הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

שיטה בעלות נמוכה למדידת התפוקה הראשונית באתרה של קהילות פריפיטון במים לנטיים

2.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/64078

⸱

16 בדצמבר 2022

 ,  ,  ,  , 
1Biology Centre of the CAS, Institute of Hydrobiology, 2Faculty of Science, University of South Bohemia, 3Institute of Botany AS CR

במאמר זה

סיכום

מוצגת כאן שיטה/מתקן חסכוניים וניתנים להובלה למדידת התפוקה העיקרית של מחצלות מיקרוביאליות בתנאי טמפרטורה ותאורה בפועל באתרם . מערך הניסוי מבוסס על חומרים זמינים באופן נרחב וניתן להשתמש בו בתנאים שונים תוך שהוא מציע את היתרונות של מודלים מבוססי מעבדה.

תקציר

מדידת התפוקה הראשונית באתרה של פריפיטון במהלך שיפוע עונת הגידול יכולה להבהיר את ההשפעה הכמותית של מניעים סביבתיים (בעיקר ריכוז זרחן ועוצמת אור) והרכב המינים על התפוקה הראשונית. פרודוקטיביות ראשונית מונעת בעיקר על ידי עוצמת אור, טמפרטורה, זמינות של חומרי מזון והפצה של המינים היוניים של מערכת הקרבונט במעמקי האזור האופוטי בהתאמה. זוהי מערכת מורכבת שקשה מאוד לדמות במעבדה. דוברה צפה זולה, ניתנת להובלה וקלה לבנייה זו מאפשרת למדוד את הפרודוקטיביות הראשונית באופן מדויק-ישיר בתנאים הטבעיים בפועל. המתודולוגיה מבוססת על מדידת התפוקה הראשונית בזמן אמת באמצעות חיישני חמצן לא פולשניים המשולבים בצנצנות זכוכית אטומות היטב, המאפשרים ניטור מקוון של שטף החמצן ומספקים תובנות חדשות על פעילויות מטבוליות. מדידות עונתיות מפורטות באתרן של פרודוקטיביות ראשונית ברוטו של מחצלות מיקרוביאליות (או אורגניזמים בנטיים אחרים) יכולות לשפר את הידע הנוכחי על התהליכים השולטים בדינמיקת הפרודוקטיביות הראשונית במים לנטיים.

מבוא

פרודוקטיביות ראשונית היא הכניסה היחידה של פחמן אוטוכטוני למערכות הימיות היוצרות את מארג המזון של המערכת כולה1. לפיכך, הערכה מדויקת של פרודוקטיביות ראשונית היא צעד חיוני לקראת הבנת תפקודן של מערכות אקולוגיות ימיות. אזורים ליטורליים הם אזורים של פרודוקטיביות ראשונית גבוהה ומגוון ביולוגי. בנוסף לפיטופלנקטון, מניחים כי פריפיטון (להלן מחצלות מיקרוביאליות) ומקרו-אצות תורמים באופן משמעותי לפרודוקטיביות הראשונית באזורים ליטורליים2. בשל אורח החיים הססגוני וההטרוגניות המרחבית המשמעותית שלהם, כימות התפוקה הראשונית אינו טריוויאלי.

פרודוקטיביות ראשונית מונעת בעיקר על ידי עוצמת אור, טמפרטורה, זמינות של חומרי מזון והפצה של המינים היוניים של מערכת הקרבונט בעומקים המתאימים של אזורים אופוטיים 3,4. העומק משפיע במידה ניכרת על התפוצה המרחבית של מחצלות מיקרוביאליות. קהילות מיקרוביות חייבות להתמודד עם ההשפעות השליליות של הקרנה גבוהה ושינויי טמפרטורה עונתיים בולטים בעומקים רדודים ועם עוצמת אור נמוכה יותר בעומקים גדולים יותר. בנוסף לשיפוע העומק, אינטראקציות טרופיות דינמיות יוצרות תבניות מרחביות מרובות ומורכבות בקני מידה שונים5. מערכת מורכבת זו מסובכת להדמיה במעבדה. הדרך המדויקת ביותר להסיק את הפעילות המטבולית של יצרנים ראשוניים בודדים מאזורי ליטורל היא להקים ניסויים באתרם.

המתודולוגיה שהוצגה במאמר זה מבוססת על שיטת התא המסורתית 2,6,7, יחד עם דוברה צפה ניתנת להובלה וקלה לבנייה בעלות נמוכה. זה מאפשר מדידה של פרודוקטיביות ראשונית בעומקים שונים תחת ספקטרום האור הטבעי, טמפרטורה והתפלגות שונה של המינים היוניים של מערכת הקרבונט עם העומק. השיטה מבוססת על העיקרון של אור לעומת חמצן בבקבוק כהה, אשר שימש לראשונה למדידת פוטוסינתזה של פיטופלנקטון 6 והוא עדיין בשימוש נפוץ 6,7. הוא משווה את קצב השינוי בחמצן בבקבוקים המוחזקים באור (הכולל את ההשפעות של פרודוקטיביות ראשונית ונשימה) עם אלה המוחזקים בחושך (נשימה בלבד)8. השיטה משתמשת באבולוציה של חמצן (פוטוסינתזה) כפרוקסי לפרודוקטיביות ראשונית. המשתנים הנמדדים הם פרודוקטיביות המערכת האקולוגית נטו (NEP, כשינוי בריכוז O 2 לאורך זמן בתנאי אור) ונשימה של המערכת האקולוגית (RE, כשינוי בריכוז O2 לאורך זמן בחושך). תפוקת המערכת האקולוגית הגולמית (GEP) היא חישוב ההפרש בין השניים (טבלה 1). המונח "מערכת אקולוגית" משמש כאן כדי לציין כי הפרפיטון מורכב מאורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים. השיפור המשמעותי ביותר של שיטה קאמרית מסורתית זו הוא שימוש בחיישנים אופטיים לא פולשניים של חמצן ואופטימיזציה של שיטה פלנקטונית זו בעיקר למדידת פרודוקטיביות ראשונית פריפיטית.

הטכניקה מתוארת בדוגמה של מדידת מחצלות מיקרוביאליות באזור הליטורלי של אגמים חדשים שהתגלו לאחר הכרייה בצ'כיה-מילאדה, מוסט ומדר. הפעילות המטבולית של מחצלות מיקרוביאליות נקבעת באמצעות מדידה ישירה באתרה של שטפי O2 המבוצעת ישירות בעומקים ספציפיים, שם הקהילות הנחקרות מתרחשות באופן טבעי. פעילות הטרוטרופית ופוטוטרופית נמדדת בבקבוקי זכוכית סגורים המצוידים בחיישני חמצן אופטיים לא פולשניים. חיישנים אלה מזהים את הלחץ החלקי של חמצן באמצעות פלואורסצנטיות של צבעים רגישים לאור. הבקבוקים עם מחצלות מיקרוביאליות תלויים ודוגרים על מכשיר צף בעומקים המתאימים. ריכוז החמצן בתוך הבקבוקים נמדד ברציפות בתקופת אור היום מהסירה הקטנה.

דגימות של מחצלות מיקרוביאליות שלמות נאספות ומונחות בבקבוקי דגירה אטומים לגז בעומקים ייעודיים על ידי צוללנים. כל בקבוק מצויד במיקרו-חיישן חמצן אופטי לא פולשני, המנטר את הפרודוקטיביות/הצריכה של O2 לאורך זמן. כל המדידות נעשות בחמישה זוגות כהים/בהירים המשוכפלים בכל עומק. עוצמות הטמפרטורה והקרינה הפעילה פוטוסינתטית (PHAR) נמדדות בעומקים המתאימים לאורך הדגירה. לאחר 6 שעות של דגירה באתרה (שעות אור יום), המחצלות המיקרוביאליות נקטפות מהבקבוקים ומיובשות. שטפי O2 מנורמלים לביומסה מיקרוביאלית. כבקרה, השטפים מתוקנים לשינויים בריכוז O2 בבקבוקים נפרדים אטומים לגז בהירים וכהים (פקדים ריקים) המכילים מי אגם ללא ביומסה מיקרוביאלית של מחצלות. להלן הוראות מפורטות לבניית הדוברה הצפה ולביצוע הניסוי כולו שלב אחר שלב. מאמר זה מציג גם תוצאות מייצגות ממדידות של מחצלות מיקרוביאליות בשני עומקים (1 מ' ו-2 מ'), עם חמישה שכפולים בכל עומק. הטמפרטורה ועוצמת האור בפועל נמדדו במהלך כל הניסוי באמצעות מאגרי נתונים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: לפני הדגימה, קבע את מידת השכפולים בהתבסס על צרכי הפרויקט הכוללים, העיצוב הסטטיסטי או הכמות הצפויה של השתנות הדגימה. חמישה זוגות משוכפלים של בקבוקי דגירה בהירים וכהים מוצעים לניתוח סטטיסטי מדויק וכדי לקחת בחשבון אובדן או שבירה פוטנציאליים של דגימות. הדוברה הניסיונית הצפה המתוארת מתוכננת לשאת חמישה שכפולים ועוד זוג אחד של פקדים ריקים; ראו איור 1 לשרטוט טכני של דוברת הניסוי.

figure-protocol-1
איור 1: שרטוטים טכניים של דוברה הניסויית ושל הציפה הצדדית. (A) מבט מלמעלה: מסגרת הדוברה מורכבת מארבעה חלקי פרופיל L בזווית אלומיניום (כחול) המחוברים זה לזה על ידי ארבעה מוטות שטוחים מאלומיניום (אפור). מצופים XPS (ורוד) מותקנים על המסגרת בשתי נקודות, כל אחת על חלקי האלומיניום המקבילים. שרשראות לבקבוקי דגירה מחוברות למסגרת משני הצדדים באמצעות ווי הצמדה בחורים מקדימים (חיצים אדומים) עם הפרדה של 550 מ"מ ביניהם. שרשראות סופקו עם ווים-הצמדה במרחקים של 1 מ' ו-2 מ' לחיבור בקבוק דגירה (בחר את מיקום ההצמדה-ווים בהתאם לעומק הניסוי). עוגן הבטון מאובטח לחרטום הדוברה, שם שלוחה של 25 מ"מ מאפשרת לשני חורים מקדימים (ראשי חץ צהובים) שישמשו כנקודת חיבור לשרשרת העוגן ולספינת המחקר. המסגרת מורכבת או מתפרקת בקלות באמצעות המפרקים המקבילים בין ארבעת חלקי זווית האלומיניום (ראשי חץ ירוקים). (B) מבט מהצד מראה את השרשראות התלויות עם בקבוקי דגירה תלויים ועוגן בטון (ריבוע חום). (C) הצד XPS לצוף: חתיכות L בזווית מקבילית (כחול) מחוברות באמצעות מוטות שטוחים אנכיים מאלומיניום (אפור). מתחת לחתך ההצלבה, המצוף XPS (ורוד) מותקן עם גדלי החורים הדרושים המצוינים (4 מ"מ). השרשראות התלויות מחוברות עם ווי הצמדה בחורים בקוטר 8 מ"מ (ראש חץ אדום). בחרטום הדוברה נקדחים שני חורים בקוטר 8 מ"מ לתוך האלומיניום התלוי, אחד לאבטחת העוגן לדוברה (ראש חץ צהוב) והשני להעגון ספינת המחקר לדוברה (כחול). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

1. בניית דוברה ניסיונית

הערה: הדוברה הצפה מורכבת משני חלקים שווים המותקנים יחד, ומאפשרים הרכבה/פירוק קלים. את כל החלקים המשומשים ניתן לרכוש בכל שוק תחביבים או חנות המוכרת חומרי בניין.

  1. ראשית, הרכיבו את מסגרת הדוברה על ידי חיבור ארבעה חלקי פרופיל L בזווית אלומיניום (40 מ"מ x 40 מ"מ x 3 מ"מ; אורך של 2,000 מ"מ) יחד באמצעות ארבעה מוטות שטוחים מאלומיניום (40 מ"מ x 3 מ"מ x 350 מ"מ), 16 ברגים (4 מ"מ x 15 מ"מ עם אומים משושים), ו-32 מכונות כביסה (4 מ"מ x 10 מ"מ).
    הערה: המרחק והמיקום של הפסים השטוחים מוצגים בשרטוט הטכני באיור 1A. החיבור המפורט של הצפים לסורגים השטוחים הצדדיים מוצג באיור 1B.
  2. כדי לחבר את שני החלקים השווים של המסגרת, השתמש בארבעה ברגים בגודל 4 מ"מ x 15 מ"מ עם אומי כנף ובשמונה מכונות כביסה בגודל 4 מ"מ x 10 מ"מ כדי להבריג את פרופילי L בזווית האלומיניום יחד בקצוות (איור 1A, חיצים ירוקים).
  3. השתמש בחמישה חלקים של חומר פוליסטירן מובלט (XPS) (500 מ"מ x 200 מ"מ x 150 מ"מ), עשרה ברגים בגודל 10 מ"מ x 170 מ"מ עם אומים משושים, ועשרים מכונות כביסה בגודל 10 מ"מ x 50 מ"מ כדי להכין חמישה מצופים מפוליסטירן מובלטים (500 מ"מ x 200 מ"מ x 150 מ"מ כל אחד). חברו את המצופים למסגרת בחמש נקודות המוצגות בשרטוט הטכני (איור 1A).
  4. קדחו חורים לתוך המסגרת (ראו חיצים אדומים באיור 1A המסמנים את המיקומים והמרחקים של החורים עבור השרשראות). חברו את שרשראות הפלדה באורך 12 מ' (קוטר חוט של 3 מ"מ, קישור פנימי של 5.5 מ"מ x 26 מ"מ) לבקבוקי הדגירה לחורים במסגרת באמצעות ווי קרבין מפלדה (50 מ"מ x 5 מ"מ). ספק לכל שרשרת זוגות של ווי הצמדה (50 מ"מ x 5 מ"מ) להתקנת בקבוקי הדגירה לעומק הרצוי בהתאם לתכנון הניסוי. במקרה זה, הם ישבו בעומק של 1 מ 'ו -2 מ'.
  5. עבור העוגן, למלא את דלי 15 L עם בטון. הכניסו בורג עין לתוך הבטון ותנו לו להתייבש באין מפריע. הדקו את שרשרת הפלדה באורך 5 מ' לקרס. הצמידו את העוגן לחור המקדים בקשת של הדוברה (מסומן בחצים צהובים באיור 1A,B).
    הערה: שרטוטים טכניים עם תיאור המכלול מוצגים באיור 1A-C. איור 2 מציג את התמונה של דוברת הניסוי שהורכבה. איור 3 מראה את החיבור של בקבוקי הדגירה לשרשרת.

figure-protocol-2
איור 2: דוברה ניסיונית מורכבת. תצלום של דוברה ניסיונית שהורכבה. ראשי חץ אדומים מראים את החורים לחיבור שרשראות עם בקבוקי דגירה. ראשי החץ הירוקים מצביעים על המקום שבו שני חצאי המצוף מחוברים זה לזה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-protocol-3
איור 3: בקבוקי דגירה. תמונה של שני זוגות בקבוקי דגירה כהים ובהירים תלויים בעומק של 1 מ '. זוג בקבוקים אחד מכיל דגימה של מחצלות מיקרוביאליות שלמות שעדיין גדלות על האבן (ראש חץ אדום). השני הוא הבקבוק הריק עם מי האגם מהעומק בהתאמה. ראש חץ צהוב מצביע על נקודת חיישן החמצן המחוברת לדופן הפנימית של בקבוק הדגירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

2. התקנה בשטח

  1. מומלץ להשתמש בקיאק מתנפח לצורך הצבת דוברות ועריכת ניסויים מכיוון שהוא ניתן להובלה בקלות.
  2. בחר מקום עם עומק אידיאלי לעיגון המצוף. בחר את העומק כך שבקבוקי הדגירה התחתונים יהיו לפחות 2 מ 'מעל הקרקעית כדי למנוע הפרעה למשקעים לתוך עמודת המים סביב בקבוקי הדגירה.
  3. חברו את הדוברה המורכבת מאחורי ירכתי הסירה. הורידו בזהירות את העוגן לאורך דופן הסירה ויישרו אותו כך שהוא ייתלה מעט מתחת לפני המים, כך שניתן יהיה לגרור את המצוף בקלות יחד עם העוגן לנקודה עם העומק הנדרש.
  4. להתיר את העוגן מהסירה, להוריד אותו לתחתית, ולהצמיד את הדוברה לשרשרת העוגן.
  5. אבטחו את השרשראות לחיבור בקבוקי הדגירה לדוברה.

3. הכנת בקבוק דגירה

  1. השתמש בבקבוקים השקופים בעלי הצוואר הרחב 0.5 ליטר עם אטמים אטומים לגז.
    הערה: ניתן להתאים את גודל הבקבוקים אך זכרו להגדיל את הציפה של הדוברה גם עם יריעות פוליסטירן נוספות. הדוברה המתוארת כאן יכולה לשאת באופן אמין 24 בקבוקי זכוכית של 0.5 ליטר.
  2. חברו את כתמי חיישן החמצן האופטי לדופן הפנימית של כל בקבוק.
  3. הוסיפו שכבה אטומה לבקבוקי הטיפול הכהים על ידי עטיפתם בסרט חשמלי שחור.
  4. חותכים חור זעיר במקום עם החיישן האופטי. כדי למנוע חדירת אור לבקבוק, הקטן מעט את החור מקוטר החיישן.
    הערה: כל שכבה אטומה שמונעת מהאור להיכנס לבקבוק תפעל גם היא. היתרון של סרט חשמלי שחור הוא שהוא עמיד בפני שחיקה ואינו מתקלף במים.

4. איסוף דגימות וטיפול בהן

הערה: צוללנים מבצעים איסוף ידני של דגימות במים עמוקים יותר. במים רדודים, זה יכול להיעשות על ידי שנורקלינג או שכשוך.

  1. מניחים את בקבוקי הדגירה בקופסה הניידת.
  2. צללו עם הקופסה לעומק המתאים. הימנע מהפרעה למשקעים במים שמסביב.
  3. מלאו היטב את בקבוקי הדגירה בדגימות. נסו להפריע לביומסה של הדגימה כמה שפחות, למשל, באמצעות פינצטה ארוכה. אם המחצלות המיקרוביאליות גדלות על משטח מוצק, כמו אבן קטנה, מעבירים בזהירות את כל האבן עם ביומסה שלמה לתוך הבקבוק.
    הערה: הימנע מאיסוף אבנים גדולות כאשר מחצלות דגימה גדלות על אבנים - ניתן לשבור את בקבוקי הזכוכית במהלך מניפולציה נוספת.
  4. מלאו זוג אחד של בקבוקים בהירים/כהים במים נקיים מהמעמקים המתאימים כדי שישמשו כפקדים ריקים.
    הערה: הבקבוקים ללא דגימת הפרפיטון משמשים כבקרה הקובעת את ייצור / צריכת החמצן של אורגניזמים במי הסביבה. זה מבטיח כי התפוקה העיקרית נטו או ברוטו המחושב של periphyton הוא משוחד.
  5. ודאו שהמים בכל בקבוקי הדגירה נקיים ואינם מכילים משקעים מטרידים.
  6. סוגרים את הבקבוקים ומביאים אותם לסירה העוגנת לדוברה הצפה.

5. מדידת התפוקה העיקרית

הערה: האדם היושב בסירה לוקח את התיבה מהצוללן ומבצע את השלבים הבאים.

  1. חברו את שני הזוגות הראשונים של בקבוקי הדגירה לווי ההצמדה בשרשרת הראשונה.
  2. מדוד את ריכוז החמצן ההתחלתי בכל בקבוק באמצעות מד החמצן של סיבים אופטיים. חבר את הכבל האופטי של המונה לחיישן החמצן המותקן בתוך הבקבוק ומיד (תוך מספר שניות) קרא את ריכוז O2 ללא מגע (דרך דופן הבקבוק). הקלט את הערך הנמדד.
    הערה: זמן הטיפול קצר; מלקחת את הבקבוקים מהצוללנים להגדרה הראשונית לעומק המתאים, זה לוקח רק כמה דקות.
  3. מיד לאחר מכן, הורידו בזהירות את השרשרת עם הבקבוקים המחוברים בחזרה למים. ודא שבקבוקי הדגירה ממוקמים באותו עומק שבו נדגמה הביומסה שהונחה בהם.
  4. בצע מדידה נוספת מהספינה לאחר שעה (ראה הערה להלן). משכו בזהירות כל שרשרת עם הבקבוקים לתוך הסירה, קראו את ערך החמצן על ידי חיבור הכבל האופטי לחיישן, והורידו שוב את הדגימות למים.
    הערה: התאם את הזמן בין מדידות בודדות במהלך הדגירה בהתאם לעוצמת התפוקה/צריכת הדגימות של O2 כדי למנוע פיזור יתר של בקבוקים.
  5. חזור על הליך זה לפחות ארבע או חמש פעמים עם כל זוגות הבקבוקים.
    הערה: כל מערך הניסוי בשדה מוצג באיור 4.

figure-protocol-4
איור 4: סכימה של מערך הניסוי בשטח. איור של דוברה ניסיונית מעוגנת על פני האגם. בקבוקי הדגירה (0.5 ליטר) עם ביומסה מיקרוביאלית תלויים בשני עומקים שונים (1 מ' ו-2 מ'). הצוללנים אספו דגימות של מחצלות מיקרוביאליות ישירות לתוך בקבוקי הדגירה בעומקים המתאימים. ריכוז החמצן בבקבוקים בודדים נמדד מהספינה. הבקבוקים נשלפים מהמים. ערך ריכוז החמצן נמדד תוך מספר שניות על ידי חיבור כבל אופטי לחיישן החמצן. לאחר מכן מורידים בזהירות את הבקבוקים בחזרה למים. כל ההליך של מדידת שני זוגות של בקבוקי דגירה משני עומקים לוקח ~ 2 דקות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

6. ניתוחים לדוגמה

  1. לאחר סיום המדידות, קחו את הדגימות ישירות מהבקבוקים, והעבירו את הביומסה של השטיחון המיקרוביאלי לצלוחיות הפלסטיק הקטנות. אם המחצלות גדלות על מצעים מוצקים (למשל, אבנים), קרצפו אותן באמצעות מברשת שיניים או סכין קטנה.
  2. במעבדה, יש לסנן כל אחד מהם דרך מסנני סיבי זכוכית שנשקלו מראש כדי לקבוע את המשקל היבש9.

7. ניתוחי נתונים

  1. במהלך תקופת הדגירה, יש למדוד את ריכוז החמצן בבקבוקים הבהירים והחשוכים ולהשוות אותו לריכוז החמצן בעמודת המים כאשר הבקבוקים מתמלאים.
    הערה: השינוי בחמצן בבקבוק האור לאורך זמן הוא תוצאה משולבת של פרודוקטיביות המערכת האקולוגית ברוטו (GEP) והנשימה של כל האורגניזמים בבקבוק (אוטוטרופים והטרוטרופים ממי הסביבה ומהקהילה הפריפיטית). הירידה בחמצן בבקבוק הכהה מודדת את ההפסדים הנשימתיים של אוטוטרופים והטרוטרופים. השינוי בריכוז החמצן בבקרה (כלומר, בקבוקים ללא הפרפיטון) הוא רק תוצר של אורגניזמים הטרוטרופיים או אוטוטרופיים במי הסביבה. התפוקה והנשימה של פריפיטון הוערכו על ידי הפחתת תפוקת מי הסביבה והנשימה שנמדדו בבקבוקי דגירה ריקים.
  2. שימו לב לריכוז O2 באחוז ריווי חמצן (כלומר, כיול חיישני החמצן ל-0% ו-100% ריווי חמצן). לפני הערכת הפרודוקטיביות העיקרית, המר את הנתונים הגולמיים (figure-protocol-5) ליחידה סבירה כלשהי.
    הערה: במחקר זה, הנתונים מומרים ל-mmol של O2 לגרם של חומר אורגני (OM) של מסת הפרפיטון על בסיס משקל יבש, על פי בנסון וקראוס10.
    1. חישוב ההמרה באמצעות משוואה (1):
      figure-protocol-6 (1)
      כאשר Cp הוא ריכוז O 2 במים (mg (O 2) L-1) כאשר הוא רווי לחלוטין על ידי O 2, בקבוק V הוא נפח הבקבוק ב- mL, V Stones הוא הנפח שנכבש על ידי האבן ב- mL, הוא משקל מסת הפרפיטון ב- g, ו- 32 הוא המשקל הטוחן של O 2.
    2. חישוב Cp באמצעות משוואה (2):
      figure-protocol-7 (2)
      כאשר C s הוא הריכוז הסטנדרטי O2, P הוא הלחץ האטמוספרי על פני האגם, Pw הוא הלחץ החלקי של אדי המים על פני האגם, ו-ω הוא צפיפות המים.
    3. חישוב Cs, ω, P ו- Pw מתוך משוואות אמפיריות שהוגדרו קודם לכן (3-6) כאשר גובה האגם (h בק"מ) וטמפרטורת המים על פני האגם (t ב- °C) ידועים:
      figure-protocol-8 (3)
      figure-protocol-9 (4)
      figure-protocol-10 (5)
      figure-protocol-11 (6)
      הערה: ממשוואות (1-6), ניכר כי ריכוז O2 המחושב הוא המדויק ביותר עבור עומקים רדודים. ככל שהעומק גדל, הריכוז המחושב נעשה מוטה יותר מבחינת הריכוז המוחלט. זה אופטימלי כאשר קצב השינוי של ריכוז החמצן לאורך העומק ידוע עבור כל אגם, כך ריכוז O2 מוחלט ניתן לתקן במידת הצורך. לאחר חישוב ריכוז O 2, ניתן להשתמש בשינויו לאורך זמן כדי לחשב שני שטפים שונים של O2 בשני תנאים שונים. בתנאי אור, פרודוקטיביות המערכת האקולוגית נטו (NEP) עומדת ביחס ישר לשינוי בריכוז O2 לאורך זמן (ראה להלן). המונח "מערכת אקולוגית" משמש כאן כדי לציין כי הפרפיטון מורכב מאורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים. בחושך, השינוי בריכוז O2 לאורך זמן הוא פרופורציונלי לסכום ההפסדים הנשימתיים של אורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים, ובכך מגדיר את הנשימה האקולוגית (RE). ההבדל בין NEP ל-RE מגדיר את הפרודוקטיביות הגולמית של המערכת האקולוגית (GEP). אם ההפסדים הנשימתיים של החלק ההטרוטרופי של הקהילה הם זניחים, GEP הופך להיות שווה לתפוקה הגולמית של המערכת האקולוגית.
  3. קבע את קצב השינוי של ריכוז O2 לאורך זמן על ידי רגרסיה פולינומית מדרגה שלישית, כפי שמוצג במשוואה (7).
    figure-protocol-12(7)
    כאשר A0 הוא ריכוזO 2 בזמן אפס ו- A 1-A 2 הם מקדמי רגרסיה פולינומית.
    הערה: פונקציית הפולינום משמשת מכיוון שהיא יכולה לשמש כקירוב של כל משוואה דיפרנציאלית. לכן, אין צורך לדעת את הקשר הפונקציונלי המדויק בין ריכוז O2 וזמן. לכן, כל הנחה הקשורה ליחסים הפונקציונליים (למשל, ליניאריות) אינה צריכה להיות נשלטת. בהגדרה, המונח השני של רגרסיה פולינומית, A 1 מגדיר את קצב השינוי של ריכוז O 2 בזמן אפס (כלומר, קצב מיידי), שאינו תלוי ב-A0, ובכך בריכוז O 2 המוחלט בזמן אפס. מסיבה זו, ההערכה של שטף O 2 אינה מושפעת מההטיה בחישובי ריכוז O2 מוחלטים הנגרמים על ידי שינוי הלחץ על פני שיפוע העומק. ל-1 יש יחידות O2 (mmol g(OM)-1) בכל פעם (שעה אחת במחקר זה).
    1. חישוב A1, המחושב בנפרד עבור בקבוקים עם וללא חשיפה לאור ומכילים ביומסה של מחצלות מיקרוביאליות (כלומר, V Stones > 0) ועבור בקבוקי בקרה עם ובלי חשיפה לאור ומכילים מים חופשיים (כלומר, V Stones = 0).
      הערה: הקצאת מקדמי רגרסיה שונים אלה לסימונים figure-protocol-13, , , וfigure-protocol-14- , בהתאמה, figure-protocol-15figure-protocol-16ניתן לכתוב את המשוואה (8) לחישוב GEP של פרודוקטיביות כ:
      figure-protocol-17 (8.1)
      figure-protocol-18 (8.2)
      figure-protocol-19 (8.3)
      המונח figure-protocol-20 מגדיר פרודוקטיביות נטו של מערכות אקולוגיות (איור 5A; כלומר, פרודוקטיביות חמצן נטו ), והמונח figure-protocol-21 מייצג את סכום הנשימה האוטוטרופית וההטרוטרופית (איור 5B; RE, כלומר, בהנחה ששתי הנשימות דומות בתנאי חושך ואור).
    2. הפחת R מ-NEP כדי לקבל GEP (איור 5C).
      הערה: משוואה (8) מניחה באופן מרומז כי figure-protocol-22 ושניהם figure-protocol-23 חיוביים, ושניהם figure-protocol-24 figure-protocol-25 שליליים. אם figure-protocol-26 הוא חיובי, לבדוק את הנתונים הגולמיים בזהירות עבור חריגות . יכול להיות שלילי תיאורטית כי הפסדים נשימתיים הנגרמים על ידי פעילות הטרוטרופית יכול להיות גבוה יותר מאשר פעילות פוטוסינתטית. figure-protocol-27

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

figure-results-1
איור 5: פרודוקטיביות נטו וברוטו של מערכות אקולוגיות של מחצלות מיקרוביאליות באור יום. (A) פרודוקטיביות המערכת האקולוגית של רשת בקבוקים קלה: נתוני מהלך הזמן של תפוקת החמצן נטו של מחצלות מיקרוביאליות מהבקבוקים הקלים. השינוי בריכוז החמצן בבקבוקי הדגירה נמדד לאחר שעה אחת באור יום. עיגולים אפורים: בקבוקים עם דגימות של מחצלות מיקרוביאליות. עיגולים לבנים: ב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

המתודולוגיה המתוארת במאמר זה מבוססת על העיקרון של טכניקת החמצן בבקבוק בהיר וכהה בשילוב עם הטכניקה הלא פולשנית של מדידת ריכוז O2 באמצעות חיישני חמצן אופטיים. מערכת זו מאפשרת מדידה מקבילה של הגדרות דגירה שונות מכיוון שניתן להעביר במהירות את הסיב האופטי למדידת O2 מבקבוק לבקבוק. הקהילות הבנטיות מעומקים שונים יכולות להיות שונות בהרכב הטקסונומי ובפריון; מדידתם בו זמנית באופן מקביל יכולה לחסוך זמן ולהפוך את התוצאות למדויקות יותר, ומאפשרת חישוב של פרופילים בעומק שלם שבהם פריפיטון גדל. חיישני חמצן לא פולשניי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים מאשרים כי אין להם ניגודי עניינים לחשוף.

תודות

מחקר זה נתמך על ידי הקרן הצ'כית למדע (GACR 19-05791S), RVO 67985939, ועל ידי CAS במסגרת התוכנית של אסטרטגיית AV 21, חיסכון בקרקע והתאוששות. תודה רבה לאונדז'יי סיהלסקי על שצילם את הצילומים בשדה - בלעדיו, הצילומים היו גיהינום מוחלט. הפרויקט לא היה מתאפשר ללא שיתוף פעולה הדוק עם חברות, Palivový Kombinát Ústí s.p. ו- Sokolovská Uhelná, שסיפקו גישה ליישובים הנחקרים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
זווית אלומיניום פרופיל L 40 x 40 מ"מ x 3 מ"מ, אורך 2,000 מ"מ
מוט שטוח מאלומיניום 40 x 3 x 350 מ"מ
דלי 15 ליטר עם מילוי בטון 
וו קרבין עם מנעול בורג 50 x 5 מ"מ
סרט חשמלי שחור
פוליסטירן מוקצף (XPS) 500 x 200 x 150 מ"מ
Fibox 3 עקבות LCDPreSens Precision Sensing GmbHמד חמצן סיבים אופטיים עצמאי
Hondex PS-7 צליל עומק ניידהונדקס  - הונדה אלקטרוניקהלמדידת מרחקים דרך מים - למדידת עומק קרקעית; https://www.honda-el.net/industry/ps-7e
חיישן חמצן ספוט SP-PSt3-NAU-D5PreSens Precision Sensing GmbHחיישן חמצן אופטי לא פולשני למדידות בתנאים אמיתיים
קאנו לתינוקות SCOUThttps://www.gumotexboats.com/en/scout-standard#0000-044667-021-13/11C GUMOTEX
10 x 170 מ"מ עם אגוזים
בורג 4 x 15 מ"מ עם משושה אגוזים
בורג 4 x 15 מ"מ עם אגוזי
ווי הצמדה 50 x 5 מ"מ
וו פלדה קרבין 50 x 5 מ"מ
שרשרת פלדה בקוטר חוט 3 מ"מ, חוליה פנימית 5.5 x 26 מ"מ
שרשרת פלדה, מברשת
בפינצטה
10 x 50 מ"מ
מכונת כביסה 4 x 10 מ"מ
מכונת כביסה 4 x 10 מ"מ
חומר KORKEN - צנצנת זכוכית אטומה 0.5 ליטר בקבוקי דגירה של איקאה; https://www.ikea.com/cz/en/p/korken-jar-with-lid-clear-glass-70213545/ וו מתכת בורג משושהכנף שיניים 5 מ'מכונת כביסה

מקורות

  1. Blachart, J. L., et al. Potential consequences of climate change for primary production and fish production in large marine ecosystems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 367 (1605), 2979-2989 (2012).
  2. Howarth, R. W., Michaels, A. F. The Measurement of primary production in aquatic ecosystems. Methods in Ecosystem Science. Sala, O. E., Jackson, R. B., Mooney, H. A., Howarth, R. W. , Springer. New York, NY. 72-85 (2000).
  3. Vadenbecouer, Y. E. G., Peterson, M. J., Vander, Z., Kalff, J. Benthic algal production across lake size gradients: Interactions among morphometry, nutrients, and light. Ecology. 89 (9), 2542-2552 (2008).
  4. Reimer, A., Landmann, G., Kempe, S. Lake Van, eastern Anatolia, hydrochemistry and history. Aquatic Geochemistry. 15 (1), 195-222 (2009).
  5. Cantonati, M., Lowe, R. L. Lake benthic algae: toward an understanding of their ecology. Freshwater Sciences. 33 (2), 475-486 (2014).
  6. Gaarder, T., Gran, H. H. Investigation of the production of plankton in the Oslo Fjord. Rapports et Proces-verbaux des Réunions. Conseil International pour l'Éxploration de la Mer. 42, 1-48 (1927).
  7. Hall, R. O., Thomas, S., Gaiser, E. E. Measuring Freshwater Primary Productivity and Respiration. Principles and Standards for Measuring Primary Productivity. Fahey, T. J., Knapp, A. K. , Oxford Academic. New York. The Long-Term Ecological Research Network Series (2007).
  8. Howart, R., Michaels, A. Chapter 6 The Measurement of Primary Production in Aquatic Ecosystems. Springer Science and Business Media LLC. , (2000).
  9. Kopáček, J., Hejzlar, J. Semi-micro determination of total phosphorus in soils, sediments, and organic materials: a simplified perchloric acid digestion procedure. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 26 (11-12), 1935-1946 (1995).
  10. Benson, B. B., Krause, D. The concentration and isotopic fractionation of oxygen dissolved in freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere1. Limnology and Oceanography. 29 (3), 620-632 (1984).
  11. Dodds, W. K., Biggs, B. J., Lowe, R. L. Photosynthesis-irradiance patterns in benthic microalgae: variations as a function of assemblage thickness and community structure. Journal of Phycology. 35 (1), 42-53 (1999).
  12. Bott, T. L., et al. An evaluation of techniques for measuring periphyton metabolism in chambers. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 54 (3), 715-725 (1997).
  13. Blankenship, R. E. Structural and functional dynamics of photosynthetic antenna complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (45), 13751-13752 (2015).
  14. Hawes, I., Schwartz, A. -M. Photosynthesis in an extreme shade environment, benthic microbial mats from Lake Hoare, a permanently ice-covered Antarctic lake. Journal of Phycology. 35 (3), 448-459 (1999).
  15. Aristegui, J., et al. Planktonic primary production and microbial respiration measured by 14C assimilation and dissolved oxygen changes in coastal waters of the Antarctic peninsula during austral summer: Implications for carbon flux studies. Marine Ecology-Progress Series. 132, 191-201 (1996).
  16. Steemann-Nielsen, C. The use of radioactive carbon (14C) for measuring organic production in the sea. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 18 (2), 117-140 (1952).
  17. Sanz-Martín, M., et al. Relationship between carbon-and oxygen-based primary productivity in the Arctic Ocean, svalbard archipelago. Frontiers in Marine Science. 6, 468(2019).
  18. Nielsen, E. S. Measurement of the production of organic matter in the sea by means of carbon-14. Nature. 167 (4252), 684-685 (1951).
  19. Jönsson, B. A 14C-incubation technique for measuring microphytobenthic primary productivity in intact sediment cores. Limnology and Oceanography. 36 (7), 1485-1492 (1991).
  20. Bender, M. L., et al. A comparison of four methods for determining planktonic community production. Limnology and Oceanography. 32 (5), 1085-1098 (1987).
  21. Šimek, K., et al. Spatio-temporal patterns of bacterioplankton productivity and community composition related to phytoplankton composition and protistan bacterivory in a dam reservoir. Aquatic Microbial Ecology. 51 (3), 249-262 (2008).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

שיטה בעלות נמוכה למדידת התפוקה הראשונית באתרה של קהילות פריפיטון במים לנטיים
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.