Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

המושרה לייזר פליטת פלואורסצנטית (L.I.F.E.) ככלי הרומן שאינו פולשני עבור מדידות באתרו של ביוארקרס בבתי גידול קריורוי

Published: October 26, 2019 doi: 10.3791/60447
Automatic Translation
1,2, 3, 4, 5, 6, 1,2
1Institute of Ecology, University of Innsbruck, 2Austrian Polar Research Institute, University of Vienna, 3BrainLinks-BrainTools, Bernstein Center Freiburg, 4Atom Science, Kasevich Lab, Stanford University, 5Institute of Experimental Physics, University of Innsbruck, 6Department of Physics, Extraterrestrial Vehicle Instruments Laboratory, Harvey Mudd College

Summary

פלקסים פחמן בקריוספירה הם בקושי מוערך עדיין אבל הם חיוניים לגבי שינויי האקלים. כאן אנו מראים התקן אב טיפוס הרומן לוכדת את הפוטנציאל phototrophic בסביבות supraglacial מבוסס על לייזר המושרה פליטת זריחה (L.I.F.E.) טכנולוגיה המציעה מידע הרזולוציה גבוהה ספקטרלי ומרחבית בתנאים באתרו.

Abstract

התחממות גלובלית משפיעה על קהילות מיקרוביאלית במגוון של מערכות אקולוגיות, בעיקר בבתי גידול קריובית. עם זאת, מעט ידוע על מערבולות פחמן בתיווך בסביבות קיצוניות. מכאן, המתודולוגיה של רכישת המדגם המתואר במחקרים מעט מאוד זמין מרמז על שתי בעיות עיקריות: A) נתונים ברזולוציה גבוהה דורשים מספר רב של דגימות, אשר קשה להשיג באזורים מרוחקים; ב) מניפולציה לדוגמה בלתי נמנעת כגון גזירה, ניסור, והתכה של ליבת קרח המובילה לאי הבנה של בתנאים באתרו. במחקר זה, מכשיר אב-טיפוס שדורש לא הכנה לדוגמה ולא השמדה מדגם מוצג. המכשיר יכול לשמש במדידות באתרו עם רזולוציה גבוהה ספקטראלית ומרחבית במרחב האקולוגיות היבשתי והקרח, והוא מבוסס על המשימה Lלייזר (L.I.F.E.). קהילות Photoautotrophic supraglacial ניתן לזהות על ידי זיהוי של חתימות L.I.F.E. ב photopigments. כיול כלי הL.I.F.E. של פורברין(כלורופיל a 405) ( לייזר)ו-ב-PHYCOERYTHRIN (b-PE) (לייזר ננומטר) (532) הוא הפגינו. עבור האימות של מתודולוגיה זו, נתונים L.I.F.E. אושררו על ידי שיטה קונבנציונלית עבור קלואa כימות כי מעורב הפקת פיגמנט ו ספקטרוסקופיית ספיגה הבאים. הישימות אב-טיפוס בתחום הוכח בסביבות קוטביות קיצוניות. בדיקות נוספות בנוגע לבתי גידול ארציים התקיימה במהלך הסימולציות האנלוגיות של מאדים בקינוח המרוקאי ועל קרחון הסלעים האוסטרי. הכלי L.I.F.E. מאפשר סריקות ברזולוציה גבוהה של אזורים גדולים עם לוגיסטיקה פעולה מקובלת ותורמת להבנה טובה יותר של הפוטנציאל האקולוגי של קהילות supraglacial בהקשר של שינוי גלובלי.

Introduction

הקריוספירה מנמלים את קרח הים, קרחונים, אגמים הרריים גבוהים, אזורי שלג, קרח באגם, ממיסים את הנחלים ומפרים את המים. אזורים אלה מכסים כ -11% מהגושים של כדור הארץ1,2 ומקושתים על ידי האטמוספירה כסביבה קריובית מוכרת. מחקרים שנעשו לאחרונה מראים כי אזורים מסיבית של הקריוספירה נסוגים במהירות3,4. האנטארקטיקה5,6, האלפים7, הקוטב8, ואזורים אחרים להראות יתרות המוני קרח שלילי. הנסיגה של כובעי קרח וקרחונים מוביל את דלדול מאגר המים המתוקים הגדול ביותר על פני כדור הארץ. באזורים מסוימים, מפלט הקרחון הוא5בלתי ניתן לעצירה.

במשך זמן רב, מערכות אקולוגיות. של קרח נחשבו לסביבה סטרילית עם זאת, למרות התנאים הקשים, הנוכחות של החיים הפעילים בקריוספירה של כדור הארץ הוא ברור9,10,11,12,13,14,15 . בשל המגמה להפסדים מסיביים של קרח על ידי התכה, הקריוספירה עוברת משמרת בפעילות ביולוגית, ומשפיעה על בתי גידול סמוכים. כדי להבין את השינויים האלה בלתי הפיכה חלקית אנו דורשים שיטות לחקור פעילות ביולוגית בקרח תחת תנאים באתרו עם המרחב הגבוה ואת הרזולוציה הטמפורלית.

בסביבות supraglacial, החיים ניתן למצוא חורים קריוקונט, מכסה השלג, מים נמס, נחלים, ועל משטחי קרח חשופים. עם זאת, הגידול הברור ביותר של הסופראקרחוני הינו חורי קריוקונוניט. הם מופיעים ברחבי העולם בסביבות שגלולי ותוארו לראשונה על ידי השוודי explorer אדולף אריק nordenskjold במהלך משלחת לגרינלנד ב16,17של 1870. השם נובע מהמילים היווניות "kryos" (קר) ו-"konia" (אבק). לאאיול-פסולת אורגנית כהים באפלה ובלתי אורגנית מתחברים על משטח הקרח ומפחיתים את האלבדו באופן מקומי. קרינת השמש מקדמת המסת הפסולת לתוך שכבות קרח עמוקים יותר, ויוצרים אגני גלילי עם משקעים (cryoconite) בתחתית9. כיסוי החורים cryoconite 0.1 – 10% מאזורי אבלציה קרחוני11.

קהילות קריוקונוניט מורכבות מווירוסים, פטריות, חיידקים, כחוליות, מיקרואצות ופרוטותים. בהתאם לאזור, אורגניזמים מטזואז כגון rotifers, nematodes, שכבות, התרדייונים, וזחלים חרקים ניתן למצוא גם. אדוארדס ואחרים18 לתאר את החורים קריוקונט כמו "הקרח הקר נקודות חמות". הם גם איתר גנים פונקציונליים בחורים cryoconite כי הם אחראים N, Fe, S, ו P רכיבה על אופניים. המיני-מערכות האקולוגית של האגם והפוטוסינתזה במחירים שנמצאו בבתי גידול חמים ומזינים הרבה יותר ועשירים יותר11. ממצאים אלה מדגישים את התפקיד החשוב של חיידקים קיבוע על בסביבות supraglacial. משטחי קרח חשופים. מאוכלסים על ידי אצות קרח הפיזיולוגיה שלהם למדה היטב19 אבל ההפצה המרחבית שלהם לא הוערך20. נוכחותם בסביבות supraglacial מקטין את אלבדו ולכן מקדם התכה שמובילה לשטוף מזינים וקלט מזינים לתוך בתי גידול במורד הזרם9. הגדלת הטמפרטורות ומכאן, זמינות גבוהה יותר של מים נוזליים, משפיעה על הפרודוקטיביות האקולוגית של הרשת במערכת האקולוגית הקפואה.

בסביבות supraglacial, הפוטומיקרואורגניזמים פעילים באופן מידי להפוך פחמן אורגניים וחנקן לתוך מקורות אורגניים, זמין עבור המזון מיקרוביאלית באינטרנט21,22. עד עכשיו יש מספר מחקרים המעריכים את הפחמן הדו הפלופראסים11,20,23. הפער בשיעורים המוצעים של השטף הפחמן התוצאות של נתונים מרחביים נמוך וזמני ברזולוציה. יתר על כן, התפלגות מרחבית של קהילות supraglacial מחוץ החורים cryoconite מוערך בקושי. לבשל ואחרים20 ניבא במודלים שלהם כי הקהילות alpraקרחוני לתקן עד 11x יותר פחמן מאשר החורים cryoconite העכשווית בשל כיסוי שטח גדול שלהם. האיתור של קהילות supraglacial הבטחת שלמות המדגם עדיין מסוכמת עקב כלים חסרים באיתור וכימות באתרו.

בתגובה לקשיים בלוגיסטיקה, מערכות אקולוגיות של קרח מנחקרו פחות לעתים תכופות מבתי גידול באזורים ממוזגים. רזולוציית הנתונים תלויה במספר הדגימות המוערך ותלויות בנגישות של אתרי הלימוד. שיטות דיגום סטנדרטיות כגון ניסור, הפקעת והתכה בעקבות ההיתוך של קהילת החיידקים. לדוגמה, כלורופילa (chla) הערכה בדגימות קרח מוצק היא בלתי אפשרית עם שיטות סטנדרטיות ללא הפרעות משמעותיות. לפיכך, שינויי הטמפרטורה המושרה בתוך קהילות מיקרוביאלית של נחקרים הם בלתי נמנעים. בתגובה הthermolability של photosystem II ומבנים סלולריים אחרים ב psychrophiles22, ניתוח מעבדה של דגימות קרח נמס תמיד להוביל זיוף של תנאים באתרו.

לא הרסנית במדידות באתרו הן הדרך הסבירה היחידה להשגת נתונים אמינים. ניתן להשיג מטרה זו באמצעות שיטות המבוססות על קרינה פלואורסצנטית. בשל הפונקציה שלהם קצירת אור, קלואa ו-phycoארימתרין (ב-PE) נמצאים באורגניזמים שתורמים למחזור הפחמן בסביבות supraglacial, כפי שהוכח על ידי anesio ואחרים11. מכאן, אלה מולקולות פלורסנט מתאימים סמנים ביופלטים עבור כימות של מיקרוביאלית הפחמן פלקסים בתוך האקולוגית קרח.

במחקר זה, אנו מציגים את הפיתוח, כיול, והישימות של כלי הרומן לא פולשני עבור כימות באתרו של קלוא a ו-B-PE מולקולות בתחום האקולוגיות היבשתיוהקרח . המכשיר אב-טיפוס מבוסס על פליטת פלורסנט הנגרמת לייזר, הידוע גם בשם L.I.F.E. המכשיר האופטי (איור 1) לוכדת חתימות פלורסנט לאחר עירור הזריחה הנגרמת לייזר. ההליך הוא גמישה וניתן לבצע באתר המחקר או במעבדה.

Figure 1
איור 1: האב-טיפוס של L.I.F.E.. שמאלה: תמונה של הכלי ללא מכסה הגנה. מימין: איור סכימטי של הכלי. סה כ מסה = 5.4 ק ג (לייזר ואופטיקה = 4.025 ק"ג, מחשב נייד = 1.37 ק"ג). מסגרת אלומיניום = 32.5 ס"מ x 20.3 ס"מ x 6.5 ס"מ. שפופרת אופטי: 18.4 ס"מ x 4 ס מ (קוטר). CCD: בלופוקס mv220g חיישן; F: מסנני סרוו מעבירים ארוכים (450 nm ו-550 nm); L: עדשות אופטיות; M1: מראות; M2: דיקרואיק מראה; MC: מיקרובקר; P: פריזמה; PBS: מפצל קרן לקיטוב; S: מפתח חתוך עשוי סכיני גילוח מתכווננת. סרגל קנה מידה = 70 מ"מ. נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

הערכה הניידת של הגל הכפול שוקלת 4.5 ק ג ומשמשת על חצובה בשילוב עם מחשב חיצוני. הגדרת השדה היא מהירה וקלה. המכשיר מוצמד לחצובה, ושפופרת העדשה מחוברת למכשיר יחד עם כבל USB וכבל המצלמה. המחשב החיצוני מחובר למכשיר באמצעות כבל USB. הרגליים חצובה מותאמים בצורה כזאת שפופרת העדשה מכוונת לכיוון ומכסה את הדגימה. לאחר מכן, 5 mW לייזר ירוק להיטים לדוגמה לאחר העברת מפצל קורה הקיטוב הפניות אור מקוטב לעבר הציר האופטי של ספקטרומטר. הדגם מציג אור פלורסנט, המוצג באדום באיור 1. מחצית האור מקבילות עובר את מפצל הקרן ממוקדת דרך מסנן סרוו-pass ארוך להעביר המסירה את אותות לייזר. בשלב הבא, האות פוגע מפתח חתוך כי מורכב משני סכיני גילוח מתכווננת. מנסרה ספקטרוברית מפריד את הקו העדין של אור אורתוגונאל הצמצם החתוך לפני האות הוא נלכד על ידי חיישן. ההליך חוזר על עצמו עם לייזר כחול. הנתונים הגולמיים מועברים באופן אוטומטי למחשב נייד המשמש גם עבור פעולת התוכנה.

המכשיר נשלט על ידי מחשב חיצוני באמצעות סביבת LabVIEW אשר מסנכרן את התמונה לקיחת עם המצלמה CCD, מיתוג/כיבוי לייזרים, וסיבוב גלגל ארוך לעבור מסנן. ממשק המשתמש הגרפי (GUI) מחולק לשלושה חלקים עיקריים. התאמת החשיפה נעשית באופן ידני. למרות שהתיקון בין זמן חשיפה לעוצמת האות הוא ליניארי (איור 2B), זמן החשיפה המקסימלי מוגבל ל -10 s מכיוון שזמני אינטגרציה ארוכים יותר מובילים לירידה משמעותית ביחס האות לרעש. שדה ההערה משמש לתיאור המדגם (איור 2A). בחלק הימני, תמונות raw מוצגות ברגע שהמדידות מסתיימו. תכונה זו חיונית להערכת נתונים מיידית בשדה (איור 2C – E). האזורים האדומים מצביעים על פיקסלים חשופים יותר, שניתן להימנע מהם על-ידי הפחתת זמן החשיפה.

תהליך הפחתת נתונים גולמיים שלאחר מכן מופרדים מתהליך רכישת התמונה וניתן לעשות זאת בכל עת לאחר רכישת תמונה.

Figure 2
איור 2: ממשק המשתמש הגרפי L.I.F.E. עבור רכישת נתונים והערכת נתונים גולמיים. (א) התוכנה מאפשרת קלט טקסט ידני עבור תיאורים לדוגמה. (ב) ניתן לכוונן את זמן החשיפה לפני המדידה. (C-E) התמונות הגולמיים מוצגות בצד הימני של הממשק. (ה) צבעים אדומים מצביעים על רוויה של החיישן. (ו) הפעלת הלחצן ' מדידה בהפעלה ' מפעילה את תהליך רכישת הנתונים. במערך (G), מוצגות כל הפקודות שבוצעו באופן אוטומטי במהלך רכישת נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: דוגמה לתמונה גולמית. שמאלה: נתונים גולמיים שלקלוא תקן בתמיסה אצטון, הקליט עם הכלי L. I. E. עקב התכונות האופטיות של ההתקן, האות מוצג כקו מעוות. מימין: פענוח התמונה הגולמית לכל פיקסל (px). הציר הספקטרלי (5 ננומטר/px רזולוציה) מותווה נגד הציר המרחבי (30 μm/px רזולוציה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

12-bit תמונות raw בקנה מידה להראות רכיב מרחבי בשל הצמצם חד מימדי סדק ורכיב ספקטרלי בשל הפריזמה מול CCD (איור 3). בתגובה לאילוצים אופטיים, התמונות הגולמיים מעוותות. לכן, יש לחתוך ולעוות אותם על-ידי החלת קוד המכיר את מידת העיוות. פעולה זו מתבצעת באמצעות אשף התוכנה (איור 4). לאחר מכן, כיול אורך הגל מתבצע עם לייזר 532 ננומטר. אור ירוק מופק על ידי הכפלת תדירות של 1,064 ננומטר לייזר אינפרא אדום. שני אורכי גל ניתן לזהות על ידי CCD ולכן, המיקום הספקטרלי של כל פיקסל ניתן לחשב באופן אוטומטי תמונות מעוות (איור 4).

התמונה נחתכת לאחר מכן לטווח אורך גל נתון (550 – 1000 ננומטר עבור מדידות לייזר ירוק 400 – 1000 עבור מדידות לייזר כחול). ערכי אפור מכל פיקסל בשורת פיקסל שנבחרה נספרים ומסוכם. ערך אפור יכול לנוע בין 0 ל-255. לאחר מכן, כל שורת פיקסלים מחשבונות עבור מספר אחד. הוראות נוספות על המסך מובילות ליצירת מזימה המציגה את ספירות הערכים האפורים מכל קו פיקסל המותווה לקואורדינטות המרחבית. הדבר מאפשר אפליה מרחבית כמותית של קלואa ו-B-PE בו זמנית במדגם. בנוסף, ניתן להתוות באופן אוטומטי את התכונות הספקטרליות של מדגם מתוך שורות הפיקסלים שנבחרו.

Figure 4
איור 4: הסרת עיקום תמונות raw. שמאלה: תמונה גולמית שנלכדה בלייזר ירוק. לא נעשה שימוש במסנן. אותות מוצגים ב 532 ננומטר ו 1,064 ננומטר. זמן חשיפה = 0.015 s. מרכז: את האות שנחתך 532 ננומטר משמש כקו התייחסות ליטול עיקום קבוצה של תמונות. מימין: הדימוי המעוות ממקור התמונה הגולמי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

1. כיול ותיקוף

הערה: לכיול הפיגמנט, הכן שורות דילול מפתרונות המלאי של קלואa ו-B-PE. The קלוא פתרוןמלאי מדולל עם אצטון ו-B-PE הוא מדולל עם מים סטרילי מזוקקים. מאוחר יותר, 15 מ ל של כל שלב דילול יהיה צורך. להגן על פיגמנטים מפני אור על ידי לעטוף אותם עם רדיד אלומיניום. אחסן את הצa במקפיא ואת ה-B-PE במקרר עד לשימוש נוסף. פרוטוקול מפורט עבור שורת הדילול מלווה בסעיפים 1.1 עבור קלואa ו-1.2 עבור B-PE. הן קלוא a ו-B-PEכיול מעבדה לאיתור פיגמנט וכימות עם מכשיר L.I.F.E. מתואר להלן. כיול קודם24 נעשה עם אותם פיגמנטים כמו במחקר זה.

  1. כלורופילשורת דילול
    1. מתמוסס 1 מ ג של קלוא (מטוהרים מ . nidulans אצות) עם אצטון בתוך 50 mL לדוגמה שפופרת ולדלל את הפתרון הזהמניות קלוא עם אצטון לריכוזים הסופיים הבאים: 1,000; 800; 640; 320; 160; 80; 40; 20 10 5; המשך 1 ו-0.5 ng/mL.
    2. העברת 15 מ ל של כל דילול לתוך 50 mL לדוגמה צינורות לכסות אותם ברדיד אלומיניום עקב רגישות קלה. אחסן את הצינורות במקפיא של 20 ° c עד שמידות הכיול יילקחו.
      הערה: ניתן לקטוע את הפרוטוקול כאן.
    3. מדוד את ה-קלוא תכונותהקליטה מכל דילול בספקטרוסקופיה של קרן כפולה כמו טרילקטים ולחשב את קלואתוכן כפי שמתואר על ידי lorenzen25, אשר יתואר בפרוטרוט בסעיף 2.2.2.
  2. שורת דילול PE
    1. לדלל את 4 mg/mL B-PE מניות פתרון עם מים מסוננים סטרילי (pH = 7) לריכוזים הסופיים הבאים: 1,000; 800; 640; 320; 160; 80; 40; 20 10 ו-5 ng/mL B-PE. העברת 15 מ ל של כל דילול במבחנה 50 mL לכסות אותו עם רדיד אלומיניום. אחסן ב-4 ° צ' עד לשימוש נוסף.
      הערה: ניתן לקטוע את הפרוטוקול כאן.
  3. התקנה עבור כיול
    1. בניית ארון תקשורת כפי שמוצג באיור 5 ליצירת שלוש פלטפורמות מדידה, כל 1.5 ס מ גבוה יותר מהבא.
      הערה: גובה המעמד והעמודה ממלאים תפקיד חשוב עבור המידות, מכיוון שמשטח הנוזלים צריך להישאר בנקודת המוקד של הכלי L.I.F.E. כפי שמצוין באיור 5.
    2. הוסיפו 5 מ ל לדילול המרוכז במבחנה פלסטית מרוכזת והכניסו אותו על הנקודה הגבוהה ביותר במדף. למדוד את עוצמת הקרינה הפלואורסצנטית.
    3. הנח את המבחנה במיקום האמצעי של ארון התקשורת והוסף עוד 5 מ ל (10 מ"ל נפח כולל). למדוד את עוצמת הקרינה הפלואורסצנטית. חזור על ההליך במיקום הנמוך ביותר בארון התקשורת עם כמות מלאה של 5 מ ל (15 מ ל; סה כ 45 מ"מ בגובה עמודה).
      הערה: התאם את זמן החשיפה עבור כל שלב דילול כדי למנוע רוויית מגלאי (ערכים אפורים מעל 255 בתמונות של 12 סיביות) וליחס מספיק לרעש של אותות הזריחה החלשה.
    4. חזור על שלבים 1.3.2 ו-1.3.3 עם כלהדילול (שלבים 1.1.1 ו-1.2.1) של קלוא a ו-B-PE.
    5. טען את קבצי הנתונים שהופקו לתוך אשף הפחתת הנתונים כדי לספור באופן אוטומטי ולסכם את ערכי האפור מכל קו פיקסל לאורך ציר ה-Y (הפצה מרחבית).
      הערה: זמני חשיפה משתנים מפוצה באופן אוטומטי על-ידי נרמול עוצמת הקרינה הפלואורסצנטית לזמן שילוב של 1 s.
    6. חשב את צפיפות אזור הפיגמנט עם ניתוח רגרסיה של פואסון באמצעות הריכוזים הידועים מסדרת הדילול ועוצמות הזריחה המנורמלות שחושבו. לאחר מכן לנרמל את הזריחה ספירות של שלוש גבהים העמודה שונים כדי 1.5 ס מ (5 mL) על ידי הכפלת ספירות מגובה כל עמודה עם פקטור (גורמים 1, 0.5, ו 0.33, עבור 5 מ ל, 10 מ ל, ו 15 מ ל פתרונות ריכוז, בהתאמה).

Figure 5
איור 5: ההתקנה של כיול L.I.F.E. עם קלוא a ו-B-PE בתנאימעבדה .
(א) שפופרת של עדשה של הכלי. (ב) לייזר ירוק לעירור B-PE. (ג) לייזר כחול עבורקלוא עירור . (ד) בקבוקון הנצנוץ. (ה) נקודת מוקד של הכלי הL.I.F.E.. (ו) B-PE/מים אוקלוא/אצטון פתרון עם 5 מ ל, 10 מ ל, ו 15 מ ל. (ז) spacers שומרים על פני השטח של כל פתרון במישור המוקד עבור שלושה כרכים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

2. עיבוד דגימה ודגימת מדגם

  1. אוסף של שלג וקרח
    1. לאסוף קרח שלג supraglacial מקרחון לתוך שקיות פוליאתילן סטרילי ולאחסן אותם קפואים עד עיבוד נוסף.
      הערה: למחקר זה, הדגימות נאספו ב מידטרה Lovenbreen רין (MLB), קרחון פוליתרמי ליד הכפר מחקר Ny-Ålesund בארכיפלג הארקטי הגבוה של סוולברד (78 ° 53 ' N, 12 ° 03 ' E).
    2. לדוגמה מחצלות בקטריאלי מן הקרחון משדה קדמי לתוך שקיות פוליאתילן סטרילי ותחבורה כל הדגימות למעבדה לעיבוד נוסף.
    3. ממיסים את החומר הקפוא לאט בחשכה ב -4 ° c. סינון דגימות נוזלים במסנני GF/F (קוטר 47 מ"מ) ורשום את אמצעי האחסון המסונן. השאר את המסננים קפואים עד לעיבוד נוסף.
  2. כלורופילמדידות
    1. באמצעות הכלי L.I.F.E., למדוד את המסנן בארבעה אזורים אקראיים, כל אחד בטריפליטים באמצעות לייזר ירוק וכחול. חישוב הריכוז הכולל של הפיגמנט על-ידי הכפלת צפיפות השטח באזור המסונן ובאמצעי האחסון המסונן. לנרמל את ריכוז הפיגמנט (μg/L) לנפח של 1 ל'.
    2. הערכת theקלוא תוכן של מסנני GF/F עם תקן מעבדה לפי הפרוטוקול על ידי lorenzen25. כדי לעשות זאת, לשים כל אחד המסננים בבקבוקון עם 13 מ ל של אצטון ולאחסן אותם בחושך ב 4 ° c בלילה. הבא, לקחת בקבוקון ולמקם אותו על הקרח לפני sonication עבור 2 דקות ב 50% כוח במצב רציף. לסחוט ולהסיר את המסנן מהבקבוקון.
    3. לצרף צינורות tygon למזרק ולהסיר אתקלוא החילוץ אצטון לערבב מתוך הבקבוקון. החלף את אבובים tygon עם מחזיק מסנן GF-5. העבר את הפתרון לקובט קוורץ.
    4. לאחר כיול ספקטרומטר הספיגה לאצטון, מניחים את המדגם בקובט לתוך הספקטרומטר ומודדים את תכונות הספיגה בין 400 ל-750 ננומטר. הבא, להסיר את הקובט מן הספקטרומטר ולהוסיף 200 μL של 2 מ ' HCl למדגם. לאחר מכן, חזור על מדידת הספיגה כדי למדוד את התוכן של phae, במדגם.
  3. מדידת פעילות מיקרוביאלית באמצעות סמנים רדיויניום וההשפעה של עוצמת לייזר וזמן חשיפה על שיעורי הפרודוקטיביות
    זהירות: היזהרו מסמן רדיואקטיביות (β-קרינה). השתמש מעיל מעבדה, כפפות, משקפי שמש, ולעבוד תחת מכסה המנוע במעבדת איזוטופ מורשה.
    1. עבור העברת ייצור חיידקי חמש השאביטים של שטיחוני בקטריאלי לתוך שקיות פוליאתילן סטרילית. הפוך את הפקדים עם פורמלדהיד ל 4% ריכוז סופי.
      הערה: שלושה בעלי משאל משמשים עבור ספיגת לאוצין 3H שכותרתו ושני אליבטים משמשים כפקדים.
    2. לחשוף את מחצלות עם לייזר כחול (405 nm, 5 mW) עם לייזר ירוק (532 nm, 5 mW) עבור 10 ו 30 כל אחד. חזור על ההליך עם לייזרים 50 mW. לאחר מכן, להשבית את הדגימות שלא טופלו פורמלדהיד.
      הערה: מחצלת אחת משמשת רק לחשיפה אחת לייזר. השתמש בחומרים מיקרוביאלית שאינם חשופים כפקדים.
    3. לאחר הטיפול בלייזר, להעריך את הייצור החיידקי והעיקרי על ידי שילוב 3H-leucine ו-נה14CO3, בהתאמה. עבור מדידות הייצור בקטריאלי, השתמש חמש שנים לכל מדגם (20 mL) ולהוסיף formaline (4% הריכוז הסופי) לשני המקבילים, אשר לשמש שליטה על התאגדות אביוטיים של הסמן. הוסף 3h-לאוצין (40 nM) לכל הדגימות של הטיפולים השונים והדגירה שלהם 4 h בתנאים באתרו (0.1 ° c). לסיים את התגובה על ידי הוספת formaline לדגימות חי שנותרו.
    4. לייצור חיידקי של מחצלות בקטריאלי, להעביר דגימות המסומנת לקריובקבוקונים. לחלץ תאים עם 5% חומצה אצטית טריכלור ו צנטריפוגה ב 10,000 x g עבור 5 דקות על פי הפרוטוקולים של kirchman26 ו-Bell27. הוסיפו את הנוזל הנוזלי והניחו את הקריובקבוקון בבקבוקון רב-סוכר. לנתח את הדגימות עם מונה הנוזל הנוזלי ולחשב את שיעורי ספיגה.
      הערה: שלושה בעלי משוב משמשים עבור ספיגת הלוצין המסומן ב- 3שנים, שני אליבטים משמשים כפקדים.
    5. עבור הייצור הראשוני, להכין חמישה משכפל של טיפולים שונים (100 mL), לעטוף שניים מהם לתוך רדיד אלומיניום כדי לחקות את דגימות כהה, ולהוסיף נה14CO3 (1 μci) לכל. מודטה עבור 4 שעות בתאורת הסביבה ובטמפרטורה באתרו (0.1 ° c). לסיים את התגובה על ידי הכהיית שלושת הנותרים משכפל ולסנן את המדגם על מסנני GF/F (קוטר 25 מ"מ).
    6. הוסף 100 μL של 2 N HCl למסננים כדי להסיר את כל הפחמן עודף ולתת לו אוויר מתחת למכסה המנוע. מייבשים את הדגימות על צלחת חימום ב-80 ° c ודגימות מקום לבקבוקונים.
    7. כדי למדוד התפרקויות רדיואקטיביות לדקה (dpm) של כל הטיפולים של הייצור הראשוני והחיידקי, הניחו את הקריובקבוקונים לתוך מבחנות ומוסיפים 5 מ ל של קוקטייל בגוון הטעמים. מדידה dpm עם מונה בגוון ולחשב את שיעורי ספיגה.

Representative Results

כיול מעבדה עבור B-PE
אותות התגובה של שורת הדילול של B-PE נמדדו עם כלי L.I.F.E. בחדר חשוך בגובה 20 ° צ' (איור 6). שיעור הספירה היה תלוי הן בריכוז והן בגובה העמודה של המדגם הנמדד. ריכוז נמוך וגובה עמוד נמוך של מדגם B-PE מתחזק בהשוואה לדוגמאות של ריכוז זהה וגובה טור גבוה יותר.

Figure 6
איור 6: כיול מעבדה B-PE. כיול תוכן וצפיפות עמודות B-PE מוצג. תעריפי ספירה מנורמל חושבו עבור גובה עמודה של 1.5 ס מ. הדפס מראש עם הרשאה28. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

נעשה שימוש ברגרסיה של פואסון להתאמת קו הכיול הסופי. היה קשר ליניארי בין צפיפויות האזור לבין ספירות הערכים האפורים בפיקסלים. הפונקציה של העקומה היה y = 81.04 x (איור 7), כלומר, שיעור הספירה של הערך האפור של 8,104 במדגם של 1 נחשף שווה צפיפות שטח של 100 ng/cm2 B-PE. כיול קלואמוגדר באופן אנלוגי. הפונקציה היתה y = 8.94 x.

Figure 7
איור 7: עקומת כיול סופי עבור B-PE. ספירות הערכים האפורים מנורמלות לזמן חשיפה של 1 s ומותוות כנגד צפיפות השטח. הדפס מחדשה עם הרשאה28. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בקשה לשימוש בדגימות קריוקונייט מהסוולברד ואימות המעבדה של הנתונים
הערכים הרעים של מדידות L.I.F.E. ואת המידות היחידות של דגימות זהה נגזר החילוץ קונבנציונאלי באמצעות אצטון הניתוח העוקב עם ספקטרוסקופיה מומחש באיור 8.

Figure 8
איור 8: אימות נתונים עם דגימות טבעיות. הדגימות (mlb) מדורגים על ידי קלוא תוכן, בהתבסס על התוצאות של ספקטרוסקופיה מעבדה (ערכים בודדים ) ולעומתקלוא נתונים פלואורסצנטית נמדד על ארבעה אזורים אקראיים לכל מסנן. קווי השגיאה מייצגים את סטיית התקן של מדידות L.I.F.E.. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

קלואתוכן החל מ 48 μg/l – 67 μg/l לא העריכו, ו קלואהתחתון תוכן החל 0.7 μg/l – 7 μg/L היו מיותר בהערכת על ידי אב טיפוס L.I.F.E.. הסטיות הסטנדרטיות ממידות L.I.F.E. היו נמוכות.

השוואת נתונים ספקטרליות ממדידות באתרו עם תקני מעבדה
קל ספקטרום היה להשוות בין דגימות קריוקונונייט לבין אלה מטוהר של אצות נידולאנים . פסגות הזריחה בכל הדגימות היו ממוקמים ב 700 ננומטר – 710 nm. עם זאת, ספקטרום נגזר מדגימות קריוקונט הראה אותות רעש גבוה יותר בין 400 nm – 650 ננומטר ומ800 nm-1000 ננומטר לעומת ספקטרום שלתקן פיגמנט ( איור 9).

Figure 9
איור 9: פענוח נתונים ספקטרלי. מדידות של ארבעה גרגרי קריוקונט (כחול) וקלוא פתרון פיגמנט סטנדרטי (אדום) לאחר עירור עם 405 לייזרים nm. הספקטרום הוקלט 1 שנה לאחר איסוף המדגם. הדגימות נשמרו קפואות ולא נחשפו לאור לפני המדידה. בתגובה לבעיות כיול אורכי הגל, הפסגה הפלואורסצנטית ממוקמת ב 700 nm – 710 nm במקום 680 nm. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ניתוח דגנים בהקפאה אוטומטית
בדוגמה לניתוח אוטומטי של חור קריוקונמיט (איור 10), הצפיפות הגבוהה ביותר באזור הפיגמנט נצפתה בפיקסל קו 50. הספקטרום לדוגמה לאחר עירור עם לייזר nm 532 הראה שיא עם לחתוך בערך אפור של 255 בתגובה לרוויה יתר של החיישן. השיא הזה נגזר מהלייזר הירוק. ולא מהאות הפלואורסצנטי

Figure 10
איור 10: ניתוח נתונים אוטומטי של מגרמית אחת עם קוטר של 1 מ"מ. המדגם נאסף ב Vestre Brøggerbreen (VBB) ונמדד בתוך 4 h לאחר הדגימה בחדר מעבדה כהה בתחנה הארקטי (GB) מתקן בניו יורק-Ålesund. העמודה השמאלית מציגה מדידות B-PE והעמודה הימנית מייצגתמידע קלוא. התמונות הגולמיים מוצגות למעלה. תגובות זריחה הנגרמת באמצעות לייזר מוצגות באפור. האזורים האדומים מצביעים על התגובה מפיגמנטים סטנדרטיים. החלק האמצעי ממחיש את החלוקה המרחבית של פיגמנטים היעד. התכונות הספקטרליות של האות הפלואורסצנטית מוצגות בתמונות התחתונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ההשפעה של עירור לייזר על הפרודוקטיביות במזרנים בקטריאליים
הפרודוקטיביות הראשונית או החיידקית לא הושפעו בעת הגדלת כוחה של הלייזר ו/או זמן החשיפה (איור 11). לא אותרו הבדלים משמעותיים תחת טיפולי לייזר עם כוח מוגבר.

Figure 11
איור 11: מדידות פרודוקטיביות של דגימות מסוולברד. מחצלות חיידקי נחשפו עם לייזרים ירוק וכחול של עוצמות לייזר שונות וזמני חשיפה. הנתונים צבועים לפי מקור אורך הגל הלייזר (ירוק וכחול). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

כיול
היה קשר לינארי בין ריכוז פיגמנט ואינטנסיביות של קרינה לאחר נרמול ספירות פוטון לזמן חשיפה של 1 s. דגימות עם גובה עמוד נמוך וריכוזי פיגמנט נמוכים הובילו להערכת יתר של פיגמנטים היעד, בהשוואה לגובה עמודות גבוה יותר עם ריכוז פיגמנט זהה. עוד, אותות זריחה חלשה נדרש פעמים חשיפה ארוכה על ספירות פוטון מספיק על החיישן. עם זאת, שעות האינטגרציה הארוכות הגדילו גם את כמות האור התועה בחיישן, והתוצאה היא ירידה ביחס האות לרעש. בגירסה הנוכחית, התוכנה אינה יכולה להבחין בין רעש לאות במהלך תהליך הפחתת הנתונים. מכאן, מדידות עוצמת הזריחה נמוכה הובילו להערכת הפיגמנט בגלל רעש נספר כאות שנגזר פיגמנטים היעד. יתר על כן, עוצמות הזריחה מפתרונות פיגמנט מרוכזים יותר הראו שינויים גדולים יותר מאשר פתרונות ריכוז נמוכים. ניתן להסביר אפקט זה באמצעות תהליכי קליטה בתוך פתרונות הפיגמנט ששימשו לעקומת הכיול.

אימות נתונים לכלורופילהכמת
לאחר סינון הקרח והשלג, דגימות תלת-ממדיות כמעט הופיעו כדגימה דו-ממדית על הפילטר. הדבר הצדיק השוואה ישירה בין הנתונים הspectrophotometric (צפיפות השטח) לבין נתוני מדידה (למדידת נפח).

ערכת הנתונים (איור 8) הראו כי ריכוז הפיגמנט הגבוה מוביל להערכה נמוכה, ואילו ריכוז פיגמנט נמוך מוביל להערכת יתר של הערך הממשי. אפקט זה יכול להיות מוסבר על ידי עובי של עוגת מסנן ולכן, האופי הנפחי של המדגם. עומק חדירה לייזר תלוי בדחיסות אופטית ועובי של הדגימה. התכולה גבוהה פיגמנט לא העריכו כי הלייזר לא יכול לגרום לפיגמנט פלואורסצנטית בשכבות עמוקות יותר. עם זאת, בעוגות מסנן דק, אותות זריחה נמוכה נתפסו עקב צפיפות אזור נמוכה של פיגמנטים. כנראה, המסנן עצמו הראה אותות לייזר המושרה לאחר שהעביר את 450 ננומטר ארוך לעבור מסנן (איור 12). האות הזה נספר בטעות כאות. שנגזר מצ איי כך, עוגות מסנן דק ועבה מדי קשה למדוד עם מכשיר L.I.F.E..

Figure 12
איור 12: אותות של קרינה פלואורסצנטית מ עבה (A) ו-דק (B) מסנן עוגות על מסנן GF/F. (א) הצללה עצמית מונעת זריחה הנגרמת לייזר מרבדים עמוקים יותר, אשר גורמת לזלזל בריכוז הפיגמנט בפועל. (ב) פליטת קרינה מעוגת מסנן עם שכבת-על על ידי השתקפויות מסנן. (ג) נתונים גולמיים הצגת השתקפות מסנן (אפור). המאפיין הספקטרלי של המעבדה הנגזרתקלוא תבנית פלואורסצנטית מומחש באדום. סרגל קנה מידה = 45 מ"מ. נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

מגבלות האבטיפוס של L.I.F.E.
במהלך הפחתת נתונים, התוכנה המקודדת MATLAB פירש את התמונות הגולמיים על-ידי סיכום קווי פיקסלים בטווח אורך גל נתון. הגירסה הנוכחית של התוכנה לא הבדילה בין אותות אורגניים ובלתי אורגניים הנגזרים. הנוכחות של אותות מרובים עשויה להוביל להערכת יתר של תוכן הפיגמנט בפועל. שעות חשיפה ארוכות עקב עוצמות של כוונות זריחה נמוכות הובילו לירידה ביחס האות לרעש, בקידום האפקט כמתואר לעיל (ראה איור 8 ואיור 12).

סלע של גאודה המוצג באיור 13 הציג אור פלורסנט אדום כאשר נחשף עם אור ירוק וכחול. כיום, לא ברור אם הזריחה נובעת ממינרלים או ממולקולות מבוססות פורברין. מכאן, כיסוי של אותות ביולוגיים ולא ביולוגיים עשוי להגביל את היישום של שיטה זו ודורשים הקמת מסד נתונים פלואורסצנטית שנעשו במיוחד עבור אב טיפוס L.I.F.E..

Figure 13
איור 13: זריחה מינרלית מסלע של גאודה, שנמצאה בניו יורק-Ålesund. הסלע היה נרגש עם 532 ננומטר 50 mW לייזר (a) ו 405 ננומטר 50 mw לייזר (ב). שתי התמונות נתפסו עם מסנן פולריזציה מוצמד על העדשה, אשר הוביל זיוף של צבעי הזריחה בפועל. (ג) תמונת צבע אמיתית ללא שימוש במסנן פולריזציה תחת תנאי אור יום. סרגל קנה מידה = 40 מ"מ. נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

בוטלר ואחרים29 סיכם כי ספקטרום פליטה אופייני של ציאנקטריה בתחום האקולוגיות הימיות תלוי בתנאים סביבתיים. גם, מצב חילוף החומרים יש השפעה על התכונות הפלואורסצנטית phototrophic אורגניזמים30. מכשיר ה-L. I. E ' יכול להבדיל בין התבנית של זריחה לבין הדגם הפלואורסצנטית cyanobacterial באמצעות ספריות ביו-טביעות המכילות מידע ספקטרלי של מתאם הדגימה עם תנאים סביבתיים.

ב-darkמותאם מולקולות קלוא, כל מרכזי התגובה הם תחמוצת לחלוטין וזמין לפוטוכימיה ואין תשואה פלואורסצנטית הוא31. באמצעות ההליך L.I.F.E., הדגימה הוא התרגש הראשון על ידי לייזר ננומטר 532 (ירוק) ולאחר מכן עם 405 ננומטר לייזר (כחול). במהלך העירור השני על ידי הלייזר הכחול, קלוא יכוללהראות תגובה פלואורסצנטית ירד עקב עירור הקודם על ידי לייזר ירוק. Chl סופג אנרגיה ב 532 האורך גל ננומטר, למרות המרחק שלה מהספיגה מקסימלית אורך הגל32. לפני בפועל קלואמדידה ב 405 ננומטר, לייזר ירוק עלול לגרום לתגובות פוטוכימיות, הפעלת מנגנוני הקוצ'ינג בפיגמנטים היעד. עוד, מראש התאורה של אורגניזמים ימיים phototrophic לא להוביל שינוי עקומות הנורמה ספקטרלית בין 450 ננומטר – 600 ננומטר בעוד סטיית התקן של עוצמות הקרינה עלה על 25%29. בהתאם למינים, עוצמות הזריחה אפילו גדלו בתגובה לעירור הקודם. נושא זה דורש חקירה נוספת.

ישימות
בדקנו את כלי ה-L.I.F.E. בבתי גידול שונים עם דגש על חורי קריוקונט. הלייזר הוחל בהצלחה בקרקעות ובבתי גידול של ביו, בשל היעדר אור הסביבה במהלך המדידה. בגרגרים קריוקונטים ניתן למדוד כאשר שכבות משקעים חסמו אור מתחת לחור (איור 14A,C). חורים משקעים דקים הצליחו לחדור לאור תועה מתחת (איור 14B). אור תועה מפריע למדידה. לכן, ריכוז פיגמנט במשטחי קרח חשופים אינו מדיד תחת תנאי אור יום עדיין. מאמצי עיבוד אותות מתבצעת כעת כדי לאפשר תפעול של המערכת בתנאי תאורה הסביבה גבוהה.

Figure 14
איור 14: חור קריוקונט עם מים נוזליים למעלה. (א) קריוקונמיט על קרחון עם L.I.F.E.העדשהצינור. סרגל קנה מידה = 70 מ"מ. (ב) שכבת המשקעים (אדום) רזה מאוד. אור תועה מדמם. דרך שכבת הקריוקונט (ג) שכבת המשקעים עבה דיו כדי לחסום את האור התועה מלמטה. סוג זה של חור קריוקונט הוא מדידה עם מכשיר L.I.F.E.. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

לסיכום, מכשיר L.I.F.E. שלנו זיהה אורגניזמים photoautotrophic בבתי גידול ארציים כגון קרקעות, מחצלות חיידקיים, ביואיאמים, ובחורים קריוקונט על משטחים קרחוני. מולקולות היעד היוקלוא ו -B-PE. הרזולוציה המרחבית היתה 30 μm/px. מגבלת הזיהוי עבור קלואa היה 250 pg/ml ו-2 ng/ml עבור B-PE. לאחר כיול מעבדה הצלחנו לכמת תוכן פיגמנט בדגימות שנאספו באתר המחקר שלנו בקוטב הצפוני. החלתי תוכנה מתוכנתת עבור תהליך הפחתת נתונים אוטומטי. ההשפעות של נוכחות של מינרלים ושינוי תנאי האור במהלך המידות דורשים חקירה נוספת.

עם התחממות האקלים, הטמפרטורה הגוברת להוביל לזמינות משופרת של מים נוזליים, אשר מביא לפעילות ביולוגית גבוהה יותר על משטחי קרח של autotrophic וטבע heterotrophic. מאמצים נמרצת יש לעשות כדי לזהות אורגניזמים heterotrophic באתרו כדי לתת תמונה מלאה של החיים הפעילים בקריוספירה. זה יכול להיות נבדק עם פיגמנטים היעד אחרים ואת המתאים לייזר אורכי גל. מכאן, L.I.F.E. מספק מערכת ניטור מתאימה המספקת הזמן ברזולוציה גבוהה ומרחבית עבור תנאים supraglacial בהקשר עם שינוי גלובלי, כמו גם יישומים אסטרוביולוגי אפשרי.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

המחברים מודים תודה לקולונל (IL) אן-אן פריצקר, קרן הטאני, ארה ב, המשרד הפדרלי למדע, מחקר וכלכלה (SPA04_149 Science SPA05_201), אלפיין פורשונגססטולה אוברגורגל (AFO), פורום החלל האוסטרי ( ÖWF), רומן ארדלר מהינטרטקסאר אאטור פאלסט, יערנות הפדרלי ומנהל הבסיס ניק קוקס מהתחנה הארקטית בניו יורק אלסונד (סוולברד). אנחנו גם אסירי תודה לסברינה אובוססר, קרינה רופנר ופביאן דרווס על עזרתם במהלך הצילומים. לבסוף, אנו רוצים להודות לג בראדלי על שנתן את הקול לקליפ המקביל.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
aceton Merck 67-64-1
B-Phycoerythrin Invirtrogen P6305
Chlorophyll a standard Sigma-Aldrich C6144-1MG
formaline Merck HT501128 36%
GF/C filters Whatman WHA1822025 25mm diameter
HCl Merck H1758 36,5-38%
L.I.F.E. Prototype University of Innsbruck built on demand
LabView National Instruments Software, Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench
Leucine, L-[4,5-3H], 1 mCi Perkin Elmer NET1166001MC radioactive
Liquid scintillation cocktail Beckman Ready Use Beckman not more available, can be compensated by Ultra Gold, Packard
liquid scintillation counter Beckman out of stock LSC 6000 IC
NaH14CO3 (4 µCi/ml) DHI Denmark 4 μCi/ml, 1 ml radioactive
Osmonics polycarbonate filters DHI Denmark PCTE 25mm diameter, 0,2µm pore size
Polyscintillation vials Perkin Elmer WHA1825047 20ml
sample tubes Sigma Aldrich T2318-500EA Greiner centrifuge tubes, 50ml
Spectrophotometer Hitachi NA Model U2001, any photometer for absorption spectroscopy measuring at 664nm and 750nm would be appropriate
trichloric acetic acid (TCA) Merck T6399 100%
ultrasonic probe nano lab QS1T-2

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Boyd, E. S., Skidmore, M., Mitchell, A. C., Bakermans, C., Peters, J. W. Methanogenesis in subglacial sediments. Environmental Microbiology Reports. 2, 685-692 (2010).
  2. Sattler, B., Puxbaum, H., Psenner, R. Bacterial growth in supercooled cloud droplets. Geophysical Research Letters. 28, 239-242 (2001).
  3. Good, P., et al. A review of recent developments in climate change science. Part I: Understanding of future change in the large-scale climate system. Progress in Physical Geography. 35, 281-296 (2011).
  4. Fountain, A. G., et al. The Disappearing Cryosphere: Impacts and Ecosystem Responses to Rapid Cryosphere Loss. BioScience. 62, 405-415 (2012).
  5. Rignot, E., Mouginot, J., Morlighem, M., Seroussi, H., Scheuchl, B. Widespread, rapid grounding line retreat of Pine Island, Thwaites, Smith, and Kohler glaciers, West Antarctica, from 1992 to 2011. Geophysical Research Letters. 41, 3502-3509 (2014).
  6. McMillan, M., et al. Increased ice losses from Antarctica detected by CryoSat-2. Geophysical Research Letters. 41, 3899-3905 (2014).
  7. Barletta, V. R., et al. Glacier shrinkage and modeled uplift of the Alps. Geophysical Research Letters. 33, 14307 (2006).
  8. Nuth, C., et al. Decadal changes from a multi-temporal glacier inventory of Svalbard. The Cryosphere. 7, 1603-1621 (2013).
  9. Takeuchi, N., Kohshima, S., Seko, K. Structure, formation, and darkening process of albedo-reducing material (cryoconite) on a Himalayan glacier: A granular algal mat growing on the glacier. Arctic Antarctic and Alpine Research. 33, 115-122 (2001).
  10. Takeuchi, N. Optical characteristics of cryoconite (surface dust) on glaciers: the relationship between light absorbency and the property of organic matter contained in the cryoconite. Annals of Glaciology. 34, 409-414 (2002).
  11. Anesio, A. M., Hodson, A. J., Fritz, A., Psenner, R., Sattler, B. High microbial activity on glaciers: importance to the global carbon cycle. Global Change Biology. 15, 955-960 (2009).
  12. Anesio, A. M., et al. Carbon fluxes through bacterial communities on glacier surfaces. Annals of Glaciology. 51, 32-40 (2010).
  13. Storrie-Lombardi, M. C., Sattler, B. Laser-Induced Fluorescence Emission (L.I.F.E): In Situ Nondestructive Detection of Microbial Life in the Ice Covers of Antarctic Lakes. Astrobiology. 9, 659-672 (2009).
  14. Murray, A. E., et al. Microbial life at -13 °C in the brine of an ice-sealed Antarctic lake. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 20626-20631 (2012).
  15. Edwards, A., et al. A distinctive fungal community inhabiting cryoconite holes on glaciers in Svalbard. Fungal Ecology. 6, 168-176 (2013).
  16. Miteva, V. Bacteria in Snow and Glacier Ice. Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology. Margesin, R., Schinner, F., Marx, J. C., Gerday, C. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin/Heidelberg, Germany. 31-50 (2008).
  17. Yallop, M. L., et al. Photophysiology and albedo-changing potential of the ice algal community on the surface of the Greenland ice sheet. The ISME Journal. 6, 2302-2313 (2012).
  18. Edwards, A., et al. A metagenomic snapshot of taxonomic and functional diversity in an alpine glacier cryoconite ecosystem. Environmental Research Letters. 8, 035003 (2013).
  19. Remias, D., et al. Characterization of an UV-and VIS-absorbing, purpurogallin-derived secondary pigment new to algae and highly abundant in Mesotaenium berggrenii (Zygnematophyceae, Chlorophyta), an extremophyte living on glaciers. FEMS Microbiology Ecology. 79, 638-648 (2012).
  20. Cook, J., et al. An improved estimate of microbially mediated carbon fluxes from the Greenland ice sheet. Journal of Glaciology. 58, 1098-1108 (2012).
  21. Mueller, D. R., Vincent, W. F., Pollard, W. H., Fritsen, C. H. Glacial cryoconite ecosystems: a bipolar comparison of algal communities and habitats. Nova Hedwigia Beiheft. 123, 173-198 (2001).
  22. Morgan-Kiss, R. M., Priscu, J. C., Pocock, T., Gudynaite-Savitch, L., Huner, N. P. A. Adaptation and Acclimation of Photosynthetic Microorganisms to Permanently Cold Environments. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 70, 222-252 (2006).
  23. Hodson, A., et al. The cryoconite ecosystem on the Greenland ice sheet. Annals of Glaciology. 51, 123-129 (2010).
  24. Tilg, M., et al. L.I.F.E.: laser induced fluorescence emission, a non-invasive tool to detect photosynthetic pigments in glacial ecosystems. Proceedings SPIE. 8152, Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology XIV, 81520I. , (2011).
  25. Lorenzen, C. J. Determination of chlorophyll and pheo-pigments: spectrophotometric equations. Limnology & Oceanography. 12, 343-346 (1967).
  26. Kirchman, D. Measuring bacterial biomass production and growth rates from leucine incorporation in natural aquatic environments. Methods in Microbiology. , 227-238 (2001).
  27. Bell, R. T. Estimating production of heterotrophic bacterioplankton via incorporation of tritiated thymidine. Handbook of methods in aquatic microbial ecology. Edited by. Kemp, P. F., Cole, J. J., Sherr, B. F., Sherr, E. B. , CRC press. Boca Raton, FL. 495-503 (1993).
  28. Groemer, G., et al. Field trial of a dual-wavelength fluorescent emission (L.I.F.E.) instrument and the Magma White rover during the MARS2013 Mars analog mission. Astrobiology. 14, 391-405 (2014).
  29. Beutler, M. Spectral fluorescence of chlorophyll and phycobilins as an in situ tool of phytoplankton analysis-models, algorithms and instruments. , Christian-Albrechts Universität Kiel. Doctoral dissertation (2003).
  30. Krogmann, K. D. Discoveries in Oxygenic Photosynthesis (1727-2003): A Perspective. Photosynthesis Research. 80, 15-57 (2004).
  31. Corrêa, D. S., et al. Reverse saturable absorption in chlorophyll A solutions. Journal of Applied Physics B. 74, 559-561 (2002).
  32. Kaňa, R., et al. The slow S to M fluorescence rise in cyanobacteria is due to a state 2 to state 1 transition. Biochimica et Biophysica Acta. 1817, 1237-1247 (2012).

Tags

מדעי הסביבה סוגיה 152 פליטת זריחה הנגרמת על-ידי לייזר (L.I.F.E.) לא פולשני בתי גידול בהקפאה קרח phycoerythrin כלורופיל קרחוני להמיס
המושרה לייזר פליטת פלואורסצנטית (L.I.F.E.) ככלי הרומן שאינו פולשני עבור מדידות באתרו של ביוארקרס בבתי גידול קריורוי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Weisleitner, K., Hunger, L.,… More

Weisleitner, K., Hunger, L., Kohstall, C., Frisch, A., Storrie-Lombardi, M. C., Sattler, B. Laser-Induced Fluorescence Emission (L.I.F.E.) as Novel Non-Invasive Tool for In-Situ Measurements of Biomarkers in Cryospheric Habitats. J. Vis. Exp. (152), e60447, doi:10.3791/60447 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter