Name: BtM, tani rejestrator danych typu open source do szacowania zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-25T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 25 s
Description: Poznaj metodę pomiaru przewodnictwa nienaczyniowych kryptogamów za pomocą taniego rejestratora danych typu open source. To narzędzie umożliwia badaczom monitorowanie aktywności mchów i porostów w różnych ekosystemach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy są wdzięczni Manuelowi Molinie (UAM) i Cristinie Ronquillo (MNCN-CSIC) za pomoc udzieloną podczas testów kalibracyjnych, a także Belén Estébanez (UAM) za pomoc podczas kampanii próbkowania.

1. Montaż rejestratora danych
<ol>
	<li>Przygotuj lutownicę i szpulę drutu lutowniczego. Poczekaj, aż lutownica się nagrzeje i zwilż gąbkę do czyszczenia.</li>
	<li>Przytnij listwy listwy pinowe na żądaną długość i je do gniazd czujnika temperatury i wilgotności, mikrokontrolera oraz modułów zegara RTC i rozdzielacza microSD.
	<ol>
		<li>Aby, podgrzej żądane połączenie końcówką lutownicy.</li>
		<li>Następnie nałóż niewielką ilość materiału z drutu lutowniczego, wystarczającą do wypełnienia złącza.</li>
		<li>Na koniec wyjmij lutownicę i poczekaj, aż złącze ostygnie.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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 <silna klasa = "xfig">Rysunek 1 dla schematu montażu).
	<ol>
		<li>Najpierw rezystory. Następnie gniazda dla wzmacniaczy operacyjnych, czujnika SHT7X oraz modułów zegara RTC i breakout microSD.</li>
		<li>Następnie dwa tranzystory. Płytkę należy teraz również za pomocą listew pinowych. Na koniec złącza do płytki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>czujnik wilgotności/temperatury SHT7X do złącza pinowego lub przedłużacza, aby wzmocnić przewody.</li>
	<li>Przygotuj multimetr w trybie testowania ciągłości lub testowania przewodności. Użyj multimetru, aby sprawdzić, czy nie ma zwarć między którymkolwiek ze styków lub połączeń.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Podłącz zaciski akumulatora i zaciski kablowe do płyty za pomocą śrubokręta.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Upewnij się i dwukrotnie sprawdź prawidłową biegunowość, zwłaszcza zasilających. Sprawdź wytrzymałość połączenia, lekko pociągając za, sprawdzając, czy wszystko jest dobrze podłączone.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii, usuń diodę LED zasilania z płytki mikrokontrolera, wylutowując lub odcinając diodę LED od płytki.</li>
	<li>Na koniec zamontuj płytę BtM w obudowie odpornej na warunki atmosferyczne, aby wilgoć nie dostała się do elektroniki.
	<ol>
		<li>Dopasuj obudowę do akumulatora, podłączając go do biegunów dodatniego i ujemnego. Zamontuj czujnik wilgotności/temperatury na zewnątrz pudełka, pozostawiając go podłączonym do płyty BtM.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Ładowanie oprogramowania
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Pobierz niezbędne biblioteki z repozytorium GitHub18: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat i Sensirion.</li>
	<li>Pobierz główny kod źródłowy rejestratora danych z repozytorium GitHub18.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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</li>
	<li>Ustaw interwał między pomiarami (w sekundach), modyfikując wartość zmiennego interwału.</li>
</ol>
3. Konfiguracja sond pomiarowych
<ol>
	<li>W przypadku mszaków, porostów owocowych i liściastych należy umieścić klipsy krokodylkowe w centralnym miejscu zbiorowisk (<silna klasa="xfig">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.</li>
	<li>Zachowaj minimalną odległość ok. 5 mm między elektrodami. Upewnij się, że klipsy nie można łatwo odłączyć przed rozpoczęciem pomiarów.</li>
</ol>
4. Kalibracja do pomiarów przewodności
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Wybierz zbiorowisko mchów lub porostów, które jest zdrowe i dobrze zorganizowane.</li>
	<li>Podłącz rejestrator danych do mchu lub porostów, wykonując czynności opisane w sekcji 3 niniejszego protokołu.</li>
	<li>Rozpocznij pomiary (włącz rejestrator) i pozostaw włączoną płytę BtM na około 3 minuty, aby ustabilizować zarejestrowane wartości.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Poczekaj, aż pomiary przewodności powrócą do wartości początkowych (próbki są suche).</li>
	<li>Następnie kolejno dolewaj wodę za pomocą małego sprayu.
	<ol>
		<li>Zwilżyć próbki ilością wody odpowiadającą 1/10 ilości wody wymaganej do osiągnięcia maksymalnej przewodności (patrz krok 4.5) w próbce.</li>
		<li>Poczekaj, aż mech lub porost całkowicie wchłonie wodę, a pomiary przewodności będą stabilne przed ponownym podlaniem (~1 min między każdym podlewaniem).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>
5. Alternatywna kalibracja dla eksperymentów laboratoryjnych
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Podłącz rejestrator danych do mchu lub porostów, wykonując czynności opisane w sekcji 3 niniejszego protokołu.</li>
	<li>Rozpocznij pomiary i pozostaw płytę BtM włączoną na około 3 minuty, aby ustabilizować zarejestrowane wartości.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Fontaneto, D., Hortal, J. Microbial Biogeography: Is Everything Small Everywhere. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFontaneto%2C+D+%22Microbial+Ecological+Theory%3A+Current+Perspectives%22">Microbial Ecological Theory: Current Perspectives</a>. Ogilvie, L. A., Hirsch, P. R. , Caister Academic Press. Norfolk, UK. 87-98 (2012).</li>
<li>Proctor, M. C. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Desiccation-tolerance+in+bryophytes%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22The+Bryologist%22%5BJournal%5D)">Desiccation-tolerance in bryophytes: a review.</a> The Bryologist. 110 (4), 595-621 (2007).</li>
<li>Lindo, Z., Gonzalez, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Bryosphere%3A+An+Integral+and+Influential+Component+of+the+Earth%27s+Biosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Ecosystems%22%5BJournal%5D)">The Bryosphere: An Integral and Influential Component of the Earth's Biosphere.</a> Ecosystems. 13 (4), 612-627 (2010).</li>
<li>Elbert, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contribution+of+cryptogamic+covers+to+the+global+cycles+of+carbon+and+nitrogen%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Geoscience%22%5BJournal%5D)">Contribution of cryptogamic covers to the global cycles of carbon and nitrogen.</a> Nature Geoscience. 5, 459-462 (2012).</li>
<li>Magill, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Moss+diversity%3A+New+look+at+old+numbers%5BTitle%5D)+AND+%22Phytotaxa%22%5BJournal%5D)">Moss diversity: New look at old numbers.</a> Phytotaxa. 9 (1), 167-174 (2014).</li>
<li>Söderström, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((World+checklist+of+hornworts+and+liverworts%5BTitle%5D)+AND+%22PhytoKeys%22%5BJournal%5D)">World checklist of hornworts and liverworts.</a> PhytoKeys. (59), 1-828 (2016).</li>
<li>Lücking, R., Hodkinson, B. P., Leavitt, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+2016+classification+of+lichenized+fungi+in+the+Ascomycota+and+Basidiomycota+-+Approaching+one+thousand+genera%5BTitle%5D)+AND+%22The+Bryologist%22%5BJournal%5D)">The 2016 classification of lichenized fungi in the Ascomycota and Basidiomycota - Approaching one thousand genera.</a> The Bryologist. 119 (4), 361-416 (2016).</li>
<li>Bowker, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+Soil+Crust+Rehabilitation+in+Theory+and+Practice%3A+An+Underexploited+Opportunity%5BTitle%5D)+AND+%22Restoration+Ecology%22%5BJournal%5D)">Biological Soil Crust Rehabilitation in Theory and Practice: An Underexploited Opportunity.</a> Restoration Ecology. 15 (1), 13-23 (2007).</li>
<li>Wilske, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+CO2+exchange+of+biological+soil+crusts+in+a+semiarid+grass-shrubland+at+the+northern+transition+zone+of+the+Negev+desert%2C+Israel%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeosciences+Discussions%22%5BJournal%5D)">The CO2 exchange of biological soil crusts in a semiarid grass-shrubland at the northern transition zone of the Negev desert, Israel.</a> Biogeosciences Discussions. 5 (3), 1969-2001 (2008).</li>
<li>Wardle, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Linking+vegetation+change%2C+carbon+sequestration+and+biodiversity%3A+insights+from+island+ecosystems+in+a+long-term+natural+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Ecology%22%5BJournal%5D)">Linking vegetation change, carbon sequestration and biodiversity: insights from island ecosystems in a long-term natural experiment.</a> Journal of Ecology. 100 (1), 16-30 (2012).</li>
<li>Lindo, Z., Nilsson, M. -C., Gundale, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bryophyte-cyanobacteria+associations+as+regulators+of+the+northern+latitude+carbon+balance+in+response+to+global+change%5BTitle%5D)+AND+%22Global+Change+Biology%22%5BJournal%5D)">Bryophyte-cyanobacteria associations as regulators of the northern latitude carbon balance in response to global change.</a> Global Change Biology. 19 (7), 2022-2035 (2013).</li>
<li>Coxson, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impedance+Measurement+of+Thallus+Moisture+Content+in+Lichens%5BTitle%5D)+AND+%22The+Lichenologist%22%5BJournal%5D)">Impedance Measurement of Thallus Moisture Content in Lichens.</a> The Lichenologist. 23 (1), 77-84 (1991).</li>
<li>Raggio, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+chlorophyll+fluorescence%2C+gas+exchange+and+microclimate+monitoring+in+a+natural+soil+crust+habitat+in+Tabernas+badlands%2C+Almeria%2C+Spain%3A+progressing+towards+a+model+to+understand+productivity%5BTitle%5D)+AND+%22Biodiversity+and+Conservation%22%5BJournal%5D)">Continuous chlorophyll fluorescence, gas exchange and microclimate monitoring in a natural soil crust habitat in Tabernas badlands, Almeria, Spain: progressing towards a model to understand productivity.</a> Biodiversity and Conservation. 23 (7), 1809-1826 (2014).</li>
<li>Weber, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+calibration+of+a+novel+sensor+to+quantify+the+water+content+of+surface+soils+and+biological+soil+crusts%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Ecology+and+Evolution%22%5BJournal%5D)">Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts.</a> Methods in Ecology and Evolution. 7 (1), 14-22 (2016).</li>
<li>Raggio, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metabolic+activity+duration+can+be+effectively+predicted+from+macroclimatic+data+for+biological+soil+crust+habitats+across+Europe%5BTitle%5D)+AND+%22Geoderma%22%5BJournal%5D)">Metabolic activity duration can be effectively predicted from macroclimatic data for biological soil crust habitats across Europe.</a> Geoderma. 306, 10-17 (2017).</li>
<li>Young, M. H., Fenstermaker, L. F., Belnap, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+water+content+dynamics+of+biological+soil+crusts%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Arid+Environments%22%5BJournal%5D)">Monitoring water content dynamics of biological soil crusts.</a> Journal of Arid Environments. 142, 41-49 (2017).</li>
<li>Accurate low power temperature/relative humidity data logger. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.osbss.com/tutorials/temperature-relative-humidity/">http://www.osbss.com/tutorials/temperature-relative-humidity/</a> (2015).</li>
<li>GitHub - united-ecology/btmboard. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://github.com/united-ecology/btmboard">https://github.com/united-ecology/btmboard</a> (2018).</li>
<li>Arduino - Software. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.arduino.cc/en/Main/Software">https://www.arduino.cc/en/Main/Software</a> (2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.

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 tropiki3,4.
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 lato5,6 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 netto10,11. 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 kryptogamów13,14,15,16. Niemniej jednak taka wiedza jest wciąż rzadka i rozproszona, a prace te koncentrują się głównie na skorupach glebowych4,8. 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.

<table><tbody><tr><td>Obwód BtMboard (PCB)</td><td></td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Arduino Pro Mini 328 3,3 V (APM)</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>FTDI Basic Breakout</td><td>SparkFun</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Przejściówka</td><td></td><td></td> MiniUSB na USB <td>1</td></tr><tr><td>Wzmacniacz operacyjny TLC274</td><td>Texas Instruments</td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Listwa</td><td></td><td></td> pinowa 2,54 mm <td>1</td></tr><tr>Rezystor <td></td><td></td><td>330 KOhm</td><td>8</td></tr><tr><td>Rezystor</td><td></td><td></td> 330 Ohm <td>2</td></tr><tr><td>Rezystor</td><td></td><td></td> 10 KOhm <td>1</td></tr><tr><td>2N3904 Tranzystor</td><td></td><td></td><td>2</td></tr><tr><td>Złącze Borniera, 2x1 5,08 mm</td><td></td><td></td><td>9</td></tr><tr><td>Bateria</td><td></td><td></td> 1,5 V AA <td>3</td></tr><tr><td>Uchwyt baterii 3xAA z przełącznikiem</td><td></td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Sensirion SHT71</td><td>Sensirion</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>DS3234 RTC Breakout (zegar)</td><td>SparkFun</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>CR1225 3 V Bateria</td><td></td><td></td> pastylkowa <td>1</td></tr><tr><td>MicroSD Transflash breakout</td><td>SparkFun</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Złącze</td><td></td><td></td> krokodylkowe <td>16</td></tr><tr><td>Odporna na warunki atmosferyczne skrzynka</td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr>1Szpula <td></td><td></td><td>linkowego 12 AWG</td><td>1</td></tr><tr><td>Szczypce tnące</td><td></td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Lutownica</td><td></td><td></td> 30 W <td>1</td></tr><tr><td>Szpula</td><td></td><td></td> drutu lutowniczego <td>1</td></tr><tr><td>Arduino IDE 1.0.6</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Biblioteka Arduino DS3234</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Biblioteka Arduino DS3234lib3</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Biblioteka Arduino Oszczędzanie energii</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Biblioteka Arduino SdFat</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr><tr><td>Biblioteka Arduino Sensirion</td><td>Arduino</td><td></td><td>1</td></tr></tbody></table>

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

BtM, a Low-cost Open-source Datalogger to Estimate the Water Content of Nonvascular Cryptogams

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.

Przeanalizowaliśmy zmiany przewodności u dwóch gatunków mchów, Dicranum scoparium Hedw. i Homalothecium aureum (Świerk) H. Rob. (Rysunek 3), podczas procesu kalibracji w warunkach laboratoryjnych. Darń obu gatunków mchu przechowywano przez 24 h w żelu krzemionkowym, a następnie umieszczono w podłożu sztucznym (t. j., wata) które zachowały swoją pierwotną strukturę (Rycina 2). Następnie próbki podlewano natryskiem 15–20 razy w odstępach 1-minutowych. Każde podlewanie składało się z ok. 0,1 ml wody. W obu gatunkach stwierdzono wysoką korelację między ilością dodanej wody a przewodnością próbki (D. scoparium rS = 0.88, p &lt; 0.001; H. aureum rs = 0.87, p &lt; obserwowano (0,001). Odnotowano wysoki wzrost przewodności (co najmniej od 0% do 25%) już przy pierwszym dodaniu wody, a pomiary osiągnęły maksymalną przewodność przy 4 ml dla D. scoparium oraz 10 ml na H. aureumWarto zauważyć, że zależność między ilością wody a przewodnością ma charakter logarytmiczny. W związku z tym wartości przewodności muszą zostać przekształcone, aby uzyskać liniową zależność między obiema zmiennymi, a ich relację należy modelować przy użyciu regresji nieliniowej.
Zaobserwowaliśmy pewną zmienność pomiędzy próbkami (patrz różne kolory na rysunkach 3a oraz 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 najprawdopodobniej wykazują tego rodzaju zmienność, dlatego zaleca się wykonanie kilku pomiarów dla każdego typu zbiorowości. Oczekiwanej najwyższej zmienności stwierdzono pomiędzy gatunkami, ponieważ różnią się one kilkoma podstawowymi cechami (np. agregacją mat lub morfologią). Aby skontrolować zmienność wewnątrz- i międygatunkową, zalecamy kalibrację każdego klipsa aż do osiągnięcia maksymalnych wartości przewodnictwa, a następnie przeskalowanie wyników dla każdego klipsa tak, aby wartości mieściły się w zakresie od 0 do 10. Należy wziąć pod uwagę, że bezwzględne wartości przewodnictwa zależą od odległości między klipsami oraz podstawowego przewodnictwa łodyg, zatem dostarczone przez nie wartości nie są bezpośrednio porównywalne.
Ilość wody dodawanej podczas każdego cyklu podlewania w procesie kalibracji jest kluczowa i będzie miała silny wpływ na wyniki. Celem było zapewnienie kilku cykli podlewania w zakresie maksymalnej dokładności BtM. Przedstawiamy przykład krzywej kalibracyjnej w sytuacji, gdy w każdym kroku dodano zbyt dużo wody (Rysunek 4). Jeśli próbka zostanie nadmiernie podlana podczas pierwszego cyklu, wzrost przewodności nie zostanie odnotowany, a kalibracja będzie niedokładna. Może to prowadzić do błędów w zakresie, w którym aktywne są kryptogamy naczyniowe, co stanowi najciekawsze pomiary wykonywane za pomocą BtM.
Przeanalizowano również krzywą wysychania tych samych dwóch gatunków (H. aureum i D. scoparium), aby zapewnić alternatywną procedurę kalibracji. Darń obu mchów podlewano przez noc, aby zapewnić ich pełne nasycenie. Następnie z każdej darń wyekstrahowano reprezentatywną łodygę, umieszczono ją w stabilnym, kontrolowanym środowisku i stale rejestrowano przewodność. Podobnie jak w przypadku innego pomiaru kalibracyjnego, wartości przewodności muszą zostać przekształcone, aby uzyskać liniową zależność 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. Odnotowana zmienność wewnątrz- i międzygatunkowa była dość duża i, podobnie jak w innym zastosowaniu procedury kalibracyjnej, mogła wynikać z różnic w biomasie i morfologii poszczególnych pędów. Aby to skontrolować, zalecamy wykonanie co najmniej trzech pomiarów dla każdego gatunku. Bezwzględne wartości przewodności nie są bezpośrednio porównywalne w tej procedurze kalibracyjnej, ponieważ zależą one również od odległości między zaciskami oraz przewodności podstawowej pędów.
Prezentujemy przykład danych terenowych po opadach deszczu, które miały miejsce między 23 a 26 czerwca 2014 roku. Przedstawiamy dobowe zmienności procentowej przewodności (Rysunek 6a), wilgotności względnej (Rysunek 6b) oraz opadów (Rysunek 6c) dla jednego gatunku mchu (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber &amp; D. Mohr). Odnotowano silną zależność między przewodnością mchu, zdarzeniami opadowymi a wilgotnością względną powietrza. W analizowanym okresie wystąpiły dwa piki przewodności i wilgotności jako następstwo dwóch zdarzeń opadowych. Pierwsze z nich miało miejsce tuż przed północą 23 czerwca, a drugie po południu 24 czerwca. Około 8 h po pierwszym opadzie deszczu zaobserwowano spadek wilgotności względnej powietrza, po którym nastąpił gwałtowny spadek przewodności mchu poniżej 25%. Drugi opad deszczu był mniejszy i w konsekwencji spowodował niższy pik przewodności. Po tym zdarzeniu mech nie wysychał natychmiast, lecz pozostawał nawodniony, dopóki wilgotność utrzymywała się powyżej 75%.
<img alt="Schemat elektronicznej płytki obwodów; Arduino, rezystory, złącza, moduł RTC, czujnik do rejestrowania danych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58700/58700fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1Schemat montażowy rejestratora danych BtM. Schemat zawiera rysunek płytki BtM oraz rozmieszczenie poszczególnych komponentów na płytce. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58700/58700fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="doświadczenie z pomiarem rezystancji elektrycznej mchu z użyciem zacisków przewodzących; układ pomiarowy przewodności" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58700/58700fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rycina 2Prawidłowe rozmieszczenie zacisków w mchu (Homalothecium aureum). Rysunek przedstawia sposób rozmieszczenia klipsów, aby zachować minimalną odległość między nimi, nie uszkadzając mchu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58700/58700fig2large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, należy kliknąć tutaj.</a>
<img alt="Wykres zależności przewodności od dodawania wody, dwupanelowa analiza danych, wykres pomiaru przewodności." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58700/58700fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rycina 3Reakcja przewodnictwa na dodanie wody. Panele te przedstawiają odpowiedź konduktancji na dodanie wody w (a) Dicranum scoparium oraz (b) H. aureum. Kolory reprezentują poszczególne powtórzenia. Punkty danych stanowią średnią z logarytmicznie przekształconej przewodności w przedziale od 10 do 30 s po podaniu wody. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe danych w tym przedziale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58700/58700fig3large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
<img alt="Wykres przedstawiający procent przewodności w funkcji ilości dodanej wody w ml dla analizy roztworu chemicznego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58700/58700fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rycina 4Reakcja logarytmicznie przekształconej przewodności na dodatek wody w D. scoparium gdy ilość dodanej wody jest zbyt duża, aby umożliwić kalibrację. Słupki błędów przedstawiają odchylenie standardowe danych w danym przedziale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58700/58700fig4large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Wykresy przewodności w funkcji czasu z paskami błędów; analiza danych; wizualizacja wyników eksperymentalnych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58700/58700fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rycina 5Krzywe wysychania. Panele te przedstawiają krzywe wysychania (a) D. scoparium oraz (b) H. aureumPunkty danych przedstawiają średnią z logarytmowanych wartości przewodnictwa mierzonego co 30 s. Czarne punkty wskazują średnią z trzech powtórzeń, a słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe danych w danym przedziale. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58700/58700fig5large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Analiza danych pogodowych: wykres liniowy przedstawiający procent przewodności, wilgotność względną oraz trendy opadów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58700/58700fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6Dobowa zmienność u mchu (Syntrichia ruraliss) przewodność, opady i wilgotność względna. Pomiary przeprowadzono w społecznościach glebowych w Cantoblanco, na kampusie Universidad Autónoma de Madrid, Hiszpania. Przewodność i wilgotność względną mierzono za pomocą prototypu BtM, natomiast dane dotyczące opadów pochodzą ze stacji pogodowej zlokalizowanej w odległości kilku metrów od miejsca pomiaru. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58700/58700fig6large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<table fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Data/Godzina</td>
			<td>Temp(°C)</td>
			<td>RH(%)</td>
			<td>Przewodność (kMho)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:00</td>
			<td>26.6</td>
			<td>66.6</td>
			<td>139.53</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:00</td>
			<td>26.6</td>
			<td>66.4</td>
			<td>167.92</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:00</td>
			<td>26.8</td>
			<td>66.4</td>
			<td>199.14</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:00</td>
			<td>26.9</td>
			<td>66.4</td>
			<td>212.75</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:00</td>
			<td>26.6</td>
			<td>66.6</td>
			<td>217.15</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:01</td>
			<td>26.9</td>
			<td>66.7</td>
			<td>218.93</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:01</td>
			<td>27</td>
			<td>66.8</td>
			<td>139.53</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:01</td>
			<td>27.1</td>
			<td>66.9</td>
			<td>164.28</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:01</td>
			<td>27.1</td>
			<td>67.3</td>
			<td>194.21</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>11/03/18 12:01</td>
			<td>27.3</td>
			<td>67.3</td>
			<td>209.28</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Przykład wyniku BtM.

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.

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

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the ...

Kryptogamie nienaczyniowe mają kluczowe znaczenie dla kilku funkcji ekosystemu. Na przykład są one odpowiedzialne za prawie 50% biologicznie związanego azotu. Zaprojektowaliśmy rejestrator danych, aby odpowiedzieć na pytania z zakresu ekologii kryptogamicznej.Metody te mierzą in situ okres, w którym organizmy te pozostają uwodnione, wiążąc aktywność mszaków z warunkami środowiskowymi. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest to tani, otwarty i łatwy w montażu rejestrator danych, który można zbudować bez wiedzy technicznej. Metoda ta może być stosowana do szerokiego zakresu modelowych ekosystemów i organizmów, od bioskorupy na terenach suchych po torfowiska w regionach borealnych.Przygotuj lutownicę i szpulę drutu. Poczekaj, aż lutownica się nagrzeje i zwilż gąbkę do czyszczenia. Przytnij paski listwy pinowe na żądaną długość dla czujnika temperatury i wilgotności, mikrokontrolera oraz modułów breakout zegara RTC i microSD.Aby listwy nagłówka kołkowego do gniazd, należy wstępnie podgrzać żądane połączenie końcówką lutownicy. Następnie nałóż niewielką ilość materiału z drutu lutowniczego, wystarczającą do wypełnienia złącza. Na koniec wyjmij lutownicę i poczekaj, aż złącze ostygnie.Korzystając z tej samej techniki, rozpocznij montaż komponentów na płytce drukowanej. Najpierw rezystory. Następnie gniazda dla wzmacniaczy operacyjnych, czujnika SHT7x oraz modułów zegara RTC i breakout microSD.Następnie dwa tranzystory. Płytkę należy teraz również za pomocą listew pinowych. Na koniec złącza do płytki.Teraz czujnik wilgotności i temperatury SHT7x do złącza pinowego lub przedłużacza, aby wzmocnić przewody. Przygotuj multimetr w trybie testowania ciągłości lub testowania przewodności. Użyj multimetru, aby sprawdzić, czy nie ma zwarć między którymkolwiek ze styków lub połączeń.Dokładnie sprawdź dodatnie i ujemne zaciski zasilacza. Sprawdź również, czy każde złącze lutowane tworzy stabilne połączenie między pinami komponentów a miedzianymi ścieżkami obwodu. Aby podłączyć zaciski akumulatora i zaciski kablowe do płyty, użyj dowolnego narzędzia tnącego, aby zdjąć około czterech milimetrów z każdego końca drutu, odsłaniając przewodzący rdzeń.Następnie należy wprowadzić każdy do odpowiedniego zacisku i dokręcić śrubokrętem. Upewnij się i dwukrotnie sprawdź prawidłową biegunowość, zwłaszcza tych zasilających. Sprawdź wytrzymałość połączenia, lekko pociągając za, sprawdzając, czy wszystko jest dobrze podłączone.Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii, usuń diodę LED zasilania z płytki mikrokontrolera, wylutowując lub odcinając diodę LED od płytki. Na koniec zamontuj płytę BtM w obudowie odpornej na warunki atmosferyczne, aby wilgoć nie dostała się do elektroniki. Zamontuj czujnik wilgotności i temperatury na zewnątrz pudełka, pozostawiając go podłączonego do płyty BtM.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. Aby upewnić się, że próbki są suche, kalibrację należy przeprowadzić w południe, w dzień o niskiej wilgotności powietrza i poprzedzony co najmniej jednym, a najlepiej dwoma suchymi dniami.Wybierz zbiorowisko mchu lub porostów, które jest zdrowe i dobrze zorganizowane. Podłącz rejestrator danych do mchu lub porostów, umieszczając zaciski krokodylkowe w centralnym miejscu zbiorowisk w przypadku mszaków, porostów owocowych i porostów liściastych. W przypadku porostów owocowych przymocuj klipsy do plechy.W przypadku mchów przymocuj klipsy bezpośrednio do łodygi osoby. W przypadku porostów liściastych należy umieścić klipsy na granicy plechy. Zachowaj minimalną odległość około pięciu milimetrów między elektrodami.Upewnij się, że klipsy nie można łatwo odłączyć przed rozpoczęciem pomiarów. Rozpocznij pomiary od włączenia rejestratora danych i pozostaw włączoną płytę BtM na około trzy minuty, aby ustabilizować zarejestrowane wartości. Wykonaj test wstępnej kalibracji, aby oszacować ilość wody wymaganą podczas każdego podlewania.Podłącz klipsy do próbki. Następnie dodawaj wodę, aż przewodność osiągnie wartość, która nie wzrasta wraz z dodaniem większej ilości wody. Jest to maksymalna wartość przewodności tej próbki, która zostanie wykorzystana do ustalenia etapów nawadniania kalibracji.Poczekaj, aż pomiary przewodności powrócą do wartości początkowych. Użyj małego sprayu, aby zwilżyć próbki ilością wody odpowiadającą 1/10 z góry określonej ilości wody wymaganej do osiągnięcia maksymalnej przewodności w próbce. Poczekaj, aż mech lub porost całkowicie wchłonie wodę, a pomiary przewodności będą stabilne, zanim ponownie podlejesz.Powtarzaj, aż przewodność osiągnie maksymalną wartość, a mech lub porost zostanie w pełni nawodniony. Każdy test kalibracyjny powinien trwać około 15 minut, w zależności od przerwy między podlewaniami, która powinna wynosić od jednej do dwóch minut. Po zakończeniu kalibracji wyjmij kartę microSD z płytki BtM i skopiuj plik z danymi do komputera.Pokazany tutaj jest rysunek przedstawiający ewolucję pomiarów przewodności podczas fazy kalibracji. Krzywe wysuszania Homalothecium aureum i Dicranum scoparium ujawniają zmienność między próbkami tego samego gatunku. Stwierdzona zmienność wewnątrz- i międzygatunkowa była dość duża i można ją przypisać różnicom w biomasie i morfologii każdej łodygi.Ze względu na łatwość montażu, urządzenie to pokonuje ograniczenia techniczne związane z projektowaniem i budową rejestratora danych, umożliwiając tworzenie średnio- i długoterminowych sieci monitorowania. Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się biogeografią i ekofizjologią do zbadania, kiedy, jak i dlaczego znane kryptogamy, takie jak porosty lub mchy, rosną w różnych regionach i w gradientach środowiskowych. Co więcej, technika ta może pomóc w zrozumieniu czynników decydujących o sukcesie gatunku lub osobnika w społecznościach ekologicznych lub ustaleniu, co decyduje o dostarczaniu usług ekosystemowych przez te kluczowe organizmy.

btm-low-cost-open-source-datalogger-to-estimate-water-content

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Ten artykuł podsumowuje cechy projektu i skuteczność systemów uzdatniania, które oczyszczają wodę deszczową z miast i spływy irygacyjne z rolnictwa w celu usunięcia pestycydów i innych zanieczyszczeń związanych z toksycznością dla środowiska wodnego.

Roślinne systemy uzdatniania do usuwania zanieczyszczeń związanych z toksycznością wód powierzchniowych w rolnictwie i spływach miejskich

Zrozumienie usług i procesów ekosystemowych dostarczanych przez stawy wiosenne oraz wpływu działalności antropogenicznej na ich zdolność do świadczenia tych usług wymaga intensywnego monitorowania hydrologicznego. Protokół pobierania próbek z wykorzystaniem sprzętu do monitorowania in situ został opracowany w celu zrozumienia wpływu działalności antropogenicznej na poziom i jakość wody.

Ciągły monitoring hydrologiczny i jakości wody w stawach wiosennych

Pojemność hydrauliczna biomasy jest kluczowym składnikiem budżetu wodnego roślinności, który służy jako bufor przed krótko- i długoterminowymi stresami związanymi z suszą. W tym miejscu przedstawiamy protokół kalibracji i stosowania czujników pojemności wilgotności gleby do monitorowania zawartości wody w pniach dużych drzew.

Kalibracja i wykorzystanie czujników pojemnościowych do monitorowania zawartości wody w łodygach drzew

Dokładny pomiar temperatury i zawartości wody w górnych 5 mm powierzchni gleby może poprawić nasze zrozumienie kontroli środowiskowej procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych. W tym miejscu opisujemy protokół wytwarzania, kalibracji i przeprowadzania pomiarów za pomocą czujników temperatury i wilgotności powierzchni gleby.

Produkcja prostych i niedrogich czujników temperatury powierzchni gleby i grawimetrycznej zawartości wody

Ta wysokoprzepustowa, telemetryczna, grawimetryczna metoda fenotypowania stosunków wodnych całej rośliny umożliwia bezpośrednie i jednoczesne pomiary w czasie rzeczywistym, a także analizę wielu cech fizjologicznych związanych z plonami, zaangażowanych w dynamiczne interakcje roślina-środowisko.

Telemetryczna, grawimetryczna platforma do fizjologicznego fenotypowania interakcji między roślinami a środowiskiem w czasie rzeczywistym

Przedstawiona tutaj jest opłacalna i przenośna metoda/urządzenie do pomiaru pierwotnej produktywności mat mikrobiologicznych w rzeczywistej temperaturze otoczenia in situ i warunkach świetlnych. Układ eksperymentalny opiera się na powszechnie dostępnych materiałach i może być stosowany w różnych warunkach, oferując jednocześnie zalety modeli laboratoryjnych.

Niskokosztowa metoda pomiaru produktywności pierwotnej in situ zbiorowisk peryfitonowych wód lentycznych

Określenie zawartości wody w glebie jest kluczowym wymogiem misji dla wielu agencji stanowych i federalnych. Protokół ten łączy w sobie wysiłki wielu agencji mające na celu pomiar zawartości wody w glebie za pomocą czujników zakopanych in situ.

In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Raportujemy szczegółowe procedury dla metody szacowania biomasy roślin inwazyjnych, która wykorzystuje dane uzyskane z teledetekcji bezzałogowych statków powietrznych (UAV) do oceny biomasy i uchwycenia przestrzennego rozmieszczenia gatunków inwazyjnych. Takie podejście okazuje się bardzo korzystne w przeprowadzaniu oceny zagrożeń i wczesnym ostrzeganiu przed roślinami inwazyjnymi.

Szacowanie biomasy w oparciu o wizję komputerową dla roślin inwazyjnych

Ten artykuł przedstawia prosty eksperyment z parowaniem przy użyciu przyrządu do właściwości hydraulicznych dla próbki gleby. Dzięki wydajnym metodom pomiary mogą być wykonywane w ciągu kilku dni w celu wygenerowania wysokiej jakości danych.

Pomiary potencjału wodnego i przewodności gleby w oparciu o prosty eksperyment parowania przy użyciu analizatora właściwości hydraulicznych

Protokół wykrywa kluczowe geny obiegu metanu na mokradłach przybrzeżnych południowego Teksasu i wizualizuje ich rozmieszczenie przestrzenne, aby lepiej zrozumieć regulację metanu i jego wpływ na środowisko w tych dynamicznych ekosystemach.

Wizualizacja dynamiki mikroorganizmów obiegu metanu na przybrzeżnych terenach podmokłych

Poznaj metodę pomiaru przewodnictwa nienaczyniowych kryptogamów za pomocą taniego rejestratora danych typu open source. To narzędzie umożliwia badaczom monitorowanie aktywności mchów i porostów w różnych ekosystemach.

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

Przeglądaj więcej filmów