新的微型电池为水电鱼类通道提供巨大洞察力

2021-07-09 16:15:08
导读 随着七鳃鳗和鳗鱼种群在全球范围内的减少,追踪它们的运动和生存是保护的第一步。然而,一些跟踪传感器或标签对于较小的鱼来说太大了。科学

随着七鳃鳗和鳗鱼种群在全球范围内的减少,追踪它们的运动和生存是保护的第一步。然而,一些跟踪传感器或标签对于较小的鱼来说太大了。

科学家最近开发了一种新的微型电池和标签来追踪更年轻、更小的物种,如鲑鱼、鳗鱼和太平洋七鳃鳗。这些新信息可用于开发在下游洄游过程中保护幼鱼和支持生存的方法。

在Cell Reports Physical Science 上发表的一项研究中,太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的研究人员描述了一种称为 Eel/Lamprey Acoustic Tag (ELAT) 的可注射声学标签,它大约有米粒大小,可容纳两倍于AAA电池的能量。

领导电池和标签开发的实验室研究员和机械工程师 Daniel Deng 说:“这个标签为跟踪我们以前无法研究的各种物种和生命阶段的运动开辟了可能性。”

它还通过跟踪敏感物种在水电设施内和周围的鱼类通道,为支持可持续水电提供了更多见解。标记非常年轻的物种可为水电的未来设计和运营提供信息。这些信息可用于开发技术和改善环境绩效,同时仍可提供清洁、可靠的电力。

随着数据放缓下降

在过去的几十年里,太平洋七鳃鳗和美洲鳗鱼的数量以及奇努克鲑鱼的某些亚种都出现了下降。下降是由于多种因素造成的,包括栖息地丧失、海洋条件,以及在某些情况下,迁徙障碍。

美国的大坝建设促进了工业发展、农业复兴以及持续至今的可靠、负担得起的电力。然而,许多设施建于上世纪中叶,当时人们对七鳃鳗或鳗鱼通道知之甚少。

“太平洋七鳃鳗很难研究,因此研究不足。我们对它们仍有很多不了解,这个标签为更多地了解它们的行为打开了大门,”PNNL 地球科学家 Stephanie Liss 说。

通过标记它们以更好地了解它们在所有生命阶段的运动,可以采取旁路系统等水电缓解措施来支持它们的迁徙。

小电池,大信号

更小的标签需要更小的电池,而电池尺寸是鱼标设计的限制因素。虽然市场上有比人类头发还小的微型电池,但它们并没有为声学标签提供足够的能量。

作为降低声学标签尺寸长达十年的努力的一部分,PNNL 研究人员开发了一种突破性的电池,具有强大的冲击力来标记微不足道的鱼。

高能电池可持续使用 30 天,每 5 秒为一个足球场长度的声波脉冲供电。整体标签的成本与最初由 PNNL 开发的更大的商用声学标签的成本大致相同。

“最大的障碍是平衡规模和性能,”邓说。“较小的技术需要在竞争参数之间进行权衡,例如电池寿命或声学强度。”

将标签、微型电池带到现场

标签对游泳能力没有影响,在各种河流环境中检测到近 100% 的标记物种,例如浅水或大坝的尾流。由于混浊或快速流动的水等挑战,此类设置会增加声学检测的复杂性。

“这个新标签令人兴奋,因为它意味着可以更好地了解以前未被研究过的鱼类的大小和年龄,尤其是那些具有保护意义和文化意义的信息,”利斯说。Liss 领导的关于奇努克鲑鱼的工作最近在加拿大渔业和水产科学杂志上得到了强调。

Liss 和她的团队发现,哥伦比亚河下游迁徙的奇努克鲑鱼可以小到两英寸。由于现有声学标签的尺寸,只有大于 3.7 英寸的鱼才能被标记而不影响游泳能力。现在,使用 ELAT,可以标记小至 2.3 英寸的鱼。

该研究也是完善标记幼鲑鱼尺寸指南的重要第一步。它包括实验室评估,这些评估研究了鱼类在太平洋西北部可能遇到的两种不同温度下的行为。研究人员发现,几乎所有的鱼都保留了它们的标签,存活下来,甚至与未标记的鱼具有相同的生长速度。根据这些信息,Liss 和她的团队能够制定新的标记建议,显示可以使用 ELAT 标记小至 2.3 英寸的鱼。

“在 PNNL,我们将继续开发我们的技术,目标是减少电池和标签的尺寸,最终减少我们能够追踪的鱼的尺寸,”邓说。“这将帮助我们更好地了解鱼类运动,以提前解决任何潜在的保护问题,例如被列为受威胁或濒临灭绝的物种。”

潜在的应用远不止鳗鱼、七鳃鳗和鲑鱼。除了更好地了解其他未被研究的物种(如胡瓜鱼或虾)外,人们还对使用 ELAT 跟踪入侵物种(如密西西比河流域的亚洲鲤鱼或五大湖的海七鳃鳗)感兴趣。

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