BtM, אוגר נתונים קוד פתוח בעלות נמוכה כדי להעריך את תכולת המים Nonvascular Cryptogams
25 במרץ 2019
אנו מציגים שיטה פשוטה וחסכונית לבנות אוגר נתונים קוד פתוח, המודד את מוליכות של cryptogams nonvascular יחד עם הסביבה טמפרטורה ולחות. אנחנו מתארים את עיצוב חומרה אוגר נתונים ומספקים הוראות הרכבה צעד אחר צעד, את רשימת התוכנות נדרש רישום פתוח, הקוד כדי להפעיל את אוגר נתונים, פרוטוקול כיול.
קריפטוגרפים לא-וסקולריים חיוניים למספר פונקציות של המערכת האקולוגית. לדוגמה, הם אחראים כמעט 50% של חנקן קבוע ביולוגית. עיצבנו מדריך נתונים כדי לענות על שאלות בתחום האקולוגיה הקריפטוגמית.
השיטות מודדות במקום את התקופה שבה אורגניזמים אלה נשארים hydrated, הקשורים לפעילות בריופיט עם תנאים סביבתיים. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שזה עלות נמוכה, קוד פתוח, וקל להרכיב datalogger, אשר ניתן לבנות ללא ידע טכני. השיטה יכולה להיות מיושמת על מגוון רחב של מערכות אקולוגיות ואורגניזמים מודל, מ biocrust באזורים יבשים כדי ביצות כבול באזורים boreal.
הכינו מגהץ הלחמה וסליל של חוטים. המתן עד שההלמה תחמם, ותרכך את ספוג הניקוי. חותכים את פסי ראש הסיכה לאורך הרצוי עבור חיישן הטמפרטורה והלחות, מיקרו-בקר ומודולים של שעון RTC ו- microSD.
כדי לה הלחים את רצועות ראש הסיכה לשקעים, מחממים מראש את הצירוף הרצוי עם קצה הברזל ההמהמה. לאחר מכן, להחיל כמות קטנה של חומר מחוט הלחמה, מספיק כדי למלא את הצומת. לבסוף, להסיר את ברזל הלחמה, ולחכות הצומת להתקרר.
באמצעות אותה טכניקה, להתחיל להרכיב את הרכיבים ללוח המעגל המודפס. ראשית, הלחים את המתנגדים. לאחר מכן, הלחים את השקעים עבור המגברים התפעוליים, חיישן SHT7x, ושעון RTC ומודולים לפרוץ microSD.
לאחר מכן, הלחים את שני הטרנזיסטרים. הלוח גם צריך להיות הלחם עכשיו, באמצעות כותרות סיכה. לבסוף, הלחם את המחברים ללוח.
עכשיו, הלחם את חיישן טמפרטורת הלחות SHT7x לתוך ראש סיכה או כבל מאריך כדי לחזק את הלידים. הכן רב-מטר במצב בדיקת המשכיות או בדיקת מוליכות. השתמש בריבוימטר כדי לוודא שאין קצרים בין אף אחד מהסיכה או החיבורים.
בדוק שוב את המסופים החיוביים והשליליים של ספק הכוח. כמו כן, ודא שכל מפרק הלחמת יוצר חיבור יציב בין סיכות הרכיבים לבין מסלולי הנחושת של המעגל. כדי לחבר את מסופי הסוללה ואת מהדקי הכבלים ללוח, השתמש בכל כלי חיתוך כדי להפשיט כארבעה מילימטרים מכל קצה חוט, ולחשוף את הליבה מוליך.
לאחר מכן, להכניס כל כבל לתוך המסוף המתאים, ולהדק את הבורג עם המברג. ודא ובדוק שוב את הקוטביות הנכונה של הכבלים, במיוחד אלה של ספק הכוח. בדוק את עוצמת החיבור על-ידי משיכת הכבלים מעט, אימות שהכל מחובר היטב.
כדי להפחית עוד יותר את צריכת החשמל, הסר את ה-LED של לוח המיקרו-בקרים על-ידי ביטול או ניתוק דיודה LED מהלוח. לבסוף, הר את לוח BtM במתחם חסין מזג אוויר כדי להרחיק לחות מהאלקטרוניקה. הר את חיישן טמפרטורת הלחות מחוץ לקופסה, והשאיר אותו מחובר ללוח BtM.
נתב את שמונת זוגות קליפי התנינים הדרושים למדידות מוליכות אל מחוץ למתחם עמיד בפני מזג האוויר. אחרון, קליפ כל גדיל אזוב עם קליפים תנין. כדי להבטיח שהדגימות יבשות, בצעו את הכיול בצהריים, ביום עם לחות נמוכה באוויר ולפניו לפחות יום אחד, ועדיף יומיים יבשים.
בחר קהילה של אזוב או חזזית כי הוא בריא ומובנה היטב. חבר את מוצץ הנתונים לטחב או לחזזית על ידי הצבת קליפי התנין בעמדה מרכזית של הקהילות במקרים של בריופיטים, חזזיות פרוטיות וחזזיות עלווה. עבור חזזיות פרוטיות, צרף את הקליפים בתלוס.
עבור טחבים, לצרף את הקליפים ישירות על גזע של אדם. במקרה של חזזית עלווה, מניחים את הקליפים על גבול התלוס. שמור על מרחק מינימלי של כחמישה מילימטרים בין אלקטרודות.
ודא שהסרטונים אינם מנותקים בקלות לפני התחלת המידות. התחל את המדידות על-ידי הפעלת datalogger, וה השאר את לוח ה- BtM פועל במשך כשלוש דקות כדי לייצב את הערכים המוקלטים. בצעו בדיקת כיול מראש כדי להעריך את כמות המים הנדרשת בכל אירוע השקיה.
חבר את הקליפים לדוגמה. לאחר מכן, מוסיפים מים עד שההוליכות מגיעה לערך שאינו עולה עם תוספת של יותר מים. זהו ערך ההולכה המרבי של מדגם זה וישמש לביסוס שלבי השקיה של הכיול.
המתן עד שאמצעי ההתנהגות יחזרו לערכים ההתחלתיים. השתמש בתרסיס קטן כדי להנחות את הדגימות עם כמות מים שוות ערך ל -1/10 מכמות המים המוגדרת מראש הנדרשת כדי להשיג את המוליכות המרבית המדגם. המתן עד שהטחב או חזזית סופגים את המים במלואם ומדידות ההוליכות יציבות לפני השקיה נוספת.
חוזרים על הפעולה עד שהמוליכות מגיעה לערך המקסימלי והטחב או חזזית מיובשים לחלוטין. כל בדיקת כיול אמורה להימשך כ-15 דקות, בהתאם למרווח בין השקיות, שאמור להימשך בין שעה לשתי דקות. לאחר סיום הכיול, קח את כרטיס ה- microSD מהלוח BtM והעתק את קובץ הנתונים למחשב.
מוצג כאן, הוא דמות המתארת את האבולוציה של מדידות ההולכה במהלך שלב הכיול. עקומות ייעוד של אוריום Homalothecium וסקופריום דיקרנום לחשוף שונות בין הדגימות של אותו מין. השונות הבין-מינית והבין-מינית שנמצאה הייתה גדולה למדי ו ניתן לייחס אותה להבדלים בביומסה ומורפולוגיה של כל גזע.
בשל קלות ההרכבה שלו, התקן זה מתגבר על האילוצים הטכניים של תכנון ובניית datalogger, המאפשר הקמת רשתות ניטור בינוניות וא ארוכות. טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים בביוגוגרפיה ובסביבה לחקור מתי, איך ומדוע קריפטוגמים ידועים של כלי הדם, כגון חזזיות או טחבים, גדלים באזורים שונים וברחבי השיפוע הסביבתי. יתר על כן, טכניקה זו יכולה לעזור להבין את מניעי ההצלחה של מין או יחידים בתוך קהילות אקולוגיות או לקבוע מה קובע את אספקת שירותי המערכת האקולוגית על ידי אורגניזמים מרכזיים אלה.
סקירה כללית
מאמר זה מציג דאטאלוגר (רשם נתונים) בעלות נמוכה ובקוד פתוח, שנועד למדוד את המוליכות של קריפטוגמים שאינם בעלי כלי הובלה, לצד תנאים סביבתיים. הדאטאלוגר מקדם מחקר באקולוגיה של קריפטוגמים על ידי מתן אפשרות למדידות in situ של תקופות הידרציה ופעילות אורגניזמים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- אקולוגיה
- מדעי הסביבה
- ביוטכנולוגיה
רקע
- קריפטוגמים שאינם בעלי כלי דם ממלאים תפקיד חיוני בתפקודי המערכת האקולוגית, כולל קיבוע חנקן.
- הבנת ההידרציה והפעילות שלהם ביחס לתנאים סביבתיים היא קריטית למחקרים אקולוגיים.
- שיטות קיימות למדידת פרמטרים אלו עלולות להיות מורכבות ויקרות.
- מחקר זה מציג חלופה פשוטה יותר עבור חוקרים.
מטרת המחקר
- פיתוח דאטאלוגר (datalogger) בעלות נמוכה וקל להרכבה למדידת מוליכות של קריפטוגמים.
- אספקת שיטה לחוקרים לניטור השפעות סביבתיות על צמחים שאינם כליים.
- סיוע במחקרים אקולוגיים ארוכי טווח במערכות אקולוגיות שונות.
שיטות במחקר
- סופקו הוראות לתכנון ולהרכבה של דוגר הנתונים (datalogger).
- פירוט פרוטוקולי כיול למדידת מוליכות.
- מבוקרים תנאי סביבה כגון טמפרטורה ולחות.
- איסוף הנתונים מבוצע באמצעות תוכנת רישום בקוד פתוח.
תוצאות עיקריות
- מדגם הנתונים (datalogger) מודד בהצלחה את המוליכות של דגימות טחב וחזאות.
- בדיקות כיול חושפות שונות במוליכות בין מינים שונים.
- המכשיר מאפשר את הקמתן של רשתות ניטור במערכות אקולוגיות מגוונות.
- התוצאות מצביעות על פוטנציאל ליישומים רחבים יותר בביוגאוגרפיה ובאקו-פיזיולוגיה.
מסקנות
- רשם נתונים (datalogger) זה, שהוא בקוד פתוח, מסיר חסמים טכניים עבור חוקרים.
- הוא מאפשר ניטור יעיל של קריפטוגמים בסביבות מגוונות.
- השיטה תורמת להבנת דינמיקה אקולוגית ולהצלחת מינים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
רשם נתונים (datalogger) בקוד פתוח זה מאפשר ניטור בעלות נמוכה וניתן להרחבה של דינמיקת ההידרטציה של קריפטוגמים לא כליים, ובכך הוא תומך במחקר אקולוגי המזין מודלים ביו-גיאו-כימיים והערכת סיכונים סביבתיים. על ידי אספקת מדידות מוליכות כמותיות הקשורות לתנאים סביבתיים, הכלי מגביר את הביטחון החזוי במחקרי תפקוד מערכות אקולוגיות הרלוונטיים למחזורי פחמן וחנקן. הנגישות שלו מקלה על אימוץ רחב במסגרות מחקר אקדמיות וприкладיות, ומקדמת איסוף נתונים סטנדרטי לניטור אקולוגי לאורך זמן.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של אינטראקציות בין אורגניזם לסביבה במערכות פואיקילהידריות (poikilohydric), ובכך תומך בבדיקת היפותזות לגבי ספי המפעלה המטבוליים.
- ערך תפעולי: מספק מדידות מוליכות הניתנות לשחזור עבור מספר דגימות תחת פרוטוקולי הידרציה מבוקרים, ובכך מפחית את השונות בסריקות ביולוגיות בשלבים מוקדמים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר פלטי מוליכות כמותיים בע resolution זמן המשמשים כסמנים ביולוגים עקיפים למצב הידרציה ולפעילות מטבולית בקריפטוגמים.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות מחזורי הידרציה-דהידרציה מכויילים והנחיות מוגדרות למיקום האלקטרודות, ובכך משפר את ההשוואתיות בין מעבדות.
מחקר תרגומי וטרום-קליני
- ערך מדעי: מאפשר מידול של מערכות רלוונטיות למחלות על ידי קישור דפוסי הידרציה של קריפטוגמים לגורמים מניעי מיקרו-אקלים, ובכך תומך בהסברה (extrapolation) לתפקודי קנה מידה אקולוגיים.
- ערך תפעולי: מקל על הרציפות משלב הגילוי ועד לשלב התיקוף באמצעות יומני נתונים ניתנים לייצוא מכרטיסי microSD ותוכנה בקוד פתוח, מה שמאפשר מעקב ארוך-טווח לאורך מדרגי סביבה.
שילוב תהליכי עבודה (Pipeline) וזרימת עבודה
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של גילוי על ידי אספקת פנוטיפינג סטנדרטי של מצב ההידרציה, המקדים מאמצי סינון של תרכובות או בחינה מכניסטית בביולוגיה סביבתית.
- ביולוגיה של התגליות: תומכת בבדיקת היפותזות על הפעלה מטבולית תלוית מים באורגניזמים שאינם בעלי כלי הובלה, באמצעות מעקב מדויק וארוך טווח אחר מוליכות.
- סריקה: מאפשרת מוכנות לבדיקה באמצעות שלבי הידרטציה מכויילים ומדידות בסיס יציבות, דבר המאפשר השוואה מהימנה של תגובות ביולוגיות בתנאים שונים.
- אנליטיקה: מספקת זרמי נתונים כמותיים של מוליכות, טמפרטורה ולחות, המאפשרים ניתוח קורלציה וכללי החלטה המבוססים על ספי.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין תגובות הידרטציה במעבדה לבין מדרגות סביבתיות רלוונטיות לשטח, ובכך תומכת בהכללה של ממצאי המעבדה לסביבות מחיה טבעיות.
- שימוש חוזר ארגוני: תוכננה כפלטפורמה מודולרית ובקוד פתוח הניתנת לפריסה במגוון מערכות אקולוגיות וסוגי דגימות, מה שמקדם סטנדרטיזציה בין פרויקטים ומפחית את עלויות הפיתוח.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הוודאות לגבי המטרה על ידי הפחתת העמימות המכניסטית בתהליכים ביולוגיים תלוי-מים, וזאת באמצעות מדידה ישירה, in situ, של דינמיקת הידרציה.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) באמצעות תכנון חומרה בקוד פתוח, פרוטוקול הרכבה מפורט ויכולת דגימה סימולטנית רב-ערוצית.
- ערך אסטרטגי: מסייע בקבלת החלטות go/no-go במודלים אקולוגיים על ידי אספקת ספי הידרציה אמפיריים המפחיתים את חוסר הוודאות בחיזוי פעילות אורגניזמים ואספקת שירותי מערכת אקולוגית.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של יוזמות מחקר מותאם-סיכון על ידי כימות הרגישות הסביבתית של מיני מדד ביולוגיים (bioindicator species) מרכזיים לאורך גרדיאנטים גיאוגרפיים ואקלימיים.
שיקולי יישום
- דורש מיומנויות בסיסיות בהרכבת רכיבים אלקטרוניים, כולל הלחמה, הסרת בידוד מחוטים ובדיקת רציפות באמצעות מולטימטר.
- תלוי בגישה למלחם, מולטימטר, מברג ומארז עמיד למזג האוויר לצורך פריסה בשטח.
- מחייב סטנדרטיזציה של מיקום האלקטרודות ופרוטוקולי הידרציה בין הצוותים השונים כדי להבטיח השוואתיות של הנתונים.
- התאמה למורפולוגיות שונות של קריפטוגמים (למשל, חזזיות פרוטיקוזיות לעומת פוליוזיות) דורשת התאמות במיקום התפסים תוך שמירה על מרחק מינימלי בין האלקטרודות.
- מוגבל למדדי הידרציה המבוססים על מוליכות; אינו מודד פעילות פיזיולוגית באופן ישיר, מה שדורש קורלציה עם בדיקות משלימות לקבלת תובנות מכניסטיות.
