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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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, 2×1 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 |