Lentik Suların Perifiton Topluluklarının In Situ Birincil Verimliliğini Ölçmenin Düşük Maliyetli Bir Yöntemi
Summary
Burada, gerçek in situ ortam sıcaklığı ve ışık koşulları altında mikrobiyal paspasların birincil verimliliğini ölçmek için uygun maliyetli ve taşınabilir bir yöntem / tesis sunulmaktadır. Deney düzeneği, yaygın olarak bulunan malzemelere dayanmaktadır ve laboratuvar tabanlı modellerin avantajlarını sunarken çeşitli koşullar altında kullanılabilir.
Abstract
Büyüme mevsimi gradyanı sırasında perifitonun in situ birincil verimliliğinin ölçülmesi, çevresel faktörlerin (esas olarak fosfor konsantrasyonu ve ışık yoğunluğu) ve tür kompozisyonunun birincil verimlilik üzerindeki nicel etkisini açıklığa kavuşturabilir. Birincil üretkenlik esas olarak ışık yoğunluğu, sıcaklık, besin maddelerinin mevcudiyeti ve karbonat sisteminin iyonik türlerinin öfotik bölgenin ilgili derinliklerindeki dağılımından kaynaklanmaktadır. Laboratuvarda simüle edilmesi çok zor olan karmaşık bir sistemdir. Bu ucuz, taşınabilir ve yapımı kolay yüzer mavna, birincil üretkenliğin gerçek doğal koşullar altında doğrudan doğru bir şekilde ölçülmesini sağlar. Metodoloji, sıkıca kapatılmış cam kavanozlara entegre edilmiş invaziv olmayan oksijen sensörlerini kullanarak birincil üretkenliği gerçek zamanlı olarak ölçmeye dayanır, böylece çevrimiçi oksijen akısı izlemeyi mümkün kılar ve metabolik faaliyetler hakkında yeni bilgiler sağlar. Mikrobiyal paspasların (veya diğer bentik organizmaların) brüt birincil verimliliğinin ayrıntılı mevsimsel in situ ölçümleri, merceksi sularda birincil verimlilik dinamiklerini kontrol eden süreçler hakkındaki mevcut bilgileri artırabilir.
Introduction
Birincil verimlilik, otokton karbonun tüm sistem gıda ağını oluşturan su sistemlerine tek girişidir1. Bu nedenle, birincil verimliliğin doğru bir şekilde tahmin edilmesi, sucul ekosistemlerin işleyişini anlamaya yönelik önemli bir adımdır. Littoral bölgeler, yüksek birincil verimlilik ve biyolojik çeşitlilik alanlarıdır. Fitoplanktona ek olarak, perifitonun (bundan böyle mikrobiyal paspaslar olarak anılacaktır) ve makroalglerin, kıyı bölgelerinde birincil üretkenliğe önemli ölçüde katkıda bulunduğu varsayılmaktadır2. Sapsız yaşam tarzları ve önemli mekansal heterojenlikleri nedeniyle, birincil üretkenliğin nicelleştirilmesi önemsiz değildir.
Birincil üretkenlik esas olarak ışık yoğunluğu, sıcaklık, besin maddelerinin mevcudiyeti ve karbonat sisteminin iyonik türlerinin öfotik bölgelerin ilgili derinliklerinde dağılımı tarafından yönlendirilir 3,4. Derinlik, mikrobiyal paspasların mekansal dağılımını belirgin şekilde etkiler. Mikrobiyal topluluklar, yüksek ışınlamanın olumsuz etkileri ve sığ derinliklerde belirgin mevsimsel sıcaklık değişimleri ve daha büyük derinliklerde daha düşük ışık yoğunluğu ile başa çıkmalıdır. Derinlik gradyanına ek olarak, dinamik trofik etkileşimler farklı ölçeklerde çoklu ve karmaşık uzamsal desenler üretir5. Bu karmaşık sistemin laboratuvarda simüle edilmesi karmaşıktır. Bireysel birincil üreticilerin metabolik aktivitesini littoral bölgelerden çıkarmanın en doğru yolu, yerinde deneyler yapmaktır.
Bu yazıda tanıtılan metodoloji, geleneksel oda yöntemi 2,6,7’ye, taşınabilir ve yapımı kolay düşük maliyetli yüzer bir mavna ile birlikte dayanmaktadır. Bu, doğal ışık spektrumu, sıcaklık ve karbonat sisteminin iyonik türlerinin derinlik ile farklı dağılımı altında farklı derinliklerde birincil verimliliğin ölçülmesini sağlar. Yöntem, ilk olarak fitoplankton fotosentezini ölçmek için kullanılan ve hala yaygın olarak kullanılan 6,7 olan açık ve koyu şişe oksijeniilkesine dayanmaktadır. Işıkta tutulan şişelerdeki oksijen değişim oranını (birincil üretkenlik ve solunumun etkilerini içerir) karanlıkta tutulanlarla (yalnızca solunum)8 karşılaştırır. Yöntem, birincil üretkenlik için bir vekil olarak oksijen evrimini (fotosentez) kullanır. Ölçülen değişkenler net ekosistem üretkenliği (NEP, ışık koşullarında zaman içinde O2 konsantrasyonunda bir değişiklik olarak) ve ekosistem solunumudur (RE, karanlıkta zaman içindeO2 konsantrasyonunda bir değişiklik olarak). Brüt ekosistem verimliliği (GEP), ikisi arasındaki farkın hesaplanmasıdır (Tablo 1). Burada “ekosistem” terimi, perifitonun ototrofik ve heterotrofik organizmalardan oluştuğunu belirtmek için kullanılır. Bu geleneksel oda yönteminin en önemli gelişimi, invaziv olmayan oksijen optik sensörlerinin kullanılması ve perifitik birincil üretkenliğin ölçülmesi için bu öncelikle planktonik yöntemin optimizasyonudur.
Bu teknik, Çek Cumhuriyeti-Milada, Most ve Medar’da yeni ortaya çıkan madencilik sonrası göllerin kıyı bölgesindeki mikrobiyal paspasların ölçülmesi örneğinde açıklanmaktadır. Mikrobiyal paspasların metabolik aktivitesi, incelenen toplulukların doğal olarak meydana geldiği belirli derinliklerde doğrudan gerçekleştirilenO2 akılarının doğrudan yerinde ölçümü kullanılarak belirlenir. Heterotrofik ve fototrofik aktivite, invaziv olmayan optik oksijen sensörleri ile donatılmış kapalı cam şişelerde ölçülür. Bu sensörler, ışığa duyarlı boyaların floresansını kullanarak kısmi oksijen basıncını algılar. Mikrobiyal paspaslı şişeler askıya alınır ve uygun derinliklerde yüzen bir cihazda inkübe edilir. Şişelerin içindeki oksijen konsantrasyonu, küçük tekneden gün ışığı periyodu boyunca sürekli olarak ölçüldü.
Bozulmamış mikrobiyal paspas örnekleri toplanır ve tüplü dalgıçlar tarafından belirlenen derinliklerde gaz geçirmez inkübasyon şişelerine yerleştirilir. Her şişe, zaman içindeO2 üretkenliğini / tüketimini izleyen invaziv olmayan bir optik oksijen mikrosensörü ile donatılmıştır. Tüm ölçümler, her derinlikte beş kopya karanlık / ışık çifti halinde yapılır. Sıcaklık ve fotosentetik olarak aktif radyasyon (PHAR) yoğunlukları, inkübasyon boyunca ilgili derinliklerde ölçülür. 6 saatlik in situ inkübasyondan sonra (gündüz saatleri), mikrobiyal paspaslar şişelerden toplanır ve kurutulur. O2 akıları mikrobiyal biyokütleye normalleştirilir. Bir kontrol olarak, mikrobiyal mat biyokütlesi olmadan göl suyu içeren ayrı açık ve koyu gaz geçirmez şişelerde (boş kontroller) O2 konsantrasyonundaki değişiklikler için akışlar düzeltilir. Aşağıda, yüzen mavnayı inşa etmek ve tüm deneyi adım adım gerçekleştirmek için ayrıntılı talimatlar verilmiştir. Bu makale aynı zamanda iki derinlikte (1 m ve 2 m) mikrobiyal paspasların ölçümlerinden elde edilen temsili sonuçları ve her derinlikte beş kopya sunmaktadır. Gerçek sıcaklık ve ışık yoğunluğu, dataloggerlar kullanılarak tüm deney boyunca ölçüldü.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede açıklanan metodoloji, optik oksijen sensörleri kullanılarakO2 konsantrasyonunu ölçmenin noninvaziv tekniği ile birlikte açık ve koyu şişe oksijen tekniğinin prensibine dayanmaktadır. Bu sistem,O2’yi ölçmek için optik fiber şişeden şişeye hızlı bir şekilde taşınabildiğinden, farklı inkübasyon ayarlarının paralel olarak ölçülmesini sağlar. Çeşitli derinliklerden gelen bentik topluluklar taksonomik kompozisyon ve üretkenlikte farklılık gösterebilir; a…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çek Bilim Vakfı (GACR 19-05791S), RVO 67985939 ve CAS tarafından Strateji AV 21, Arazi tasarrufu ve kurtarma programı kapsamında desteklenmiştir. Ondřej Sihelský’ye sahada çekim yaptığı için çok teşekkürler – o olmasaydı, çekimler tam bir cehennem olurdu. Proje, incelenen bölgelere erişim sağlayan Palivový Kombinát Ústí s.p. ve Sokolovská Uhelná şirketleriyle sıkı işbirliği olmadan mümkün olmazdı.
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 |
Referências
- 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).
