BtM, un Datalogger di Open-source di basso costo per stimare il contenuto di acqua delle crittogame non vascolari
Summary
Presentiamo un metodo semplice ed economico per costruire un datalogger di open source che misura la conduttanza di non vascolari crittogame insieme con la temperatura ambientale e l’umidità. Descriviamo la progettazione hardware del datalogger e fornire istruzioni di montaggio dettagliate, l’elenco dei software di registrazione open source richiesto, il codice per eseguire il datalogger e un protocollo di calibrazione.
Abstract
Comunità delle crittogame non vascolari, quali muschi o licheni, sono una parte importante della biodiversità della terra, che contribuiscono alla regolazione del carbonio e dell’azoto cicli in molti ecosistemi. Essendo gli organismi poikilohydric, non attivamente controllare il loro contenuto di acqua interna ed hanno bisogno di un ambiente umido per attivare il loro metabolismo. Pertanto, lo studio rapporti acqua delle crittogame non vascolari è fondamentale per comprendere sia i loro modelli di diversità e le loro funzioni negli ecosistemi. Vi presentiamo il datalogger BtM, una piattaforma open-source di basso costo per lo studio del contenuto idrico delle crittogame non vascolari. Il datalogger è progettato per misurare la temperatura, l’umidità e conduttanza da fino a otto campioni contemporaneamente. Forniamo un design per un circuito stampato (PCB), un protocollo dettagliato per assemblare i componenti e il codice sorgente necessario. Tutto questo rende l’Assemblea del datalogger BtM accessibile a qualsiasi gruppo di ricerca, anche a coloro senza precedente conoscenza specializzata. Di conseguenza, il progetto qui presentato ha il potenziale per contribuire a diffondere l’uso di questo tipo di dispositivo tra ecologisti e biologi di campo.
Introduction
Comunità delle crittogame non vascolari sono un onnipresente e una parte di ecosistemi terrestri1spesso trascurato. Essi sono costituiti da un aggregato di organismi di piccole dimensioni molto differenti tra cui muschi e licheni sono i produttori primari eccezionali. Questi due gruppi di organismi condividono una caratteristica fisiologica che li rende unici: poikilohydry, o l’incapacità di controllare attivamente il loro contenuto di acqua interna. Questo ha implicazioni profonde per i loro processi fisiologici poiché il metabolismo cessa quando le cellule sono asciugate in risposta a bassi livelli di umidità e riprende quando l’ambiente è umido ancora2. Di conseguenza, non vascolari crittogame evitare siccità invece di far fronte con esso2, che consente queste comunità a sopravvivere in una vasta gamma di ambienti dai deserti caldi e freddi per i tropici3,4.
Inoltre, inoltre Visualizza strutture relativamente semplici ed hanno basso fabbisogno di nutrienti. Queste caratteristiche li rendono altamente sensibile alle condizioni microclimatiche. In realtà, non vascolari crittogame spesso occupano uno spazio di nicchia che non è disponibile a piante vascolari di dimensioni maggiori, che formano ecosistemi in miniatura che costituiscono una parte importante della diversità del mondo. Muschi e licheni da solo sono quasi 40.000 specie (ca. 20.000 bryophytes lato di sensu di5,6 e ca. 20.000 licheni7). Inoltre, il loro contributo alla biodiversità terrestre è ancora più grande poiché la loro comunità offrono riparo per un vasto numero di specie di funghi, tra cui una variegata flora di funghi micorrizici e dissipati, N-fissazione cianobatteri crescono come epifite e una miriade di micro-invertebrati, come i tardigradi, collembola, miriapodi, insetti e acari che sfruttano la ritenzione idrica condizioni di capacità e memorizzato nel buffer all’interno di questi ecosistemi in miniatura.
Comunità delle crittogame non vascolari contribuiscono anche alla regolazione dei cicli biogeochimici del carbonio. Negli ecosistemi asciutti, le croste di cosiddetto terreno biologico coprano fino al 40% della loro superficie8 e giocano un ruolo importante come pozzi di carbonio. Una revisione recente stima che croste di terreno biologico di ambienti asciutti potrebbero essere fissa 7% di tutto il carbonio fissato dalla vegetazione terrestre. Inoltre, in altri ecosistemi dove muschi o licheni o una combinazione di entrambi sono i produttori primari – come alcuni sistemi di foresta boreale o torbiere – producono tra 30% e il 100% della produttività primaria netta totale10,11 . Essi sono anche importanti negli ecosistemi in cui questi organismi non sono dominanti, come foreste temperate. Infatti, briofite piano foresta avevano un annuale equivalente di assorbimento di carbonio di circa il 10% respirazione piano in Nuova Zelanda foresta pluviale temperata della foresta. Inoltre, essi sono anche importanti per la fissazione dell’azoto, poiché i cianobatteri che vivono come epifite in queste comunità potrebbero essere fissazione quasi il 50% dell’importo globale dell’azoto biologico4.
Dovuto la dipendenza della loro attività fisiologiche sulla disponibilità di acqua nell’ambiente circostante, sia la diversità delle Comunità Cryptogamae non vascolari e le loro funzioni negli ecosistemi sono fortemente dipendente dal contenuto di acqua2. Si noti che, poiché non possono controllare attivamente il contenuto di acqua nei loro tessuti, loro ruoli nel bilancio del carbonio e dell’azoto fissazione sono accoppiati con i cicli di idratazione e di essiccazione e, dipendono pertanto, l’intervallo e la periodicità dei cicli secco-umido. Così, conoscendo che lo stato del contenuto di acqua di questi organismi in tempo reale è la chiave per comprendere le funzioni eseguite da crittogame negli ecosistemi.
Nonostante la sua importanza, lo sviluppo di metodi per misurare l’acqua attività contenuto e fisiologici negli organismi poikilohydric è stata relativamente lenta. Nel 1991, quel12 fece un primo approccio per misurare direttamente il contenuto di acqua dei licheni. Dopo di che, c’era un divario in questo tipo di studio fino ad un recente sviluppo, quando diversi lavori hanno fornito metodi per approssimare le misure dello stato fisiologico del non vascolari crittogame13,14,15, 16. Tuttavia, tale conoscenza è ancora scarsa e sparse, e queste opere sono incentrate principalmente su suolo croste4,8. Tuttavia, muschi e licheni anche giocare un ruolo rilevante in molti altri ecosistemi, in particolare alle regioni temperate, boreali e polar1, e la loro importanza è significativo non solo nella comunità del suolo ma anche per le comunità epifite che crescono su alberi e sassicola Comunità sulle rocce. Questa mancanza di ricerca è parzialmente legata all’assenza di datalogger misura commercialmente disponibili, che costringe gruppi di ricerca per costruire le proprie attrezzature. Lo sviluppo di un datalogger richiede conoscenze specifiche che non dispongono di molti ecologisti, quindi sostanzialmente aumenta il costo di realizzazione delle reti di misura relativamente grande bisogno di raccogliere dati rappresentativi sulle prestazioni di non vascolari crittogame lungo ambientale e gradienti di habitat.
In questa carta, presentiamo un metodo semplice ed economico per costruire un datalogger in grado di misurare la conduttanza di organismi non vascolari crittogamico simultaneamente con la temperatura e l’umidità. Si è programmato per registrare autonomamente per relativamente lunghi periodi di tempo (fino a due mesi) ed è abbastanza robusto per resistere a condizioni difficili campo all’aperto. Grazie alla sua semplicità, sarà uno strumento utile per gli ecologisti e i biologi di campo senza addestramento specializzato nello sviluppo di datalogger o quei gruppi di ricerca che la mancanza di personale specializzato. Di conseguenza, questo datalogger ha il potenziale per contribuire a diffondere l’uso di questo tipo di dispositivo.
Abbiamo sviluppato un datalogger di bassa potenza e basso costo in grado di misurare la conduttanza da fino a otto diverse fonti e registrare contemporaneamente la temperatura ambiente e umidità relativa. Il dispositivo è stato progettato dopo design12 di quel e implementato su una piattaforma open-source (Tabella materiali). Lo scopo era di dare la priorità la facilità del montaggio e dell’efficienza energetica e per facilitare la manutenzione di installazioni a lungo termine. Il progetto è derivato da un articolo di Open Source edificio scienza sensori (OSBSS)17. Questo disegno è stato modificato da incorporando circuiteria aggiuntiva per leggere fuori l’impedenza di crittogame e rendendola più compatta e più facili da produrre.
Il risultato è BtM (Bryolichen temperatura umidità dualistico), un circuito stampato di open source tavolo18. Ogni scheda è controllato da un microcontrollore ad alto efficienza energetica (Tabella materiali). Dati ambientali di temperatura e umidità relativa sono raccolti attraverso un sensore di temperatura e umidità che viene fornito pretarato e, a parte il consumo di potere basso, ha un rapporto prezzo-prestazioni adeguate.
La scheda utilizza un protocollo di comunicazione digitale (standard SPI serial) per gestire il ciclo di misura. Un orologio in tempo reale (DS3234) montato su ogni scheda fornisce tempistica accurata. Al fine di ridurre il consumo energetico, il processore rimane in modalità standby la maggior parte del tempo. Ogni volta dati devono essere raccolti, l’orologio in tempo reale attiva il processore e innesca il processo di registrazione. L’orologio in tempo reale è utilizzato anche per registrare con precisione la data e l’ora di ogni caso di dati.
Fino a otto muschio e/o lichene campioni possono essere registrati in parallelo utilizzando una sola scheda di BtM. Quando l’esperimento è imposta, due clip coccodrillo elettrodo sonde vengono applicate a ciascun campione di muschio/lichene. Quindi, vengono utilizzati un partitore di tensione tra ciascun elettrodo e un riferimento di resistore con un valore noto (330 KΩ in questo caso). Questo valore del resistore è stato selezionato tramite calibrazione e basato su precedenti misure delle crittogame. Fornisce una risoluzione di un ordine di grandezza intorno al valore di riferimento (100-1.000 KΩ). La caduta di tensione è memorizzato nel buffer e quindi leggere con il microcontrollore utilizzano i loro porti analogici (A0 – A7)18. La tensione è calcolata applicando la seguente formula.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
ADCi Ecco il crudo del valore da ADC (convertitore analogico-digitale) del canale, VCC è la tensione di alimentazione (3.3 V in questo caso) e 1023 è la gamma dell’uscita ADC. La tensione risultante Vi viene quindi utilizzata in combinazione con la legge di Ohm per calcolare la resistenza (Ri, Ω) e la conduttanza (G, S) di ciascun campione di muschio.
Ri = (VCC x RL) / Vi – RL
G = 1 / Ri
Qui, RL è il valore di riferimento il resistore (330 KΩ in questo caso). Software a bordo del microcontrollore incorpora tutte queste equazioni, quindi può registrare direttamente i valori di resistenza e di conduttanza.
La scheda raccoglie anche misurazioni della temperatura ambiente e umidità utilizzando sensori. Quindi, ogni punto di dati viene scritto in un file di registro su una scheda microSD. Una microSD TransFlash breakout bordo era montata su ogni bordo di BtM per questo scopo. Infine, la scheda microSD può essere raccolti manualmente dopo l’esperimento. Tutti i punti dati possono essere trasferiti ad un computer per ulteriori analisi.
Protocol
Representative Results
Discussion
A nostra conoscenza, questo è la prima volta che un datalogger per misurare la temperatura, l’umidità e conduttanza simultaneamente come proxy del contenuto idrico di organismi poikilohydric è stato progettato sulla base di una piattaforma di accesso aperto. Il datalogger di BtM è conveniente e facile da costruire e fornisce anche misure di alta qualità di umidità dell’aria, temperatura e impedenza dati usando il minimo di energia.
Il montaggio è uno dei principali vantaggi di questo datalogger. Come è un progetto open-source, forniamo il software data-logging e uno schema dettagliato della sua struttura, insieme a un manuale non tecnico per la costruzione di un datalogger di BtM ready-to-use. Ciò rende il metodo accessibile a qualsiasi gruppo di ricerca, anche a quelli che non funzionano con un ingegnere o tecnici specializzati. Inoltre, il montaggio di ogni datalogger richiede solo circa 1 ora se viene utilizzato il circuito stampato e circa 4 ore se il circuito è montato dai ricercatori. Inoltre, il datalogger BtM è altamente efficiente. Il costo stimato dei componenti di ogni unità è di circa 100 euro, un prezzo abbastanza basso che può essere ridotto ulteriormente in progetti su larga scala mediante l’assemblaggio di lotti di diversi datalogger.
Anche se ci sono stati diversi recenti sviluppi metodologici finalizzati all’implementazione di dispositivi che misurano diversi aspetti legati alla attività fisiologica delle Comunità Cryptogamae non vascolari, la BtM colma una lacuna di conoscenza importante. Raggio et al. 15 impiegano Moni-Da, un sistema di monitoraggio che ottiene informazioni fisiologiche e microclimatiche. L’attività fisiologica raccolti attraverso una fluorescenza clorofilla, un metodo ampiamente usato in laboratorio per valutare l’attività di organismi fotosintetici. Sebbene questo metodo è molto preciso, è notevolmente più costoso rispetto al datalogger BtM. Inoltre, il sistema di monitoraggio è un prodotto di società privata, che riduce l’autonomia del gruppo di ricerca.
Gli altri due metodi che sono stati recentemente pubblicati anche si basano sulla stima del contenuto idrico delle crittogame non vascolari. Il primo si basa su misurazioni termiche (un metodo di impulsi (DPHP) calore dual-sonda). Anche se risultati promettenti hanno recentemente dimostrati da giovane et al. 16, la mancanza di qualsiasi regime specifico nel libro rende montarlo senza conoscenza specializzata altamente stimolante. Infine, Weber et al. 14 ha presentato un sensore chiamato la sonda di umidità di biocrust (BWP), che è molto simile al datalogger BtM. Tuttavia, non forniscono alcun regime per la sua costruzione, che ostacola la possibilità di costruire il datalogger senza l’assistenza di uno specialista. Abbiamo superato questo problema fornendo non solo lo schema di costruzione, ma anche il circuito stampato per assemblare il datalogger. È interessante notare che, la BtM può essere facilmente modificato per misurare biocrusts, individui isolati o cuscini, semplicemente cambiando i coccodrilli (per gli individui/cuscini del lichene o briofite) ai pin di elettrodi in lega di rame (per biocrusts). Se necessario, solo parte dei coccodrilli può essere sostituito, permettendo confronti diretti tra i tipi di sonda di misurazione.
Nell’interpretazione dei risultati, il rapporto tra attività e contenuto di acqua dovrebbe essere affrontato con attenzione, perché la BtM non misura direttamente la fotosintesi. Fotosintesi e attività sono strettamente correlati a non vascolari crittogame poiché un organismo poikilohydric asciutto è in metabolica cessate e bagnato è attivo. Tuttavia, il grado di attività fotosintetica può dedurre direttamente dal contenuto di acqua, anche se un’ più alta attività metabolica – e, quindi, una maggiore attività fotosintetica – può essere previsto in un organismo ben idratato.
Fasi critiche:
Nonostante la facilità di montaggio, ci sono alcuni passaggi critici nel protocollo che deve essere affrontato con attenzione dai ricercatori durante il montaggio del sensore. In primo luogo, come sottolineato nel protocollo, è abbastanza facile da produrre cortocircuiti durante la brasatura, che, nella peggiore delle ipotesi, potrebbe causare gravi danni al microcontrollore. È molto importante per verificare la loro presenza con un multimetro e per rimuoverli prima di collegare le batterie. Si consiglia di utilizzare il disegno di PCB fornito dal momento che significativamente semplifica il processo e può essere l’opzione migliore per superare questo problema. In secondo luogo, non tutte le versioni IDE sono compatibili con le librerie necessarie per questo datalogger. È importante scaricare il corretto uno (1.0.6) per evitare qualsiasi compatibilità problemi. In terzo luogo, è importante notare la polarità delle batterie. Un’inversione di polarità potrebbe causare gravi danni all’hardware. In quarto luogo, la taratura è un passo fondamentale. Il datalogger di BtM è progettato in modo che la risoluzione più alta coincide con il momento in cui il Cryptogamae va da asciutto a bagnato dello stato. Ciò implica che i valori di conduttanza saturano molto tempo prima che il campione è saturo in acqua. Tuttavia, se lo studio a portata di mano richiede una maggiore accuratezza nei dintorni di altri valori, può essere modificato. Misure di là di un ordine di grandezza da questo riferimento richiedono il resistore di essere cambiato e un processo di ricalibrazione (Vedi sotto). Come la temperatura ambientale può influenzare la precisione delle misurazioni, si consiglia di prendendo in considerazione questo fattore durante la calibrazione. A tal fine, la calibrazione deve essere eseguita a basse temperature per verificare le modifiche nella precisione di misura e la stabilità (vedere quel12 per effetti di temperatura).
Modifiche:
Anche se la maggior parte dei componenti della BtM sono fissi, alcune possono essere facilmente modificate nel campo senza resoldering. La modifica più semplice consiste nel sostituire le pinze a coccodrillo per altri sistemi sonda o. Ad esempio, anziché le pinze a coccodrillo, una sonda con due perni, come quello suggerito Weber et al. 14, può essere utilizzato.
In ambienti remoti, dove cambiare le batterie potrebbe non essere possibile entro la frequenza necessaria, batterie potrebbero essere completate con un pannello solare per alimentare il datalogger BtM per periodi più lunghi.
Modificando le resistenze di riferimento usate per misurare la conduttanza, il rango di maggiore risoluzione può essere facilmente modificato per valori superiori o inferiori. Se modificata, consigliamo vivamente una ricalibrazione precisa. Inoltre, nel codice sorgente, la variabile RValue , che è programmata per un valore di resistenza di 330 KΩ, deve essere assegnata al nuovo valore corrispondente (datalog.ino).
Conclusione:
Le comunità non vascolari Cryptogamae sono altamente diversificate e giocare un certo numero di diversi ruoli chiave ecologici, quindi comprendere le loro relazioni con l’ambiente abiotico è una questione cruciale. Il datalogger di BtM ha diverse applicazioni che verranno aiuteranno a anticipo la conoscenza di queste relazioni. Ad esempio, aiuterà approfondire approfondimenti circa le condizioni in cui questi organismi agiscono come serbatoi di carbonio o fonti di carbonio. Le fluttuazioni tra questi due ruoli sono fortemente legate alla condizioni abiotiche, come temperatura e umidità3, ma grandi quantità di dati sono necessari per descrivere e comprendere le variazioni di tale rapporto a scala globale. Ciò richiede reti sensore denso che sono possibili solo se si basano su apparecchiature di basso costo e facile da implementare.
Per riassumere, questo dispositivo è uno strumento utile per i gruppi di ricerca ecologica e supera i vincoli tecnici di progettazione e costruzione di un datalogger. La combinazione di questi due fattori può portare a una divulgazione nell’uso dei datalogger per misurare i rapporti di acqua di crittogame non vascolari in situ. Questo, a sua volta, può aumentare la creazione di reti di monitoraggio di medio e lungo termine. Lo sviluppo di queste reti è essenziale per valutare la risposta delle crittogame non vascolari ai locali e regionali fattori ambientali, così come per determinare il loro ruolo nei processi ecosistemici (ad esempio, cicli di nutrienti, assemblea comunitaria) e loro risposta più probabile alla luce dei cambiamenti climatici e antropici fattori legati al cambiamento climatico.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono grati a Manuel Molina (UAM) e Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) per l’aiuto fornito durante le prove di calibrazione e di Belén Estébanez (UAM) per il suo aiuto durante le campagne di campionamento.
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 |
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