Summary
Wij presenteren een eenvoudige en kosteneffectieve methode om te bouwen van een open-source-datalogger die het geleidingsvermogen van nonvascular cryptogamen samen met de omgevingstemperatuur en de luchtvochtigheid meet. Wij beschrijven het hardwareontwerp van de datalogger en bieden stapsgewijze montage-instructies, de lijst van vereiste logboekregistratie van de open-source software, de code voor het uitvoeren van de datalogger en een kalibratie-protocol.
Abstract
Gemeenschappen nonvascular cryptogamen, zoals mossen of korstmossen, vormen een belangrijk onderdeel van de biodiversiteit van de aarde, bij te dragen tot de regulering van de koolstof en stikstof cycli in veel ecosystemen. Being poikilohydric organismen, ze niet actief controleren hun interne watergehalte en hebben behoefte aan een vochtige omgeving hun stofwisseling activeren. Bestuderen van water relaties nonvascular cryptogamen is daarom cruciaal om te begrijpen van zowel de patronen van hun diversiteit en hun functies in de ecosystemen. We presenteren de BtM datalogger, een goedkope open-sourceplatform voor de studie van het watergehalte van nonvascular cryptogamen. De datalogger is bedoeld voor het meten van temperatuur, vochtigheid en geleidbaarheid van maximaal acht monsters tegelijk. Wij bieden een ontwerp voor een Printplaat (PCB), een gedetailleerd protocol bij het monteren van de onderdelen, en de vereiste broncode. Dit alles maakt de vergadering van de datalogger BtM toegankelijk voor elke onderzoeksgroep, zelfs voor degenen zonder gespecialiseerde kennis. Daarom is het hier gepresenteerde ontwerp heeft de potentie om helpen populariseren van het gebruik van dit type apparaat onder ecologen en biologen veld.
Introduction
Gemeenschappen nonvascular cryptogamen zijn een alomtegenwoordige en een vaak verwaarloosd onderdeel van terrestrische ecosystemen1. Ze zijn samengesteld uit een totaal van zeer verschillende kleine organismen waaronder bryophytes en korstmossen de uitstekende primaire producenten zijn. Deze twee groepen van organismen delen een fysiologische kenmerken die hen uniek maakt: poikilohydry, of de onmogelijkheid tot het actief besturen hun interne watergehalte. Dit heeft ingrijpende gevolgen voor hun fysiologische processen aangezien het metabolisme ophoudt wanneer de cellen zijn uitgedroogd in reactie op lage niveaus van vochtigheid en hervat wanneer het milieu vochtig weer is2. Dientengevolge, Vermijd nonvascular cryptogamen droogte in plaats van omgaan met het2, waarmee deze gemeenschappen om te overleven in een breed scala van omgevingen van warme en koude woestijnen naar de tropen3,4.
Bovendien, ze ook Toon van relatief eenvoudige structuren en hebben weinig voedingsstoffen eisen. Deze eigenschappen maken ze zeer gevoelig voor de beëindigingspremie voorwaarden. In feite, nonvascular cryptogamen vaak een niche ruimte bezetten dat is niet beschikbaar voor vaatplanten voor een groter formaat, vorming van ecosystemen in miniatuur die een belangrijk onderdeel van de diversiteit van de wereld vormen. Bryophytes en korstmossen alleen omvat bijna 40.000 soorten (ca. 20.000 bryophytes sensu lato5,6 en ca. 20.000 korstmossen7). Bovendien, hun bijdrage aan de biodiversiteit van de aarde is nog groter omdat hun gemeenschappen opvang voor een groot aantal schimmelsoorten bieden, waaronder een gevarieerde flora van free-living en Mycorrhiza schimmels, N-fixering cyanobacteriën groeien als epifyten , en een groot aantal micro-ongewervelde dieren, zoals beerdiertjes, collembola, duizendpoten, insecten en mijten die van de waterretentie capaciteit en gebufferde omstandigheden binnen deze miniatuur ecosystemen. profiteren
Gemeenschappen van niet-vasculaire cryptogamen ook bijdragen aan de regulering van de biogeochemische cycli van koolstof. In droge ecosystemen, de zogenaamde biologische bodem korsten tot 40% van hun oppervlakte8 dekken en spelen een belangrijke rol als koolstofputten. Een recente review geschat dat biologische bodem korsten van droge omgevingen kunnen de vaststelling van 7% van alle koolstof vast door terrestrische vegetatie. Bovendien, in andere ecosystemen waar bryophytes, korstmossen of een combinatie van beide zijn de primaire producenten - zoals sommige boreale bossen systemen of Venen - zij produceren tussen 30% en 100% van de totale netto primaire productiviteit10,11 . Ze zijn ook belangrijk in de ecosystemen waarin deze organismen niet dominant, zoals gematigde bossen zijn. Inderdaad, bos vloer bryophytes had een jaarlijkse CO2 opname equivalent van ongeveer 10% bos vloer ademhaling in een gematigde regenwouden van Nieuw-Zeeland. Verder, ze zijn ook belangrijk voor stikstofbinding, sinds de blauwalgen leven als epifyten in deze gemeenschappen kunnen worden fixering van bijna 50% van het totale bedrag van biologische stikstof4.
Als gevolg van de afhankelijkheid van hun fysiologische activiteit van de beschikbaarheid van water in de omgeving, zowel de diversiteit van nonvascular cryptogamen Gemeenschappen en hun functies in de ecosystemen zijn sterk afhankelijk van water inhoud2. Merk op dat, aangezien zij geen actief controle van het watergehalte in hun weefsels, hun rollen in de koolstofbalans en stikstofbinding zijn gekoppeld aan de hydratatie en uitdroging cycli en, daarom, afhankelijk van de interval en de periodiciteit van de droog-nat-cycli. Zo, te weten dat de inhoud watertoestand van deze organismen in real-time is de sleutel tot het begrijpen van de functies uitgevoerd door cryptogamen in de ecosystemen.
Ondanks het belang ervan, de ontwikkeling van methoden voor het meten van het water inhoud en fysiologische activiteit in poikilohydric organismen relatief traag is geweest. In 1991, Coxson12 maakte een eerste benadering voor het direct meten van het vochtgehalte van korstmossen. Na dat was er een gat in dit soort studie tot een recente ontwikkeling, wanneer verscheidene werken hebben verstrekt methoden tot de onderlinge aanpassing van de maatregelen van de fysiologische status van nonvascular cryptogamen13,14,15, 16. Echter deze kennis is nog steeds schaars en verspreid, en deze werken zijn meestal gericht op bodem korsten4,8. Echter, bryophytes en korstmossen ook in vele andere ecosystemen, vooral in de gematigde, boreale en polaire gebieden1, een relevante rol spelen en het belang ervan is belangrijk niet alleen in de bodem gemeenschappen maar ook voor epifytische gemeenschappen groeien op bomen en saxicolous gemeenschappen op rotsen. Dit gebrek aan onderzoek is gedeeltelijk gekoppeld aan het ontbreken van de meting van de verkrijgbare dataloggers, waardoor onderzoeksgroepen te bouwen hun eigen apparatuur. Ontwikkelen van een datalogger vereist specifieke kennis die niet over de meeste ecologen beschikt, zodat het aanzienlijk de kosten verhoogt van de uitvoering van de relatief grote meten netwerken die nodig zijn voor het verzamelen van representatieve gegevens over de prestaties van nonvascular Cryptogamen langs milieu en habitat verlopen.
In deze paper presenteren we een eenvoudige en kosteneffectieve methode om te bouwen van een datalogger staat voor het meten van de geleidbaarheid van nonvascular cryptogamic organismen gelijktijdig met de omgevingstemperatuur en vochtigheid. Het is geprogrammeerd om autonoom opnemen voor relatief langere tijd (maximaal twee maanden) en is robuust genoeg om te weerstaan harde buiten veldomstandigheden. Vanwege haar eenvoud zal het een nuttig instrument voor ecologen en biologen van de veld zonder gespecialiseerde opleiding in de ontwikkeling van dataloggers of die onderzoeksgroepen die gebrek aan gespecialiseerd personeel. Daarom heeft deze datalogger het potentieel om te helpen met het populariseren van het gebruik van dit type apparaat.
We ontwikkelden een spaarstand en goedkope datalogger staat voor het meten van de geleidbaarheid van maximaal acht verschillende bronnen en de omgevingstemperatuur en relatieve luchtvochtigheid tegelijk opnemen. Het apparaat is na Coxson van ontwerp12 ontworpen en geïmplementeerd op een open-sourceplatform (Tabel van materialen). Het doel was te prioriteren van het gemak van vergadering en energie-efficiëntie en te vergemakkelijken van het onderhoud van installaties op lange termijn. Het ontwerp is afgeleid van een artikel door Open Source gebouw wetenschap sensoren (OSBSS)17. Dit ontwerp werd gewijzigd door toevoeging extra circuits te lezen de impedantie van cryptogamen en waardoor het compacter en eenvoudiger te vervaardigen.
Het resultaat is BtM bestuur (board Bryolichen temperatuur vochtigheid), een open-source printed circuit board18. Elke plank is gecontroleerd door een hoge energie-efficiënte microcontroller (Tabel van materialen). Temperatuur en relatieve vochtigheid milieugegevens zijn verzameld door middel van een temperatuur en vochtigheid sensor die komt gekalibreerde en, afgezien van zijn lage machtsconsumptie, heeft een passende prijs / prestatie verhouding.
De Raad van bestuur maakt gebruik van een digitale communicatieprotocol (standaard seriële SPI) voor het beheren van de cyclus van de meting. Een real-time klok (DS3234), gemonteerd op elk bord biedt nauwkeurige timing. Om het energieverbruik te verminderen, blijft de processor allermeest naar de tijd in de standby-modus. Elke tijdgegevens moet worden verzameld, de real-time klok activeert de processor en activeert het registratieproces. De real-time klok wordt ook gebruikt voor het nauwkeurig vastleggen van de datum en tijd van elk geval van gegevens.
Tot acht mos en/of korstmossen kunnen monsters worden ingelogd parallel gebruik van een enkele BtM-bord. Het experiment is ingesteld, worden twee krokodil-clip elektrode sondes toegepast op elk monster moss/korstmossen. Vervolgens een verdeler van de spanning tussen elke elektrode en een verwijzing van de weerstand met een bekende waarde (330 KΩ in dit geval) worden gebruikt. Deze weerstand waarde werd geselecteerd door kalibratie en gebaseerd op eerdere maatregelen de cryptogamen. Het artikel bevat een oplossing voor een orde van grootte rond de referentiewaarde (100-1000-KΩ). De spanningsval is gebufferd en vervolgens lezen met de microcontroller met behulp van de analoge poorten (A0 - A7)18. De spanning wordt berekend door de volgende formule toe te passen.
VI = (ADCi x VCC) / 1023
Hier, ADCi is de ruwe waarde uit de ADC (analoog / digitaal-converter) van kanaal ik, VCC is het netspanningsvoltage (3,3 V in dit geval) en 1023 is het bereik van de ADC-output. De resulterende spanning Vi wordt vervolgens gebruikt in combinatie met de wet van Ohm weerstand (Ri, Ω) en geleidbaarheid (G, S) van elk monster mos wilt berekenen.
RI = (VCC x RL) / Vi - RL
G = 1 / Ri
RL is hier de waarde van de weerstand verwijzing (330 KΩ in dit geval). Van de microcontroller aan boord software bevat alle deze vergelijkingen, zodat het rechtstreeks de waarden van weerstand en geleidbaarheid registreren kan.
Het bestuur verzamelt tevens metingen van de omgevingstemperatuur en -vochtigheid met behulp van sensoren. Vervolgens wordt elk gegevenspunt geschreven naar een logboekbestand op een microSD-kaart. Een microSD TransFlash breakout board was gemonteerd op elk bord BtM voor dit doel. Tot slot kan de microSD-kaart handmatig worden verzameld na het experiment. Alle gegevenspunten kunnen worden overgedragen aan een computer voor verdere analyse.
Protocol
1. montage van de Datalogger
- Een soldeerbout en een spoel van soldeer draad voorbereiden. Wacht tot de soldeerbout aan hitte omhoog en Bevochtig de schoonmaak spons.
- Snij de pin header strips op de gewenste lengte en soldeer hen in de voeten van de temperatuur en vochtigheid sensor, de microcontroller en de RTC-klok en microSD breakout-modules.
- Om te solderen, Verwarm de gewenste join met het topje van de soldeerbout.
- Dan, breng een kleine hoeveelheid van materiaal van de draad met soldeer, genoeg te vullen van de kruising.
- Ten slotte Verwijder de soldeerbout en wachten op de kruising om af te koelen.
- Monteren van de onderdelen op de printplaat met behulp van de zelfde procedure als in stap 1.2, na de markeringen van de PCB en de verwijzingen van de component opgegeven in de Tabel van materialen (Zie Figuur 1 voor een vergadering-regeling).
- Eerst, soldeer de weerstanden. Vervolgens soldeer de aansluitingen voor de operationele versterkers, de SHT7X-sensor en de RTC-klok en microSD breakout-modules.
- Vervolgens soldeer de twee transistors. De Raad van bestuur moet ook worden gesoldeerd nu, met behulp van pin headers. Ten slotte, soldeer de connectors op het bord.
- Soldeer de SHT7X luchtvochtigheid/temperatuur sensor op een pin header of extensie kabel te versterken van de leads.
- Voorbereiden van een multimeter in de continuïteit testen of geleidbaarheid testen modus. Met de multimeter controleren of zijn er geen kortsluiting tussen de pinnen of verbindingen.
- Controleer of de positieve en negatieve terminals van de macht leveren. Controleer ook dat elke gezamenlijke soldeer een stabiele verbinding tussen de pennen van de component en de koperen tracks van het circuit creëert.
Opmerking: Deze stap is zeer belangrijk; Sla het niet.
- Controleer of de positieve en negatieve terminals van de macht leveren. Controleer ook dat elke gezamenlijke soldeer een stabiele verbinding tussen de pennen van de component en de koperen tracks van het circuit creëert.
- Sluit de poolklem en kabel clips aan de Raad van bestuur met een schroevendraaier.
- Gebruik eerst een snijgereedschap te strippen ~ 4 mm van elk uiteinde van de draad, bloot de geleidende kern. Vervolgens voeren elke kabel naar de juiste terminal en draai de schroef vast met de kruiskopschroevendraaier.
- Controleer en controleer of de juiste polariteit van de kabels, met name die van de kracht leveren. Test de sterkte van de verbinding door te trekken van de kabels licht, controleren dat alles goed is aangesloten.
- Om verdere verlaging van energieverbruik, verwijder het lampje van de microcontroller-board door desoldeer of afsnijden van de LED-diode van het bord.
- Tot slot, monteren de BtM-bestuur in een weerbestendige behuizing te houden van vocht uit de buurt van de elektronica.
- Passen de behuizing met het pak van de batterij, het verbinden met de positieve en negatieve terminals. Mount de luchtvochtigheid/temperatuur sensor buiten de doos, laat het aangesloten op de BtM-moederbord.
- Route de acht paren crocodile clips die nodig zijn voor metingen van het geleidingsvermogen aan de buitenkant van de weerbestendige behuizing. Laatste, elk onderdeel mos clip met de krokodil clips.
2. het laden van de Software
- Download en installeer de geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) 1.0.6 van de website-19. De microcontroller die gebruikt is een open-source fysieke computing-platform, en het komt met een eigen IDE. Het is belangrijk voldoende versie downloaden omdat er bekende compatibiliteitsproblemen met sommige van de vereiste bibliotheken.
- Downloaden van de nodige bibliotheken van de GitHub repository18: DS3234, DS3234lib3, powersave, SdFat en Sensirion.
- Download de code van de belangrijkste bron voor de datalogger van de GitHub repository18.
- Open het bestand clock.ino naar de huidige tijd en datum instellen. Bewerk de parameters voor de functie RTC.setDateTime met de huidige tijd en datum uit gebruikend het volgende formaat:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); Datum: DD/MM/JJ uu
Hier, DD is dag, MM is maand, YY is jaar, hh is uur, mm minuten en ss seconden is. - Vervolgens upload de klok programma naar de BtM-bestuur, inpluggen van de USB-naar-serieel adapter (FTDI breakout) in de microcontroller programmeren poorten en met behulp van een mini-USB-naar-USB-kabel op de computer aansluiten de Raad van bestuur. Ten slotte, eerste druk controleren en vervolgens uploaden in de IDE.
- Open de datalog-project in de IDE en het datalog.ino bestand te wijzigen. De begintijd voor de logger bewerken van de volgende variabelen instellen:
int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = mm
Hier, DD is het nummer van de dag, hh is het eerste uur van de metingen, en mm de minuut van het begin.
Opmerking: De code instellen op een bepaald tijdstip moet uitzien:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / datum van 01/12/17 12:00:00 - Het interval tussen metingen (in seconden) wijzigen van de waarde van de variabele intervalinstellen.
3. opzet van de sondes meten
- Plaats de illustraties van de krokodil op een centrale positie van de Gemeenschappen in de gevallen van bryophytes, fruticose korstmossen en foliose korstmossen (Figuur 2). Voor fruticose korstmossen, de clips in het thallus en mossen, rechtstreeks op de stengel van een individu te koppelen. In het geval van foliose korstmossen, plaats u de illustraties op de grens van het thallus.
- Bewaar een minimale afstand van ca. 5 mm tussen de elektroden. Zorg ervoor dat de clips niet gemakkelijk losgekoppeld voordat metingen.
4. kalibratie voor metingen van het geleidingsvermogen
- Uitvoeren om ervoor te zorgen dat de specimens droog zijn, de kalibratie op de middag, op een dag met lage relatieve luchtvochtigheid, voorafgegaan door ten minste één, en bij voorkeur twee, droge dagen.
- Selecteer een Gemeenschap van mos of korstmossen die gezond en goed gestructureerd.
- De datalogger verbinden met de mos of korstmossen, volgens de stappen in sectie 3 van dit protocol.
- Start van de metingen (draai op de datalogger) en laat de BtM bestuur uitgevoerd voor ongeveer 3 min aan het stabiliseren van de geregistreerde waarden.
- Het uitvoeren van een precalibration test voor het inschatten van de hoeveelheid water vereist in elk drenken evenement. Sluit de clips aan het monster en voeg water toe totdat de huidgeleiding bereikt een waarde die niet met de toevoeging van water toeneemt. Dit is de waarde van de maximale geleidingsvermogen van dat monster. Deze waarde zal worden gebruikt om de water stappen van de kalibratie (zie stap 4.7.1).
- Wacht totdat de huidgeleiding maatregelen terug te naar de oorspronkelijke waarden keren (de monsters zijn droge).
- Voeg vervolgens water achter elkaar met een kleine spray.
- Bevochtig de monsters met een hoeveelheid water gelijk aan 1/10 van de hoeveelheid water nodig om te bereiken van de maximale huidgeleiding (zie stap 4.5) in het monster.
- Wacht totdat de mos of korstmossen volledig het water absorbeert en de metingen van het geleidingsvermogen voordat het water weer stabiel zijn (~ 1 min tussen elke drenken gebeurtenis).
- Herhaal totdat de huidgeleiding de maximale waarde (verzadiging bereikt) en het mos of korstmossen is volledig gehydrateerd.
Opmerking: Elke kalibratie-test moet duren ongeveer 15 min, afhankelijk van het interval tussen het waterings, die 1-2 min moet.
- Na het beëindigen van de kalibratie, neem de microSD-kaart van het BtM-bord en kopieer het bestand van de data naar een computer.
Opmerking: De geregistreerde waarden kunnen vervolgens worden gebruikt, als een basislijn voor de experimenten. Het is ook noodzakelijk om deze stap om te verifiëren dat de set-up is correct het registreren van de geleidbaarheid van de monsters, net voor het uitvoeren van de werkelijke experiment te doen.
5. alternatieve kalibratie voor laboratorium experimenten
- Volledig hydrateren van de Gemeenschap van mos of MOS totdat een overmaat van externe water wordt waargenomen. Om ervoor te zorgen dat de Gemeenschap volledig wordt gehydrateerd, houden de Gemeenschap vochtig gedurende 30 minuten.
- De datalogger verbinden met de mos of korstmossen, volgens de stappen in sectie 3 van dit protocol.
- Start van de metingen en laat de BtM bestuur uitgevoerd voor ongeveer 3 min aan het stabiliseren van de geregistreerde waarden.
- Wacht tot de huidgeleiding de minimumwaarde (uitdroging bereikt) en het mos of korstmossen is niet langer stroom geleiden.
Opmerking: Iedere kalibratie ten minste 1 uur kan duren, maar de duur is zeer variabel afhankelijk van de soort. Metingen moeten worden genomen tot een minimale huidgeleiding waarde wordt bereikt.
Representative Results
We de veranderingen in de geleidbaarheid in twee soorten mossen, Dicranum scoparium Hedw geanalyseerd. en Homalothecium aureum (spar) H. Rob. (Figuur 3), tijdens het kalibratieproces in lab voorwaarden. Matten voor de twee mossen werden gehouden gedurende 24 uur in silica gel en geplaatst in een kunstmatig substraat (d.w.z., watten) die hun oorspronkelijke structuur (Figuur 2 behouden). Toen waren de monsters gedrenkt 15 x tot 20 x met een spray in 1 min. intervallen. Elk drenken evenement bestond uit ca. 0,1 mL water. In beide soorten, een hoge correlatie tussen het water toegevoegd en de geleidbaarheid van de steekproef (D. scoparium rS = 0.88, p < 0.001; H. aureum rs = 0,87, p < 0.001) werd waargenomen. Er was een hoge stijging van de geleidbaarheid (van 0% tot 25% ten minste) alleen in het eerste water naast, en de maatregelen bereikt hun maximale huidgeleiding bij 4 mL voor D. scoparium en 10 mL voor H. aureum. Het is belangrijk om de opmerking dat de relatie tussen de hoeveelheid water en geleidbaarheid logaritmisch is. Daarom, de waarden van huidgeleiding moeten worden getransformeerd om een lineaire relatie tussen beide variabelen, en hun relatie moet worden gemodelleerd met behulp van niet-lineaire regressie.
We vonden sommige variabiliteit tussen de monsters (Zie de verschillende kleuren in figuren 3a en 3b), hoewel alle monsters die behoren tot dezelfde soort trok een soortgelijke curve. De variatie tussen monsters kan worden toegeschreven aan verschillen in biomassa en morfologie van de patches. Monsters in het veld zijn zeer waarschijnlijk te tonen van dit soort variabiliteit, dus verschillende maatregelen van elk type van Gemeenschap is aanbevolen. Niet verrassend, bleek de hoogste variabiliteit tussen soorten, aangezien soorten in verschillende fundamentele kenmerken (bijvoorbeeld, de samenvoeging van de matten of morfologie verschillen). Om te bepalen voor de intra- en interspecies variabiliteit, is het raadzaam de kalibreren van elke clip tot het bereiken van de maximale huidgeleiding waarden en vervolgens de resultaten voor elke clip herschalen, zodat de waarden van 0 naar 100. Mening dat absolute huidgeleiding waarden hangen af van de afstand tussen de clips en de basale geleidingsvermogen van de stammen, dus de waarden die zij bieden zijn niet direct vergelijkbaar.
De hoeveelheid water die toegevoegd in elk drenken evenement van het kalibratieproces is van cruciaal belang en zal sterk van invloed op de resultaten. Het doel was hier, hebben verschillende drenken evenementen in het bereik van de maximale nauwkeurigheid van het BtM. We presenteren een voorbeeld van een ijkcurve wanneer te veel water wordt toegevoegd in elke step (Figuur 4). Als het monster is overwatered in de eerste drenken evenement, de toename van de geleidbaarheid kan niet worden gewaardeerd en de kalibratie zullen onjuist. Dit kan leiden tot vooroordelen in het bereik waar nonvascular cryptogamen zijn actief, die de meest interessante metingen met de BtM.
Wij ook de curve van de uitdroging van de dezelfde twee soorten (H. aureum en D. scoparium), zodat een alternatieve kalibratieprocedure geanalyseerd. Matten voor de twee mossen werden 's nachts gedrenkt om ervoor te zorgen dat ze volledig waren verzadigd. Vervolgens een representatieve stam van elke mat werd uitgepakt en geplaatst in een stabiele, gecontroleerde omgeving en de huidgeleiding voortdurend werd opgenomen. Wat de andere kalibratie-maatregel, de waarden van de geleidbaarheid moeten worden omgezet om een lineaire relatie tussen beide variabelen en hun relatie moet worden gemodelleerd met behulp van niet-lineaire regressie.
Cijfers 5a en 5b Toon de curven van de uitdroging van H. aureum en de D. scoparium variabiliteit tussen monsters van dezelfde soort. De intra- en interspecies variabiliteit gevonden waren vrij groot en zoals in de andere kalibratieprocedure, kunnen worden toegeschreven aan verschillen in biomassa en morfologie van elke stam. Om te controleren voor het, is het raadzaam de uitvoeren van ten minste drie metingen per soort. Absolute huidgeleiding waarden zijn niet direct vergelijkbaar in deze kalibratieprocedure, zoals ze ook afhankelijk van de afstand tussen de clips en basale geleidingsvermogen van de stammen.
Na een regen-gebeurtenis plaatsvond tussen juni 23-26, 2014, presenteren we een voorbeeld van de veldgegevens. Wij tonen de dagelijkse variatie in het percentage van de geleidbaarheid (Figuur 6een), relatieve vochtigheid (Figuur 6b) en neerslag (Figuur 6c) voor één soort van mos (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber & D. Mohr). Er was een sterke relatie tussen de geleidbaarheid van het mos, de gebeurtenissen van de neerslag en de relatieve vochtigheid van de lucht. Tijdens de periode geanalyseerd, waren er twee pieken in de geleidbaarheid en de vochtigheid als gevolg van twee neerslag gebeurtenissen. De ene vond plaats net voor middernacht op 23 juni en de tweede na de middag van 24 juni. Ongeveer 8 uur na het eerste evenement van de regen, zien we een daling van de relatieve vochtigheid van de lucht, gevolgd door een plotselinge daling van de geleidbaarheid van het mos dat minder dan 25 gaat %. Het tweede evenement regen was kleiner en, bijgevolg, een kleinere piek in huidgeleiding geproduceerd. Na deze gebeurtenis regen het mos niet onmiddellijk deed uitdrogen maar bleef gehydrateerd, terwijl de luchtvochtigheid boven 75 was %.
Figuur 1 : Vergadering schematische voorstelling van de datalogger BtM. Het schema bevat een afbeelding van het BtM-bestuur en de plaatsing van elk onderdeel op het bord. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Juiste plaatsing van de clips in een mos (Homalothecium aureum). De afbeelding toont hoe de clips te handhaven van een minimale afstand tussen de clips zonder beschadiging van de bryophyte plaats. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : De reactie van huidgeleiding water toevoeging. Deze panelen tonen de reactie van huidgeleiding water toevoeging in (een) Dicranum scoparium en (b) H. aureum. De kleuren tonen de verschillende wordt gerepliceerd. De gegevenspunten zijn het gemiddelde van de geleidbaarheid log-getransformeerd in een interval tussen 10 en 30 s na het sproeisysteem evenement. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van de gegevens in het opgegeven interval. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Reactie van log-getransformeerd huidgeleiding water toevoeging in D. scoparium wanneer de hoeveelheid toegevoegd water is te groot om te laten kalibreren. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van de gegevens in het opgegeven interval. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5 : Desiccation curven. Deze panelen tonen de curven van de uitdroging van (een) D. scoparium en (b) H. aureum. De gegevenspunten zijn het gemiddelde van de log-getransformeerd geleidbaarheid gemeten elke 30 s. zwarte punten Toon het gemiddelde van de drie worden gerepliceerd en de foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van de gegevens in het opgegeven interval. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 : Dagelijkse variatie in een moss' (Syntrichia ruralis) geleidingsvermogen, neerslag en relatieve vochtigheid. De maatregelen werden genomen in gemeenschappen van de bodem van de Cantoblanco, de Campus van de Universidad Autónoma de Madrid, Spanje. De geleidbaarheid en de relatieve vochtigheid werden gemeten met het BtM-prototype, terwijl de neerslag gegevens afkomstig van een weerstation geplaatst van een paar meter verwijderd van de locatie van de meting. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Datum/tijd | Temp(C) | RH(%) | Conductance(KMho) |
| 11/03/18/EG 12:00 | 26,6 | 66,6 | 139.53 |
| 11/03/18/EG 12:00 | 26,6 | 66,4 | 167.92 |
| 11/03/18/EG 12:00 | 26,8 | 66,4 | 199.14 |
| 11/03/18/EG 12:00 | 26,9 | 66,4 | 212.75 |
| 11/03/18/EG 12:00 | 26,6 | 66,6 | 217.15 |
| 11/03/18/EG 12:01 | 26,9 | 66,7 | 218.93 |
| 11/03/18/EG 12:01 | 27 | 66,8 | 139.53 |
| 11/03/18/EG 12:01 | 27.1 | 66,9 | 164.28 |
| 11/03/18/EG 12:01 | 27.1 | 67.3 | 194.21 |
| 11/03/18/EG 12:01 | 27,3 | 67.3 | 209.28 |
Tabel 1: Voorbeeld van het BtM-output.
Discussion
Om onze kennis, dit is de eerste keer dat een datalogger voor het meten van temperatuur, vochtigheid en geleidbaarheid tegelijkertijd als een proxy voor het watergehalte van poikilohydric organismen is ontwikkeld op basis van een open access-platform. De datalogger BtM is gemakkelijk op te bouwen en kosteneffectieve en biedt ook hoge kwaliteit metingen van luchtvochtigheid, temperatuur, en impedantie-gegevens met behulp van minimale kracht.
De eenvoudige montage is een van de belangrijkste voordelen van deze datalogger. Want het is een open-source project, bieden wij de data-logging software en een gedetailleerde regeling van haar structuur, samen met een niet-technische handleiding voor het bouwen van een kant-en-klare BtM datalogger. Dit maakt de methode toegankelijk voor elke onderzoeksgroep, zelfs voor degenen die niet met een ingenieur of gespecialiseerde technici werken. Bovendien, de vergadering van elke datalogger vereist zowat 1 uur als het afgedrukte bestuur circuit wordt gebruikt en ongeveer 4 uur als het circuit is gemonteerd door de onderzoekers. De datalogger BtM is bovendien zeer kostenefficiënt. De geschatte kosten van de onderdelen van elke eenheid is ongeveer 100 euro, een vrij lage prijs die kan worden verminderd in grootschalige projecten door het monteren van de loten van verschillende dataloggers zelfs verder.
Al zijn er verschillende recente methodologische ontwikkelingen voor de uitvoering van de apparaten die verschillende aspecten in verband met de fysiologische activiteit van nonvascular cryptogamen gemeenschappen meten, vult de BtM een belangrijke kennis gat. Raggio et al. 15 dienst Moni-Da, een controlesysteem dat fysiologische en beëindigingspremie informatie verkrijgt. De fysiologische activiteit wordt verzameld door chlorofyl een fluorescentie, een methode gebruikte in het laboratorium te schatten van de activiteit van fotosynthetische organismen. Hoewel deze methode zeer nauwkeurige is, is het aanzienlijk duurder dan de BtM datalogger. Bovendien, het controlesysteem is een particuliere onderneming-product, dat de autonomie van de onderzoeksgroep ingekrompen.
De twee andere methoden die onlangs zijn gepubliceerd zijn ook gebaseerd op het watergehalte van nonvascular cryptogamen schatten. De eerste is gebaseerd op de thermische metingen (een dual-sonde warmte pulse (DPHP)-methode). Hoewel veelbelovende resultaten hebben onlangs aangetoond door jonge et al. 16, het ontbreken van een specifieke regeling in het papier maakt het monteren zonder specialistische kennis zeer uitdagende. Tot slot, Weber et al. 14 gepresenteerd een sensor de biocrust nattigheid sonde (BWP), die zeer vergelijkbaar met de datalogger BtM is genoemd. Echter bieden ze geen een regeling voor de bouw, die de mogelijkheid van het opbouwen van de datalogger zonder de hulp van een specialist in de weg staat. We deze kwestie weggenomen door niet alleen de bouw regeling maar ook het circuit bord te monteren de datalogger. Interessant is dat kan de BtM eenvoudig worden aangepast voor het meten van biocrusts, geïsoleerde individuen of kussens, alleen door het veranderen van de krokodil clips (voor korstmossen of bryophyte individuen/kussens) naar koper legering elektrode pinnen (voor het biocrusts). Indien nodig, kan slechts een deel van de krokodillen worden vervangen, waardoor directe vergelijkingen tussen de twee metingen sonde typen.
Bij de interpretatie van de resultaten, moet de relatie tussen activiteit en vochtgehalte worden zorgvuldig aangepakt, omdat de BtM fotosynthese niet direct meet. Fotosynthese en activiteit zijn nauw verbonden in nonvascular cryptogamen aangezien een droge poikilohydric organisme in metabole staken is en een natte actief. Echter, de mate van fotosynthetische activiteit kan niet worden afgeleid rechtstreeks vanuit het watergehalte, hoewel een hogere metabole activiteit- en dus een hogere fotosynthetische activiteit - kunnen worden verwacht in een goed gehydrateerd organisme.
Kritische stappen:
Ondanks het gemak van vergadering zijn er enkele kritische stappen in het protocol dat zorgvuldig moet worden aangepakt door onderzoekers bij het monteren van de sensor. Ten eerste, zoals benadrukt in het protocol, het is heel gemakkelijk te produceren van kortsluitingen bij solderen, die, in het ergste geval, leiden ernstige schade aan de microcontroller tot kunnen. Het is zeer belangrijk om te controleren op hun aanwezigheid met een multimeter en om ze te verwijderen voordat u de batterijen. Het is raadzaam om met behulp van het meegeleverde PCB ontwerp, aangezien het aanzienlijk het proces vereenvoudigt en de beste optie om dit probleem kan zijn. Ten tweede, niet alle IDE-versies zijn compatibel met de bibliotheken die nodig zijn voor deze datalogger. Het is belangrijk om te downloaden van de juiste een (1.0.6) om te voorkomen dat enkele compatibiliteit problemen. Ten derde is het belangrijk om op te merken van de polariteit van de batterijen. Een omkering van de polariteit kan leiden tot ernstige schade aan de hardware. Ten vierde, kalibratie is een cruciale stap. De datalogger van het BtM is zo ontworpen dat de hogere resolutie met het moment waarop de cryptogamen van droog samenvalt gaat naar nat staat. Dit impliceert dat de huidgeleiding waarden verzadigen lang voordat het monster is verzadigd in water. Echter, als de studie dichtbije een hogere nauwkeurigheid rond andere waarden vereist, kan het worden gewijzigd. Maatregelen die, naast een orde van grootte van deze verwijzing vereisen de weerstand worden gewijzigd en een herijking proces (zie hieronder). Als de omgevingstemperatuur kan invloed hebben op de nauwkeurigheid van de metingen, is het raadzaam rekening houdend met deze factor wanneer kalibreren. Om dit te doen, zal de kalibratie moet worden bij lage temperaturen om te controleren op wijzigingen in de meetnauwkeurigheid en stabiliteit (Zie Coxson,12 voor temperatuureffecten).
Wijzigingen:
Hoewel de meeste van de onderdelen van het BtM vastliggen, kunnen sommige moeiteloos worden gewijzigd in het veld zonder resoldering. De eenvoudigste wijziging is het vervangen van de krokodil clips voor andere sonde of meting systemen. Bijvoorbeeld, in plaats van de krokodil clips, een sonde met twee pinnen, zoals voorgesteld in de Weber et al. 14, kan worden gebruikt.
In externe omgevingen, waar het veranderen van de batterijen niet mogelijk binnen de benodigde frequentie, kunnen batterijen worden aangevuld met een zonnepaneel voor het aandrijven van de BtM-datalogger voor langere perioden.
Door het veranderen van de weerstanden van de referentie voor het meten van de geleidbaarheid in dienst, kan de rang van hogere resolutie eenvoudig worden aangepast aan de hogere of lagere waarden. Als gewijzigd, raden we een nauwkeurige herijking. Ook in de broncode, moet de RValue -variabele, die is geprogrammeerd voor de waarde van een weerstand van 330 KΩ, worden toegewezen aan de nieuwe overeenkomende waarde (datalog.ino).
Conclusie:
Nonvascular cryptogamen Gemeenschappen zijn zeer divers en spelen een aantal verschillende spelen een belangrijke ecologische rol, zodat inzicht in hun relaties met het abiotische milieu een belangrijk onderwerp is. De datalogger BtM heeft verschillende toepassingen die vooraf helpen zullen de kennis van deze relaties. Bijvoorbeeld, zal het helpen verdiepen inzichten over de voorwaarden waar deze organismen zijn hoedanigheid van koolstofputten of koolstof bronnen. De fluctuaties tussen deze twee rollen zijn sterk gerelateerd aan de abiotische voorwaarden zoals temperatuur en vocht3, maar grote hoeveelheden gegevens nodig zijn om te beschrijven en te begrijpen van de variaties van die relatie op een wereldwijde schaal. Dit vereist dichte sensornetwerken alleen mogelijk zijn als ze afhankelijk zijn van goedkope en gemakkelijk te implementeren apparatuur.
Samenvattend, dit apparaat is een nuttig instrument voor ecologische onderzoeksgroepen en overwint de technische beperkingen van ontwerpen en bouwen van een datalogger. De combinatie van deze twee factoren kan leiden tot een popularisering in het gebruik van de dataloggers voor het meten van de betrekkingen van de water van nonvascular cryptogamen in situ. Dit, kan op zijn beurt, de totstandbrenging van middellange en lange termijn monitoring netwerken stimuleren. Ontwikkeling van deze netwerken is essentieel voor de beoordeling van de reactie van nonvascular cryptogamen op lokale en regionale milieu-factoren, alsmede over het bepalen van hun rol in het ecosysteem processen (b.v., nutriënten cycli, de assemblage van de Gemeenschap) en hun meest waarschijnlijke antwoord in het licht van de wijzigingen op klimatologische en Antropisch factoren die samenhangen met de veranderingen in het aardsysteem.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs zijn Manuel Molina (UAM) en Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) dankbaar voor de hulp die geboden tijdens de kalibratie-tests, en aan de Estébanez van de Belén (UAM) voor haar hulp tijdens de campagnes voor de bemonstering.
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).
