Een goedkope methode voor het meten van de in situ primaire productiviteit van periphytongemeenschappen van lentische wateren
Summary
Hier wordt een kosteneffectieve en transporteerbare methode /faciliteit gepresenteerd voor het meten van de primaire productiviteit van microbiële matten onder werkelijke in situ omgevingstemperatuur en lichtomstandigheden. De experimentele opstelling is gebaseerd op algemeen beschikbare materialen en kan onder verschillende omstandigheden worden gebruikt en biedt de voordelen van laboratoriummodellen.
Abstract
Het meten van de in situ primaire productiviteit van periphyton tijdens de gradiënt van het groeiseizoen kan het kwantitatieve effect van omgevingsfactoren (voornamelijk fosforconcentratie en lichtintensiteit) en soortensamenstelling op primaire productiviteit ophelderen. Primaire productiviteit wordt voornamelijk gedreven door lichtintensiteit, temperatuur, beschikbaarheid van voedingsstoffen en verspreiding van de ionische soorten van het carbonaatsysteem in de respectieve diepten van de eufotische zone. Het is een complex systeem dat zeer moeilijk te simuleren is in het laboratorium. Dit goedkope, transporteerbare en eenvoudig te bouwen drijvende binnenschip maakt het mogelijk om de primaire productiviteit nauwkeurig te meten – direct onder de werkelijke natuurlijke omstandigheden. De methodologie is gebaseerd op het meten van de primaire productiviteit in realtime met behulp van niet-invasieve zuurstofsensoren die zijn geïntegreerd in goed afgesloten glazen potten, waardoor online zuurstoffluxmonitoring mogelijk is en nieuwe inzichten in metabole activiteiten worden geboden. Gedetailleerde seizoensgebonden in situ metingen van de bruto primaire productiviteit van microbiële matten (of andere benthische organismen) kunnen de huidige kennis van de processen die de primaire productiviteitsdynamiek in lenige wateren beheersen, verbeteren.
Introduction
Primaire productiviteit is de enige binnenkomst van autochtone koolstof in de aquatische systemen die het hele systeemvoedselweb vormen1. Daarom is de nauwkeurige schatting van de primaire productiviteit een essentiële stap in de richting van het begrijpen van het functioneren van aquatische ecosystemen. Kustzones zijn gebieden met een hoge primaire productiviteit en biodiversiteit. Naast fytoplankton wordt aangenomen dat periphyton (hierna microbiële matten genoemd) en macroalgen significant bijdragen aan de primaire productiviteit in kustzones2. Vanwege hun sessiele levensstijl en aanzienlijke ruimtelijke heterogeniteit is kwantificering van primaire productiviteit niet triviaal.
De primaire productiviteit wordt voornamelijk bepaald door de lichtintensiteit, temperatuur, beschikbaarheid van voedingsstoffen en de verspreiding van de ionische soorten van het carbonaatsysteem in de respectieve diepten van eufotische zones 3,4. De diepte heeft een duidelijke invloed op de ruimtelijke verdeling van microbiële matten. Microbiële gemeenschappen moeten omgaan met de nadelige effecten van hoge bestraling en uitgesproken seizoensgebonden temperatuurschommelingen in ondiepe diepten en met een lagere lichtintensiteit op grotere diepten. Naast de dieptegradiënt genereren dynamische trofische interacties meerdere en complexe ruimtelijke patronen op verschillende schalen5. Dit complexe systeem is ingewikkeld te simuleren in het laboratorium. De meest nauwkeurige manier om de metabole activiteit van individuele primaire producenten uit kustzones af te leiden, is door in situ experimenten op te zetten.
De methodologie die in dit artikel wordt geïntroduceerd, is gebaseerd op de traditionele kamermethode 2,6,7, samen met een transporteerbaar en gemakkelijk te bouwen goedkoop drijvend binnenschip. Dit maakt het mogelijk om de primaire productiviteit op verschillende diepten onder het natuurlijke lichtspectrum, de temperatuur en de verschillende verdeling van de ionische soorten van het carbonaatsysteem met de diepte te meten. De methode is gebaseerd op het principe van lichte versus donkere fleszuurstof, dat voor het eerst werd gebruikt om fytoplanktonfotosynthesete meten 6 en nog steeds vaak wordt gebruikt 6,7. Het vergelijkt de snelheid van verandering in zuurstof in flessen die in het licht worden gehouden (inclusief de effecten van primaire productiviteit en ademhaling) met die in het donker (alleen ademhaling)8. De methode gebruikt zuurstofevolutie (fotosynthese) als proxy voor primaire productiviteit. De gemeten variabelen zijn de netto ecosysteemproductiviteit (NEP, als een verandering in O2-concentratie in de loop van de tijd in lichtomstandigheden) en ecosysteemademhaling (RE, als een verandering in O2-concentratie in de loop van de tijd in het donker). De bruto ecosysteemproductiviteit (GEP) is de berekening van het verschil tussen beide (tabel 1). De term “ecosysteem” wordt hier gebruikt om aan te geven dat het periphyton bestaat uit autotrofe en heterotrofe organismen. De belangrijkste verbetering van deze traditionele kamermethode is het gebruik van niet-invasieve optische zuurstofsensoren en optimalisatie van deze voornamelijk planktonmethode voor het meten van perifytische primaire productiviteit.
De techniek wordt beschreven in het voorbeeld van het meten van microbiële matten in de kustzone van nieuw ontstane post-mijnbouwmeren in Tsjechië-Milada, Most en Medar. De metabole activiteit van microbiële matten wordt bepaald met behulp van directe in situ meting van O2-fluxen die direct op specifieke diepten worden uitgevoerd, waar de bestudeerde gemeenschappen van nature voorkomen. Heterotrofe en fototrofe activiteit wordt gemeten in gesloten glazen flessen uitgerust met niet-invasieve optische zuurstofsensoren. Deze sensoren detecteren de partiële druk van zuurstof met behulp van de fluorescentie van lichtgevoelige kleurstoffen. De flessen met microbiële matten worden opgehangen en geïncubeerd op een drijvend apparaat op de juiste diepten. De zuurstofconcentratie in de flessen werd continu gemeten tijdens de daglichtperiode vanaf de kleine boot.
Monsters van intacte microbiële matten worden verzameld en in gasdichte incubatieflessen op aangewezen diepten geplaatst door duikers. Elke fles is uitgerust met een niet-invasieve optische zuurstofmicrosensor, die de O2-productiviteit / -verbruik in de loop van de tijd bewaakt. Alle metingen worden uitgevoerd in vijf replicar donker/licht paren in elke diepte. De temperatuur en fotosynthetisch actieve stralingsintensiteiten (PHAR) worden gemeten op respectievelijke diepten gedurende de incubatie. Na 6 uur in situ incubatie (daglichturen) worden de microbiële matten uit de flessen geoogst en gedroogd. O2 fluxen worden genormaliseerd tot microbiële biomassa. Als controle worden fluxen gecorrigeerd voor veranderingen in O2-concentratie in afzonderlijke lichte en donkere gasdichte flessen (blanco controles) die meerwater bevatten zonder microbiële matbiomassa. Hieronder vindt u gedetailleerde instructies voor het bouwen van het drijvende schip en het uitvoeren van het hele experiment stap voor stap. Dit artikel presenteert ook representatieve resultaten van de metingen van microbiële matten op twee diepten (1 m en 2 m), met vijf replicaties op elke diepte. De werkelijke temperatuur en lichtintensiteit werden tijdens het hele experiment gemeten met behulp van dataloggers.
Protocol
Representative Results
Discussion
De methodologie die in dit artikel wordt beschreven, is gebaseerd op het principe van de lichte en donkere fleszuurstoftechniek in combinatie met de niet-invasieve techniek om de O2-concentratie te meten met behulp van optische zuurstofsensoren. Dit systeem maakt de parallelle meting van verschillende incubatie-instellingen mogelijk, omdat de optische vezel voor het meten van O2 snel van fles naar fles kan worden verplaatst. De benthische gemeenschappen uit verschillende diepten kunnen verschillen i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door de Czech Science Foundation (GACR 19-05791S), RVO 67985939, en door de CAS binnen het programma van de Strategy AV 21, Land save and recovery. Veel dank aan Ondřej Sihelský voor het maken van de foto’s in het veld – zonder hem zou het filmen een complete hel zijn geweest. Het project zou niet mogelijk zijn zonder nauwe samenwerking met bedrijven, Palivový Kombinát Ústí s.p. en Sokolovská Uhelná, die toegang boden tot de bestudeerde plaatsen.
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).
