ここでは、実際の in situ 環境温度および光条件下で微生物マットの一次生産性を測定するための費用効果が高く、輸送可能な方法/施設を紹介します。実験セットアップは広く入手可能な材料に基づいており、実験室ベースのモデルの利点を提供しながら、さまざまな条件下で使用できます。
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ここでは、実際の in situ 環境温度および光条件下で微生物マットの一次生産性を測定するための費用効果が高く、輸送可能な方法/施設を紹介します。実験セットアップは広く入手可能な材料に基づいており、実験室ベースのモデルの利点を提供しながら、さまざまな条件下で使用できます。
生育期勾配におけるペリフィトンの 原位置 一次生産性を測定することで、一次生産性に対する環境ドライバー(主にリン濃度と光強度)と種組成の定量的影響を解明することができます。一次生産性は、主に光強度によって駆動されます, 温度, 栄養素の利用可能性, および真光帯のそれぞれの深さにおける炭酸塩系のイオン種の分布.実験室でシミュレートすることは非常に難しい複雑なシステムです。この安価で運搬可能で、構築が容易なフローティングバージは、実際の自然条件下で一次生産性を正確に直接測定することができます。この方法論は、密閉されたガラス瓶に統合された非侵襲的酸素センサーを使用して一次生産性をリアルタイムで測定することに基づいており、オンライン酸素フラックスモニタリングを可能にし、代謝活動に関する新しい洞察を提供します。微生物マット(または他の底生生物)の総一次生産性の詳細な季節 的in situ 測定は、レンティック水中の一次生産性ダイナミクスを制御するプロセスに関する現在の知識を向上させることができます。
一次生産は、システム全体の食物網を形成する水系への自生炭素の唯一の侵入です1。したがって、一次生産性の正確な推定は、水生生態系の機能を理解するための重要なステップです。沿岸地帯は、一次生産性と生物多様性の高い地域です。植物プランクトンに加えて、ペリフィトン(以下、微生物マットと呼ぶ)と大型藻類が沿岸域の一次生産性に大きく貢献していると考えられています2。彼らの固着したライフスタイルと著しい空間的不均一性のために、一次生産性の定量化は自明ではありません。
一次生産性は、主に光強度、温度、栄養素の利用可能性、および共光帯3,4のそれぞれの深さにおける炭酸塩系のイオン種の分布によって駆動されます。深さは微生物マットの空間分布に著しく影響します。微生物群集は、浅い深さでの高照射と顕著な季節温度変化の悪影響に対処し、より深い深さではより低い光強度に対処する必要があります。深さ勾配に加えて、動的栄養相互作用は異なるスケールで複数の複雑な空間パターンを生成します5。この複雑なシステムは、実験室でシミュレートするのが複雑です。沿岸域から個々の一次生産者の代謝活性を推測する最も正確な方法は、in situ実験を設定することです。
本稿で紹介する方法論は、従来のチャンバー法2,6,7と、輸送可能で建造が容易な低コストのフローティングバージに基づいています。これにより、自然光スペクトル、温度、および深さに伴う炭酸塩系のイオン種の異なる分布の下で、異なる深さでの一次生産性の測定が可能になります。この方法は、植物プランクトンの光合成を測定するために最初に採用され6、現在でも一般的に使用されている明るいボトル酸素と暗いボトル酸素の原理に基づいています6,7。光の中に保たれたボトル内の酸素の変化率(一次生産性と呼吸の影響を含む)と暗所に保たれたもの(呼吸のみ)を比較します8。この方法は、一次生産性の代理として酸素発生(光合成)を使用します。測定された変数は、正味の生態系生産性(NEP、光条件下での経時的なO2濃度の変化として)および生態系呼吸(RE、暗所での経時的なO2濃度の変化として)である。総生態系生産性(GEP)は、2つの差の計算です(表1)。ここでは「生態系」という用語は、ペリフィトンが独立栄養生物と従属栄養生物で構成されていることを示すために使用されます。この従来のチャンバー法の最も重要な改善点は、非侵襲的酸素光学センサーを使用し、周辺一次生産性を測定するためのこの主にプランクトンの方法を最適化することです。
この技術は、チェコ共和国の新たに出現した採掘後の湖の沿岸域の微生物マットを測定する例で説明されています-ミラダ、モスト、およびメダール。微生物マットの代謝活性は、研究されたコミュニティが自然に発生する特定の深さで直接行われるO2フラックスの直接in situ測定を使用して決定されます。従属栄養活性および光合成活性は、非侵襲的光学酸素センサーを備えた密閉ガラス瓶で測定されます。これらのセンサーは、感光性色素の蛍光を使用して酸素分圧を検出します。微生物マットの入ったボトルを懸濁し、適切な深さのフローティングデバイスでインキュベートします。ボトル内の酸素濃度は、小型ボートから日中連続的に測定されました。
無傷の微生物マットのサンプルが収集され、スキューバダイバーによって指定された深さの気密インキュベーションボトルに入れられます。各ボトルには、O2 の生産性/消費量を経時的に監視する非侵襲的な光学式酸素マイクロセンサーが装備されています。すべての測定は、各深さで5つの反復暗/明ペアで行われます。温度と光合成有効放射(PHAR)強度は、インキュベーション全体を通してそれぞれの深さで測定されます。6時間の in situ インキュベーション(日中)の後、微生物マットをボトルから回収し、乾燥させます。O2 フラックスは微生物バイオマスに正規化されています。対照として、微生物マットバイオマスを含まない湖水を含む明暗気密ボトル(ブランクコントロール)のO2濃度の変化をフラックス補正します。以下は、フローティングバージを構築し、実験全体を段階的に実行するための詳細な手順です。この論文はまた、2つの深さ(1 mと2 m)での微生物マットの測定からの代表的な結果を示し、各深さで5回の反復を行います。実際の温度と光強度は、データロガーを使用して実験全体を通して測定されました。
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注:サンプリングする前に、プロジェクト全体のニーズ、統計的設計、または予想されるサンプルの変動量に基づいて、複製の程度を決定します。正確な統計分析と潜在的なサンプルの損失または破損を説明するために、明るいインキュベーションボトルと暗いインキュベーションボトルの5つの複製ペアが推奨されます。記載された浮遊実験バージは、5回の反復と1対のブランクコントロールを運ぶように設計されています。実験用バージの技術図面については、 図1 を参照してください。

図1:実験用バージとサイドフロートの技術図面 。 (A)上面図:はしけのフレームは、4つのアルミニウムフラットバー(灰色)で結合された4つのアルミニウムアングルLプロファイルピース(青)で構成されています。XPSフロート(ピンク)は、フレームの2点で取り付けられており、それぞれが平行なアルミニウム片に取り付けられています。インキュベーションボトル用のチェーンは、事前に開けられた穴(赤い矢印)にスナップフックを使用して両側のフレームに取り付けられ、それらの間に550 mmの間隔があります。チェーンには、インキュベーションボトルを取り付けるための1 mおよび2 mの距離にスナップフックが設けられました(実験の深さに応じてスナップフックの位置を選択してください)。コンクリートアンカーははしけの船首に固定されており、25 mmの張り出しにより、アンカーのチェーンと調査船の取り付けポイントとして機能する2つの事前に開けられた穴(黄色の矢じり)が可能になります。フレームは、4つのアルミニウムアングルピース(緑色の矢印)間の平行ジョイント を介して 簡単に組み立てまたは分解できます。(B)側面図は、吊り下げられたインキュベーションボトルとコンクリートアンカー(茶色の正方形)を備えた吊り下げられたチェーンを示しています。(C)サイドXPSフロート:平行アルミニウムアングルLピース(青)は、垂直アルミニウムフラットバー(灰色)で結合されています。クロスバーセクションの下に、XPSフロート(ピンク)は、必要な穴サイズ(4 mm)で取り付けられています。吊り下げられたチェーンは、8 mmの穴(赤い矢印)にスナップフックで取り付けられています。はしけの船首には、張り出したアルミニウムに2つの8 mmの穴が開けられており、1つはアンカーをはしけに固定するためのもの(黄色の矢じり)と、調査船をはしけに係留するためのもの(青色)です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
1. 実験用はしけの建造
注意: フローティングバージは、一緒に取り付けられた2つの等しいセクションで構成されており、組み立て/分解が簡単です。すべての中古部品は、趣味の市場や建材を販売する店で購入できます。

図2:組み立てられた実験用はしけ。 組み立てられた実験用はしけの写真。赤い矢印は、インキュベーションボトルでチェーンを取り付けるための穴を示しています。緑色の矢印は、フロートの2つの半分が結合されている場所を指しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:インキュベーションボトル。 1 mの深さにぶら下がっている2組の暗いインキュベーションボトルと明るいインキュベーションボトルの写真。1組のボトルには、石の上にまだ成長している無傷の微生物マットのサンプルが含まれています(赤い矢印)。2つ目は、それぞれの深さからの湖の水が入った空のボトルです。黄色の矢印は、インキュベーションボトルの内壁に取り付けられた酸素センサースポットを指しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2.現場での設置
3.インキュベーションボトルの準備
4. サンプルの採取と取り扱い
注:ダイバーは、より深い水中でサンプルを手動で収集します。浅瀬では、シュノーケリングや水遊びで行うことができます。
5.一次生産性の測定
注:ボートに座っている人はダイバーから箱を取り、次の手順を実行します。

図4:現場での実験セットアップのスキーマ。 湖面に停泊した実験用はしけの図。微生物マットバイオマスを含むインキュベーションボトル(0.5 L)は、2つの異なる深さ(1 mと2 m)に吊るされています。ダイバーは、微生物マットのサンプルを適切な深さのインキュベーションボトルに直接収集しました。個々のボトルの酸素濃度は船から測定されます。ボトルは水から引き出されます。酸素センサーに光ケーブルを接続することにより、酸素濃度値を数秒で測定します。その後、ボトルは慎重に水中に戻されます。2つの深さから2組のインキュベーションボトルを測定する手順全体は~2分かかります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
6. サンプル分析
7. データ分析
)を妥当な単位に変換します。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
、、、およびをそれぞれ割り当てると、

生産性GEP計算の式(8)は次のように記述できます。
(8.1)
(8.2)
(8.3)
は独立栄養呼吸と従属栄養呼吸の合計を表します(図5B;RE、すなわち、両方の呼吸が暗い条件と明るい条件下で類似していると仮定する)。
かつ
両方とも負であることを暗黙的に前提と
しています
。が陽性の場合は
、従属栄養活性によって引き起こされる呼吸損失が光合成活性よりも高くなる可能性があるため、
理論的には陰性である可能性がある。アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。

図5:日中の微生物マットの正味および総生態系生産性。(A)ライトボトル-ネット生態系生産性:ライトボトルからの微生物マットの正味酸素生産性の経時変化データ。インキュベーションボトル内の酸素濃度変化は、日中の1時間後に測定されました。灰色の円:微生物マットのサンプルが入ったボトル。白い円:湖水のみの空のボトル。(B)暗いボトル呼吸:暗いボトルからの独立栄養呼吸と従属栄養呼吸の合計。インキュベーションボトル内の酸素濃度の変化は、日中の1時間後に測定されました。灰色の円:微生物マットのサンプルが入ったボトル。白い円:湖水のみの空のボトル。(C
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この論文で説明されている方法論は、光学酸素センサーを使用してO2 濃度を測定する非侵襲的技術を組み合わせた明暗ボトル酸素技術の原理に基づいています。このシステムは、O2 を測定するための光ファイバをボトルからボトルに素早く移動させることができるため、異なるインキュベーション設定の並列測定を可能にする。さまざまな深さの底生生物群集は、分類学的構成と生産性が異なる場合があります。それらを並行して同時に測定することで、時間を節約し、結果をより正確にすることができ、ペリフィトンが成長する全深さプロファイルの計算を可能にします。振とうフラスコに統合された非侵襲的酸素センサーにより、リアルタイムの酸素フラックスモニタリングが可能になります。
設計された実験セットアップにより、実験室でシミュレートするのが難しい、コミュニティが自然に存在するそれぞれの深さでの微生物群集の主要な生産性の測定が可能になります(適切な圧力、その場での温度と光強度の日周経過の変化の追跡、異なる栄養素の利用可能性)。提案手法の主な改善点は、非侵襲性、費用対効果、...
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著者らは、開示する利益相反がないことを確認しています。
この研究は、チェコ科学財団(GACR 19-05791S)、RVO 67985939、および戦略AV 21、土地の節約と回復のプログラム内のCASによってサポートされました。フィールドで撮影してくれたOndřej Sihelskýに感謝します-彼がいなければ、撮影は完全な地獄になっていたでしょう。このプロジェクトは、調査対象地域へのアクセスを提供した企業、PalivovýKombinát Ústí s.p.とSokolovská Uhelnáとの緊密な協力なしには不可能でした。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アルミアングル L形材 40 x 40 mm x 3 mm、長さ 2,000 mm | |||
| アルミフラットバー 40 x 3 x 350 mm | |||
| バケット 15 L コンクリートインフィル付き | |||
| ネジロック付きカラビンフック 50 x 5 mm | |||
| 電気テープ 黒 | |||
| 押出ポリスチレン (XPS) 素材 500 x 200 x 150 mm | |||
| Fibox 3 LCD trace | PreSens Precision Sensing GmbH | スタンドアロン光ファイバー酸素計 | |
| Hondex PS-7 ポータブル デプス サウンダー | Hondex - ホンダ | 水から底までの深さを測定する | |
| KORKEN - ガラス製の密閉ジャー、0.5 L | IKEA | のインキュベーションボトル、 | |
| https://www.ikea.com/cz/en/p/korken-jar-with-lid-clear-glass-70213545/ 金属製フック | |||
| 酸素センサースポット SP-PSt3-NAU-D5 | PreSens Precision Sensing GmbH | 非侵襲的光学式酸素センサー 実条件下での測定用 | |
| スカウト幼児用カヌー | GUMOTEX | https://www.gumotexboats.com/en/scout-standard#0000-044667-021-13/11C | |
| ネジ 10 x 170 mm 六角ナット | |||
| 付き ネジ 4 x 15 mm 六角形 | |||
| ネジ 4 x 15 mm 蝶ナット | |||
| スナップフック 50 x 5 mm | |||
| スチールカラビンフック 50 x 5 mm | |||
| ワイヤー直径 3 mm、インサイドリンク 5.5 x 26 mm | |||
| スチールチェーン、5 m | |||
| 歯ブラシ | |||
| ピンセット | |||
| ワッシャー 10 x 50 mm | |||
| ワッシャー 4 x 10 mm | |||
| ワッシャー 4 x 10 mm |
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