Summary
نقدم وسيلة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لبناء datalogger المفتوحة المصدر أن التدابير الموصلية كريبتوجامس نونفاسكولار إلى جانب البيئية درجة الحرارة والرطوبة. وصف تصميم الأجهزة datalogger، وتوفير الإرشادات خطوة بخطوة الجمعية، قائمة البرامج المطلوبة مفتوحة المصدر تسجيل، التعليمة البرمجية تشغيل datalogger، وبروتوكول معايرة.
Abstract
المجتمعات المحلية كريبتوجامس نونفاسكولار، مثل الطحالب أو الأشنات، جزءا هاما من التنوع الحيوي للأرض، المساهمة في تنظيم للكربون والنيتروجين دورات في كثير من النظم الإيكولوجية. يجري الكائنات بويكيلوهيدريك، أنهم لا نشاط التحكم محتوى المياه الداخلية وتحتاج إلى بيئة رطبة لتنشيط التمثيل الغذائي بها. ولذلك، تدرس علاقات المياه من كريبتوجامس نونفاسكولار أمر حاسم لفهم أنماط التنوع ووظائفها في النظم الإيكولوجية. نقدم datalogger BtM، منصة مفتوحة المصدر منخفضة التكلفة لدراسة محتوى المياه من كريبتوجامس نونفاسكولار. Datalogger صمم لقياس درجة الحرارة المحيطة والرطوبة الموصلية من عينات تصل إلى ثمانية في وقت واحد. نحن نقدم تصميم للوحة دوائر المطبوعة (ثنائي الفينيل متعدد الكلور)، بروتوكول مفصل لتجميع المكونات، والتعليمات البرمجية المصدر المطلوب. كل هذا يجعل جمعية BtM datalogger موجوداً لأي فريق البحث، حتى للذين لا يملكون المعارف المتخصصة السابقة. ولذلك، تصميم المقدمة هنا لديه القدرة على المساعدة في تعميم استخدام هذا النوع من الأجهزة بين علماء البيئة وعلماء الأحياء في الميدان.
Introduction
هي مجتمعات كريبتوجامس نونفاسكولار في كل مكان وغالباً ما يهمل جزءا من النظم الإيكولوجية الأرضية1. أنها تتكون من تجميع الكائنات الصغيرة الحجم مختلفة جداً بين التي هي بريوفيتيس والأشنات المنتجين الرئيسية المعلقة. حصة هاتين المجموعتين من الكائنات الحية من سمات الفسيولوجية التي يجعلها فريدة من نوعها: بويكيلوهيدري، أو عدم القدرة على التحكم بنشاط على محتوى المياه الداخلية. هذا له آثار عميقة على العمليات الفسيولوجية منذ توقف عملية التمثيل الغذائي عند الخلايا هي جفت استجابة لانخفاض مستويات الرطوبة ويستأنف عندما تكون البيئة الرطبة مرة أخرى2. نتيجة لذلك، كريبتوجامس نونفاسكولار تجنب الجفاف بدلاً من التعامل معها2، مما يسمح لهذه المجتمعات البقاء على قيد الحياة في مجموعة واسعة من البيئات من الصحارى الباردة والساخنة إلى المناطق المدارية3،4.
إلى جانب ذلك، أنها أيضا إظهار هياكل بسيطة نسبيا وانخفاض الاحتياجات من المغذيات. هذه الخصائص تجعلها شديدة الحساسية لظروف يعزى. وفي الواقع، كريبتوجامس نونفاسكولار غالباً ما تشغل مساحة مكانة غير متوفر لنباتات وعائية من أكبر حجماً، تشكيل النظم الإيكولوجية في مصغرة التي تشكل جزءا هاما من التنوع في العالم. وتشمل بريوفيتيس والاشنات وحدها تقريبا 40,000 الأنواع (ca. 20,000 بريوفيتيس لاتو الضيق5،6 و ca. 20,000 الأشنات7). وعلاوة على ذلك، إسهامها في التنوع البيولوجي للأرض أكبر نظراً لأن المجتمعات المحلية توفر المأوى لعدد كبير من الأنواع من الفطريات، بما في ذلك من نباتات متنوعة من الشرانق ومسام الفطريات، البكتيريا الزرقاء فيكساتينج ن نمو النباتات ، وعدد ضخم من مايكرو--اللافقاريات، مثل تارديجراديس، collembola، ميريابودس، والحشرات، والعث التي تستفيد من الاحتفاظ بالمياه في ظروف السعة ومخزنة داخل هذه النظم الإيكولوجية مصغرة.
المجتمعات المحلية كريبتوجامس غير الأوعية الدموية تسهم أيضا في تنظيم الدورات البيوجيوكيميائيه الكربون. في النظم الإيكولوجية الجافة، تغطية تصل إلى 40% من على السطح8 القشور ما يسمى التربة البيولوجية وتلعب دوراً رئيسيا كبالوعات الكربون. وتقدر استعراض أجرى مؤخرا أن القشور التربة البيولوجية في البيئات الجافة يمكن تحديد نسبة 7% من جميع الكربون ثابتة بالغطاء النباتي الأرضي. وإلى جانب ذلك، في النظم الإيكولوجية الأخرى التي تكون فيها أما بريوفيتيس أو الأشنات أو تركيبة من كليهما المنتجين الأساسية-مثل بعض نظم الغابات الشمالية أو السباخ الخث-أنها تنتج بين 30% و 100% من مجموع صافي الإنتاجية الأولية10،11 . وأيضا هامة في النظم الإيكولوجية التي لا تكون هذه الكائنات مهيمنة، مثل الغابات المعتدلة. وفي الواقع، قد بريوفيتيس الكلمة الغابات امتصاص الكربون سنوي ما يعادل حوالي 10% الغابات تنفس الكلمة في نيوزيلندا الغابات المطيرة معتدلة. علاوة على ذلك، ومهمة أيضا لتثبيت النتروجين، منذ البكتيريا الزرقاء الذين يعيشون كالنباتات في هذه المجتمعات يمكن أن يكون فيكساتينج تقريبا 50 في المائة المبلغ الإجمالي للنتروجين البيولوجي4.
بسبب الاعتماد على النشاط الفسيولوجي على توافر المياه في البيئة المحيطة، كلا من تنوع المجتمعات كريبتوجام نونفاسكولار ووظائفها في النظم الإيكولوجية تعتمد بشدة على المياه المحتوى2. علما بأن، حيث أنها لا يمكن التحكم بنشاط محتوى الماء في أنسجتها، أدوارها في رصيد الكربون وتثبيت النتروجين تقترن بدورات الماء وجفاف و، ولذلك، تعتمد على الفاصل الزمني وتواتر دورات الرطب الجاف. وبالتالي، معرفة وضع محتوى المياه من هذه الكائنات في الوقت الحقيقي مفتاح فهم الوظائف يؤديها كريبتوجامس في النظم الإيكولوجية.
على الرغم من أهميته، تطوير أساليب لقياس الماء نشاط المحتوى والفسيولوجية في الكائنات بويكيلوهيدريك كان بطيئا نسبيا. في عام 1991، قدم كوكسسون12 نهج أول لقياس محتوى الماء من الأشنات مباشرة. بعد ذلك، كانت هناك فجوة في هذا النوع من الدراسة حتى تطور حدث مؤخرا، عندما قدمت يعمل عدة أساليب لتقريب تدابير الوضع الفسيولوجي ل، كريبتوجامس نونفاسكولار13،،من1415 16. ومع ذلك، هذه المعرفة لا تزال نادرة ومتناثرة، وهذه الأعمال تتركز معظمها في التربة الغنية بالكوبالت4،8. ومع ذلك، بريوفيتيس والاشنات أيضا دوراً ذات صلة في كثير من النظم الإيكولوجية الأخرى، لا سيما في المناطق المعتدلة والشمالية والقطبية1، وأهميتها مهم ليس فقط في المجتمعات التربة بل أيضا للمجتمعات يفضل المتزايد على الأشجار والمجتمعات ساكسيكولوس على الصخور. وهذا الافتقار إلى البحوث يرتبط جزئيا غياب داتالوجيرس القياس المتاحة تجارياً، مما يجبر المجموعات البحثية لبناء المعدات الخاصة بها. يتطلب تطوير datalogger المعرفة الخاصة التي لا تملك معظم علماء البيئة، حيث أنها تزيد كثيرا من تكلفة تنفيذ شبكات قياس كبيرة نسبيا اللازمة لجمع بيانات الممثل في أداء نونفاسكولار كريبتوجامس على طول البيئية والتدرجات والموئل.
في هذه الورقة، نقدم وسيلة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لبناء datalogger قادرة على قياس الموصلية الكائنات كريبتوجاميك نونفاسكولار في أن واحد مع درجة الحرارة المحيطة والرطوبة. فهي مبرمجة لتسجيل صورة مستقلة لفترات طويلة نسبيا من الزمن (تصل إلى شهرين) ووعرة ما يكفي لتحمل الظروف القاسية الميدانية في الهواء الطلق. نظراً لبساطته، سيكون أداة مفيدة لعلماء البيئة وعلماء الأحياء في الميدان دون التدريب المتخصصة في تطوير داتالوجيرس أو تلك المجموعات البحثية التي تفتقر إلى الموظفين المتخصصين. ولذلك، هذا datalogger لديه القدرة على المساعدة في تعميم استخدام هذا النوع من الأجهزة.
لقد طورنا datalogger طاقة منخفضة ومنخفضة التكلفة قادرة على قياس الموصلية من مدة تصل إلى ثمانية مصادر مختلفة وتسجيل درجات الحرارة البيئية والرطوبة النسبية في الوقت نفسه. هو الجهاز بعد كوكسسون لتصميم12 وتنفيذها على منصة مفتوحة المصدر (جدول المواد). وكان الهدف إلى إعطاء الأولوية لسهولة كفاءة الجمعية والسلطة وتسهيل صيانة المنشآت الطويلة الأجل. التصميم مشتق من مادة بناء المصدر المفتوح العلم أجهزة الاستشعار (أوسبس)17. تم تعديل هذا التصميم بدمج الدوائر الإضافية أن اتلو مقاومة كريبتوجامس وجعلها أكثر تركيزاً وأسهل لتصنيع.
والنتيجة هي BtM المجلس (مجلس بريوليتشين درجة الحرارة الرطوبة)، دوائر المطبوعة المصدر المفتوح متن18. ويسيطر المجلس كل متحكم عالية كفاءة في استخدام الطاقة (جدول المواد). يجري جمع البيانات البيئية درجة الحرارة والرطوبة النسبية عن طريق جهاز استشعار درجة الحرارة والرطوبة أن يأتي بريكاليبراتيد، وجانبا من استهلاكه للطاقة منخفضة، وقد نسبة أداء سعر الملائم.
المجلس يستخدم بروتوكول اتصالات رقمية (التسلسلية القياسية SPI) لإدارة دورة القياس. ساعة الوقت الحقيقي (DS3234) التي شنت على كل مجلس يوفر دقة التوقيت. من أجل الحد من استهلاك الطاقة، يظل المعالج في وضع الانتظار أكثر من المرة. يحتاج كل البيانات في الوقت التي سيتم جمعها، على مدار الساعة في الوقت الحقيقي ينشط المعالج ويقوم بتشغيل عملية تسجيل الدخول. كما يستخدم على مدار الساعة في الوقت الحقيقي لدقة تسجيل التاريخ والوقت لكل حالة البيانات.
يمكن لما يصل إلى ثمانية موس و/أو حزاز تسجيل عينات جنبا إلى جنب باستخدام لوحة BtM واحد. عندما يتم إعداد التجربة، يتم تطبيق المسابير القطب كليب التماسيح اثنين لكل عينة موس/حزاز. ثم، يتم استخدام مقسم الجهد بين كل قطب كهربائي ومرجع مقاوم مع قيمة معروفة (330 KΩ في هذه الحالة). هذه القيمة المقاوم تم اختيارهم عن طريق المعايرة واستنادا إلى التدابير السابقة من كريبتوجامس. ويوفر آر ضخامة واحد حول القيمة المرجعية (100-1,000 KΩ). انخفاض الجهد هو المخزن مؤقتاً ومن ثم قراءة مع متحكم استخدام موانئها التناظرية (A0-A7)18. الجهد يحسب بتطبيق المعادلة التالية.
سادسا = (أدسي x VCC)/1023
هنا، هو ADCi الخام القيمة من ADC (محول تناظري إلى رقمي) من قناة أنا، VCC هو الجهد إمدادات الطاقة (3.3 V في هذه الحالة)، وهو 1023 نطاق الإخراج ADC. ثم يتم استخدام التيار الكهربائي الناتجة عن السادس في تركيبة مع قانون أوم لحساب المقاومة (ري، Ω) والموصليه (G, S) لكل عينة موس.
Ri = (VCC x RL)/السادس-RL
ز = 1/ري
هنا، هو RL قيمة المرجع المقاوم (330 KΩ في هذه الحالة). البرمجيات متحكم على متن الطائرة يتضمن جميع هذه المعادلات، حيث أنه يمكن مباشرة لتسجيل قيم الموصلية والمقاومة.
يجمع المجلس أيضا قياسات لدرجة الحرارة المحيطة والرطوبة باستخدام أجهزة الاستشعار. ثم، كل نقطة بيانات مكتوبة إلى ملف سجل في بطاقة مايكرو. تم تحميل مايكرو ترانسفلاش الاندلاع المجلس في كل مجلس من مجالس BtM لهذا الغرض. وأخيراً، يمكن جمع بطاقة مايكرو يدوياً بعد التجربة. يمكن نقل كافة نقاط البيانات إلى جهاز كمبيوتر لمزيد من التحليل.
Protocol
1-جمعية Datalogger
- إعداد التخزين من سلك اللحام ولحام حديد. الانتظار للحام الحديد للحرارة وترطيب اسفنجة التنظيف.
- قص شرائط رأس دبوس إلى الطول المطلوب وجندي منهم إلى المآخذ لاستشعار درجة الحرارة والرطوبة ومتحكم دقيق والوحدات المنفصلة على مدار الساعة ومايكرو RTC.
- لحام، يسخن الصلة المطلوب مع غيض من حام الحديد.
- ثم قم بتطبيق كمية صغيرة من المواد من سلك اللحام، ما يكفي لملء الوصلات.
- وأخيراً، إزالة لحام الحديد وانتظر وصلة ليبرد.
- تجميع المكونات إلى حلبة المجلس باستخدام نفس الإجراء كما هو الحال في الخطوة 1، 2، بعد علامات ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمراجع المكون المحدد في الجدول للمواد (انظر الشكل 1 لنظام الجمعية).
- أولاً، جندي المقاومات. ثم، اللحيم مقابس لمكبرات الصوت التشغيلي واستشعار SHT7X، والوحدات المنفصلة على مدار الساعة ومايكرو RTC.
- وبعد ذلك، لحام الترانزستورات اثنين. المجلس يحتاج أيضا إلى تكون ملحوم الآن، استخدام رؤوس دبوس. وأخيراً، اللحيم الموصلات للمجلس.
- جندي استشعار الرطوبة/درجة الحرارة SHT7X إلى كبل ملحق أو رأس دبوس تعزيز العملاء المتوقعين.
- إعداد متعدد في استمرارية وضع الاختبار اختبار أو التوصيل. استخدم في مقياس متعدد للتحقق من أن هناك لا توجد دوائر قصيرة بين أي دبابيس أو اتصالات.
- Doublecheck إمداد المحطات الإيجابية والسلبية للسلطة. أيضا، تأكد من أن كل مشترك اللحيم إنشاء اتصال مستقرة بين المسارين النحاس للدائرة ودبابيس المكون.
ملاحظة: هذه الخطوة مهمة جداً؛ عدم تخطيه.
- Doublecheck إمداد المحطات الإيجابية والسلبية للسلطة. أيضا، تأكد من أن كل مشترك اللحيم إنشاء اتصال مستقرة بين المسارين النحاس للدائرة ودبابيس المكون.
- قم بتوصيل البطارية محطات ومقاطع الكابل إلى المجلس باستخدام مفك براغي.
- أولاً، استخدام أي أداة القطع لتجريد ~ 4 مم نهاية كل سلك، تعريض الأساسية موصلة. بعد ذلك، إدخال كل كابل في المحطة الطرفية المناسب وتشديد المسمار مع مفك البراغي فيليبس.
- ضمان والإمداد doublecheck الأقطاب الصحيحة من الكابلات، خاصة فيما يتعلق الطاقة. اختبار قوة الاتصال عن طريق سحب الكابلات قليلاً، التحقق من أن كل شيء متصل بشدة.
- لزيادة خفض استهلاك الطاقة، إزالة السلطة الصمام المجلس متحكم ب desoldering أو قطع صمام LED من المجلس.
- وأخيراً، جبل المجلس BtM في حاوية مانعة لتسرب الماء الحفاظ على رطوبة بعيداً عن الإلكترونيات.
- تناسب العلبة مع حزمة البطارية، توصيله إلى المحطات الإيجابية والسلبية. جبل استشعار الرطوبة/درجة الحرارة خارج المربع، تركها متصلة بلوحة BtM.
- مسار الثمانية أزواج من مقاطع التمساح اللازمة لقياسات الموصلية إلى الخارج العلبة مانعة لتسرب الماء. الماضي، مقطع كل حبلا موس مع مقاطع التمساح.
2-تحميل البرنامج
- تنزيل وتثبيت بيئة التطوير المتكاملة (IDE) 1.0.6 من موقع19. متحكم استخدام منصة مفتوحة المصدر الحوسبة البدنية وأنه يأتي مع IDE الخاصة به. من المهم لتحميل الإصدار الملائم نظراً لوجود مشاكل توافق معروفة مع بعض المكتبات المطلوبة.
- تحميل المكتبات اللازمة من مستودع GitHub18: DS3234، DS3234lib3، بوويرسافير، سدفات، وسينسيريون.
- تحميل التعليمات البرمجية المصدر الرئيسي datalogger من مستودع GitHub18.
- قم بفتح الملف clock.ino لإعداد التاريخ والوقت الحالي. تحرير معلمات الدالة RTC.setDateTime بالوقت الحالي وتاريخ باستخدام التنسيق التالي:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss)؛ التاريخ: hh:mm:ss DD/MM/YY
هنا، DD MM هو اليوم، والشهر، و YY هي السنة، hh mm ساعة، ودقيقة، و ss ثانية. - ثم تحميل البرنامج على مدار الساعة للمجلس BtM، توصيل محول USB-إلى-المتسلسل (FTDI المنفصلة) في الموانئ برمجة متحكم دقيق واستخدام كبل USB ميني إلى USB للاتصال المجلس لجهاز الكمبيوتر. وأخيراً، اضغط أولاً التحقق من ، ثم تحميل في ide لوحدات.
- فتح المشروع datalog في ide لوحدات وتعديل الملف datalog.ino. إعداد وقت البدء للمسجل تحرير المتغيرات التالية:
دايستارت int = DD، هورستارت = سمو، مينستارت = مم
هنا، DD هو عدد اليوم، سمو ساعة بدءاً من القياسات، ومم دقيقة البدء.
ملاحظة: يجب أن تبدو التعليمة البرمجية لتعيين وقت محدد كما يلي:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss)؛//تاريخ 12/01/17 12:00 - تعيين الفاصل الزمني بين القياسات (بالثواني) لتعديل قيمة المتغير الفاصل الزمني.
3-تركيب مجسات القياس
- ضع مقاطع التمساح في مكانة مركزية للمجتمعات المحلية في حالات بريوفيتيس، فروتيكوسي الأشنات والاشنات فوليوسي (الشكل 2). الأشنات فروتيكوسي، قم بإرفاق القصاصات في نبتة، والطحالب، مباشرة على ساق أحد الأفراد. في حالة فوليوسي الأشنات، ضع القصاصات على الحدود لنبتة.
- الحفاظ الحد أدنى لمسافة من كاليفورنيا. 5 ملم بين الأقطاب. ضمان أن القصاصات التي لا تفصل بسهولة قبل البدء في القياسات.
4-معايرة لقياسات الموصلية
- للتأكد من أن العينات الجافة، إجراء المعايرة عند الظهيرة، في يوم مع الرطوبة النسبية للهواء منخفضة، مسبوقة بالأيام الجافة واحدة على الأقل، ويفضل أن يكون اثنين،.
- حدد مجتمع من موس أو الأشنات صحية وجيدة التنظيم.
- الاتصال datalogger موس أو حزاز، اتباع الخطوات الموجودة في القسم 3 من هذا البروتوكول.
- بدء القياسات (تشغيل datalogger) وترك المجلس BtM قيد التشغيل لحوالي 3 دقائق على استقرار القيم المسجلة.
- إجراء اختبار بريكاليبريشن لتقدير كمية المياه المطلوبة في كل حدث سقي. الاتصال المقاطع النموذج وإضافة الماء حتى يصل الموصلية قيمة التي لا تزيد بالإضافة إلى المياه. هذه هي قيمة الموصلية الحد الأقصى من تلك العينة. سيتم استخدام هذه القيمة لإنشاء الخطوات سقي للمعايرة (راجع الخطوة 4.7.1).
- انتظر حتى التدابير الموصلية العودة إلى القيم الأولية (العينات جافة).
- ثم إضافة الماء تسلسلياً مع رذاذ صغيرة.
- ترطيب العينات مع كمية من المياه يعادل 1/10 كمية المياه اللازمة لتحقيق الموصلية الحد الأقصى (راجع الخطوة رقم 4، 5) في العينة.
- انتظر حتى موس أو حزاز تمتص تماما الماء وقياسات الموصلية مستقرة قبل سقي من جديد (~ 1 دقيقة بين كل حدث سقي).
- كرر حتى الموصلية يصل إلى الحد الأقصى للقيمة (التشبع) وهو رطب موس أو حزاز تماما.
ملاحظة: ينبغي أن تأخذ كل اختبار المعايرة حوالي 15 دقيقة، استناداً إلى الفاصل الزمني بين السقايات، الذي ينبغي أن يكون 1-2 دقيقة.
- بعد الانتهاء من المعايرة، تأخذ بطاقة مايكرو من المجلس BtM ونسخ ملف البيانات إلى جهاز كمبيوتر.
ملاحظة: القيم المسجلة يمكن ثم أن تستخدم كخط أساس للتجارب. كما أنها ضرورية للقيام بهذه الخطوة للتحقق من أن الإنشاء بشكل صحيح هو تسجيل الموصلية العينات، فقط قبل تشغيل التجربة الفعلية.
5-بديلة المعايرة لتجارب مختبر
- تماما هيدرات مجتمع موس أو حزاز حتى يتم ملاحظة وجود فائض مياه الخارجية. لضمان أن المجتمع هو رطب تماما، إبقاء المجتمع رطبة لمدة 30 دقيقة.
- الاتصال datalogger موس أو حزاز، اتباع الخطوات الموجودة في القسم 3 من هذا البروتوكول.
- بدء القياسات وترك المجلس BtM قيد التشغيل لحوالي 3 دقائق على استقرار القيم المسجلة.
- انتظر حتى الموصلية يصل إلى قيمة الحد الأدنى (جفاف) ولم تعد تجري موس أو حزاز الكهرباء.
ملاحظة: يمكن أن تستمر كل المعايرة على الأقل 1 ح، ولكن المدة الغاية متغير تبعاً للأنواع الأحيائية. ينبغي أن تؤخذ قياسات حتى يتم تحقيق قيمة الموصلية الحد أدنى.
Representative Results
قمنا بتحليل التغيرات في الموصلية في هذين النوعين من الطحالب، هيدو سكوباريوم ديكرانوم . وقال روب H. أرام هومالوثيسيوم (شجرة التنوب). (الشكل 3)، أثناء عملية المعايرة في ظروف المختبر. كانت أبقت على 24 ساعة في هلام السليكا الحصير من الطحالب اثنين ووضعها في الركيزة اصطناعية (أي، عاينها) الذي أبقى هيكلها الأصلي (الشكل 2). ثم، كانت العينات الرطبة 15 س إلى س 20 مع رذاذ في فواصل زمنية 1 دقيقة. وتألفت كل حدث سقي من ca. 0.1 مل من الماء. في كل الأنواع، وعلاقة كبيرة بين الماء وأضاف والموصليه عينة (سكوباريوم دال- rS = 0.88، ف < 0.001؛ أوريوم H. rs = 0.87، ف < 0.001) لوحظ. وكانت هناك زيادة كبيرة في الموصلية (من 0% إلى 25% على الأقل) فقط في الماء أول إضافة، والتدابير التي بلغت بهم الموصلية الحد الأقصى في 4 مل سكوباريوم د ومل 10 ل aureum حاء. من المهم ملاحظة أن العلاقة بين كمية الماء والموصليه لوغاريتمي. ولذلك، قيم الموصلية بحاجة إلى أن تتحول إلى وجود علاقة خطية بين المتغيرات على حد سواء، وينبغي أن تكون على غرار العلاقة بينهما باستخدام الانحدار غير الخطية.
وجدنا بعض التباين بين العينات (انظر ألوان مختلفة في الأرقام 3 ألف و 3 باء)، على الرغم من أن جميع العينات التي تنتمي إلى نفس النوع وجهت منحنى مماثلة. الاختلاف بين العينات يمكن أن يعزى إلى الاختلافات في مورفولوجيا بقع والكتلة الحيوية. عينات في الميدان من المرجح جداً أن يظهر هذا النوع من التغير، حيث يوصي باتخاذ تدابير عدة لكل نوع المجتمع. وليس من المستغرب، تم العثور على تباين أعلى بين الأنواع، لأن الأنواع تختلف في عدة صفات أساسية (مثلاً، بتجميع حصائر أو مورفولوجيا). للتحكم في داخلها وفيما تقلب، نوصي بمعايرة كل قصاصة حتى تحقيق قيم الموصلية الحد الأقصى، ومن ثم إعادة قياس النتائج لكل مقطع حيث أن القيم الانتقال من 0 إلى 100. نعتبر أن قيم الموصلية المطلق يعتمد على المسافة بين مقاطع والموصليه القاعدية لينبع، حتى القيم التي يقدمونها ليست قابلة للمقارنة مباشرة.
كمية المياه المضافة في كل حدث سقي لعملية المعايرة أمر بالغ الأهمية، وسوف تؤثر بشدة على النتائج. هنا، كان الهدف لعدة أحداث سقي في نطاق أقصى قدر من الدقة BtM. ونقدم مثالاً على منحنى المعايرة عند إضافة الكثير من المياه في كل خطوة (الشكل 4). إذا هو أوفيرواتيريد العينة في سقي الحدث الأول، لا يمكن أن يكون موضع تقدير زيادة الموصلية والمعايرة وسوف تكون غير دقيقة. وهذا قد يؤدي إلى التحيز في النطاق كريبتوجامس نونفاسكولار فيها النشطة، التي اتخذت مع BtM القياسات الأكثر إثارة للاهتمام.
ونحن أيضا تحليل المنحنى جفاف من نفس هذين النوعين (H. أرام و سكوباريوم دال)، لتوفير إجراء معايرة بديلة. كانت تسقي الحصير من الطحالب اثنين بين عشية وضحاها لضمان أنها كانت مشبعة تماما. ثم استخراج جذع ممثل لكل سجادة ووضعها في بيئة مستقرة، والتي تسيطر عليها وتم تسجيلها في الموصلية باستمرار. أما بالنسبة لمقياس معايرة أخرى، قيم الموصلية بحاجة إلى أن تتحول إلى وجود علاقة خطية بين المتغيرات على حد سواء، وينبغي أن تكون على غرار العلاقة بينهما باستخدام الانحدار غير الخطية.
وتظهر الأرقام 5a و 5b منحنيات ديسيكيشن H. أرام وتقلبه سكوباريوم دال بين عينات من نفس النوع. داخلها وتقلبه فيما وجدت كانت كبيرة جداً، وكما هو الحال في إجراء المعايرة الأخرى، يمكن أن يعزى إلى الاختلافات في الكتلة الحيوية ومورفولوجية كل الجذعية. للتحكم في لذلك، نوصي بإجراء قياسات ثلاثة على الأقل من كل الأنواع. قيم الموصلية المطلقة ليست قابلة للمقارنة مباشرة في هذا الإجراء المعايرة، كما أنها تعتمد أيضا على المسافة بين مقاطع والقاعدية الموصلية في ينبع.
نقدم مثالاً على حقل البيانات بعد حدوث حدث مطر بين 23-26 حزيران/يونيه، 2014. علينا إظهار التباين اليومي في النسبة المئوية للرطوبة النسبية (الشكل 6ب) الموصلية (الشكل 6) وهطول الأمطار (الشكل 6ج) لنوع واحد من موس (روراليس سينتريتشيا (هيدو.) ف. ويبر ودال-مور). وكان هناك علاقة قوية بين الموصلية الطحلب والأحداث التي وقعت في هطول الأمطار والرطوبة النسبية للهواء. وخلال الفترة التي تم تحليلها، كانت هناك قمم اثنين في الموصلية والرطوبة نتيجة لهطول الأمطار حدثين. أول واحد وقع قبل منتصف الليل من يوم 23 حزيران/يونيه والثانية بعد ظهر يوم 24 حزيران/يونيه. حوالي 8 ساعة بعد الحدث المطر الأول، لاحظنا انخفاض الرطوبة النسبية للهواء، يليه هبوط مفاجئ في الموصلية موس أن يذهب أقل من 25 في المائة. المطر والحدث الثاني كان أصغر، ونتيجة لذلك، أنتجت ذروة أصغر في الموصلية. وبعد هذا الحدث المطر، الطحلب لم تجف فورا لكن بقي رطب بينما كانت نسبة الرطوبة أعلى من 75%.
الشكل 1 : الجمعية التخطيطي ل BtM datalogger. ويشمل التخطيطي صورة المجلس BtM وإخضاع كل مكون في المجلس. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2 : الموضع الصحيح من القصاصات في المعايير الأمنية التنفيذية الدنيا (أرام هومالوثيسيوم)- الصورة تظهر كيفية وضع مقاطع للحفاظ على الحد أدنى من مسافة بين مقاطع دون الأضرار الطحلبي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 3 : رد الموصلية لإضافة الماء. هذه اللوحات تظهر استجابة الموصلية المياه بالإضافة في () سكوباريوم ديكرانوم و (ب) H. أوريوم. وتظهر الألوان replicates مختلفة. نقاط البيانات هي متوسط الموصلية سجل تحولاً في فاصل زمني بين 10 و 30 ثانية بعد سقي الحدث. أشرطة الخطأ يمثل الانحراف المعياري للبيانات في ذلك الفاصل الزمني. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 4 : رد الموصلية تحويل السجل إلى إضافة المياه في سكوباريوم دال- عندما تكون كمية الماء المضافة كبيرة جداً للسماح للمعايرة. أشرطة الخطأ يمثل الانحراف المعياري للبيانات في ذلك الفاصل الزمني. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 5 : منحنيات جفاف. هذه اللوحات تظهر منحنيات جفاف () سكوباريوم د ) و (ب) H. أرام. نقاط البيانات التي يتم قياس متوسط الموصلية تحويل سجل كل عرض النقاط السوداء س. 30 يعني الثلاثة وإنشاء نسخ متماثلة وأشرطة الخطأ يمثل الانحراف المعياري للبيانات في ذلك الفاصل الزمني. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 6 : الاختلاف اليومي في الموصلية (رورالي سينتريتشياs) للمعايير الأمنية التنفيذية الدنيا، وهطول الأمطار والرطوبة النسبية- التدابير التي اتخذت في المجتمعات التربة من كانتوبلانكو، الحرم الجامعي في جامعة اوتونوما دي مدريد، إسبانيا. تم قياس الموصلية والرطوبة النسبية مع النموذج BtM، بينما تأتي بيانات هطول الأمطار من محطة الأرصاد الجوية وضع بضعة أمتار بعيداً عن موقع القياس. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
| التاريخ/الوقت | Temp(C) | RH(%) | Conductance(KMho) |
| 03/11/18 12:00 | 26.6 | 66.6 | 139.53 |
| 03/11/18 12:00 | 26.6 | 66.4 | 167.92 |
| 03/11/18 12:00 | 26.8 | 66.4 | 199.14 |
| 03/11/18 12:00 | 26.9 | 66.4 | 212.75 |
| 03/11/18 12:00 | 26.6 | 66.6 | 217.15 |
| 03/11/18 12:01 | 26.9 | 66.7 | 218.93 |
| 03/11/18 12:01 | 27 | 66.8 | 139.53 |
| 03/11/18 12:01 | 27.1 | 66.9 | 164.28 |
| 03/11/18 12:01 | 27.1 | 67.3 | 194.21 |
| 03/11/18 12:01 | 27.3 | 67.3 | 209.28 |
الجدول 1: مثال لإخراج BtM.
Discussion
على حد علمنا، هذا هو المرة الأولى التي تم تصميم datalogger لقياس درجة الحرارة والرطوبة والموصليه في نفس الوقت كوكيل لمحتوى الماء من الكائنات بويكيلوهيدريك استناداً إلى منصة الوصول المفتوح. BtM datalogger سهلة لبناء وفعال من حيث التكلفة، ويوفر أيضا قياسات عالية الجودة للبيانات مقاومة استخدام الحد الأدنى من الطاقة ودرجة الحرارة والرطوبة الجوية.
الجمعية بسيطة واحدة من المزايا الرئيسية لهذا datalogger. كما مشروع مفتوح المصدر، نحن نقدم برامج تسجيل البيانات ومخطط مفصل لهيكلها، جنبا إلى جنب مع دليل غير تقني لبناء datalogger BtM جاهزة لاستخدام. وهذا يجعل الطريقة متاحة لأي فريق البحث، حتى على تلك التي لا تعمل مع أحد المهندسين أو التقنيين المتخصصين. إلى جانب ذلك، جمعية كل datalogger يتطلب فقط حوالي ساعة واحدة إذا كان يتم استخدام الدوائر المطبوعة المجلس وحوالي 4 ساعات إذا شنت الدائرة من الباحثين. بالإضافة إلى ذلك، BtM datalogger عالية الفعالية من حيث التكلفة. وتبلغ التكلفة المقدرة للعناصر المكونة لكل وحدة ما يقرب من 100 يورو، بسعر منخفض نسبيا ويمكن تخفيض أبعد في مشاريع واسعة النطاق عن طريق تجميع دفعات داتالوجيرس عدة.
رغم أنه كانت هناك العديد من التطورات المنهجية الأخيرة الرامية إلى تنفيذ الأجهزة التي تقيس الجوانب المختلفة المتصلة بالنشاط الفسيولوجية للمجتمعات المحلية كريبتوجام نونفاسكولار، BtM يملأ فجوة معرفة هامة. راجيو et al. توظيف 15 دا موني، نظام رصد الذي يحصل على المعلومات الفسيولوجية ويعزى. يتم جمع النشاط الفسيولوجية عن طريق الكلوروفيل الأسفار، أسلوب يستخدم على نطاق واسع في المختبر لتقدير نشاط التمثيل الضوئي في الكائنات الحية. على الرغم من أن هذا الأسلوب درجة عالية من الدقة، إلا أنها أكثر تكلفة بكثير مما BtM datalogger. إلى جانب ذلك، نظام الرصد هو منتج شركة خاصة، التي تخفيضات مرة أخرى من الاستقلال الذاتي للمجموعة البحثية.
كما تستند اثنين الأساليب الأخرى التي تم نشرها مؤخرا في تقدير محتوى الماء من كريبتوجامس نونفاسكولار. الأول يرتكز على القياسات الحرارية (طريقة نبض (دفب) حرارة التحقيق المزدوج). على الرغم من أن مؤخرا أظهرت نتائج واعدة من الشباب et al. 16، عدم وجود أي خطة محددة في الورقة يجعل تجميع من دون المعرفة المتخصصة التي تنطوي على تحد كبير. وأخيراً، ويبر وآخرون وقدمت 14 جهاز استشعار تسمى مسبار الرطوبة بيوكروست (BWP)، التي مشابهة جداً ل BtM datalogger. بيد أنها لا توفر أي مخطط لبنائها، مما يعوق إمكانية بناء datalogger دون المساعدة من أخصائي. يمكننا التغلب على هذه المشكلة بتوفير مخطط البناء بل أيضا لوحات الدوائر الإلكترونية لتجميع datalogger. من المثير للاهتمام، يمكن بسهولة تعديل BtM قياس بيوكروستس، الأفراد المنعزلة، أو الوسائد، فقط عن طريق تغيير مقاطع التمساح (بالنسبة للأفراد/الوسائد حزاز أو الطحلبي) سبائك النحاس القطب دبابيس (بيوكروستس). إذا لزم الأمر، يمكن استبدال جزء فقط من التماسيح، مما يتيح إجراء مقارنات مباشرة بين أنواع مسبار قياس اثنين.
عند تفسير النتائج، العلاقة بين النشاط ومحتوى الماء بعناية ينبغي، نظراً BtM لا تقيس مباشرة عملية التمثيل الضوئي. التمثيل الضوئي والنشاط ارتباطاً وثيقا في كريبتوجامس نونفاسكولار حيث كائن بويكيلوهيدريك جافة في وقف الأيضية واحد رطب نشط. ومع ذلك، لا يمكن استنتاج درجة نشاط التمثيل الضوئي مباشرة من محتوى الماء، حتى ولو بنشاط التمثيل الغذائي أعلى-ومن ثم ارتفاع نشاط الضوئي-يمكن أن يتوقع في كائن رطب جيدا.
خطوات حاسمة:
وعلى الرغم من سهولة الجمعية، هناك بعض الخطوات الحاسمة في البروتوكول التي ينبغي أن تكون موجهة بعناية من الباحثين عند تركيب أجهزة الاستشعار. أولاً، كما أكدت في البروتوكول، فمن السهل جداً لإنتاج دوائر قصيرة عند لحام، الذي، في أسوأ الأحوال، يمكن أن يؤدي في أضرار خطيرة لمتحكم دقيق. من المهم جداً للتحقق من وجودها مع متعدد وإزالتها قبل توصيل البطاريات. ونحن نوصي باستخدام تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور المتوفر نظراً لأنه يبسط العملية إلى حد كبير، وقد يكون أفضل خيار للتغلب على هذه المشكلة. ثانيا، ليس كل IDE الإصدارات غير متوافق مع المكتبات المطلوبة لهذا datalogger. من المهم أن التحميل السليم واحد (1.0.6) لتجنب أي التوافق القضايا. ثالثا، أنه من المهم أن نلاحظ قطبية البطاريات. يمكن أن يؤدي انعكاس قطبية الأضرار الخطيرة للأجهزة. ورابعاً، المعايرة خطوة حاسمة. BtM datalogger مصمم بحيث يتزامن دقة أعلى مع اللحظة التي يذهب كريبتوجام من الجاف الرطب الدولة. وهذا يعني أن قيم الموصلية تشبع قبل وقت طويل من العينة مشبعة بالمياه. ومع ذلك، إذا كان يتطلب الدراسة في متناول اليد دقة أعلى حول القيم الأخرى، يمكن تعديلها. تتطلب تدابير تتجاوز مجرد أمر من حجم واحد من هذا المرجع المقاوم للتغيير، وهي عملية تقويم (انظر أدناه). كما أن درجة الحرارة البيئية يمكن أن يؤثر على دقة القياسات، نوصي بمراعاة هذا العامل عند معايرة. للقيام بذلك، ينبغي القيام بالمعايرة في درجات حرارة منخفضة للتحقق من وجود تغييرات في دقة القياس والاستقرار (انظر كوكسسون12 لتأثيرات درجة الحرارة).
التعديلات:
على الرغم من أن معظم المكونات BtM ثابتة، يمكن بسهولة تعديل بعض في الميدان دون لحيم. تعديل أبسط استبدال مقاطع التمساح لأنظمة أخرى التحقيق أو القياس. على سبيل المثال، بدلاً من القصاصات التماسيح، تحقيق مع دبابيس اثنين، مثل تلك التي اقترحت في فيبر et al. ويمكن استخدام 14،.
في بيئات نائية، حيث أن تغيير البطاريات قد لا يكون ممكناً ضمن الترددات اللازمة، يمكن أن تستكمل البطاريات مع لوحة شمسية الطاقة BtM datalogger لفترات أطول.
بتغيير المقاومات المرجعية المستخدمة لقياس الموصلية، يمكن تعديل درجة دقة أعلى بسهولة إلى أعلى أو أقل قيمة. إذا عدلت، نوصي بشدة تقويم دقيق. أيضا، في التعليمات البرمجية المصدر، يجب تعيين المتغير RValue ، التي هي مبرمجة لقيمة مقاوم من 330 KΩ، إلى القيمة المناظرة الجديدة (datalog.ino).
الاستنتاج:
مجتمعات كريبتوجام نونفاسكولار متنوعة إلى حد كبير، ويقوم بعدد من الأدوار الإيكولوجية الرئيسية المختلفة، ولذلك فهم علاقاتهم مع البيئة اللاأحيائية مسألة حاسمة. وقد BtM datalogger العديد من التطبيقات التي سوف تساعد في تقدم المعرفة بهذه العلاقات. على سبيل المثال، سيساعد على تعميق الأفكار حول الأوضاع حيث تعمل هذه الكائنات كبالوعات الكربون أو مصادر الكربون. التقلبات التي تحدث بين هذه الأدوار اثنين بشدة تتعلق بالظروف اللاهوائية مثل درجة الحرارة والرطوبة3، ولكن كميات كبيرة من البيانات اللازمة لوصف وفهم الاختلافات في تلك العلاقة على صعيد عالمي. وهذا يتطلب شبكات استشعار الكثيفة التي تكون ممكنة فقط إذا أنها تعتمد على معدات منخفضة التكلفة وسهلة التنفيذ.
وباختصار، هذا الجهاز هو أداة مفيدة لمجموعات البحوث الإيكولوجية ويتغلب على المعوقات التقنية لتصميم وبناء datalogger. أن الجمع بين هذين العاملين قد يؤدي إلى تعميم استخدام داتالوجيرس لقياس العلاقات المياه من كريبتوجامس نونفاسكولار في الموقع. هذا، بدوره، يمكن أن تعزز إنشاء شبكات الرصد متوسطة وطويلة الأجل. تطوير هذه الشبكات أمر ضروري لتقييم استجابة كريبتوجامس نونفاسكولار للمحلية والإقليمية عوامل بيئية، كذلك فيما يتعلق بتحديد دورها في عمليات النظم الإيكولوجية (مثلاً، دورات المغذيات، الجمعية المجتمع) وعلى الاستجابة الأكثر احتمالاً في ضوء التغييرات في العوامل المناخية وبشري المرتبطة بالتغير العالمي.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
الكتاب ممتنون لمانويل مولينا (UAM) و كريستينا رونكويلو (منكن-السفن) للمساعدة المقدمة أثناء اختبارات المعايرة، وإلى Estébanez بيلين (UAM) لمساعدة لها من خلال حملات جمع العينات.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BtMboard circuit (PCB) | 1 | ||
| Arduino Pro Mini 328 3.3 V (APM) | Arduino | 1 | |
| FTDI Basic Breakout | SparkFun | 1 | |
| MiniUSB to USB cable adapter | 1 | ||
| TLC274 operational amplifier | Texas Instruments | 2 | |
| 2.54 mm breakout pin strip | 1 | ||
| 330 KOhm resistor | 8 | ||
| 330 Ohm resistor | 2 | ||
| 10 KOhm resistor | 1 | ||
| 2N3904 Transistor | 2 | ||
| Bornier connector, 2x1 5.08 mm | 9 | ||
| 1.5 V AA battery | 3 | ||
| 3xAA battery holder with switch | 1 | ||
| Sensirion SHT71 | Sensirion | 1 | |
| DS3234 RTC Breakout (clock) | SparkFun | 1 | |
| CR1225 3 V Coin-cell battery | 1 | ||
| MicroSD Transflash breakout | SparkFun | 1 | |
| Crocodile clip connector | 16 | ||
| Weatherproof enclosure box | 1 | ||
| 12 AWG stranded cable spool | 1 | ||
| Cutting pliers | 1 | ||
| 30 W soldering iron | 1 | ||
| Solder wire spool | 1 | ||
| Arduino IDE 1.0.6 | Arduino | 1 | |
| Arduino library DS3234 | Arduino | 1 | |
| Arduino library DS3234lib3 | Arduino | 1 | |
| Arduino library Powersaver | Arduino | 1 | |
| Arduino library SdFat | Arduino | 1 | |
| Arduino library Sensirion | Arduino | 1 |
References
- 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).
- Proctor, M. C. F., et al. Desiccation-tolerance in bryophytes: a review. The Bryologist. 110 (4), 595-621 (2007).
- Lindo, Z., Gonzalez, A. The Bryosphere: An Integral and Influential Component of the Earth's Biosphere. Ecosystems. 13 (4), 612-627 (2010).
- Elbert, W., et al. Contribution of cryptogamic covers to the global cycles of carbon and nitrogen. Nature Geoscience. 5, 459-462 (2012).
- Magill, R. E. Moss diversity: New look at old numbers. Phytotaxa. 9 (1), 167-174 (2014).
- Söderström, L., et al. World checklist of hornworts and liverworts. PhytoKeys. (59), 1-828 (2016).
- 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).
- Bowker, M. A. Biological Soil Crust Rehabilitation in Theory and Practice: An Underexploited Opportunity. Restoration Ecology. 15 (1), 13-23 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Coxson, D. S. Impedance Measurement of Thallus Moisture Content in Lichens. The Lichenologist. 23 (1), 77-84 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- Young, M. H., Fenstermaker, L. F., Belnap, J. Monitoring water content dynamics of biological soil crusts. Journal of Arid Environments. 142, 41-49 (2017).
- Accurate low power temperature/relative humidity data logger. , Available from: http://www.osbss.com/tutorials/temperature-relative-humidity/ (2015).
- GitHub - united-ecology/btmboard. , Available from: https://github.com/united-ecology/btmboard (2018).
- Arduino - Software. , Available from: https://www.arduino.cc/en/Main/Software (2018).
