BtM, eine kostengünstige Open-Source Datenlogger, den Wassergehalt des Nonvascular Kryptogamen zu schätzen
Summary
Wir präsentieren Ihnen eine einfache und kostengünstige Methode, um ein Open-Source-Datenlogger zu bauen, die den Leitwert von nonvascular Kryptogamen zusammen mit der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit misst. Wir beschreiben das Hardware-Design von der Datenlogger und geben detaillierte Montageanleitung, die Liste der erforderlichen Open Source Logging-Software, die Code zum Ausführen der Datenlogger und eine Kalibrierung Protokoll.
Abstract
Gemeinschaften von nonvascular Sporenpflanzen, wie Moose und Flechten, sind ein wichtiger Bestandteil der biologischen Vielfalt der Erde, einen Beitrag zur Regulierung der Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf in vielen Ökosystemen. Poikilohydric Organismen, sie nicht aktiv steuern ihre internen Wassergehalt und benötigen eine feuchte Umgebung, um ihren Stoffwechsel zu aktivieren. Daher ist die Untersuchung Wasser Beziehungen von nonvascular Kryptogamen wichtig zu verstehen, ihre Vielfalt Muster und deren Funktionen in den Ökosystemen. Wir präsentieren die BtM-Datenlogger, eine kostengünstige Open-Source-Plattform für das Studium der Wassergehalt des nonvascular Kryptogamen. Der Datalogger soll Leitwert von bis zu acht Proben, Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit gleichzeitig zu messen. Wir bieten einen Entwurf für eine Leiterplatte (PCB), ein detailliertes Protokoll zu den Komponenten und den erforderlichen Quellcode zu montieren. All dies macht die Montage des BtM-Datenlogger für jede Forschungsgruppe zugänglich auch für diejenigen ohne spezielle Vorkenntnisse. Daher hat der hier vorgestellte Entwurf das Potenzial zu helfen, die Verwendung dieser Art von Gerät unter Ökologen und Feldbiologen zu popularisieren.
Introduction
Gemeinschaften von nonvascular Kryptogamen sind eine allgegenwärtige und oft vernachlässigten Teil der terrestrischen Ökosystemen1. Sie eine Ansammlung von sehr unterschiedlichen kleinen Organismen bestehen aus unter denen Moose und Flechten die herausragenden Primärproduzenten sind. Diese beiden Gruppen von Organismen teilen eine physiologische Merkmal, das sie einzigartig macht: Poikilohydry, oder die Unfähigkeit, ihre internen Wassergehalt aktiv zu steuern. Dies hat tiefgreifende Auswirkungen auf ihre physiologische Prozesse, da der Stoffwechsel aufhört, wenn die Zellen als Reaktion auf ein niedriges Niveau von Luftfeuchtigkeit und Bewerbungen ausgetrocknet sind, wenn die Umgebung wieder feucht ist2. Folglich, vermeiden nonvascular Kryptogamen Dürre statt Bewältigung es2, wodurch diese Gemeinschaften in den unterschiedlichsten Umgebungen von kalten und heißen Wüsten, Tropen3,4zu überleben.
Außerdem haben sie auch zeigen relativ einfache Strukturen und geringen Nährstoffbedarf haben. Diese Eigenschaften machen sie sehr empfindlich auf mikroklimatischen Bedingungen. In der Tat Platz nonvascular Kryptogamen oft eine Nische, die Gefäßpflanzen eine größere Größe nicht verfügbar ist bilden Ökosysteme in Miniatur, die einen wichtigen Bestandteil der Vielfalt unserer Welt darstellen. Moose und Flechten allein gehören fast 40.000 Arten (ca. 20.000 Moose Sensu Lato5,6 und ca. 20.000 Flechten7). Darüber hinaus ist ihr Beitrag zur biologischen Vielfalt der Erde sogar noch größer, da ihre Gemeinden Schutz für eine Vielzahl von Arten von Pilzen bieten, unter anderem eine vielfältige Flora von freilebenden und Mykorrhiza-Pilzen, N fixieren Cyanobakterien wachsen als Epiphyten , und eine Vielzahl von Mikro-wirbellose Tiere, wie z. B. Bärtierchen, Collembolen, Tausendfüßler, Insekten und Milben, die Nutzen aus der Wassereinlagerungen Kapazität und gepufferten Bedingungen innerhalb dieser Miniatur-Ökosysteme.
Gemeinschaften von nicht-vaskulären Kryptogamen tragen auch zur Regulierung der Carbon Stoffkreisläufe. In trockenen Ökosystemen die sogenannte Biologische Bodenkrusten decken bis zu 40 % ihrer Fläche8 und spielen eine wichtige Rolle als Kohlenstoffsenke. Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung schätzt, dass Biologische Bodenkrusten trockenen Umgebungen 7 % aller Kohlenstoff durch terrestrische Vegetation fixiert beheben könnte. Außerdem in anderen Ökosystemen, wo Moose oder Flechten oder eine Kombination aus beidem sind die Primärproduzenten – wie einige borealen Wald Systeme oder Torfmooren – produzieren sie zwischen 30 % und 100 % der gesamten Netto PRIMÄRPRODUKTIVITÄT10,11 . Sie sind auch wichtig in Ökosystemen, in denen diese Organismen nicht dominant, wie gemäßigten Wäldern sind. Wald-Boden-Moose hatten zwar eine jährliche Aufnahme Kohlenstoffäquivalent von ca. 10 % Wald Boden Atmung in einem New Zealand gemäßigten Regenwald. Weiter, sie sind auch wichtig für die Stickstoff-Fixierung, seit die Cyanobakterien Leben als Epiphyten in diesen Gemeinden fast 50 % des Gesamtbetrags der biologischen Stickstoff4fixieren konnte.
Aufgrund der Abhängigkeit ihrer physiologischen Tätigkeit die Verfügbarkeit von Wasser in die Umgebung sowohl die Vielfalt der nonvascular Cryptogam Gemeinschaften und deren Funktionen in den Ökosystemen sind stark abhängig von Wasser Inhalt2. Beachten Sie, dass, da sie den Wassergehalt in ihren Geweben aktiv kontrollieren können, ihre Rollen in der Kohlenstoffbilanz und Stickstoff-Fixierung mit der Hydratation und Austrocknung Zyklen gekoppelt sind, verlassen sich daher auf das Intervall und die Periodizität der trocken-nass-Zyklen. So, wissend, dass die Inhalte Gewässerzustands dieser Organismen in Echtzeit Schlüssel zum Verständnis der Funktionen ist durch Kryptogamen in den Ökosystemen durchgeführt.
Trotz seiner Bedeutung, die Entwicklung von Methoden zur Messung der Inhalt und die physiologische Aktivität in Poikilohydric Organismen relativ langsam gewesen. Im Jahr 1991 machte Coxson12 eine erste Annäherung an den Wassergehalt der Flechten direkt zu messen. Danach gab es eine Lücke in dieser Art von Studie bis eine neuere Entwicklung, wenn mehrere Werke Methoden zur Angleichung der Maßnahmen über den physiologischen Status des nonvascular Kryptogamen13,14,15zur Verfügung gestellt haben, 16. Dennoch ein solches Wissen ist immer noch knapp und verstreut, und diese Werke konzentrieren sich meist auf Boden Krusten4,8. Jedoch, Moose und Flechten spielen auch eine wichtige Rolle in vielen anderen Ökosystemen, vor allem bei gemäßigten, borealen und polaren Regionen1, und ihre Bedeutung ist nicht nur im Boden Gemeinden sondern auch kommunitären epiphytisch wachsen auf Bäume und saxicolous Gemeinschaften auf Felsen. Dieser Mangel an Forschung ist teilweise auf das Fehlen von im Handel erhältlichen Messung Datenlogger, verknüpft die Forschungsgruppen, bauen ihre eigene Ausrüstung zwingt. Entwickeln ein Datalogger erfordert spezifische Kenntnisse, die meisten Ökologen nicht verfügen, so dass es wesentlich die Kosten erhöht für die Umsetzung der relativ großen Mess Netzwerke erforderlich, um repräsentative Daten über die Leistung der nonvascular zu sammeln Kryptogamen entlang Umwelt und Lebensraum Steigungen.
In diesem Papier stellen wir eine einfache und kostengünstige Methode, um ein Datenlogger für die Messung der Leitfähigkeit von nonvascular kryptogamischen Organismen gleichzeitig mit der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit zu bauen. Es ist so programmiert, autonom für relativ längere Zeit (bis zu zwei Monate) aufnehmen und ist robust genug, um rauen Outdoor-Bedingungen zu widerstehen. Es wird aufgrund seiner Einfachheit ein nützliches Werkzeug für Ökologen und Feldbiologen ohne Fachausbildung in der Entwicklung der Datenlogger oder jene Forschungsgruppen, die Fachkräfte fehlen. Daher hat dieser Datenlogger die Möglichkeit, die Verwendung dieser Art von Gerät zu popularisieren.
Wir entwickelten eine energiesparende und kostengünstige Datenlogger messen den Leitwert von bis zu acht unterschiedlichen Quellen und die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit gleichzeitig aufnehmen zu können. Das Gerät ist nach Coxsons Design12 konzipiert und umgesetzt auf eine Open-Source-Plattform (Table of Materials). Ziel war es, die einfache Montage und Energieeffizienz zu priorisieren und die Pflege von langfristigen Anlagen zu erleichtern. Das Design stammt aus einem Artikel von Open Source Gebäude Wissenschaft Sensoren (OSBSS)17. Dieses Design wurde geändert, durch Einbeziehung zusätzlicher Schaltung zum Auslesen der Impedanz der Kryptogamen und macht es kompakter und einfacher herzustellen.
Das Ergebnis ist BtM Brett (Bryolichen Temperatur Feuchtigkeit Brett), ein Open-Source-Leiterplatte18. Jedes Brett wird durch eine hohe Energieeffizienz Mikrocontroller (Table of Materials) gesteuert. Temperatur und Relative Luftfeuchtigkeit Umweltdaten sind durch Temperatur und Luftfeuchtigkeit Sensor gesammelt, die normierte kommt und, abgesehen von seiner geringen Stromverbrauch hat einen angemessenen Preis-Leistungsverhältnis.
Das Board nutzt ein digitales Kommunikationsprotokoll (standard serielle SPI) um des Messzyklus zu verwalten. Eine Echtzeituhr (DS3234) montiert auf jedem Brett ermöglicht exaktes Timing. Um den Energieverbrauch zu reduzieren, bleibt der Prozessor die meiste Zeit im Standby-Modus. Müssen jedes Mal Daten gesammelt werden, die Echtzeituhr den Prozessor aktiviert und löst der Protokollierungsprozess. Die Echtzeituhr dient auch Datum und Uhrzeit des jeweils Daten genau zu erfassen.
Proben können bis zu acht Moos und Flechten parallel mit einem einzigen BtM-Board angemeldet werden. Wenn das Experiment eingerichtet ist, werden zwei Krokodilklemme Elektrode Sonden auf jedes Moos/Flechte Muster angewendet. Dann ein Spannungsteiler zwischen jeder Elektrode und einem Widerstand Verweis mit einem bekannten Wert (330 KΩ in diesem Fall) verwendet werden. Dieser Widerstandswert wurde ausgewählt durch Kalibrierung und anhand der bisherigen Maßnahmen der Kryptogamen. Freuen Sie sich auf eine Auflösung von einer Größenordnung um den Referenzwert (100-1.000 KΩ). Der Spannungsabfall ist gepuffert und dann lesen mit dem Mikrocontroller mit seiner analogen Ports (A0 – A7)18. Die Spannung wird durch die Anwendung der folgenden Formel berechnet.
VI = (ADCi X VCC) / 1023
ADCi ist hier das rohe Wert vom ADC (Analog / Digital-Wandlers) des Kanals i, VCC ist die Versorgungsspannung (3,3 V in diesem Fall) und 1023 ist der Bereich der ADC-Ausgabe. Die resultierende Spannung Vi wird dann in Kombination mit Ohmschen Gesetz zur Widerstand (Ri, Ω) und Leitwert (G, S) jeder Moos Probe zu berechnen.
RI = (VCC-X RL) / Vi – RL
G = 1 / Ri
RL ist hier der Wert des Verweises Widerstand (330 KΩ in diesem Fall). Der Mikrocontroller onboard Software enthält alle diese Gleichungen, damit es direkt die Werte des Widerstandes und der Leitwert registrieren kann.
Der Vorstand sammelt auch Messungen der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit mit Hilfe von Sensoren. Dann wird jeder Datenpunkt in einer Log-Datei auf einer MicroSD-Karte geschrieben. Eine MicroSD TransFlash-Breakout-Board wurde für diesen Zweck auf jedem BtM-Brett montiert. Schließlich kann die MicroSD-Karte manuell nach dem Experiment gesammelt werden. Alle Datenpunkte können zur weiteren Analyse auf einen Computer übertragen werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nach unserer Kenntnis basiert diese auf einer Open Access-Plattform das erste Mal, das ein Datalogger, Leitfähigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit messen gleichzeitig als Stellvertreter des Wassergehalts von Poikilohydric Organismen entwickelt wurde. Der BtM-Datalogger ist leicht zu bauen und kostengünstig und bietet qualitativ hochwertige Messungen der Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Impedanz-Daten mit minimalem Stromverbrauch.
Die einfache Montage ist einer der Hauptvorteile dieser Datenlogger. Da es ein Open-Source-Projekt ist, bieten wir die Daten-Logging-Software und eine detaillierte Regelung seiner Struktur, zusammen mit einem nichttechnischen Handbuch für den Aufbau ein Ready-to-Use BtM Datalogger. Dies macht die Methode für jede Forschungsgruppe zugänglich auch für diejenigen, die nicht mit einem Ingenieur oder spezialisierte Techniker arbeiten. Außerdem erfordert die Montage der einzelnen Datalogger nur ca. 1 Stunde, wenn die Leiterplatte Schaltung verwendet wird und ca. 4 Stunden wird die Strecke von den Forschern montiert. Darüber hinaus ist der BtM-Datalogger sehr kostengünstig. Die geschätzte Kosten für die Komponenten der einzelnen Einheiten ist rund 100 Euro, einen relativ niedrigen Preis, der reduziert werden kann noch weiter in Großprojekten durch den Zusammenbau Chargen von mehreren Datenlogger.
Zwar gab es mehrere methodische Entwicklungen, die zur Umsetzung der Geräte, die verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit der physiologischen Aktivität der nonvascular Cryptogam Gemeinschaften messen, füllt die BtM eine wichtige Wissenslücke. Raggio Et al. 15 beschäftigen Moni-Da, ein Überwachungssystem, das physiologische und mikroklimatischen Informationen erhält. Die physiologische Aktivität wird durch eine Chlorophyllfluoreszenz, eine Methode, die am meisten benutzt im Labor, um die Aktivität der photosynthetischen Organismen zu schätzen gesammelt. Obwohl diese Methode äußerst präzise ist, ist es deutlich teurer als die BtM-Datenlogger. Außerdem ist das monitoring-System ein Privatunternehmen-Produkt, das die Autonomie der Forschungsgruppe zurück schneidet.
Die beiden anderen Methoden, die kürzlich veröffentlicht wurden basieren auch auf die Einschätzung der Wassergehalt des nonvascular Kryptogamen. Die erste basiert auf thermische Messungen (eine Doppel-Sonde Hitze Puls (DPHP) Methode). Obwohl viel versprechende Ergebnisse von jungen Et Al. vor kurzem gezeigt worden 16, macht der Mangel an besondere Regelung in das Papier ohne spezielle Kenntnisse höchst anspruchsvollen Montage. Zu guter Letzt Weber Et al. 14 präsentiert einen Sensor genannt Biocrust Nässe Sonde (BWP), die der BtM-Datalogger sehr ähnlich ist. Jedoch bieten sie keine Regelung für den Bau, die die Möglichkeit des Aufbaus des Datalogger ohne die Hilfe eines Spezialisten behindert. Wir überwinden dieses Problem durch die Bereitstellung nicht nur Bau-Schemas, sondern auch die Platine um den Datenlogger montieren. Interessanterweise kann der BtM leicht geändert werden, um Biocrusts, isolierte Individuen, Kissen, Messen oder nur durch eine Änderung der Krokodilklemmen (für Flechten oder Moose Einzelpersonen/Kissen), Kupferlegierung Elektrodenpins (für Biocrusts). Falls erforderlich, kann nur ein Teil der Krokodile ersetzt werden, direkte Vergleiche zwischen den beiden Messarten Sonde.
Bei der Interpretation der Ergebnisse sollte das Verhältnis zwischen Aktivität und Wassergehalt sorgfältig vorgegangen werden, weil die BtM Photosynthese nicht direkt mißt. Photosynthese und Aktivität sind eng in nonvascular Kryptogamen da ein trockene Poikilohydric Organismus im metabolischen aufhören und ein nasser aktiv ist. Jedoch nicht der Grad der photosynthetische Aktivität direkt aus der Wassergehalt ableiten, obwohl eine höhere Stoffwechselaktivität- und somit eine höhere photosynthetische Aktivität – in einem gut hydratisiert Organismus erwartet werden kann.
Wichtige Schritte:
Trotz der einfachen Montage gibt es einige wichtige Schritte in das Protokoll, das von Forschern sorgfältig vorgegangen werden sollte, bei der Montage des Sensors. Zuerst, wie im Protokoll betont, ist es ganz einfach um Kurzschlüsse beim Löten, zu produzieren, die im schlimmsten Fall, schwere Schäden an den Mikrocontroller führen könnte. Es ist sehr wichtig für ihre Präsenz mit einem Multimeter überprüfen und um sie zu entfernen, bevor Sie die Batterien anschließen. Es wird empfohlen, mit der zur Verfügung gestellten PCB-Design, da es erheblich den Prozess vereinfacht und kann die beste Option, um dieses Problem zu umgehen. Zweitens sind nicht alle IDE-Versionen kompatibel mit den Bibliotheken für diese Datenlogger benötigt. Es ist wichtig, die richtige herunterladen, die eine (1.0.6) Kompatibilität zu vermeiden. Drittens ist es wichtig, beachten Sie die Polarität der Batterien. Eine Umkehrung der Polarität kann schwere Schäden an der Hardware führen. Viertens: Kalibrierung ist ein entscheidender Schritt. Der BtM-Datalogger ist so konzipiert, dass die höhere Auflösung mit dem Moment in dem die Cryptogam von trocken fällt zu nass Zustand geht. Dies bedeutet, dass die Leitfähigkeit Werte zu sättigen, lange bevor die Probe im Wasser gesättigt ist. Jedoch wenn die vorliegende Studie eine höhere Genauigkeit um andere Werte erfordert, kann geändert werden. Maßnahmen, die über eine Größenordnung aus dieser Referenz erfordern den Widerstand geändert werden und eine Rekalibrierung-Prozess (siehe unten). Da die Umgebungstemperatur die Genauigkeit der Messungen beeinflussen kann, empfiehlt es sich, unter Berücksichtigung dieses Faktors bei der Kalibrierung. Hierzu sollte die Kalibrierung durchgeführt werden, bei niedrigen Temperaturen für Änderungen in der Messgenauigkeit und Stabilität (siehe Coxson12 für Temperatureffekte) überprüfen.
Modifikationen:
Obwohl die meisten Komponenten von der BtM festgelegt sind, können einige im Feld ohne umlöten leicht geändert werden. Die einfachste Änderung besteht darin, die Krokodilklemmen für andere Sonde oder Messung Systeme zu ersetzen. Z. B. anstelle der Krokodilklemmen, eine Sonde mit zwei Stiften, wie vorgeschlagen in Weber Et al. 14, eingesetzt werden.
In remote-Umgebungen, wo Batteriewechsel nicht innerhalb der erforderlichen Häufigkeit möglich sein kann, könnte mit einem Solar-Panel an den BtM-Datenlogger über einen längeren Zeitraum macht Batterien ergänzt werden.
Durch die Veränderung der Referenzwiderstände eingesetzt, um die Leitfähigkeit zu messen, kann der Rang einer höheren Auflösung leicht auf höhere oder niedrigere Werte geändert werden. Wenn geändert, empfehlen wir eine präzise Rekalibrierung. Auch, in den Source-Code muss die RValue -Variable, die für ein Widerstandswert von 330 KΩ programmiert ist, auf den neuen entsprechenden Wert (datalog.ino) zugewiesen werden.
Schlussfolgerung:
Nonvascular Cryptogam Gemeinden sind sehr unterschiedlich und eine Reihe von verschiedenen ökologischen Schlüsselrollen spielen, so dass ihre Beziehungen mit der abiotischen Umwelt zu verstehen eine entscheidende Frage ist. Die BtM-Datenlogger hat mehrere Anwendungen, die Fortschritt hilft das Wissen um diese Zusammenhänge. Zum Beispiel hilft es, Erkenntnisse über die Bedingungen zu vertiefen, wo diese Organismen als Kohlenstoffsenken oder Kohlenstoffquellen tätig sind. Die Schwankungen zwischen diesen beiden Rollen beziehen sich stark auf abiotischen Bedingungen, wie Temperatur und Feuchtigkeit3, aber große Mengen von Daten benötigt werden, zu beschreiben und zu verstehen, die Variationen dieser Beziehung auf globaler Ebene. Dies erfordert eine Dichte Sensornetzwerke, die sind nur möglich, wenn sie auf kostengünstige und einfach zu implementierende Ausrüstung verlassen können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dieses Gerät ist ein nützliches Tool für ökologische Forschungsgruppen und überwindet die technischen Gegebenheiten des entwirft und baut ein Datalogger. Die Kombination dieser beiden Faktoren führen zu einer Popularisierung bei der Verwendung der Datenlogger, der Wasserhaushalt des nonvascular Kryptogamen in Situzu messen. Dies kann wiederum den Aufbau von Mittel- und langfristigen Überwachung steigern. Diese Netzwerke zu entwickeln ist wesentlich für die Beurteilung der Reaktion der nonvascular Kryptogamen auf lokaler und regionaler Umweltfaktoren, sowie ihre Rolle im Ökosystemprozesse (z.B., Nährstoffkreisläufe, Gemeindeversammlung) zu bestimmen und ihre wahrscheinlichste Antwort angesichts der Veränderungen auf klimatischen und anthropogenen Faktoren im Zusammenhang mit globalen Wandels.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren sind dankbar für Manuel Molina (UAM) und Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) für die Hilfe während der Kalibrierungstests und zu Belén Estébanez (UAM) für ihre Hilfe während der Probenahme-Kampagnen.
Materials
| 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 |
References
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