Summary
نقدم أساليب لتقييم مدى خطر الافتراس يمكن أن يغير نوعية الكيميائية الجارحة النبات عن طريق حفز التغييرات الغذائية لتلبية مطالب الإجهاد الشديد، وكيف تحلل جثث الحيوانات العاشبة من هذه يؤدي إلى إبطاء وشدد اللاحقة التحلل بواسطة الميكروبات القمامة مصنع التربة.
Abstract
كمية ونوعية المخلفات التي تدخل في التربة يحدد معدل التحلل من المجتمعات الميكروبية وكذلك معدلات إعادة تدوير النيتروجين (N) والكربون 1،2 عزل (C). مصنع القمامة تضم غالبية المخلفات 3، وهكذا يفترض أن يتم إلا بشكل هامشي أثرت التحلل من المدخلات الكتلة الحيوية من الحيوانات مثل الحيوانات العاشبة واللاحمة 4،5. ومع ذلك، قد تؤثر التحلل الميكروبي الحيوانات آكلة اللحوم من مصنع القمامة عن طريق سلسلة من التفاعلات التي الافتراس خطر يغير علم وظائف الأعضاء من أكلة الأعشاب فريسة لها وهذا بدوره يغير سير التربة الميكروبية عندما تتحلل جثث النبات 6. ويمكن لاستجابة الضغط من قبل الحيوانات العاشبة الفسيولوجية لخطر الافتراس تغيير C: N التركيب العنصري للكتلة الحيوية النبات 7،8،9 بسبب الإجهاد من خطر الافتراس يزيد المطالب النبات الطاقة القاعدية التي في النبات بالمغذيات محدودة قوات نظمليالي لتحويل استهلاكها من N-الغنية الموارد اللازمة لدعم النمو والتكاثر على الموارد الكربوهيدرات الغنية C لدعم عملية التمثيل الغذائي المتزايد 6. الحيوانات العاشبة لها قدرة محدودة على تخزين المواد الغذائية الزائدة، وأكد ذلك الحيوانات العاشبة تفرز N لأنها تزيد الكربوهيدرات-C استهلاك 7. في نهاية المطاف، فريسة شدد خطر الافتراس زيادة C جسمها: N نسبة 7،10، مما يجعلها أقل جودة الموارد للتربة تجمع الجراثيم على الأرجح بسبب انخفاض توافر N عطوب لإنتاج إنزيم الميكروبية 6. وهكذا، تحلل جثث الحيوانات العاشبة وشدد له تأثير على سير فتيلة من المجتمعات الميكروبية التي ينخفض بعد قدرة الميكروبات لتتحلل القمامة مصنع 6،10،11.
نقدم منهجية لتقييم المخاطر الروابط بين الافتراس والتحلل من القمامة ميكروبات التربة. ونحن تصف كيفية: حمل التوتر في الحيوانات العاشبة من خطر الافتراس؛ الشرق الأوسط وأفريقياتأكد تلك الردود الإجهاد، وقياس النتائج على التحلل الميكروبي. نستخدم رؤى من نموذج النظام الإيكولوجي الأراضي العشبية التي تتألف منها العنكبوت الصيد المفترس (Pisuarina ميرا)، والنبات جندب المهيمنة (Melanoplus femurrubrum)، ومجموعة متنوعة من النباتات والحشائش forb 9.
Protocol
1. تربية الجنادب تحت الضغط والإجهاد الشروط مجانا
- استخدام 0،5 م 2 دائري، mesocosms مغلق لمنع الهجرة أو الهجرة من الأنواع الحيوانية (الشكل 1). بناء mesocosms باستخدام أطوال 2.4 م 1.5 م ارتفاع ¼ "شبكة السياج الألمنيوم بمثابة السقالات. تغطية المبارزة جانب 1.75 م 2.5 م أطوال الألمنيوم عالي فحص الإطار مطوية عبر الجزء العلوي والسفلي من سياج وتدبيس معا جنبا إلى جنب أضعاف. التسجيل في المبارزة ينتهي لتشكيل دائرة مغلقة ومن ثم التيلة إطار تداخل فحص معا لخلق الختم. تعيين mesocosm في التربة في الميدان بحفر 10 سم من عمق 4 سم واسعة خندق حول قاعدة mesocosom، إغراق في mesocosm الخندق ثم احش في الهيئة العامة للسدود من الخندق حول الجزء الغارق من mesocosm. التيلة قطعة دائرية من فحص الإطار إلى أعلى mesocosm.
- mesocosms مجموعة تفلح في تكرار التجربة المقترنةن في هذا المجال. وينبغي اختيار المواقع لتتناسب مع مؤامرة هوية الأنواع النباتية والغطاء النباتي النسبية. تغرق أقفاص 10 سم في الأرض في موقع المؤامرة.
- باستخدام شبكة الاجتياح، وجمع في وقت مبكر (2 ND) الطور حوريات الجراد والمخزون منها في مجال mesocosms بكثافة الطبيعية.
- باستخدام شبكة الاجتياح، والتقاط الأفراد من الصيد الجلوس والانتظار، المهيمن (وليس على شبكة الإنترنت النسيج) العنكبوت الأنواع المفترسة. اغلاق الغراء chelicerae العنكبوت (تستخدم فمها لإخضاع الفريسة) مع التجفيف السريع الاسمنت لآثار المخاطر المنفصلة من اختيار البقاء الفعلي لصالح الجنادب الفردية مع أفضل قدرات للتهرب من الافتراس العنكبوت. تخزين العناكب بكثافة مجال واحد من كل زوج mesocosm. وسوف يكون هذا العلاج الإجهاد. سوف Mesocosms دون العناكب يكون العلاج خالية من الإجهاد.
- تسمح حوريات الجراد لتطوير مراحل الطور في وقت متأخر (4 عشر والخامس 5). جمع كل الأفراد من الأقفاص وراتعيين ndomly الأفراد من كل قفص لواحدة من ثلاث مجموعات الفحص اللاحق: (1) التحقق من حالة الإجهاد الفسيولوجية، (2) التحقق من التحول في رياضيات الكيمياء عنصري الجسم، (3) التحلل الميكروبي.
2. التحقق من صحة الجندب الدولة الإجهاد
- قياس التمثيل الغذائي معيار معدل جندب (SMR)، ومعدل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (
) في التدفق من خلال نظام قياس التنفس incurrent مع معدل تدفق الهواء 200 مل / دقيقة. إزالة بخار الماء عن طريق تمرير الهواء المتدفق من خلال وكيل التجفيف. - الحرمان من الطعام بعد 16 ساعة من (المياه يجب أن تكون متوفرة)، تزن الجنادب الفردية (± 0.1 ملغ)، ووضعها في 50 مل شفاف (L 9.2 سم X 2.0 سم D) غرف مقياس التنفس والسماح لهم للتعافي من التعامل مع ما لا يقل عن 10 دقيقة قبل بدء القياسات.
- تحت المستمر تيم المحيطة المتوسط perature (درجة الحرارة ± 1٪ تباين الخطأ المعياري) داخل غرفة مقياس التنفس وتحليل الهواء respired باستخدام الأشعة تحت الحمراء محلل CO 2 (على سبيل المثال القرار جزء في المليون و qubit S151-1). قياس متوسط الحد الأدنى الحالة المستقرة لمدة 10 دقيقة.
- محلل يوفر CO 2 كسور تركيز (أجزاء لكل مليون)، ولكن ينبغي الإبلاغ عن SMR كنسبة، لذلك يجب على المرء أن تتحول التسجيلات كما = FR ط (
- 
) / {1 - [1 - (1/RQ)]}، حيثiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "FO: SRC =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = تركيز كسور incurrent من CO 2؛ يفترض RQ = حاصل الجهاز التنفسي، وعلى قدم المساواة إلى 0.85 في الحيوانات العاشبة؛ = تركيز كسور إفراغي من CO 2، FR = معدل التدفق (مل دقيقة -1).
) في التدفق من خلال نظام قياس التنفس incurrent مع معدل تدفق الهواء 200 مل / دقيقة. إزالة بخار الماء عن طريق تمرير الهواء المتدفق من خلال وكيل التجفيف. 
- 
) / {1 - 3. التحقق من صحة التحول في الاتحاد العنصري عنصري الجسم
- تقييم الكربون: النيتروجين (C: N) مضمون عينة من الجنادب التي تم جمعها من mesocosms المجال.
- تقليل التفاوت في C: N بسبب استهلاك المواد الغذائية عن طريق إزالة محتويات الأخيرة الأمعاء جندب تحت المجهر تشريح.
- تجميد تجفيف الأمعاء الفارغة والجسم لمدة 48 ساعة ثم تطحن الذبيحة الفردية والأمعاء إلى مسحوق متجانس.
- قياس C: N محتويات من مسحوق باستخدام المحلل التلقائي CNH.
4.الميكروبية التحلل
- مكان منسوخة أزواج من الياقات PVC (15.4 سم ضياء.، إدراج ~ 4 سم في التربة) في موقع الميدان (الشكل 3C). إزالة جميع النباتات داخلها عبر لقطة على سطح التربة. وتستخدم هذه الياقات للتدابير التحلل. بالإضافة إلى ذلك، وضع مجموعة من الياقات PVC عبر الموقع للعمل الميداني إلى 13 الضوابط الطبيعية وفرة C (أنظر أدناه)، والتي تضاف لا الجنادب ولا العشب القمامة.
- إلى واحد في كل زوج طوق إضافة 2 سليمة، وتجميد المجفف جثث الجنادب (تسجيل الكتلة الحيوية المضافة) تربى مع خطر الحيوانات المفترسة كما هو موضح أعلاه باستخدام الأقفاص الميداني. لذوي الياقات البيضاء في كل زوج الأخرى إضافة 2 سليمة تجميد المجفف جثث تربية الحيوانات المفترسة من دون مخاطر.
- تغطية الياقات PVC مع شاشة لمنع إزالة جندب من الزبالين من المؤامرات، والسماح للجثث جندب تتحلل لمدة 40 يوما.
- بينما جثث متحللة والتسمية، القاعدة لىtter مع 13 C.
- بناء غرفة شبكي واضحة (60 سم × 60 سم × 1.5 م) مع مدخل ومخرج الصمام (الشكل 3B).
- غرق 60 سم مربع X 60 سم إطار خشبي مع ختم مطاط السيليكون المغلفة مع الشحوم 5 سم في الأرض (الشكل 3B).
- حرك الدائرة على قمة إطار خشبي بحيث يصبح غرفة مختومة من قبل المطاط (الشكل 3B).
- وسيتم ربط مداخل وصفت الدائرة اسطوانات الغاز مضغوط يحتوي على 99٪ ذرة 13 CO 2. النباتات داخل غرفة مع 13 C، حيث يتم الاحتفاظ CO 2 عند مستويات تركيزات المحيطة (لأن النبات يغير تركيزات الكربون رفع التقسيم). يتم الاحتفاظ من قبل المستويات المحيطة ينبض فقط CO المسمى (2) لفترات قصيرة من الوقت. أيضا، يتم رصد درجات الحرارة وتتم إزالة غرفة الغرف إذا تصل درجة الحرارة إلى 5 درجات مئوية علىبوف المحيطة.
- بعد أسبوع واحد وضع العلامات، قارن δ 13 C من القمامة على مستوى القاعدة مع القيم الوفرة من الموارد الطبيعية التي جمعت من عينة عشوائية من أنواع العشب متطابقة باستخدام نسبة النظائر DeltaPlus الحرارية مطياف الكتلة (الحرارية، سان خوسيه، CA، الولايات المتحدة الأمريكية).
- بعد 40 يوما، إضافة 10 غرام من الهواء المجفف 13 C-صفت القمامة العشب إلى كل ذوي الياقات البيضاء التي سبق تعديلها مع جثث جندب.
- رصد معدل تمعدن من القمامة-العشب في الموقع عبر 75 يوما بتطويق كل طوق وتتبع كل من تنفس التربة الكلي والتنفس من 13 CO 2. ويتم إنجاز هذا باستخدام التدفق من خلال تقنية الدائرة حيث يتم مراقبة عينات من الغاز كل ذوي الياقات البيضاء، في الوقت الحقيقي، لمدة 8 دقائق لكل حلقة تجويف باستخدام التحليل الطيفي إلى أسفل (أقسام المطبوعات؛ Picarro شركة، سانتا كلارا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية؛ الموديل: G1101 -I). أقسام المطبوعات تمكن واحد في وقت واحد لتعقب كل من الكلية وδ 13 Cللتنفس التربة.
- تقدير مساهمة 13 C-صفت القمامة العشب لتنفس التربة باستخدام معادلات مجموع النظائر الاختلاط. يتم حساب كمية القمامة العشب المستمدة CO 2 على النحو التالي: (. δ 13 C التنفس - δ 13 C nat.abn) C القاعدة المستمدة القمامة = C × مجموع / (δ 13 C القاعدة القمامة - δ 13 C نات . ABN)، حيث يبلغ إجمالي C المبلغ الإجمالي للC respired خلال قياس معين، التنفس δ C 13 هو δ 13 C من C-respired لتعديل الياقات مع القمامة العشب المسمى، δ 13 C nat.abn. هو يعني δ C 13 C من respired في الياقات 3 الوفرة من الموارد الطبيعية (أي تلك التي لم تعدل مع القمامة)، وδ 13 C القاعدة القمامة هو δ 13 C من القمامة العشب إضافة إلى التعاونllars.
- رصد كل درجة حرارة التربة والرطوبة عبر التجربة باستخدام باليد تحقيقات لتصحيح الاختلافات في التنفس التربة بسبب الاختلافات في درجة الحرارة والرطوبة.
- على الرغم من المعدة للاستخدام الميداني، الصك تجويف الطيفي أسفل الدائري (Picarro شركة، سانتا كلارا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية؛ الموديل: G1101-I) قراءات حساسة للحركة. ولذلك، ينبغي للمرء أن إقامة محطة قياس قاعدة مركزية لجميع المؤامرات التي تحتوي على الياقات PVC، وربط أداة لالياقات مع أطوال أنابيب PVC.
Representative Results
وتعرض مؤامرة سبيل المثال معدلات التمثيل الغذائي جندب القياسية في ظروف التوتر وخالية من الإجهاد في الشكل 2. بسبب وجود خلافات بين كتلة الجسم الجنادب الفردية، وحقيقة أن معدل التمثيل الغذائي يختلف مع كتلة الجسم، يجب تقديم المخططات معدلات التمثيل الغذائي فيما يتعلق كتلة الجسم جندب. الاتجاهات الموازية لعلاجات مختلفة تشير إلى أن معدل الأيض يرتفع كمضاعف المستمر لمعدل الأيض القياسية (أي عدم وجود كتلة الجسم X التفاعل معدل الأيض) لجميع الأفراد وشدد.
وتعرض جندب الجسم C وعنصر في محتويات N المخاطر وظروف خالية في الجدول 1. من الجدير بالذكر أن هناك صغيرة جدا (4٪) الفرق في الجسم C: N نسب بين العلاجات. ومع ذلك، يمكن لهذه الاختلافات الصغيرة تترجم إلى اختلافات كبيرة في التحلل من القمامة العشب التربة تجمع الجراثيم (الشكل 3). مضيفا القمامة العشب لالياقات PVC المعدلة سابقا مع الجنادب بالتوتر أو خالية من الإجهاد يؤدي إلى درجات مختلفة من التحلل القمامة، كما هو مبين في المنحنيات التي تصف بالجمع CO 2 بيان من التربة بسبب التنفس الجرثومية (الشكل 3). وينبغي رصد التجارب حتى تتراكم منحنيات تبدأ تشبع.
| إجهاد | مجاني الإجهاد | |
| الكربون (٪) | 48،44 ± 0.32 | 44،73 ± 0.46 |
| النيتروجين (٪) | 12،11 ± 0.08 | 11،62 ± 0.12 |
| الكربون: النيتروجين | 4.00 ± 0.03 | 3.85 ± 0.04 |
الجدول 1. مقارنة بين المحتوى الكيميائي للسيارة النبات جندبcasses من الظروف التي تواجه خطر الافتراس (الإجهاد) والذي خطر الافتراس كان غائبا (خالية من الإجهاد). القيم يعني ± 1 الخطأ المعياري.
الشكل 1. شكل توضيحي لتصميم مجال mesocosms المستخدمة في التجربة والخطة الشاملة للتقييم التجريبي لآثار المخاطر على التحلل القمامة.
الشكل 2. قطعة معدل الأيض النبات القياسية فيما يتعلق كتلة الجسم النبات. وتنقسم البيانات إلى فئتين وفقا لعلاج تجريبي: الجنادب من الحيوانات المفترسة التي تحتوي على mesocosms (الافتراس) للحث على الإجهاد، ودون mesocosms الحيوانات المفترسة (التحكم) وبالتالي لا الاجهاد الناجم. البيانات هي من Halwena D.وOJ شميتز 2010، غير منشورة.
الشكل 3. المنحنيات التي تصف التراكمي CO 2 الافراج عن تجمع الجراثيم في حين متحللة التجريبية المدخلات القمامة العشب في الياقات PVC. هي القيم المرسومة يعني ± 1 الخطأ المعياري. الرسم البياني يوضح أن تستعد التربة مع جثث جندب شدد (المفترس) يؤدي إلى 19٪ أقل (ANOVA F = 1،6 9،06، P <0.05) أسعار مصنع القمامة التحلل من التربة معبي مع جثث الإجهاد جندب مجانا (التحكم). وأقحم يظهر جهاز طوق PVC في الميدان. الرقم مستنسخة من Hawlena وآخرون .. 6 Cick هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .
Discussion
يجب تسلسل الأساليب المعروضة هنا يتيح قياس الإجهاد المنتظم للطريقة التي تضم الأنواع الشبكات الغذائية فوق الأرض يمكن أن المجتمعات الميكروبية رئيس التربة بطرق تؤدي إلى تغيير التحلل اللاحقة من القمامة النبات. الطرق مثالية لدراسة النظم الإيكولوجية تتألف من المستهلكين المفصلية والنباتات العشبية لأنه يمكن الشبكات الغذائية سليمة مقيدة مكانيا والواردة في mesocosms.
التغير المكاني قد تكون موجودة بسبب تدرجات في رطوبة التربة الخلفية، درجة حرارة التربة والمحتوى مغذيات النباتات، إلخ. تصميم الدراسة يسمح احد لمجموعة mescosms والياقات PVC لمنع امتداد التدرجات البيئية المكانية وبالتالي لحساب التباين البيئية عند تحليل هذه الآثار ل.
على الرغم من المعدة للاستخدام الميداني، الصك تجويف الطيفي أسفل الدائري (Picarro شركة، سانتا كلارا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية؛ الموديل: G1101-I) هي ذاتها قراءاتnsitive إلى الحركة. ولذلك، ينبغي للمرء أن إقامة محطة قياس قاعدة مركزية لجميع المؤامرات التي تحتوي على الياقات PVC، وربط أداة لالياقات مع أطوال أنابيب PVC.
وقد جرت العادة على التربة التحلل القمامة تقاس تضم كميات معروفة من القمامة في أكياس شبكة الألياف الزجاجية، وإيداع الحقائب على سطح التربة في الميدان وبشكل دوري إعادة قياس أكياس القمامة لتحديد معدل اختفاء (التحلل). الحد من هذه الطريقة هو أن واحدا غير قادر على تتبع مصير هذه المسألة متحللة أو تحديد مساهمة في CO 2 تمعدن التعديل التربة (القمامة المضافة) من تمعدن التربة الخلفية 2 CO. أسلوب التتبع باستخدام المسمى CO 2 المقدمة هنا يساعد على تخفيف هذا القيد لوجستية.
عملت النظم الإيكولوجية والبيئة البيوجيوكيميائية تحت نموذج عمل ذلك لأن النبات غير مأكول-القمامة تضم غالبية المخلفات، وأثرت بشكل هامشي فقط من عمليات النظم الإيكولوجية belowground المدخلات الكتلة الحيوية من مستويات تغذوية أعلى في شبكات الغذاء فوق الأرض، مثل الحيوانات العاشبة أنفسهم 6. ومع ذلك، هناك أدلة متزايدة على أن الأنواع في مستويات تغذوية أعلى من النظم الإيكولوجية يمكن أن يكون لها تأثير عميق على عمليات belowground 1،4،5. طريقة المقدمة هنا تقف لتعزيز الكمي للمساهمة مستويات تغذوية أعلى، إما مباشرة من خلال الكتلة الحيوية من ترسب الذبيحة (على سبيل المثال 12، 13) أو إفراز وابتراز (على سبيل المثال 14، 15) أو بشكل غير مباشر من خلال تغيير تركيبة المجتمع النباتات (مثل 9 ) في سباق الدراجات النظام الإيكولوجي المغذيات. يمكن القياس الكمي مثل هذه تساعد في الكشف عن الآليات التي تحكم الديناميات الحيوانات النظام البيئي كجزء من جهد منسق لتعزيز وتنقيح نموذج العمل الحالي من السيطرة على أداء النظم الإيكولوجية الحيوية.
Disclosures
ليس لدينا شيء في الكشف عنها.
Acknowledgments
وأيد هذا البحث من قبل الأموال من جامعة ييل المناخ ومعهد الطاقة ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cavity ring down spectroscope | Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA | Model # G1101-i | |
| CO2 respirometer | Qubit Systems, Kingston, ON, Canada | Model # S151 | |
| 13C | Sigma-Aldrich | 372382 | |
| Spectrophotometer | Thermo, San Jose CA, USA | Model: Delta V Plus Isotope Ratio Mass Spectrophotometer |
References
- Wardle, D. A., et al. Ecological linkages between aboveground and belowground biota. Science. 304, 1629-1633 (2004).
- Hattenschwiler, S., Tiunov, A. V., Scheu, S. Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Syst. 36, 191-218 (2005).
- Cebrian, J. Role of first-order consumers in ecosystem carbon flow. Ecol. Lett. 7, 232-240 (2004).
- Aboveground-Belowground Linkages. Bardgett, R. D., Wardle, D. A. , Oxford University Press. Oxford. (2010).
- Schmitz, O. J., Hawlena, D., Trussell, G. C. Predator control of ecosystem nutrient dynamics. Ecol. Lett. 13, 1199-1209 (2010).
- Hawlena, D., Strickland, M. S., Bradford, M. A., Schmitz, O. J. Fear of predation slows plant litter decomposition. Science. 336, 1434-1438 (2012).
- Hawlena, D., Schmitz, O. J. Physiological stress as a fundamental mechanism linking predation to ecosystem functioning. Am. Nat. 176, 537-556 (2010).
- Stoks, R. D. eB. lock, M,, McPeek, M. A. Alternative growth and energy storage responses to mortality threats in damselflies. Ecol. Lett. 8, 1307-1316 (2005).
- Hawlena, D., Schmitz, O. J. Herbivore physiological response to predation risk and implications for ecosystem nutrient dynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 15503-15507 (2010).
- Schimel, J. P., Weintraub, M. N. The implications of exoenzyme activity on microbial carbon and nitrogen limitation in soil: a theoretical model. Soil Biol. Biochem. 35, 1-15 (2003).
- Allison, S. D., et al. Low levels of nitrogen addition stimulate decomposition by boreal forest fungi. Soil Biol. Biochem. 41, 293-302 (2009).
- Bump, J. K., et al. Ungulate carcasses perforate ecological filters and create biogeochemical hotspots in forest herbaceous layers allowing trees a competitive advantage. Ecosystems. 12, 996-1007 (2009).
- Yang, L. H. Periodical cicadas and resource pulses in North American forests. Science. 306, 1565 (2004).
- Belovsky, G. E., Slade, J. B. Insect herbivory accelerates nutrient cycling and increases plant production. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 97, 14412 (2000).
- Frost, C. J., Hunter, M. D. Recycling of nitrogen in herbivore feces: plant recovery, herbivore assimilation, soil retention, and leaching losses. Oecologia. 151, 42 (2007).
