Summary
Presentiamo un metodo semplice ed economico per costruire un datalogger di open source che misura la conduttanza di non vascolari crittogame insieme con la temperatura ambientale e l'umidità. Descriviamo la progettazione hardware del datalogger e fornire istruzioni di montaggio dettagliate, l'elenco dei software di registrazione open source richiesto, il codice per eseguire il datalogger e un protocollo di calibrazione.
Abstract
Comunità delle crittogame non vascolari, quali muschi o licheni, sono una parte importante della biodiversità della terra, che contribuiscono alla regolazione del carbonio e dell'azoto cicli in molti ecosistemi. Essendo gli organismi poikilohydric, non attivamente controllare il loro contenuto di acqua interna ed hanno bisogno di un ambiente umido per attivare il loro metabolismo. Pertanto, lo studio rapporti acqua delle crittogame non vascolari è fondamentale per comprendere sia i loro modelli di diversità e le loro funzioni negli ecosistemi. Vi presentiamo il datalogger BtM, una piattaforma open-source di basso costo per lo studio del contenuto idrico delle crittogame non vascolari. Il datalogger è progettato per misurare la temperatura, l'umidità e conduttanza da fino a otto campioni contemporaneamente. Forniamo un design per un circuito stampato (PCB), un protocollo dettagliato per assemblare i componenti e il codice sorgente necessario. Tutto questo rende l'Assemblea del datalogger BtM accessibile a qualsiasi gruppo di ricerca, anche a coloro senza precedente conoscenza specializzata. Di conseguenza, il progetto qui presentato ha il potenziale per contribuire a diffondere l'uso di questo tipo di dispositivo tra ecologisti e biologi di campo.
Introduction
Comunità delle crittogame non vascolari sono un onnipresente e una parte di ecosistemi terrestri1spesso trascurato. Essi sono costituiti da un aggregato di organismi di piccole dimensioni molto differenti tra cui muschi e licheni sono i produttori primari eccezionali. Questi due gruppi di organismi condividono una caratteristica fisiologica che li rende unici: poikilohydry, o l'incapacità di controllare attivamente il loro contenuto di acqua interna. Questo ha implicazioni profonde per i loro processi fisiologici poiché il metabolismo cessa quando le cellule sono asciugate in risposta a bassi livelli di umidità e riprende quando l'ambiente è umido ancora2. Di conseguenza, non vascolari crittogame evitare siccità invece di far fronte con esso2, che consente queste comunità a sopravvivere in una vasta gamma di ambienti dai deserti caldi e freddi per i tropici3,4.
Inoltre, inoltre Visualizza strutture relativamente semplici ed hanno basso fabbisogno di nutrienti. Queste caratteristiche li rendono altamente sensibile alle condizioni microclimatiche. In realtà, non vascolari crittogame spesso occupano uno spazio di nicchia che non è disponibile a piante vascolari di dimensioni maggiori, che formano ecosistemi in miniatura che costituiscono una parte importante della diversità del mondo. Muschi e licheni da solo sono quasi 40.000 specie (ca. 20.000 bryophytes lato di sensu di5,6 e ca. 20.000 licheni7). Inoltre, il loro contributo alla biodiversità terrestre è ancora più grande poiché la loro comunità offrono riparo per un vasto numero di specie di funghi, tra cui una variegata flora di funghi micorrizici e dissipati, N-fissazione cianobatteri crescono come epifite e una miriade di micro-invertebrati, come i tardigradi, collembola, miriapodi, insetti e acari che sfruttano la ritenzione idrica condizioni di capacità e memorizzato nel buffer all'interno di questi ecosistemi in miniatura.
Comunità delle crittogame non vascolari contribuiscono anche alla regolazione dei cicli biogeochimici del carbonio. Negli ecosistemi asciutti, le croste di cosiddetto terreno biologico coprano fino al 40% della loro superficie8 e giocano un ruolo importante come pozzi di carbonio. Una revisione recente stima che croste di terreno biologico di ambienti asciutti potrebbero essere fissa 7% di tutto il carbonio fissato dalla vegetazione terrestre. Inoltre, in altri ecosistemi dove muschi o licheni o una combinazione di entrambi sono i produttori primari - come alcuni sistemi di foresta boreale o torbiere - producono tra 30% e il 100% della produttività primaria netta totale10,11 . Essi sono anche importanti negli ecosistemi in cui questi organismi non sono dominanti, come foreste temperate. Infatti, briofite piano foresta avevano un annuale equivalente di assorbimento di carbonio di circa il 10% respirazione piano in Nuova Zelanda foresta pluviale temperata della foresta. Inoltre, essi sono anche importanti per la fissazione dell'azoto, poiché i cianobatteri che vivono come epifite in queste comunità potrebbero essere fissazione quasi il 50% dell'importo globale dell'azoto biologico4.
Dovuto la dipendenza della loro attività fisiologiche sulla disponibilità di acqua nell'ambiente circostante, sia la diversità delle Comunità Cryptogamae non vascolari e le loro funzioni negli ecosistemi sono fortemente dipendente dal contenuto di acqua2. Si noti che, poiché non possono controllare attivamente il contenuto di acqua nei loro tessuti, loro ruoli nel bilancio del carbonio e dell'azoto fissazione sono accoppiati con i cicli di idratazione e di essiccazione e, dipendono pertanto, l'intervallo e la periodicità dei cicli secco-umido. Così, conoscendo che lo stato del contenuto di acqua di questi organismi in tempo reale è la chiave per comprendere le funzioni eseguite da crittogame negli ecosistemi.
Nonostante la sua importanza, lo sviluppo di metodi per misurare l'acqua attività contenuto e fisiologici negli organismi poikilohydric è stata relativamente lenta. Nel 1991, quel12 fece un primo approccio per misurare direttamente il contenuto di acqua dei licheni. Dopo di che, c'era un divario in questo tipo di studio fino ad un recente sviluppo, quando diversi lavori hanno fornito metodi per approssimare le misure dello stato fisiologico del non vascolari crittogame13,14,15, 16. Tuttavia, tale conoscenza è ancora scarsa e sparse, e queste opere sono incentrate principalmente su suolo croste4,8. Tuttavia, muschi e licheni anche giocare un ruolo rilevante in molti altri ecosistemi, in particolare alle regioni temperate, boreali e polar1, e la loro importanza è significativo non solo nella comunità del suolo ma anche per le comunità epifite che crescono su alberi e sassicola Comunità sulle rocce. Questa mancanza di ricerca è parzialmente legata all'assenza di datalogger misura commercialmente disponibili, che costringe gruppi di ricerca per costruire le proprie attrezzature. Lo sviluppo di un datalogger richiede conoscenze specifiche che non dispongono di molti ecologisti, quindi sostanzialmente aumenta il costo di realizzazione delle reti di misura relativamente grande bisogno di raccogliere dati rappresentativi sulle prestazioni di non vascolari crittogame lungo ambientale e gradienti di habitat.
In questa carta, presentiamo un metodo semplice ed economico per costruire un datalogger in grado di misurare la conduttanza di organismi non vascolari crittogamico simultaneamente con la temperatura e l'umidità. Si è programmato per registrare autonomamente per relativamente lunghi periodi di tempo (fino a due mesi) ed è abbastanza robusto per resistere a condizioni difficili campo all'aperto. Grazie alla sua semplicità, sarà uno strumento utile per gli ecologisti e i biologi di campo senza addestramento specializzato nello sviluppo di datalogger o quei gruppi di ricerca che la mancanza di personale specializzato. Di conseguenza, questo datalogger ha il potenziale per contribuire a diffondere l'uso di questo tipo di dispositivo.
Abbiamo sviluppato un datalogger di bassa potenza e basso costo in grado di misurare la conduttanza da fino a otto diverse fonti e registrare contemporaneamente la temperatura ambiente e umidità relativa. Il dispositivo è stato progettato dopo design12 di quel e implementato su una piattaforma open-source (Tabella materiali). Lo scopo era di dare la priorità la facilità del montaggio e dell'efficienza energetica e per facilitare la manutenzione di installazioni a lungo termine. Il progetto è derivato da un articolo di Open Source edificio scienza sensori (OSBSS)17. Questo disegno è stato modificato da incorporando circuiteria aggiuntiva per leggere fuori l'impedenza di crittogame e rendendola più compatta e più facili da produrre.
Il risultato è BtM (Bryolichen temperatura umidità dualistico), un circuito stampato di open source tavolo18. Ogni scheda è controllato da un microcontrollore ad alto efficienza energetica (Tabella materiali). Dati ambientali di temperatura e umidità relativa sono raccolti attraverso un sensore di temperatura e umidità che viene fornito pretarato e, a parte il consumo di potere basso, ha un rapporto prezzo-prestazioni adeguate.
La scheda utilizza un protocollo di comunicazione digitale (standard SPI serial) per gestire il ciclo di misura. Un orologio in tempo reale (DS3234) montato su ogni scheda fornisce tempistica accurata. Al fine di ridurre il consumo energetico, il processore rimane in modalità standby la maggior parte del tempo. Ogni volta dati devono essere raccolti, l'orologio in tempo reale attiva il processore e innesca il processo di registrazione. L'orologio in tempo reale è utilizzato anche per registrare con precisione la data e l'ora di ogni caso di dati.
Fino a otto muschio e/o lichene campioni possono essere registrati in parallelo utilizzando una sola scheda di BtM. Quando l'esperimento è imposta, due clip coccodrillo elettrodo sonde vengono applicate a ciascun campione di muschio/lichene. Quindi, vengono utilizzati un partitore di tensione tra ciascun elettrodo e un riferimento di resistore con un valore noto (330 KΩ in questo caso). Questo valore del resistore è stato selezionato tramite calibrazione e basato su precedenti misure delle crittogame. Fornisce una risoluzione di un ordine di grandezza intorno al valore di riferimento (100-1.000 KΩ). La caduta di tensione è memorizzato nel buffer e quindi leggere con il microcontrollore utilizzano i loro porti analogici (A0 - A7)18. La tensione è calcolata applicando la seguente formula.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
ADCi Ecco il crudo del valore da ADC (convertitore analogico-digitale) del canale, VCC è la tensione di alimentazione (3.3 V in questo caso) e 1023 è la gamma dell'uscita ADC. La tensione risultante Vi viene quindi utilizzata in combinazione con la legge di Ohm per calcolare la resistenza (Ri, Ω) e la conduttanza (G, S) di ciascun campione di muschio.
Ri = (VCC x RL) / Vi - RL
G = 1 / Ri
Qui, RL è il valore di riferimento il resistore (330 KΩ in questo caso). Software a bordo del microcontrollore incorpora tutte queste equazioni, quindi può registrare direttamente i valori di resistenza e di conduttanza.
La scheda raccoglie anche misurazioni della temperatura ambiente e umidità utilizzando sensori. Quindi, ogni punto di dati viene scritto in un file di registro su una scheda microSD. Una microSD TransFlash breakout bordo era montata su ogni bordo di BtM per questo scopo. Infine, la scheda microSD può essere raccolti manualmente dopo l'esperimento. Tutti i punti dati possono essere trasferiti ad un computer per ulteriori analisi.
Protocol
1. montaggio del Datalogger
- Preparare un saldatore e un rocchetto di filo di saldatura. Aspetta per il saldatore di calore e inumidire la spugna pulizia.
- Tagliare le strisce di intestazione del perno alla lunghezza desiderata e saldarli nelle prese per il sensore di temperatura e umidità, il microcontrollore e i moduli di breakout RTC orologio e microSD.
- A saldare, preriscaldare il join desiderato con la punta del saldatore.
- Quindi, applicare una piccola quantità di materiale dal filo di saldatura, abbastanza per riempire la giunzione.
- Infine, rimuovere il saldatore e attendere che la giunzione si raffreddi.
- Assemblare i componenti per il circuito stampato utilizzando la stessa procedura come descritto al punto 1.2, seguendo i segnavia del PCB e i riferimenti del componente specificati nella Tabella materiali (vedere la Figura 1 per uno schema di montaggio).
- In primo luogo, saldare le resistenze. Poi, saldare le prese per l'amplificatore operazionale, il sensore di SHT7X e i moduli di breakout RTC orologio e microSD.
- Successivamente, saldare i due transistor. Il Consiglio deve inoltre essere saldati ora, utilizzando il pin header. Infine, saldare i connettori alla scheda.
- Saldare il sensore di umidità/temperatura SHT7X in un cavo di estensione o intestazione di pin per rinforzare i cavi.
- Preparare un multimetro in modalità test test o conducibilità di continuità. Utilizzare il multimetro per verificare che non ci siano corto circuiti tra i perni o connessioni.
- Ricontrollare i terminali positivo e negativi dell'alimentazione alimentazione. Inoltre, verificare che ogni giunto di saldatura crea una connessione stabile tra i pin del componente e le tracce di rame del circuito.
Nota: Questo passaggio è molto importante; non saltare.
- Ricontrollare i terminali positivo e negativi dell'alimentazione alimentazione. Inoltre, verificare che ogni giunto di saldatura crea una connessione stabile tra i pin del componente e le tracce di rame del circuito.
- Collegare i morsetti della batteria e clip per cavi alla scheda utilizzando un cacciavite.
- In primo luogo, è possibile utilizzare qualsiasi strumento di taglio per ~ 4 mm di ogni estremità del filo, esponendo il conduttore della striscia. Successivamente, introdurre ogni cavo nell'apposito morsetto e serrare la vite con il cacciavite a stella.
- Garantire e ricontrollare la corretta polarità dei cavi, specialmente quelli della potenza di alimentazione. Testare la resistenza della connessione tirando i cavi leggermente, verificando che tutto sia collegato saldamente.
- Per ridurre ulteriormente il consumo energetico, è necessario rimuovere il LED di alimentazione della scheda microcontroller dissaldanti o tagliando il diodo LED dal Consiglio.
- Infine, montaggio della scheda BtM in un alloggiamento resistente alle intemperie per mantenere l'umidità dall'elettronica.
- Montare il recinto con il pacco batteria, collegarlo ai morsetti positivi e negativi. Montare il sensore di umidità/temperatura all'esterno della casella, lasciandolo collegato alla scheda di BtM.
- Itinerario le otto coppie di coccodrilli per misure di conduttanza verso l'esterno del recinto resistente alle intemperie. Ultimo, ogni filo di muschio di clip con i coccodrilli.
2. caricamento del Software
- Scaricare e installare l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) 1.0.6 dal sito19. Il microcontrollore utilizzato è una piattaforma open source e viene fornito con il proprio IDE. È importante scaricare la versione adeguata dato che ci sono problemi di compatibilità noti con alcune delle librerie necessarie.
- Scarica le librerie necessarie dal repository su GitHub18: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat e Sensirion.
- Scaricare il codice sorgente principale per il datalogger dal repository su GitHub18.
- Aprire il file clock.ino per impostare la data e l'ora correnti. Modificare i parametri per la funzione RTC.setDateTime con l'ora e la data utilizzando il formato seguente:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); Data: GG/MM/AA HH: mm:
Ecco, DD giorno, MM è il mese, YY è anno, hh è ora, mm è minuti e ss è secondi. - Quindi, caricare il programma di orologio a bordo BtM, collegare l'adattatore USB-seriale (breakout FTDI) alle porte di programmazione di microcontroller e utilizzando un cavo mini-USB a USB per collegare la scheda al computer. Infine, prima di premere Verify e, quindi, caricare nell'IDE.
- Aprire il progetto di datalog nell'IDE e modificare il file di datalog.ino. Impostare l'ora di inizio per il logger modificando le seguenti variabili:
int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = mm
Qui, DD è il numero del giorno, hh è l'ora di partenza delle misure e mm il minuto di inizio.
Nota: Il codice per impostare un tempo specifico dovrebbe essere come questo:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / data 12/01/17 12:00 - Impostare l'intervallo fra le misure (in secondi) modificare il valore della variabile intervallo.
3. set-up delle sonde di misura
- Posizionare le pinze coccodrillo in una posizione centrale delle Comunità nei casi di briofite, licheni fruticose e licheni fogliaceo (Figura 2). Per licheni fruticose, montare i clip nel tallo e, per muschi, direttamente sullo stelo di un individuo. Nel caso di licheni fogliaceo, posizionare le clip sul confine del tallo.
- Mantenere una distanza minima di ca. 5 mm tra gli elettrodi. Assicurarsi che le clip non sono facilmente staccate prima di iniziare le misure.
4. taratura per misure di conduttanza
- Per garantire che i campioni siano asciutti, eseguire la calibrazione a mezzogiorno, in una giornata con aria a bassa umidità relativa, preceduto da almeno uno e preferibilmente due, giornate secche.
- Selezionare una comunità di muschio o licheni che è sano e ben strutturato.
- Collegare il datalogger al muschio o lichene, seguendo la procedura descritta nella sezione 3 del presente protocollo.
- Iniziare le misurazioni (Disabilita il datalogger) e lasciare il Consiglio di BtM in esecuzione per circa 3 minuti stabilizzare i valori registrati.
- Eseguire un test precalibration per stimare la quantità di acqua necessaria in ogni evento di irrigazione. Collegare la clip al campione e aggiungere acqua fino a quando la conduttanza raggiunge un valore che non aumenta con l'aggiunta di acqua. Questo è il valore massimo di conduttanza di quel campione. Questo valore verrà utilizzato per stabilire i passaggi d'innaffiatura della calibrazione (Vedi punto 4.7.1).
- Attendere che le misure di conduttanza tornare ai valori iniziali (i campioni sono asciutti).
- Quindi, aggiungere acqua in sequenza con un piccolo spruzzo.
- Inumidire i campioni con una quantità d'acqua equivalente a 1/10 della quantità di acqua necessaria per ottenere la conduttanza massima (vedere punto 4.5) nel campione.
- Attendere che il muschio o il lichene completamente assorbe l'acqua e le misure di conduttanza sono stabili prima di innaffiamento di nuovo (~ 1 min tra ciascun evento di irrigazione).
- Ripetere fino a quando la conduttanza raggiunge il valore massimo (saturazione) e il muschio o il lichene è completamente idratato.
Nota: Ogni test di calibrazione dovrebbe prendere circa 15 min, a seconda dell'intervallo tra le innaffiature, che dovrebbero essere 1-2 min.
- Dopo aver terminato la calibrazione, prendere la scheda microSD dal Consiglio di BtM e copiare il file di dati in un computer.
Nota: I valori registrati quindi utilizzabile come base per gli esperimenti. Inoltre è necessario eseguire questo passaggio per verificare che il set-up correttamente sta registrando la conduttanza dei campioni, appena prima di eseguire l'esperimento vero e proprio.
5. alternativa calibrazione per esperimenti di laboratorio
- Completamente idratare la comunità di muschio o lichene fino a quando si osserva un eccesso di acqua esterno. Per garantire che la Comunità è completamente idratata, mantenere la comunità umido per 30 min.
- Collegare il datalogger al muschio o lichene, seguendo la procedura descritta nella sezione 3 del presente protocollo.
- Iniziare le misurazioni e lasciare il Consiglio di BtM in esecuzione per circa 3 minuti stabilizzare i valori registrati.
- Attendere che la conduttanza raggiunge il valore minimo (essiccazione) e il muschio o il lichene non è conduttore di elettricità.
Nota: Ogni calibrazione potrebbe durare almeno 1 h, ma la durata è molto variabile a seconda della specie. Prendi le misure fino a raggiunta un valore minimo di conduttanza.
Representative Results
Abbiamo analizzato i cambiamenti nella conduttanza in due specie di muschi, scoparium scoparium Hedw. e Homalothecium aureum (abete) H. Rob. (Figura 3), durante il processo di calibrazione in condizioni di laboratorio. Stuoie di due muschi erano tenute per 24 h in gel di silice e collocate in un substrato artificiale (cioè, ovatta) che hanno mantenuto la loro struttura originale (Figura 2). Quindi, i campioni sono stati innaffiati 15 x 20 x con uno spray in intervalli di 1 min. Ogni evento di irrigazione ha consistito di ca. 0,1 mL di acqua. In entrambe le specie, un'elevata correlazione tra l'acqua aggiunta e la conduttanza di campione (d. scoparium rS = 0,88, p < 0,001; H. aureum rs = 0,87, p < 0,001) è stata osservata. C'era un elevato aumento della conduttanza (da 0% a 25% almeno) solo nella prima acqua aggiunta e le misure raggiunsero loro conduttanza massima a 4 mL per d. scoparium e 10 mL per H. aureum. È importante sottolineare che il rapporto tra la quantità di acqua e conduttanza è logaritmico. Pertanto, i valori di conduttanza devono essere trasformato per avere una relazione lineare tra due variabili e il loro rapporto dovrebbe essere modellato utilizzando la regressione non lineare.
Abbiamo trovato alcuni variabilità tra i campioni (vedere i diversi colori nelle figure 3a e 3b), anche se tutti i campioni appartenenti alla stessa specie hanno disegnato una curva simile. La variazione tra i campioni possa essere attribuita alle differenze nelle biomasse e morfologia delle patch. Campioni nel campo sono molto probabilmente mostrare questo tipo di variabilità, così prendendo parecchie misure di ogni tipo di comunità è raccomandato. Non sorprendentemente, la variabilità più alta è stata trovata tra le specie, poiché specie differiscono da in parecchi tratti fondamentali (ad esempio, l'aggregazione della stuoie o morfologia). Per controllare per intra - e interspecie variabilità, si consiglia di calibrare ogni clip fino a raggiungere i valori di conduttanza massima e, quindi, ridimensionamento dei risultati per ogni clip in modo che i valori vanno da 0 a 100. Considera che i valori assoluti conduttanza dipendono dalla distanza tra clip e la conduttanza basale degli steli, così i valori che forniscono non sono direttamente confrontabili.
La quantità di acqua aggiunta in ogni evento d'innaffiatura del processo di calibrazione è fondamentale e influenzerà fortemente i risultati. Qui, lo scopo era di avere diversi eventi di irrigazione nella gamma di massima precisione della BtM. Presentiamo un esempio di una curva di calibrazione quando troppa acqua viene aggiunto in ogni fase (Figura 4). Se il campione è overwatered al primo evento di irrigazione, l'aumento della conduttanza non può essere apprezzato e la calibrazione sarà imprecisa. Questo può portare a distorsioni nell'intervallo dove non vascolari crittogame sono attivi, che sono le misurazioni più interessanti con la BtM.
Abbiamo anche analizzato la curva di essiccamento della stessa due specie (H. aureum e d. scoparium), per fornire una procedura di calibrazione alternativi. Stuoie di due muschi erano abbeverate durante la notte affinché che essi erano completamente saturi. Quindi, un gambo rappresentativo di ogni stuoia è stata estratta e messa in un ambiente stabile e controllato e la conduttanza è stata registrata continuamente. Per quanto riguarda l'altra misura di calibrazione, i valori di conduttanza devono essere trasformato per avere una relazione lineare tra due variabili e il loro rapporto dovrebbe essere modellato utilizzando la regressione non lineare.
Figure 5a e 5b mostrano le curve di essiccamento di H. aureum e la variabilità di d. scoparium tra i campioni della stessa specie. Intra - e interspecie variabilità trovato erano abbastanza grandi e, come altri nella procedura di calibrazione, potrebbe essere attribuite alle differenze nelle biomasse e morfologia di ogni stelo. Per controllare per esso, si consiglia di eseguire almeno tre misurazioni per ogni specie. Valori di conduttanza assoluta non sono direttamente comparabili in questa procedura di calibrazione, come dipendono anche la distanza tra clip e conduttanza basale dei fusti.
Presentiamo un esempio di campo dati dopo che si è verificato un evento di pioggia tra 23-26 giugno 2014. Vi mostriamo la variazione giornaliera della percentuale di conduttanza (Figura 6un), umidità relativa (Figura 6b) e precipitazioni (Figura 6c) per una specie di muschio (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber & d. Mohr). C'era un rapporto forte fra la conduttanza di muschio, le precipitazioni e l'umidità relativa dell'aria. Durante il periodo analizzato, c'erano due picchi nella conduttanza e umidità in conseguenza di due eventi di precipitazione. Quello primo si è verificato poco prima di mezzanotte del 23 giugno e la seconda dopo il mezzogiorno del 24 giugno. Circa 8 h dopo il primo evento di pioggia, abbiamo osservato una diminuzione dell'umidità relativa dell'aria, seguita da un improvviso calo della conduttanza di muschio che scende sotto il 25%. Il secondo evento di pioggia era più piccolo e, di conseguenza, prodotto un più piccolo picco di conduttanza. Dopo questo evento di pioggia, il muschio non si asciuga immediatamente ma siamo stato idratato mentre l'umidità è superiore al 75%.
Figura 1 : Schema di montaggio del datalogger BtM. Lo schema include una foto della scheda di BtM e il posizionamento di ciascun componente sulla scheda. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Corretto posizionamento delle clip in un muschio (Homalothecium aureum). L'immagine mostra come posizionare le clip per mantenere una distanza minima tra i clip senza danneggiare le briofite. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : La risposta di conduttanza di acqua aggiunta. Questi pannelli mostrano la risposta di conduttanza di acqua aggiunta in (un) scoparium scoparium e (b) H. aureum. I colori mostrano le diverse repliche. I punti di dati sono la media della conduttanza registro-ha trasformato in un intervallo tra 10 e 30 s dopo l'evento di irrigazione. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard dei dati in quell'intervallo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Risposta di conduttanza di registro-trasformato nel d. scoparium quando la quantità di acqua aggiunta è troppo grande per consentire la calibrazione dell'acqua aggiunta. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard dei dati in quell'intervallo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : Curve di essiccamento. Questi pannelli mostrano le curve di essiccamento di (a) d. scoparium e (b), H. aureum. I punti di dati sono il valore medio della conduttanza registro-trasformate misurati ogni 30 punti neri s. Visualizza la media dei tre replica e le barre di errore rappresentano la deviazione standard dei dati in quell'intervallo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : Variazione giornaliera conduttanza (sSyntrichia rurali), le precipitazioni e umidità un moss'. Le misure sono state prese nella comunità del suolo di Cantoblanco, Campus della Universidad Autónoma de Madrid, Spagna. La conduttanza e umidità sono stati misurati con il prototipo di BtM, mentre i dati di precipitazione provengono da una stazione meteo posizionata a pochi metri dalla posizione di misurazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Data/ora | Temp(C) | RH(%) | Conductance(KMho) |
| 03/11/18 12:00 | 26.6 | 66,6 | 139.53 |
| 03/11/18 12:00 | 26.6 | 66,4 | 167.92 |
| 03/11/18 12:00 | 26,8 | 66,4 | 199.14 |
| 03/11/18 12:00 | 26,9 | 66,4 | 212.75 |
| 03/11/18 12:00 | 26.6 | 66,6 | 217.15 |
| 03/11/18 12:01 | 26,9 | 66,7 | 218.93 |
| 03/11/18 12:01 | 27 | 66,8 | 139.53 |
| 03/11/18 12:01 | 27.1 | 66,9 | 164.28 |
| 03/11/18 12:01 | 27.1 | 67,3 | 194.21 |
| 03/11/18 12:01 | 27.3 | 67,3 | 209.28 |
Tabella 1: Esempio di output BtM.
Discussion
A nostra conoscenza, questo è la prima volta che un datalogger per misurare la temperatura, l'umidità e conduttanza simultaneamente come proxy del contenuto idrico di organismi poikilohydric è stato progettato sulla base di una piattaforma di accesso aperto. Il datalogger di BtM è conveniente e facile da costruire e fornisce anche misure di alta qualità di umidità dell'aria, temperatura e impedenza dati usando il minimo di energia.
Il montaggio è uno dei principali vantaggi di questo datalogger. Come è un progetto open-source, forniamo il software data-logging e uno schema dettagliato della sua struttura, insieme a un manuale non tecnico per la costruzione di un datalogger di BtM ready-to-use. Ciò rende il metodo accessibile a qualsiasi gruppo di ricerca, anche a quelli che non funzionano con un ingegnere o tecnici specializzati. Inoltre, il montaggio di ogni datalogger richiede solo circa 1 ora se viene utilizzato il circuito stampato e circa 4 ore se il circuito è montato dai ricercatori. Inoltre, il datalogger BtM è altamente efficiente. Il costo stimato dei componenti di ogni unità è di circa 100 euro, un prezzo abbastanza basso che può essere ridotto ulteriormente in progetti su larga scala mediante l'assemblaggio di lotti di diversi datalogger.
Anche se ci sono stati diversi recenti sviluppi metodologici finalizzati all'implementazione di dispositivi che misurano diversi aspetti legati alla attività fisiologica delle Comunità Cryptogamae non vascolari, la BtM colma una lacuna di conoscenza importante. Raggio et al. 15 impiegano Moni-Da, un sistema di monitoraggio che ottiene informazioni fisiologiche e microclimatiche. L'attività fisiologica raccolti attraverso una fluorescenza clorofilla, un metodo ampiamente usato in laboratorio per valutare l'attività di organismi fotosintetici. Sebbene questo metodo è molto preciso, è notevolmente più costoso rispetto al datalogger BtM. Inoltre, il sistema di monitoraggio è un prodotto di società privata, che riduce l'autonomia del gruppo di ricerca.
Gli altri due metodi che sono stati recentemente pubblicati anche si basano sulla stima del contenuto idrico delle crittogame non vascolari. Il primo si basa su misurazioni termiche (un metodo di impulsi (DPHP) calore dual-sonda). Anche se risultati promettenti hanno recentemente dimostrati da giovane et al. 16, la mancanza di qualsiasi regime specifico nel libro rende montarlo senza conoscenza specializzata altamente stimolante. Infine, Weber et al. 14 ha presentato un sensore chiamato la sonda di umidità di biocrust (BWP), che è molto simile al datalogger BtM. Tuttavia, non forniscono alcun regime per la sua costruzione, che ostacola la possibilità di costruire il datalogger senza l'assistenza di uno specialista. Abbiamo superato questo problema fornendo non solo lo schema di costruzione, ma anche il circuito stampato per assemblare il datalogger. È interessante notare che, la BtM può essere facilmente modificato per misurare biocrusts, individui isolati o cuscini, semplicemente cambiando i coccodrilli (per gli individui/cuscini del lichene o briofite) ai pin di elettrodi in lega di rame (per biocrusts). Se necessario, solo parte dei coccodrilli può essere sostituito, permettendo confronti diretti tra i tipi di sonda di misurazione.
Nell'interpretazione dei risultati, il rapporto tra attività e contenuto di acqua dovrebbe essere affrontato con attenzione, perché la BtM non misura direttamente la fotosintesi. Fotosintesi e attività sono strettamente correlati a non vascolari crittogame poiché un organismo poikilohydric asciutto è in metabolica cessate e bagnato è attivo. Tuttavia, il grado di attività fotosintetica può dedurre direttamente dal contenuto di acqua, anche se un' più alta attività metabolica - e, quindi, una maggiore attività fotosintetica - può essere previsto in un organismo ben idratato.
Fasi critiche:
Nonostante la facilità di montaggio, ci sono alcuni passaggi critici nel protocollo che deve essere affrontato con attenzione dai ricercatori durante il montaggio del sensore. In primo luogo, come sottolineato nel protocollo, è abbastanza facile da produrre cortocircuiti durante la brasatura, che, nella peggiore delle ipotesi, potrebbe causare gravi danni al microcontrollore. È molto importante per verificare la loro presenza con un multimetro e per rimuoverli prima di collegare le batterie. Si consiglia di utilizzare il disegno di PCB fornito dal momento che significativamente semplifica il processo e può essere l'opzione migliore per superare questo problema. In secondo luogo, non tutte le versioni IDE sono compatibili con le librerie necessarie per questo datalogger. È importante scaricare il corretto uno (1.0.6) per evitare qualsiasi compatibilità problemi. In terzo luogo, è importante notare la polarità delle batterie. Un'inversione di polarità potrebbe causare gravi danni all'hardware. In quarto luogo, la taratura è un passo fondamentale. Il datalogger di BtM è progettato in modo che la risoluzione più alta coincide con il momento in cui il Cryptogamae va da asciutto a bagnato dello stato. Ciò implica che i valori di conduttanza saturano molto tempo prima che il campione è saturo in acqua. Tuttavia, se lo studio a portata di mano richiede una maggiore accuratezza nei dintorni di altri valori, può essere modificato. Misure di là di un ordine di grandezza da questo riferimento richiedono il resistore di essere cambiato e un processo di ricalibrazione (Vedi sotto). Come la temperatura ambientale può influenzare la precisione delle misurazioni, si consiglia di prendendo in considerazione questo fattore durante la calibrazione. A tal fine, la calibrazione deve essere eseguita a basse temperature per verificare le modifiche nella precisione di misura e la stabilità (vedere quel12 per effetti di temperatura).
Modifiche:
Anche se la maggior parte dei componenti della BtM sono fissi, alcune possono essere facilmente modificate nel campo senza resoldering. La modifica più semplice consiste nel sostituire le pinze a coccodrillo per altri sistemi sonda o. Ad esempio, anziché le pinze a coccodrillo, una sonda con due perni, come quello suggerito Weber et al. 14, può essere utilizzato.
In ambienti remoti, dove cambiare le batterie potrebbe non essere possibile entro la frequenza necessaria, batterie potrebbero essere completate con un pannello solare per alimentare il datalogger BtM per periodi più lunghi.
Modificando le resistenze di riferimento usate per misurare la conduttanza, il rango di maggiore risoluzione può essere facilmente modificato per valori superiori o inferiori. Se modificata, consigliamo vivamente una ricalibrazione precisa. Inoltre, nel codice sorgente, la variabile RValue , che è programmata per un valore di resistenza di 330 KΩ, deve essere assegnata al nuovo valore corrispondente (datalog.ino).
Conclusione:
Le comunità non vascolari Cryptogamae sono altamente diversificate e giocare un certo numero di diversi ruoli chiave ecologici, quindi comprendere le loro relazioni con l'ambiente abiotico è una questione cruciale. Il datalogger di BtM ha diverse applicazioni che verranno aiuteranno a anticipo la conoscenza di queste relazioni. Ad esempio, aiuterà approfondire approfondimenti circa le condizioni in cui questi organismi agiscono come serbatoi di carbonio o fonti di carbonio. Le fluttuazioni tra questi due ruoli sono fortemente legate alla condizioni abiotiche, come temperatura e umidità3, ma grandi quantità di dati sono necessari per descrivere e comprendere le variazioni di tale rapporto a scala globale. Ciò richiede reti sensore denso che sono possibili solo se si basano su apparecchiature di basso costo e facile da implementare.
Per riassumere, questo dispositivo è uno strumento utile per i gruppi di ricerca ecologica e supera i vincoli tecnici di progettazione e costruzione di un datalogger. La combinazione di questi due fattori può portare a una divulgazione nell'uso dei datalogger per misurare i rapporti di acqua di crittogame non vascolari in situ. Questo, a sua volta, può aumentare la creazione di reti di monitoraggio di medio e lungo termine. Lo sviluppo di queste reti è essenziale per valutare la risposta delle crittogame non vascolari ai locali e regionali fattori ambientali, così come per determinare il loro ruolo nei processi ecosistemici (ad esempio, cicli di nutrienti, assemblea comunitaria) e loro risposta più probabile alla luce dei cambiamenti climatici e antropici fattori legati al cambiamento climatico.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori sono grati a Manuel Molina (UAM) e Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) per l'aiuto fornito durante le prove di calibrazione e di Belén Estébanez (UAM) per il suo aiuto durante le campagne di campionamento.
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).
