Name: 一种低成本的透镜水周边植物群落原 位初级生产力 测量方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-16T13:05:00.000+00:00
Duration: 6 min 2 s
Description: 了解一种低成本、非侵入性的原位初级生产力测量方法，用于研究静水水体中周丛生物群落的生态过程。该方法使用充气皮划艇和便携式设备，可在多个地点同时进行测量，大幅降低传统技术的成本，同时提高数据收集效率和质量。

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本研究由捷克科学基金会（GACR 19-05791S）、RVO 67985939 以及捷克科学院“战略 AV 21，土地保护与恢复”项目资助。衷心感谢 Ondřej Sihelský 在野外拍摄的照片——没有他，拍摄工作将极为艰难。本项目离不开与 Palivový Kombinát Ústí s.p. 和 Sokolovská Uhelná 公司的紧密合作，这两家公司为研究地点的实地考察提供了便利条件。

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</ol>

作者确认无任何利益冲突需要披露。

本文所述方法基于黑白瓶测氧技术，并结合使用光学氧传感器无创测定 O2 浓度的技术。该系统可通过快速移动用于测定 O2 的光纤，实现对不同培养条件的并行测量。来自不同深度的底栖群落可能在分类组成和生产力方面存在差异；通过并行方式同时测量这些群落可节省时间，并提高结果的精确性，从而能够计算出附生藻类生长的全水深剖面。集成于摇瓶中的无创氧传感器可实现对氧气通量的实时监测。
设计的实验装置能够测量微生物群落在其自然分布深度下的初级生产力，而这种条件在实验室中难以模拟（如适当的压力、昼夜温度变化过程及光照强度的变化）。 原位，不同的营养物质可利用性）。所提出方法的主要改进之处在于其非侵入性、低成本，以及能够在靠近样品采集位置的单一坐标点进行多次同步测量。该方法对环境友好，所有材料均可重复使用，且能够在无需额外支出的情况下收集大量数据。高灵敏度O的引入2 探针（即检测限为15 ppb，分辨率为0.1%或0.04 mg O）2 L-1也使得该方法的使用转向生产力较低的水...

初级生产力是自生碳进入水生系统的唯一途径，构成了整个系统食物网的基础1。因此，准确估算初级生产力是理解水生生态系统功能的关键步骤。沿岸带是初级生产力和生物多样性较高的区域。除了浮游植物外，附生生物群（下文称为微生物垫）和大型藻类也被认为对沿岸带的初级生产力有重要贡献2。由于这些生物具有固着生活方式且在空间上存在显著异质性，其初级生产力的量化并非易事。
初级生产力主要受光照强度、温度、营养物质的可利用性以及真光层不同深度中碳酸盐体系离子种类分布的驱动。3,4深度显著影响着微生物席的空间分布。在较浅的深度，微生物群落必须应对高强度辐射和显著的季节性温度变化带来的不利影响，而在较深的区域则需适应较低的光照强度。除了深度梯度外，动态的营养相互作用还在不同尺度上形成了多种且复杂的空间格局。5该复杂系统在实验室中模拟较为困难。推断来自沿岸带各个初级生产者的代谢活性最准确的方法是建立 原位 实验。 
本文介绍的方法基于传统的培养皿法2,6,7，并结合了一种可移动、低成本且易于构建的浮筏装置。该方法能够在自然光照光谱、温度以及碳酸盐体系离子种类随深度分布不同的条件下，测量不同水深的初级生产力。该方法基于明暗瓶溶氧量差异的原理，最初用于测量浮游植物光合作用6，至今仍被广泛使用6,7。该方法通过比较置于光照条件下（包含初级生产力和呼吸作用的共同影响）与黑暗条件下（仅呼吸作用）瓶中溶氧量的变化速率来进行分析8。该方法以氧气释放量（光合作用）作为初级生产力的替代指标。所测量的变量包括净生态系统生产力（NEP，即光照条件下单位时间内O2浓度的变化）和生态系统呼吸量（RE，即黑暗条件下单位时间内O2浓度的变化）。总生态系统生产力（GEP）则通过两者之差计算得出（表1）。此处使用“生态系统”一词，意在表明附生生物群落由自养和异养生物共同组成。相较于传统培养皿法，本方法最主要的改进在于采用了非侵入式光学溶氧传感器，并对该原本主要用于浮游生物的方法进行了优化，以适用于附生生物初级生产力的测定。
该技术以捷克共和国新形成的采矿后湖泊——米拉达湖、莫斯湖和梅达尔湖沿岸带微生物席的测量为例进行描述。通过直接测定法确定微生物席的代谢活性 原位 O的测量2 在特定深度直接进行通量测量，这些深度是所研究群落自然分布的位置。异养和光养活性的测定在配备非侵入性光学氧传感器的密闭玻璃瓶中进行。这些传感器利用对光敏感染料的荧光来检测氧气分压。含有微生物席的玻璃瓶被悬挂在浮置装置上，并在相应深度进行孵育。在白天时段，通过小船对瓶内氧气浓度进行连续监测。 
完整的微生物席样品由潜水员采集，并置于指定深度的密闭培养瓶中。每个培养瓶均配备一种非侵入式光学氧微传感器，用于监测 O2 随时间变化的生产力/消耗量。每个深度的测量均进行五次重复的暗/光配对实验。在培养期间，持续测量相应深度的温度和光合有效辐射（PHAR）强度。培养6小时后 原位 孵育（白天时段）后，从瓶中采集微生物席并进行干燥。2 通量数据归一化至微生物生物量。作为对照，使用不含微生物席生物量的湖泊水样，在独立的透光和避光密闭瓶（空白对照）中校正氧气浓度变化对通量的影响。下文将详细介绍漂浮平台的搭建方法及整个实验的逐步操作流程。本文还展示了在两个水深（1 m和2 m）条件下对微生物席进行测量的代表性结果，每个深度设置五个重复。实验全程使用数据记录仪监测实际温度和光照强度。

<table><tbody><tr><td>铝制角材 L 型材 40 x 40 mm x 3 mm，长度 2,000 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>铝制扁条 40 x 3 x 350 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>15 L 桶，内填混凝土&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>带螺纹锁扣的钢丝绳扣 50 x 5 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>黑色电工胶带</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>挤塑聚苯乙烯（XPS）材料 500 x 200 x 150 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fibox 3 LCD trace</td><td>PreSens Precision Sensing GmbH</td><td></td><td>独立式光纤氧含量测定仪</td></tr><tr><td>Hondex PS-7 便携式测深仪</td><td>Hondex&amp;nbsp; - Honda Electronics</td><td></td><td>用于通过水体测量距离——测量水底深度；https://www.honda-el.net/industry/ps-7e</td></tr><tr><td>KORKEN - 0.5 L 玻璃密封罐</td><td>IKEA</td><td></td><td>培养瓶；https://www.ikea.com/cz/en/p/korken-jar-with-lid-clear-glass-70213545/</td></tr><tr><td>金属挂钩&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>氧气传感器斑点 SP-PSt3-NAU-D5</td><td>PreSens Precision Sensing GmbH</td><td></td><td>用于真实条件下测量的非侵入式光学氧传感器</td></tr><tr><td>SCOUT 婴儿便携式独木舟</td><td>GUMOTEX</td><td></td><td>https://www.gumotexboats.com/en/scout-standard#0000-044667-021-13/11C</td></tr><tr><td>六角螺母螺钉 10 x 170 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>六角螺母螺钉 4 x 15 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>蝶形螺母螺钉 4 x 15 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>快挂扣 50 x 5 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>钢制快挂扣 50 x 5 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>钢链，线径 3 mm，链节内径 5.5 x 26 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>钢链，5 m</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>牙刷</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>镊子</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>垫圈 10 x 50 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>垫圈 4 x 10 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>垫圈 4 x 10 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

一种低成本测量方法 原位 静水水体附生藻类群落的初级生产力

A Low-Cost Method of Measuring the In Situ Primary Productivity of Periphyton Communities of Lentic Waters

测量 原位 生长季节梯度下附生藻类初级生产力的研究可阐明环境驱动因子（主要是磷浓度和光照强度）以及物种组成对初级生产力的定量影响。初级生产力主要受光照强度、温度、营养物质的可利用性以及真光层不同深度下碳酸盐体系离子形态分布的调控。该系统十分复杂，难以在实验室条件下进行有效模拟。本研究采用一种低成本、可移动且易于搭建的浮台装置，可在实际自然环境中精确测定初级生产力。该方法基于将非侵入式氧气传感器集成于密闭玻璃瓶中，实现实时初级生产力测量，并在线监测氧气通量，从而为代谢活动提供新的认识。详细的季节性 原位 微生物垫（或其他底栖生物）总初级生产力的测量可增进对静水水体中初级生产力动态控制过程的现有认知。

<img alt="亮瓶与暗瓶法，NEP与RE；时间与O2关系图；NEP、RE、GEP比较图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64078/64078fig05.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图5"> 
图5：微生物席在日光期间的净生态系统生产力和总生态系统生产力。（A）亮瓶法测定净生态系统生产力：来自亮瓶中微生物席的净氧气生产力随时间变化的数据。在日光期间，于培养瓶中孵育1小时后测定氧气浓度的变化。灰色圆点：含有微生物席样品的瓶子。白色圆点：仅含湖水的空白瓶。（B）暗瓶法测定呼吸作用：来自暗瓶的自养呼吸与异养呼吸之和。在日光期间，于培养瓶中孵育1小时后测定氧气浓度的变化。灰色圆点：含有微生物席样品的瓶子。白色圆点：仅含湖水的空白瓶。（<...

本文介绍了一种经济、便携的方法/装置，用于在真实环境下测量微生物席的初级生产力 原位 环境温度和光照条件。该实验装置基于广泛可得的材料，可在多种条件下使用，同时具备基于实验室模型的优势。

测量生长季梯度期间附生藻类的原位初级生产力，可阐明环境驱动因子的定量效应……

在合适地点对附生藻类或任何水体微生物的总生产力进行详细的原位测量，可增进当前对静水生态系统初级生产力动态控制过程的认识。所提出方法的主要优势在于其非侵入性、成本效益高，以及能够在多个地点同时进行测量。此外，该方法还能在无需额外支出的情况下收集大量数据资源。进行实验时，用充气式皮划艇替代驳船，因其便于运输。选择一个适合水深的地点来固定浮标。然后，将组装好的驳船连接到船尾，并沿船体侧面小心放下锚。通过将锚悬挂至略低于水面的位置来调整其位置，以便能够轻松拖动浮标连同锚一起到达所需深度的区域。到达指定位置后，将锚从船上解开并下放至水底，然后将驳船固定在锚链上，并将用于悬挂培养瓶的链条也固定在驳船上。准备培养瓶时，将氧气光学传感器斑点贴在带有气密密封盖的透明宽口0.5升瓶内壁上，再用黑色电工胶带包裹部分瓶子以形成不透光层，用于暗处理组的培养瓶。在放置光学传感器的位置切割一个微小的孔，并确保切出的孔略小于传感器的直径，以防止光线进入瓶内。将培养瓶放入便携箱中，并携带该箱下潜至相应深度，注意不要扰动周围水体中的沉积物。接着，使用长镊子小心地将样品装入培养瓶中，注意不要过度扰动样品的生物量。如果微生物席生长在小石块等固体表面，需小心地将带有完整生物量的石块整体转移至瓶中。另取一对透光与不透光瓶，装入相应深度的清洁水样（不含任何沉积物），作为空白对照。在确认所有培养瓶中的水样清洁且不含干扰性沉积物后，将已封口的瓶子带回固定于浮箱的船上。将前两对培养瓶固定在第一条链的卡扣上，然后使用光纤氧测定仪测量每个瓶中的初始氧浓度。将测定仪的光纤电缆连接到安装在瓶内的氧传感器上，几秒钟内读取测定仪显示的氧浓度，并记录测量值。测量完成后，立即小心地将带有培养瓶的链条重新放回水中，确保培养瓶置于与其内生物样品采集深度相同的位置。一小时后，小心地将装有样品的瓶子连同链条拉入船中，再次测量氧气浓度。此前已演示过读取氧气值的方法，读取后需将样品重新放回水中。完成所有测量后，从培养瓶中取出样品，用牙刷或小刀刮取生长在石头等硬质表面的微生物垫，并将刮取物转移至塑料瓶中。在光照条件下，对照瓶和含有样品的瓶中均显示出随时间推移氧气浓度上升的现象，表明存在净生态系统生产力。然而，含有微生物席样品的瓶中氧气浓度上升的斜率明显更高。在暗瓶中，氧气浓度随时间的变化是自养呼吸和异养呼吸的总和。在此情况下，对照瓶中的氧气浓度斜率与零无显著差异。从净生态系统生产力中减去呼吸速率可得到总生态系统生产力速率，该数据与定义高度吻合。该方法的一个实际应用是在三个采矿后湖泊的实地研究中实现的，结果显示了植被生长季期间附生生物群落的总生态系统生产力。在水下进行生物量取样过程中，添加样品后关闭培养瓶时，必须确保瓶内无残留气泡。通过该方法，可定量测定水体与任意合适大小的生物个体或生物群落之间的氧气交换。该方法通过尽可能模拟自然条件，原位研究所选生物全年初级生产力，从而更准确地评估其在整个生命过程中碳代谢的相对重要性。

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一种低成本的透镜水周边植物群落原 位初级生产力 测量方法

本文介绍了一种从浮游微生物群落中提取代谢物的方法。通过将样品过滤至特制的滤膜上，实现整个群落的采样。经过冻干处理后，提取水溶性代谢物。该方法可将环境代谢组学应用于自然或实验性微生物群落的跨组学研究。...

利用核磁共振波谱法对低密度浮游群落环境代谢组学样品中代谢物的浓缩方法

我们介绍一种相对较快速（30 分钟）且适用于蒸腾状态下离体叶片的叶水力导度（Kleaf）与气孔导度（gs）同步测定的实用方法。该方法可经修改后用于测定 Kleaf 和 gs...

利用蒸发通量法（EFM）测定叶片水力导度和气孔导度及其对光照和脱水的响应

我们介绍了评估捕食风险如何通过诱导食草动物改变饮食以满足 heightened stress...

关联捕食风险、植食动物生理应激与植物凋落物的微生物分解

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高通量荧光法测定潜在土壤胞外酶活性

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综合田间溶出法与孔隙水采样法评估土壤及定植植被中化学物质的迁移性

本实验的目的是展示采用微孔板形式进行微藻筛选的可重复性和适应性。该快速筛选方法结合了 WATER-脉冲振幅调制（WATER-PAM）荧光测定技术，以光合产量作为光系统...

利用 WATER-脉冲振幅调制（WATER-PAM）荧光测定法评估细菌/浮游植物共培养的小体积生物测定法

我们介绍一种名为VacuSIP的简单、非侵入性且可靠的水体定点取样方法，可实现洁净而精确的水样采集。该系统已开发并用于同步采集底栖悬浮物滤食生物吸入和呼出的水样 原位，...

VacuSIP：一种改进的InEx方法 原位 活性悬浮物滤食者处理的颗粒态与溶解态化合物的测定

我们介绍一种简单且经济高效的方法，用于构建一款开源数据记录仪，可同时测量非维管隐花植物的电导率以及环境温度和湿度。我们详细描述了该数据记录仪的硬件设计，提供了分步组装说明、所需开源记录软件的列表、运行数据记录仪的代码，以及校准方案。...

BtM：一种低成本开源数据记录仪，用于估算非维管隐花植物的含水量

冰冻圈中的碳通量目前几乎尚未得到评估，但在气候变化方面至关重要。本文展示了一种新型原型装置，该装置基于激光诱导荧光发射（L.I.F.E.）技术，在原位条件下提供高光谱和高空间分辨率的数据，用于捕捉表生冰川环境中的光合潜力。...

激光诱导荧光发射（L.I.F.E.）作为一种新型非侵入式工具用于冰冻圈生境中生物标志物的原位测量

快速重复率荧光仪（FRRf）是测量光系统II光生理学和初级生产力的有效方法。本文介绍了一种利用比色皿式FRRf测定附生于浮游动物基质上的附生藻类Colacium...

使用比色皿型快速重复速率荧光仪测量附着阶段Colacium sp. 的光生理特性

了解一种低成本、非侵入性的原位初级生产力测量方法，用于研究静水水体中周丛生物群落的生态过程。该方法使用充气皮划艇和便携式设备，可在多个地点同时进行测量，大幅降低传统技术的成本，同时提高数据收集效率和质量。

一种低成本测量方法原位静水水体附生藻类群落的初级生产力

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