Summary
여기에 제시된 것은 실제 현장 환경 온도 및 조명 조건에서 미생물 매트의 1차 생산성을 측정하기 위한 비용 효율적이고 운송 가능한 방법/시설입니다. 실험 설정은 널리 사용 가능한 재료를 기반으로하며 실험실 기반 모델의 장점을 제공하면서 다양한 조건에서 사용할 수 있습니다.
Abstract
성장기 구배 동안 페리피톤의 현장 1차 생산성을 측정하면 환경 동인(주로 인 농도 및 광도)과 종 구성이 1차 생산성에 미치는 정량적 효과를 설명할 수 있습니다. 1 차 생산성은 주로 광도, 온도, 영양소의 가용성 및 유포 영역의 각 깊이에서 탄산염 시스템의 이온 종의 분포에 의해 좌우됩니다. 실험실에서 시뮬레이션하기가 매우 어려운 복잡한 시스템입니다. 이 저렴하고 운송 가능하며 건조하기 쉬운 플로팅 바지선을 사용하면 실제 자연 조건에서 직접 1차 생산성을 정확하게 측정할 수 있습니다. 이 방법론은 단단히 밀봉된 유리병에 통합된 비침습적 산소 센서를 사용하여 실시간으로 1차 생산성을 측정하여 온라인 산소 플럭스 모니터링을 가능하게 하고 대사 활동에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 것을 기반으로 합니다. 미생물 매트(또는 기타 저서 생물)의 총 1차 생산성에 대한 상세한 계절적 현장 측정은 렌틱 수역에서 1차 생산성 역학을 제어하는 공정에 대한 현재 지식을 향상시킬 수 있습니다.
Introduction
1 차 생산성은 전체 시스템 먹이 그물을 형성하는 수생 시스템으로 자동 탄소가 들어가는 유일한 항목입니다1. 따라서 1 차 생산성의 정확한 추정은 수생 생태계의 기능을 이해하는 데 필수적인 단계입니다. 연안 지역은 1 차 생산성과 생물 다양성이 높은 지역입니다. 식물성 플랑크톤 외에도 페리피톤(이하 미생물 매트라고 함)과 거대조류는 연안 지역2의 1차 생산성에 크게 기여하는 것으로 추정됩니다. 그들의 정착 생활 방식과 상당한 공간적 이질성으로 인해 1 차 생산성의 정량화는 쉽지 않습니다.
1 차 생산성은 주로 광도, 온도, 영양소의 가용성 및 유포 영역 3,4의 각 깊이에서 탄산염 시스템의 이온 종의 분포에 의해 주도됩니다. 깊이는 미생물 매트의 공간 분포에 현저한 영향을 미칩니다. 미생물 군집은 얕은 깊이에서 높은 조사와 뚜렷한 계절적 온도 변화의 부작용에 대처하고 더 깊은 깊이에서 더 낮은 광도에 대처해야 합니다. 깊이 구배 외에도 동적 영양 상호 작용은 서로 다른 스케일5에서 여러 개의 복잡한 공간 패턴을 생성합니다. 이 복잡한 시스템은 실험실에서 시뮬레이션하기가 복잡합니다. 연안 지역에서 개별 1 차 생산자의 대사 활동을 추론하는 가장 정확한 방법은 현장 실험을 설정하는 것입니다.
이 백서에 소개된 방법론은 기존의 챔버 방법 2,6,7과 운송 가능하고 건설하기 쉬운 저비용 부유식 바지선을 기반으로 합니다. 이를 통해 자연광 스펙트럼, 온도 및 깊이에 따른 탄산염 시스템의 이온 종의 상이한 분포 하에서 상이한 깊이에서의 1차 생산성의 측정이 가능해진다. 이 방법은 식물성 플랑크톤 광합성6을 측정하기 위해 처음 사용되었으며 여전히 일반적으로 사용되는 6,7인 밝은 병 대 어두운 병 산소의 원리를 기반으로 합니다. 빛 속에 보관된 병의 산소 변화율(1차 생산성 및 호흡의 영향 포함)과 어둠 속에 보관된 병(호흡만 해당)을 비교합니다.8. 이 방법은 산소 발생 (광합성)을 1 차 생산성의 대용으로 사용합니다. 측정 된 변수는 순 생태계 생산성 (NEP, 조명 조건에서 시간에 따른 O 2 농도의 변화) 및 생태계 호흡 (RE, 어둠 속에서 시간에 따른 O2 농도의 변화)입니다. 총 생태계 생산성 (GEP)은 둘 사이의 차이를 계산 한 것입니다 (표 1). 여기서 "생태계"라는 용어는 페리피톤이 독립 영양 및 종속 영양 유기체로 구성되어 있음을 나타내는 데 사용됩니다. 이 전통적인 챔버 방법의 가장 중요한 개선은 비침습적 산소 광학 센서를 사용하고 주변 1차 생산성을 측정하기 위해 주로 플랑크톤 방법을 최적화하는 것입니다.
이 기술은 체코-밀라다, 모스트, 메다르에서 새로 등장한 광산 후 호수의 연안 지역에서 미생물 매트를 측정하는 예에 설명되어 있습니다. 미생물 매트의 대사 활성은 연구 된 군집이 자연적으로 발생하는 특정 깊이에서 직접 수행되는 O2 플럭스의 직접 현장 측정을 사용하여 결정됩니다. 종속영양 및 광영양 활동은 비침습적 광학 산소 센서가 장착된 밀폐된 유리병에서 측정됩니다. 이 센서는 빛에 민감한 염료의 형광을 사용하여 산소 분압을 감지합니다. 미생물 매트가있는 병은 적절한 깊이의 부유 장치에 매달려 배양됩니다. 병 내부의 산소 농도는 작은 보트에서 낮 기간 동안 지속적으로 측정되었습니다.
온전한 미생물 매트의 샘플을 수집하여 스쿠버 다이버가 지정된 깊이의 기밀 배양 병에 넣습니다. 각 병에는 시간 경과에 따른 O2 생산성 / 소비를 모니터링하는 비 침습적 광학 산소 마이크로 센서가 장착되어 있습니다. 모든 측정은 각 깊이에서 5개의 반복 어두운/밝은 쌍으로 수행됩니다. 온도 및 광합성 활성 방사선(PHAR) 강도는 배양 전반에 걸쳐 각각의 깊이에서 측정됩니다. 6시간의 계내 배양(일광 시간) 후, 미생물 매트를 병으로부터 수확하고 건조시킨다. O2 플럭스는 미생물 바이오매스로 정규화된다. 대조군으로서, 플럭스는 미생물 매트 바이오 매스가없는 호수 물을 포함하는 별도의 밝고 어두운 가스 밀폐 병 (블랭크 컨트롤)에서 O2 농도의 변화에 대해 보정됩니다. 다음은 플로팅 바지선을 만들고 전체 실험을 단계별로 수행하기위한 자세한 지침입니다. 이 논문은 또한 두 개의 깊이(1m 및 2m)에서 미생물 매트를 측정한 대표적인 결과를 제시하며 각 깊이에서 5번의 반복을 수행합니다. 실제 온도와 광도는 데이터 로거를 사용하여 전체 실험 중에 측정되었습니다.
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Protocol
참고: 샘플링하기 전에 전체 프로젝트 요구 사항, 통계 설계 또는 예상되는 표본 변동성을 기준으로 복제 정도를 결정합니다. 정확한 통계 분석과 잠재적인 샘플 손실 또는 파손을 설명하기 위해 5쌍의 밝고 어두운 배양 병의 5쌍이 제안됩니다. 설명 된 부유 식 실험 바지선은 5 개의 반복과 1 쌍의 빈 컨트롤을 운반하도록 설계되었습니다. 실험 바지선의 기술 도면은 그림 1 을 참조하십시오.
그림 1: 실험 바지선과 측면 플로트의 기술 도면. (A) 평면도: 바지선의 프레임은 4개의 알루미늄 플랫 바(회색)로 결합된 4개의 알루미늄 앵글 L 프로파일 조각(파란색)으로 구성됩니다. XPS 플로트 (분홍색)는 평행 한 알루미늄 조각의 두 지점에서 프레임에 장착됩니다. 배양 병 용 체인은 550mm 간격으로 미리 뚫린 구멍 (빨간색 화살표)에 스냅 후크를 사용하여 양쪽의 프레임에 부착됩니다. 체인에는 배양 병 부착을 위해 1m 및 2m 거리에서 스냅 후크가 제공되었습니다(실험 깊이에 따라 스냅 후크 위치 선택). 콘크리트 앵커는 바지선의 선수에 고정되어 있으며, 25mm의 돌출부는 앵커의 체인과 연구 선박의 부착 지점 역할을 할 두 개의 미리 뚫린 구멍(노란색 화살촉)을 허용합니다. 프레임은 4개의 알루미늄 앵글 조각(녹색 화살촉) 사이의 평행 조인트를 통해 쉽게 조립 또는 분해됩니다. (B) 측면도는 매달린 배양 병과 콘크리트 앵커 (갈색 사각형)가있는 매달린 체인을 보여줍니다. (C) 측면 XPS 플로트 : 평행 알루미늄 앵글 L 조각 (파란색)은 수직 알루미늄 플랫 바 (회색)로 연결됩니다. 크로스바 섹션 아래에 XPS 플로트 (분홍색)가 필요한 구멍 크기 (4mm)로 장착됩니다. 매달린 체인은 8mm 구멍 (빨간색 화살촉)에 스냅 후크로 부착됩니다. 바지선의 선수에는 돌출된 알루미늄에 두 개의 8mm 구멍이 뚫려 있는데, 하나는 바지선에 앵커를 고정하기 위한 것이고(노란색 화살촉) 다른 하나는 연구선을 바지선에 계류하기 위한 것입니다(파란색). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
1. 실험용 바지선 건설
알림: 플로팅 바지선은 함께 장착된 두 개의 동일한 섹션으로 구성되어 있어 쉽게 조립/분해할 수 있습니다. 모든 중고 부품은 취미 시장이나 건축 자재를 판매하는 상점에서 구입할 수 있습니다.
- 먼저 4개의 알루미늄 플랫 바(40mm x 3mm x 350mm), 나사 16개(육각 너트가 있는 4mm x 15mm) 및 32개의 와셔(4mm x 10mm)를 사용하여 4개의 알루미늄 앵글 L 프로파일 조각(40mm x 40mm x 3mm, 길이 2,000mm)을 함께 결합하여 바지선의 프레임을 조립 합니다.
알림: 플랫 바의 거리와 위치는 그림 1A의 기술 도면에 나와 있습니다. 측면 플랫 바에 대한 플로트의 자세한 부착은 그림 1B에 나와 있습니다. - 프레임의 두 동일한 섹션을 결합하려면 윙 너트가 있는 4mm x 15mm 나사 4개와 4mm x 10mm 와셔 8개를 사용하여 알루미늄 앵글 L 프로파일을 끝에서 함께 조입니다(그림 1A, 녹색 화살표).
- 압출 폴리스티렌 (XPS) 재료 (500mm x 200mm x 150mm) 5 개, 육각 너트가있는 10mm x 170mm 나사 10 개, 10mm x 50mm 와셔 20 개를 사용하여 5 개의 압출 폴리스티렌 플로트 (각각 500mm x 200mm x 150mm)를 준비하십시오. 기술 도면에 표시된 5개 지점에서 프레임에 플로트를 부착합니다(그림 1A).
- 프레임에 구멍을 뚫습니다(체인 구멍의 위치와 거리를 표시하는 그림 1A 의 빨간색 화살표 참조). 강철 카라빈 후크 (50mm x 5mm)를 사용하여 배양 병용 12m 강철 체인 (와이어 직경 3mm, 내부 링크 5.5mm x 26mm)을 프레임의 구멍에 부착합니다. 실험 설계에 따라 배양 병을 원하는 깊이로 설치하기위한 스냅 후크 쌍 (50mm x 5mm)을 각 체인에 제공하십시오. 이 경우 1m 및 2m 깊이에 앉았습니다.
- 앵커의 경우 15L 버킷을 콘크리트로 채 웁니다. 아이 볼트를 콘크리트에 삽입하고 방해받지 않고 건조시킵니다. 5m 강철 체인을 후크에 고정합니다. 바지선 선수의 미리 뚫린 구멍에 앵커를 고정합니다(그림 1A, B에서 노란색 화살표로 표시됨).
알림: 조립 설명이 포함된 기술 도면은 그림 1A-C에 나와 있습니다. 도 2는 조립된 실험용 바지선의 사진을 나타낸 것이다. 그림 3은 인큐베이션 병을 체인에 부착하는 것을 보여줍니다.
그림 2: 조립된 실험용 바지선. 조립 된 실험 바지선의 사진. 빨간색 화살촉은 인큐베이션 병으로 체인을 부착하기위한 구멍을 보여줍니다. 녹색 화살촉은 플로트의 두 반쪽이 함께 연결된 위치를 가리킵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 인큐베이션 병. 1m 깊이에 매달려있는 두 쌍의 어둡고 가벼운 배양 병 사진. 한 쌍의 병에는 돌 위에서 여전히 자라는 손상되지 않은 미생물 매트 샘플이 들어 있습니다 (빨간색 화살촉). 두 번째는 각각의 깊이에서 호수 물이 담긴 빈 병입니다. 노란색 화살촉은 배양 병의 내벽에 부착 된 산소 센서 지점을 가리 킵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 현장에서의 설치
- 풍선 카약의 사용은 쉽게 운반 할 수 있으므로 바지선 배치 및 실험 수행에 권장됩니다.
- 플로트를 고정하기에 이상적인 깊이의 장소를 선택하십시오. 하부 배양 병이 바닥에서 최소 2m 위에 있도록 깊이를 선택하여 침전물이 배양 병 주변의 물기둥으로 들어가는 것을 방지합니다.
- 보트의 선미 뒤에 조립 된 바지선을 부착하십시오. 보트 측면을 따라 앵커를 조심스럽게 내리고 수면보다 약간 아래에 매달려 플로트가 앵커와 함께 필요한 깊이의 지점으로 쉽게 견인 될 수 있도록 정렬하십시오.
- 보트에서 닻을 풀고 바닥으로 내린 다음 바지선을 닻 체인에 고정합니다.
- 배양 병을 바지선에 부착하기위한 체인을 고정하십시오.
3. 인큐베이션 병 준비
- 가스 밀폐 씰이있는 투명한 넓은 목 0.5L 병을 사용하십시오.
알림: 병의 크기를 조정할 수 있지만 더 많은 폴리스티렌 시트로 바지선의 부양을 증가시키는 것을 잊지 마십시오. 여기에 설명 된 바지선은 24 개의 0.5L 유리 병을 안정적으로 운반 할 수 있습니다. - 산소 광학 센서 스폿을 각 병의 내벽에 부착합니다.
- 어두운 처리 병을 검은 색 전기 테이프로 싸서 불투명 한 층을 추가하십시오.
- 광학 센서로 그 자리에 작은 구멍을 뚫습니다. 병에 빛이 들어 가지 않도록하려면 구멍을 센서 직경보다 약간 작게 만드십시오.
알림: 빛이 병에 들어가는 것을 방지하는 불투명 한 층도 작동합니다. 검은 색 전기 테이프의 장점은 마모에 강하고 물에서 벗겨지지 않는다는 것입니다.
4. 샘플 수집 및 취급
알림: 다이버는 더 깊은 물에서 샘플을 수동으로 수집합니다. 얕은 물에서는 스노클링이나 물놀이로 할 수 있습니다.
- 배양 병을 휴대용 상자에 넣으십시오.
- 상자와 함께 각각의 깊이로 다이빙하십시오. 주변 물의 침전물을 방해하지 마십시오.
- 배양 병에 샘플을 조심스럽게 채 웁니다. 예를 들어 긴 핀셋을 사용하여 샘플의 바이오 매스를 가능한 한 적게 방해하십시오. 미생물 매트가 작은 돌과 같은 단단한 표면에서 자라는 경우 손상되지 않은 바이오 매스가있는 전체 돌을 병에 조심스럽게 옮깁니다.
알림: 샘플링 매트가 돌 위에서 자랄 때 큰 돌을 모으지 마십시오-유리 병은 추가 조작 중에 깨질 수 있습니다. - 한 쌍의 밝은/어두운 병에 각각의 깊이에서 깨끗한 물을 채워 빈 컨트롤 역할을 합니다.
알림: 페리피톤 샘플이 없는 병은 주변 수생 유기체의 산소 생성/소비를 결정하는 제어 역할을 합니다. 그것은 periphyton의 계산 된 순 또는 총 1 차 생산성이 편향되지 않도록합니다. - 모든 배양 병의 물이 깨끗하고 방해가되는 침전물이 없는지 확인하십시오.
- 병을 닫고 떠 다니는 바지선에 정박 된 보트로 가져옵니다.
5. 1차 생산성 측정
알림: 보트에 앉아있는 사람은 다이버에게서 상자를 가져 와서 다음 단계를 수행합니다.
- 처음 두 쌍의 배양 병을 첫 번째 체인의 스냅 후크에 부착하십시오.
- 광섬유 산소 측정기를 사용하여 각 병의 초기 산소 농도를 측정합니다. 미터의 광 케이블을 병 내부에 장착 된 산소 센서에 연결하고 즉시 (몇 초 이내에) O2 농도를 비접촉식 (병 벽을 통해)을 읽습니다. 측정값을 기록합니다.
알림: 배송 준비 시간이 짧습니다. 다이버로부터 병을 가져가는 것부터 초기 설정, 각각의 깊이까지 몇 분 밖에 걸리지 않습니다. - 그 직후, 부착 된 병이있는 체인을 조심스럽게 다시 물 속으로 내립니다. 배양 병이 그 안에 놓인 바이오 매스가 샘플링 된 것과 동일한 깊이에 놓여 있는지 확인하십시오.
- 1시간 후에 선박에서 다시 측정합니다(아래 참고 참조). 병이 있는 각 체인을 보트에 조심스럽게 당기고 광케이블을 센서에 연결하여 산소 값을 읽은 다음 샘플을 다시 물에 내립니다.
알림: 병의 과포화를 피하기 위해 샘플의 O2 생산성 / 소비 강도에 따라 배양 중 개별 측정 사이의 시간을 조정하십시오. - 모든 병 쌍에 대해이 절차를 적어도 4-5 번 반복하십시오.
참고: 현장에서 실험의 전체 설정은 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4: 현장의 실험 설정 스키마. 호수 표면에 정박된 실험용 바지선의 그림. 미생물 매트 바이오 매스가 들어있는 배양 병 (0.5 L)은 두 가지 다른 깊이 (1m 및 2m)에 매달려 있습니다. 다이버들은 미생물 매트 샘플을 적절한 깊이의 배양 병에 직접 수집했습니다. 개별 병의 산소 농도는 선박에서 측정됩니다. 병이 물에서 꺼냅니다. 산소 농도 값은 산소 센서에 광 케이블을 연결하여 몇 초 안에 측정됩니다. 그런 다음 병을 조심스럽게 다시 물 속으로 내립니다. 두 깊이에서 두 쌍의 배양 병을 측정하는 전체 절차는 ~ 2 분이 걸립니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
6. 샘플 분석
- 측정이 끝나면 병에서 직접 샘플을 채취하고 미생물 매트의 바이오 매스를 작은 플라스틱 플라스크로 옮깁니다. 매트가 단단한 기질 (예 : 돌)에서 자라면 칫솔이나 작은 칼로 문지릅니다.
- 실험실에서 사전 계량된 유리 섬유 필터를 통해 각 반복을 필터링하여 건조 중량을 결정합니다9.
7. 데이터 분석
- 잠복기 동안 밝고 어두운 병의 산소 농도를 측정하고 병이 채워질 때 물기둥의 산소 농도와 비교하십시오.
알림: 시간이 지남에 따라 가벼운 병의 산소 변화는 총 생태계 생산성 (GEP)과 병에있는 모든 유기체 (주변 물과 주변 생물 공동체의 독립 영양 생물 및 종속 영양 생물)에 의한 호흡의 결합 된 결과입니다. 어두운 병의 산소 감소는 독립 영양 생물과 종속 영양 생물의 호흡 손실을 측정합니다. 대조군 (즉, 페리 피톤이없는 병)의 산소 농도 변화는 주변 물에서 종속 영양 또는 독립 영양 유기체의 산물 일뿐입니다. 페리피톤 생산성과 호흡은 빈 배양 병에서 측정된 주변 물 생산성과 호흡을 빼서 추정했습니다. - O2 농도를 백분율 산소 포화도로 기록해 둡니다(즉, 산소 센서를 0% 및 100% 산소 포화도로 보정). 기본 생산성을 추정하기 전에 원시 데이터 (
)를 합리적인 단위로 변환하십시오.
참고 :이 연구에서, 데이터는 Benson and Krause10에 따라 건조 중량 기준으로 페리 피톤 질량의 유기물 (OM) 그램 당 O2의 mmol로 변환됩니다.- 방정식 (1)을 사용하여 변환을 계산하십시오.
(1)
여기서 Cp는O2에 의해 완전히 포화되었을 때 물 중의 O2 농도(mg(O2)L-1)이고, V Bottle은 mL 단위의 병의 부피이고, V스톤은 mL 단위의 돌이 차지하는 부피이고, 는 g의 페리피톤 질량의 중량이고, 32는O2의 몰 중량이다. - 식 (2)를 사용하여 Cp를 계산하십시오.
(2)
여기서, cs는 표준O2 농도이고, P는 호수 표면에서의 대기압이고, Pw는 호수 표면에서의 수증기의 분압이고, ω는 물 밀도이다. - 호수 고도 (km 단위)와 호수 표면의 수온 (t in ° C)이 알려진 경우 이전에 정의 된 경험식 (3-6)에서 Cs, ω, P 및 Pw를 계산합니다.
(3)
(4)
(5)
(6)
참고 : 식 (1-6)으로부터, 계산 된 O2 농도가 얕은 깊이에 대해 가장 정확하다는 것이 명백하다. 깊이가 증가함에 따라 계산된 농도는 절대 농도 측면에서 더 편향됩니다. 필요한 경우 절대O2 농도를 보정 할 수 있도록 깊이에 따른 산소 농도의 변화율을 각 호수에 대해 알고있는 것이 최적입니다. 일단 O2 농도가 계산되면, 시간에 따른 그의 변화는 2개의 상이한 조건들에서O2의 2개의 상이한 플럭스를 계산하는데 사용될 수 있다. 조명 조건에서 순 생태계 생산성 (NEP)은 시간 경과에 따른 O2 농도의 변화에 정비례합니다 (아래 참조). 여기서 "생태계"라는 용어는 페리피톤이 독립 영양 및 종속 영양 유기체로 구성되어 있음을 나타내는 데 사용됩니다. 어둠 속에서 시간 경과에 따른 O2 농도의 변화는 독립 영양 및 종속 영양 유기체의 호흡 손실의 합에 비례하여 생태계 호흡 (RE)을 정의합니다. NEP와 RE의 차이는 총 생태계 생산성 (GEP)을 정의합니다. 지역 사회의 종속 영양 부분의 호흡 손실이 무시할 수 있다면 GEP는 총 생태계 생산성과 같아집니다.
- 방정식 (1)을 사용하여 변환을 계산하십시오.
- 수학식 7과 같이 3차 다항식 회귀에 의해 시간에 따른O2 농도의 변화율을 결정한다.
(7)
여기서 A0는 시간 0에서의 O2 농도이고 A1-A2는 다항식 회귀 계수이다.
참고: 다항식 함수는 모든 미분 방정식의 근사치로 사용될 수 있기 때문에 사용됩니다. 따라서,O2 농도와 시간 사이의 정확한 기능적 관계를 알 필요는 없다. 따라서, 기능적 관계(예를 들어, 선형성)와 연관된 임의의 가정은 제어될 필요가 없다. 정의에 의해, 다항식 회귀의 두 번째 항인 A1은 시간 0에서의 O2 농도의 변화율(즉, 순간 속도)을 정의하며, 이는 A0 및 따라서 시간 0에서의 절대 O2 농도와 무관하다. 이러한 이유로, O2 플럭스의 추정치는 깊이 구배에 걸친 압력 변화에 의해 야기된 절대O2 농도 계산에서의 바이어스에 의해 영향을 받지 않는다. A1은 시간당 단위O2(mmol g(OM)-1)를 갖는다(본 연구에서는 1시간).- 빛에 노출되거나 노출되지 않고 미생물 매트 바이오매스를 포함하는 병(즉, V 스톤스 > 0)과 빛에 노출되거나 노출되지 않고 자유수를 포함하는 대조 병(즉, V 스톤 = 0)에 대해 별도로 계산된 A 1을 계산합니다.
참고: 이러한 서로 다른 회귀 계수 표기법
, , 
, 
및 를 각각 할당하면 생산성 GEP 계산을 위한 방정식 (8)은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
(8.1)
(8.2)
(8.3)
이 용어는 순 생태계 생산성 (그림 5A, 즉 순 산소 생산성)을 정의하고이 용어는
독립 영양 및 종속 영양 호흡의 합을 나타냅니다 (그림 5B; RE, 즉, 두 호흡이 어둡고 밝은 조건에서 유사하다고 가정). - NEP에서 R을 빼서 GEP를 얻습니다(그림 5C).
참고: 방정식 (8)은 암시적으로 와 가 양수이고 와 가 둘 다 음수라고 가정합니다. 가 양수이면 원시 데이터에 특이치가 있는지 주의 깊게 확인합니다. 종속영양 활동으로 인한 호흡 손실이 광합성 활동보다 높을 수 있기 때문에 이론적으로 음수일 수 있습니다.
- 빛에 노출되거나 노출되지 않고 미생물 매트 바이오매스를 포함하는 병(즉, V 스톤스 > 0)과 빛에 노출되거나 노출되지 않고 자유수를 포함하는 대조 병(즉, V 스톤 = 0)에 대해 별도로 계산된 A 1을 계산합니다.
)를 합리적인 단위로 변환하십시오.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
, , 
, 
및 를 각각 할당하면 생산성 GEP 계산을 위한 방정식 (8)은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
(8.1)
(8.2)
(8.3)
독립 영양 및 종속 영양 호흡의 합을 나타냅니다 (그림 5B; RE, 즉, 두 호흡이 어둡고 밝은 조건에서 유사하다고 가정).Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
그림 5: 낮 동안 미생물 매트의 순 및 총 생태계 생산성. (A) 가벼운 병-순 생태계 생산성 : 가벼운 병에서 미생물 매트의 순 산소 생산성의 시간 과정 데이터. 배양 병의 산소 농도 변화는 낮 동안 1 시간 후에 측정되었습니다. 회색 원: 미생물 매트 샘플이 있는 병. 흰색 원: 호수 물만 담긴 빈 병. (B) 어두운 병 호흡: 어두운 병의 독립 영양 및 종속 영양 호흡의 합. 배양 병의 산소 농도 변화는 일광 기간 동안 1 시간 후에 측정되었습니다. 회색 원: 미생물 매트 샘플이 있는 병. 흰색 원: 호수 물만 담긴 빈 병. (C) 순 생태계 생산성, 호흡 및 총 생태계 생산성의 비교 : 순 생태계 생산성 비율에서 호흡률을 빼면 미생물 매트 바이오 매스의 총 생태계 생산성이 발생합니다. 약어 : NEP = 순 생태계 생산성; RE = 호흡; GEP = 생태계 총 생산성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
실험용 부유식 바지선 및 배양병 설정에 대한 개략도는 그림 1, 그림 2 및 그림 3에 나와 있습니다. 그림 4는 현장에서 실험을 설정하는 방법을 보여 줍니다. 그림 5는 최종 순 및 총 생태계 생산성을 계산하는 데 사용되는 대표 데이터 세트를 보여줍니다. 도 5A에서, 시간에 따른 O2 농도의 변화(즉, mmol(O2)g(OM)-1로 재계산됨)는 빛에 노출된 미생물 매트가 있거나 없는("대조군"으로 표시됨) 병에 대해 도시된다. O2 농도의 증가는 샘플뿐만 아니라 대조군에서도 명백하다. 그럼에도 불구하고 증가 기울기는 미생물 매트가있는 병에서 훨씬 더 높습니다. 미생물 매트 활동의 신호가 배경에 대해 감지 가능하다는 것을 보여줍니다.
그림 5B에 표시된 어둠 속에 보관 된 병의 데이터에도 동일하게 적용됩니다. 그러나 이 경우 대조군에서 시간에 따른 O2 농도 변화의 기울기는 0과 크게 다르지 않습니다. 그림 5C는 그림 5A, B에 표시된 데이터의 곱, 순 생태계 생산성 (NEP) 및 호흡 (RE)을 각각 보여줍니다. 정의에 따르면 전자는 양수이고 후자는 음수여야 합니다. 데이터는 정의를 잘 준수합니다. NPP와 RE의 합은 총 생태계 생산성 (GEP)입니다. GEP의 오차는 NEP 및 RE에 대해 계산된 오차의 제곱합의 제곱근이기 때문에 증가합니다. 모든 측정 이벤트는 모니터링되는 각 배양 병에 대해 일광 시간 동안 일련의 O2 농도를 생성하며, 이는 순 및 총 생태계 생산성을 추정하기위한 기초입니다. 도 5A는 라이트 병으로부터의 미생물 매트의 순 산소 생산성(광합성 및 호흡)의 시간 과정 데이터를 나타낸다. 도 5B는 어두운 병으로부터의 미생물 매트의 호흡의 시간 경과 데이터를 나타낸다. 순 생태계 생산성에서 호흡률을 빼면 총 생태계 생산성이 산출됩니다(그림 5C). 도 6은 현장에서의 방법의 실용화로부터 얻어진 결과를 나타낸다. 주변 생물 공동체의 총 생태계 생산성은 식생 시즌 동안 체코의 3 개의 광산 후 호수에서 측정되었습니다.
그림 6. 3 개의 광산 후 호수에서 페리 피톤의 총 생태계 생산성. 체코 공화국의 3 개 광산 후 호수 (Milada, Most, Medard)에서 페리 피톤 바이오 매스의 총 생태계 생산성 (GEP)의 계절적 변화의 예. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 평가하다 | |||
| 실험 단위 | O2 플럭스 프록시 | μmol O2 g OM-1 h-1 | 증권 시세 표시기 |
| 가벼운 병 | 순 생태계 생산성 (NEP) | 38.6 | 1.98 |
| 어두운 병 | 생태계 호흡 (RE) | -18.1 | 2.3 |
| 총 생태계 생산성 (GEP) | 53.8 | 13.6 | |
표 1: 결과 요약 테이블. 선형 회귀의 결과는 평균 및 표준 오차로서 계산됩니다. 어둡고 밝은 배양 병의 5 회 반복에서 얻은 평균 추정 값. SE = 표준 오차.
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Discussion
이 백서에 설명 된 방법론은 광학 산소 센서를 사용하여 O2 농도를 측정하는 비 침습적 기술과 결합 된 밝고 어두운 병 산소 기술의 원리를 기반으로합니다. 이 시스템은O2 측정을 위한 광섬유를 병에서 병으로 빠르게 이동할 수 있으므로 다양한 배양 설정을 병렬로 측정할 수 있습니다. 다양한 깊이의 저서 공동체는 분류 학적 구성과 생산성이 다를 수 있습니다. 병렬로 동시에 측정하면 시간을 절약하고 결과를보다 정확하게 만들 수 있으므로 periphyton이 자라는 전체 깊이 프로파일을 계산할 수 있습니다. 쉐이크 플라스크에 통합된 비침습적 산소 센서는 실시간 산소 플럭스 모니터링을 가능하게 합니다.
설계된 실험 설정을 통해 군집이 자연적으로 발생하는 각 깊이에서 미생물 군집의 1차 생산성을 측정할 수 있으며, 이는 실험실에서 시뮬레이션하기 어렵습니다(적절한 압력, 일주 과정의 온도 및 현장 광도 변화 추적, 다양한 영양소 가용성). 제안된 방법의 주요 개선 사항은 비침습성, 비용 효율성 및 샘플 수집 장소 근처의 단일 좌표 위치에서 여러 동시 측정의 가능성입니다. 이 방법은 모든 재료를 반복적으로 사용할 수 있으므로 환경 친화적입니다. 또한 추가 비용 없이 대규모 데이터 세트를 수집할 수 있습니다. 고감도 O 2 프로브 (즉, 검출 한계 15 ppb, 분해능 0.1 % 0.04 mg O2 L-1)의 도입은 또한 방법의 사용을 덜 생산적인 수생 환경으로 전환합니다.
그럼에도 불구하고, 제안된 방법은 또한 실험 배치의 성질과 관련된 한계를 갖는다. 첫 번째 한계는 밀폐 된 병의 O2 과포화 가능성입니다. 이것은 특히 생산성이 높은 바이오 매스가 배양되는 경우 화창한 날에 발생합니다. 그것은 물(7)에서 O2 의 불완전한 용해에 의해 야기 된 광합성의 과소 평가를 초래할 수있다. 고농도의O2는 또한PSII11을 비활성화시킬 수 있다. 과포화를 피하기 위해 바이오매스 양 최적화에 초점을 맞춘 예비 실험을 강력히 권장합니다. 둘째, 생성 된 가스의 교환은 주변 매트의 두꺼운 확산 경계층에 의해 제한 될 수 있습니다. 배양 병 내의 정체 상태와 함께 생산성이 과소 평가 될 수 있습니다. 그러나, 설명 된 방법론의 틀 내에서, 배양 병은 측정 시간 동안 물에서 꺼내어 그 때 매 시간마다 조작되고 그 때 다시 내려진다. 배양 중에 독립 영양 군집은 용존 무기 탄소 (DIC)에 의해 제한되어 생산 속도가 느려질 수 있습니다. 따라서,O2의 증가는 전체 배양 시간에 걸쳐 선형적이지 않다. 보통, 문제는 비율 계산을 위해O2 대 시간 관계의 선형 영역만을 선택함으로써 해결된다. 여기에서는 시간 경과에 따른 O2의 변화율을 정의하는 미분 가능한 함수의 근사치 역할을하는 3 차 다항식 회귀를 사용했습니다. 시간 0에서 변화율을 계산할 수 있습니다. 따라서 커뮤니티는 아직 시간 0에서 DIC에 의해 제한되지 않습니다.
연구에 따르면 주변 매트와 위에 놓인 물 사이의 가스 균질화를 위한 최소한의 교반이 필요합니다12. 렌틱 환경에서는 연안 구역의 유체역학이 강하지 않으므로 개별 측정 중에 배양 병 내에서 물을 혼합하는 것은 자연 균질화 공정에 충분한 절충안이 될 수 있습니다. 또 다른 문제는 바닥의 물리적 맥락에서 주변 샘플을 꺼내는 것인데, 이는 매트에 대한 빛 노출 및 가스 침투의 변화로 이어질 수 있습니다. 페리피톤의 조명량은 특히 수집된 매트의 가장자리에서 약간 조절될 수 있습니다. 그러나 광합성 유기체는 자연적으로 광도 변동에 직면하므로 이러한 변화를 유지하도록 적응됩니다13,14. 더 큰 정도의 교란을 피하려면 배양을 위해 주변 매트의 소형 조각 하나를 조심스럽게 샘플링하는 것이 좋습니다. 샘플은 측정 중에 물에서 꺼낼 때 더 강렬한 방사선에 노출 될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 각각의 깊이에서 병의 배양 시간은O2 농도 판독을 수행하는 데 필요한 시간보다 훨씬 큽니다. 배양 시간은 4 시간이며 한 번의 판독에는 약 30 초가 걸립니다.
제시된 방법은 렌틱 물 생태계를 위해 발명되었습니다. 흐르는 물에서도 사용할 수 있지만 몇 가지 사소한 기술적 문제를 해결해야합니다. 흐르는 물에서는 배양 병이 더 쉽게 파손될 수 있으며 전체 시스템을 고정하는 것은 흐름에서 어려울 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 정체 된 물에서도 배양 병은 조심스럽게 다루어 조작 중에 서로 부러지지 않도록해야합니다. 배양 병에 돌 위에서 자라는 미생물 매트가 포함 된 경우 특별한주의를 기울여야합니다. 유리병이 깨지지 않도록 큰 돌을 채취하지 않는 것이 중요합니다.
프로토콜 섹션 7에 언급된 바와 같이, 설명된 방법은 순 생태계 생산성, 생태계 호흡률 및 이들의 제품-총 생태계 생산성의 추정치를 제공한다. 이 방법에서는 미생물 군집의 종속 영양 및 독립 영양 부분의 호흡률을 구별 할 수 없습니다. 따라서 총 생태계 생산성은 종속 영양 호흡과 동일한 비율로 총 1 차 생산성보다 낮습니다. 따라서, 이 방법은 14C동위원소 표지15,16,17에 의한 1차 생산성 추정의 빈번하게 사용되는 방법과 직접적으로 비교할 수 없다. 이 방법은 공지된 용존 무기 C 농도18의 물로 채워진 인큐베이션 병에 공지된 양의 표지된 14C-CO2를 도입하는 것에 기초한다. 시간 경과에 따른 방사능 손실률은 총 1 차 생산성에 정비례합니다. 실제로 제안 된 방법은 두 방법의 조합이 이론적으로 종속 영양 및 독립 영양 호흡을 포함한 모든 탄소 플럭스를 구별 할 수 있기 때문에 방사성 표지 방법을 보완합니다. 그러나, 방사성 표지 방법은 또한 몇 가지 한계를 갖는다. 예를 들어, 표지된 요소가 주변부 매트(19) 내로 신속하고 균질하게 혼입된다는 가정에 의존하는데, 이는 페리피톤 매트릭스의 기계적 파괴 없이는 보통 가능하지 않다. 정확한 일일 추정치를 얻으려면 샘플을 수집, 배양 및 하루 종일 여러 번 샘플링해야하며 방사능 오염을 피하기 위해 실험실 조건에서 방법을 실행해야합니다7. 연속 및 비침습적 측정은 불가능합니다.
수생 생태계에서 1 차 생산성을 추정하기 위해 일반적으로 사용되는 다른 방법은 동일한 실험 설계를 갖지만 특히 periphyton20의 1 차 생산성을 추정하는 데 덜 편리한 다른 유형의 산소 프로브를 포함합니다. 일부 유형의 산소 프로브를 사용하면 주변 매트 내의 실제 산소 농도를 감지하는 데 도움이 될 수 있지만 밀폐된 시스템에 밀봉되지 않는 한 시간 경과에 따른 변화율을 추정할 수 없습니다. 산소 프로브를 밀봉하는 것은 비침습적 광학 센서보다 누출되기 쉽습니다. 유선 연결이 필요하기 때문에 다른 병 기반 대사 방법은 더 깊은 곳에서 산소 농도를 측정 할 수 없습니다. 이것은 유선 연결을 필요로하지 않는 제안 된 방법을 심해 저서 대사의 정확한 추정치를 제공 할 수있게한다. 각 광학 센서는 독립적인 장치이므로 단일 좌표 위치에서 여러 깊이에서 시간에 따른 산소 농도의 변화를 동시에 측정할 수 있습니다. 결과적으로이 방법은 필요한 경우 전체 수역으로 업 스케일링 할 수있는 강력한 데이터 세트를 제공 할 수 있습니다. 예를 들어, 원격 감지 기술은 표면 아래의 다양한 깊이에서 사용할 수 없기 때문에 유사하게 적용 할 수 없습니다.
페리피톤(또는 다른 저서 생물)의 총 생산성에 대한 상세한 계절적 현장 측정은 렌틱 수역에서 1차 생산성 역학을 제어하는 프로세스에 대한 현재 지식을 향상시킬 수 있습니다. 각 호수의 연안 지역에서 총 1 차 생산성을 추정하면 전체 호수 탄소 대사에 대한 상대적 중요성을 더 잘 알 수 있습니다. 그러나이 방법은 과소 영양 수역에서 플랑크톤 1 차 생산성을 측정하는 데 적합하지 않습니다. 저서 공동체와 비교할 때, 개방 수역의 플랑크톤 바이오 매스는 너무 낮습니다. 따라서,O2 농도의 변화는 저서 바이오매스를 이용한 실험 동안 동시에 검출되기에는 너무 느릴 것이다. 이 경우, 플랑크톤의 대사 활성은 동일한 샘플링 시간에 Šimek et al.21에 의해 설명 된 14C- 중탄산염 방법을 사용하여 측정 할 수있다. 부영양화수에서는이 방법을 사용하여 플랑크톤의 1 차 생산성도 측정 할 수 있습니다. 위에서 언급 한 1 차 생산성을 측정하는 각 기술에는 장점과 단점이 있습니다. 조사중인 과학적 질문에 따라 최상의 기술을 선택해야합니다. 또한이 방법은 가능한 한 연구 된 생태계의 생태 학적 매개 변수를 모방해야합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 이해 상충이 없음을 확인합니다.
Acknowledgments
이 연구는 체코 과학 재단 (GACR 19-05791S), RVO 67985939 및 전략 AV 21, 토지 절약 및 복구 프로그램 내에서 CAS의 지원을 받았습니다. 현장에서 촬영을 해준 Ondřej Sihelský에게 많은 감사를 드립니다 - 그가 없었다면 촬영은 완전히 지옥이었을 것입니다. 이 프로젝트는 연구 된 지역에 대한 액세스를 제공 한 Palivový Kombinát Ústí s.p. 및 Sokolovská Uhelná와의 긴밀한 협력 없이는 불가능했을 것입니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminum angle L profile 40 x 40 mm x 3 mm, length 2,000 mm | |||
| Aluminum flat bar 40 x 3 x 350 mm | |||
| Bucket 15 L with concrete infill | |||
| Carabine hook with screw lock 50 x 5 mm | |||
| electric tape black | |||
| Extruded polystyrene (XPS) material 500 x 200 x 150 mm | |||
| Fibox 3 LCD trace | PreSens Precision Sensing GmbH | stand-alone fiber optic oxygen meter | |
| Hondex PS-7 Portable Depth Sounder | Hondex - Honda Electronics | to measures distances through water - to bottom depth measurement; https://www.honda-el.net/industry/ps-7e | |
| KORKEN - glass tight-seal jar 0.5 L | IKEA | incubation bottles; https://www.ikea.com/cz/en/p/korken-jar-with-lid-clear-glass-70213545/ | |
| metal hook | |||
| Oxygen Sensor Spot SP-PSt3-NAU-D5 | PreSens Precision Sensing GmbH | non-invasive optical oxygen sensor for measurements under Real Conditions | |
| SCOUT infantable canoe | GUMOTEX | https://www.gumotexboats.com/en/scout-standard#0000-044667-021-13/11C | |
| Screw 10 x 170 mm with hexagonal nuts | |||
| Screw 4 x 15 mm with hexagonal nuts | |||
| Screw 4 x 15 mm with wing nuts | |||
| Snap hooks 50 x 5 mm | |||
| Steel Carabine hook 50 x 5 mm | |||
| Steel chain with wire diameter 3 mm, inside link 5.5 x 26 mm | |||
| Steel chain, 5 m | |||
| toothbrush | |||
| tweezer | |||
| Washer 10 x 50 mm | |||
| Washer 4 x 10 mm | |||
| Washer 4 x 10 mm |
References
- Blachart, J. L., et al. Potential consequences of climate change for primary production and fish production in large marine ecosystems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 367 (1605), 2979-2989 (2012).
- Howarth, R. W., Michaels, A. F. The Measurement of primary production in aquatic ecosystems. Methods in Ecosystem Science. Sala, O. E., Jackson, R. B., Mooney, H. A., Howarth, R. W. , Springer. New York, NY. 72-85 (2000).
- Vadenbecouer, Y. E. G., Peterson, M. J., Vander, Z., Kalff, J. Benthic algal production across lake size gradients: Interactions among morphometry, nutrients, and light. Ecology. 89 (9), 2542-2552 (2008).
- Reimer, A., Landmann, G., Kempe, S. Lake Van, eastern Anatolia, hydrochemistry and history. Aquatic Geochemistry. 15 (1), 195-222 (2009).
- Cantonati, M., Lowe, R. L. Lake benthic algae: toward an understanding of their ecology. Freshwater Sciences. 33 (2), 475-486 (2014).
- Gaarder, T., Gran, H. H. Investigation of the production of plankton in the Oslo Fjord. Rapports et Proces-verbaux des Réunions. Conseil International pour l'Éxploration de la Mer. 42, 1-48 (1927).
- Hall, R. O., Thomas, S., Gaiser, E. E. Measuring Freshwater Primary Productivity and Respiration. Principles and Standards for Measuring Primary Productivity. Fahey, T. J., Knapp, A. K. , Oxford Academic. New York. The Long-Term Ecological Research Network Series (2007).
- Howart, R., Michaels, A. Chapter 6 The Measurement of Primary Production in Aquatic Ecosystems. Springer Science and Business Media LLC. , (2000).
- Kopáček, J., Hejzlar, J. Semi-micro determination of total phosphorus in soils, sediments, and organic materials: a simplified perchloric acid digestion procedure. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 26 (11-12), 1935-1946 (1995).
- Benson, B. B., Krause, D. The concentration and isotopic fractionation of oxygen dissolved in freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere1. Limnology and Oceanography. 29 (3), 620-632 (1984).
- Dodds, W. K., Biggs, B. J., Lowe, R. L. Photosynthesis-irradiance patterns in benthic microalgae: variations as a function of assemblage thickness and community structure. Journal of Phycology. 35 (1), 42-53 (1999).
- Bott, T. L., et al. An evaluation of techniques for measuring periphyton metabolism in chambers. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 54 (3), 715-725 (1997).
- Blankenship, R. E. Structural and functional dynamics of photosynthetic antenna complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (45), 13751-13752 (2015).
- Hawes, I., Schwartz, A. -M. Photosynthesis in an extreme shade environment, benthic microbial mats from Lake Hoare, a permanently ice-covered Antarctic lake. Journal of Phycology. 35 (3), 448-459 (1999).
- Aristegui, J., et al. Planktonic primary production and microbial respiration measured by 14C assimilation and dissolved oxygen changes in coastal waters of the Antarctic peninsula during austral summer: Implications for carbon flux studies. Marine Ecology-Progress Series. 132, 191-201 (1996).
- Steemann-Nielsen, C. The use of radioactive carbon (14C) for measuring organic production in the sea. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 18 (2), 117-140 (1952).
- Sanz-Martín, M., et al. Relationship between carbon-and oxygen-based primary productivity in the Arctic Ocean, svalbard archipelago. Frontiers in Marine Science. 6, 468 (2019).
- Nielsen, E. S. Measurement of the production of organic matter in the sea by means of carbon-14. Nature. 167 (4252), 684-685 (1951).
- Jönsson, B. A 14C-incubation technique for measuring microphytobenthic primary productivity in intact sediment cores. Limnology and Oceanography. 36 (7), 1485-1492 (1991).
- Bender, M. L., et al. A comparison of four methods for determining planktonic community production. Limnology and Oceanography. 32 (5), 1085-1098 (1987).
- Šimek, K., et al. Spatio-temporal patterns of bacterioplankton productivity and community composition related to phytoplankton composition and protistan bacterivory in a dam reservoir. Aquatic Microbial Ecology. 51 (3), 249-262 (2008).
