BtM, tani rejestrator danych typu open source do szacowania zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach

Podsumowanie

Przedstawiamy prostą i opłacalną metodę budowy rejestratora danych o otwartym kodzie źródłowym, który mierzy kondukcję nienaczyniowych kryptogamów wraz z temperaturą i wilgotnością otoczenia. Opisujemy konstrukcję sprzętową rejestratora danych i udostępniamy instrukcje montażu krok po kroku, listę wymaganego oprogramowania do rejestrowania typu open source, kod do uruchomienia rejestratora danych oraz protokół kalibracji.

Streszczenie

Społeczności nienaczyniowych kryptogamów, takich jak mchy czy porosty, są ważną częścią różnorodności biologicznej Ziemi, przyczyniając się do regulacji obiegu węgla i azotu w wielu ekosystemach. Będąc organizmami poikilohydralnymi, nie kontrolują aktywnie swojej wewnętrznej zawartości wody i potrzebują wilgotnego środowiska, aby aktywować swój metabolizm. Dlatego badanie relacji wodnych nienaczyniowych kryptogamów ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zarówno ich wzorców różnorodności, jak i funkcji w ekosystemach. Przedstawiamy rejestrator danych BtM, tanią platformę open-source do badania zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach. Rejestrator danych jest przeznaczony do pomiaru temperatury otoczenia, wilgotności i przewodności z maksymalnie ośmiu próbek jednocześnie. Dostarczamy projekt płytki drukowanej (PCB), szczegółowy protokół montażu komponentów oraz wymagany kod źródłowy. Wszystko to sprawia, że montaż rejestratora danych BtM jest dostępny dla każdej grupy badawczej, nawet tej bez wcześniejszej specjalistycznej wiedzy. W związku z tym prezentowany tu projekt ma potencjał, aby przyczynić się do popularyzacji stosowania tego typu urządzeń wśród ekologów i biologów terenowych.

Wprowadzenie

Społeczności nienaczyniowych kryptogamów są wszechobecną i często zaniedbywaną częścią ekosystemów lądowych¹. Składają się one z agregatu bardzo różnych małych organizmów, wśród których mszaki i porosty są wybitnymi producentami pierwotnymi. Te dwie grupy organizmów mają wspólną cechę fizjologiczną, która czyni je wyjątkowymi: poikilohydrię, czyli niezdolność do aktywnego kontrolowania wewnętrznej zawartości wody. Ma to głębokie implikacje dla ich procesów fizjologicznych, ponieważ metabolizm ustaje, gdy komórki są wysuszone w odpowiedzi na niski poziom wilgotności i wznawia, gdy środowisko jest ponownie wilgotne². W związku z tym nienaczyniowe kryptogamy unikają suszy, zamiast sobie z nią radzić², co pozwala tym społecznościom przetrwać w szerokim zakresie środowisk, od zimnych i gorących pustyń po tropiki^3,4.

Poza tym, wykazują również stosunkowo prostą strukturę i mają niskie zapotrzebowanie na składniki odżywcze. Te cechy sprawiają, że są bardzo wrażliwe na warunki mikroklimatyczne. W rzeczywistości nienaczyniowe kryptogamie często zajmują niszową przestrzeń, która jest niedostępna dla roślin naczyniowych o większych rozmiarach, tworząc ekosystemy w miniaturze, które stanowią ważną część różnorodności świata. Same mszaki i porosty obejmują prawie 40 000 gatunków (ok. 20 000 mszaków sensu lato^5,6 i ok. 20 000 porostów⁷). Co więcej, ich wkład w różnorodność biologiczną Ziemi jest jeszcze większy, ponieważ ich społeczności oferują schronienie dla ogromnej liczby gatunków grzybów, w tym różnorodnej flory wolno żyjących i mikoryzowych grzybów, cyjanobakterii wiążących N rosnących jako epifity oraz niezliczonych mikrobezkręgowców, takich jak niesporczaki, collembola, myriapody, owady i roztocza, które wykorzystują zdolność zatrzymywania wody i buforowe warunki wewnątrz tych miniaturowych ekosystemów_.

Społeczności nienaczyniowych kryptogamów również przyczyniają się do regulacji biogeochemicznych cykli węglowych. W suchych ekosystemach tak zwane biologiczne skorupy glebowe pokrywają do 40% ich powierzchni⁸ i odgrywają główną rolę jako pochłaniacze dwutlenku węgla. W niedawnym przeglądzie oszacowano, że biologiczne skorupy glebowe w suchym środowisku mogą wiązać 7% całego węgla związanego przez roślinność lądową. Poza tym w innych ekosystemach, w których głównymi producentami są mszaki lub porosty, lub kombinacja obu tych czynników - takich jak niektóre systemy lasów borealnych lub torfowiska - wytwarzają one od 30% do 100% całkowitej pierwotnej produktywności netto^10,11. Są również ważne w ekosystemach, w których organizmy te nie są dominujące, takich jak lasy strefy umiarkowanej. Rzeczywiście, mszaki na dnie lasu miały roczną absorpcję węgla równoważną około 10% oddychaniu dna leśnego w lasach deszczowych strefy umiarkowanej w Nowej Zelandii. Co więcej, są one również ważne dla wiązania azotu, ponieważ cyjanobakterie żyjące jako epifity w tych społecznościach mogą wiązać prawie 50% globalnej ilości biologicznego azotu⁴.

Ze względu na zależność ich aktywności fizjologicznej od dostępności wody w otaczającym środowisku, zarówno różnorodność nienaczyniowych społeczności kryptogamów, jak i ich funkcje w ekosystemach są silnie zależne od zawartości wody². Należy pamiętać, że ponieważ nie mogą aktywnie kontrolować zawartości wody w swoich tkankach, ich role w bilansie węgla i wiązaniu azotu są sprzężone z cyklami hydratacji i wysuszania, a zatem zależą od interwału i okresowości cykli sucho-mokrych. W związku z tym znajomość stanu zawartości wody w tych organizmach w czasie rzeczywistym jest kluczem do zrozumienia funkcji pełnionych przez kryptogamy w ekosystemach.

Pomimo swojego znaczenia, rozwój metod pomiaru zawartości wody i aktywności fizjologicznej w organizmach poikilohydralnych był stosunkowo powolny. W 1991 roku Coxson¹² po raz pierwszy podjął próbę bezpośredniego pomiaru zawartości wody w porostach. Potem pojawiła się luka w tego rodzaju badaniach, aż do niedawnego rozwoju, kiedy to kilka prac dostarczyło metod przybliżania pomiarów stanu fizjologicznego nienaczyniowych kryptogamów^13,14,15,16. Niemniej jednak taka wiedza jest wciąż rzadka i rozproszona, a prace te koncentrują się głównie na skorupach glebowych^4,8. Jednak mszaki i porosty odgrywają również istotną rolę w wielu innych ekosystemach, szczególnie w regionach umiarkowanych, borealnych i polarnych¹, a ich znaczenie jest znaczące nie tylko w zbiorowiskach glebowych, ale także w zbiorowiskach epifitycznych rosnących na drzewach i zbiorowiskach saksolicznych na skałach. Ten brak badań jest częściowo związany z brakiem komercyjnie dostępnych rejestratorów danych pomiarowych, co zmusza grupy badawcze do budowy własnego sprzętu. Opracowanie rejestratora danych wymaga specjalistycznej wiedzy, której większość ekologów nie posiada, więc znacznie zwiększa koszt wdrożenia stosunkowo dużych sieci pomiarowych potrzebnych do zebrania reprezentatywnych danych na temat wydajności nienaczyniowych kryptogamów wzdłuż gradientów środowiskowych i siedliskowych.

W tym artykule przedstawiamy prostą i opłacalną metodę budowy rejestratora danych zdolnego do pomiaru przewodnictwa nienaczyniowych organizmów kryptogamicznych jednocześnie z temperaturą i wilgotnością otoczenia. Jest zaprogramowany do autonomicznego nagrywania przez stosunkowo długi czas (do dwóch miesięcy) i jest wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać trudne warunki terenowe na zewnątrz. Ze względu na swoją prostotę będzie przydatnym narzędziem dla ekologów i biologów terenowych bez specjalistycznego przeszkolenia w zakresie opracowywania dataloggerów lub tych grup badawczych, które nie mają wyspecjalizowanej kadry. Dlatego ten rejestrator ma potencjał, aby pomóc w popularyzacji korzystania z tego typu urządzeń.

Opracowaliśmy rejestrator danych o niskim poborze mocy i niskich kosztach, który jest w stanie mierzyć przewodność z maksymalnie ośmiu różnych źródeł i jednocześnie rejestrować temperaturę otoczenia i wilgotność względną. Urządzenie zostało zaprojektowane zgodnie z projektem Coxsona design¹² i zaimplementowane na platformie open-source (Table of Materials). Celem było nadanie priorytetu łatwości montażu i efektywności energetycznej oraz ułatwienie konserwacji instalacji długoterminowych. Projekt pochodzi z artykułu Open Source Building Science Sensors (OSBSS)¹⁷. Konstrukcja ta została zmodyfikowana poprzez włączenie dodatkowych obwodów do odczytywania impedancji kryptogamów i uczynienie jej bardziej kompaktową i łatwiejszą do wyprodukowania.

Wynikiem jest płytka BtM (Bryolichen Temperature Moisture board), płytka drukowana o otwartym kodzie źródłowym¹⁸. Każda płytka jest sterowana przez wysoce energooszczędny mikrokontroler (Tabela Materiałów). Dane dotyczące temperatury i wilgotności względnej otoczenia są zbierane przez czujnik temperatury i wilgotności, który jest wstępnie skalibrowany i oprócz niskiego zużycia energii ma odpowiedni stosunek ceny do wydajności.

Płyta używa cyfrowego protokołu komunikacyjnego (standardowy szeregowy SPI) do zarządzania cyklem pomiarowym. Zegar czasu rzeczywistego (DS3234) zamontowany na każdej płycie zapewnia dokładne odmierzanie czasu. Aby zmniejszyć zużycie energii, procesor przez większość czasu pozostaje w trybie czuwania. Za każdym razem, gdy konieczne jest zebranie danych, zegar czasu rzeczywistego aktywuje procesor i uruchamia proces rejestrowania. Zegar czasu rzeczywistego jest również używany do dokładnego rejestrowania daty i godziny każdego przypadku danych.

Do ośmiu próbek mchu i/lub porostów może być rejestrowanych równolegle za pomocą jednej tablicy BtM. Po skonfigurowaniu eksperymentu do każdej próbki mchu/porostów nakłada się dwie sondy elektrody z zaciskiem krokodylkowym. Następnie stosuje się dzielnik napięcia pomiędzy każdą elektrodą a odniesieniem rezystora o znanej wartości (w tym przypadku 330 KΩ). Ta wartość rezystora została wybrana poprzez kalibrację i w oparciu o wcześniejsze pomiary kryptogamów. Zapewnia rozdzielczość jednego rzędu wielkości wokół wartości odniesienia (100 - 1 000 KΩ). Spadek napięcia jest buforowany, a następnie odczytywany przez mikrokontroler za pomocą jego portów analogowych (A0 - A7)¹⁸. Napięcie oblicza się, stosując następujący wzór.

Vi = (ADCi x VCC) / 1023

Tutaj ADCi to surowa wartość z przetwornika ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy) kanału i, VCC to napięcie zasilania (w tym przypadku 3,3 V), a 1023 to zakres wyjścia ADC. Wynikowe napięcie Vi jest następnie wykorzystywane w połączeniu z prawem Ohma do obliczenia rezystancji (Ri, Ω) i przewodności (G, S) każdej próbki mchu.

Ri = (VCC x RL) / Vi - RL

G = 1 / Ri

Tutaj RL jest wartością odniesienia rezystora (w tym przypadku 330 KΩ). Oprogramowanie pokładowe mikrokontrolera zawiera wszystkie te równania, dzięki czemu może bezpośrednio rejestrować wartości rezystancji i przewodności.

Tablica zbiera również pomiary temperatury i wilgotności otoczenia za pomocą czujników. Następnie każdy punkt danych jest zapisywany w pliku dziennika na karcie microSD. W tym celu na każdej płytce BtM zamontowano płytkę wyprowadzającą microSD TransFlash. Wreszcie, kartę microSD można ręcznie pobrać po eksperymencie. Wszystkie punkty danych można przenieść do komputera w celu dalszej analizy.

Protokół

1. Montaż rejestratora danych

1. Przygotuj lutownicę i szpulę drutu lutowniczego. Poczekaj, aż lutownica się nagrzeje i zwilż gąbkę do czyszczenia.
2. Przytnij listwy listwy pinowe na żądaną długość i je do gniazd czujnika temperatury i wilgotności, mikrokontrolera oraz modułów zegara RTC i rozdzielacza microSD.
   1. Aby, podgrzej żądane połączenie końcówką lutownicy.
   2. Następnie nałóż niewielką ilość materiału z drutu lutowniczego, wystarczającą do wypełnienia złącza.
   3. Na koniec wyjmij lutownicę i poczekaj, aż złącze ostygnie.
3. Zmontuj komponenty na płytce drukowanej, stosując tę samą procedurę, co w kroku 1.2, postępując zgodnie z oznaczeniami na płytce drukowanej i odniesieniami komponentów określonymi w Tabeli Materiałów (patrz Rysunek 1 dla schematu montażu).
   1. Najpierw rezystory. Następnie gniazda dla wzmacniaczy operacyjnych, czujnika SHT7X oraz modułów zegara RTC i breakout microSD.
   2. Następnie dwa tranzystory. Płytkę należy teraz również za pomocą listew pinowych. Na koniec złącza do płytki.
4. czujnik wilgotności/temperatury SHT7X do złącza pinowego lub przedłużacza, aby wzmocnić przewody.
5. Przygotuj multimetr w trybie testowania ciągłości lub testowania przewodności. Użyj multimetru, aby sprawdzić, czy nie ma zwarć między którymkolwiek ze styków lub połączeń.
   1. Dokładnie sprawdź dodatnie i ujemne zaciski zasilacza. Sprawdź również, czy każde złącze lutowane tworzy stabilne połączenie między stykami komponentów a miedzianymi ścieżkami obwodu.
      UWAGA: Ten krok jest bardzo ważny; Nie pomijaj tego.
6. Podłącz zaciski akumulatora i zaciski kablowe do płyty za pomocą śrubokręta.
   1. Najpierw użyj dowolnego narzędzia tnącego, aby zdjąć ~ 4 mm z każdego końca drutu, odsłaniając przewodzący rdzeń. Następnie wprowadź każdy do odpowiedniego zacisku i dokręć śrubokrętem krzyżakowym.
   2. Upewnij się i dwukrotnie sprawdź prawidłową biegunowość, zwłaszcza zasilających. Sprawdź wytrzymałość połączenia, lekko pociągając za, sprawdzając, czy wszystko jest dobrze podłączone.
7. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii, usuń diodę LED zasilania z płytki mikrokontrolera, wylutowując lub odcinając diodę LED od płytki.
8. Na koniec zamontuj płytę BtM w obudowie odpornej na warunki atmosferyczne, aby wilgoć nie dostała się do elektroniki.
   1. Dopasuj obudowę do akumulatora, podłączając go do biegunów dodatniego i ujemnego. Zamontuj czujnik wilgotności/temperatury na zewnątrz pudełka, pozostawiając go podłączonym do płyty BtM.
   2. Poprowadź osiem par zacisków krokodylkowych potrzebnych do pomiarów przewodności na zewnątrz obudowy odpornej na warunki atmosferyczne. Na koniec przytnij każde pasmo mchu za pomocą zacisków krokodylkowych.

2. Ładowanie oprogramowania

1. Pobierz i zainstaluj zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) 1.0.6 ze strony internetowej¹⁹. Zastosowany mikrokontroler jest fizyczną platformą obliczeniową typu open source i jest wyposażony we własne IDE. Ważne jest, aby pobrać odpowiednią wersję, ponieważ znane są problemy ze zgodnością z niektórymi wymaganymi bibliotekami.
2. Pobierz niezbędne biblioteki z repozytorium GitHub¹⁸: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat i Sensirion.
3. Pobierz główny kod źródłowy rejestratora danych z repozytorium GitHub¹⁸.
4. Otwórz plik clock.ino, aby ustawić aktualną godzinę i datę. Edytuj parametry funkcji RTC.setDateTime z bieżącą godziną i datą, używając następującego formatu:
   
   RTC.setDateTime(DD,MM,RR,gg,mm,ss); Data: DD/MM/RR hh:mm:ss
   
   Tutaj DD to dzień, MM to miesiąc, YY to rok, gg to godzina, mm to minuty, a ss to sekundy.
5. Następnie wgraj program zegara na płytkę BtM, podłączając adapter USB-to-Serial (breakout FTDI) do portów programowania mikrokontrolera i za pomocą mini-USB-to-USB podłącz płytkę do komputera. Na koniec najpierw naciśnij przycisk Weryfikuj, a następnie Przekaż w środowisku IDE.
6. Otwórz projekt datalog w IDE i zmodyfikuj plik datalog.ino. Ustaw czas rozpoczęcia rejestratora, edytując następujące zmienne:
   
   int dayStart = DD, godzinaStart = gg, minStart = mm
   
   Tutaj DD to numer dnia, hh to godzina rozpoczęcia pomiarów, a mm to minuta rozpoczęcia.
   UWAGA: Kod do ustawienia określonego czasu powinien wyglądać następująco:
   
   RTC.setDateTime(DD,MM,RR,gg,mm,ss);// Data 01/12/17 12:00:00
7. Ustaw interwał między pomiarami (w sekundach), modyfikując wartość zmiennego interwału.

3. Konfiguracja sond pomiarowych

1. W przypadku mszaków, porostów owocowych i liściastych należy umieścić klipsy krokodylkowe w centralnym miejscu zbiorowisk (Ryc. 2). W przypadku porostów owocowych przymocuj klipsy w plech, a w przypadku mchów bezpośrednio na łodydze osobnika. W przypadku porostów liściastych należy umieścić klipsy na granicy plechy.
2. Zachowaj minimalną odległość ok. 5 mm między elektrodami. Upewnij się, że klipsy nie można łatwo odłączyć przed rozpoczęciem pomiarów.

4. Kalibracja do pomiarów przewodności

1. Aby upewnić się, że próbki są suche, kalibrację należy przeprowadzić w południe, w dniu o niskiej wilgotności względnej powietrza, poprzedzonym co najmniej jednym, a najlepiej dwoma suchymi dniami.
2. Wybierz zbiorowisko mchów lub porostów, które jest zdrowe i dobrze zorganizowane.
3. Podłącz rejestrator danych do mchu lub porostów, wykonując czynności opisane w sekcji 3 niniejszego protokołu.
4. Rozpocznij pomiary (włącz rejestrator) i pozostaw włączoną płytę BtM na około 3 minuty, aby ustabilizować zarejestrowane wartości.
5. Wykonaj test wstępnej kalibracji, aby oszacować ilość wody wymaganą podczas każdego nawadniania. Podłącz zaciski do próbki i dodawaj wodę, aż przewodność osiągnie wartość, która nie wzrasta wraz z dodawaniem wody. Jest to maksymalna wartość przewodności tej próbki. Wartość ta zostanie wykorzystana do ustalenia etapów nawadniania kalibracji (patrz krok 4.7.1).
6. Poczekaj, aż pomiary przewodności powrócą do wartości początkowych (próbki są suche).
7. Następnie kolejno dolewaj wodę za pomocą małego sprayu.
   1. Zwilżyć próbki ilością wody odpowiadającą 1/10 ilości wody wymaganej do osiągnięcia maksymalnej przewodności (patrz krok 4.5) w próbce.
   2. Poczekaj, aż mech lub porost całkowicie wchłonie wodę, a pomiary przewodności będą stabilne przed ponownym podlaniem (~1 min między każdym podlewaniem).
   3. Powtarzaj, aż przewodność osiągnie maksymalną wartość (nasycenie), a mech lub porost zostanie w pełni nawodniony.
      UWAGA: Każdy test kalibracyjny powinien trwać około 15 minut, w zależności od przerwy między podlewaniami, która powinna wynosić 1 - 2 minuty.
8. Po zakończeniu kalibracji wyjmij kartę microSD z płytki BtM i skopiuj plik danych do komputera.
   UWAGA: Zarejestrowane wartości mogą być następnie wykorzystane jako punkt odniesienia dla eksperymentów. Konieczne jest również wykonanie tego kroku, aby sprawdzić, czy zestaw prawidłowo rejestruje przewodność próbek, tuż przed uruchomieniem właściwego eksperymentu.

5. Alternatywna kalibracja dla eksperymentów laboratoryjnych

1. W pełni nawodnić zbiorowisko mchu lub porostów, aż do zaobserwowania nadmiaru wody zewnętrznej. Aby upewnić się, że społeczność jest w pełni nawodniona, utrzymuj ją w wilgoci przez 30 minut.
2. Podłącz rejestrator danych do mchu lub porostów, wykonując czynności opisane w sekcji 3 niniejszego protokołu.
3. Rozpocznij pomiary i pozostaw płytę BtM włączoną na około 3 minuty, aby ustabilizować zarejestrowane wartości.
4. Poczekaj, aż przewodność osiągnie wartość minimalną (wysuszenie), a mech lub porost przestanie przewodzić prąd.
   UWAGA: Każda kalibracja może trwać co najmniej 1 godzinę, ale czas trwania jest bardzo zmienny w zależności od gatunku. Pomiary należy wykonywać do momentu osiągnięcia minimalnej wartości przewodności.

Wyniki

Przeanalizowano zmiany przewodnictwa u dwóch gatunków mchów, *Dicranum scoparium* Hedw. i Homalothecium aureum (Świerk) H. Rob. (Rycina 3), podczas procesu kalibracji w warunkach laboratoryjnych. Derby obu gatunków mchów przechowywano przez 24 h w żelu krzemionkowym, a następnie umieszczono w podłożu sztucznym (t. j., wypełnienie), które zachowały swoją pierwotną strukturę (Rycina 2). Następnie próbki podlewano natryskiem od 15 do 20 razy w odstępach 1-minutowych. Każde podlewanie składało się z ok. 0,1 ml wody. W obu gatunkach zaobserwowano wysoką korelację między ilością dodanej wody a przewodnością próbki (D. scoparium Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia._S = 0.88, p < 0.001; *H. aureum* r_s = 0.87, p < zaobserwowano (0,001). Już przy pierwszej dodanej porcji wody odnotowano znaczny wzrost przewodnictwa (o co najmniej 0% do 25%), a pomiary osiągnęły maksymalną wartość przewodnictwa przy 4 ml dla *D. scoparium* oraz 10 ml na H. aureumWarto zauważyć, że zależność między ilością wody a przewodnictwem ma charakter logarytmiczny. W związku z tym wartości przewodnictwa muszą zostać przekształcone, aby uzyskać liniową zależność między obiema zmiennymi, a ich relację należy modelować przy użyciu regresji nieliniowej.

Zaobserwowaliśmy pewną zmienność między próbkami (patrz różne kolory na rycinach 3a i 3b), choć wszystkie próbki należące do tego samego gatunku wykazały podobny przebieg krzywej. Zmienność między próbkami można przypisać różnicom w biomasie i morfologii kęp. Próbki pobrane w terenie z dużym prawdopodobieństwem wykażą tego typu zmienność, dlatego zaleca się wykonanie kilku pomiarów dla każdego typu zbiorowiska. Oczekiwane było, że największa zmienność wystąpi między gatunkami, ponieważ różnią się one kilkoma podstawowymi cechami (np. stopniem agregacji mat lub morfologią). Aby kontrolować zmienność wewnątrz- i międzygatunkową, zalecamy kalibrację każdego klipsa aż do uzyskania maksymalnych wartości przewodnictwa, a następnie przeliczenie wyników dla każdego klipsa tak, aby wartości mieściły się w zakresie od 0 do 100. Należy wziąć pod uwagę, że bezwzględne wartości przewodnictwa zależą od odległości między klipsami oraz podstawowego przewodnictwa łodyg, zatem uzyskane wartości nie są bezpośrednio porównywalne.

Ilość wody dodawanej podczas każdego cyklu podlewania w procesie kalibracji jest kluczowa i będzie miała silny wpływ na wyniki. W tym przypadku celem było przeprowadzenie kilku cykli podlewania w zakresie maksymalnej dokładności BtM. Przedstawiamy przykład krzywej kalibracyjnej, gdy w każdym kroku dodano zbyt dużo wody (Rysunek 4). Jeśli próbka zostanie nadmiernie podlana podczas pierwszego cyklu, wzrost przewodności nie będzie możliwy do zaobserwowania, a kalibracja będzie niedokładna. Może to prowadzić do błędów w zakresie, w którym aktywne są kryptogamy naczyniowe, co stanowi najbardziej interesujące pomiary wykonywane za pomocą BtM.

Przeanalizowano również krzywą wysychania tych samych dwóch gatunków (H. aureum i D. scoparium), aby zapewnić alternatywną procedurę kalibracji. Derby obu mchów podlewano przez noc, aby zapewnić ich pełne nasycenie wodą. Następnie z każdego derbu pobrano reprezentatywną łodygę, umieszczono ją w stabilnym, kontrolowanym środowisku i stale rejestrowano konduktancję. Podobnie jak w przypadku innego pomiaru kalibracyjnego, wartości konduktancji muszą zostać przekształcone w celu uzyskania liniowej zależności między obiema zmiennymi, a ich relację należy zamodelować za pomocą regresji nieliniowej.

Rysunki 5a i 5b przedstawiają krzywe wysychania H. aureum oraz zmienność D. scoparium pomiędzy próbkami tego samego gatunku. Stwierdzona zmienność wewnątrz- i międzygatunkowa była dość duża i, podobnie jak w przypadku innej procedury kalibracji, mogła wynikać z różnic w biomasie i morfologii każdego pędu. Aby to skontrolować, zalecamy wykonanie co najmniej trzech pomiarów dla każdego gatunku. Bezwzględne wartości przewodności nie są bezpośrednio porównywalne w tej procedurze kalibracji, ponieważ zależą one również od odległości między zaciskami i przewodności podstawowej pędów.

Przedstawiamy przykład danych terenowych po opadach deszczu, które wystąpiły między 23 a 26 czerwca 2014 r. Pokazujemy dobową zmienność procentowego przewodnictwa (Rycina 6a), wilgotności względnej (Rycina 6b) oraz opadów (Rycina 6c) dla jednego gatunku mchu (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber & D. Mohr). Zaobserwowano silną zależność między przewodnictwem mchu, zdarzeniami opadowymi a wilgotnością względną powietrza. W analizowanym okresie wystąpiły dwa piki przewodnictwa i wilgotności jako konsekwencja dwóch zdarzeń opadowych. Pierwszy z nich miał miejsce tuż przed północą 23 czerwca, a drugi po południu 24 czerwca. Około 8 h po pierwszym opadzie deszczu zaobserwowano spadek wilgotności względnej powietrza, po którym nastąpił gwałtowny spadek przewodnictwa mchu poniżej 25%. Drugi opad deszczu był mniejszy i w konsekwencji spowodował niższy pik przewodnictwa. Po tym zdarzeniu opadowym mech nie wyschł natychmiast, lecz pozostał nawodniony, dopóki wilgotność przekraczała 75%.

Rysunek 1: Schemat montażu rejestratora danych BtM. Schemat zawiera zdjęcie płytki BtM oraz rozmieszczenie poszczególnych komponentów na płytce. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Prawidłowe rozmieszczenie klipsów w mchu (Homalothecium aureum). Na obrazku pokazano, jak rozmieścić klipsy, aby zachować minimalny odstęp między nimi, nie uszkadzając mchowca. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Odpowiedź przewodności na dodanie wody. Panele te przedstawiają odpowiedź przewodności na dodanie wody u  (a) Dicranum scoparium oraz (b) H. aureum. Kolory oznaczają poszczególne powtórzenia. Punkty danych stanowią średnią z logarytmicznie przekształconej przewodności w przedziale od 10 do 30 s po podlaniu. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe danych w tym przedziale. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Reakcja logarytmicznie przekształconej przewodności na dodawanie wody u D. scoparium w przypadku, gdy ilość dodanej wody jest zbyt duża, aby umożliwić kalibrację. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe danych w tym przedziale. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rycina 5: Krzywe wysychania. Te panele przedstawiają krzywe wysychania  (a) D. scoparium i (b) H. aureum. Punkty danych stanowią średnią z logarytmizowanego przewodnictwa mierzonego co 30 s. Czarne punkty wskazują średnią z trzech powtórzeń, a słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe danych w danym przedziale. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 6: Dobowe zmiany przewodnictwa, opadów i wilgotności względnej mchu (Syntrichia ruralis). Pomiary przeprowadzono w społecznościach glebowych w Cantoblanco, na kampusie Universidad Autónoma de Madrid w Hiszpanii. Przewodnictwo i wilgotność względną mierzono za pomocą prototypu BtM, natomiast dane o opadach pochodzą ze stacji pogodowej umieszczonej kilka metrów od miejsca pomiaru. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Data/Godzina	Temp. (°C)	wilgotność względna (%)	Przewodność (kMho)
11/03/18 12:00	26.6	66.6	139.53
11/03/18 12:00	26.6	66.4	167.92
11/03/18 12:00	26.8	66.4	199.14
11/03/18 12:00	26.9	66.4	212.75
11/03/18 12:00	26.6	66.6	217.15
11/03/18 12:01	26.9	66.7	218.93
11/03/18 12:01	27	66.8	139.53
11/03/18 12:01	27.1	66.9	164.28
11/03/18 12:01	27.1	67.3	194.21
11/03/18 12:01	27.3	67.3	209.28

Tabela 1: Przykład wyniku BtM.

Dyskusja

Według naszej wiedzy jest to pierwszy raz, kiedy rejestrator danych do jednoczesnego pomiaru temperatury, wilgotności i przewodności jako wskaźnik zawartości wody w organizmach poikilohydralnych został zaprojektowany w oparciu o platformę o otwartym dostępie. Rejestrator danych BtM jest łatwy w budowie i ekonomiczny, a także zapewnia wysokiej jakości pomiary wilgotności powietrza, temperatury i impedancji przy minimalnym zużyciu energii.

Prosty montaż to jedna z głównych zalet tego rejestratora. Ponieważ jest to projekt open-source, udostępniamy oprogramowanie do rejestracji danych oraz szczegółowy schemat jego budowy wraz z nietechniczną instrukcją budowy gotowego do użycia rejestratora danych BtM. To sprawia, że metoda jest dostępna dla każdej grupy badawczej, nawet dla tych, które nie współpracują z inżynierem lub wyspecjalizowanymi technikami. Poza tym montaż każdego rejestratora danych zajmuje tylko około 1 godziny, jeśli używany jest obwód płytki drukowanej i około 4 godzin, jeśli obwód jest montowany przez badaczy. Dodatkowo rejestrator danych BtM jest bardzo ekonomiczny. Szacowany koszt komponentów każdej jednostki wynosi około 100 euro, co jest dość niską ceną, którą można jeszcze bardziej obniżyć w projektach na dużą skalę, składając partie kilku rejestratorów danych.

Chociaż w ostatnim czasie dokonano kilku zmian metodologicznych mających na celu wdrożenie urządzeń, które mierzą różne aspekty związane z aktywnością fizjologiczną nienaczyniowych społeczności kryptogamowych, BtM wypełnia ważną lukę w wiedzy. Raggio i wsp.¹⁵ z nich wykorzystuje Moni-Da, system monitorowania, który uzyskuje informacje fizjologiczne i mikroklimatyczne. Aktywność fizjologiczną zbiera się za pomocą fluorescencji chlorofilu a , metody szeroko stosowanej w laboratorium do szacowania aktywności organizmów fotosyntetyzujących. Chociaż ta metoda jest bardzo dokładna, jest znacznie droższa niż rejestrator danych BtM. Poza tym system monitorowania jest produktem prywatnej firmy, co ogranicza autonomię grupy badawczej.

Dwie inne metody, które zostały niedawno opublikowane, również opierają się na szacowaniu zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach. Pierwsza z nich opiera się na pomiarach termicznych (metoda dwusondowego impulsu cieplnego (DPHP)). Chociaż obiecujące wyniki zostały ostatnio wykazane przez Young i wsp.¹⁶, brak jakiegokolwiek konkretnego schematu w artykule sprawia, że złożenie go bez specjalistycznej wiedzy jest bardzo trudne. Wreszcie Weber i wsp.¹⁴ zaprezentowało czujnik o nazwie sonda wilgotności bioskorupy (BWP), który jest bardzo podobny do rejestratora danych BtM. Nie przewidują one jednak żadnego schematu jego budowy, co utrudnia możliwość zbudowania rejestratora bez pomocy specjalisty. Rozwiązujemy ten problem, dostarczając nie tylko schemat konstrukcji, ale także płytkę drukowaną do montażu rejestratora. Co ciekawe, BtM można łatwo zmodyfikować w celu pomiaru bioskorup, izolowanych osobników lub poduszek, po prostu zmieniając zaciski krokodylkowe (dla osobników/poduszek porostów lub mszaków) na szpilki elektrod ze stopu miedzi (dla bioskorup). W razie potrzeby tylko część krokodyli może zostać wymieniona, co pozwala na bezpośrednie porównanie między dwoma typami sond pomiarowych.

Interpretując wyniki, należy dokładnie przyjrzeć się zależności między aktywnością a zawartością wody, ponieważ BtM nie mierzy bezpośrednio fotosyntezy. Fotosynteza i aktywność są ściśle powiązane w kryptogamach nienaczyniowych, ponieważ suchy organizm poikilohydralny jest w stanie zatrzymania metabolicznego, a mokry jest aktywny. Stopnia aktywności fotosyntetycznej nie można jednak wywnioskować bezpośrednio z zawartości wody, mimo że w dobrze nawodnionym organizmie można oczekiwać wyższej aktywności metabolicznej, a tym samym wyższej aktywności fotosyntetycznej.

Kroki krytyczne:
Pomimo łatwości montażu, w protokole istnieje kilka krytycznych kroków, które powinny być starannie omówione przez badaczy podczas montażu czujnika. Po pierwsze, jak podkreślono w protokole, dość łatwo jest wytworzyć zwarcia podczas, co w najgorszym przypadku może skutkować poważnymi uszkodzeniami mikrokontrolera. Bardzo ważne jest, aby sprawdzić ich obecność za pomocą multimetru i wyjąć je przed podłączeniem baterii. Zalecamy skorzystanie z dostarczonego projektu PCB, ponieważ znacznie upraszcza to proces i może być najlepszą opcją rozwiązania tego problemu. Po drugie, nie wszystkie wersje IDE są kompatybilne z bibliotekami wymaganymi dla tego rejestratora. Ważne jest, aby pobrać odpowiedni (1.0.6), aby uniknąć problemów ze zgodnością. Po trzecie, ważne jest, aby zwrócić uwagę na biegunowość baterii. Odwrócenie polaryzacji może spowodować poważne uszkodzenia sprzętu. Po czwarte, kalibracja jest krytycznym krokiem. Rejestrator danych BtM został zaprojektowany tak, aby wyższa rozdzielczość pokrywała się z momentem, w którym kryptogam przechodzi ze stanu suchego do mokrego. Oznacza to, że wartości przewodności nasycają się na długo przed nasyceniem próbki wodą. Jeśli jednak badanie, które ma miejsce, wymaga większej dokładności w odniesieniu do innych wartości, można je zmodyfikować. Pomiary wykraczające poza jeden rząd wielkości od tego odniesienia wymagają wymiany rezystora i procesu ponownej kalibracji (patrz poniżej). Ponieważ temperatura otoczenia może mieć wpływ na dokładność pomiarów, zalecamy uwzględnienie tego czynnika podczas kalibracji. W tym celu kalibrację należy przeprowadzić w niskich temperaturach, aby sprawdzić zmiany w dokładności i stabilności pomiaru (patrz Coxson¹² dla wpływu temperatury).

Modyfikacje:
Chociaż większość elementów BtM jest nieruchoma, niektóre można łatwo zmodyfikować w terenie bez ponownego. Najprostszą modyfikacją jest wymiana zacisków krokodylkowych na inne sondy lub systemy pomiarowe. Na przykład zamiast zacisków krokodylkowych sonda z dwoma bolcami, taka jak ta sugerowana w Weber i wsp.¹⁴, można użyć.

W odległych środowiskach, w których wymiana baterii może nie być możliwa w wymaganej częstotliwości, baterie mogą być uzupełnione panelem słonecznym do zasilania rejestratora danych BtM przez dłuższy czas.

Zmieniając rezystory referencyjne używane do pomiaru przewodności, rangę wyższej rozdzielczości można łatwo zmodyfikować na wyższe lub niższe wartości. W przypadku modyfikacji zdecydowanie zalecamy precyzyjną ponowną kalibrację. Również w kodzie źródłowym zmienna RValue , która jest zaprogramowana na wartość rezystora 330 KΩ, musi być przypisana do nowej odpowiedniej wartości (datalog.ino).

Konkluzja:
Nienaczyniowe społeczności kryptogamów są bardzo zróżnicowane i odgrywają wiele różnych kluczowych ról ekologicznych, dlatego zrozumienie ich relacji ze środowiskiem abiotycznym jest kluczową kwestią. Rejestrator danych BtM ma kilka zastosowań, które pomogą pogłębić wiedzę na temat tych zależności. Na przykład pomoże pogłębić wiedzę na temat warunków, w których organizmy te działają jako pochłaniacze lub źródła dwutlenku węgla. Wahania między tymi dwiema rolami są silnie związane z warunkami abiotycznymi, takimi jak temperatura i wilgotność³, ale do opisania i zrozumienia zmian tej zależności w skali globalnej potrzebne są duże ilości danych. Wymaga to gęstych sieci czujników, które są możliwe tylko wtedy, gdy opierają się na tanim i łatwym do wdrożenia sprzęcie.

Podsumowując, urządzenie to jest użytecznym narzędziem dla ekologicznych grup badawczych i pokonuje techniczne ograniczenia związane z projektowaniem i budową rejestratora danych. Połączenie tych dwóch czynników może doprowadzić do popularyzacji wykorzystania rejestratorów danych do pomiaru stosunków wodnych nienaczyniowych kryptogamów in situ. To z kolei może przyczynić się do tworzenia średnio- i długoterminowych sieci monitorowania. Rozwój tych sieci ma zasadnicze znaczenie dla oceny odpowiedzi nienaczyniowych kryptogamów na lokalne i regionalne czynniki środowiskowe, a także dla określenia ich roli w procesach ekosystemowych (np. cyklach składników odżywczych, gromadzeniu się społeczności) oraz ich najbardziej prawdopodobnej reakcji w świetle zmian czynników klimatycznych i antropicznych związanych ze zmianami globalnymi.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Obwód BtMboard (PCB)			1
Arduino Pro Mini 328 3,3 V (APM)	Arduino		1
FTDI Basic Breakout	SparkFun		1
Przejściówka			1
Wzmacniacz operacyjny TLC274	Texas Instruments		2
Listwa			1
		330 KOhm	8
Rezystor			2
Rezystor			1
2N3904 Tranzystor			2
Złącze Borniera, 2x1 5,08 mm			9
Bateria			3
Uchwyt baterii 3xAA z przełącznikiem			1
Sensirion SHT71	Sensirion		1
DS3234 RTC Breakout (zegar)	SparkFun		1
CR1225 3 V Bateria			1
MicroSD Transflash breakout	SparkFun		1
Złącze			16
Odporna na warunki atmosferyczne skrzynka
		linkowego 12 AWG	1
Szczypce tnące			1
Lutownica			1
Szpula			1
Arduino IDE 1.0.6	Arduino		1
Biblioteka Arduino DS3234	Arduino		1
Biblioteka Arduino DS3234lib3	Arduino		1
Biblioteka Arduino Oszczędzanie energii	Arduino		1
Biblioteka Arduino SdFat	Arduino		1
Biblioteka Arduino Sensirion	Arduino		1

MiniUSB na USB pinowa 2,54 mm Rezystor 330 Ohm 10 KOhm 1,5 V AA pastylkowa krokodylkowe 1Szpula 30 W drutu lutowniczego