Overview
Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University
Utilizzando la senape, le popolazioni di lombrichi Lumbricus terrestris possono essere campionate direttamente dalle profondità del suolo senza disturbi o tossicità del paesaggio. I lombrichi possono quindi essere contati per i dati e l'analisi statistica utilizzando un grafico a barre e il t-test dello studente.
Il monitoraggio delle popolazioni di lombrichi è una tecnica vitale per gli scienziati ambientali, poiché più specie di lombrichi (in particolare quelle del sottordine Lumbricina) si sono diffuse in modo invasivo in tutto il Nord America e il Sud America. I lombrichi esotici possono essere trovati su quasi tutte le masse terrestri e in quasi tutti gli ecosistemi del pianeta, e dove e quando queste specie diventano invasive è stato al centro della ricerca ambientale internazionale. 1
L'invasione ecologica in genere riduce la biodiversità di un ecosistema superando direttamente la compensazione, mettendo in pericolo o contribuendo in altro modo all'estirpazione delle specie autoctone. Come ingegneri dell'ecosistema, le specie invasive di lombrichi alterano il ciclo dei nutrienti attraverso i tassi di decomposizione della materia organica sugli orizzonti superiori del suolo, dove le radici delle piante estraggono sostanze nutritive. Le specie invasive di Lumbricus hanno sia estirpato specie di lombrichi nativi che hanno dimostrato di aumentare la concentrazione di azoto disponibile e i tassi di azoto nei terreni invasi. 2 In un ciclo di feedback positivo, i livelli accelerati di azoto a loro volta rendono il sistema più ospitale per le specie vegetali invasive che sono adattate ad alti livelli di azoto rispetto alle specie vegetali autoctone e supereranno i nativi in un fenomeno noto come "fusione dell'invasione". È stata proposta una relazione di fusione dell'invasione per la specie invasiva di lombrichi Lumbricus terrestris (lombrico europeo) e una specie vegetale invasiva Rhamnus cathartica (olivello spinoso europeo). 3
Principles
Una soluzione viene preparata estraendo la capsaicina dalla senape piccante e quindi versata direttamente sul terreno all'interno di un quadrato di campionamento sul terreno per campionare da ciascun sito di raccolta. I siti di raccolta sono determinati al fine di confrontare tre campioni casuali da un'area che è stata invasa dall'olivello spinoso europeo con tre campioni casuali da un'area non invasa. Una volta versata direttamente sul terreno, la soluzione di senape può penetrare attraverso la matrice del suolo fino a dove risiedono i lombrichi. La capsaicina nella senape provoca irritazione alle mucose. I corpi di lombrichi esposti alla soluzione di senape reagiscono all'irritazione della capsaicina allontanandosi dalla soluzione di senape e arrivando sulla superficie del terreno per esporsi all'ossigeno, riducendo così l'irritazione. Dopo la emersizione, i lombrichi possono essere raccolti e la densità di popolazione analizzata per le relazioni con l'olivello spinoso europeo. I mezzi di popolazione di ciascun sito di raccolta vengono confrontati con un grafico a barre per determinare se le aree con altre specie invasive hanno più lombrichi, supportando così la presenza di fusione dell'invasione. Il T-test di uno studente viene utilizzato per determinare se i due siti sono significativamente diversi abbastanza da supportare l'ipotesi di fusione invasionele proposta tra il lombrico europeo e l'olivello spinoso europeo.
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Procedure
1. Preparazione della soluzione concentrata di senape
- Accendi la bilancia, posiziona una barca pesata sopra e azzera la bilancia.
- Pesare 38,1 g di senape orientale macinata in una barca di pesatura e trasferirla in un contenitore di plastica con tappo.
- Misurare 100 ml di acqua del rubinetto in un cilindro graduato e aggiungere al contenitore di plastica con senape.
- Fissare il tappo sul contenitore e agitare vigorosamente fino a quando tutta la senape viene mescolata dal fondo del contenitore di plastica e sciolta nell'acqua del rubinetto.
- Lasciare riposare la soluzione per 24 ore per la massima estrazione di capsaicina dalla senape.
- Riempire due portatori d'acqua da 8 L a metà strada con acqua del rubinetto (circa 4 L di acqua in ciascun vettore).
- Agitare il concentrato di senape più volte per mescolare, quindi trasferire la soluzione concentrata di senape al supporto idrico.
- Trasferire una piccola quantità di soluzione dal supporto idrico nel contenitore del concentrato e agitare vigorosamente. Versare nuovamente nel supporto idrico per trasferire tutto il concentrato nella soluzione diluita.
- Sigillare il tappo portante dell'acqua, assicurarsi che la valvola del tappo sia in posizione "OFF" e invertire il portabagno tre volte per miscelare uniformemente.
2. Estrazione dei lombrichi
- Etichettare tre tazze di esempio per ogni sito di raccolta.
- Procedere al sito di campionamento con un quadrato, tazze di campionamento etichettate con coperchi e un portabagno con soluzione di senape diluita.
- Nel sito di campionamento, eliminare il più possibile la spazzola, le foglie o il pacciame per esporre chiaramente il terreno.
- Posiziona quadrat casualmente a terra in un punto liberato.
- Invertire un portatore d'acqua altre tre volte per mescolare.
- Ruotare la valvola del tappo del portatore d'acqua in posizione "ON" e versare circa un terzo (1,3 L) della soluzione di senape diluita all'interno del quadrato, concentrandosi sul centro dell'area quadrata. Se il terreno diventa saturo e la soluzione si accumula, smettere di versare e attendere che la soluzione in pool si infiltri nel terreno prima di continuare a versare.
- Osserva attentamente l'area quadrata per l'aspetto del lombrico per cinque minuti, compresa l'area direttamente sotto i lati del quadrato.
- Usa la pinza per raccogliere tutti i lombrichi che appaiono nell'area quadrata aspettando che i vermi emergano completamente dal terreno prima di trasferirli nella prima tazza campione. Dopo cinque minuti, coperchio della tazza del campione e procedere al successivo sito di campionamento.
- Ripetere i passaggi di raccolta per tutti i siti di campionamento, con tre repliche per sito di raccolta (6 repliche in totale)
3. Confronto della densità della popolazione di lombrichi tra i siti di raccolta
- Contare il numero di lombrichi raccolti per ogni campione e calcolare la deviazione media e standard per ogni sito di raccolta.
- Per confrontare le densità dei lombrichi tra i siti di raccolta, creare un grafico a barre dai mezzi e utilizzare le deviazioni standard per creare barre di errore sul grafico.
Il monitoraggio delle popolazioni di lombrichi è vitale per gli scienziati ambientali, poiché i lombrichi esotici invasivi possono essere trovati in quasi tutti gli ecosistemi del pianeta. L'invasione ecologica in genere riduce la biodiversità di un ecosistema superando direttamente la compensazione, mettendo in pericolo o contribuendo all'estirpazione, o all'estinzione locale, delle specie autoctone.
La specie Lumbricus terrestris di lombrico europeo, chiamata anche nightcrawler, è estremamente comune in Nord America, ma non è nativa. Di conseguenza, ha notevolmente estirpato le specie di lombrichi nativi. Lumbricus terrestris altera il ciclo dei nutrienti attraverso la decomposizione della materia organica negli strati superiori del suolo, dove le radici delle piante estraggono i nutrienti, cambiando così la struttura dello strato del suolo. Inoltre, lo strato di detriti organici, contenente gran parte del materiale in decomposizione che fornisce sostanze nutritive, è completamente perso.
Questi vermi invasivi aumentano anche la concentrazione di azoto disponibile nei terreni invasi. A loro volta, i mutevoli strati del suolo e gli alti livelli di azoto rendono il terreno più ospitale per le specie vegetali invasive, come l'olivello spinoso europeo, che sono più adatte ad alti livelli di azoto rispetto alle specie vegetali autoctone. Questo fenomeno è noto come "fusione invasionele".
Il tracollo invasionele derivante dall'invasione del lombrico europeo e delle piante esotiche come l'olivello spinoso europeo è di fondamentale importanza perché sta diminuendo drasticamente la diversità della vita vegetale forestale in Nord America.
Questo video dimostrerà il monitoraggio dei lombrichi europei in varie aree del parco al fine di valutare la loro vulnerabilità all'invasione dell'olivello spinoso.
Per determinare le popolazioni di lombrichi nelle aree invase, i vermi vengono estratti direttamente dal suolo utilizzando una soluzione di capsaicina.
In questo esperimento, la capsaicina viene estratta dalla senape piccante e versata direttamente sul terreno in un'area definita da un quadrato pre-dimensionato, o quadrato. Quindi penetra attraverso la matrice del suolo fino a dove risiedono i lombrichi.
La soluzione di capsaicina provoca irritazione alle mucose del lombrico. I lombrichi reagiscono all'irritazione spostandosi sulla superficie del suolo per sfuggire alla soluzione di capsaicina. Dopo la superficie, i lombrichi vengono raccolti e la densità di popolazione analizzata.
Il seguente esperimento dimostrerà l'estrazione dei lombrichi dal suolo e la loro analisi della popolazione.
In primo luogo, preparare la soluzione di capsaicina con almeno 24 ore di anticipo pesando 38 g di senape calda orientale macinata e trasferendola in un contenitore di plastica con un tappo. Aggiungere 100 ml di acqua di rubinetto al contenitore di plastica contenente senape. Fissare un tappo sul contenitore e agitare vigorosamente fino a quando tutta la senape non si scioglie nell'acqua.
Lasciare riposare la soluzione per 24 ore per la massima estrazione di capsaicina dalla senape. Quando l'estrazione della capsaicina è completa, diluire la soluzione di senape con 4 L di acqua in un portabagno da 8 L. Agitare la soluzione di senape più volte per mescolare e trasferirla nel supporto dell'acqua. Risciacquare l'eventuale senape residua utilizzando la soluzione diluita.
Sigillare il tappo portabagagli e assicurarsi che la valvola sia in posizione "OFF". Invertire il portante d'acqua tre volte per mescolare uniformemente. Preparare un contenitore di soluzione di capsaicina per ogni sito di test.
Procedere al sito di campionamento con un quadrato e il supporto d'acqua contenente la soluzione di senape diluita. Porta anche tre tazze di campionamento per sito. Dovrebbero essere etichettati in modo appropriato per tre repliche per sito di campionamento.
Posiziona il quadrato in modo casuale a terra in un punto liberato. Eliminare il più possibile la spazzola, le foglie e il pacciame per esporre chiaramente il terreno. Mescolare nuovamente la soluzione diluita, quindi spostare la valvola a cappuccio in posizione ON.
Versare circa un terzo della soluzione di senape diluita all'interno del quadrato, concentrando la maggior parte del liquido al centro dell'area quadrata. Se il terreno diventa saturo e forma piscine, smettere di versare e attendere che la soluzione in pool si infiltri nel terreno prima di continuare.
Osserva attentamente l'area quadrata per 5 minuti, cercando l'aspetto del lombrico. Assicurati di guardare direttamente sotto i lati del quadrato.
Attendi che tutti i lombrichi emergano dal terreno all'interno dell'area quadrata, quindi raccoglili con una pinza. Dopo 5 minuti, chiudere la tazza del campione e procedere al sito di campionamento successivo.
Ripetere i passaggi di raccolta per tutti i siti di campionamento. Tornare a ogni sito ed eseguire 3 repliche per sito. Contare il numero di lombrichi raccolti per ogni campione e quindi calcolare la deviazione media e standard per ogni sito di raccolta.
Creare un grafico a barre per confrontare le densità medie della popolazione di lombrichi tra i siti di raccolta. Utilizzare la deviazione standard per creare le barre di errore. Il sito uno è un parco gestito, ed è quindi più ospitale per le popolazioni di lombrichi a causa di disturbi come l'aerazione e i fertilizzanti. Il secondo sito non è gestito ed è quindi meno ospitale per le popolazioni di lombrichi.
Lombrichi esotici e olivello spinoso europeo sono stati implicati come parte di un "crollo invasionele" che si sta verificando, specialmente negli Stati Uniti centro-occidentali. Il monitoraggio delle popolazioni di lombrichi può aiutare a chiarire le relazioni tra le due specie di invasione e consentire ai ricercatori di sviluppare metodi per prevenire un'ulteriore diffusione.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'estrazione e all'analisi delle popolazioni di lombrichi. Ora dovresti capire i principi dell'estrazione dei lombrichi dal suolo e il confronto tra i siti di campionamento. Grazie per l'attenzione!
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Results
Il sito di campionamento 1 era un parco gestito, che vede disturbi significativi come l'aerazione e i fertilizzanti. Il sito di campionamento 2 era un'area non gestita, che non vede interferenze umane. Come mostrato nella Figura 1,il sito 1 ha una maggiore densità di popolazioni di lombrichi, probabilmente a causa della maggiore ospitabilità dovuta ai disturbi umani. Tuttavia, il sito 1 ha anche una maggiore variabilità di campionamento, indicando che la popolazione di lombrichi potrebbe non essere così densa come suggerisce la media.
Figura 1. Grafico a barre che mostra i risultati della popolazione di ogni sito di raccolta.
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Applications and Summary
Le specie invasive sono una grave minaccia per la biodiversità. I lombrichi esotici (ad esempio: Lumbricus terrestris)e l'olivello spinoso europeo (Rhamnus cathartica) sono stati implicati come parte di una "fusione invasionele" che si verifica nelle comunità boschive degli Stati Uniti centro-occidentali. Un meltdown invasionele è il processo in cui un'invasione di una specie facilita l'invasione di altre. Pertanto, il tasso di perdita di salute ecologica può accelerare notevolmente man mano che una specie invasiva lascia il posto a quelle aggiuntive. Poiché le popolazioni indesiderate di Rhamnus rappresentano attualmente oltre il 90% della copertura vegetativa in Illinois, il ruolo delle popolazioni Lumbricus nella gestione del paesaggio è diventato fondamentale per comprendere e prevedere l'invasione di Rhamnus su terreni gestiti. Il disturbo del paesaggio tende a facilitare l'invasione di Lumbricus e il campionamento per le popolazioni Lumbricus può essere un indicatore di vulnerabilità delle aree terrestri alla probabile invasione. Il confronto di campioni di popolazioni di Lumbricus può aiutare la gestione del territorio a sapere dove sono necessari metodi più intensivi per mantenere la diversità vegetale prevista e prevenire l'invasione di Rhamnus.
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References
- Belote, R.T., Jones, R.H. Tree leaf litter composition and nonnative earthworms influence plant invasion in experimental forest floor mesocosms. Biological Invasions. 11, 1045-1052 (2009).
- Costello, D.M., Lamberti, G.A. Non-native earthworms in riparian soils increase nitrogen flux into adjacent aquatic ecosystems. Oecologia. 158, 499-510 (2008).
- Nuzzo, V.A., Maerz, J.C., Blossey, B. Earthworm invasion as the driving force behind plant invasion and community change in northeastern north American forests. Conserve Biol.23, 4. 966-974 (2009).
