Wij presenteren een eenvoudige en kosteneffectieve methode om te bouwen van een open-source-datalogger die het geleidingsvermogen van nonvascular cryptogamen samen met de omgevingstemperatuur en de luchtvochtigheid meet. Wij beschrijven het hardwareontwerp van de datalogger en bieden stapsgewijze montage-instructies, de lijst van vereiste logboekregistratie van de open-source software, de code voor het uitvoeren van de datalogger en een kalibratie-protocol.
Gemeenschappen nonvascular cryptogamen, zoals mossen of korstmossen, vormen een belangrijk onderdeel van de biodiversiteit van de aarde, bij te dragen tot de regulering van de koolstof en stikstof cycli in veel ecosystemen. Being poikilohydric organismen, ze niet actief controleren hun interne watergehalte en hebben behoefte aan een vochtige omgeving hun stofwisseling activeren. Bestuderen van water relaties nonvascular cryptogamen is daarom cruciaal om te begrijpen van zowel de patronen van hun diversiteit en hun functies in de ecosystemen. We presenteren de BtM datalogger, een goedkope open-sourceplatform voor de studie van het watergehalte van nonvascular cryptogamen. De datalogger is bedoeld voor het meten van temperatuur, vochtigheid en geleidbaarheid van maximaal acht monsters tegelijk. Wij bieden een ontwerp voor een Printplaat (PCB), een gedetailleerd protocol bij het monteren van de onderdelen, en de vereiste broncode. Dit alles maakt de vergadering van de datalogger BtM toegankelijk voor elke onderzoeksgroep, zelfs voor degenen zonder gespecialiseerde kennis. Daarom is het hier gepresenteerde ontwerp heeft de potentie om helpen populariseren van het gebruik van dit type apparaat onder ecologen en biologen veld.
Gemeenschappen nonvascular cryptogamen zijn een alomtegenwoordige en een vaak verwaarloosd onderdeel van terrestrische ecosystemen1. Ze zijn samengesteld uit een totaal van zeer verschillende kleine organismen waaronder bryophytes en korstmossen de uitstekende primaire producenten zijn. Deze twee groepen van organismen delen een fysiologische kenmerken die hen uniek maakt: poikilohydry, of de onmogelijkheid tot het actief besturen hun interne watergehalte. Dit heeft ingrijpende gevolgen voor hun fysiologische processen aangezien het metabolisme ophoudt wanneer de cellen zijn uitgedroogd in reactie op lage niveaus van vochtigheid en hervat wanneer het milieu vochtig weer is2. Dientengevolge, Vermijd nonvascular cryptogamen droogte in plaats van omgaan met het2, waarmee deze gemeenschappen om te overleven in een breed scala van omgevingen van warme en koude woestijnen naar de tropen3,4.
Bovendien, ze ook Toon van relatief eenvoudige structuren en hebben weinig voedingsstoffen eisen. Deze eigenschappen maken ze zeer gevoelig voor de beëindigingspremie voorwaarden. In feite, nonvascular cryptogamen vaak een niche ruimte bezetten dat is niet beschikbaar voor vaatplanten voor een groter formaat, vorming van ecosystemen in miniatuur die een belangrijk onderdeel van de diversiteit van de wereld vormen. Bryophytes en korstmossen alleen omvat bijna 40.000 soorten (ca. 20.000 bryophytes sensu lato5,6 en ca. 20.000 korstmossen7). Bovendien, hun bijdrage aan de biodiversiteit van de aarde is nog groter omdat hun gemeenschappen opvang voor een groot aantal schimmelsoorten bieden, waaronder een gevarieerde flora van free-living en Mycorrhiza schimmels, N-fixering cyanobacteriën groeien als epifyten , en een groot aantal micro-ongewervelde dieren, zoals beerdiertjes, collembola, duizendpoten, insecten en mijten die van de waterretentie capaciteit en gebufferde omstandigheden binnen deze miniatuur ecosystemen. profiteren
Gemeenschappen van niet-vasculaire cryptogamen ook bijdragen aan de regulering van de biogeochemische cycli van koolstof. In droge ecosystemen, de zogenaamde biologische bodem korsten tot 40% van hun oppervlakte8 dekken en spelen een belangrijke rol als koolstofputten. Een recente review geschat dat biologische bodem korsten van droge omgevingen kunnen de vaststelling van 7% van alle koolstof vast door terrestrische vegetatie. Bovendien, in andere ecosystemen waar bryophytes, korstmossen of een combinatie van beide zijn de primaire producenten – zoals sommige boreale bossen systemen of Venen – zij produceren tussen 30% en 100% van de totale netto primaire productiviteit10,11 . Ze zijn ook belangrijk in de ecosystemen waarin deze organismen niet dominant, zoals gematigde bossen zijn. Inderdaad, bos vloer bryophytes had een jaarlijkse CO2 opname equivalent van ongeveer 10% bos vloer ademhaling in een gematigde regenwouden van Nieuw-Zeeland. Verder, ze zijn ook belangrijk voor stikstofbinding, sinds de blauwalgen leven als epifyten in deze gemeenschappen kunnen worden fixering van bijna 50% van het totale bedrag van biologische stikstof4.
Als gevolg van de afhankelijkheid van hun fysiologische activiteit van de beschikbaarheid van water in de omgeving, zowel de diversiteit van nonvascular cryptogamen Gemeenschappen en hun functies in de ecosystemen zijn sterk afhankelijk van water inhoud2. Merk op dat, aangezien zij geen actief controle van het watergehalte in hun weefsels, hun rollen in de koolstofbalans en stikstofbinding zijn gekoppeld aan de hydratatie en uitdroging cycli en, daarom, afhankelijk van de interval en de periodiciteit van de droog-nat-cycli. Zo, te weten dat de inhoud watertoestand van deze organismen in real-time is de sleutel tot het begrijpen van de functies uitgevoerd door cryptogamen in de ecosystemen.
Ondanks het belang ervan, de ontwikkeling van methoden voor het meten van het water inhoud en fysiologische activiteit in poikilohydric organismen relatief traag is geweest. In 1991, Coxson12 maakte een eerste benadering voor het direct meten van het vochtgehalte van korstmossen. Na dat was er een gat in dit soort studie tot een recente ontwikkeling, wanneer verscheidene werken hebben verstrekt methoden tot de onderlinge aanpassing van de maatregelen van de fysiologische status van nonvascular cryptogamen13,14,15, 16. Echter deze kennis is nog steeds schaars en verspreid, en deze werken zijn meestal gericht op bodem korsten4,8. Echter, bryophytes en korstmossen ook in vele andere ecosystemen, vooral in de gematigde, boreale en polaire gebieden1, een relevante rol spelen en het belang ervan is belangrijk niet alleen in de bodem gemeenschappen maar ook voor epifytische gemeenschappen groeien op bomen en saxicolous gemeenschappen op rotsen. Dit gebrek aan onderzoek is gedeeltelijk gekoppeld aan het ontbreken van de meting van de verkrijgbare dataloggers, waardoor onderzoeksgroepen te bouwen hun eigen apparatuur. Ontwikkelen van een datalogger vereist specifieke kennis die niet over de meeste ecologen beschikt, zodat het aanzienlijk de kosten verhoogt van de uitvoering van de relatief grote meten netwerken die nodig zijn voor het verzamelen van representatieve gegevens over de prestaties van nonvascular Cryptogamen langs milieu en habitat verlopen.
In deze paper presenteren we een eenvoudige en kosteneffectieve methode om te bouwen van een datalogger staat voor het meten van de geleidbaarheid van nonvascular cryptogamic organismen gelijktijdig met de omgevingstemperatuur en vochtigheid. Het is geprogrammeerd om autonoom opnemen voor relatief langere tijd (maximaal twee maanden) en is robuust genoeg om te weerstaan harde buiten veldomstandigheden. Vanwege haar eenvoud zal het een nuttig instrument voor ecologen en biologen van de veld zonder gespecialiseerde opleiding in de ontwikkeling van dataloggers of die onderzoeksgroepen die gebrek aan gespecialiseerd personeel. Daarom heeft deze datalogger het potentieel om te helpen met het populariseren van het gebruik van dit type apparaat.
We ontwikkelden een spaarstand en goedkope datalogger staat voor het meten van de geleidbaarheid van maximaal acht verschillende bronnen en de omgevingstemperatuur en relatieve luchtvochtigheid tegelijk opnemen. Het apparaat is na Coxson van ontwerp12 ontworpen en geïmplementeerd op een open-sourceplatform (Tabel van materialen). Het doel was te prioriteren van het gemak van vergadering en energie-efficiëntie en te vergemakkelijken van het onderhoud van installaties op lange termijn. Het ontwerp is afgeleid van een artikel door Open Source gebouw wetenschap sensoren (OSBSS)17. Dit ontwerp werd gewijzigd door toevoeging extra circuits te lezen de impedantie van cryptogamen en waardoor het compacter en eenvoudiger te vervaardigen.
Het resultaat is BtM bestuur (board Bryolichen temperatuur vochtigheid), een open-source printed circuit board18. Elke plank is gecontroleerd door een hoge energie-efficiënte microcontroller (Tabel van materialen). Temperatuur en relatieve vochtigheid milieugegevens zijn verzameld door middel van een temperatuur en vochtigheid sensor die komt gekalibreerde en, afgezien van zijn lage machtsconsumptie, heeft een passende prijs / prestatie verhouding.
De Raad van bestuur maakt gebruik van een digitale communicatieprotocol (standaard seriële SPI) voor het beheren van de cyclus van de meting. Een real-time klok (DS3234), gemonteerd op elk bord biedt nauwkeurige timing. Om het energieverbruik te verminderen, blijft de processor allermeest naar de tijd in de standby-modus. Elke tijdgegevens moet worden verzameld, de real-time klok activeert de processor en activeert het registratieproces. De real-time klok wordt ook gebruikt voor het nauwkeurig vastleggen van de datum en tijd van elk geval van gegevens.
Tot acht mos en/of korstmossen kunnen monsters worden ingelogd parallel gebruik van een enkele BtM-bord. Het experiment is ingesteld, worden twee krokodil-clip elektrode sondes toegepast op elk monster moss/korstmossen. Vervolgens een verdeler van de spanning tussen elke elektrode en een verwijzing van de weerstand met een bekende waarde (330 KΩ in dit geval) worden gebruikt. Deze weerstand waarde werd geselecteerd door kalibratie en gebaseerd op eerdere maatregelen de cryptogamen. Het artikel bevat een oplossing voor een orde van grootte rond de referentiewaarde (100-1000-KΩ). De spanningsval is gebufferd en vervolgens lezen met de microcontroller met behulp van de analoge poorten (A0 – A7)18. De spanning wordt berekend door de volgende formule toe te passen.
VI = (ADCi x VCC) / 1023
Hier, ADCi is de ruwe waarde uit de ADC (analoog / digitaal-converter) van kanaal ik, VCC is het netspanningsvoltage (3,3 V in dit geval) en 1023 is het bereik van de ADC-output. De resulterende spanning Vi wordt vervolgens gebruikt in combinatie met de wet van Ohm weerstand (Ri, Ω) en geleidbaarheid (G, S) van elk monster mos wilt berekenen.
RI = (VCC x RL) / Vi – RL
G = 1 / Ri
RL is hier de waarde van de weerstand verwijzing (330 KΩ in dit geval). Van de microcontroller aan boord software bevat alle deze vergelijkingen, zodat het rechtstreeks de waarden van weerstand en geleidbaarheid registreren kan.
Het bestuur verzamelt tevens metingen van de omgevingstemperatuur en -vochtigheid met behulp van sensoren. Vervolgens wordt elk gegevenspunt geschreven naar een logboekbestand op een microSD-kaart. Een microSD TransFlash breakout board was gemonteerd op elk bord BtM voor dit doel. Tot slot kan de microSD-kaart handmatig worden verzameld na het experiment. Alle gegevenspunten kunnen worden overgedragen aan een computer voor verdere analyse.
Om onze kennis, dit is de eerste keer dat een datalogger voor het meten van temperatuur, vochtigheid en geleidbaarheid tegelijkertijd als een proxy voor het watergehalte van poikilohydric organismen is ontwikkeld op basis van een open access-platform. De datalogger BtM is gemakkelijk op te bouwen en kosteneffectieve en biedt ook hoge kwaliteit metingen van luchtvochtigheid, temperatuur, en impedantie-gegevens met behulp van minimale kracht.
De eenvoudige montage is een van de belangrijkste voordelen van deze datalogger. Want het is een open-source project, bieden wij de data-logging software en een gedetailleerde regeling van haar structuur, samen met een niet-technische handleiding voor het bouwen van een kant-en-klare BtM datalogger. Dit maakt de methode toegankelijk voor elke onderzoeksgroep, zelfs voor degenen die niet met een ingenieur of gespecialiseerde technici werken. Bovendien, de vergadering van elke datalogger vereist zowat 1 uur als het afgedrukte bestuur circuit wordt gebruikt en ongeveer 4 uur als het circuit is gemonteerd door de onderzoekers. De datalogger BtM is bovendien zeer kostenefficiënt. De geschatte kosten van de onderdelen van elke eenheid is ongeveer 100 euro, een vrij lage prijs die kan worden verminderd in grootschalige projecten door het monteren van de loten van verschillende dataloggers zelfs verder.
Al zijn er verschillende recente methodologische ontwikkelingen voor de uitvoering van de apparaten die verschillende aspecten in verband met de fysiologische activiteit van nonvascular cryptogamen gemeenschappen meten, vult de BtM een belangrijke kennis gat. Raggio et al. 15 dienst Moni-Da, een controlesysteem dat fysiologische en beëindigingspremie informatie verkrijgt. De fysiologische activiteit wordt verzameld door chlorofyl een fluorescentie, een methode gebruikte in het laboratorium te schatten van de activiteit van fotosynthetische organismen. Hoewel deze methode zeer nauwkeurige is, is het aanzienlijk duurder dan de BtM datalogger. Bovendien, het controlesysteem is een particuliere onderneming-product, dat de autonomie van de onderzoeksgroep ingekrompen.
De twee andere methoden die onlangs zijn gepubliceerd zijn ook gebaseerd op het watergehalte van nonvascular cryptogamen schatten. De eerste is gebaseerd op de thermische metingen (een dual-sonde warmte pulse (DPHP)-methode). Hoewel veelbelovende resultaten hebben onlangs aangetoond door jonge et al. 16, het ontbreken van een specifieke regeling in het papier maakt het monteren zonder specialistische kennis zeer uitdagende. Tot slot, Weber et al. 14 gepresenteerd een sensor de biocrust nattigheid sonde (BWP), die zeer vergelijkbaar met de datalogger BtM is genoemd. Echter bieden ze geen een regeling voor de bouw, die de mogelijkheid van het opbouwen van de datalogger zonder de hulp van een specialist in de weg staat. We deze kwestie weggenomen door niet alleen de bouw regeling maar ook het circuit bord te monteren de datalogger. Interessant is dat kan de BtM eenvoudig worden aangepast voor het meten van biocrusts, geïsoleerde individuen of kussens, alleen door het veranderen van de krokodil clips (voor korstmossen of bryophyte individuen/kussens) naar koper legering elektrode pinnen (voor het biocrusts). Indien nodig, kan slechts een deel van de krokodillen worden vervangen, waardoor directe vergelijkingen tussen de twee metingen sonde typen.
Bij de interpretatie van de resultaten, moet de relatie tussen activiteit en vochtgehalte worden zorgvuldig aangepakt, omdat de BtM fotosynthese niet direct meet. Fotosynthese en activiteit zijn nauw verbonden in nonvascular cryptogamen aangezien een droge poikilohydric organisme in metabole staken is en een natte actief. Echter, de mate van fotosynthetische activiteit kan niet worden afgeleid rechtstreeks vanuit het watergehalte, hoewel een hogere metabole activiteit- en dus een hogere fotosynthetische activiteit – kunnen worden verwacht in een goed gehydrateerd organisme.
Kritische stappen:
Ondanks het gemak van vergadering zijn er enkele kritische stappen in het protocol dat zorgvuldig moet worden aangepakt door onderzoekers bij het monteren van de sensor. Ten eerste, zoals benadrukt in het protocol, het is heel gemakkelijk te produceren van kortsluitingen bij solderen, die, in het ergste geval, leiden ernstige schade aan de microcontroller tot kunnen. Het is zeer belangrijk om te controleren op hun aanwezigheid met een multimeter en om ze te verwijderen voordat u de batterijen. Het is raadzaam om met behulp van het meegeleverde PCB ontwerp, aangezien het aanzienlijk het proces vereenvoudigt en de beste optie om dit probleem kan zijn. Ten tweede, niet alle IDE-versies zijn compatibel met de bibliotheken die nodig zijn voor deze datalogger. Het is belangrijk om te downloaden van de juiste een (1.0.6) om te voorkomen dat enkele compatibiliteit problemen. Ten derde is het belangrijk om op te merken van de polariteit van de batterijen. Een omkering van de polariteit kan leiden tot ernstige schade aan de hardware. Ten vierde, kalibratie is een cruciale stap. De datalogger van het BtM is zo ontworpen dat de hogere resolutie met het moment waarop de cryptogamen van droog samenvalt gaat naar nat staat. Dit impliceert dat de huidgeleiding waarden verzadigen lang voordat het monster is verzadigd in water. Echter, als de studie dichtbije een hogere nauwkeurigheid rond andere waarden vereist, kan het worden gewijzigd. Maatregelen die, naast een orde van grootte van deze verwijzing vereisen de weerstand worden gewijzigd en een herijking proces (zie hieronder). Als de omgevingstemperatuur kan invloed hebben op de nauwkeurigheid van de metingen, is het raadzaam rekening houdend met deze factor wanneer kalibreren. Om dit te doen, zal de kalibratie moet worden bij lage temperaturen om te controleren op wijzigingen in de meetnauwkeurigheid en stabiliteit (Zie Coxson,12 voor temperatuureffecten).
Wijzigingen:
Hoewel de meeste van de onderdelen van het BtM vastliggen, kunnen sommige moeiteloos worden gewijzigd in het veld zonder resoldering. De eenvoudigste wijziging is het vervangen van de krokodil clips voor andere sonde of meting systemen. Bijvoorbeeld, in plaats van de krokodil clips, een sonde met twee pinnen, zoals voorgesteld in de Weber et al. 14, kan worden gebruikt.
In externe omgevingen, waar het veranderen van de batterijen niet mogelijk binnen de benodigde frequentie, kunnen batterijen worden aangevuld met een zonnepaneel voor het aandrijven van de BtM-datalogger voor langere perioden.
Door het veranderen van de weerstanden van de referentie voor het meten van de geleidbaarheid in dienst, kan de rang van hogere resolutie eenvoudig worden aangepast aan de hogere of lagere waarden. Als gewijzigd, raden we een nauwkeurige herijking. Ook in de broncode, moet de RValue -variabele, die is geprogrammeerd voor de waarde van een weerstand van 330 KΩ, worden toegewezen aan de nieuwe overeenkomende waarde (datalog.ino).
Conclusie:
Nonvascular cryptogamen Gemeenschappen zijn zeer divers en spelen een aantal verschillende spelen een belangrijke ecologische rol, zodat inzicht in hun relaties met het abiotische milieu een belangrijk onderwerp is. De datalogger BtM heeft verschillende toepassingen die vooraf helpen zullen de kennis van deze relaties. Bijvoorbeeld, zal het helpen verdiepen inzichten over de voorwaarden waar deze organismen zijn hoedanigheid van koolstofputten of koolstof bronnen. De fluctuaties tussen deze twee rollen zijn sterk gerelateerd aan de abiotische voorwaarden zoals temperatuur en vocht3, maar grote hoeveelheden gegevens nodig zijn om te beschrijven en te begrijpen van de variaties van die relatie op een wereldwijde schaal. Dit vereist dichte sensornetwerken alleen mogelijk zijn als ze afhankelijk zijn van goedkope en gemakkelijk te implementeren apparatuur.
Samenvattend, dit apparaat is een nuttig instrument voor ecologische onderzoeksgroepen en overwint de technische beperkingen van ontwerpen en bouwen van een datalogger. De combinatie van deze twee factoren kan leiden tot een popularisering in het gebruik van de dataloggers voor het meten van de betrekkingen van de water van nonvascular cryptogamen in situ. Dit, kan op zijn beurt, de totstandbrenging van middellange en lange termijn monitoring netwerken stimuleren. Ontwikkeling van deze netwerken is essentieel voor de beoordeling van de reactie van nonvascular cryptogamen op lokale en regionale milieu-factoren, alsmede over het bepalen van hun rol in het ecosysteem processen (b.v., nutriënten cycli, de assemblage van de Gemeenschap) en hun meest waarschijnlijke antwoord in het licht van de wijzigingen op klimatologische en Antropisch factoren die samenhangen met de veranderingen in het aardsysteem.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs zijn Manuel Molina (UAM) en Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) dankbaar voor de hulp die geboden tijdens de kalibratie-tests, en aan de Estébanez van de Belén (UAM) voor haar hulp tijdens de campagnes voor de bemonstering.
BtMboard circuit (PCB) | 1 | ||
Arduino Pro Mini 328 3.3 V (APM) | Arduino | 1 | |
FTDI Basic Breakout | SparkFun | 1 | |
MiniUSB to USB cable adapter | 1 | ||
TLC274 operational amplifier | Texas Instruments | 2 | |
2.54 mm breakout pin strip | 1 | ||
330 KOhm resistor | 8 | ||
330 Ohm resistor | 2 | ||
10 KOhm resistor | 1 | ||
2N3904 Transistor | 2 | ||
Bornier connector, 2×1 5.08 mm | 9 | ||
1.5 V AA battery | 3 | ||
3xAA battery holder with switch | 1 | ||
Sensirion SHT71 | Sensirion | 1 | |
DS3234 RTC Breakout (clock) | SparkFun | 1 | |
CR1225 3 V Coin-cell battery | 1 | ||
MicroSD Transflash breakout | SparkFun | 1 | |
Crocodile clip connector | 16 | ||
Weatherproof enclosure box | 1 | ||
12 AWG stranded cable spool | 1 | ||
Cutting pliers | 1 | ||
30 W soldering iron | 1 | ||
Solder wire spool | 1 | ||
Arduino IDE 1.0.6 | Arduino | 1 | |
Arduino library DS3234 | Arduino | 1 | |
Arduino library DS3234lib3 | Arduino | 1 | |
Arduino library Powersaver | Arduino | 1 | |
Arduino library SdFat | Arduino | 1 | |
Arduino library Sensirion | Arduino | 1 |