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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Macro-Rheology Characterization of Gill Raker Mucus in the Silver Carp, Hypophthalmichthys molitrix at JoVE.com

Los autores reconocen el apoyo y la financiación del GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering. Agradecemos a la profesora L. Patricia Hernández del Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad George Washington por inspirar la investigación y la colaboración continua, proporcionar experiencia biológica en la fisiología de la carpa plateada y proporcionar las muestras de moco. Agradecemos a los estudiantes, el Sr. David Palumbo, la Sra. Carly Cohen, el Sr. Isaac Finberg, el Sr. Dominick Petrosino, el Sr. Alexis Renderos, la Sra. Priscilla Varghese, el Sr. Carter Tegen y el Sr. Raghav Pajjur por su ayuda en el laboratorio y al Sr. Thomas Evans y el Sr. James Thomas de TA Instruments, New Castle, DE por su apoyo con la capacitación y el mantenimiento del reómetro. Las imágenes para las Figuras 5A, C fueron tomadas durante una disección realizada por la profesora L. Patricia Hernández del Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad George Washington.

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No se declaran conflictos de intereses.

Uno de los principales objetivos del desarrollo de este protocolo es establecer que es adecuado para la caracterización reológica del moco GR cuando se dispone de volúmenes de muestra muy pequeños. Reconocemos que se necesitan más muestras de una escuela de carpa plateada para caracterizar completamente las propiedades reológicas del moco GR y los datos presentados aquí no son una generalización en toda la población de carpa plateada. Nuestra técnica se justifica por su eficacia con la caracterización reológi...

La carpa plateada, Hypophthalmichthys molitrix,es un alimentador de filtro planctívoro y una especie invasora que se ha infiltrado en varias vías fluviales naturales en los Estados Unidos. Esta especie se introdujo inicialmente en la cuenca alta del río Mississippi para controlar las floraciones de algas1,2,3. La carpa plateada es un alimentador extremadamente eficiente. Por lo general, sus tamaños de partículas de alimentos consumibles varían de 4 a 20 μm a zooplancton más grande que son alrededor de 80 μm3,4,5. Esta especie ha superado a otros peces nativos y potencialmente puede causar enormes daños a las vías fluviales nativas al limitar los recursos disponibles1,2,6. Por lo tanto, los peces que se alimentan por filtro como la carpa plateada y la carpa cabe cabeza grande representan una gran amenaza para los Grandes Lagos1,2,6,7,8.
Los peces que se alimentan por filtro poseen órganos especiales llamados rastrillos branquiales (RDA) con una capa delgada de moco que reside en su superficie. Estos órganos mejoran la eficiencia de filtración y agregación de pequeñas partículas del fluido entrante. El objetivo del protocolo presentado en este documento es caracterizar la propiedad no newtoniana del material de adelgazamiento por cizallamiento y la tensión de rendimiento del moco GR adquirido de la superficie interna de los rastrillos branquiales en la carpa plateada. El valor de la tensión de rendimiento del GR-moco, determinado mediante un reómetro rotacional, es de interés en este estudio. La tensión de rendimiento medida, también llamada "tensión de rendimiento aparente", depende de los métodos de prueba, como la velocidad de cizallada constante o la deformación oscilatoria dinámica tipo9,10. El adelgazamiento por cizallamiento, 'fluido de estrés de rendimiento', experimenta una transición de un comportamiento sólido a un comportamiento líquido en una tensión crítica aplicada9,11. La tensión de rendimiento aparente es la tensión de cizallamiento mínima requerida para iniciar el flujo o aquella en la que se observa por primera vez una deformación plástica irreversible cuando el moco pasa de un material similar a un gel a un material similar a un fluido. Este comportamiento se puede observar en materiales viscoelásticos estructurados. La transición del comportamiento similar a un gel a un comportamiento fluido del moco GR implica dos funciones, es decir, un papel adhesivo para recolectar partículas de alimentos y un papel de vehículo de transporte para ayudar en el proceso de entrega y filtración de partículas. La función extendida del moco incluye la creación de barreras de difusión en la resistencia a las enfermedades y la respiración, proporcionando una liberación controlada de factores nutricionales, componentes tóxicos y excreción, creando vías metabólicas para la alimentación y la anidación, ayudando en la protección de los depredadores y produciendo modificaciones de la capa límite que mejoran la locomoción y la eficiencia propulsiva12,13,14.
A diferencia de los fluidos simples, los fluidos complejos como el moco poseen propiedades que varían con las condiciones de flujo y requieren parámetros de medición adicionales para definir su comportamiento físico a gran escala. Para controlar la viscosidad y el estrés por rendimiento del moco GR, las mediciones reológicas se realizan utilizando un reómetro rotacional. El reómetro rotacional aplica una tensión o tensión de cizallamiento constante u oscilatoria por medio de un disco giratorio en contacto con la muestra de fluido y mide su respuesta. La razón detrás del uso de este instrumento y técnica es que el reómetro puede proporcionar un conjunto de mediciones para describir las propiedades materiales del moco GR de la carpa plateada, que no se pueden definir solo por la viscosidad.
El moco es un material viscoelástico y su respuesta mecánica a una deformación impuesta es entre la de un sólido puro (regido por la ley de elasticidad de Hooke) y el de un líquido puro (regido por la ley de viscosidad de Newton)15,16. La compleja red macromolecular contenida dentro del moco puede estirarse y reorientarse en respuesta a fuerzas externas o deformación. Un reómetro rotacional se compone de una geometría de cono y una placa de Peltier como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2 (consulte la Tabla 1 para las especificaciones de instrumentación). El objetivo de este estudio fue desarrollar un protocolo para determinar las propiedades reológicas del moco GR. Una ventaja del reómetro rotacional sobre un viscosímetro es su capacidad para realizar mediciones dinámicas utilizando pequeños volúmenes de muestra. El volumen de la muestra de moco GR en este estudio fue de aproximadamente 1,4 ml. El viscosímetro, por otro lado, está limitado a velocidades de cizallamiento constantes y requiere grandes volúmenes de muestra.
Se espera que las propiedades reológicas del moco varíen mucho dentro de la anatomía de la carpa plateada. Por ejemplo, las propiedades del moco que reside en las superficies GR pueden ser diferentes del órgano epibranquial. Para tener en cuenta la variabilidad potencial de las propiedades del moco en diferentes regiones del pez, la muestra de moco GR adquirida se diluyó y se crearon y probaron soluciones de tres concentraciones utilizando el reómetro rotacional. Los datos y resultados relativos a la reología del moco informados tras la ejecución del protocolo demostraron la eficacia de la técnica de medición. Los datos ilustrativos presentados en este documento no están destinados a generalizarse en toda la población de carpa plateada. El protocolo presentado en este documento se puede extender para investigar la reología del moco en conjuntos de muestras más grandes para probar otras hipótesis.
El propósito de este estudio es demostrar la variación de las propiedades reológicas de la reología del moco GR con tres concentraciones diferentes de moco (400 mg/mL, 200 mg/mL y 100 mg/mL). La concentración de 400 mg/ml representa la muestra de moco crudo cosechada de los GRs de pescado. Se utilizó agua desionizada (DI) para diluir la muestra de moco crudo en concentraciones de 200 mg/mL y 100 mg/mL. La dilución de las muestras de moco permitió la evaluación del grado de adelgazamiento por cizallamiento y la tensión aparente del rendimiento en función de la concentración y la determinación de la concentración a la que el moco GR pasa a un comportamiento no newtoniano. Se utilizó un agitador para descomponer cualquier grupo grande de moco en las muestras para mitigar los errores en los datos reológicos debido a la no homogéneidad.
En la mayoría de los vertebrados, incluidos los peces, las macromoléculas formadoras de moco predominantes son las glicoproteínas (mucinas) que tienden a hincharse en el agua por enredos o reticulaciones químicas y crean un material similar a un gel12,13,17,18,19,20. Las macromoléculas formadoras de gel de alto peso molecular y el alto contenido de agua reflejan el deslizamiento en el moco13. Un alto grado de interacciones inter-macromoleculares conduce a la formación de gel, mientras que los niveles más bajos de interacciones inter-macromoleculares o enlaces rotos dan como resultado fluidos de alta viscosidad21.
Los procesos de filtración de partículas de alimentos en peces que se alimentan por filtro son ayudados por propiedades relacionadas con el moco GR, como la cohesión y la viscosidad, que determinan su potencial de adhesión yadherencia 22. La fuerza de la adhesión basada en moco depende de interacciones intermoleculares, electrostáticas o hidrofóbicas específicas23. Sanderson et al.24 realizaron un estudio de alimentación en suspensión en peces negros en el que encontraron la evidencia de adhesión basada en moco. Afirmaron que la adhesión de partículas de alimentos en suspensión con una superficie mucosa es seguida por el transporte de grupos agregados de partículas unidas con el moco por el flujo de agua dirigido que actúa sobre él24. El moco expuesto a las tasas de tensión de cizalla generadas por el flujo de agua facilita la entrega de partículas de alimentos a los órganos digestivos. Se utilizaron técnicas endoscópicas para observar partículas filtradas24.
La literatura sobre el rango de las tasas de cizallamiento y los límites prácticos en las pruebas reológicas del moco GR es escasa. Por lo tanto, se buscó orientación de estudios reológicos sobre moco gástrico, nasal, cervical y pulmonar, moco de piel de salmón, limo de pez bruja y lubricante de superficie de articulación ósea en los que se estudió la caracterización reológica y los atributos no newtonianos11,12, 25,26, 27,28,29,30,31. Más recientemente, el efecto del moco de la piel de los peces en la locomoción y la eficiencia propulsiva se ha estudiado utilizando viscometría de velocidad de cizallamiento constante. Los estudios de reología del moco cutánico (sin ninguna dilución u homogeneización) relacionados con la dorada, la lubina y la exigua demostraron un comportamiento no newtoniano a tasas de cizallamiento típicamente bajas14.  En otro estudio relacionado, se encontró que las muestras de moco cutángeo crudo de los lados dorsal y ventral del lenguado senegalés exhiben un comportamiento no newtoniano, lo que indica una mayor viscosidad del moco ventral a todas las tasas de cizallamiento consideradas32. Otros protocolos reológicos relacionados con el desarrollo del andamio de hidrogel y para suspensiones altamente concentradas utilizando un viscosímetro de velocidad de cizallamiento constante también han sido reportados en la literatura33,34.
En este estudio, las propiedades del moco GR se investigaron utilizando un reómetro rotacional controlado por la velocidad de deformación que ha sido ampliamente utilizado en experimentos de reología en fluidos biológicos complejos25. Para los fluidos newtonianos, la viscosidad aparente permanece constante, es independiente de la velocidad de cizallamiento y las tensiones de cizallamiento varían linealmente con las tasas de deformación de cizallamiento(Figura 3A,B). Para fluidos no newtonianos (como los fluidos de adelgazamiento por cizallamiento) la viscosidad depende de la velocidad de cizallamiento o de la historia de la deformación(Figura 3A,B). El módulo de pérdida (G") representa la medida en que el material resiste la tendencia a fluir y es representativo de la viscosidad del fluido(Figura 4). El módulo de almacenamiento (G') representa la tendencia del material a recuperar su forma original después de la deformación inducida por tensión y es equivalente a la elasticidad (Figura 4). El ángulo de fase (δ) o valor tangente de pérdida, se calcula a partir de la tangente inversa de G"/G'. Representa el equilibrio entre la pérdida de energía y el almacenamiento y también es un parámetro común para caracterizar materiales viscoelásticos (δ = 0° para un sólido hookeo; δ = 90° para un líquido viscoso; δ < 45° para un sólido viscoelástico y δ > 45° para un líquido viscoelástico) (Figura 4)25. La tensión de rendimiento aparente (σy) en fluidos estructurados representa un cambio de estado que se puede observar en los datos reológicos de barrido en estado estacionario y barridos dinámicos de tensión-deformación10. Si la tensión externa aplicada es menor que la tensión de rendimiento aparente, el material se deformará elásticamente. Cuando la tensión excede la tensión de rendimiento aparente (marcada como "tensión promedio" en la Figura 3B),el material pasará de la deformación elástica a la plástica y comenzará a fluir en su estado líquido35. La medición del módulo de almacenamiento (G') y el módulo de pérdida (G") en la muestra de moco en condiciones de tensión oscilatoria (o deformación) cuantifica el cambio en el estado del material de un comportamiento similar al gel al viscoelástico similar al líquido.
Los tipos de pruebas de reómetro realizadas para monitorear datos relacionados con el módulo de almacenamiento (G'), el módulo de pérdida (G") y la viscosidad aparente (η) se describen aquí. Las pruebas de oscilación dinámica (barridos de deformación y barridos de frecuencia) monitorearon G' y G" bajo oscilación controlada de la geometría del cono. Las pruebas de barrido de deformación dinámica determinaron la región viscoelástica lineal (LVR) del moco mediante el monitoreo de la respuesta intrínseca del material(Figura 4). Se utilizaron barridos de deformación para determinar el comportamiento de rendimiento a una frecuencia y temperatura de oscilación constantes. Las pruebas de barrido de frecuencia dinámica monitorearon la respuesta del material al aumento de la frecuencia (tasa de deformación) a una amplitud y temperatura constantes (tensión o tensión). La deformación se mantuvo en la región viscoelástica lineal (LVR) para las pruebas de barrido de frecuencia dinámica. Las pruebas de velocidad de cizallado en estado estacionario monitorearon la viscosidad aparente (η) bajo rotación constante de la geometría del cono. El moco GR se sometió a pasos de tensión incrementales y la viscosidad aparente (η, Pa.s) se monitoreó para variar la velocidad de cizallamiento (ý, 1/s).
El protocolo presentado en este trabajo trata el moco GR como un material estructurado complejo de viscoelasticidad desconocida con un cierto rango de respuesta viscoelástica lineal. El moco de pescado fue extraído de los RR de la carpa plateada durante una expedición de pesca en la ubicación de Hart Creek en el río Missouri por la profesora L. Patricia Hernández (Departamento de Ciencias Biológicas, The George Washington University) 1,2,36.  Una matriz de RDA dentro de la boca de una carpa plateada se muestra en la Figura 5A y un dibujo esquemático se presenta en la Figura 5B. Un GR extirpado se muestra en la Figura 5C.  La extracción de moco de los ER de la carpa plateada se presenta como ejemplo en los dibujos esquemáticos, Figura 5D,E. Todas las pruebas del reómetro se realizaron bajo una temperatura constante y controlada de 22 ± 0.002 ° C, la temperatura registrada en el sitio de pesca1,2,36.  Cada muestra de moco se probó tres veces con el reómetro, y los resultados promediados se presentan junto con las barras de error estadístico.

<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

La carpa plateada, Hypophthalmichthys molitrix,es un pez alimentador de filtro planctívoro invasor que infestó las vías fluviales naturales de la cuenca superior del río Mississippi debido a su mecanismo de alimentación por filtro altamente eficiente. Los órganos característicos llamados rastrillos branquiales (RDA), que se encuentran en muchos de estos alimentadores de filtro, facilitan la filtración eficiente de partículas de alimentos como el fitoplancton que son de unas pocas micras de tamaño.
La motivación para investigar la reología del moco GR proviene de nuestro deseo de comprender su papel en la ayuda al proceso de alimentación por filtro en la carpa plateada. El líquido rico en moco, en un estado "espeso y pegajoso" puede facilitar la adhesión de las partículas de los alimentos. La permeación y el transporte a través de la membrana GR se ven facilitados por la acción de fuerzas de cizallamiento externas que inducen diferentes tasas de deformación por cizallamiento. Por lo tanto, la reología del moco puede proporcionar una pista vital sobre la tremenda naturaleza de la carpa plateada dentro del grupo de peces que se alimentan por filtro. Sobre la base de esto, se postuló que el moco GR puede proporcionar una función adhesiva a las partículas de alimentos y actuar como un vehículo de transporte para ayudar en el proceso de alimentación del filtro.
El objetivo principal del protocolo es determinar la tensión de rendimiento del moco, atribuida a la tensión de cizallamiento mínima requerida para iniciar el flujo en el que se observa por primera vez una deformación plástica irreversible a través de un material viscoelástico estructurado. En consecuencia, las propiedades reológicas del moco GR, es decir, la viscosidad, el almacenamiento y los módulos de pérdida, se investigaron por su naturaleza no newtoniana, adelgazamiento por cizallamiento utilizando un reómetro rotacional.
Un protocolo presentado aquí se emplea para analizar las propiedades reológicas del moco extraído de los rastrillos branquiales de una carpa plateada, pescado en la ubicación de Hart Creek del río Missouri. El protocolo tiene como objetivo desarrollar una estrategia efectiva para las pruebas reológicas y la caracterización de materiales de moco que se supone que es un material viscoelástico estructurado.

En esta sección, presentamos los resultados de los experimentos sobre moco GR utilizando un reómetro rotacional con una geometría de cono (40 mm de diámetro, 1° 0' 11'') y una placa de Peltier. Los experimentos ayudaron a caracterizar el comportamiento no newtoniano, de adelgazamiento por cizallamiento del moco GR y el estrés aparente del rendimiento que representa la transición del moco de un material similar a un gel a un material similar a un fluido. Los resultados representativos implican descripciones cuantit...

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

Este protocolo presenta un método para realizar la caracterización reológica del moco que reside en los rastrillos branquiales (GUR) de la carpa plateada. Las características viscoelásticas del MOG-GR, obtenidas midiendo la viscosidad, el almacenamiento y los módulos de pérdida, se evalúan para el estrés de rendimiento aparente para comprender el mecanismo de alimentación del filtro en los RR.

Caracterización macro-reológica del moco rastrillo branquial en la carpa plateada, 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 vistas.  The George Washington University. Este protocolo presenta un método para realizar la caracterización reológica del moco que reside en los rastrillos branquiales (GUR) de la carpa plateada. Las características viscoelásticas del MOG-GR, obtenidas midiendo la viscosidad, el almacenamiento y los módulos de pérdida, se evalúan para el estrés de rendimiento aparente para comprender el mecanismo de alimentación del filtro en los RR.

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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.

Una técnica de tinción diferencial Tiempo Junto con Full Bilateral Gill Desnervación para estudiar Ionocytes en 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 ...

Investigación

Biología del Desarrollo

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, un método mejorado para InEx<em&gt; In Situ</em&gt; Medición de las partículas y compuestos disueltos procesada por Alimentadores Active Suspension

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

Medio ambiente

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.

Ensayo de toxicidad dependiente de la salinidad del Plata nanocoloides Usando Medaka huevos

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.

Desafíos en reológico caracterización de suspensiones de alta concentración - Un estudio de caso para pastas de plata serigrafía

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

Ingeniería

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.

Caracterización de las escalas de peces de múltiples capas-(<em&gt; Atractosteus espátula</em&gt;) Usando Nanoindentación, X-ray CT, FTIR y SEM

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

Bioingeniería

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.

Modelar el espectro de tamaño para macroinvertebrados y peces en ecosistemas de arroyos

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.

La combinación de la microfluídica y Microrheology para determinar las propiedades reológicas de materia blanda durante las transiciones de fase repetido

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.

Procesamiento automático de imágenes para determinar la estructura del tamaño de la comunidad de macroinvertebrados ribereños

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.

Caracterización viscoelástica rápida del moco de las vías respiratorias utilizando un reómetro de sobremesa

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

Medicina

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.

Estandarización de un método no letal para caracterizar el estado reproductivo y el desarrollo larvarios de los mejillones de agua dulce (Bivalvia: Unionida)

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

Caracterización macro-reológica del moco rastrillo branquial en la carpa plateada, Hypophthalmichthys molitrix

Resumen

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