messtechnik. Die in diesem Artikel vorgestellten illustrativen Daten sind nicht dazu gedacht, über die gesamte Silberkarpfenpopulation verallgemeinert zu werden. Das hier vorgestellte Protokoll kann erweitert werden, um die Schleimrheologie über größere Stichprobensätze hinweg zu untersuchen, um andere Hypothesen zu testen.
Ziel dieser Studie ist es, die Variation der rheologischen Eigenschaften der GR-Schleimrheologie mit drei verschiedenen Schleimkonzentrationen (400 mg/ml, 200 mg/ml und 100 mg/ml) nachzuweisen. Die Konzentration von 400 mg/ml stellt die rohe Schleimprobe dar, die aus den Fisch-GRs gewonnen wurde. Deionisiertes Wasser (DI) wurde verwendet, um die rohe Schleimprobe in Konzentrationen von 200 mg/ml und 100 mg/ml zu verdünnen. Die Verdünnung der Schleimproben ermöglichte die Beurteilung des Scherausdünnungsgrades und der scheinbaren Streckgrenze in Abhängigkeit von der Konzentration und die Bestimmung der Konzentration, bei der der GR-Schleim in ein nicht-newtonsches Verhalten übergeht. Ein Shaker wurde verwendet, um große Schleimklumpen in den Proben abzubauen, um Fehler in den rheologischen Daten aufgrund von Inhomogenität zu mildern.
Bei den meisten Wirbeltieren, einschließlich Fischen, sind die vorherrschenden schleimbildenden Makromoleküle Glykoproteine (Muzinine), die dazu neigen, durch Verwicklungen oder chemische Vernetzung im Wasser aufzuquellen und ein gelartiges Material zu erzeugen12,13,17,18,19,20. Die hochmolekularen, gelbildenden Makromoleküle und der hohe Wassergehalt spiegeln die Rutschigkeit im Schleimwider 13. Ein hohes Maß an intermakromolekularen Wechselwirkungen führt zur Gelbildung, während geringere intermakromolekulare Wechselwirkungen oder gebrochene Bindungen zu hochviskosen Flüssigkeiten führen21.
Die Prozesse der Lebensmittelpartikelfiltration in filterfütternden Fischen werden durch GR-schleimbezogene Eigenschaften wie Kohäsion und Viskosität unterstützt, die ihr Adhäsionspotenzial und ihre Haftung bestimmen22. Die Stärke der schleimbasierten Adhäsion hängt von spezifischen intermolekularen, elektrostatischen oder hydrophoben Wechselwirkungen ab23. Sanderson et al.24 führten eine Suspensionsfütterungsstudie an Schwarzfischen durch, in der sie die Beweise für schleimbasierte Adhäsion fanden. Sie stellten fest, dass auf die Adhäsion von schwebenden Lebensmittelpartikeln mit einer Schleimhautoberfläche der Transport von aggregierten Partikelklumpen folgt, die durch gerichteten Wasserfluss, der darauf einwirkt, mit Schleim verbunden sind24. Der Schleim, der Scherdehnungsraten ausgesetzt ist, die durch den Wasserfluss erzeugt werden, erleichtert die Abgabe von Nahrungspartikeln an die Verdauungsorgane. Endoskopische Techniken wurden verwendet, um gefilterte Partikel zu beobachten24.
Literatur über den Bereich der Scherraten und praktischen Grenzen bei der rheologischen Untersuchung von GR-Schleim ist knapp. Daher wurde eine Orientierung aus rheologischen Studien zu Magen-, Nasen-, Zervix- und Lungenschleim, Lachshautschleim, Hagfish-Schleim und Knochengelenk-Oberflächenschmiermittel gesucht, wobei die rheologische Charakterisierung und nicht-newtonsche Attribute untersucht wurden11,12,25,26,27,28,29,30,31. In jüngerer Zeit wurde die Wirkung von Fischhautschleim auf die Fortbewegung und die Antriebseffizienz mittels Viskosimetrie mit konstanter Scherrate untersucht. Untersuchungen zur Hautschleimrheologie (ohne Verdünnung oder Homogenisierung) in Bezug auf Brasse, Wolfsbarsch und magere Zeigten nicht-newtonsches Verhalten bei typischerweise niedrigen Scherraten14.  In einer anderen verwandten Studie wurde festgestellt, dass die rohen Hautschleimproben von dorsalen und ventralen Seiten der senegalesischen Seezunge ein nicht-newtonsches Verhalten zeigen, was auf eine höhere Viskosität des ventralen Schleims bei allen Scherraten hinweist, die als32betrachtet werden. Andere rheologische Protokolle zur Hydrogelgerüstentwicklung und für hochkonzentrierte Suspensionen unter Verwendung eines Viskosimeters mit konstanter Scherrate wurden ebenfalls in der Literatur33,34berichtet.
In dieser Studie wurden die GR-Schleimeigenschaften mit einem dehnungskontrollierten Rotationsrheometer untersucht, das in rheologischen Experimenten an komplexen biologischen Flüssigkeiten weit verbreitet ist25. Bei Newtonschen Flüssigkeiten bleibt die scheinbare Viskosität konstant, ist scherratenunabhängig und die Scherspannungen variieren linear mit den Scherdehnungsraten (Abbildung 3A, B). Für nicht-newtonsche Flüssigkeiten (z. B. Scherverdünnungsflüssigkeiten) ist die Viskosität scherratenabhängig oder verformungsverlaufsabhängig (Abbildung 3A, B). Der Verlustmodul (G") stellt das Ausmaß dar, in dem das Material der Strömungsneigung widersteht und ist repräsentativ für die Flüssigkeitsviskosität (Abbildung 4). Der Speichermodul (G') stellt die Tendenz des Materials dar, nach spannungsinduzierter Verformung seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen und entspricht der Elastizität (Abbildung 4). Der Phasenwinkel (δ) oder Verlusttangentenwert wird aus der inversen Tangente von G"/G' berechnet. Es stellt das Gleichgewicht zwischen Energieverlust und -speicherung dar und ist auch ein gebräuchlicher Parameter zur Charakterisierung viskoelastischer Materialien (δ = 0° für einen Hookean-Feststoff; δ = 90° für eine viskose Flüssigkeit; δ < 45° für einen viskoelastischen Feststoff und δ > 45° für eine viskoelastische Flüssigkeit) (Abbildung 4)25. Die scheinbare Streckgrenze (σy)in strukturierten Fluiden stellt eine Zustandsänderung dar, die in rheologischen Daten aus stationären Sweeps und dynamischen Spannungs-Dehnungs-Sweeps10beobachtet werden kann. Wenn die extern angelegte Spannung geringer ist als die scheinbare Streckgrenze, verformt sich das Material elastisch. Wenn die Spannung die scheinbare Streckgrenze übersteigt (in Abbildung 3Bals "mittlere Spannung" gekennzeichnet), wechselt das Material von elastischer zu plastischer Verformung und beginnt in seinem flüssigen Zustand zu fließen35. Die Messung des Speichermoduls (G') und des Verlustmoduls (G") in der Schleimprobe unter oszillierenden Spannungsbedingungen (oder Dehnungsbedingungen) quantifiziert die Änderung des Materialzustands von gelartigem zu viskoelastischem flüssigkeitsähnlichem Verhalten.
Die Arten von Rheometertests, die zur Überwachung von Daten in Bezug auf Speichermodul (G'), Verlustmodul (G") und scheinbare Viskosität (η) durchgeführt werden, werden hier beschrieben. Die dynamischen Schwingungstests (Dehnungs-Sweeps und Frequenz-Sweeps) überwachten G' und G' unter kontrollierter Schwingung der Kegelgeometrie. Die dynamischen Dehnungsfegentests bestimmten den linearen viskoelastischen Bereich (LVR) des Schleims durch Überwachung der intrinsischen Materialreaktion (Abbildung 4). Dehnungsfegen wurden verwendet, um das Nachgiebverhalten bei konstanter Schwingungsfrequenz und Temperatur zu bestimmen. Die dynamischen Frequenz-Sweep-Tests überwachten die Materialreaktion auf steigende Frequenz (Verformungsrate) bei konstanter Amplitude (Dehnung oder Spannung) und Temperatur. Für die dynamischen Frequenz-Sweep-Tests wurde die Dehnung im linearen viskoelastischen Bereich (LVR) aufrechterhalten. Die stationären Scherratentests überwachten die scheinbare Viskosität (η) unter stetiger Rotation der Kegelgeometrie. Der GR-Schleim wurde inkrementellen Belastungsschritten ausgesetzt und die scheinbare Viskosität (η, Pa.s) auf unterschiedliche Scherrate (ý, 1/s) überwacht.
Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll behandelt den GR-Schleim als ein komplex strukturiertes Material unbekannter Viskoelastizität mit einem bestimmten linearen viskoelastischen Reaktionsbereich. Der Fischschleim wurde aus den GRs des Silberkarpfens während eines Angelexpeditions am Hart Creek im Missouri River von Professor L. Patricia Hernandez (Department of Biological Sciences, The George Washington University) 1,2,36extrahiert.  Eine Anordnung von GRs im Mund eines Silberkarpfens ist in Abbildung 5A und eine schematische Zeichnung in Abbildung 5Bdargestellt. Ein ausgeschnittener GR ist in Abbildung 5Cdargestellt.  Die Extraktion von Schleim aus GRs des Silberkarpfens wird als Beispiel in den schematischen Zeichnungen dargestellt, Abbildung 5D, E. Alle Rheometertests wurden unter einer konstanten, kontrollierten Temperatur von 22 ± 0,002 °C durchgeführt, die temperatur aufgezeichnet am Fangort1,2,36.  Jede Schleimprobe wurde dreimal mit dem Rheometer getestet, und die gemittelten Ergebnisse werden zusammen mit den statistischen Fehlerbalken dargestellt.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Materials&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kim Wipes</td><td>VWR</td><td>470224-038</td><td>To clean Sample from plate</td></tr><tr><td>Gloves</td><td>VWR</td><td>89428-750</td><td>To prevent contamination of sample</td></tr><tr><td>Pipette</td><td>VWR</td><td>89079-974</td><td>To transport sample from vial to rheometer</td></tr><tr><td>Pipette Tips</td><td>Thermo Scientific</td><td>72830-042</td><td>To transport sample from vial to rheometer</td></tr><tr><td>Shaker</td><td>VWR</td><td>89032-094</td><td>To homogenously mix sample of mucus</td></tr><tr><td>Vials</td><td>VWR</td><td>66008-710</td><td>Contains measured sample volumes</td></tr><tr><td>Weigh Scale</td><td>Ohaus</td><td>Scout &amp;ndash;SPX Balances</td><td>To weigh mass of mucus samples</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Chemical Reagents&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>De-Ionized Water (H20)</td><td>-</td><td>-</td><td>Liquid</td></tr><tr><td>Sterile 70% Isopropanol (C3H8O)</td><td>VWR</td><td>89108-162</td><td>Liquid</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;GR Mucus&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>100 mg/mL concentration, 2mL</td><td>-</td><td>-</td><td>Viscoelastic Material</td></tr><tr><td>400 mg/mL concentration, 1mL</td><td>-</td><td>-</td><td>Viscoelastic Material</td></tr><tr><td>200 mg/mL concentration, 1mL</td><td>-</td><td>-</td><td>Viscoelastic Material</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Software&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td>R2017a</td><td>Data analysis, post-processing and graphical representation</td></tr><tr><td>Trios</td><td>TA Instruments</td><td>v4.5.042498</td><td>Rheometer instrument control and analysis software</td></tr></tbody></table>

macro-rheology characterization of gill raker mucus in the silver carp, hypophthalmichthys molitrix

Der Silberkarpfen, Hypophthalmichthys molitrix, ist ein invasiver planktfressender Filterfüttererfisch, der aufgrund seines hocheffizienten Filterfütterungsmechanismus die natürlichen Wasserwege des oberen Mississippi-Beckens befallen hat. Die charakteristischen Organe, die als Kiemenrechen (GRs) bezeichnet werden und in vielen solchen Filterfütterern zu finden sind, erleichtern die effiziente Filtration von Lebensmittelpartikeln wie Phytoplankton, die einige Mikrometer groß sind.
Die Motivation, die Rheologie des GR-Schleims zu untersuchen, rührt von unserem Wunsch her, seine Rolle bei der Unterstützung des Filterfütterungsprozesses im Silberkarpfen zu verstehen. Die schleimreiche Flüssigkeit in einem "dicken und klebrigen" Zustand kann die Haftung von Lebensmittelpartikeln erleichtern. Die Permeation und der Transport durch die GR-Membran werden durch die Einwirkung externer Scherkräfte erleichtert, die unterschiedliche Scherdehnungsraten induzieren. Daher kann die Schleimrheologie einen wichtigen Hinweis auf die enorme Überkonformität des Silberkarpfens im Pool der filterfütternden Fische liefern. Auf dieser Grundlage wurde postuliert, dass GR-Schleim eine Klebefunktion für Lebensmittelpartikel bieten und als Transportmittel zur Unterstützung des Filterfütterungsprozesses fungieren kann.
Das Hauptziel des Protokolls ist es, die Streckgrenze des Schleims zu bestimmen, die auf die minimale Scherspannung zurückzuführen ist, die erforderlich ist, um eine Strömung zu initiieren, bei der eine irreversible plastische Verformung zuerst über ein strukturiertes viskoelastisches Material beobachtet wird. Dementsprechend wurden die rheologischen Eigenschaften des GR-Schleims, d.h. Viskositäts-, Speicher- und Verlustmodule, mit einem Rotationsrheometer auf seine nicht-newtonsche, scherverdünnende Natur untersucht.
Ein hier vorgestelltes Protokoll wird verwendet, um die rheologischen Eigenschaften von Schleim zu analysieren, der aus den Kiemenrechen eines Silberkarpfens gewonnen wird, der am Hart Creek-Standort des Missouri River gefischt wird. Das Protokoll zielt darauf ab, eine effektive Strategie für rheologische Tests und Materialcharakterisierung von Schleim zu entwickeln, von dem angenommen wird, dass er ein strukturiertes viskoelastisches Material ist.

In diesem Abschnitt stellen wir die Ergebnisse der Experimente an GR-Schleim mit einem Rotationsrheometer mit Kegelgeometrie (40 mm Durchmesser, 1° 0' 11'') und einer Peltierplatte vor. Die Experimente halfen bei der Charakterisierung des nicht-newtonschen, scherverdünnenden Verhaltens des GR-Schleims und der scheinbaren Streckgrenze, die den Schleimübergang von einem gelartigen Material zu einem flüssigkeitsähnlichen Material darstellt. Die repräsentativen Ergebnisse beinhalten quantitative Beschreibungen von Dreh...

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Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

Dieses Protokoll stellt eine Methode zur rheologischen Charakterisierung von Schleim vor, der sich auf Kiemenrechen (GRs) des Silberkarpfens befindet. Viskoelastische Eigenschaften von GR-Schleim, die durch Messung von Viskositäts-, Speicher- und Verlustmodulen erhalten werden, werden auf die scheinbare Streckgrenze untersucht, um den Filterfütterungsmechanismus in GRs zu verstehen.

Makrorheologische Charakterisierung von Kiemen-Raker-Schleim im Silberkarpfen, Hypophthalmichthys molitrix

The silver carp, Hypophthalmichthys molitrix, is an invasive planktivorous filter feeder fish that infested the natural waterways of the upper Mississippi ...

macro-rheology-characterization-gill-raker-mucus-silver-carp

Research

JoVE Journal

Engineering

Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

3.0K Aufrufe.  The George Washington University. Dieses Protokoll stellt eine Methode zur rheologischen Charakterisierung von Schleim vor, der sich auf Kiemenrechen (GRs) des Silberkarpfens befindet. Viskoelastische Eigenschaften von GR-Schleim, die durch Messung von Viskositäts-, Speicher- und Verlustmodulen erhalten werden, werden auf die scheinbare Streckgrenze untersucht, um den Filterfütterungsmechanismus in GRs zu verstehen.

Serie: Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix

A Time Differential Staining Technique Coupled with Full Bilateral Gill Denervation to Study Ionocytes in Fish

Branchial ionocytes (ICs) are the functional units for ionic regulation in fish. In adults, they are found on the filamental and lamellar epithelia of the gill where they transport ions such as Na+, Cl- and Ca2+ via a variety of ion channels, pumps and exchangers. The teleost gill is extrinsically innervated by the facial (VI), glossopharyngeal (IX) and vagus (X) nerves. The IX and X nerves are also the extrinsic source of branchial IC innervation. Here, two techniques used to study the innervation, proliferation and distribution of ICs are described: a time differential staining technique and a full bilateral gill denervation technique. Briefly, goldfish are exposed to a vital mitochondrion-specific dye (e.g., MitoTracker Red) which labels (red fluorescence) pre-existing ICs. Fish were either allowed to recover for 3 - 5 days or immediately underwent a full bilateral gill denervation. After 3 - 5 days of recovery, the gills are harvested and fixed for immunohistochemistry. The tissue is then stained with an &#945;-5 primary antibody (targets Na+/K+ ATPase containing cells) in conjunction with a secondary antibody that labels all (both new and pre-existing) ICs green. Using confocal imaging, it was demonstrated that pre-existing ICs appear yellow (labelled with both a viable mitochondrion-specific dye and &#945;-5) and new ICs appear green (labelled with &#945;-5 only). Both techniques used in tandem can be applied to study the innervation, proliferation and distribution of ICs on the gill filament when fish are exposed to environmental challenges.

This manuscript describes a protocol to track the re-distribution of branchial ionocytes and their innervation using a time differential staining technique coupled with full bilateral gill denervation.

A Time Differential Maltechnik mit Full Bilaterale Gill Denervation Gekoppelt an Ionocytes in Fish Studieren

Branchial ionocytes (ICs) are the functional units for ionic regulation in fish. In adults, they are found on the filamental and lamellar epithelia of the ...

Forschung

Entwicklungsbiologie

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

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.

VacuSIP, an Improved InEx Method for In Situ Measurement of Particulate and Dissolved Compounds Processed by Active Suspension Feeders

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.

VACUSIP eine verbesserte Inex Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Messung von partikulären und gelösten Verbindungen, die durch Active Suspension Feeders Verarbeitet

Benthic suspension feeders play essential roles in the functioning of marine ecosystems. By filtering large volumes of water, removing plankton and ...

Umwelt

Salinity-dependent Toxicity Assay of Silver Nanocolloids Using Medaka Eggs

Salinity is an important characteristic of the aquatic environment. For aquatic organisms it defines the habitats of freshwater, brackish water, and seawater. Tests of the toxicity of chemicals and assessments of their ecological risks to aquatic organisms are frequently performed in freshwater, but the toxicity of chemicals to aquatic organisms depends on pH, temperature, and salinity. There is no method, however, for testing the salinity dependence of toxicity to aquatic organisms. Here, we used medaka (Oryzias latipes) because they can adapt to freshwater, brackish water, and seawater. Different concentrations of embryo-rearing medium (ERM) (1x, 5x, 10x, 15x, 20x, and 30x) were employed to test the toxicity of silver nanocolloidal particles (SNCs) to medaka eggs (1x ERM and 30x ERM have osmotic pressures equivalent to freshwater and seawater, respectively). In six-well plastic plates, 15 medaka eggs in triplicate were exposed to SNCs at 10 mg/L&#8722;1 in different concentrations of ERM at pH 7 and 25 &#176;C in the dark.
We used a dissecting microscope and a micrometer to measure heart rate per 15 sec and eye diameter on day 6 and full body length of the larvae on hatching day (section 4). The embryos were observed until hatching or day 14; we then counted the hatching rate every day for 14 days (section 4). To see silver accumulation in embryos, we used inductively coupled plasma mass spectrometry to measure the silver concentration of test solutions (section 5) and dechorionated embryos (section 6).The toxicity of the SNCs to medaka embryos obviously increased with increasing salinity. This new method allows us to test the toxicity of chemicals in different salinities.

Embryonic stages are the most susceptible to xenobiotics. Although chemical toxicity depends on salinity, no method exists to test the salinity dependence of toxicity to aquatic organisms. Here, we describe a new and high-throughput method for determining the salinity dependence of toxicity to aquatic embryos.

Salinität abhängigen Toxizität Assay von Silbernanokolloide Verwendung von Medaka-Eier

Salinity is an important characteristic of the aquatic environment. For aquatic organisms it defines the habitats of freshwater, brackish water, and ...

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the manifold requirements during processing and application of such complex fluids. In this investigation, measuring protocols for a conclusive assessment of different process relevant rheological parameters have been evaluated. This includes the determination of yield stress, viscosity, wall slip velocity, structural recovery after large deformation and elongation at break as well as tensile force during filament stretching.
The importance of concomitant video recordings during parallel-plate rotational rheometry for a significant determination of rheological quantities is demonstrated. The deformation profile and flow field at the sample edge can be determined using appropriate markers. Thus, measurement parameter settings and plate roughness values can be identified for which yield stress and viscosity measurements are possible. Slip velocity can be measured directly and measuring conditions at which plug flow, shear banding or sample spillover occur can be identified clearly. 
Video recordings further confirm that the change in shear moduli observed during three stage oscillatory shear tests with small deformation amplitude in stage I and III but large oscillation amplitude in stage II can be directly attributed to structural break down and recovery. For the pastes investigated here, the degree of irreversible, shear-induced structural change increases with increasing deformation amplitude in stage II until a saturation is reached at deformations corresponding to the crossover of G' and G'', but the irreversible damage is independent of the duration of large amplitude shear. 
A capillary breakup elongational rheometer and a tensile tester have been used to characterize deformation and breakup behavior of highly filled pastes in uniaxial elongation. Significant differences were observed in all experiments described above for two commercial screen-printing silver pastes used for front side metallization of Si-solar cells.

A protocol for a robust and application relevant rheological characterization of highly concentrated suspensions is presented. Silver pastes used for screen-printing application in solar cell production are employed as model systems.

Herausforderungen in rheologische Charakterisierung von hochkonzentrierten Suspensionen - Eine Fallstudie für Serigrafie Silberpasten

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...

Ingenieurwesen

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle shells provides unique design principles with potentials for guiding the design of protective materials and systems in the future. Understanding the structure-property relationships for these material systems at the microscale and nanoscale where failure initiates is essential. Currently, experimental techniques such as nanoindentation, X-ray CT, and SEM provide researchers with a way to correlate the mechanical behavior with hierarchical microstructures of these material systems1-6. However, a well-defined standard procedure for specimen preparation of mineralized biomaterials is not currently available. In this study, the methods for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of A. spatula using nanoindentation, FTIR, SEM, with energy-dispersive X-ray (EDX) microanalysis, and X-ray CT are presented.

Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

This paper presents the methods used for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of Atractosteus spatula (A. spatula) using nanoindentation, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray computed tomography (X-ray CT). The experimental results have been used to investigate the design principles of protective biological materials.

Charakterisierung von mehrschichtigen Fischschuppen (<em&gt; Atractosteus Spachtel</em&gt;) Verwendung Nanoindentierung, Röntgen-CT-, FTIR-und SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle ...

Biotechnik

Modeling the Size Spectrum for Macroinvertebrates and Fishes in Stream Ecosystems

The size spectrum is an inverse, allometric scaling relationship between average body mass (M) and the density (D) of individuals within an ecological community or food web. Importantly, the size spectrum assumes that individual size, rather than species&#8217; behavioral or life history characteristics, is the primary determinant of abundance within an ecosystem. Thus, unlike traditional allometric relationships that focus on species-level data (e.g., mean species&#8217; body size vs. population density), size spectra analyses are &#8216;ataxic&#8217; &#8211; individual specimens are identified only by their size, without consideration of taxonomic identity. Size spectra models are efficient representations of traditional, complex food webs and can be used in descriptive as well as predictive contexts (e.g., predicting responses of large consumers to changes in basal resources). Empirical studies from diverse aquatic ecosystems have also reported moderate to high levels of similarity in size spectra slopes, suggesting that common processes may regulate the abundances of small and large organisms in very different settings. This is a protocol to model the community-level size spectrum in wadable streams. The protocol consists of three main steps. First, collect quantitative benthic fish and invertebrate samples that can be used to estimate local densities. Second, standardize the fish and invertebrate data by converting all individuals to ataxic units (i.e., individuals identified by size, irrespective of taxonomic identity), and summing individuals within log2 size bins. Third, use linear regression to model the relationship between ataxic M and D estimates. Detailed instructions are provided herein to complete each of these steps, including custom software to facilitate D estimation and size spectra modeling.

This is a protocol to model the size spectrum (scaling relationship between individual mass and population density) for combined fish and invertebrate data from wadable streams and rivers. Methods include: field techniques to collect quantitative fish and invertebrate samples; lab methods to standardize the field data; and statistical data analysis.

Modellierung des Größenspektrums für Makrowirbellose und Fische in Stream-Ökosystemen

The size spectrum is an inverse, allometric scaling relationship between average body mass (M) and the density (D) of individuals within an ecological ...

Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement during previous phase changes and applied shear. To determine the extent of these changes, we have developed a microfluidic device that enables repeated phase transitions induced by exchange of the surrounding fluid and microrheological characterization while limiting shear on the sample. This technique is &#181;2rheology, the combination of microfluidics and microrheology. The microfluidic device is a two-layer design with symmetric inlet streams entering a sample chamber that traps the gel sample in place during fluid exchange. Suction can be applied far away from the sample chamber to pull fluids into the sample chamber. Material rheological properties are characterized using multiple particle tracking microrheology (MPT). In MPT, fluorescent probe particles are embedded into the material and the Brownian motion of the probes is recorded using video microscopy. The movement of the particles is tracked and the mean-squared displacement (MSD) is calculated. The MSD is related to macroscopic rheological properties, using the Generalized Stokes-Einstein Relation. The phase of the material is identified by comparison to the critical relaxation exponent, determined using time-cure superposition. Measurements of a fibrous colloidal gel illustrate the utility of the technique. This gel has a delicate structure that can be irreversibly changed when shear is applied. &#181;2rheology data shows that the material repeatedly equilibrates to the same rheological properties after each phase transition, indicating that phase transitions do not play a role in microstructural changes. To determine the role of shear, samples can be sheared prior to injection into our microfluidic device. &#181;2rheology is a widely applicable technique for the characterization of soft matter enabling the determination of rheological properties of delicate microstructures in a single sample during phase transitions in response to repeated changes in the surrounding environmental conditions.

We demonstrate the fabrication and use of a microfluidic device that enables multiple particle tracking microrheology measurements to study the rheological effects of repeated phase transitions on soft matter.

Kombination von Mikrofluidik und Microrheology während wiederholter Phasenübergänge rheologische Eigenschaften der weichen Materie ermitteln

The microstructure of soft matter directly impacts macroscopic rheological properties and can be changed by factors including colloidal rearrangement ...

Automatic Image Processing to Determine the Community Size Structure of Riverine Macroinvertebrates

Body size is an important functional trait that can be used as a bioindicator to assess the impacts of perturbations in natural communities. Community size structure responds to biotic and abiotic gradients, including anthropogenic perturbations across taxa and ecosystems. However, the manual measurement of small-bodied organisms such as benthic macroinvertebrates (e.g., &gt;500 &#181;m to a few centimeters long) is time-consuming. To expedite the estimation of community size structure, here, we developed a protocol to semi-automatically measure the individual body size of preserved river macroinvertebrates, which are one of the most commonly used bioindicators for assessing the ecological status of freshwater ecosystems. This protocol is adapted from an existing methodology developed to scan marine mesozooplankton with a scanning system designed for water samples. The protocol consists of three main steps: (1) scanning subsamples (fine and coarse sample size fractions) of river macroinvertebrates and processing the digitized images to individualize each detected object in each image; (2) creating, evaluating, and validating a learning set through artificial intelligence to semi-automatically separate the individual images of macroinvertebrates from detritus and artifacts in the scanned samples; and (3) depicting the size structure of the macroinvertebrate communities. In addition to the protocol, this work includes the calibration results and enumerates several challenges and recommendations to adapt the procedure to macroinvertebrate samples and to consider for further improvements. Overall, the results support the use of the presented scanning system for the automatic body size measurement of river macroinvertebrates and suggest that the depiction of their size spectrum is a valuable tool for the rapid bioassessment of freshwater ecosystems.

The article is based on the creation of an adapted protocol to scan, detect, sort, and identify digitized objects corresponding to benthic river macroinvertebrates using a semi-automatic imaging procedure. This procedure allows the acquisition of the individual size distributions and size metrics of a macroinvertebrate community in about 1 h.

Automatische Bildverarbeitung zur Bestimmung der Gemeinschaftsgrößenstruktur von Flussmakroinvertebraten

Body size is an important functional trait that can be used as a bioindicator to assess the impacts of perturbations in natural communities. Community ...

Rapid Viscoelastic Characterization of Airway Mucus Using a Benchtop Rheometer

In muco-obstructive lung diseases (e.g., asthma, chronic obstructive pulmonary disease, cystic fibrosis) and other respiratory conditions (e.g., viral/bacterial infections), mucus biophysical properties are altered by goblet cell hypersecretion, airway dehydration, oxidative stress, and the presence of extracellular DNA. Previous studies showed that sputum viscoelasticity correlated with pulmonary function and that treatments affecting sputum rheology (e.g., mucolytics) can result in remarkable clinical benefits. In general, rheological measurements of non-Newtonian fluids employ elaborate, time-consuming approaches (e.g., parallel/cone-plate rheometers and/or microbead particle tracking) that require extensive training to perform the assay and interpret the data. This study tested the reliability, reproducibility, and sensitivity of Rheomuco, a user-friendly benchtop device that is designed to perform rapid measurements using dynamic oscillation with a shear-strain sweep to provide linear viscoelastic moduli (G&#39;, G&#34;, G*, and tan &#948;) and gel point characteristics (&#947;c&#160;and &#963;c) for clinical samples within 5 min. Device performance was validated using different concentrations of a mucus simulant, 8 MDa polyethylene oxide (PEO), and against traditional bulk rheology measurements. A clinical isolate harvested from an intubated patient with status asthmaticus (SA) was then assessed in triplicate measurements and the coefficient of variation between measurements is &#60;10%. Ex vivo use of a potent mucus reducing agent, TCEP, on SA mucus resulted in a five-fold decrease in elastic modulus and a change toward a more &#34;liquid-like&#34; behavior overall (e.g., higher tan &#948;). Together, these results demonstrate that the tested benchtop rheometer can make reliable measures of mucus viscoelasticity in clinical and research settings. In summary, the described protocol could be used to explore the effects of mucoactive drugs (e.g., rhDNase, N-acetyl cysteine) onsite to adapt treatment on a case-by-case basis, or in preclinical studies of novel compounds.

The viscoelastic properties of mucus play a critical role in mucociliary clearance. However, traditional mucus rheological techniques require complex and time-consuming approaches. This study provides a detailed protocol for the use of a benchtop rheometer that can rapidly and reliably perform viscoelastic measurements.

Schnelle viskoelastische Charakterisierung von Atemwegsschleim mit einem Tischrheometer

In muco-obstructive lung diseases (e.g., asthma, chronic obstructive pulmonary disease, cystic fibrosis) and other respiratory conditions (e.g., ...

Medizin

Standardizing a Non-Lethal Method for Characterizing the Reproductive Status and Larval Development of Freshwater Mussels (Bivalvia: Unionida)

Actively monitoring the timing, development, and reproductive patterns of endangered species is critical when managing for population recovery. Freshwater mussels are among the most imperiled organisms in the world, but information about early larval (glochidial) development and brooding periods is still lacking for many species. Previous studies have focused on the complex life history stage when female mussels are ready to parasitize host fish, but few studies have focused on the brooding period and timing of larval development. The protocol described here allows researchers to non-lethally evaluate the state of gravidity for female mussels. The results of this study show that this method does not affect a female mussel&rsquo;s ability to stay gravid or become gravid again after sampling has been performed. The advantage of this method may permit its use on federally threatened or endangered species or other populations of high conservation concern. This protocol can be adapted for use on both preserved or live individuals and was tested on a variety of mussel species. The database provided is a repository for a breadth of information on timing of reproductive habits and will facilitate future freshwater mussel research, conservation, and recovery efforts.

Standardizing a Non-Lethal Method for Characterizing the Reproductive Status and Larval Development of Freshwater Mussels Bivalvia: Unionida

Freshwater mussel conservation is dependent on monitoring reproductive patterns and processes of species. This study standardizes a non-lethal protocol for sampling gill contents, characterizing larval development, and providing a digital repository for data collected. This protocol-database package will be an important tool for mussel researchers in recovery of imperiled species.

Standardisierung einer nicht-tödlichen Methode zur Charakterisierung des Fortpflanzungsstatus und der Larval-Entwicklung von Süßwassermuscheln (Bivalvia: Unionida)

Actively monitoring the timing, development, and reproductive patterns of endangered species is critical when managing for population recovery. Freshwater ...

Makrorheologische Charakterisierung von Kiemen-Raker-Schleim im Silberkarpfen, Hypophthalmichthys molitrix

Zusammenfassung

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