Summary
Vi presenterer en enkel og kostnadseffektiv metode for å bygge en åpen kildekode datalogger som måler konduktans av nonvascular cryptogams sammen med miljømessige temperatur og luftfuktighet. Vi beskriver maskinvaren design av datalogger og gir trinnvise monteringsanvisning, listen over nødvendige åpen kildekode-logging programvare, koden for å kjøre datalogger og en enkeltflow.
Abstract
Samfunn av nonvascular cryptogams, som Moser eller laver, er en viktig del av jordens biologisk mangfold, bidra til regulering av karbon- og nitrogen sykluser i mange økosystemer. Å være poikilohydric organismer, de ikke aktivt styre vannmengden interne og trenger et fuktig miljø å aktivere metabolismen. Det er derfor avgjørende å forstå både sine mangfold mønstre og deres funksjoner i økosystemene å studere vann forhold av nonvascular cryptogams. Vi presenterer BtM datalogger, en rimelig åpen kildekode plattform for studiet av vanninnholdet av nonvascular cryptogams. Datalogger er utformet for å måle omgivelsestemperatur og luftfuktighet konduktans fra opptil åtte prøver samtidig. Vi tilbyr et design for et kretskort (PCB), en detaljert protokoll å montere komponentene og nødvendige kildekoden. Alt dette gjør montering av BtM datalogger tilgjengelig for en forskergruppe, selv for de uten spesielle forkunnskaper. Derfor har design presenteres her potensial til å hjelpe popularisere bruk av denne type enhet blant økologer og feltet biologer.
Introduction
Samfunn av nonvascular cryptogams er en allestedsnærværende og en ofte oversett del av terrestriske økosystemer1. De består av et aggregat av svært forskjellige lite organismer som bryophytes og laver er enestående primære produsenter. Disse to grupper av organismer dele fysiologiske karakteristisk som gjør dem unike: poikilohydry, eller manglende evne til å aktivt styre vannmengden interne. Dette har dype implikasjoner for sine fysiologiske prosesser siden stoffskiftet opphører når celler er tørket svar på lave nivåer av fuktighet og fortsetter når miljøet er fuktig igjen2. Som en konsekvens, unngå nonvascular cryptogams tørke i stedet for å takle det2, som gir disse samfunnene å overleve i en rekke miljøer fra kalde og varme ørkener til tropene3,4.
Dessuten, de også viser relativt enkel strukturer og har lavt næringsinnhold krav. Disse egenskapene gjør dem svært sensitive microclimatic forhold. Faktisk okkupere nonvascular cryptogams ofte nisje plass som er ikke tilgjengelig for planter av større, danner økosystemer i miniatyr som utgjør en viktig del av verdens mangfold. Bryophytes og laver alene har nesten 40.000 arter (ca 20.000 bryophytes sensu lato5,6 og ca 20.000 laver7). Videre er deres bidrag til jordens biologisk mangfold enda større siden lokalsamfunnet tilbyr ly for et stort antall arter av sopp, inkludert en variert flora av frittlevende og mycorrhizal sopp, N-fixating Cyanobakterie vokser som epiphytes , og en myriade av mikro-dyr, som tardigrades, collembola, Mangefotinger, insekter og midd som utnytter vannretensjon kapasitet og bufrede forhold innenfor disse miniatyr økosystemer.
Samfunn av ikke-vaskulær cryptogams også bidra til regulering av biogeochemical karbon sykluser. I tørr økosystemer, såkalte biologiske jord skorper dekke opp til 40% av deres overflate8 og spiller en viktig rolle som karbonlagre. En nylig gjennomgang anslått at biologiske jord skorper tørre miljøer kan fikse 7% av alle karbon fast av terrestriske vegetasjon. Dessuten, i andre økosystemer der enten bryophytes eller laver eller en kombinasjon av begge er den primære produsenter - like noe boreal forest systemer eller torvmyrer - de produserer mellom 30% og 100% av den totale netto primære produktivitet10,11 . De er også viktige økosystemer som disse organismene ikke er dominerende, som temperert skog. Skogen gulvet bryophytes hadde faktisk en årlige carbon uptake tilsvarende 10% skog gulvet åndedrett i en New Zealand temperert regnskog. Videre, de er også viktig for nitrogen fixation, siden Cyanobakterie leve som epiphytes i disse miljøene kan være fixating nesten 50% av globale biologiske nitrogen4.
Grunnet avhengigheten av deres fysiologiske tilgjengeligheten av vann i omgivelsene, begge mangfoldet av nonvascular cryptogam samfunn og deres funksjoner i økosystemene er sterkt avhengig av vann innhold2. Merk at, siden de ikke aktivt kontrollere vanninnholdet av vev, deres roller i karbon balanse og nitrogen fixation er kombinert med fuktighet og uttørking sykluser og, derfor, avhengig av intervallet og periodisitet av tørr-vått sykluser. Dermed utført vet vann innholdsstatus disse organismene i sanntid er nøkkelen til å forstå funksjonene av cryptogams i økosystemene.
Til tross for dens betydning, utvikling metoder å måle vannet innhold og fysiologisk aktivitet i poikilohydric organismer har vært relativt treg. I 1991 laget Coxson12 en første tilnærming til direkte måle vanninnholdet av laver. Etter at ble det et gap i denne typen studie til en ny utvikling, da flere har gitt metoder å tilnærme tiltak av fysiologiske status nonvascular cryptogams13,14,15, 16. Likevel slik kunnskap er fortsatt knappe og spredt, og disse er hovedsakelig fokusert på jord skorper4,8. Men bryophytes og laver også spille en relevante rolle i mange andre økosystemer, spesielt i tempererte boreal og polare områder1, og deres betydning er viktig ikke bare i jord fellesskap men også for epifyttiske samfunn vokser på trær og saxicolous samfunn på steiner. Denne mangelen på forskning er delvis knyttet til fravær av kommersielt tilgjengelige dataloggers, som tvinger forskningsgrupper å bygge sitt eget utstyr. Utvikle en datalogger krever spesifikk kunnskap som økologene har, så det vesentlig øker kostnadene av relativt store måling nettverk for å samle representant data om ytelsen til nonvascular cryptogams langs miljø og habitat graderinger.
I dette papiret presenterer vi en enkel og kostnadseffektiv metode for å bygge en datalogger stand til å måle konduktans nonvascular cryptogamic organismer samtidig med omgivelsestemperatur og luftfuktighet. Det er programmert til å registrere selvstendig for relativt lengre tid (opptil to måneder) og er robust nok til å tåle tøffe utendørs feltforhold. På grunn av sin enkelhet, vil det være et nyttig verktøy for økologer og feltet biologer uten spesialisert opplæring i utviklingen av dataloggers eller de forskningsgrupper som mangler spesialisert personale. Derfor har denne datalogger potensial til å hjelpe popularisere bruk av denne type enhet.
Vi utviklet et lavt strømforbruk og rimelig datalogger kunne måle konduktans fra opptil åtte ulike kilder og registrere miljømessige temperaturen og luftfuktigheten samtidig. Enheten er designet etter Coxson's design12 og gjennomført på en åpen kildekode-plattform (Tabell for materiale). Målet var å prioritere enkel montering og strømutnyttelse og å lette vedlikehold av langsiktig installasjoner. Utformingen er avledet fra en artikkel av Åpen kilde bygningen Science sensorer (OSBSS)17. Denne utformingen ble endret av omfatter flere krets å lese ut impedans på cryptogams og gjør det mer kompakt og enklere å produsere.
Resultatet er BtM bord (Bryolichen temperatur fuktighet styret), en åpen kildekode-kretskort board18. Hvert bord kontrolleres av en høy energi-effektiv microcontroller (Tabell for materiale). Miljødata temperaturen og luftfuktigheten er samlet gjennom en temperatur og fuktighet sensor som kommer precalibrated og, bortsett fra lavt strømforbruk, har en tilstrekkelig pris-ytelse.
Styret bruker en digital kommunikasjonsprotokollen (standard SPI føljetong) for å administrere målesyklusen. En real-time klokke (DS3234) montert på hvert bord gir nøyaktig timing. For å redusere energiforbruket, prosessoren forblir i ventemodus mesteparten av tiden. Hver gang dataene skal samles, til sanntidsklokke aktiverer prosessoren og utløser logging prosessen. Sanntid klokken brukes også til å nøyaktig registrerer datoen og klokkeslettet i hver data sak.
Opp til åtte moss og/eller lav kan prøver logge parallelt med et enkelt BtM-bord. Når eksperimentet er definert, brukes to krokodille-klipp elektrode sonder på hver moss/lav prøve. Deretter brukes en spenning Skillelinje mellom hver elektrode og en motstand referanse med en kjent verdi (330 KΩ i dette tilfellet). Motstanden verdien var valgt gjennom kalibrering og basert på tidligere tiltak for cryptogams. Det gir en oppløsning på en størrelsesorden rundt referanseverdien (100-1000 KΩ). Spenningsfall er bufret og deretter lese med mikrokontroller med analoge portene (A0 - A7)18. Spenningen beregnes ved å bruke følgende formel.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
Her ADCi er rå verdi fra ADC (Analog til Digital Omformer) av kanal jeg VCC er nettspenningen (3,3 V i dette tilfellet) og 1023 er dataområdet ADC utdataene. Den resulterende spenningen Vi brukes deretter sammen med Ohms lov for å beregne motstand (Ri, Ω) og konduktans (G, S) av hver moss prøve.
Ri = (VCC x RL) / Vi - RL
G = 1 / Ri
Her er RL verdien av motstand referansen (330 KΩ i dette tilfellet). Microcontroller er innebygde programvaren inneholder alle disse ligninger, så det kan direkte registrerer verdiene for motstand og ledningsevne.
Styret samler også målinger av omgivelsestemperatur og luftfuktighet bruker sensorer. Deretter skrives hvert datapunkt til en loggfil på microSD-kort. Et microSD TransFlash breakout bord var montert på hver BtM bord for dette formålet. Til slutt, microSD-kortet kan manuelt samles etter eksperimentet. Alle datapunkter kan overføres til en datamaskin for videre analyse.
Protocol
1. montering av Datalogger
- Forbered en loddebolt og en spole av loddetråd wire. Vent loddebolt å varme og fukte rengjøring svamp.
- Skjær pin hode strimler til ønsket lengde og loddetinn dem inn i hullene for temperatur og fuktighet sensoren, microcontroller og RTC klokke og microSD breakout modulene.
- For å lodde, Forvarm sammenføyningstypen med spissen av loddebolt.
- Bruk deretter en liten mengde materiale fra loddetråd ledningen, nok til å fylle opp krysset.
- Endelig, fjerne loddebolt og vente på krysset avkjølt.
- Sette sammen komponentene til kretskortet bruke samme fremgangsmåte som i trinn 1.2, etter tegninger av PCB og komponent-referanser som er angitt i Tabellen for materiale (se figur 1 for en samling ordningen).
- Først lodding motstander. Deretter loddetinn fotstykkene til driftsklar forsterkerne, SHT7X sensoren og RTC klokke og microSD breakout modulene.
- Neste, lodding to transistorene. Styret må også loddes nå bruker pin hoder. Til slutt, lodding koblinger til styret.
- Lodd SHT7X fuktighet/temperatursensoren til en pin hode eller forlengelse kabel å forsterke fører.
- Forberede et multimeter i kontinuitet testing eller ledningsevne testmodus. Bruke multimeter for å kontrollere at det ikke er noen kortslutninger mellom noen av pinnene eller tilkoblinger.
- Doublecheck positive og negative terminalene på makt levere. Kontroller også at hver loddetinn skjøt skaper en stabile forbindelse mellom komponent pinnene og kobber spor av kretsen.
Merk: Dette trinnet er svært viktig. ikke hopp over den.
- Doublecheck positive og negative terminalene på makt levere. Kontroller også at hver loddetinn skjøt skaper en stabile forbindelse mellom komponent pinnene og kobber spor av kretsen.
- Koble batteriet terminaler og kabel klipp til styret med en skrutrekker.
- Bruk først en skjærende verktøy for å strippe ~ 4 mm hver kabelände, utsette ledende kjernen. Neste, introdusere hver kabel til den riktige terminalen og skru til skruen med Phillips-skrutrekker.
- Sikre og doublecheck riktig polaritet av kabler, spesielt de av makt levere. Test styrken av tilkoblingen ved å trekke kabler litt, kontrollere at alt er ordentlig koblet.
- For ytterligere å redusere strømforbruket, fjerne strømlampen styrets microcontroller enten avlodding eller avskjære LED diode fra brettet.
- Til slutt, montere BtM styret i en værbestandig kabinett å holde fuktighet fra elektronikk.
- Passe kabinett med batteriet, koble den til positive og negative terminalene. Montere fuktighet/temperatursensoren utenfor boksen, forlate den koblet til BtM-kortet.
- Rute åtte parene av krokodille klipp nødvendig for konduktans målinger på utsiden av værbestandig skapet. I, klippet hver moss strand med krokodille klipp.
2. lasting programvaren
- Dataoverføre og installere det integrerte utviklingsmiljøet (IDE) 1.0.6 nettside19. Mikrokontrolleren brukes er en åpen kildekode fysisk computing plattform, og den kommer med sin egen IDE. Det er viktig å dataoverføre det tilstrekkelige versjonen siden det er kjente kompatibilitetsproblemer med noen av nødvendige biblioteker.
- Last ned de nødvendige bibliotekene fra GitHub oppbevaringssted18: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat og Sensirion.
- Last ned datalogger viktigste kildekoden fra GitHub oppbevaringssted18.
- Åpne filen clock.ino til å definere gjeldende klokkeslett og dato. Endre parametere for funksjonen RTC.setDateTime med gjeldende klokkeslett og dato med følgende format:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); Dato: DD/MM/åå filmtid
Her, DD er dagen, MM er måneden, åå er året, TT er timen, mm er minutter og ss er sekunder. - Deretter opp klokken programmet til BtM styret, plugge USB-til-seriell kortet (FTDI brekke) til microcontroller programmering portene og koble styret til datamaskinen med en mini-USB-til-USB-kabel. Til slutt, første trykk Kontroller og deretter laste opp i IDE.
- Åpne datalog prosjektet i IDE og endre filen datalog.ino. Definere starttid for loggeren redigere følgende variabler:
int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = mm
Her DD er antall dag, TT er start timen av målinger og mm minuttet i starten.
Merk: Koden for å definere et bestemt tidspunkt skal se slik ut:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / dato 01/12/17 12:00:00 - Angi intervallet mellom målinger (i sekunder) å endre verdien for variabel intervall.
3. oppsett av målingen sonder
- Plass krokodille klippene på sentral samfunn i tilfeller av bryophytes, fruticose lav og foliose laver (figur 2). For fruticose lav, legge utklippene i thallus og for Moser, direkte på stammen av en privatperson. Ved foliose laver, plass klips på grensen av thallus.
- Holde et minimum avstand av ca. 5 mm mellom elektrodene. Kontroller at klippene ikke er lett løsrevet før mål.
4. kalibrering for konduktans målinger
- For å sikre at de er tørre, utføre kalibreringen på middag, på en dag med lav relativ luftfuktighet, innledes med minst én og helst to, tørre dager.
- Velg et fellesskap av mose eller laver som er sunt og godt strukturert.
- Koble datalogger mose eller lav fremgangsmåten i del 3 av denne protokollen.
- Starte målinger (slå på datalogger) og la BtM styret kjører ca 3 min å stabilisere registrerte verdiene.
- Utfør en precalibration for å estimere mengden av vann i hver vanning hendelse. Koble dem til prøven og tilsett vann til konduktans når en verdi som ikke øker med tillegg av vann. Dette er maksimale konduktans verdien av den prøven. Denne verdien brukes til å etablere vanning trinnene for kalibreringen (se trinn 4.7.1).
- Vent til konduktans tiltak tilbake til de opprinnelige verdiene (prøvene er tørr).
- Deretter Legg vann sekvensielt med en liten spray.
- Fukt prøvene med en mengde vann tilsvarer 1/10 av mengden vann som kreves for å oppnå maksimal konduktans (se trinn 4.5) i utvalget.
- Vent til mose eller lav fullt absorberer vann og konduktans målingene er stabilt før vanning igjen (~ 1 min mellom hver vanning hendelse).
- Gjenta til konduktans maksimumsverdien (metning) og mose eller lav er fullt hydrated.
Merk: Hver kalibrering test bør ta rundt 15 minutter, avhengig av intervallet mellom Pottejorden, som er 1-2 min.
- Etter endt kalibreringen, ta microSD-kortet fra BtM brettet og kopier datafilen til en datamaskin.
Merk: De loggede verdiene kan deretter brukes som en baseline for eksperimenter. Det er også nødvendig å gjøre denne steg å bekrefte at oppsettet er riktig registrere konduktans prøvene, bare før du kjører det aktuelle eksperimentet.
5. alternativ kalibrering for Lab eksperimenter
- Fullt hydrat fellesskapet av mose eller lichen til et overskudd av eksterne vann er observert. For å sikre at samfunnet er fullt hydrated, holde samfunnet fuktig i 30 min.
- Koble datalogger mose eller lav fremgangsmåten i del 3 av denne protokollen.
- Start målinger og forlate BtM bordet kjører ca 3 min å stabilisere registrerte verdiene.
- Vent til konduktans når minimumsverdien (uttørking) og mose eller lav er ikke lenger lede strøm.
Merk: Hver kalibrering kunne vare minst 1 h, men varigheten er svært variabel avhengig av arten. Mål bør tas til minimum konduktans verdien er oppnådd.
Representative Results
Vi analyserte endringene i konduktans i to arter av Moser, Dicranum scoparium Hedw. og Homalothecium aureum (Gran) H. Rob. (Figur 3), under kalibreringsprosessen lab forhold. Matter av de to Moser ble holdt for 24 h i silica gel og plassert i en kunstig substrat (dvs., vatt) som holdt deres opprinnelige strukturen (figur 2). Da prøvene var vannet 15 x 20 x med en spray i 1 minutt intervaller. Hver vanning hendelse bestod av ca. 0,1 mL vann. I begge arter, en høy korrelasjon mellom vannet lagt og prøve ledningsevne (D. scoparium rS = 0,88, p < 0,001; H. aureum rs = 0.87, p < 0,001) ble observert. Det var en høy økning i konduktans (fra 0% til 25% minst) i det første vannet tillegg og tiltak nådd sin maksimale konduktans på 4 mL for D. scoparium og 10 mL for H. aureum. Det er viktig å bemerke at forholdet mellom mengden av vann og ledningsevne er logaritmisk. Derfor verdiene for konduktans må bli transformert til å ha en lineær sammenheng mellom begge variablene, og deres forhold skal modelleres ved hjelp av lineær regresjon.
Vi fant noen variasjoner blant eksemplene (se de forskjellige fargene i tallene 3a og 3b), selv om alle prøver tilhører samme art trakk en lignende kurve. Forskjeller mellom utvalgene kan tilskrives forskjeller i biomasse og morfologi av patcher. Prøvene i feltet er svært sannsynlig å vise denne typen variasjon, så flere tiltak av hver fellesskapet anbefales. Ikke overraskende fant høyeste variasjon blant arter, siden arter varierer i flere grunnleggende egenskaper (f.eks, aggregering av mats eller morfologi). Bestemme for intra- og interspecies variasjon, anbefaler vi kalibrere hvert klipp til å oppnå maksimal konduktans verdiene, og deretter rescaling resultatene for hvert klipp slik at verdiene gå fra 0 til 100. Vurdere at absolutt konduktans verdier avhengig av avstanden mellom klipp og den basale konduktans av stilkene, så verdiene de gir ikke er direkte sammenlignbare.
Mengden vann lagt i hver vanning hendelse kalibreringsprosessen er avgjørende og vil sterkt påvirke resultatene. Her var å ha flere vanning hendelser mellom maksimal nøyaktighet av BtM. Vi presenterer et eksempel på en kalibreringskurven når for mye vann i hvert trinn (Figur 4). Hvis prøven er overwatered i første vanning event, økningen i konduktans kan bli verdsatt og kalibreringen vil være unøyaktig. Dette kan føre til skjevheter i området der nonvascular cryptogams er aktiv, som er de mest interessante målingene tatt med på BtM.
Vi også analysert uttørking kurven av de samme to artene (H. aureum og D. scoparium), å gi en alternativ kalibreringsprosedyren. Matter av de to Moser ble vannet over natten for å sikre at de ble fullstendig mettet. Deretter en representant stilk av hver mat var trukket ut og plassert i en stabil, kontrollert miljø og konduktans ble registrert kontinuerlig. Som for andre kalibrering mål, verdiene av konduktans må bli transformert til å ha en lineær sammenheng mellom begge variablene, og deres forhold skal modelleres ved hjelp av lineær regresjon.
Tallene 5a og 5b viser dessication kurvene H. aureum og D. scoparium variasjon blant prøver av samme art. Intra- og interspecies variasjon funnet var ganske stor, og som andre kalibreringsprosedyren kan tilskrives forskjeller i biomasse og morfologi av hver stamme. For å kontrollere om det, anbefaler vi utfører minst tre mål per arter. Absolutt konduktans verdier er ikke direkte sammenlignbare i denne kalibreringsprosedyren, som de er også avhengig av avstanden mellom klipp og basale konduktans av stilkene.
Vi presenterer et eksempel på feltdata etter et regn hendelse skjedde mellom juni 23-26, 2014. Vi viser den daglige variasjonen i prosenten av konduktans (figur 6en), relativ luftfuktighet (figur 6b) og nedbør (figur 6c) for en art av moss (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber & D. Mohr). Det var en sterk relasjon mellom konduktans mosen, nedbør hendelsene og relativ fuktighet i luften. I perioden analysert, var det to toppene i konduktans og fuktighet av to nedbør hendelser. Første oppstod like før midnatt juni 23 og den andre etter middags av 24 juni. Ca 8 timer etter regn, observerte vi en nedgang i relativ fuktighet i luften, etterfulgt av et plutselig fall i moss konduktans som går under 25%. Den andre regn hendelsen var mindre og derfor produsert en mindre topp i konduktans. Etter denne regn hendelse, mosen tørke ikke ut umiddelbart men oppholdt hydrert mens luftfuktigheten var over 75%.
Figur 1 : Samlingen skjematisk av BtM datalogger. Skjematisk inkluderer et bilde av BtM styret og plasseringen av hver komponent på bordet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Riktig plassering av klippene i en moss (Homalothecium aureum). Bildet viser hvordan du plasserer klippene for å opprettholde minimale avstand mellom klipp uten å skade bryophyte. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Svar konduktans til vann tillegg. Disse skjermbildene viser svar konduktans til tillegg i (en) Dicranum scoparium og (b) H. aureum. Fargene viser de forskjellige gjentak. Datapunktene er gjennomsnittet av Logg-forvandlet konduktans i et intervall mellom 10 og 30 s etter hendelsen vanning. Feilfeltene representerer standardavviket for dataene i dette intervallet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 : Svar på log-forvandlet konduktans til vann tillegg i D. scoparium når lagt vann er for stort til å tillate kalibrering. Feilfeltene representerer standardavviket for dataene i dette intervallet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5 : Uttørking kurver. Disse skjermbildene viser uttørking kurvene i (et) D. scoparium og (b) H. aureum. Datapunktene er gjennomsnittet av Logg-forvandlet konduktans målt hvert 30 s. svarte punkter show gjennomsnittet av tre replikerer og feilfeltene representerer standardavviket for dataene i dette intervallet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 : Daglig variasjon i en moss' (Syntrichia ruralis) konduktans nedbør og relativ luftfuktighet. Tiltak ble tatt i jord samfunn av Cantoblanco, Campus ved Universidad Autónoma de Madrid, Spania. Konduktans og relativ luftfuktighet ble målt med BtM prototypen, mens nedbør dataene kommer fra en værstasjon plassert noen få meter fra hvor måling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Dato/klokkeslett | 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 |
Tabell 1: Eksempel på BtM utdataene.
Discussion
Vi vet, er dette første gang at en datalogger måle temperatur, fuktighet og konduktans samtidig som en proxy for vann poikilohydric organismer utviklet basert på en åpen tilgang plattform. BtM datalogger er enkel å bygge og kostnadseffektiv, og gir også høy kvalitet måling av luftfuktighet og temperatur impedans data bruker minimalt med strøm.
Enkel montering er en av de viktigste fordelene med denne datalogger. Det er en åpen kildekode-prosjektet, gir vi datalogging programvaren og en detaljert plan av strukturen, sammen med en andre erfarne manuell for å bygge en klar-å-bruke BtM datalogger. Dette gjør metoden tilgjengelig for en forskergruppe, selv for de som ikke fungerer med ingeniør eller spesialiserte teknikere. Dessuten, montering av hver datalogger krever omtrent 1 time hvis trykte styret kretsen brukes og ca 4 timer hvis kretsen er montert av forskerne. Dessuten er BtM datalogger svært kostnadsbesparende. De beregnede kostnadene for komponentene i hver enhet er ca 100 euro, en ganske lav pris som kan reduseres ytterligere i store prosjekter ved å sette sammen grupper av flere dataloggers.
Selv om det har vært flere nyere metodologiske utvikling rettet mot implementere enheter som måler ulike aspekter relatert til fysiologisk aktiviteten nonvascular cryptogam samfunn, fyller BtM en viktig knowledge gap. Raggio et al. 15 ansette Moni-Da, et overvåkingssystem som henter fysiologiske og microclimatic informasjon. Fysiologisk aktivitet samles gjennom klorofyll en fluorescens, en metode mye brukt i laboratoriet for å anslå aktiviteten til fotosynteseaktiviteten organismer. Selv om denne metoden er svært nøyaktig, er det betydelig dyrere enn BtM datalogger. Dessuten er overvåkingen et privat selskap produkt som kutter tilbake autonomi forskningsgruppen.
De to andre metodene som nylig er publisert er også basert på beregning vanninnholdet av nonvascular cryptogams. Først er basert på termisk målinger (en dual-sonde varme puls (DPHP) metode). Selv om lovende resultater har nylig vist av unge et al. 16, mangel på noen bestemt ordningen i avisen gjør montering det uten spesialisert kunnskap svært utfordrende. Til slutt, Weber et al. 14 presentert en sensor kalt biocrust fuktighet sonden (BWP), som er svært lik BtM datalogger. Men gir de ikke noen ordningen for sin konstruksjon, som hindrer at bygge datalogger uten hjelp fra en ekspert. Vi overvinne dette problemet ved å gi ikke bare konstruksjon ordningen men også kretskortet å montere datalogger. Interessant, kan BtM enkelt endres for å måle biocrusts, isolerte individer eller puter, bare ved å endre krokodille klippene (for lav eller bryophyte personer/puter) til kobber legering elektrode pinner (for biocrusts). Hvis nødvendig, kan bare en del av krokodiller erstattes, tillater direkte sammenligninger mellom de to måling sonde.
Når tolke resultatene, rettes forholdet mellom aktivitet og vanninnhold nøye, fordi BtM ikke direkte måler fotosyntese. Fotosyntese og aktivitet er nært beslektet i nonvascular cryptogams siden en tørr poikilohydric organisme er i metabolske opphøre og en våt er aktiv. Men kan graden av fotosynteseaktiviteten aktiviteten ikke avledes direkte fra vanninnhold, selv om et høyere metabolsk aktivitet- og dermed en høyere fotosynteseaktiviteten aktivitet - kan forventes i en godt hydrert organisme.
Avgjørende skritt:
Til tross for enkel montering er det noen viktige trinn i protokollen nøye må tas av forskere ved montering sensoren. Først, som understreket i protokollen, det er ganske lett å produsere kortslutninger når lodding, som i verste fall kan resultere i alvorlige skader til microcontroller. Det er svært viktig å sjekk for deres tilstedeværelse med et multimeter og fjerne dem før du kobler batteriene. Vi anbefaler å bruke den angitte PCB designen siden det betydelig forenkler prosessen og kan være det beste alternativet å overvinne problemet. Andre, ikke alle IDE-versjoner er kompatible med bibliotekene kreves for denne datalogger. Det er viktig å laste ned riktig en (1.0.6) å unngå noe forenlighet problemer. For det tredje er det viktig å merke polariteten til batteriene. En polaritet inversjon kan føre til alvorlige skader til maskinvaren. Fjerde er kalibrering et kritisk punkt. BtM datalogger er utformet slik at høyere oppløsning sammenfaller med øyeblikket der cryptogam går fra tørt til vått tilstand. Dette innebærer at konduktans verdiene mette lenge før prøven er mettet i vann. Men hvis studien på hånden krever en høyere nøyaktighet rundt andre verdier, kan det bli endret. Tiltak utover en størrelsesorden fra denne referansen krever Motstandsverdien endres og en rekalibrering prosess (se nedenfor). Da miljømessige temperaturen kan påvirke nøyaktigheten av målene, anbefales det at du tar hensyn til denne faktoren når kalibrering. Gjør bør kalibreringen utføres ved lav temperatur kontroll av endringer i nøyaktighet og stabilitet (se Coxson12 for temperatur effekter).
Modifikasjoner:
Selv om de fleste av komponentene i BtM er faste, kan noen enkelt endres i feltet uten resoldering. Enkleste endringen er å erstatte krokodille klippene for andre proben eller måling systemer. For eksempel, i stedet for krokodille klippene, en sonde med to pinner, som en foreslått i Weber et al. 14, kan brukes.
I eksterne miljøer, der endrer batteriene kan innen nødvendig frekvensen, kan batterier suppleres med et solcellepanel til makten BtM datalogger for lengre perioder.
Endrer referanse motstander å måle konduktans, kan graden av høyere oppløsning enkelt endres til høye eller lave verdier. Hvis endret, anbefaler vi en presis rekalibrering. Også i kildekoden, må RValue variabelen, som er programmert for motstanden verdien 330 KΩ, være tilordnet til den nye tilsvarende verdien (datalog.ino).
Konklusjon:
Nonvascular cryptogam samfunn er svært variert og spille en rekke ulike viktige rolle, så forstå relasjonene med abiotiske miljøet er et viktig spørsmål. BtM datalogger har flere programmer som vil hjelpe forhånd kunnskap om disse relasjonene. Det vil for eksempel hjelpe utdype innsikt om forholdene der disse organismene opptrer som karbonlagre eller karbon kilder. Svingningene mellom disse to rollene er sterkt knyttet til abiotiske forhold som temperatur og fuktighet3, men store mengder data er nødvendig for å beskrive og forstå variasjoner forhold på en global skala. Dette krever tett sensornettverk som er mulig bare hvis de er avhengige av lave kostnader og enkel å implementere.
For å oppsummere, enheten er et nyttig verktøy for økologiske forskningsgrupper og overvinner tekniske begrensninger av designe og bygge en datalogger. Kombinasjonen av disse to faktorene kan føre til en popularisering i bruk av dataloggers å måle vann forhold i nonvascular cryptogams i situ. Dette, i sin tur kan øke etablering av lengre sikt avlytting nettverk. Utvikle disse nettverkene er viktig å vurdere svaret av nonvascular cryptogams og miljømessige faktorer, samt å finne deres rolle i Økosystemprosesser (f.eks, Nærings sykluser, samfunnet forsamling) og deres mest sannsynlig svar i lys av endringer på klimatiske og anthropic faktorer assosiert med global endring.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne er takknemlig til Manuel Molina (UAM) og Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) for hjelp under kalibreringstestene og til Belén Estébanez (UAM) for hennes hjelp under prøvetaking kampanjene.
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).
