BtM, tani rejestrator danych typu open source do szacowania zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach
25 marca 2019
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.
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.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia tani, otwartoźródłowy rejestrator danych zaprojektowany do pomiaru przewodnictwa nienaczyniowych kryptogamów wraz z warunkami środowiskowymi. Rejestrator ten ułatwia badania w dziedzinie ekologii kryptogamów, umożliwiając pomiary in situ okresów nawodnienia oraz aktywności organizmów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Ekologia
- Nauki o środowisku
- Biotechnologia
Wprowadzenie
- Beznaczyniowe kryptogamy odgrywają istotną rolę w funkcjonowaniu ekosystemów, w tym w procesie wiązania azotu.
- Zrozumienie poziomu ich nawodnienia i aktywności w odniesieniu do warunków środowiskowych jest kluczowe dla badań ekologicznych.
- Istniejące metody pomiaru tych parametrów mogą być złożone i kosztowne.
- Niniejsze badanie wprowadza prostszą alternatywę dla naukowców.
Cel badania
- Opracowanie taniego i łatwego w montażu rejestratora danych do pomiaru przewodnictwa kryptogamów.
- Zapewnienie badaczom metody monitorowania wpływu czynników środowiskowych na rośliny nienaczyniowe.
- Umożliwienie prowadzenia długoterminowych badań ekologicznych w różnych ekosystemach.
Zastosowane metody
- Przedstawiono instrukcje projektowania i montażu rejestratora danych.
- Szczegółowo opisano protokoły kalibracji pomiaru przewodnictwa.
- Monitorowane są warunki środowiskowe, takie jak temperatura i wilgotność.
- Gromadzenie danych odbywa się przy użyciu oprogramowania do logowania o otwartym kodzie źródłowym.
Główne wyniki
- Rejestrator danych z powodzeniem mierzy przewodność próbek mchów i porostów.
- Testy kalibracyjne wykazują zmienność przewodności pomiędzy różnymi gatunkami.
- Urządzenie umożliwia tworzenie sieci monitoringu w różnych ekosystemach.
- Wyniki wskazują na potencjał szerszego zastosowania w biogeografii i ekofizjologii.
Wnioski
- Ten rejestrator danych o otwartym kodzie źródłowym przełamuje bariery techniczne dla badaczy.
- Umożliwia on efektywne monitorowanie kryptogamów w zróżnicowanych środowiskach.
- Metoda ta przyczynia się do zrozumienia dynamiki ekologicznej i sukcesu gatunkowego.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Ten rejestrator danych o otwartym kodzie źródłowym umożliwia niskokosztowe, skalowalne monitorowanie dynamiki nawodnienia kryptogam naczyniowych, wspierając badania ekologiczne, które stanowią podstawę modelowania biogeochemicznego i oceny ryzyka środowiskowego. Dostarczając ilościowe pomiary przewodności powiązane z warunkami środowiskowymi, narzędzie to zwiększa wiarygodność prognostyczną w badaniach nad funkcjonowaniem ekosystemów w kontekście cykli węgla i azotu. Jego dostępność ułatwia szerokie zastosowanie w środowiskach akademickich i badaniach stosowanych, promując standaryzowany zbiór danych dla podłużnego monitoringu ekologicznego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie interakcji między organizmem a środowiskiem w systemach poikilohydrycznych, wspierając testowanie hipotez dotyczących progów aktywacji metabolicznej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne pomiary przewodnictwa dla wielu próbek przy zastosowaniu kontrolowanych protokołów nawadniania, co redukuje zmienność w badaniach przesiewowych na wczesnym etapie.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe, rozdzielone w czasie wyniki przewodności, które służą jako zastępcze biomarkery stanu nawodnienia i aktywności metabolicznej kryptogamów.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację analizy poprzez skalibrowane cykle nawadniania i odwodnienia oraz zdefiniowane wytyczne dotyczące rozmieszczenia elektrod, co poprawia porównywalność międzylaboratoryjną.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia modelowanie systemów istotnych dla chorób poprzez powiązanie wzorców nawodnienia kryptogamów z czynnikami mikroklimatycznymi, co wspiera ekstrapolację do funkcji w skali ekosystemu.
- Wartość operacyjna: Ułatwia zachowanie ciągłości od etapu odkrycia do walidacji dzięki eksportowalnym dziennikom danych na kartach microSD oraz oprogramowaniu open-source, co pozwala na długoterminowe śledzenie zmian wzdłuż gradientów środowiskowych.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z procesami badawczymi, zapewniając standaryzowane fenotypowanie stanu nawodnienia, które poprzedza próby wyjaśnienia mechanizmów lub badania przesiewowe związków w biologii środowiskowej.
- Biologia odkryć: Wspiera testowanie hipotez dotyczących zależnej od wody aktywacji metabolicznej u organizmów nienaczyniowych poprzez precyzyjne, podłużne monitorowanie konduktancji.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie analizy poprzez skalibrowane etapy nawadniania i stabilne pomiary linii bazowej, co pozwala na wiarygodne porównywanie odpowiedzi biologicznych w różnych warunkach.
- Analityka: Dostarcza ilościowe strumienie danych dotyczących konduktancji, temperatury i wilgotności, które umożliwiają analizę korelacji i stosowanie reguł decyzyjnych opartych na wartościach progowych.
- Badania translacyjne: Łączy odpowiedzi na nawadnianie obserwowane w laboratorium z gradientami środowiskowymi istotnymi w warunkach polowych, wspierając ekstrapolację wyników laboratoryjnych na siedliska naturalne.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Zaprojektowana jako modułowa platforma open-source, którą można wdrożyć w różnych ekosystemach i dla różnorodnych typów próbek, co sprzyja standaryzacji międzyprojektowej i redukcji kosztów programistycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność wyboru celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w procesach biologicznych zależnych od wody, dzięki bezpośredniemu pomiarowi dynamiki nawodnienia in situ.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i skalowalność dzięki konstrukcji sprzętu open-source, szczegółowemu protokołowi montażu oraz możliwości jednoczesnego próbkowania wielokanałowego.
- Wartość strategiczna: Wspiera decyzje typu go/no-go w modelowaniu ekologicznym, dostarczając empirycznych progów nawodnienia, które zmniejszają niepewność w przewidywaniu aktywności organizmów i świadczenia usług ekosystemowych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację inicjatyw badawczych z uwzględnieniem ryzyka poprzez kwantyfikację wrażliwości środowiskowej kluczowych gatunków bioindykatorów w obrębie gradientów geograficznych i klimatycznych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga podstawowych umiejętności montażu elektroniki, w tym lutowania, zdejmowania izolacji z przewodów oraz sprawdzania ciągłości obwodu za pomocą multimetru.
- Wymaga dostępu do lutownicy, multimetru, śrubokręta oraz wodoodpornej obudowy do zastosowań w terenie.
- Wymaga standaryzacji rozmieszczenia elektrod i protokołów nawadniania we wszystkich zespołach w celu zapewnienia porównywalności danych.
- Adaptacja do różnych morfologii kryptogamów (np. porostów krzewiastych w porównaniu do listkowatych) wymaga dostosowania położenia klipsów przy zachowaniu minimalnego odstępu między elektrodami.
- Metoda ograniczona do wskaźników nawodnienia opartych na przewodności; nie mierzy bezpośrednio aktywności fizjologicznej, co wymaga korelacji z uzupełniającymi analizami w celu uzyskania wglądu w mechanizmy działania.
