BtM, um Datalogger aberto de baixo custo para estimar o teor de água de criptógamas Nonvascular
25 de março de 2019
Apresentamos um método simples e de baixo custo para construir um datalogger aberto que mede a condutância de criptógamas nonvascular juntamente com a temperatura ambiental e umidade. Descrevemos o projeto de hardware do datalogger e fornecer instruções de montagem passo a passo, a lista de software de registro necessária do código-fonte aberto, o código para executar o datalogger e um protocolo de calibração.
Os criptogams não-culares são cruciais para várias funções ecossistêmicas. Por exemplo, eles são responsáveis por quase 50% do nitrogênio biologicamente fixo. Projetamos um datalogger para responder a questões no campo da ecologia criptogêmica.
Os métodos estão medindo in situ o período em que esses organismos permanecem hidratados, relacionando a atividade de bryophyte com condições ambientais. A principal vantagem dessa técnica é que ela é um datalogger de baixo custo, de código aberto e fácil de montar, que pode ser construído sem conhecimento técnico. O método pode ser aplicado a uma ampla gama de ecossistemas e organismos modelo, desde biocrust em terras secas até pântanos de turfa em regiões boreais.
Prepare um ferro de solda e um carretel de arame. Espere o ferro de soldar para aquecer, e umedeça a esponja de limpeza. Corte as tiras de cabeçalho do pino ao comprimento desejado para o sensor de temperatura e umidade, microcontrolador e módulos de fuga rtc e microSD.
Para soldar as tiras de cabeçalho do pino nas tomadas, pré-aqueça a junta desejada com a ponta do ferro de solda. Em seguida, aplique uma pequena quantidade de material do fio da solda, o suficiente para encher a junção. Por fim, retire o ferro de solda e espere a junção esfriar.
Usando a mesma técnica, comece a montar os componentes na placa de circuito impresso. Primeiro, solde os resistores. Em seguida, solde as tomadas para os amplificadores operacionais, o sensor SHT7x e os módulos de saída do relógio RTC e microSD.
Em seguida, solde os dois transistores. A placa também precisa ser soldada agora, usando cabeçalhos de pinos. Finalmente, solde os conectores para a placa.
Agora, solde o sensor de temperatura de umidade SHT7x em um cabeçalho de pino ou cabo de extensão para reforçar os cabos. Prepare um multimímetro no modo de teste de continuidade ou condutividade. Use o multimetro para verificar se não há curtos-circuitos entre nenhum dos pinos ou conexões.
Verifique novamente os terminais positivos e negativos da fonte de alimentação. Além disso, verifique se cada junta de solda cria uma conexão estável entre os pinos componentes e as faixas de cobre do circuito. Para conectar os terminais da bateria e os clipes de cabo à placa, use qualquer ferramenta de corte para retirar aproximadamente quatro milímetros de cada extremidade do fio, expondo o núcleo condutor.
Em seguida, introduza cada cabo no terminal apropriado e aperte o parafuso com a chave de fenda. Certifique-se e verifique duas vezes a polaridade correta dos cabos, especialmente os da fonte de alimentação. Teste a força da conexão puxando ligeiramente os cabos, verificando se tudo está firmemente conectado.
Para reduzir ainda mais o consumo de energia, remova o LED de alimentação da placa de microcontrolador, dessolderando ou cortando o diodo LED da placa. Por fim, monte a placa BtM em um gabinete à prova de tempo para manter a umidade longe dos eletrônicos. Monte o sensor de temperatura de umidade fora da caixa, deixando-o conectado à placa BtM.
Encaminhe os oito pares de clipes de crocodilo necessários para medições de condução para o exterior do gabinete à prova de intemperidade. Por último, corte cada fio de musgo com os clipes de crocodilo. Para garantir que as amostras estejam secas, realize a calibração ao meio-dia, em um dia com baixa umidade do ar e precedido por pelo menos um, e preferencialmente dois dias secos.
Selecione uma comunidade de musgo ou líquen saudável e bem estruturada. Conecte o datalogger ao musgo ou líquen colocando os clipes de crocodilo em uma posição central das comunidades nos casos de bryophytes, líquens fruticose e líquens foliose. Para líquens fruticose, conecte os clipes no thallus.
Para musgos, conecte os clipes diretamente na haste de um indivíduo. No caso de líquens foliose, coloque os clipes na borda do thallus. Mantenha uma distância mínima de aproximadamente cinco milímetros entre os eletrodos.
Certifique-se de que os clipes não são facilmente separados antes de iniciar as medições. Inicie as medições ligando o datalogger e deixe a placa BtM funcionando por aproximadamente três minutos para estabilizar os valores registrados. Realize um teste de pré-calibração para estimar a quantidade de água necessária em cada evento de rega.
Conecte os clipes à amostra. Em seguida, adicione água até que a conduance atinja um valor que não aumente com a adição de mais água. Este é o valor máximo de condução dessa amostra e será usado para estabelecer as etapas de rega da calibração.
Aguarde até que as medidas de condução retornem aos valores iniciais. Use um pequeno spray para umedecer as amostras com uma quantidade de água equivalente a 1/10 da quantidade predeterminada de água necessária para alcançar a máxima condução da amostra. Aguarde até que o musgo ou líquen absorva totalmente a água e as medidas de condução estejam estáveis antes de regar novamente.
Repita até que a conduance atinja o valor máximo e o musgo ou líquen esteja totalmente hidratado. Cada teste de calibração deve levar cerca de 15 minutos, dependendo do intervalo entre as regas, que deve ser de um a dois minutos. Depois de terminar a calibração, pegue o cartão microSD da placa BtM e copie o arquivo de dados para um computador.
Mostrado aqui, é uma figura que retrata a evolução das medidas de condução durante a fase de calibração. As curvas de dessecação do aureum homalothecium e do cóparium dicranum revelam variabilidade entre as amostras da mesma espécie. A variabilidade intra e interespécie encontrada foi bastante grande e pode ser atribuída a diferenças na biomassa e morfologia de cada caule.
Devido à sua facilidade de montagem, este dispositivo supera as restrições técnicas de projetar e construir um datalogger, possibilitando o estabelecimento de redes de monitoramento de médio e longo prazo. Essa técnica abre caminho para pesquisadores de biogeografia e ecofisiologia explorarem quando, como e por que criptogams vasculares conhecidos, como líquens ou musgos, estão crescendo em diferentes regiões e em diferentes gradientes ambientais. Além disso, essa técnica pode ajudar a entender os fatores de sucesso de uma espécie ou indivíduos dentro de comunidades ecológicas ou estabelecer o que determina a prestação de serviços ecossistêmicos por esses organismos-chave.
Visão Geral
Este artigo apresenta um datalogger de baixo custo e de código aberto projetado para medir a condutância de criptógamos não vasculares juntamente com as condições ambientais. O datalogger facilita a pesquisa em ecologia de criptógamos ao permitir medições in situ dos períodos de hidratação e da atividade do organismo.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Ecologia
- Ciência Ambiental
- Biotecnologia
Antecedentes
- Os criptógamos não vasculares desempenham um papel vital nas funções dos ecossistemas, incluindo a fixação de nitrogênio.
- Compreender sua hidratação e atividade em relação às condições ambientais é essencial para estudos ecológicos.
- Os métodos existentes para medir esses parâmetros podem ser complexos e onerosos.
- Este estudo apresenta uma alternativa mais simples para os pesquisadores.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um datalogger de baixo custo e de fácil montagem para medir a condutância de criptógamos.
- Fornecer um método para pesquisadores monitorarem os impactos ambientais em plantas não vasculares.
- Facilitar estudos ecológicos de longo prazo em diversos ecossistemas.
Métodos Utilizados
- São fornecidas instruções de projeto e montagem para o registrador de dados.
- Os protocolos de calibração para medição de condutância são detalhados.
- As condições ambientais, como temperatura e umidade, são monitoradas.
- A coleta de dados é realizada utilizando um software livre de registro.
Resultados Principais
- O datalogger mede com sucesso a condutância de amostras de musgos e líquenes.
- Testes de calibração revelam variabilidade na condutância entre diferentes espécies.
- O dispositivo permite o estabelecimento de redes de monitoramento em diversos ecossistemas.
- Os resultados indicam o potencial para aplicações mais amplas em biogeografia e ecofisiologia.
Conclusões
- Este datalogger de código aberto supera barreiras técnicas para pesquisadores.
- Ele permite o monitoramento eficaz de criptógamos em diversos ambientes.
- O método contribui para a compreensão da dinâmica ecológica e do sucesso das espécies.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este datalogger de código aberto permite o monitoramento de baixo custo e escalável da dinâmica de hidratação de criptógamos não vasculares, apoiando pesquisas ecológicas que informam a modelagem biogeoquímica e a avaliação de riscos ambientais. Ao fornecer medições quantitativas de condutância associadas às condições ambientais, a ferramenta aumenta a confiança preditiva em estudos de função de ecossistemas relevantes para o ciclo do carbono e do nitrogênio. Sua acessibilidade facilita a ampla adoção em ambientes de pesquisa acadêmica e aplicada, promovendo a coleta padronizada de dados para monitoramento ecológico longitudinal.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biofármacos
Descoberta Inicial e Validação de Alvos
- Valor Científico: Permite a investigação das interações organismo-ambiente em sistemas poiquilohídricos, apoiando testes de hipóteses sobre limiares de ativação metabólica.
- Valor Operacional: Fornece medições reprodutíveis de condutância em múltiplas amostras sob protocolos controlados de hidratação, reduzindo a variabilidade em triagens biológicas de estágios iniciais.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera saídas quantitativas de condutância com resolução temporal que servem como biomarcadores indiretos do estado de hidratação e da atividade metabólica em criptógamos.
- Valor Operacional: Apoia a padronização de ensaios por meio de ciclos calibrados de hidratação-desidratação e diretrizes definidas para o posicionamento dos eletrodos, melhorando a comparabilidade entre laboratórios.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Permite a modelagem de sistemas relevantes para doenças ao vincular padrões de hidratação de criptógamos aos fatores climáticos locais, apoiando a extrapolação para funções em escala de ecossistema.
- Valor Operacional: Facilita a continuidade do descobrimento à validação por meio de registros de dados exportáveis em cartões microSD e software de código aberto, permitindo o monitoramento longitudinal ao longo de gradientes ambientais.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra aos fluxos de trabalho de descoberta ao fornecer fenotipagem padronizada do estado de hidratação que precede esforços de triagem mecanicista ou de compostos em biologia ambiental.
- Biologia Experimental: Apoia a verificação de hipóteses sobre ativação metabólica dependente de água em organismos não vasculares por meio de rastreamento preciso e longitudinal da condutância.
- Triagem: Permite a preparação do ensaio por meio de etapas calibradas de hidratação e medições estáveis de linha de base, possibilitando comparação confiável das respostas biológicas entre diferentes condições.
- Análises: Fornece fluxos quantitativos de dados de condutância, temperatura e umidade, permitindo análises de correlação e regras de decisão baseadas em limiares.
- Pesquisa Translacional: Relaciona respostas de hidratação em laboratório com gradientes ambientais relevantes no campo, apoiando a extrapolação de descobertas laboratoriais para habitats naturais.
- Reutilização Empresarial: Projetada como uma plataforma modular e de código aberto, implantável em diversos ecossistemas e tipos de amostras, promovendo padronização entre projetos e redução de custos de desenvolvimento.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Melhora a confiança no alvo ao reduzir a ambiguidade mecanicista em processos biológicos dependentes de água por meio da medição direta e in loco da dinâmica de hidratação.
- Valor Operacional: Aumenta a reprodutibilidade e a escalabilidade por meio do design aberto de hardware, protocolo detalhado de montagem e capacidade de amostragem simultânea em múltiplos canais.
- Valor Estratégico: Orienta decisões de prosseguir ou não em modelagens ecológicas ao fornecer limiares empíricos de hidratação que reduzem a incerteza na previsão da atividade de organismos e na prestação de serviços ecossistêmicos.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de iniciativas de pesquisa ao quantificar a sensibilidade ambiental de espécies bioindicadoras-chave ao longo de gradientes geográficos e climáticos.
Considerações sobre a Implementação
- Exige habilidades básicas de montagem eletrônica, incluindo soldagem, descarnamento de fios e teste de continuidade com multímetro.
- Depende do acesso a ferro de solda, multímetro, chave de fenda e invólucro resistente às intempéries para implantação em campo.
- Necessita padronização dos protocolos de posicionamento e hidratação dos eletrodos entre as equipes, para garantir a comparabilidade dos dados.
- A adaptação a diferentes morfologias de criptógamos (por exemplo, líquenes fruticosos versus foliosos) exige ajustes na posição das pinças, mantendo o espaçamento mínimo entre eletrodos.
- Limita-se a proxies de hidratação baseados em condutância; não mede diretamente a atividade fisiológica, exigindo correlação com ensaios complementares para compreensão mecanicista.
