En rimelig metode for å måle in situ primærproduktiviteten til periphytonsamfunn i lentiske farvann
Summary
Her presenteres en kostnadseffektiv og transportabel metode/anlegg for å måle den primære produktiviteten til mikrobielle matter under faktiske miljøtemperaturer og lysforhold. Det eksperimentelle oppsettet er basert på allment tilgjengelige materialer og kan brukes under ulike forhold, samtidig som det gir fordelene med laboratoriebaserte modeller.
Abstract
Måling av in situ primærproduktivitet av periphyton i vekstsesongen gradient kan belyse den kvantitative effekten av miljødrivere (hovedsakelig fosforkonsentrasjon og lysintensitet) og artssammensetning på primærproduktivitet. Primærproduktiviteten drives hovedsakelig av lysintensitet, temperatur, tilgjengelighet av næringsstoffer og fordeling av karbonatsystemets ioniske arter i de respektive dypene av den eufotiske sonen. Det er et komplekst system som er svært vanskelig å simulere i laboratoriet. Denne billige, transportable og lettbygde flytende lekteren gjør det mulig å måle primærproduktiviteten nøyaktig – direkte under de faktiske naturlige forholdene. Metodikken er basert på å måle primærproduktiviteten i sanntid ved hjelp av ikke-invasive oksygensensorer integrert i tett forseglede glasskrukker, noe som muliggjør online oksygenfluksovervåking og gir ny innsikt i metabolske aktiviteter. Detaljerte sesongmessige in situ-målinger av brutto primærproduktivitet av mikrobielle matter (eller andre bunnorganismer) kan forbedre dagens kunnskap om prosessene som styrer primærproduktivitetsdynamikken i lentiske farvann.
Introduction
Primærproduktivitet er den eneste oppføringen av autochthonous karbon i akvatiske systemer som danner hele systemet mat web1. Derfor er nøyaktig estimering av primærproduktivitet et viktig skritt mot å forstå funksjonen til akvatiske økosystemer. Littorale soner er områder med høy primærproduktivitet og biologisk mangfold. I tillegg til planteplankton antas perifyton (heretter kalt mikrobielle matter) og makroalger å bidra betydelig til primærproduktivitet i kystsoner2. På grunn av deres sessile livsstil og betydelige romlige heterogenitet, er kvantifisering av primærproduktivitet ikke triviell.
Primærproduktiviteten drives hovedsakelig av lysintensitet, temperatur, tilgjengelighet av næringsstoffer og fordeling av de ioniske artene i karbonatsystemet i de respektive dypene av eufotiske soner 3,4. Dybden påvirker markant den romlige fordelingen av mikrobielle matter. Mikrobielle samfunn må takle de negative effektene av høy bestråling og uttalt sesongmessige temperaturvariasjoner i grunne dyp og med lavere lysintensitet på større dybder. I tillegg til dybdegradienten genererer dynamiske trofiske interaksjoner flere og komplekse romlige mønstre på forskjellige skalaer5. Dette komplekse systemet er komplisert å simulere i laboratoriet. Den mest nøyaktige måten å utlede den metabolske aktiviteten til individuelle primærprodusenter fra littorale soner er å sette opp in situ-eksperimenter.
Metodikken som introduseres i denne artikkelen er basert på den tradisjonelle kammermetoden 2,6,7, sammen med en transportabel lavpris flytende lekter som er enkel å bygge. Dette gjør det mulig å måle primærproduktivitet på forskjellige dybder under det naturlige lysspekteret, temperaturen og forskjellig fordeling av de ioniske artene i karbonatsystemet med dybden. Metoden er basert på prinsippet om lys versus mørk flaske oksygen, som først ble brukt til å måle fytoplankton fotosyntese 6 og fortsatt er vanlig brukt 6,7. Den sammenligner hastigheten på endring i oksygen i flasker som holdes i lyset (som inkluderer effekten av primærproduktivitet og respirasjon) med de som holdes i mørket (kun respirasjon)8. Metoden bruker oksygenutvikling (fotosyntese) som en proxy for primærproduktivitet. De målte variablene er netto økosystemproduktivitet (NEP, som endring i O2-konsentrasjon over tid under lysforhold) og respirasjon av økosystemer (RE, som endring iO2-konsentrasjon over tid i mørket). Brutto økosystemproduktivitet (GEP) er beregningen av forskjellen mellom de to (tabell 1). Begrepet “økosystem” brukes her for å betegne at periphyton består av autotrofe og heterotrofe organismer. Den viktigste forbedringen av denne tradisjonelle kammermetoden er bruk av ikke-invasive oksygenoptiske sensorer og optimalisering av denne primært planktoniske metoden for måling av perifytisk primærproduktivitet.
Teknikken er beskrevet i eksemplet med å måle mikrobielle matter i kystsonen i nyoppståtte innsjøer etter gruvedrift i Tsjekkia-Milada, Most og Medar. Den metabolske aktiviteten til mikrobielle matter bestemmes ved hjelp av direkte in situ-måling av O 2-flukser utført direkte på bestemte dybder, hvor de studerte samfunnene naturlig forekommer. Heterotrofisk og fototrofisk aktivitet måles i lukkede glassflasker utstyrt med ikke-invasive optiske oksygensensorer. Disse sensorene oppdager partialtrykket av oksygen ved hjelp av fluorescens av lysfølsomme fargestoffer. Flaskene med mikrobielle matter suspenderes og inkuberes på en flytende enhet på passende dybder. Oksygenkonsentrasjonen inne i flaskene ble kontinuerlig målt i dagslysperioden fra småbåten.
Prøver av intakte mikrobielle matter samles inn og plasseres i gasstette inkubasjonsflasker på angitte dyp av dykkere. Hver flaske er utstyrt med en ikke-invasiv optisk oksygenmikrosensor, som overvåker O2 produktivitet / forbruk over tid. Alle målinger gjøres i fem replikerende mørke / lyse par i hver dybde. Temperaturen og fotosyntetisk aktiv stråling (PHAR) intensiteter måles på respektive dyp gjennom inkubasjonen. Etter 6 timers in situ inkubasjon (dagslys), høstes de mikrobielle mattene fra flaskene og tørkes. O2 flukser normaliseres til mikrobiell biomasse. Som en kontroll korrigeres flukser for endringer i O2-konsentrasjonen i separate lyse og mørke gasstette flasker (blanke kontroller) som inneholder innsjøvann uten mikrobiell mattebiomasse. Nedenfor er detaljerte instruksjoner for å bygge den flytende lekteren og utføre hele eksperimentet trinn for trinn. Denne artikkelen presenterer også representative resultater fra målinger av mikrobielle matter på to dyp (1 m og 2 m), med fem replikasjoner på hver dybde. Faktisk temperatur og lysintensitet ble målt under hele eksperimentet ved hjelp av dataloggere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metodikken beskrevet i denne artikkelen er basert på prinsippet om lys og mørk flaske oksygenteknikk i kombinasjon med den ikke-invasive teknikken for å måle O2-konsentrasjon ved hjelp av optiske oksygensensorer. Dette systemet tillater parallell måling av forskjellige inkubasjonsinnstillinger, da den optiske fiberen for måling av O2 kan flyttes raskt fra flaske til flaske. Bunnsamfunnene fra forskjellige dybder kan variere i taksonomisk sammensetning og produktivitet; Samtidig måling av dem …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av den tsjekkiske Science Foundation (GACR 19-05791S), RVO 67985939, og av CAS innenfor programmet til Strategi AV 21, Land save and recovery. Mange takk til Ondřej Sihelský for å ta bildene i feltet – uten ham ville filmingen vært fullstendig helvete. Prosjektet ville ikke vært mulig uten tett samarbeid med selskaper, Palivový Kombinát Ústí s.p. og Sokolovská Uhelná, som ga tilgang til de studerte lokalitetene.
Materials
| 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., Sala, O. E., Jackson, R. B., Mooney, H. A., Howarth, R. W. The Measurement of primary production in aquatic ecosystems. Methods in Ecosystem Science. , 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., Fahey, T. J., Knapp, A. K. Measuring Freshwater Primary Productivity and Respiration. Principles and Standards for Measuring Primary Productivity. , (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).
