Summary
Vi præsenterer en enkel og omkostningseffektiv metode til at opbygge en open source datalogger, der måler konduktans af nonvascular cryptogams samt miljømæssige temperatur og luftfugtighed. Vi beskriver hardwaredesign af datalogger og giver trin for trin samlevejledning, listen over kræves logføring af open source software, koden til at køre datalogger og en kalibrering protokol.
Abstract
Samfund af nonvascular cryptogams, såsom mos eller lav, er en vigtig del af jordens biologiske mangfoldighed, bidrager til reguleringen af kulstof og kvælstof cyklusser i mange økosystemer. At være poikilohydric organismer, gør de ikke aktivt styre deres interne vandindhold og har brug for et fugtigt miljø til at aktivere deres stofskifte. Derfor, at studere vand relationer af nonvascular cryptogams er afgørende for at forstå både deres mangfoldighed mønstre og deres funktioner i økosystemerne. Vi præsenterer BtM datalogger, en lavpris-open source-platform for studier af vandindholdet i nonvascular cryptogams. Datalogger er designet til at måle omgivelsernes temperatur, luftfugtighed og ledningsevne fra op til otte prøver samtidigt. Vi leverer et design for en printplade (PCB), en detaljeret protokol til at samle komponenterne, og kræves kildekode. Alt dette gør samling af BtM datalogger adgang til enhver forskningsgruppe, selv til dem uden specielle forkundskaber. Derfor har design præsenteres her potentiale til at hjælpe med at udbrede brugen af denne type enhed blandt økologer og felt biologer.
Introduction
Samfund af nonvascular cryptogams er en allestedsnærværende og en ofte overset del af terrestriske økosystemer1. De er lavet af et aggregat af meget forskellige små organismer blandt hvilke mosser og lav er udestående primærproducenterne. Disse to grupper af organismer deler et fysiologisk kendetegn, der gør dem unikke: vandtrang, eller manglende evne til at kontrollere aktivt deres interne vandindhold. Dette har dybtgående konsekvenser for deres fysiologiske processer, da stofskiftet ophører, når cellerne er tørret ud som reaktion på lave niveauer af fugtighed og genoptager når miljøet er fugtigt igen2. Som følge heraf undgå nonvascular cryptogams tørke i stedet for at håndtere det2, som gør det muligt for disse samfund at overleve i en lang række miljøer fra kolde og varme ørkener til troperne3,4.
Udover, de også viser relativt enkle strukturer og har lav næringsstofbehov. Disse egenskaber gør dem meget følsomme over for saltningsingredienser betingelser. Faktisk, indtager nonvascular cryptogams ofte en niche plads, som ikke er tilgængelig til karplanter i en større størrelse, danner økosystemer i miniature, der udgør en vigtig del af verdens mangfoldighed. Mosser og laver alene omfatter næsten 40.000 arter (ca. 20.000 mosser sensu lato5,6 og ca. 20.000 laver7). Derudover er deres bidrag til jordens biodiversitet endnu større, da deres samfund giver husly til et stort antal arter af svampe, herunder en varieret flora af fritlevende og mycorrhizal svampe, N-fikserer cyanobakterier vokser som epifytter , og et utal af mikro-vanddyr, biogeografi, collembola, myriapods, insekter og mider, som drager fordel af væskeophobning kapacitet og bufferet forhold inde i disse miniature økosystemer.
Fællesskaber af ikke-kar cryptogams også bidrage til reguleringen af biogeokemiske kulstof kredsløb. I tørre økosystemer, de såkaldte biologiske jord skorper dække op til 40% af deres overflade8 og spille en større rolle som kulstofdræn. En nylig revision anslået, at biologiske jord skorper tørre miljøer kunne fastsættelse af 7% af alle CO2 fastsættes af terrestriske vegetation. Desuden, i andre økosystemer, hvor enten mosser eller lav eller en kombination af begge er de primære producenter - som nogle boreale skov systemer eller tørvemoser - de producerer mellem 30% og 100% af de samlede netto primære produktivitet10,11 . De er også vigtige i økosystemer, hvori disse organismer ikke er dominerende, såsom tempererede skove. Skov gulvet mosser havde faktisk en årlige CO2 optagelse svarende til ca. 10% skov gulvet respiration i en New Zealand tempereret regnskov. Yderligere, de er også vigtige for Kvælstoffiksering, siden cyanobakterier lever som epifytter i disse samfund kunne fikserer næsten 50% af det samlede beløb af biologiske kvælstof4.
På grund af afhængighed af deres fysiologiske aktivitet på tilgængeligheden af vand i det omgivende miljø, både mangfoldigheden af nonvascular cryptogam samfund og deres funktioner i økosystemerne er stærkt afhængige af vand indhold2. Bemærk, at da de ikke aktivt styrer vandindholdet i deres væv, deres roller i kulstofbalance og Kvælstoffiksering er kombineret med hydrering og udtørring cyklusser og, derfor, afhænger interval og hyppighed af tør-våd cyklusser. Således, at kende vand indhold status for disse organismer i realtid er nøglen til at forstå funktionerne, der udføres af cryptogams i økosystemerne.
Trods dens betydning, udvikling af metoder til at måle vandets indhold og fysiologiske aktivitet i poikilohydric organismer har været relativt langsom. I 1991, Coxson12 lavet en første tilgang til direkte måling af vandindholdet i laver. Efter at var der et hul i denne slags undersøgelse indtil en nyere udvikling, når flere værker har givet metoder til at tilnærme foranstaltninger af nonvascular cryptogams13,14,15, fysiologisk status 16. Ikke desto mindre sådan viden er stadig sparsomme og spredte, og disse værker er for det meste fokuseret på jord skorper4,8. Men, mosser og laver også spille en relevant rolle i mange andre økosystemer, især på tempererede boreale og polar region1, og deres betydning er betydelig ikke kun i jord samfund men også for epifytiske samfund vokser på træer og saxicolous samfund på klipperne. Denne mangel på forskning hænger delvist sammen med fraværet af kommercielt tilgængelige måling dataloggers, hvilket tvinger forskningsgrupper at bygge deres eget udstyr. Udvikle en datalogger kræver specialviden, som de fleste miljøforkæmpere ikke har, så det væsentligt øger omkostningerne ved implementering af de relativt store måling net skulle indsamle repræsentative data om udførelsen af nonvascular cryptogams langs miljømæssige og habitat forløb.
I dette papir præsenterer vi en enkel og omkostningseffektiv metode til at bygge en datalogger i stand til at måle ledningsevne af nonvascular cryptogamic organismer samtidigt med den omgivende temperatur og luftfugtighed. Det er programmeret til at registrere selvstændigt for forholdsvis længere tid (op til to måneder) og er robust nok til at modstå barske udendørs feltbetingelser. På grund af sin enkelhed, vil det være et nyttigt redskab for økologer og felt biologer uden specialuddannelse i udviklingen af dataloggers eller de forskergrupper, der mangler specialiseret personale. Denne datalogger har derfor potentialet til at hjælpe med at udbrede brugen af denne type udstyr.
Vi udviklede et lavt strømforbrug og lave omkostninger datalogger stand til at måle ledningsevne fra op til otte forskellige kilder og optage de miljømæssige temperatur og relativ luftfugtighed samtidig. Enheden er designet efter Coxson's design12 og gennemføres på en open source platform (Tabel af materialer). Formålet var at prioritere lethed af forsamlingen og strømeffektivitet og lette vedligeholdelse af langsigtede installationer. Designet er afledt fra en artikel af Open Source bygning videnskab sensorer (OSBSS)17. Dette design blev ændret af indarbejde yderligere kredsløb til at læse ud impedans af cryptogams og gøre det mere kompakt og lettere at fremstille.
Resultatet er BtM board (Bryolichen temperatur fugt board), en open source printed circuit board18. Hvert bord er kontrolleret af en høj energi-effektive mikrokontroller (Bordet af materialer). Temperatur og relativ luftfugtighed miljødata er samlet gennem en temperatur og luftfugtighed sensor, der kommer precalibrated, og bortset fra dens lave strømforbrug, har en passende pris-ydelsesforhold.
Bestyrelsen bruger en digital kommunikationsprotokol (standard SPI seriel) til at administrere måling cyklussen. Et realtids ur (DS3234) monteret på hver board giver præcis timing. For at reducere energiforbruget, processoren er fortsat i standbytilstand det meste af tiden. Hver gang data skal indsamles, real-time ur aktiveres processoren og udløser logføringsprocessen. Den real-time clock bruges også til at præcist at registrere den dato og tidspunkt for hver data sag.
Op til otte moss og/eller lichen kan prøver logges på samtidig ved hjælp af en enkelt BtM bord. Når eksperimentet er sat op, er to krokodille-klip elektrode sonder anvendes hver moss/lichen prøve. Så en spænding skillevæg mellem hver elektrode og en modstand reference med en kendt værdi (330 KΩ i dette tilfælde) er brugt. Denne modstand værdi var valgt gennem kalibrering og baseret på tidligere foranstaltninger af cryptogams. Det giver en løsning på én størrelsesorden omkring referenceværdien (100-1.000 KΩ). Spændingsfald er bufferet og derefter læse med microcontroller bruger sine analoge porte (A0 - A7)18. Spændingen beregnes ved at anvende følgende formel.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
Her, ADCi er den rå værdi fra ADC (Analog til Digital konverter) af kanalen, VCC er forsyningsspændingen (3.3 V i dette tilfælde) og 1023 er rækken af ADC-output. Den resulterende spændingen Vi bruges derefter i kombination med Ohms lov til at beregne den modstand (Ri, Ω) og ledningsevne (G, S) af hver prøve, moss.
RI = (VCC x RL) / Vi - RL
G = 1 / Ri
Her, er RL værdien af modstanden reference (330 KΩ i dette tilfælde). Den microcontroller onboard software indeholder alle disse ligninger, så det kan direkte registrere værdier af modstand og ledningsevne.
Bestyrelsen indsamler også målinger af rumtemperatur og luftfugtighed ved hjælp af sensorer. Derefter skrives hvert datapunkt til en logfil på et microSD-kort. Et microSD TransFlash breakout bord var monteret på hver BtM bord til dette formål. Endelig, microSD-kort kan indsamles manuelt efter forsøget. Alle datapunkter kan overføres til en computer for yderligere analyse.
Protocol
1. montering af Datalogger
- Forbered en loddekolbe og en spole af loddetråd. Afvente loddekolbe til at varme og fugte rengøring svamp.
- Skær pin header strimler til den ønskede længde og lodde dem til soklerne til temperatur og luftfugtighed sensoren, mikrokontroller og modulerne RTC clock og microSD breakout.
- For at lodde, Forvarm den ønskede sammen med spidsen af loddekolbe.
- Derefter, anvende en lille mængde af materiale fra den loddetråd, nok til at fylde krydset.
- Endelig, fjerne loddekolbe og vente på krydset til at køle ned.
- Samle komponenterne at kredsløb ved hjælp af den samme procedure som i trin 1.2, efter aftegninger af Printet og komponent henvisninger angivet i Tabel af materialer (Se figur 1 for en forsamling ordning).
- Først, lodde modstandene. Derefter, lodde soklerne til de operationelle forstærkere, SHT7X sensor og modulerne RTC clock og microSD breakout.
- Næste, lodde de to transistorer. Bestyrelsen skal også være loddet nu, ved hjælp af pin-headere. Endelig solder stik til bestyrelsen.
- Lodde SHT7X fugt/temperatur sensor i en pin header eller udvidelse kabel til at styrke kundeemnerne.
- Forberede et multimeter i kontinuitet test eller ledningsevne test mode. Brug multimeter til at kontrollere, at der er nogen kortslutninger mellem nogen af ben eller tilslutninger.
- Doublecheck de positive og negative terminaler af power supply. Kontroller også, at hver loddetin fælles skaber en stabil forbindelse mellem komponent pins og kobber sporene af kredsløbet.
Bemærk: Dette trin er meget vigtig. ikke springe det.
- Doublecheck de positive og negative terminaler af power supply. Kontroller også, at hver loddetin fælles skaber en stabil forbindelse mellem komponent pins og kobber sporene af kredsløbet.
- Tilslut batteripolerne og kabel clips til bestyrelsen ved hjælp af en skruetrækker.
- Brug først en skærende værktøj for at fratage ~ 4 mm i hver tråd ende, afsløre den ledende kerne. Næste, indføre hvert kabel i den relevante terminal og stramme skruen med Phillips skruetrækker.
- Sikre og doublecheck den korrekte polaritet af kabler, især dem af magt levering. Teste styrken af forbindelsen ved at trække kablerne lidt, kontrollere, at alt hænger fast.
- For yderligere at reducere strømforbruget, fjerne strømindikator bestyrelsens microcontroller af enten desoldering eller afskære LED diode fra brættet.
- Endelig, montere BtM bestyrelsen i et vejrbestandigt kabinet til at holde fugt væk fra elektronikken.
- Passe kabinet med batteripakke, tilsluttes de positive og negative terminaler. Monter luftfugtighed og temperatur sensor ud af boksen, forlader det tilsluttet BtM board.
- Rute otte par af krokodille klip behov for til ledningsevne målinger til ydersiden af den vejrbestandigt kabinet. Sidste, klip hver moss strand med krokodille klip.
2. ladning softwaren
- Hent og Installer det integrerede udviklingsmiljø (IDE) 1.0.6 fra hjemmesiden19. Mikrokontroller bruges er en open source fysiske computing platform, og det kommer med sin egen IDE. Det er vigtigt at downloade den passende version, da der er kendte kompatibilitetsproblemer med nogle af de krævede biblioteker.
- Download de nødvendige biblioteker fra GitHub opbevaringssted18: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat og Sensirion.
- Dataoverføre den vigtigste kildekode for datalogger fra GitHub opbevaringssted18.
- Åbn filen clock.ino til opsætning af aktuel tid og dato. Rediger parametrene til funktionen RTC.setDateTime med klokkeslæt og dato ved hjælp af følgende format:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); Dato: DD/MM/ÅÅ klokkeslæt
Her, DD er dagen, MM er måneden, åå er året, hh timen, mm er minutter, og ss er sekunder. - Derefter skal du overføre programmet ur til BtM bestyrelsen, tilslutte USB til seriel adapter (FTDI breakout) til microcontroller programmering havne og bruger et mini-USB-til-USB-kabel til at forbinde bestyrelsen til computeren. Endelig første tryk Bekræft og derefter uploade i IDE.
- Åbn projektet, datalog i IDE og redigere filen datalog.ino. Angive starttidspunktet for den logger redigering følgende variabler:
int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = mm
Her, DD er antallet af dagen, hh er den starte time af målinger og mm minut i starten.
Bemærk: Koden til at konfigurere et bestemt tidspunkt skal se sådan ud:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / dato 01/12/17 12:00:00 - Indstille intervallet mellem målinger (i sekunder) ændring af værdien af den variable interval.
3. opsætning af måling sonder
- Placer crocodile udklip på en central placering af Fællesskaberne i tilfælde af mosser, fruticose lav og foliose lav (figur 2). Fruticose lav, vedhæfte klippene i af thallus og for mos, direkte på stænglen af en individuel. Ved foliose lav, placere udklippene på grænsen af thallus.
- Holde en minimumafstand på ca. 5 mm mellem elektroderne. Sikre, at klippene ikke nemt udsendte før Start målinger.
4. kalibrering for konduktans målinger
- For at sikre, at enhederne er tør, skal du udføre kalibrering ved middagstid, på en dag med lav relativ luftfugtighed, efterfulgt af mindst ét og helst to, tørre dage.
- Vælg et fællesskab af mos eller lav, som er sund og velstruktureret.
- Tilslut datalogger til mos eller lichen, følge vejledningen i afsnit 3 i denne protokol.
- Start målinger (tænde datalogger) og forlade BtM bestyrelsen kører for ca. 3 min. til at stabilisere de registrerede værdier.
- Udfør en precalibration test for at vurdere mængden vand, der kræves i hver vanding begivenhed. Tilslut klippene til prøven og der tilsættes vand indtil ledningsevne når en værdi, der ikke øger med tilsætning af vand. Dette er den maksimale konduktans værdi af at prøve. Denne værdi bruges til at etablere de vanding trin i kalibreringen (Se trin 4.7.1).
- Vent, indtil konduktans foranstaltninger tilbage til de oprindelige værdier (prøverne er tør).
- Derefter tilsættes vand sekventielt med en lille spray.
- Fugte prøver med en mængde vand svarende til 1/10 af mængden vand nødvendig for at opnå den maksimale ledningsevne (Se trin 4,5) i prøven.
- Vent til mos eller lichen fuldt absorberer vand og ledningsevne målinger er stabile før vanding igen (~ 1 min mellem hver vanding begivenhed).
- Gentag indtil ledningsevne når den maksimale værdi (mætning) og mos eller lichen er fuldt hydreret.
Bemærk: Hver kalibrering test bør tage ca 15 min, afhængig af intervallet mellem vandingerne, som bør være 1-2 min.
- Efter endt kalibrering, tag microSD-kortet fra BtM bestyrelsen og kopiere datafil til en computer.
Bemærk: De loggede værdier kan derefter bruges som en baseline for forsøgene. Det er også nødvendigt at gøre dette trin for at kontrollere, at set-up korrekt registrerer konduktans af prøverne, lige før du kører det faktiske eksperiment.
5. alternative kalibrering for Lab eksperimenter
- Helt hydrat Fællesskabet af mos eller lichen indtil et overskud af eksterne vand er observeret. For at sikre, at Fællesskabet fuldt hydreret, holde Fællesskabet fugtig i 30 min.
- Tilslut datalogger til mos eller lichen, følge vejledningen i afsnit 3 i denne protokol.
- Start målingerne og forlade BtM bestyrelsen kører for ca. 3 min. til at stabilisere de registrerede værdier.
- Vent indtil ledningsevne når minimumværdien (udtørring) og mos eller lichen ikke længere fører elektricitet.
Bemærk: Hver kalibrering kunne vare mindst 1 h, men varigheden er meget variabel afhængig af arten. Målinger bør være indtil et minimum konduktans værdi er opnået.
Representative Results
Vi analyserede ændringer i ledningsevne i to arter af mosser, almindelig scoparium Hedw. og Homalothecium aureum (Gran) H. Rob. (Figur 3), under kalibreringsprocessen i lab betingelser. Måtter af de to mos blev holdt til 24 h i silica gel og placeret i et kunstigt substrat (dvs., vat), der holdt deres oprindelige struktur (figur 2). Derefter, at stikprøverne var vandes 15 x 20 x med en spray i 1 min. intervaller. Hver vanding event bestod af ca. 0,1 mL vand. I begge arter, en høj korrelation mellem vand tilsættes og prøve ledningsevne (D. scoparium rS = 0,88, p < 0,001; H. aureum rs = 0.87, p < 0,001) blev observeret. Der var en stor stigning i ledningsevne (fra 0% til 25% i det mindste) netop i det første vand ud, og foranstaltningerne, der nåede deres maksimale ledningsevne på 4 mL for D. scoparium og 10 mL for H. aureum. Det er vigtigt at bemærke, at forholdet mellem mængden af vand og ledningsevne er logaritmisk. Derfor, værdierne af ledningsevne skal omdannes til at have en lineær sammenhæng mellem to variabler, og deres forhold bør være modelleret ved hjælp af ikke-lineær regression.
Vi fandt nogle variation blandt de prøver (se de forskellige farver i tal 3a og 3b), selv om alle prøver af de samme arter trak en lignende kurve. Variation mellem prøver kan tilskrives forskelle i biomasse og morfologi af patches. Prøver i feltet er meget tilbøjelige til at vise denne type af variation, så at træffe flere foranstaltninger af hver type, EF anbefales. Ikke overraskende, blev den højeste variation fundet blandt arter, eftersom arter varierer i adskillige grundlæggende egenskaber (fx, sammenlægning af måtter eller morfologi). For at kontrollere for intra- og interspecies variation, anbefaler vi kalibrering hvert klip frem til at opnå de maksimale konduktans værdier og derefter rescaling resultaterne for hvert klip, således at værdierne går fra 0 til 100. Overveje at absolute ledningsevne værdier afhænger af afstanden mellem klip og basal konduktans af stænglerne, så de værdier, de giver, ikke er direkte sammenlignelige.
Mængden af vand tilføjes i hver vanding begivenhed i kalibreringsprocessen er afgørende og påvirker stærkt resultaterne. Her, var målet at have flere vanding begivenheder i rækken af maksimal nøjagtighed af BtM. Vi præsenterer et eksempel på en kalibreringskurve, når alt for meget vand er tilføjet i hvert trin (figur 4). Hvis prøven er overwatered i det første tilfælde, vanding, stigningen i ledningsevne kan blive værdsat og kalibreringen vil være unøjagtige. Dette kan føre til skævheder i området hvor nonvascular cryptogams er aktiv, som er de mest interessante maalinger med BtM.
Vi har også analyseret udtørring kurven af de samme to arter (H. aureum og D. scoparium), således at give en alternative kalibreringsmetode. Måtter af de to mos var vandes natten over for at sikre, at de var fuldt mættet. Derefter en repræsentativ stilk af hver mat blev udvundet og placeret i en stabil, kontrolleret miljø og ledningsevne blev indspillet kontinuerligt. Hvad angår anden foranstaltningen, kalibrering, værdier af ledningsevne skal omdannes til at have en lineær sammenhæng mellem to variabler, og deres forhold bør være modelleret ved hjælp af ikke-lineær regression.
Tal 5a og 5b Vis dessication kurver af H. aureum og D. scoparium variation blandt prøver af samme art. Intra- og interspecies variation fandt var ganske store, og som i andre kalibreringsproceduren, kunne tilskrives forskelle i biomasse og morfologi af hver stængel. For at kontrollere for det, anbefaler vi udfører mindst tre målinger pr. art. Absolute ledningsevne værdier er ikke direkte sammenlignelige i denne kalibreringsmetode, som de også afhænger af afstanden mellem klip og basal konduktans af stænglerne.
Vi præsenterer et eksempel af field data efter en regn begivenhed fandt sted mellem juni 23-26, 2014. Vi viser den daglige variation i procentdelen af ledningsevne (figur 6en), relativ fugtighed (fig. 6b) og nedbør (figur 6c) for én art af moss (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber & D. Mohr). Der var en stærk sammenhæng mellem ledningsevne af mos, nedbør begivenheder og relative fugtigheden i luften. Den periode, der er analyseret, var der to toppe i ledningsevne og fugtighed som følge af to nedbør begivenheder. Den første, der fandt sted lige før midnat af 23 juni og den anden efter middag på juni 24. Om 8 h efter hændelsen første regn observeret vi et fald i den relative luftfugtigheden af luft, efterfulgt af et pludseligt fald i moss ledningsevne, der går under 25%. Den anden regn begivenhed var mindre, og derfor produceres en mindre top i ledningsevne. Efter denne regn begivenhed, mos tørre ikke ud straks men opholdt sig hydreret, mens luftfugtigheden var over 75%.
Figur 1 : Samling skematisk af BtM datalogger. Skematiske omfatter et billede af BtM bestyrelsen og placering af hver komponent i bestyrelsen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 : Korrekt placering af klip i en moss (Homalothecium aureum). Billedet viser hvordan man kan placere klip for at holde en minimal afstand mellem klip uden at beskadige bryophyte. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Svar af ledningsevne til vand tilføjelsen. Disse paneler Vis svar af ledningsevne til vand ud i (et) almindelig scoparium ) og (b) H. aureum. Farver viser de forskellige replikater. Datapunkterne er gennemsnittet af den log-transformeret ledningsevne i et interval mellem 10 og 30 s efter hændelsen vanding. Fejllinjer udgør standardafvigelsen af dataene i dette interval. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 : Svar af log-transformeret konduktans at vand ud i D. scoparium når mængden af tilsat vand er for stor til at tillade kalibrering. Fejllinjer udgør standardafvigelsen af dataene i dette interval. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5 : Udtørring kurver. Disse paneler viser ()enudtørring kurver) D. scoparium ) og (b) H. aureum. Datapunkterne er gennemsnittet af den log-transformeret konduktans målt hver 30 s. sorte punkter viser gennemsnittet af tre gentagelser og fejllinjer repræsenterer standardafvigelsen af dataene i dette interval. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 : Daglig variation i en moss' (Syntrichia ruralis) ledningsevne, nedbør og relativ luftfugtighed. Foranstaltningerne, der blev taget i jord samfund af Cantoblanco, Campus i Universidad Autónoma de Madrid, Spanien. Ledningsevne og relativ luftfugtighed blev målt med BtM prototype, mens udfældning data kommer fra en vejret station placeret et par meter væk fra lokationen måling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Dato/tid | Temp(C) | RH(%) | Conductance(KMho) |
| 11/03/18 12:00 | 26,6 | 66,6 | 139.53 |
| 11/03/18 12:00 | 26,6 | 66.4 | 167.92 |
| 11/03/18 12:00 | 26,8 | 66.4 | 199.14 |
| 11/03/18 12:00 | 26,9 | 66.4 | 212.75 |
| 11/03/18 12:00 | 26,6 | 66,6 | 217.15 |
| 11/03/18 12:01 | 26,9 | 66,7 | 218.93 |
| 11/03/18 12:01 | 27 | 66,8 | 139.53 |
| 11/03/18 12:01 | 27.1 | 66,9 | 164.28 |
| 11/03/18 12:01 | 27.1 | 67,3 | 194.21 |
| 11/03/18 12:01 | 27.3 | 67,3 | 209.28 |
Tabel 1: Eksempel på BtM output.
Discussion
Til vores viden, er dette første gang, at en datalogger til at måle temperatur, luftfugtighed og ledningsevne samtidigt som en proxy for vandindholdet i poikilohydric organismer er blevet designet baseret på en åben adgang platform. BtM datalogger er let at bygge og omkostningseffektive, og også giver høj kvalitet målinger af luftfugtighed, temperatur og impedans data ved hjælp af minimal strømforsyning.
Den simpel samling er en af de vigtigste fordele ved denne datalogger. Da det er et open source projekt, leverer vi data-logging software og en detaljeret ordning af dets struktur, sammen med en ikke-tekniske manual til opbygning af en klar-til-brug BtM datalogger. Det gør metoden adgang til enhver forskningsgruppe, selv til dem, der ikke arbejder med en ingeniør eller specialiserede teknikere. Desuden kræver samling af hver datalogger kun omkring 1 time hvis printkort kredsløb bruges og omkring 4 timer hvis kredsløbet er monteret af forskerne. Derudover er BtM datalogger meget omkostningseffektiv. De anslåede omkostninger af elementer i hver enhed er cirka 100 euro, en forholdsvis lav pris, der kan reduceres yderligere i storstilede projekter ved at samle partier af flere dataloggers.
Selv om der har været flere nylige metodologiske udviklinger med henblik på gennemførelse af enheder, der måler forskellige aspekter af den fysiologiske aktivitet af nonvascular cryptogam samfund, udfylder BtM en vigtig viden hul. Raggio et al. 15 ansætte Moni-Da, et overvågningssystem, der henter oplysninger om fysiologiske og saltningsingredienser. Den fysiologiske aktivitet er indsamlet gennem klorofyl en fluorescens, en metode, der er almindeligt anvendt i laboratoriet vurdere aktiviteten af fotosyntetiske organismer. Selvom denne metode er meget præcise, er det væsentligt dyrere end BtM datalogger. Desuden er overvågningssystemet en privat virksomhed produkt, som skærer tilbage af forskningsgruppen autonomi.
De to andre metoder, der er for nylig blevet offentliggjort er også baseret på estimering af vandindholdet i nonvascular cryptogams. Først er baseret på termisk målinger (en dual-sonde varme puls (DPHP) metode). Selvom har for nylig vist sig lovende resultater af unge et al. 16, manglen på eventuelle særlige ordning i papiret gør montering det uden specialiseret viden meget udfordrende. Endelig Weber et al. 14 præsenteret en sensor kaldet biocrust væde sonden (BWP), som er meget lig BtM datalogger. De giver imidlertid ikke nogen ordning for dens konstruktion, som hindrer mulighed for opbygning af datalogger uden bistand fra en specialist. Vi overvinde dette problem ved at tilbyde ikke kun ordningen konstruktion, men også kredsløb om for at samle datalogger. Interessant, kan BtM let modificeret til at måle biocrusts, isolerede individer eller puder, bare ved at ændre crocodile udklippene (for lichen eller bryophyte personer/hynder) til kobberlegering elektrode pins (til biocrusts). Hvis det er nødvendigt, kan kun en del af krokodillerne blive erstattet, giver mulighed for direkte sammenligninger mellem de to målinger sonde typer.
Ved fortolkningen af resultaterne, bør forholdet mellem aktivitet og vandindhold tages omhyggeligt op, fordi BtM ikke direkte måler fotosyntese. Fotosyntese og aktivitet hænger tæt sammen i nonvascular cryptogams, da en tør poikilohydric organisme er i metaboliske ophører og en våd er aktiv. Graden af fotosyntetiske aktivitet ikke kan udledes direkte af vandindhold, selvom en højere metaboliske aktivitet- og dermed en højere fotosyntetiske aktivitet - kan forventes i et godt hydreret organisme.
Kritiske trin:
Trods lethed af assembly er der nogle vigtige skridt i den protokol, der bør behandles omhyggeligt af forskere, ved montering af sensoren. Først, som understreget i protokollen, det er ganske nemt at producere kortslutninger når lodning, som i værste fald kan resultere i alvorlige skader til mikrokontroller. Det er meget vigtigt at kontrollere, om deres tilstedeværelse med et multimeter og fjerne dem, før du tilslutter batterierne. Vi anbefaler at bruge den medfølgende printoplæg, da det væsentligt forenkler processen og være den bedste mulighed for at overvinde dette problem. For det andet, ikke alle IDE versioner er kompatible med de biblioteker, der kræves for denne datalogger. Det er vigtigt at hente den rette en (1.0.6) at undgå enhver kompatibilitet spørgsmål. For det tredje er det vigtigt at lægge mærke til polariteten af batterierne. En polaritet inversion kunne resultere i alvorlige skader på hardware. Fjerde er kalibrering et kritisk skridt. BtM datalogger er designet, så den højere opløsning er sammenfaldende med det øjeblik, hvor cryptogam går fra tør til våd tilstand. Dette indebærer, at konduktans værdier mætte længe før prøven er mættet i vand. Men hvis undersøgelsen ved hånden kræver en højere nøjagtighed omkring andre værdier, kan det være ændret. Foranstaltninger, ud over en størrelsesorden fra denne reference kræver modstanden ændres og en rekalibrering proces (se nedenfor). Da den miljømæssige temperatur kan påvirke nøjagtigheden af målingerne, anbefaler vi, under hensyntagen til denne faktor når kalibrering. For at gøre det, bør kalibreringen udføres ved lave temperaturer til at kontrollere for ændringer i målenøjagtighed og stabilitet (Se Coxson12 for temperatureffekter).
Ændringer:
Selv om de fleste af komponenterne i BtM er faste, kan nogle nemt redigeres i feltet uden resoldering. Den enkleste ændring er at erstatte crocodile udklip til andre sonde eller måling systemer. For eksempel, i stedet for crocodile udklippene, en sonde med to ben, som den, der foreslås i Weber et al. 14, kan anvendes.
I eksterne miljøer, hvor udskifte batterierne ikke er muligt inden for den nødvendige frekvens, vil batterier kunne suppleres med et solpanel til magten BtM datalogger i længere perioder.
Ved at ændre referencen modstande ansat til at måle ledningsevne, kan rang af højere opløsning let ændres til højere eller lavere værdier. Hvis ændret, anbefaler vi en nøjagtige rekalibrering. Også, i kildekoden, variablen RValue , som er programmeret til en modstand værdi af 330 KΩ, skal tildeles til den nye tilsvarende værdi (datalog.ino).
Konklusion:
Nonvascular cryptogam samfund er meget forskellige og spille en række forskellige økologiske nøgleroller, så forstå deres relationer med det abiotiske miljø er et afgørende spørgsmål. BtM datalogger har flere programmer, der vil hjælpe forhånd viden om disse relationer. For eksempel, vil det hjælpe uddybe viden om de forhold, hvor disse organismer der fungerer som kulstofdræn eller carbon kilder. Udsvingene mellem disse to roller er stærkt relateret til abiotiske betingelser såsom temperatur og fugtighed3, men store mængder data er nødvendige for at beskrive og forstå variationerne af dette forhold på verdensplan. Dette kræver tætte sensornetværk, der er kun mulig, hvis de er afhængige af lave omkostninger og let at implementere udstyr.
For at opsummere, denne enhed er et nyttigt værktøj for økologiske forskningsgrupper og overvinder de tekniske begrænsninger for designe og bygge en datalogger. Kombinationen af disse to faktorer kan føre til en popularization i brugen af dataloggers til at måle vand forbindelser af nonvascular cryptogams i situ. Dette, til gengæld kan øge oprettelsen af mellem- og langfristede overvågningsnet. Udvikling af disse net er væsentligt at vurdere svar af nonvascular cryptogams til lokale og regionale miljøfaktorer, samt at bestemme deres rolle i økosystemet processer (f.eks., næringsstof cyklusser, Fællesskabet forsamling) og deres mest sandsynlige svar i lyset af ændringer på klimatiske og antropiske faktorer forbundet med globale miljøændringer.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne er taknemmelige til Manuel Molina (UAM) og Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) for den hjælp, der leveres under prøverne, kalibrering, og til Belén Estébanez (UAM) for hendes hjælp under prøvetagning kampagner.
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).
