Summary
Vi presenterar en enkel och kostnadseffektiv metod för att bygga en öppen källkod-datalogger som mäter konduktans av nonvascular cryptogams tillsammans med omgivningstemperatur och luftfuktighet. Vi beskriver hårdvara utformningen av datalogger och ger steg för steg monteringsanvisning, listan över krävs öppen källkod logging programvara, koden för att köra datalogger och en kalibrering-protokollet.
Abstract
Samhällen av nonvascular cryptogams, såsom mossor eller lavar, är en viktig del av jordens biologiska mångfald, bidra till regleringen av den kol och kväve cykler i många ekosystem. Att vara poikilohydric organismer, gör de inte aktivt styra deras inre vatteninnehåll och behöver en fuktig miljö att aktivera deras ämnesomsättning. Studera vatten relationer av nonvascular cryptogams är därför avgörande att förstå både sin mångfald mönster och deras funktioner i ekosystemen. Vi presenterar den BtM datalogger, en billig öppen källkod plattform för studiet av vattenhalten i nonvascular cryptogams. Datalogger är utformad för att mäta temperatur, luftfuktighet och konduktans från upp till åtta prover samtidigt. Vi tillhandahåller en design för ett tryckt kretskort (PCB), ett detaljerat protokoll att montera komponenter, och krävs källkoden. Allt detta gör monteringen av den BtM datalogger tillgänglig för någon forskargrupp, även för dem utan specialiserade förkunskaper. Den design som presenteras här har därför potential att hjälpa popularisera användningen av denna typ av enhet bland ekologer och Fältbiologerna.
Introduction
Samhällen av nonvascular cryptogams är en allestädes närvarande och en ofta försummade delen av terrestra ekosystem1. De består av en sammanvägning av mycket olika små organismer bland vilka-mossor och lavar finns utestående primärproducenterna. Dessa två grupper av organismer dela en fysiologisk egenskap som gör dem unika: poikilohydry, eller oförmåga att aktivt styra deras inre vatteninnehåll. Detta har djupgående konsekvenser för deras fysiologiska processer eftersom ämnesomsättningen upphör när cellerna är torkat ut svar på låga nivåer av luftfuktighet och återupptas när miljön är fuktiga igen2. Som en följd undvika nonvascular cryptogams torka istället för att hantera det2, vilket gör att dessa samhällen att överleva i ett brett utbud av miljöer från kalla och varma öknar till tropikerna3,4.
Förutom, de också visar relativt enkla strukturer och har lågt näringsbehov. Dessa egenskaper gör dem mycket känsliga för mikroklimatet villkor. I själva verket upptar nonvascular cryptogams ofta en nisch utrymme som inte är tillgänglig att kärlväxter av större storlek, bildar ekosystem i miniatyr som utgör en viktig del av världens mångfald. -Mossor och lavar ensam innehåller nästan 40 000 arter (ca. 20.000 bryofyter sensu lato5,6 och ca. 20.000 lavar7). Deras bidrag till jordens biologiska mångfald är dessutom ännu större eftersom deras samhällen erbjuder skydd för ett stort antal arter av svampar, inklusive en varierande flora av viltlevande och utöka svampar, N-fixerande cyanobakterier växer som epifyter , och en myriad av mikro-ryggradslösa djur, såsom tardigrades, collembola, mångfotingar, insekter och kvalster som drar nytta av vattenretention kapacitet och buffrad förhållanden inuti dessa miniatyr ekosystem.
Samhällen av icke-vaskulär cryptogams också bidra till regleringen av biogeokemiska carbon cykler. I torr ekosystem, de så kallade biologiska jord skorporna täcka upp till 40 procent av sin yta8 och spela en viktig roll som kolsänkor. En senaste översyn uppskattade att biologiska jord skorpor av torra miljöer kunde fastställande av 7% av alla kol fastställs av terrestrial vegetation. Dessutom i andra ekosystem där antingen-mossor eller lavar eller en kombination av båda är de primära producenterna - som vissa boreala skogen system eller torvmossar - producerar de mellan 30% och 100% av den netto primära totalproduktivitet10,11 . De är också viktiga i ekosystem där dessa organismer inte är dominerande, såsom tempererade skogar. Sannerligen skogen golvet bryofyter hade motsvarande årliga carbon upptag av ca 10% skog golv andning i en Nya Zeeland tempererade regnskog. Ytterligare, de är också viktiga för kvävefixering, sedan de cyanobakterier leva som epifyter i dessa samhällen kunde fixerande nästan 50% av den totala mängden biologiskt kväve4.
På grund av beroendet av deras fysiologiska aktiviteten på tillgången på vatten i den omgivande miljön, både mångfalden av nonvascular cryptogam samhällen och deras funktioner i ekosystemen är starkt beroende av vatten innehåll2. Observera att eftersom de inte kan aktivt kontrollera vattenhalten i sina vävnader, deras roller i kolbalans och kvävefixering är sambandstestade mot fukt och uttorkning cykler, och därför beroende av intervallet och periodicitet för torr-våt cykler. Således att veta vattenstatusen innehåll av dessa organismer i realtid är nyckeln till att förstå funktionerna som utförs av cryptogams i ekosystemen.
Trots dess betydelse, utveckling av metoder för att mäta vattnets innehåll och fysiologisk aktivitet i poikilohydric organismer har varit relativt långsam. I 1991, Coxson12 gjorde en första strategi att direkt mäta halten av lavar. Efter det fanns det en lucka i denna typ av studie tills en ny utveckling, när flera verk har gett metoder att approximera åtgärder av nonvascular cryptogams13,14,15, fysiologiska status 16. Dock sådan kunskap är fortfarande knappa och spridda, och dessa verk är främst inriktad på jord skorpor4,8. Dock-mossor och lavar också spelar en viktig roll i många andra ekosystem, särskilt på tempererade, boreala och polar regioner1, och deras betydelse är betydelsefullt inte bara i jord samhällen utan även för epifytiska samhällen växer på träd och saxicolous samhällen på stenar. Denna brist på forskning är delvis kopplad till avsaknaden av kommersiellt tillgängliga mätning DATALOGGRAR, vilket tvingar forskargrupper att bygga sin egen utrustning. Utveckla en datalogger kräver specifika kunskaper som de flesta ekologer inte har, så det avsevärt ökar kostnaden för att genomföra de relativt stora mäta nätverk som behövs för att samla representativa data om prestanda för nonvascular cryptogams längs miljö och livsmiljö övertoningar.
I detta papper presentera vi en enkel och kostnadseffektiv metod för att bygga en datalogger kan mäta konduktans nonvascular cryptogamic organismer samtidigt med de omgivande temperatur och luftfuktighet. Den är programmerad att registrera självständigt för relativt långa perioder (upp till två månader) och är robust nog att tåla hård utomhus fältförhållanden. Tack vare sin enkelhet, kommer det vara ett användbart verktyg för ekologer och Fältbiologerna utan specialiserad utbildning i utvecklingen av DATALOGGRAR eller de forskargrupper som saknar specialiserad personal. Detta datalogger har därför potential att hjälpa popularisera användningen av denna typ av enhet.
Vi utvecklat en låg effekt och låg kostnad datalogger kunna mäta konduktans från upp till åtta olika källor och registrera omgivningstemperatur och luftfuktighet samtidigt. Enheten är utformad efter Coxson's design12 och implementerats på en open-source plattform (Tabell för material). Syftet var att prioritera användarvänlighet församling och energieffektivitet och underlätta upprätthållandet av långsiktiga installationer. Designen är härrör från en artikel av Öppen källkod byggnad vetenskap sensorer (OSBSS)17. Denna design ändrades av införliva ytterligare kretsar att läsa ut impedansen hos cryptogams och göra det mer kompakt och enklare att tillverka.
Resultatet är BtM styrelsen (Bryolichen temperatur fukt board), en öppen källkod tryckt krets ombord18. Varje bräda är kontrollerad av en hög energieffektiva mikrokontroller (Tabell för material). Temperatur och relativ fuktighet miljödata samlas in genom en temperatur och luftfuktighet sensor som kommer förkalibrerade och, bortsett från dess låg förmåga förtäringen, har en tillräcklig pris-prestanda-förhållande.
Styrelsen använder en digital kommunikationsprotokoll (standard SPI följetong) för att hantera själva mätcykeln. En realtidsklocka (DS3234) monterad på varje bräda ger exakt timing. För att minska energiförbrukningen, processorn är kvar i standbyläge för mesta. Varje gång data behöver samlas, realtid klockan aktiverar processorn och utlöser loggningsprocessen. Realtid klockan används också att exakt registrera datum och tid för varje data fall.
Upp till åtta mossa eller lav kan prover loggas parallellt med hjälp av en enda BtM styrelse. När experimentet har ställts in, är två krokodilklämma elektrod sonder används varje mossa/lav prov. Sedan används en spänningsavdelare mellan varje elektrod och en resistor referens med ett känt värde (330 KΩ i detta fall). Detta motstånd värde valdes genom kalibrering och baserat på tidigare åtgärder av cryptogams. Det ger en upplösning av en storleksordning runt referensvärdet (100-1000 KΩ). Spänningsfallet är buffrade och sedan läsa med mikrokontroller med dess analoga portar (A0 - A7)18. Spänningen beräknas genom tillämpning av följande formel.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
Här ADCi är den råa värde från ADC (Analog-till-Digital converter) kanal jag, VCC är nätspänningen (3,3 V i detta fall) och 1023 är utbudet av ADC utdata. Den resulterande spänningen Vi används sedan i kombination med Ohms lag för att beräkna motstånd (Ri, Ω) och konduktans (G, S) av varje prov som moss.
RI = (VCC x RL) / Vi - RL
G = 1 / Ri
Här är RL värdet av referensen motstånd (330 KΩ i detta fall). Mikrokontrollers inbyggda programvara innehåller alla dessa ekvationer, så det kan direkt registrera värdena motstånd och konduktans.
Styrelsen kan också samla in mätningar av temperatur och fuktighet med hjälp av sensorer. Sedan skrivs varje datapunkt till en loggfilen på ett microSD-kort. Ett microSD TransFlash breakout board var monterad på varje BtM styrelse för detta ändamål. Slutligen, microSD-kortet kan samlas manuellt efter experimentet. Alla datapunkter kan överföras till en dator för vidare analys.
Protocol
1. montering av Datalogger
- Förbered en lödkolv och en spole av lödtråd. Vänta på lödkolven att värma och fukta rengöring svampen.
- Skär pin header remsor till önskad längd och löda i uttag för temperatur och luftfuktighet sensorn, mikrokontroller och modulerna RTC klocka och microSD breakout.
- För att löda, Värm den önskad kopplingen med spetsen på lödkolven.
- Sedan, applicera en liten mängd av material från den lödtråd, tillräckligt för att fylla upp korsningen.
- Slutligen, ta bort lödkolv och vänta i korsningen svalna.
- Montera komponenterna på kretskortet med samma procedur som i steg 1.2, efter markeringarna för PCB och komponent referens anges i Tabell för material (se figur 1 för ett system för montering).
- Först, löda motstånden. Sedan löda uttagen för operativa förstärkarna, SHT7X sensorn och modulerna RTC klocka och microSD breakout.
- Nästa, löd de två transistorerna. Styrelsen måste också skall lödas nu, med stiftlister. Slutligen, löda kontakter till styrelsen.
- Löda SHT7X luftfuktighet/temperatur sensorn i en pin sidhuvud eller förlängning kabel att förstärka leads.
- Förbereda en multimeter i kontinuitet testning eller konduktivitet testning läget. Använda multimeter för att kontrollera att det finns inga kortslutningar mellan någon av pins eller anslutningar.
- DoubleCheck av positiva och negativa polerna makt leverans. Kontrollera också att varje lödfogar skapar en stabil anslutning mellan komponent stiften och koppar spåren av kretsen.
Obs: Detta steg är mycket viktigt; hoppa inte över den.
- DoubleCheck av positiva och negativa polerna makt leverans. Kontrollera också att varje lödfogar skapar en stabil anslutning mellan komponent stiften och koppar spåren av kretsen.
- Anslut batteriets terminaler och kabelskor till styrelsen med en skruvmejsel.
- Använd först något skärande verktyg till band ~ 4 mm i slutet av varje tråd utsätta den ledande kärnan. Nästa, införa varje kabel i lämplig terminal och dra åt skruven med en stjärnskruvmejsel.
- Säkerställa och dubbelkolla rätt polaritet kablar, särskilt de makt leverans. Testa styrkan i anslutningen genom att dra kablarna något, att kontrollera att allt är ordentligt ansluten.
- För att ytterligare minska strömförbrukning, ta bort ström-LED styrelsen microcontroller genom antingen desoldering eller skära av LED dioden från styrelsen.
- Slutligen montera BtM styrelsen i ett väderbeständigt hölje att hålla fukt borta från elektroniken.
- Passa inneslutningen med batteri, ansluta den till positiva och negativa polerna. Montera luftfuktighet/temperatur sensorn utanför lådan, lämnar den ansluten till BtM styrelsen.
- Route åttana par crocodile clips behövs för konduktans mätningar på utsidan av väderbeständig inneslutningen. Sista, klipp varje moss strand med krokodil klippen.
2. Ladda programvaran
- Hämta och installera den integrerade utvecklingsmiljön (IDE) 1.0.6 från webbplatsen19. Mikrokontroller används är en öppen källkod fysiska datorplattform och det kommer med sin egen IDE. Det är viktigt att ladda ner den lämpliga versionen eftersom det finns kända kompatibilitetsproblem med vissa av bibliotek som krävs.
- Ladda ner de nödvändiga biblioteken från GitHub repository18: DS3234, DS3234lib3, strömsparläge, SdFat och Sensirion.
- Hämta huvudsakliga källkoden för datalogger från GitHub repository18.
- Öppna filen clock.ino ställa in aktuell tid och datum. Redigera parametrarna för funktionen RTC.setDateTime med aktuell tid och datum i följande format:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); Datum: DD/MM/ÅÅ: mm: SS
Här DD är dagen, MM är månaden, åå är året, hh är timmar, mm är minuter och ss är sekunder. - Ladda sedan upp programmet klocka till BtM styrelse, plugga i USB-till-seriell adapter (FTDI breakout) till microcontroller programmering portar och använder en mini-USB-till-USB-kabel för att ansluta styrelsen till datorn. Äntligen, första press Verifiera och, sedan ladda upp i IDE.
- Öppna projektet datalog i IDE och ändra filen datalog.ino. Ställ in starttiden för logger redigering följande variabler:
int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = mm
Här DD är antalet dagen, hh är börjar timmarna av mätningar och mm vilken minut i början.
Obs: Koden för att ställa in en viss tid bör se ut så här:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / datum 01/12/17 12:00:00 - Ange intervallet mellan mätningar (i sekunder) ändra värdet för den variabel intervallen.
3. inställning av mätningen sonder
- Placera krokodil klippen på en central plats gemenskapernas i fall av bryofyter, fruticose lavar och foliose lavar (figur 2). För fruticose lavar, bifoga klippen i mycel och för mossor, direkt på stammen av en individ. När det gäller foliose lavar, placera klippen på gränsen mellan mycel.
- Håll ett minsta avstånd av ca. 5 mm mellan elektroderna. Säkerställa att klippen inte är enkelt fristående innan mätningar.
4. kalibrering för konduktans mätningar
- För att säkerställa att exemplaren är torra, utför kalibreringen vid lunchtid, på en dag med låg relativ luftfuktighet, föregås av minst en och helst två, torra dagar.
- Välj en gemenskap av mossa eller lavar som är friska och väl strukturerad.
- Anslut datalogger till mossa eller lav, enligt anvisningarna i avsnitt 3 i detta protokoll.
- Starta mätningar (slå på datalogger) och lämnar BtM styrelsen kör för cirka 3 min att stabilisera de inspelade värdena.
- Utför ett precalibration test för att uppskatta mängden vatten som krävs i varje vattning händelse. Anslut klippen till provet och tillsätt vatten tills konduktans når ett värde som inte ökar med tillsats av vatten. Detta är maximala konduktans värdet av provet. Detta värde används för att upprätta de vattning steg för kalibrering (se steg 4.7.1).
- Vänta tills konduktans åtgärder tillbaka till de ursprungliga värden (proverna är torr).
- Lägg sedan till vatten sekventiellt med en liten spray.
- Fukta av prov med en mängd vatten som motsvarar 1/10 av mängden vatten som krävs för att uppnå den maximala konduktans (se steg 4,5) i provet.
- Vänta tills den mossa eller lav helt absorberar vattnet och konduktans mätningarna är stabil innan vattning igen (~ 1 min mellan varje vattning händelse).
- Upprepa tills konduktans når maxvärdet (mättnad) och den mossa eller Lav är helt släckt.
Obs: Varje kalibrering test bör ta cirka 15 min, beroende på intervallet mellan vattningarna, som bör vara 1-2 min.
- Efter avslutad kalibreringen, ta in microSD-kortet från BtM styrelsen och kopiera filen till en dator.
Obs: De loggade värdena kan sedan användas som utgångspunkt för experiment. Det är också nödvändigt att göra detta steg för att kontrollera att upplägget korrekt konduktans av proverna, precis innan du kör den faktiska experimentet.
5. alternativa kalibrering för labbexperiment
- Helt hydrat gemenskapen av mossa eller lav tills ett överskott av externa vatten observeras. För att säkerställa att gemenskapen är fullt hydrerad, hålla gemenskapen fuktig i 30 min.
- Anslut datalogger till mossa eller lav, enligt anvisningarna i avsnitt 3 i detta protokoll.
- Starta mätningar och lämnar BtM styrelsen kör för cirka 3 min att stabilisera de inspelade värdena.
- Vänta tills konduktans når det lägsta värdet (uttorkning) och den mossa eller lav inte längre bedriver el.
Obs: Varje kalibrering kunde pågå minst 1 h, men varaktigheten är mycket variabel beroende på Art. Mätningar bör göras tills ett minsta konduktans värde uppnås.
Representative Results
Vi analyserade förändringarna i konduktans i två arter av mossor Dicranum scoparium Hedw. och Homalothecium aureum (Gran) H. Rob. (Figur 3), under kalibreringsprocessen i lab villkor. Mattor av de två mossor hölls för 24 h i kiselgel och placeras i en konstgjord substrat (dvs, vadd) som höll sin ursprungliga struktur (figur 2). Då proverna var vattnade 15 x 20 x med en spray i 1 min intervall. Varje vattning evenemanget bestod av ca. 0,1 mL vatten. I båda arter, en hög korrelation mellan det vatten som tillsätts och de prov konduktans (D. scoparium rS = 0,88, p < 0,001; H. aureum rs = 0,87, p < 0,001) observerades. Det var en hög ökning av konduktans (från 0% till 25% åtminstone) bara i första vattnet dessutom, och åtgärderna som nått sin maximala konduktans på 4 mL för D. scoparium och 10 mL för H. aureum. Det är viktigt att påpeka att förhållandet mellan mängden vatten och konduktans är logaritmisk. Därför värdena för konduktans måste omvandlas för att ha en linjär relation mellan båda variablerna och deras relation ska modelleras med hjälp av icke-linjär regression.
Vi hittade några variationsrikedomen bland proverna (se de olika färgerna i siffror 3a och 3b), även om alla prover som hör till samma art drog en liknande kurva. Variationen mellan prover kan hänföras till skillnader i biomassa och morfologi av patchar. Prover i fältet är mycket sannolikt att visa denna typ av variation, så att vidta flera åtgärder för varje gemenskapen typ rekommenderas. Inte överraskande, hittades den högsta variabiliteten bland arter, eftersom arter skiljer sig i flera olika grundläggande egenskaper (t.ex., aggregering av mats eller morfologi). För att styra för handeln inom och mellan djurarter variabilitet, rekommenderar vi kalibrera varje klipp tills att uppnå maximal konduktans värdena och, sedan, Omskalningen resultaten för varje klipp så att värdena går från 0 till 100. Överväga att absoluta konduktans värden beror på avståndet mellan klipp och de basala konduktans av stjälkarna, så de värden som de tillhandahåller inte är direkt jämförbara.
Mängden vatten som tillsätts i varje vattning händelse av kalibreringsprocessen är avgörande och kommer starkt att påverka resultaten. Här, var syftet att ha flera vattning händelser i spänna av maximal noggrannhet av BtM. Vi presenterar ett exempel på en kalibreringskurva när för mycket vatten tillsätts i varje steg (figur 4). Om provet är overwatered i den första vattning händelsen, ökningen av konduktans inte kan uppskattas och kalibreringen blir felaktig. Detta kan leda till fördomar i intervallet där nonvascular cryptogams är aktiv, som är mest intressanta mätningarna med BtM.
Vi analyserade också uttorkning kurvan av samma två art (H. aureum och D. scoparium), för att ge en alternativ kalibreringen. Mattor av de två mossor var vattnas över natten för att säkerställa att de var fullt mättade. Sedan en representativ stam av varje matta var utdraget och placeras i en stabil, kontrollerad miljö och konduktans spelades in kontinuerligt. När det gäller andra kalibrering åtgärden, värdena för konduktans måste omvandlas för att ha en linjär relation mellan båda variablerna och deras relation ska modelleras med hjälp av icke-linjär regression.
Siffror 5a och 5b visar torkning kurvor H. aureum och D. scoparium variationen bland prover av samma art. De intra- och SAR variabilitet hittade var ganska stora och andra kalibrering-proceduren, kan hänföras till skillnader i biomassa och morfologi av varje stam. För att kontrollera för det, rekommenderar vi att utföra minst tre mätningar per art. Absoluta konduktans värden är inte direkt jämförbara i kalibreringsförfarandet, som de också beror på avståndet mellan klipp och basala konduktans av stjälkarna.
Vi presenterar ett exempel av fältdata efter ett regn händelsen inträffat mellan 23-26 juni 2014. Vi visar den dagliga variationen i andelen konduktans (figur 6en), relativ luftfuktighet (figur 6b) och nederbörd (figur 6c) för en art av moss (Syntrichia ruralis (Hedw.) F. Weber & D. Mohr). Det fanns en stark relation mellan konduktans mossan, nederbörd händelserna och den relativa fuktigheten i luften. Under perioden analyseras, fanns det två toppar i konduktans och luftfuktighet till följd av två nederbörd händelser. Den första inträffade strax före midnatt den 23 juni och den andra efter middagarna den 24 juni. Ca 8 h efter första regn händelsen, observerat vi en minskning av den relativa fuktigheten i luften, följt av en plötslig nedgång i den moss-konduktans som går under 25%. Den andra regn händelsen var mindre och, följaktligen, produceras en mindre topp i konduktans. Efter detta regn händelse, mossa torka inte ut omedelbart men stannade hydratiserade medan luftfuktigheten var över 75%.
Figur 1 : Församlingen Schematisk bild av den BtM datalogger. Schematiskt innehåller en bild av styrelsens BtM och placeringen av varje komponent i styrelsen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Korrekt placering av klippen i en moss (Homalothecium aureum). Bilden visar hur man lägger klippen för att upprätthålla ett minsta avstånd mellan klippen utan att skada mossor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Svaret av konduktans till vatten tillägg. Dessa paneler Visa svaret av konduktans vatten dessutom i (en) Dicranum scoparium och (b) H. aureum. Färgerna visar de olika replikat. Datapunkterna är genomsnittet av de log-omvandlad konduktans i ett intervall mellan 10 och 30 s efter händelsen vattning. Felstaplar representera standardavvikelsen för data i det intervallet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Svar av log-omvandlad konduktans till vatten tillsats i D. scoparium när mängden tillsatt vatten är för stor för att tillåta kalibrering. Felstaplar representera standardavvikelsen för data i det intervallet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Uttorkning kurvor. Dessa paneler Visa uttorkning kurvorna av (en) D. scoparium och (b), H. aureum. Datapunkterna är genomsnittet av de log-omvandlad konduktans mätt varje 30 s. svarta punkter Visa medelvärdet av tre replikerar och felstaplar representera standardavvikelsen för data i det intervallet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Dagliga variationer i en moss (Syntrichia ruralis) konduktans, nederbörd och relativ fuktighet. Åtgärderna som vidtogs i jord samhällen av Cantoblanco, Campus Universidad Autónoma de Madrid, Spanien. De konduktans och relativ luftfuktighet mättes med BtM prototypen, medan nederbörd data kommer från en väderstation som placeras några meter bort från platsen för mätning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Datum och tid | Temp(C) | RH(%) | Conductance(KMho) |
| 11/03/18 12:00 | 26,6 | 66,6 | 139.53 |
| 11/03/18 12:00 | 26,6 | 66,4 | 167.92 |
| 11/03/18 12:00 | 26,8 | 66,4 | 199.14 |
| 11/03/18 12:00 | 26,9 | 66,4 | 212.75 |
| 11/03/18 12:00 | 26,6 | 66,6 | 217.15 |
| 11/03/18 12:01 | 26,9 | 66,7 | 218.93 |
| 11/03/18 12:01 | 27 | 66,8 | 139.53 |
| 11/03/18 12:01 | 27,1 | 66,9 | 164.28 |
| 11/03/18 12:01 | 27,1 | 67,3 | 194.21 |
| 11/03/18 12:01 | 27,3 | 67,3 | 209.28 |
Tabell 1: Exempel på BtM-utdata.
Discussion
Till vår kunskap, är detta första gången som en datalogger för att mäta temperatur, luftfuktighet och konduktans samtidigt som en proxy av halten av poikilohydric organismer har utformats baserade på öppna plattformar. Den BtM datalogger är lätt att bygga och kostnadseffektiva, och ger också hög kvalitet mätningar av luftfuktighet, temperatur och impedans data med minimalt med ström.
Enkel montering är en av de främsta fördelarna med denna datalogger. Eftersom det är ett öppen källkod-projekt, tillhandahåller vi programvaran dataloggning och en detaljerad verksamhetsplan struktur, tillsammans med en icke-tekniska manual för att bygga en ready-to-use BtM datalogger. Detta gör metoden tillgänglig för någon forskargrupp, även för dem som inte fungerar med en ingenjör eller specialiserade tekniker. Dessutom kräver montering av varje datalogger bara cirka 1 timme om tryckta styrelsen kretsen används och ca 4 timmar om kretsen är monterad av forskare. Dessutom, är den BtM datalogger mycket kostnadseffektiva. Den beräknade kostnaden för komponenterna i varje enhet är cirka 100 euro, ett ganska lågt pris som kan minskas ytterligare i storskaliga projekt genom att samla partier av flera DATALOGGRAR.
Även om det har varit flera senaste metodologiska utvecklingen syftar till att genomföra enheter som mäter olika aspekter relaterade till fysiologiska aktiviteten av nonvascular cryptogam samhällen, fyller BtM en viktig kunskapsklyftan. Raggio o.a. 15 anställa Moni-Da, ett övervakningssystem som erhåller information om fysiologiska och mikroklimatet. Den fysiologiska aktiviteten samlas in via klorofyll en fluorescens, en metod som ofta används i laboratoriet för att uppskatta aktiviteten av fotosyntetiska organismer. Även denna metod är mycket exakt, är det betydligt dyrare än den BtM datalogger. Övervakningssystemet är dessutom en privat företag produkt, som klipper tillbaka autonomin av forskargruppen.
De två andra metoder som har nyligen publicerats baseras på uppskattningen vattenhalten i nonvascular cryptogams. Först baseras på termisk mätningar (en dual-probe värme puls (DPHP) metod). Trots lovande resultat har nyligen visats av unga o.a. 16, bristen på någon specifikt system i uppsatsen gör montering det utan specialkunskap mycket utmanande. Slutligen, Weber et al. 14 presenteras en sensor som kallas biocrust väta sonden (BWP), som är mycket lik den BtM datalogger. De ger dock inte något system för dess byggnation, som hindrar möjligheten att bygga datalogger utan hjälp av en specialist. Vi övervinna problemet genom att tillhandahålla inte bara systemet konstruktion utan även kretskort för att montera datalogger. Intressant, kan BtM enkelt modifieras för att mäta biocrusts, enstaka individer eller kuddar, bara genom att ändra de crocodile clips (för lav eller mossor individer/kuddar) till koppar legering elektrod pins (för biocrusts). Om det behövs kan endast en del av krokodiler ersättas, så att direkta jämförelser mellan de två Mätningstyper sonden.
När man tolkar resultaten, bör förhållandet mellan aktivitet och vattenhalt noggrant behandlas, eftersom BtM inte direkt mäter fotosyntes. Fotosyntesen och aktivitet är nära besläktade i nonvascular cryptogams eftersom en torr poikilohydric organism i metabola upphör och en våt en är aktiv. Dock framgår graden av fotosyntetiska verksamhet inte direkt vattenhalten, trots en ökad metabolisk aktivitet- och därmed en högre fotosyntetiska aktivitet - kan förväntas i en väl hydrerad organism.
Kritiska steg:
Trots enkelt montering finns det några kritiska steg i protokollet som noga bör åtgärdas av forskare vid montering av sensorn. Först, som betonas i protokollet, det är ganska lätt att producera kortslutning vid lödning, i värsta fall, kan resultera i allvarliga skador till mikrokontroller. Det är mycket viktigt för att kontrollera deras närvaro med en multimeter och att ta bort dem innan du ansluter batterierna. Vi rekommenderar att du använder den medföljande PCB designen eftersom det avsevärt förenklar processen och kan vara det bästa alternativet att övervinna problemet. För det andra, inte alla IDE versioner är kompatibla med de bibliotek som krävs för denna datalogger. Det är viktigt att hämta korrekt en (1.0.6) för att undvika eventuella förenlighet utfärdar. För det tredje är det viktigt att observera polariteten av batterierna. En inverterad polaritet kan resultera i allvarliga skador till maskinvaran. Fjärde, kalibrering är ett viktigt steg. Den BtM datalogger är utformad så att den högre upplösningen sammanfaller med det ögonblick där cryptogam går från torr till våt staten. Detta innebär att konduktans värden mätta länge innan provet är mättad i vatten. Dock om studien till hands kräver en högre noggrannhet runt andra värden, kan det ändras. Åtgärder, utöver en storleksordning från denna referens kräver motståndet ändras och en omkalibrering process (se nedan). Eftersom omgivningstemperatur kan påverka noggrannheten i mätningarna, rekommenderar vi med hänsyn till denna faktor vid kalibrering. Att göra så, kalibreringen bör göras vid låga temperaturer att kontrollera förändringar i mätnoggrannhet och stabilitet (se Coxson12 för temperatureffekter).
Ändringar:
Även om de flesta av komponenterna i BtM är fasta, kan några enkelt ändras i fältet utan omlödning. Den enklaste ändringen är att ersätta de crocodile clips för andra sond eller mätning system. Till exempel, i stället för krokodil klippen, en sond med två stift, såsom det föreslås i Weber et al. 14, kan användas.
I avlägsna miljöer, där byte av batterier inte är möjligt inom behövs frekvensen, skulle batterier kunna kompletteras med en solpanel till makten den BtM datalogger för längre perioder.
Genom att ändra referens motstånden sysselsatt att mäta konduktans, kan rang av högre upplösning enkelt ändras till högre eller lägre värden. Om modifierade, rekommenderar vi en exakt omkalibrering. Också, i källkoden, variabeln RValue , som är programmerad för ett motstånd värde på 330 KΩ, måste tilldelas nya motsvarande värde (datalog.ino).
Slutsats:
Nonvascular cryptogam samhällen är mycket skiftande och spelar ett antal olika ekologiska nyckelroller, så förstå deras relationer med den abiotiska miljön är en viktig fråga. Den BtM datalogger har flera program som kommer att hjälpa förväg kunskaper om dessa relationer. Det hjälper till exempel fördjupa insikter om de villkor som där dessa organismer agerar som kolsänkor eller kolkällor. Växlingarna mellan dessa två roller är starkt relaterade till abiotiska förhållanden såsom temperatur och fukt3, men stora mängder data behövs för att beskriva och förstå variationerna av detta förhållande på en global skala. Detta kräver tät sensornätverk som är möjligt endast om de är beroende av billig och lätt att implementera utrustning.
För att sammanfatta, enheten är ett användbart verktyg för ekologiska forskargrupper som övervinner de tekniska begränsningarna av designa och bygga en datalogger. Kombinationen av dessa två faktorer kan leda till en popularisering i användningen av DATALOGGRAR att mäta vatten förbindelser nonvascular cryptogams i situ. Detta kan i sin tur öka inrättandet av nätverk för övervakning av medellång och lång sikt. Utveckla dessa nätverk är avgörande för att bedöma svaret av nonvascular cryptogams till lokala och regionala miljöfaktorer, samt att fastställa deras roll i ekosystemet processer (t.ex., näringsämne cykler, gemenskapens församling) och deras mest sannolikt svar mot bakgrund av förändringarna på klimatförhållanden och antropiska faktorer associerade med global förändring.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna är tacksamma att Manuel Molina (UAM) och Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) för den hjälp som gavs under kalibreringstesten och till Belén Estébanez (UAM) för hennes hjälp under provtagning kampanjer.
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).
