Методическая статья

BtM, открытым исходным кодом измерители лоу кост оценить содержание воды Nonvascular Cryptogams

9.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58700

⸱

25 марта 2019 г.

 ,  ,  ,  , 
1Real Jardín Botánico (CSIC-RJB), 2Grupo de Neurocomputación Biológica, Dpto. de Ingeniería Informática, Escuela Politécnica Superior, Universidad Autónoma de Madrid, 3Department of Biogeography and Global Change, Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN-CSIC), 4Centre for Ecology, Evolution and Environmental Changes (cE3c), Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 5Department of Botany, Faculty of Science, University of South Bohemia

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

Мы представляем простой и экономически эффективный метод для построения измерители открытым исходным кодом, который измеряет проводимость nonvascular cryptogams вместе с окружающей температуры и влажности. Мы опишем аппаратного обеспечения регистратор и предоставляют пошаговые инструкции по монтажу, список требуемых открытым исходным кодом регистрации программного обеспечения, код для запуска регистратор и протокол калибровки.

Аннотация

Общины nonvascular cryptogams, например, мхи и лишайники, являются важной частью биологического разнообразия Земли, способствуют регуляции углерода и азота циклов во многих экосистемах. Будучи poikilohydric организмов, они активно не контролировать содержание их внутренние воды и нужно влажной среде для того чтобы активировать их метаболизма. Таким образом изучение водных отношений nonvascular cryptogams имеет решающее значение для понимания их разнообразие моделей и их функции в экосистемах. Мы представляем BtM измерители, лоу кост открытым исходным кодом платформы для изучения содержание воды nonvascular cryptogams. Регистратор предназначен для измерения температуры окружающей среды, влажности и проводимости от до восьми образцов одновременно. Мы предлагаем дизайн печатной платы (PCB), подробный протокол для сборки компоненты и требуется исходный код. Все это делает Ассамблея BtM измерители доступными для любой исследовательской группы, даже для тех, кто без предыдущих специальных знаний. Таким образом дизайн, представленные здесь имеет потенциал, чтобы помочь популяризации использования этого типа устройств среди поля биологов и экологов.

Введение

Общины nonvascular cryptogams являются повсеместно и часто пренебрегают частью экосистемы суши1. Они состоят из совокупности весьма различных мелких организмов, среди которых лишайники и бриофиты являются выдающиеся первичных производителей. Эти две группы организмов разделяют физиологическая особенность, что делает их уникальными: poikilohydry, или неспособность активно контролировать содержание их внутренние воды. Это имеет серьезные последствия для их физиологических процессов поскольку метаболизм прекращается, когда клетки являются высохла в ответ на низкий уровень влажности и возобновляется, когда окружающей среде влажных снова2. Как следствие nonvascular cryptogams избежать засухи вместо того, чтобы справиться с ним2, что позволяет этим общинам выжить в широком диапазоне сред от холодной и горячей пустыни в тропиках3,4.

Кроме того они также показывают относительно простой структуры и низкой потребности в питательных веществах. Эти характеристики делают их весьма чувствительны к микроклиматических условий. В самом деле nonvascular cryptogams часто занимают нишу пространства, которая недоступна для сосудистых растений большего размера, образуя экосистем в миниатюре, которые являются важной частью разнообразия в мире. Бриофитов и лишайники только включают почти 40 000 видов (около 20 000 мохообразных sensu lato5,6 и около 20000 лишайники и7). Кроме того их вклад биоразнообразия земли даже больше, поскольку их общины предлагают жилье для огромного числа видов грибов, в том числе разнообразной флорой Свободноживущие и микоризных грибов, N-фиксирующий синезеленых водорослей, растущих как эпифиты и множество микро беспозвоночных, таких как тихоходок, ногохвостки, многоножек, насекомых и клещей, которые воспользоваться удержания воды в емкости и буферизации условий внутри эти миниатюрные экосистемы.

Общины-сосудистая cryptogams также способствуют регуляции биохимических циклов углерода. В сухом экосистем так называемый биологической почвы корки покрывают до 40% их поверхности8 и играть важную роль в качестве поглотителей углерода. Недавний обзор оценкам, что корки биологической почвы сухих средах может фиксации 7% всех углерода, установленные земной растительности. Кроме того в других экосистемах, где мохообразных, лишайников или сочетанием обоих являются основными производителями - как некоторые бореальных лесных систем или торфяников - они производят между 30% и 100% общей чистой первичной производительности10,11 . Они также важны в экосистемах, в которых эти организмы не являются доминирующими, как умеренные леса. Действительно, Лес Пол мохообразных имели ежегодный эквивалент поглощения углерода около 10% Лес Пол дыхания в Новой Зеландии умеренных тропических лесов. Кроме того они также являются важными для фиксации азота, поскольку цианобактерий, живущих как эпифиты в этих общинах могут фиксирующий почти 50% от суммы глобального биологического азота4.

Ввиду их физиологической активности зависимость наличие воды в окружающей среде как многообразие общин nonvascular cryptogam и их функций в экосистемах сильно зависит от содержания воды2. Обратите внимание, что, поскольку они не могут активно контролировать содержание воды в тканях, их роли в углеродного баланса и фиксации азота наряду с циклами увлажнения и высыхания и, таким образом, зависит от интервала и периодичность циклов сухой мокрый. Таким образом зная, что состояние содержание воды этих организмов в режиме реального времени является ключевым для понимания функций исполняет cryptogams в экосистемах.

Несмотря на свою важность, разработка методов для измерения воды содержание и физиологической активности в poikilohydric организмов был относительно медленным. В 1991 году Кокссон12 сделал первый подход непосредственно измерить содержание воды лишайников. После этого существует разрыв в такого рода исследования до недавнего развития, когда несколько работ предоставляют методы для оценки показателей физиологического состояния nonvascular cryptogams13,14,15, 16. Тем не менее такие знания еще дефицитных и разбросаны, и эти работы главным образом сосредоточены на почве корки4,8. Однако лишайники и бриофиты также играть соответствующую роль в многих других экосистем, особенно в умеренных и бореальных полярных регионах1, и их важность имеет важное значение не только в общинах почвы но и эпифитные общин, растущих на деревья и saxicolous общин на скалах. Это отсутствие исследований частично связан с отсутствие Логеры коммерчески доступных измерений, который заставляет исследовательские группы, чтобы построить свое собственное оборудование. Разработка регистратор требует специфических знаний, что большинство экологов не имеют, поэтому она значительно увеличивает стоимость реализации относительно большой измерительных сетей для получения репрезентативных данных о выполнении nonvascular cryptogams вдоль экологической и Хабитат градиентов.

В этой статье мы представляем простой и экономически эффективный метод для построения измерители, способный измерять проводимость nonvascular cryptogamic организмов одновременно с температуре и влажности. Он запрограммирован для записи автономно для относительно длительного периода времени (до двух месяцев) и достаточно прочный, чтобы выдержать суровые открытый полевых условиях. Благодаря своей простоте она будет полезным инструментом для экологов и биологи поля без специализированной подготовки в развитии Логеры или этих исследовательских групп, которые не имеют специальных сотрудников. Таким образом этот регистратор имеет потенциал, чтобы помочь популяризации использования этого типа устройств.

Мы разработали малой мощности и низкой стоимости измерители, возможность измерения проводимости от до восьми различных источников и одновременно записывать окружающей температуры и относительной влажности воздуха. Прибор разработан после Кокссон в дизайн12 и реализована на платформе открытым исходным кодом (Таблица материалов). Цель была простота сборки и энергоэффективность и содействия поддержанию долгосрочных установок. Дизайн является производным от статьи17 Открытым исходным здание науки датчики (OSBSS). Эта конструкция была изменена путем включения дополнительных схем зачитать сопротивление cryptogams и сделать ее более компактной и проще в изготовлении.

В результате BtM (плата Bryolichen температуры влажности), открытым исходным кодом печатной платы18. Каждый Совет управляется микроконтроллером высокой энергоэффективности (Таблица материалов). Окружающей температуры и относительной влажности воздуха данные собираются через датчик температуры и влажности, что приходит precalibrated и, помимо его низкое потребление энергии, имеет адекватного цена-качество.

Комиссия использует цифровой протокол коммуникации (стандартный SPI последовательного) для управления циклом измерения. Часы реального времени (DS3234), установленный на каждом борту предоставляет точные сроки. Для того, чтобы сократить потребление энергии, процессор остается в режиме ожидания большую часть времени. Каждый раз данные должны быть собраны, часы реального времени активирует процессор и инициирует процесс ведения журнала. Часы реального времени используется также для точно записать дату и время каждого дела данных.

До восьми мох и лишайники образцы могут записываться параллельно с использованием одной плате BtM. При настройке эксперимента, два зонда электрода-крокодил, применяются к каждому образцу Мосс/лишайник. Затем используется делитель напряжения между электродами и резистор ссылку с известным значением (330 KΩ в данном случае). Это значение резистора был выбран путем калибровки и на основе предыдущих мер cryptogams. Она обеспечивает разрешение один порядок величины вокруг значение ссылки (100-1000 KΩ). Падение напряжения в буфер и затем читать с микроконтроллер использованием своих аналоговых портов (A0 - A7)18. Напряжение рассчитывается путем применения следующей формулы.

VI = (ADCi x VCC) / 1023

ADCi вот сырье значение из АЦП (аналого-цифровой преобразователь) канала я, VCC напряжение питания (3,3 в данном случае), и 1023 диапазон АЦП вывода. Затем результирующие напряжения Vi используется в сочетании с законом Ома для вычисления сопротивления (ри, Ω) и проводимости (G, S) каждого образца Мосс.

Ри = (VCC x RL) / Vi - RL

G = 1 / ри

Здесь RL значение ссылки на резистор (330 KΩ в данном случае). Микроконтроллер бортового программного обеспечения включает в себя все эти уравнения, поэтому он может напрямую зарегистрировать значения сопротивления и проводимости.

Совет также собирает измерения температуры окружающей среды и влажность с помощью датчиков. Затем каждая точка данных записывается в файл журнала на microSD-карты. MicroSD TransFlash прорыв Совет был смонтирован на каждом борту BtM для этой цели. Наконец microSD-карты могут быть вручную собраны после эксперимента. Все точки данных могут быть переданы на компьютер для дальнейшего анализа.

Протокол

1. Ассамблея регистратор

  1. Подготовьте паяльник и Катушка проволоки припоя. Подождите на Паяльники тепла и смачивают очистки губки.
  2. Вырезать полосы заголовка ПИН до нужной длины и паять их в гнезда для Датчик температуры и влажности, микроконтроллер и RTC часы и microSD прорыва модули.
    1. Паять, нагревать нужного соединения с кончике паяльника.
    2. Затем нанесите небольшое количество материала из проволоки припоя, достаточно заполнить до перекрестка.
    3. Наконец удалите паяльника и ждать перекрестка остыть.
  3. Сборка компонентов на печатной плате, используя ту же процедуру, как в шаге 1.2, после маркировки КСП и ссылок на компоненты, указанные в Таблице материалов (см. Рисунок 1 для схемы сборки).
    1. Во-первых пайки резисторов. Затем припой розетки для операционные усилители, SHT7X датчик и RTC часы и microSD прорыва модулей.
    2. Далее припой двух транзисторов. Совет также должен быть припаян сейчас, используя штекерные планки и гнезда. Наконец паять разъемы на плате.
  4. Припой датчик влажности и температуры SHT7X в контактный заголовка или расширение кабель для укрепления приводит.
  5. Подготовьте мультиметр в режиме тестирования непрерывности тестирования или проводимость. Используйте мультиметр для проверки, что есть нет коротких замыканий между любой из контактов или соединений.
    1. Цветоножку положительные и отрицательные клеммы питания питания. Кроме того убедитесь, что каждый припой совместных создает стабильную связь между компонент булавки и медных дорожек цепи.
      Примечание: Этот шаг является очень важным; не пропустить его.
  6. Подключите к плате с помощью отвертки клеммы аккумулятора и кабельные зажимы.
    1. Во-первых используйте любого режущего инструмента для Стрип ~ 4 мм от каждого конца провода, подвергая проводящих ядро. Далее ввести каждый кабель в соответствующий терминал и закрутите винт с крестовой отвертки.
    2. Обеспечения и цветоножку полярность кабелей, особенно мощности питания. Испытания на прочность соединения, потянув кабели слегка, проверяя, что все надежно подключен.
  7. Для дальнейшего снижения потребления электроэнергии, удалите индикатор питания микроконтроллера Совета распайки или срезая светодиод от платы.
  8. Наконец смонтируйте BtM плату в корпусе погодных держать влагу от электроники.
    1. Установите корпус с аккумуляторную батарею, подключив его к положительной и отрицательной клеммы. Смонтировать датчик влажности и температуры вне коробки, оставляя она подключена к плате BtM.
    2. Маршрут восьми пар зажимы крокодил, необходимые для измерения проводимости с внешним атмосферным воздействиям корпус. Последний, клип каждую прядь Мосс с зажимы крокодил.

2. Загрузка программного обеспечения

  1. Загрузите и установите интегрированной среде разработки (IDE) 1.0.6 от веб-сайта19. Используется микроконтроллер является открытым исходным кодом физической вычислительной платформы и он приходит с своей собственной IDE. Важно скачать надлежащей версии, так как есть проблемы совместимости с некоторыми из необходимых библиотек.
  2. Скачать все необходимые библиотеки из GitHub хранилище18: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat и Sensirion.
  3. Скачайте основной исходный код для регистратор с GitHub хранилище18.
  4. Откройте файл clock.ino, чтобы установить текущее время и дата. Измените параметры для этой функции RTC.setDateTime с текущее время и дату в следующем формате:

    RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); Дата: Дд/мм/гг чч

    Здесь, DD-день, MM-месяц, YY-год, чч час, мм — минуты, а сс — секунды.
  5. Тогда Загрузите программу будильник BtM Совету, подключить адаптер USB-последовательный (FTDI прорыв) программирования портов микроконтроллера и с помощью мини USB на USB кабель для подключения к компьютеру Совет. Наконец сначала нажмите проверить и, затем, загрузить в среде IDE.
  6. Откройте datalog проект в среде IDE и измените файл datalog.ino. Установите время начала для ведения журнала, редактирования следующие переменные:

    int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = мм

    Здесь DD — количество дней, hh начальный час измерений и мм минуту начала.
    Примечание: Код, чтобы задать определенное время должен выглядеть следующим образом:

    RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / Дата 01/12/17 12:00:00
  7. Задайте интервал между измерениями (в секундах) изменения значения переменной интервала.

3. Установка датчиков измерения

  1. Зажимы крокодил место в центральной позиции общин в случаях fruticose лишайников и бриофитов, молодняках лишайники (рис. 2). Для fruticose лишайников приложите клипы в слоевища и мхи, прямо на стволе индивидуума. В случае молодняках лишайники место клипы на границе слоевища.
  2. Соблюдать минимальное расстояние в ЦС. 5 мм между электродами. Убедитесь, что клипы не являются легко отсоединяется перед началом измерения.

4. Калибровка для измерения проводимости

  1. Чтобы гарантировать, что образцы являются сухие, калибровки в полдень, на день с низкой относительной влажности воздуха, предшествовать по крайней мере один и желательно два, сухие дни.
  2. Выберите сообщество мох и лишайники, что здоров и хорошо структурированной.
  3. Регистратор Мосс или подключиться лишайник, следуя инструкциям в разделе 3 настоящего Протокола.
  4. Начать измерения (поворот на регистратор) и оставить BtM Совет работает в течение примерно 3 минут для стабилизации записанные значения.
  5. Выполните precalibration тест, чтобы оценить количество воды, необходимой в каждом событии полива. Подключите зажимы к образцу и добавить воды до тех пор, пока проводимость достигает значения, которое не увеличивается с добавлением воды. Это значение Максимальная проводимость этого образца. Это значение будет использоваться для установления полива шаги калибровки (см. шаг 4.7.1).
  6. Подождите, пока меры проводимость вернуться к начальные значения (образцы сухой).
  7. Затем добавьте воду последовательно с небольших брызг.
    1. Смочите образцы с количеством воды равен 1/10 количество воды, необходимой для достижения максимальной проводимости (см. шаг 4.5) в образце.
    2. Подождите, пока мох и лишайники полностью поглощает воду и измерения проводимости стабильны до полива снова (~ 1 мин между каждого полива события).
    3. Повторяйте, пока проводимость достигает максимального значения (насыщенность) и мох и лишайники полностью увлажненной.
      Примечание: Каждый тест калибровки должна занять около 15 минут, в зависимости от интервала между поливами, которая должна быть 1-2 мин.
  8. После завершения калибровки, возьмите microSD-карты от платы BtM и скопировать файл данных на компьютер.
    Примечание: Текущего значения могут затем использоваться в качестве базового для экспериментов. Это также необходимо сделать этот шаг, чтобы убедиться, что соединение правильно регистрации проводимости образцов, как раз перед запуском фактической эксперимент.

5. Альтернативная калибровка для лабораторных экспериментов

  1. Полностью гидрата сообщества Мосс или лишайника пока наблюдается избыток внешние воды. Чтобы гарантировать, что сообщество полностью гидратированных, держите сообщество влажной за 30 мин.
  2. Регистратор Мосс или подключиться лишайник, следуя инструкциям в разделе 3 настоящего Протокола.
  3. Начать измерения и оставить BtM Совет работает в течение примерно 3 минут для стабилизации записанные значения.
  4. Подождите, пока проводимость достигает минимального значения (сушка) и мох и лишайники более не проводит электричество.
    Примечание: Каждый калибровки может продолжаться по крайней мере 1 h, но продолжительность высоко переменной в зависимости от вида. Измерения должны быть проведены, пока не будет достигнуто значение минимальная проводимость.

Результаты

Мы проанализировали изменения в проводимости в двух видов мхов, Dicranum мётловидный Утрехт. и Роб H. Homalothecium золотистая (ель). (Рис. 3), во время процесса калибровки в лабораторных условиях. Коврики двух мхов были продержали 24 h в силикагеле и помещены в искусственных субстрата (т.е., вата), держал их первоначальную структуру (рис. 2). Затем образцы были поливать 15 x 20 x с распылителем с интервалом 1 мин. Каждое событие полива состоит из около 0,1 мл воды. В обоих видов, высокую корреляцию между добавленной воды и проводимости образца (D. мётловидный rS = 0,88, p < 0,001; H. золотистая rs = 0,87, p < 0,001) было отмечено. Высокое увеличение проводимости (от 0% до 25% по крайней мере) просто в воде первой сложения и меры достигли их максимальную проводимость в 4 мл для D. мётловидный и 10 мл для H. золотистая. Важно заметить, что отношения между количество воды и проводимость логарифмической. Таким образом значения проводимости необходимо преобразовать иметь линейную связь между обе переменные, и их отношения должны быть смоделированы с помощью нелинейной регрессии.

Мы нашли некоторые изменчивости среди образцов (см. различные цвета фигур 3a и 3b), хотя все образцы, принадлежащих к одному роду обратил аналогичные кривой. Различия между образцами может объясняться различиями в биомассе и морфология патчей. Примеры в области очень вероятно, чтобы показать этот тип изменчивости, поэтому рекомендуется принимать ряд мер каждого типа сообщества. Не удивительно высокая изменчивость был обнаружен среди видов, так как вида различаются в нескольких основных черты (например, агрегирование коврики или морфологии). Для управления внутри - и межвидовые изменчивости, мы рекомендуем, калибровка каждого клипа до достижения значения максимальный проводимость и, затем, масштабирование результаты для каждого клипа, так что идти значения от 0 до 100. Рассмотрим, что абсолютной проводимости значения зависят от расстояния между клипов и базальной проводимости стебли, так значения, которые они предоставляют, не являются прямо сопоставимыми.

Количество воды в каждом полива событий процесса калибровки имеет решающее значение и будет сильно влиять на результаты. Здесь цель заключалась в том, чтобы иметь несколько полива события в пределах максимальной точности BtM. Мы представляем пример калибровочной кривой, когда слишком много воды добавляется в каждом шаге (рис. 4). Если образец overwatered в случае первого полива, увеличение проводимости не могут быть оценены и калибровка будет неточным. Это может привести к предвзятости в диапазоне, где активны nonvascular cryptogams, которые являются наиболее интересные измерений с BtM.

Мы также проанализировали усыхания кривой же двух видов (H. золотистая и D. мётловидный), предоставление альтернативных калибровки процедуры. Коврики двух мхов были поливать всю ночь чтобы убедиться, что они были полностью насыщенным. Затем представитель стволовых каждого мат был извлечены и помещены в стабильной, контролируемой среде и проводимость была записана непрерывно. Что касается других мер калибровки значения проводимости необходимо преобразовать иметь линейную связь между обе переменные, и их отношения должны быть смоделированы с помощью нелинейной регрессии.

Цифры-5А и 5b показать кривые dessication H. золотистая и D. мётловидный изменчивости среди образцов того же вида. Интра - и межвидовые изменчивость нашли были довольно большими и, как и другие процедуры калибровки, может объясняться различиями в биомассе и морфология каждого стебля. Для контроля за него, рекомендуется выполнять по крайней мере три измерения каждого вида. Значения абсолютной проводимости не являются прямо сопоставимыми в этой процедуре калибровки, поскольку они также зависят от расстояния между клипов и базальной проводимости стебли.

Мы представляем пример поля данных после того, как произошло событие дождь между 23-26 июня 2014 года. Мы показываем ежедневные изменения доли проводимости(рис. 6), относительная влажность воздуха (рис. 6b) и осадков (рис. 6c) для одного вида мха (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Вебер & D. Mohr). Существует сильная взаимосвязь между проводимость Мосс, осадков и относительная влажность воздуха. Период анализа были две вершины в проводимости и влажности вследствие двух осадков. Первый из них произошел незадолго до полуночи 23 июня и второй после полудня 24 июня. Около 8 ч после первого дождя событий, мы наблюдали снижение относительной влажности воздуха, а затем внезапное падение в проводимости мох, который опускается ниже 25%. Второе событие дождь был меньше и, следовательно, производится меньше пик проводимости. После этого события дождь мох не высыхает сразу, но остался гидратированных, а влажность была выше 75%.

figure-results-1
Рисунок 1 : Ассамблея схема измерители BtM. Схема включает в себя картину БТМ Совета и размещение каждого компонента на доске. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-2
Рисунок 2 : Правильное размещение клипов в Мосс (Homalothecium золотистая). Изображение показывает, как поместить клипы сохранить минимальное расстояние между клипами без повреждения мохообразных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3 : Ответ проводимости воды добавление. Эти панели показывают ответ проводимости воды сложения в () мётловидный Dicranum и (b) золотистая ч. Цвета показывают различные реплицирует. В среднем лог трансформированных проводимости в интервале между 10 и 30 секунд после полива события являются точки данных. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение данных в этом интервале. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4 : Ответ журнала трансформированных проводимости в добавление воды в D. мётловидный когда количество добавленной воды является слишком большой, чтобы позволить калибровки. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение данных в этом интервале. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-5
Рисунок 5 : Сушка кривых. Эти панели показывают усыхания кривые () D. мётловидный и (b) H. золотистая. Точки данных являются в среднем лог трансформированных проводимости измеряется каждые 30 s. черные точки шоу, который реплицирует среднее трех и погрешностей представляют собой стандартное отклонение данных в этом интервале. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-6
Рисунок 6 : Ежедневные изменения в Мосс проводимости (Syntrichia Руралиs), осадков и относительная влажность. Меры были приняты в общинах почвы Cantoblanco, кампус Universidad Autónoma de Мадрид, Испания. Проводимость и относительной влажности воздуха были измерены с BtM прототип, в то время как осадки данные поступают из Погодные станции, размещены в нескольких метров от места измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Дата/времяTemp(C)RH(%)Conductance(KMho)
11/03/18 12:0026.666,6139.53
11/03/18 12:0026.666.4167.92
11/03/18 12:0026.866.4199.14
11/03/18 12:0026.966.4212.75
11/03/18 12:0026.666,6217.15
11/03/18 12:0126.966,7218.93
11/03/18 12:012766,8139.53
11/03/18 12:0127.166,9164.28
11/03/18 12:0127.167,3194.21
11/03/18 12:0127,367,3209.28

Таблица 1: Пример вывода BtM.

Обсуждение

Насколько нам известно это впервые была разработана измерители для измерения температуры, влажности и проводимость одновременно как прокси содержания воды poikilohydric организмов основано на платформе открытого доступа. BtM измерители легко построить и экономически, а также обеспечивает высокое качество измерения влажности воздуха, температуры и импеданс данных, с использованием минимальной мощности.

Простая сборка является одним из главных преимуществ этого регистратора. Как это проект с открытым кодом, мы предоставляем программное обеспечение регистрации данных и подробные схемы его структуры, а также нетехническим руководство для создания готовых к использованию BtM измерители. Это делает метод доступным для любой исследовательской группы, даже для тех, которые не работают с инженером или специализированных инженеров. Кроме того Ассамблея каждый регистратор требует только около 1 час если используется схема печатной платы и примерно 4 часа если схема смонтирована исследователями. Кроме того измерители BtM является экономически эффективным. Ориентировочная стоимость компонентов каждой единицы составляет приблизительно 100 евро, довольно низкой цене, которая может быть уменьшена еще дальше в крупномасштабных проектах путем сборки пакетов несколько Логеры.

Несмотря на ряд недавних методологических изменений, направленных на реализацию устройств, которые измеряют различные аспекты, связанные с физиологической активности nonvascular cryptogam общин, BtM заполняет пробел важные знания. Отель Raggio и др. 15 используют Moni-Да, систему мониторинга, которая получает информацию о физиологических и микроклиматическими. Физиологической активности собираются с помощью хлорофилловое свечение, метод широко используется в лаборатории для оценки активности фотосинтетических организмов . Хотя этот метод является очень точным, это значительно дороже, чем измерители BtM. Кроме того система мониторинга является частной компании продукт, который урезает автономию исследовательской группы.

Два других методов, которые недавно были опубликованы также основаны на оценке содержание воды nonvascular cryptogams. Первый основан на термические измерения, измерения (метод двойного зонд тепла импульса (DPHP)). Несмотря на многообещающие результаты недавно было показано, на молодых и др. 16, отсутствие каких-либо конкретных схемы в документе делает монтаж без специальных знаний крайне сложной. И наконец, Weber et al. 14 представил датчик под названием biocrust зонда влажности (BWP), который очень похож на измерители BtM. Однако они не предоставляют любую схему для ее строительства, которая затрудняет возможность строительства измерители без помощи специалиста. Мы преодолеть эту проблему, предоставляя не только схема строительства, но и печатной плате собрать регистратор. Интересно, что BtM могут быть легко изменены для измерения biocrusts, отдельные лица или подушки, просто изменив зажимы крокодил (для лишайников или мохообразных лиц/подушки) медного сплава электродов (для biocrusts). При необходимости, можно заменить только часть крокодилов, позволяя прямые сопоставления между типами зонд два измерения.

При интерпретации результатов, взаимосвязь между деятельностью и содержание воды должны тщательно рассмотрены, потому что BtM не непосредственно измерить фотосинтеза. Фотосинтеза и деятельности тесно связаны в nonvascular cryptogams, так как организм сухой poikilohydric в метаболических прекратить и влажных один является активным. Однако степень фотосинтетической активности могут быть определены непосредственно из содержание воды, даже несмотря на то, что можно ожидать более высокой метаболической активности - и, таким образом, выше фотосинтетическая активность - в организм хорошо гидратированных.

Важнейшие шаги:
Несмотря на простоту сборки есть некоторые важные шаги в протоколе, который должен быть тщательно рассмотрен исследователи при монтаже датчика. Во-первых как было подчеркнуто в протоколе, это довольно легко производить короткого замыкания при пайке, которые, в худшем случае, могут привести к серьезные убытки для микроконтроллера. Очень важно, чтобы проверить их наличие с мультиметром и удалить их перед подключением батареи. Мы рекомендуем использовать предоставленный дизайн печатной платы, поскольку это значительно упрощает процесс и может быть лучшим вариантом для преодоления этой проблемы. Во-вторых не все IDE версии совместимы с библиотеки, необходимые для этого регистратора. Это важно для загрузки правильного один (1.0.6), чтобы избежать любых совместимости вопросов. В-третьих важно заметить, полярность батарей. Полярности может привести к серьезные повреждения оборудования. В-четвертых калибровка является важным шагом. BtM измерители разработан так, что более высокое разрешение совпадает с моментом, в котором cryptogam идет от сухой и мокрой государства. Это означает, что значения проводимости насыщают задолго до того, как образец насыщена в воде. Однако если исследование под рукой требует более высокой точностью вокруг других ценностей, его можно изменить. Меры за один порядок величины из этой ссылки требуют резистор быть изменены и перекалибровки процесса (см. ниже). Как температура окружающей среды может повлиять на точность измерений, мы рекомендуем, принимая во внимание этот фактор при калибровке. Чтобы сделать это, калибровка должно быть сделано при низких температурах для проверки изменений в точности измерения и стабильности (см. Кокссон12 для температурных эффектов).

Модификации:
Хотя большинство компонентов BtM являются фиксированными, некоторые могут быть легко изменены в поле без перепайки. Простейшая модификации заключается в замене зубчатые зажимы для других систем зонд или измерения. Например, вместо того, чтобы зажимы крокодил, зонд с двумя выводами, как предложено в Weber et al. 14, могут быть использованы.

В удаленных средах, где замены батарейки не возможно в пределах необходимой частоты, батареи могут быть дополнены панели солнечных батарей для питания BtM измерители для более длительных периодов.

Изменяя ссылку резисторы, используемых для измерения проводимости, ранг выше резолюции могут быть легко изменены значения выше или ниже. Если изменен, мы рекомендуем точное рекалибровки. Кроме того в исходном коде, переменной ссылки RValue , которое программируется значение резистор 330 KΩ, должен присваиваться новое соответствующее значение (datalog.ino).

Заключение:
Nonvascular cryptogam общин являются весьма разнообразными и играть ряд различных ключевых экологических функций, поэтому понимание их отношения с абиотической среде является ключевым вопросом. BtM регистратор имеет несколько приложений, которые будут способствовать знание этих отношений. Например это поможет углубить понимание условий, где эти организмы выступают в качестве поглотителей углерода или источников углерода. Колебания между этими двумя ролями сильно связаны с абиотических условий, таких как температура и влажность3, но большое количество данных необходимы для описания и понимания вариации этих отношений в глобальном масштабе. Это требует плотной сенсорных сетей, которые возможны только в том случае, если они опираются на недорогих и простых в реализации оборудования.

Подводя итог, это устройство является полезным инструментом для экологических исследований групп и преодолевает технических ограничений проектирования и строительства измерители. Сочетание этих двух факторов может привести к популяризации использования Логеры для измерения отношения воды nonvascular cryptogams в situ. Это, в свою очередь, может повысить создание средне- и долгосрочного мониторинга сетей. Развитие этих сетей имеет важное значение для оценки реакции nonvascular cryptogams на местных и региональных экологических факторов, а также определить их роль в экосистемных процессах (например, питательных циклов, собрания общины) и их наиболее вероятный ответ с учетом изменений климатических и антропный факторов, связанных с глобальными изменениями.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы благодарны Мануэль Молина (UAM) и Кристина Ronquillo (MNCN-CSIC) за помощь, оказанную в ходе испытаний калибровки и к Estébanez Белен (UAM) за ее помощь во время выборки кампаний.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Схема BtMboard (PCB)1
Arduino Pro Mini 328 3.3 В (APM)Arduino1
FTDI Basic BreakoutSparkFun1
Адаптер1
TLC274 операционный усилительTexas Instruments2
2,54 мм коммутационная планка1
Резистор 330 кОм 8
330 Ом резистор
2 10 кОм резистор1
2N3904 Транзистор2
Разъем Борнье, 2x1 5,08 мм9
1,5 В батарея3
3xAA держатель батарейки с переключателем1
Sensirion SHT71Sensirion1
DS3234 RTC Breakout (часы)SparkFun1
CR1225 3 В Батарейкатипа
MicroSD Transflash BreakoutSparkFun1
Крокодиловыйразъем 16
Погодоустойчивый корпус1
12 Катушка1
Плоскогубцыдля резки 1
Паяльник1
Катушка1
Arduino IDE 1.0.6Arduino1
Библиотека Arduino DS3234Arduino1
Библиотека Arduino DS3234lib3Arduino1
Библиотека Arduino PowersaverArduino1
SdFatArduino1
Библиотека Arduino SensirionArduino1
кабеля MiniUSB на USB AA «таблетка» 1 зажим многожильного кабеля AWG 30 Вт с проволокой для пайки Библиотека Arduino

Ссылки

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

BtM

Похожие статьи