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Análise de Populações de Minhocas no Solo

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Analysis of Earthworm Populations in Soil

1.14: Soil Nutrient Analysis: Nitrogen, Phosphorus, and Potassium

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07:03 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye – Universidade Depaul

Usando mostarda, as populações de minhocas Lumbricus terrestris podem ser amostradas diretamente das profundezas do solo sem perturbação da paisagem ou toxicidade. As minhocas podem então ser contadas para dados e análise estatística usando um gráfico de barras e o teste t do aluno.

Monitorar populações de minhocas é uma técnica vital para cientistas ambientais, já que várias espécies de minhocas (mais notavelmente as da subordena Lumbricina) têm se espalhado invasivamente pela América do Norte e América do Sul. Minhocas exóticas podem ser encontradas em quase todas as massas terrestres e em quase todos os ecossistemas do planeta, e onde e quando essas espécies se tornam invasoras tem sido o foco da pesquisa ambiental internacional. ¹

A invasão ecológica tipicamente reduz a biodiversidade de um ecossistema, superando diretamente, colocando em risco ou contribuindo de outra forma para a extirpação de espécies nativas. Como engenheiros ecossistêmicos, espécies invasoras de minhocas alteram o ciclo de nutrientes através de taxas de decomposição de matéria orgânica nos horizontes superiores do solo, onde as raízes das plantas mineram nutrientes. Espécies invasivas de Lumbricus extirparam espécies nativas de minhoca e têm sido demonstradas para aumentar a concentração de nitrogênio disponível e as taxas de nitrogênio em solos invadidos. ² Em um ciclo de feedback positivo, os níveis acelerados de nitrogênio, por sua vez, tornam o sistema mais hospitaleiro para espécies vegetais invasoras que são adaptadas a altos níveis de nitrogênio em comparação com espécies vegetais nativas, e superarão os nativos em um fenômeno conhecido como “colapso de invasão”. Uma relação de derretimento de invasão foi proposta para a espécie de minhoca invasora Lumbricus terrestris (minhoca europeia) e uma espécie de planta invasora Rhamnus cathartica (European Buckthorn). ³

Principles

Uma solução é preparada extraindo capsaicina de mostarda picante e, em seguida, derramada diretamente no solo dentro de um quadrat amostral no chão para amostrar de cada local de coleta. Os locais de coleta são determinados para comparar três amostras aleatórias de uma área que foi invadida por espinheiro europeu a três amostras aleatórias de uma área não invadida. Uma vez derramada diretamente no chão, a solução de mostarda pode penetrar através da matriz do solo até onde as minhocas residem. A capsaicina na mostarda causa irritação nas membranas mucosas. Corpos de minhocas expostos à solução de mostarda reagem à irritação da capsaicina, afastando-se da solução de mostarda e chegando à superfície do solo para se expor ao oxigênio, reduzindo assim a irritação. Após o surgimento, as minhocas podem ser coletadas e a densidade populacional analisada para as relações com o espinheiro europeu. Os meios populacionais de cada local de coleta são comparados com um gráfico de barras para determinar se áreas com outras espécies invasoras possuem mais minhocas, apoiando assim a presença de derretimento da invasão. O teste T de um estudante é usado para determinar se os dois locais são significativamente diferentes o suficiente para apoiar a hipótese de derretimento invasal proposta entre a minhoca europeia e o espinheiro europeu.

Procedure

1. Preparação da solução de concentrado de mostarda

Ligue o equilíbrio, coloque um barco de pesagem em cima, e zero o equilíbrio.
Pese 38,1 g de mostarda oriental no barco de pesagem e transfira para um recipiente plástico com tampa.
Meça 100 mL de água da torneira em um cilindro graduado e adicione ao recipiente plástico com mostarda.
Proteja a tampa do recipiente e agite vigorosamente até que toda a mostarda seja misturada na parte inferior do recipiente plástico e dissolvida na água da torneira.
Deixe a solução sentar-se por 24 horas para extração máxima de capsaicina de mostarda.
Encha dois carregadores de água 8 L no meio do caminho com água da torneira (aproximadamente 4 L de água em cada porta-aviões).
Agite o concentrado de mostarda várias vezes para misturar e depois transfira a solução de concentrado de mostarda para o portador da água.
Transfira uma pequena quantidade da solução do transportador de água de volta para o recipiente concentrado e agite vigorosamente. Despeje de volta no porta-água para transferir todo o concentrado para a solução diluída.
Sele a tampa do porta-água, certifique-se de que a válvula de tampa esteja na posição “OFF” e inverta o carregador de água três vezes para misturar uniformemente.

2. Extração de minhocas

Rotule três copos de amostra para cada local de coleta.
Prossiga para o local de amostragem com um quadrat, copos de amostragem rotulados com tampas e transportador de água com solução de mostarda diluída.
No local da amostragem, limpe o pincel, as folhas ou o mulch o máximo possível para expor claramente o solo.
Coloque o quadrat aleatoriamente no chão em um local limpo.
Inverta um carregador de água mais três vezes para misturar.
Gire a válvula da tampa do porta-água para a posição “ON” e despeje aproximadamente um terço (1,3 L) da solução de mostarda diluída dentro do quadrat, concentrando-se no centro da área do quadrat. Se o solo ficar saturado e as piscinas de solução, pare de derramar e espere até que a solução agrupada se infiltre no solo antes de continuar a derramar.
Observe a área do quadrat de perto para a aparência da minhoca por cinco minutos, incluindo a área diretamente sob os lados do quadrat.
Use fórceps para coletar todas as minhocas que aparecem na área do quadrate, esperando que os vermes emerjam completamente do solo antes de transferir para o primeiro copo de amostra. Após cinco minutos, tampa o copo de amostra e proceda para o próximo local de amostragem.
Repetir etapas de coleta para todos os locais de amostragem, com três réplicas por local de coleta (6 réplicas no total)

3. Comparando a densidade populacional da minhoca entre os locais de coleta

Conte o número de minhocas coletadas para cada amostra e calcule a média e o desvio padrão para cada local de coleta.
Para comparar as densidades da minhoca entre os locais de coleta, crie um gráfico de barras a partir dos meios e use os desvios padrão para criar barras de erro no gráfico.

O monitoramento das populações de minhocas é vital para os cientistas ambientais, já que minhocas exóticas invasoras podem ser encontradas em quase todos os ecossistemas do planeta. A invasão ecológica tipicamente reduz a biodiversidade de um ecossistema, superando diretamente, colocando em risco ou contribuindo para a extirpação, ou extinção local, de espécies nativas.

A espécie Lumbricus terrestris da minhoca europeia, também chamada de nightcrawler, é extremamente comum na América do Norte, mas não é nativa. Como resultado, extirpou muito espécies nativas de minhocas. Lumbricus terrestris altera o ciclo de nutrientes através da decomposição da matéria orgânica nas camadas superiores do solo, onde as raízes vegetais mineram nutrientes, alterando assim a estrutura da camada do solo. Além disso, a camada de detritos orgânicos, contendo grande parte do material em decomposição que fornece nutrientes, está completamente perdida.

Esses vermes invasores também aumentam a concentração de nitrogênio disponível em solos invadidos. Por sua vez, as camadas de solo em mudança e altos níveis de nitrogênio tornam o solo mais hospitaleiro para espécies vegetais invasoras, como o Buckthorn europeu, que são mais adaptados a altos níveis de nitrogênio em comparação com espécies vegetais nativas. Este fenômeno é conhecido como “colapso invasal”.

O colapso invasal resultante da invasão da minhoca europeia e de plantas exóticas como o espinheiro europeu é uma preocupação fundamental porque está diminuindo drasticamente a diversidade da vida vegetal florestal na América do Norte.

Este vídeo demonstrará o monitoramento de minhocas europeias em várias áreas do parque, a fim de avaliar sua vulnerabilidade para a invasão de espinheiro.

Para determinar as populações de minhocas em áreas invadidas, os vermes são extraídos diretamente do solo usando uma solução de capsaicina.

Neste experimento, a capsaicina é extraída de mostarda picante e derramada diretamente no solo em uma área definida por um quadrado pré-tamanho, ou quadrat. Em seguida, penetra através da matriz do solo para onde as minhocas residem.

A solução de capsaicina causa irritação nas membranas mucosas na minhoca. As minhocas reagem à irritação movendo-se para a superfície do solo para escapar da solução de capsaicina. Após o surgimento, as minhocas são coletadas e a densidade populacional analisada.

O experimento seguinte demonstrará a extração de minhocas do solo e sua análise populacional.

Primeiro, prepare a solução de capsaicina com pelo menos 24h de antecedência, pesando 38 g de mostarda quente oriental moída, e transferindo-a para um recipiente de plástico com uma tampa. Adicione 100 mL de água da torneira ao recipiente plástico contendo mostarda. Fixar uma tampa no recipiente e agitar vigorosamente até que toda a mostarda seja dissolvida na água.

Deixe a solução sentar-se por 24 horas para extração máxima de capsaicina da mostarda. Quando a extração de capsaicina estiver completa, diluir a solução de mostarda com 4 L de água em um porta-água 8-L. Agite a solução de mostarda várias vezes para misturar e transfira para o porta-água. Enxágüe qualquer mostarda residual usando a solução diluída.

Sele a tampa do porta-água e certifique-se de que a válvula esteja na posição “OFF”. Inverta o carregador de água três vezes para misturar uniformemente. Prepare um recipiente de solução de capsaicina para cada local de teste.

Prossiga para o local de amostragem com um quadrat e o porta-água contendo solução de mostarda diluída. Traga também três copos de amostragem por local. Eles devem ser rotulados adequadamente para três réplicas por local de amostragem.

Coloque o quadrat aleatoriamente no chão em um local limpo. Limpe o pincel, as folhas e o mulch o máximo possível para expor claramente o solo. Misture novamente a solução diluída e, em seguida, mude a válvula da tampa para a posição ON.

Despeje aproximadamente um terço da solução de mostarda diluída dentro do quadrat, concentrando a maior parte do líquido no centro da área do quadrat. Se o solo ficar saturado e formar piscinas, pare de derramar e espere até que a solução em conjunto se infiltre no solo antes de continuar.

Observe a área do quadrat de perto por 5 minutos, procurando a aparência de minhoca. Certifique-se de olhar diretamente sob as laterais do quadrat.

Aguarde que todas as minhocas saiam do solo dentro da área do quadrat, e depois as colete com fórceps. Após 5 minutos, feche o copo de amostra e prossiga para o próximo local de amostragem.

Repita as etapas de coleta para todos os locais de amostragem. Retorne a cada site e realize 3 réplicas por site. Conte o número de minhocas coletadas para cada amostra e, em seguida, calcule a média e o desvio padrão para cada local de coleta.

Crie um gráfico de barras para comparar as densidades médias da população de minhocas entre os locais de coleta. Use o desvio padrão para criar as barras de erro. O local um é um parque gerenciado e, portanto, é mais hospitaleiro para as populações de minhocas devido a distúrbios como aeração e fertilizantes. O local dois não é gerenciado e, portanto, é menos hospitaleiro para as populações de minhocas.

Minhocas exóticas e espinheiro europeu foram implicados como parte de um “colapso invasal” ocorrido, especialmente no centro-oeste dos Estados Unidos. O rastreamento das populações de minhocas pode ajudar a elucidar as relações entre as duas espécies invasões e permitir que os pesquisadores desenvolvam métodos para evitar a disseminação.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à extração e análise das populações de minhocas. Agora você deve entender os princípios da extração de minhocas do solo, e a comparação entre os locais de amostragem. Obrigado por assistir!

Results

O local de amostragem 1 era um parque gerenciado, que vê distúrbios significativos, como aeração e fertilizantes. O local de amostragem 2 era uma área não gerenciado, que não vê interferências humanas. Como mostrado na Figura 1, o local 1 tem maior densidade de populações de minhocas, provavelmente devido ao aumento da hospitalidade devido a distúrbios humanos. No entanto, o local 1 também tem maior variabilidade de amostragem, indicando que a população de minhocas pode não ser tão consistentemente densa quanto a média sugere.

Figura 1. Gráfico de barras exibindo resultados populacionais de cada local de coleta.

Applications and Summary

Espécies invasoras são uma grande ameaça à biodiversidade. Minhocas exóticas (por exemplo: Lumbricus terrestris) e espinheiro europeu(Rhamnus cathartica)foram implicadas como parte de um “colapso invasional” ocorrido em comunidades arborizadas no centro-oeste dos Estados Unidos. Um colapso invasal é o processo onde uma invasão de uma espécie facilita a invasão de outras. Assim, a taxa de perda de saúde ecológica pode acelerar muito à medida que uma espécie invasora abre caminho para outras. Como as populações de Rhamnus indesejáveis representam atualmente mais de 90% da cobertura vegetativa em Illinois, o papel das populações de Lumbricus na gestão da paisagem tornou-se fundamental para entender e prever a invasão de Rhamnus em terras gerenciadas. A perturbação paisagística tende a facilitar a invasão e amostragem de Lumbricus para populações de Lumbricus pode ser um indicador de vulnerabilidade das áreas terrestres para provável invasão. Comparar amostras de populações de Lumbricus pode ajudar a gestão da terra a saber onde métodos mais intensivos são necessários para manter a diversidade vegetal pretendida e evitar a invasão de Rhamnus.

References

Belote, R.T., Jones, R.H. Tree leaf litter composition and nonnative earthworms influence plant invasion in experimental forest floor mesocosms. Biological Invasions. 11, 1045-1052 (2009).
Costello, D.M., Lamberti, G.A. Non-native earthworms in riparian soils increase nitrogen flux into adjacent aquatic ecosystems. Oecologia. 158, 499-510 (2008).
Nuzzo, V.A., Maerz, J.C., Blossey, B. Earthworm invasion as the driving force behind plant invasion and community change in northeastern north American forests. Conserve Biol.23, 4. 966-974 (2009).

Transcript

The monitoring of earthworm populations is vital to environmental scientists, as invasive exotic earthworms can be found in nearly every ecosystem on the planet. Ecological invasion typically lowers biodiversity of an ecosystem by directly outcompeting, endangering, or contributing to the extirpation, or local extinction, of native species.

The Lumbricus terrestris species of European earthworm, also called the nightcrawler, is extremely common in North America, but is not native. As a result, it has greatly extirpated native earthworm species. Lumbricus terrestris alters the cycling of nutrients through decomposition of organic matter in the upper layers of soil, where plant roots mine for nutrients, thereby changing the soil layer structure. In addition, the organic debris layer, containing much of the decomposing material that provides nutrients, is completely lost.

These invasive worms also increase the available nitrogen concentration in invaded soils. In turn, the changing soil layers and high levels of nitrogen make the soil more hospitable to invasive plant species, such as the European Buckthorn, which are more adapted to high levels of nitrogen as compared to native plant species. This phenomenon is known as “invasional meltdown.”

The invasional meltdown resulting from invasion of the European earthworm and exotic plants like the European buckthorn is of key concern because it is dramatically decreasing the diversity of forest plant life in North America.

This video will demonstrate the monitoring of European earthworms in various park areas in order to assess their vulnerability for buckthorn invasion.

To determine earthworm populations in invaded areas, worms are directly extracted from soil using a capsaicin solution.

In this experiment, capsaicin is extracted from spicy mustard and poured directly onto the soil in an area defined by a pre-sized square, or quadrat. It then penetrates through the soil matrix to where the earthworms reside.

The capsaicin solution causes irritation to mucous membranes in the earthworm. Earthworms react to the irritation by moving to the soil surface to escape the capsaicin solution. After surfacing, earthworms are collected and the population density analyzed.

The following experiment will demonstrate the extraction of earthworms from soil, and their population analysis.

First, prepare the capsaicin solution at least 24 h in advance by weighing 38 g of ground oriental hot mustard, and transferring it to a plastic container with a cap. Add 100 mL of tap water to the plastic container containing mustard. Secure a cap on the container, and shake vigorously until all of the mustard is dissolved in the water.

Let the solution sit for 24 h for maximum capsaicin extraction from the mustard. When the capsaicin extraction is complete, dilute the mustard solution with 4 L of water in an 8-L water carrier. Shake the mustard solution several times to mix, and transfer it into the water carrier. Rinse any residual mustard using the diluted solution.

Seal the water carrier cap, and ensure that the valve is in the “OFF” position. Invert the water carrier three times to mix evenly. Prepare one container of capsaicin solution for each testing site.

Proceed to the sampling site with a quadrat and the water carrier containing diluted mustard solution. Also bring three sampling cups per site. They should be labeled appropriately for three replicates per sampling site.

Place the quadrat randomly on the ground in a cleared spot. Clear away the brush, leaves, and mulch as much as possible to clearly expose the soil. Mix the dilute solution again, and then switch the cap valve to the ON position.

Pour approximately a third of the diluted mustard solution within the quadrat, concentrating the majority of the liquid at the center of the quadrat area. If the soil becomes saturated and forms pools, stop pouring, and wait until pooled solution infiltrates the soil before continuing.

Observe the quadrat area closely for 5 minutes, looking for earthworm appearance. Be sure to look directly under the sides of the quadrat.

Wait for all earthworms to emerge from the soil within the quadrat area, and then collect them with forceps. After 5 minutes, close the sample cup and proceed to the next sampling site.

Repeat the collection steps for all sampling sites. Return to each site and perform 3 replicates per site. Count the number of earthworms collected for each sample, and then calculate the mean and standard deviation for each collection site.

Create a bar graph to compare the average earthworm population densities between collection sites. Use the standard deviation to create the error bars. Site one is a managed park, and is therefore more hospitable to earthworm populations due to disturbances such as aeration and fertilizers. Site two is unmanaged, and is therefore less hospitable to earthworm populations.

Exotic earthworms and European buckthorn have been implicated as part of an “invasional meltdown” occurring, especially in the mid-western United States. Tracking earthworm populations can help to elucidate relationships between the two invasional species and enable researchers to develop methods to prevent further spreading.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the extraction and analysis of earthworm populations. You should now understand the principles of earthworm extraction from soil, and the comparison between sampling sites. Thanks for watching!

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