東京三菱銀行、導管隠花植物の水量を推定する低コストのオープン ソース データロガー
Summary
環境温度と湿度導管隠花植物のコンダクタンスを測定するオープン ソース データロガーを構築するシンプルでコスト効果の高い方法を提案します。データロガーのハードウェア設計を記述、データロガー、およびキャリブレーション プロトコルを実行する手順アセンブリ命令、必要なオープン ソース ソフトウェアのリスト、コードを提供しています。
Abstract
導管隠花植物、コケや地衣類などのコミュニティは、炭素と多くの生態系の窒素循環の調節に貢献、地球の生物多様性の重要な部分です。Poikilohydric 生物であることを行う積極的に内部の含水率をコントロールし、その代謝を活性化高温多湿環境が必要。したがって、導管隠花植物の水関係の勉強は、その多様性パターンと生態系の機能を理解することが重要です。BtM データロガー、導管隠花植物の含水率の調査のため低コストのオープン ソースのプラットフォームを提案します。データロガーは、周囲温度、湿度、および最大 8 個のサンプルからコンダクタンスを同時に測定するために設計されています。私たちは、プリント回路基板 (PCB)、コンポーネント、および必要なソース コードを組み立てるための詳しいプロトコル デザインを提供します。すべてこれは前の専門知識がない人にも任意の研究グループにアクセス BtM データロガーのアセンブリを作る。そのため、ここで示した設計フィールド生物学者と生態学者の間でデバイスのこのタイプの使用を普及を支援する可能性があります。
Introduction
導管隠花植物のコミュニティは、ユビキタスと陸上生態系1のしばしば無視される部分です。彼らはその中に蘚苔類・地衣類は顕著な一次生産者非常に異なる小型生物の集合体から成っています。有機体のこれらの 2 つのグループは、彼らがユニークな生理学的特性を共有: poikilohydry、またはその内部の水分を積極的に制御することができません。これ以来、生理学的なプロセスのための深遠な意味代謝停止するときに細胞が乾燥して低レベルの湿度と再開に対応環境が高温多湿で再び2。結果として、導管隠花植物避けるため干ばつ対処することではなく2、寒さとホット砂漠から熱帯3,4までの環境の広い範囲で生き残るためにこれらのコミュニティを可能にします。
その上、また比較的単純な構造を示す、低栄養の要件があります。これらの特性はように微気候条件に非常に敏感。実際には、導管隠花植物しばしば世界の多様性の重要な部分を構成するミニチュア生態系を形成より大きいサイズの維管束植物に利用されるニッチ領域を占有します。蘚苔類・地衣類だけで、ほぼ 40,000 種 (約20,000 蘚苔sensu の lato5,6と約20,000 地衣類7) があります。さらに、地球の生物多様性への貢献はそれぞれの地域社会が自由生存と菌根菌, 着生植物として成長 N 岡城シアノ バクテリアの多様な動植物を含む菌の種の広大な数のためのシェルターを提供していますのでさらに大きく、と無数のマイクロ-無脊椎動物の生き物, 保水容量とバッファーの条件これらのミニチュア生態系.内を利用するダニ、昆虫、多足類トビムシ クマムシなどの
非血管系隠花植物のコミュニティはまた物質の炭素循環の調節に貢献します。乾燥生態系におけるいわゆる生物的な土壌痂皮は彼らの表面の8の 40% までをカバーし、炭素吸収源として主要な役割を果たします。最近のレビューでは、乾燥した環境の生物的な土壌クラストは、陸生植物によって固定すべての炭素の 7% を固定可能性がありますと推定されます。以外にも、彼らは 30% から 100% の純総生産量の10、11 生成、蘚苔類や地衣類または両方の組み合わせが一次生産者 – いくつかの寒帯の森林システムまたは泥炭湿原 – のような他の生態系の.また、これらの生物が温帯林など、支配される生態系で重要です。確かに、林床蘚苔類は約 10% の年間の炭素吸収量相当床呼吸ニュージーランドの温帯雨林の森します。さらに、彼らは、これらのコミュニティにおける着生植物生物学的窒素4地球規模の量のほぼ 50% を遠ざけているか可能性があります、ラン藻から窒素固定のために重要も。
生理学的活動の周囲の環境の水の可用性依存、ため導管隠花植物コミュニティおよび生態系の機能の多様性、水コンテンツ2に強く依存します。注意してください、以来、彼らは積極的に彼らの組織内の水分量を制御できない、炭素収支と窒素固定における役割水和と乾燥のサイクルと結合されている、したがって、間隔および乾湿サイクルの周期性によって異なります。したがって、リアルタイムでこれらの生物の水コンテンツの状態は機能を理解するためのキーを知ることは、生態系における隠花植物によって実行されます。
その重要性、開発にもかかわらず水を測定する方法のコンテンツおよび生理活性 poikilohydric 生物ずっと比較的遅い。1991 年に Coxson12は地衣の含水率を直接測定するための最初のアプローチをしました。その後、ギャップがあった研究のこの種の最近の発展までいくつかの作品は、導管隠花植物13,14,15の生理学的状態の対策を近似するためのメソッドを提供しているとき 16。それにもかかわらず、そのような知識はまだ不足している、散乱とこれらの作品は主に土壌クラスト4,8に注目します。ただし、温帯、寒帯と極域1で特に他の多くの生態系に関連する役割を果たします蘚苔・地衣類とその重要性は着生群落成長のためにも土壌のコミュニティではないです。木や岩の上の saxicolous のコミュニティ。研究の欠如は、独自の装置を構築する研究グループを強制的に市販計測データロガーの不在を部分的にリンクされています。それは非血管性の性能に関する代表的なデータを収集するために必要な比較的大規模な測定ネットワークを実装するためのコストが大きく、ほとんど生態学者がいない、特定の知識が必要ですデータロガーの開発環境に沿って隠花植物や生息地のグラデーション。
本稿では周囲の温度と湿度を同時に導管隠花植物のコンダクタンスを測定できるデータロガーを構築するシンプルでコスト効果の高い手法を提案します。それは比較的長期間 (2 ヶ月) を自律的に記録するプログラムは、野外の過酷な条件に耐えることが十分に頑丈です。その簡単のためそれは生態学者とデータロガーや専門スタッフの不足しているこれらの研究グループの開発の分野の生物学者のための便利なツールになります。したがって、このデータロガーには、デバイスのこのタイプの使用を普及を支援する可能性があります。
最大 8 つの異なるソースからのコンダクタンスを測定し、環境温度と相対湿度を同時に記録することができる低消費電力と低コスト データロガーを開発しました。デバイスが Coxson のデザイン12後に設計された、オープン ソース プラットフォーム (材料表) 上に実装します。目指したのアセンブリと電力効率性を優先して長期的なインストールのメンテナンスを容易にします。デザインは、オープン ソースの建物科学センサー (OSBSS)17記事から派生されます。このデザインよりコンパクトで簡単に製造することが隠花植物のインピー ダンスを読み取る組み込む追加回路によって変更されました。
その結果、BtM (Bryolichen 温湿ボード)、プリントする、オープン ソースの基板では18。各ボードは、高エネルギー効率の高いマイクロ コント ローラー (材料表) によって制御されます。環境温度・湿度データは、温度および湿度センサー較正済み来ると、別にその低消費電力、適切な価格性能比を持っているを介して収集されます。
ボードは、測定サイクルを管理するのに (標準的な SPI シリアル) のデジタル通信プロトコルを使用します。各ボードにマウントされているリアルタイムク ロック (DS3234) では、正確なタイミングを提供しています。エネルギー消費量を削減するために、プロセッサ スタンバイ モードでほとんどの時間のままです。各時間のデータを収集する必要があります、リアルタイムク ロック プロセッサをアクティブにし、ロギング プロセスをトリガーします。リアルタイムク ロックは、日付と各データの場合の時刻を正確に記録にも使用されます。
最大 8 コケと地衣類サンプルはシングル BtM ボードを使用して並列に記録できます。実験のセットアップ 2 つのワニグチ クリップ電極プローブが各コケ ・地衣類サンプルに適用されます。次に、各電極と既知の値 (この場合は 330 KΩ) が抵抗参照の電圧ディバイダーが使用されます。この抵抗値は校正を選択され、以前の措置は、香気成分に基づきます。参照値 (100-1,000 KΩ) を一桁の分解能を提供します。電圧降下はバッファリングし、マイクロ コント ローラー、アナログ ポート (A0 – A7) を使用して読む18。電圧は、次式を適用して計算されます。
Vi (ADCi x VCC) = 1023/
ここでは、ADCi は生私のチャネルの ADC (アナログ-デジタル変換器) から値、VCC は電源電圧 (この場合 3.3 V)、1023 ADC 出力の範囲であります。結果として得られる電圧 Vi は、抵抗 (Ri, Ω) と各苔サンプルのコンダクタンス (G、S) を計算するオームの法則との組み合わせで使用されます。
Ri = (VCC x RL)/Vi – RL
G = 1/Ri
ここでは、RL は抵抗参照 (この場合は 330 KΩ) の値です。マイコンのオンボード ソフトウェアには、直接抵抗とコンダクタンス値を登録するためのすべてのこれらの方程式が組み込まれています。
理事会はまた、周囲温度・湿度センサーを用いた測定を収集します。次に、各データ ポイントは、microSD カードにログ ファイルに書き込まれます。MicroSD トランス フラッシュ ブレーク アウト ボードは、この目的のため各 BtM 基板にマウントされていた。最後に、実験後 microSD カードを手動で収集できます。すべてのデータ ポイントは、さらなる分析のためのコンピューターに転送できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
私たちの知る限り、これは水量 poikilohydric 生物のプロキシとして同時に温度・湿度・ コンダクタンスを測定するデータロガーを設計されている最初の時間に基づいてオープン アクセス プラットフォーム。BtM データロガーは、構築する簡単かつコスト効果の高いとも湿度、温度、および最小限の電力を使用してインピー ダンス データの高品質測定を提供します。
単純なアセンブリは、このデータロガーの主な利点の 1 つです。それは、オープン ソース プロジェクトは、データロギング ソフトウェア、使える – BtM データロガーを構築するための非技術的なマニュアルと共に、その構造の詳細なスキームを提供いたします。これにより、メソッドが任意の研究グループやすくエンジニアや専門技術者と動作しない人にも。その上、各データロガーのアセンブリが必要ですちょうど約 1 時間プリント基板回路を使用する場合、約 4 時間研究者によって回路がマウントされている場合。また、BtM データロガーは、コスト効率的です。各ユニットの部品の推定コストは約 100 ユーロで、減らせるかなり低価格さらにいくつかのデータロガーのバッチを組み立てることによって大規模なプロジェクト。
導管隠花植物コミュニティの生理活性に関連するさまざまな側面を測定する装置を実装することを目的としたいくつかの最近の方法論的開発されているが、BtM は重要な知識のギャップを埋めます。Raggioら15は、モニ-ダ、生理と微気候情報を取得監視システムを採用しています。生理活性は、クロロフィル蛍光、広く光合成生物の活動を推定する実験室で使用される方法を介して収集されます。このメソッドは、高精度は、BtM データロガーよりかなり高価です。その上、監視システムは研究グループの自主性を削減民間会社の製品です。
最近公開されている他の 2 つの方法また、導管の隠花植物の水分含有量の推定に基づいています。最初は、熱測定 (デュアル プローブの熱パルス (DPHP) メソッド) に基づいています。有望な結果は、最近若いらにより示されているが16用紙の任意の特定のスキームの欠如は、非常にチャレンジングな専門的な知識がなくても組立をなります。最後に、ウェーバーら14は、BtM データロガーに非常に類似している biocrust 水分プローブ (BWP) と呼ばれるセンサーを発表しました。しかし、専門家の援助なしでデータロガーの構築の可能性を妨げているその建設のためのスキームを提供しません。私たちは、建設方式のみならず、データロガーを組み立てるための回路基板も提供することによってこの問題を克服します。興味深いことに、銅合金電極ピン (biocrusts) のために (地衣類や蘚苔類個人/クッション) のわに口クリップを変えるだけで biocrusts、孤立した個人、または、クッションを測定する BtM を簡単に変更できます。必要に応じて、ワニの一部だけ置き換えることができます、2 つの測定プローブの種類間の直接比較を許可します。
結果を解釈するとき活動と含水率との関係必要があります慎重に、対処する BtM が光合成に直接計測できないので。光合成と活動は、導管隠花植物の乾燥 poikilohydric 生物は代謝の中止で、ウェットの 1 つはアクティブなので密接に関連します。しかし、にもかかわらず、よく水和生物の代謝活性が高い – と従って、光合成活性が高い – が期待できる光合成活性の程度を水内容から直接推論できません。
重要なステップ:
組み立てやすさ、にもかかわらずセンサーをマウントするとき、研究者によって慎重に対処すべきプロトコルのいくつかの重要なステップがあります。まず、プロトコルで強調、短い回路、はんだ付けする場合、最悪のケースになる可能性深刻な損害マイクロ コント ローラーを生成する非常に簡単です。マルチメータと自分の存在をチェックし、バッテリーを接続する前にそれらを削除する非常に重要です。それは大幅にプロセスを簡素化し、この問題を克服するために最適なオプションがありますので指定されたプリント基板の設計を使用してお勧めします。第二に、すべてのバージョンの IDE がこのデータロガーに必要なライブラリと互換性があります。適切な問題の 1 つの互換性を避けるために (1.0.6) をダウンロードすることが重要です。第三に、電池の極性に注意してくださいすることが重要です。極性反転は、ハードウェアに深刻な損傷で起因できます。第四、校正は重要なステップであります。BtM データロガーは、高解像度、隠花植物が乾燥したために濡れている状態から行く瞬間と一致するように設計されています。これはずっと前にサンプルが水で飽和コンダクタンス値を飽和させることを意味します。しかし、手での調査は、他の値を高い精度を必要とする場合変更できます。この参照から一桁を超えて措置には、変更する抵抗と再校正プロセス (下記参照) が必要です。環境温度測定の精度に影響を与えることができます、キャリブレーションを行う際、この要因を考慮して推奨します。これを行うには、キャリブレーションは、低温測定精度と安定性 (温度効果のための Coxson12を参照) で変更を確認するべき。
変更:
BtM の部品のほとんどは固定されていますが、いくつか簡単な変更できますフィールドに resoldering なし。最も簡単な修正は、他のプローブや計測システムのわに口クリップを置き換えることです。たとえば、わに口クリップ、ウェーバーらの提案したなど、2 つのピンとプローブの代わりに14を使用することができます。
電池を変更することができない必要な周波数範囲内でできる、リモート環境で BtM データロガーを長時間電源に太陽電池パネルで電池を補完することができます。
コンダクタンスを測定する採用基準抵抗を変更するより高い解像度のランクは、上位または下位の値を簡単に変更できます。変更された場合、我々 は高い正確な残量をお勧めします。また、ソース コードの 330 KΩ の抵抗値のためにプログラムは、右辺値変数は新しい対応する値 (datalog.ino) に割り当てる必要があります。
結論:
導管隠花植物のコミュニティは非常に多様な再生数異なる重要な生態学的な役割をので非生物的環境との関係を理解することは重要な問題。BtM データロガーこれらの関係の知識の前進を助けるいくつかのアプリケーションがあります。たとえば、これらの生物が炭素シンクまたは炭素源として行動している条件についての洞察を深めることに役立ちます。これら 2 つのロール間の変動は、温度と水分3、しかし、大量のデータを記述し、世界規模でその関係の変化を理解する必要など、強く非生物的条件に関連付けられます。低コストで簡単に実装できる機器に依存している場合にのみが密なセンサ ネットワークが必要です。
要約すると、このデバイス生態研究グループのための便利なツールです, 設計およびデータロガーを構築の技術的な制約を克服する.これら 2 つの要因の組み合わせは、隠花植物の導管上皮内の水分を測定するデータロガーの使用の普及につながる可能性があります。これは順番に、中・長期的な監視ネットワークの確立を高めることができます。これらのネットワークの開発はローカルおよび地域の環境要因だけでなく生態系プロセス (例えば、栄養素の循環、コミュニティ アセンブリ) 内での役割を確認するに導管隠花植物の応答の評価に不可欠な地球変動に関する気候と人間の変化を踏まえ最も可能性の高い応答。
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、サンプリング キャンペーン中に、キャリブレーション テスト中とベレン Estébanez (UAM) を彼女の助けのために用意されているヘルプのマヌエル ・ モリーナ (UAM) とクリスティーナ Ronquillo (MNCN CSIC) に感謝しています。
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
- Fontaneto, D., Hortal, J., Ogilvie, L. A., Hirsch, P. R. Microbial Biogeography: Is Everything Small Everywhere. Microbial Ecological Theory: Current Perspectives. , 87-98 (2012).
- Proctor, M. C. F., et al. Desiccation-tolerance in bryophytes: a review. The Bryologist. 110 (4), 595-621 (2007).
- Lindo, Z., Gonzalez, A. The Bryosphere: An Integral and Influential Component of the Earth’s Biosphere. Ecosystems. 13 (4), 612-627 (2010).
- Elbert, W., et al. Contribution of cryptogamic covers to the global cycles of carbon and nitrogen. Nature Geoscience. 5, 459-462 (2012).
- Magill, R. E. Moss diversity: New look at old numbers. Phytotaxa. 9 (1), 167-174 (2014).
- Söderström, L., et al. World checklist of hornworts and liverworts. PhytoKeys. (59), 1-828 (2016).
- Lücking, R., Hodkinson, B. P., Leavitt, S. D. The 2016 classification of lichenized fungi in the Ascomycota and Basidiomycota – Approaching one thousand genera. The Bryologist. 119 (4), 361-416 (2016).
- Bowker, M. A. Biological Soil Crust Rehabilitation in Theory and Practice: An Underexploited Opportunity. Restoration Ecology. 15 (1), 13-23 (2007).
- Wilske, B., et al. The CO2 exchange of biological soil crusts in a semiarid grass-shrubland at the northern transition zone of the Negev desert, Israel. Biogeosciences Discussions. 5 (3), 1969-2001 (2008).
- Wardle, D. A., et al. Linking vegetation change, carbon sequestration and biodiversity: insights from island ecosystems in a long-term natural experiment. Journal of Ecology. 100 (1), 16-30 (2012).
- Lindo, Z., Nilsson, M. -. C., Gundale, M. J. Bryophyte-cyanobacteria associations as regulators of the northern latitude carbon balance in response to global change. Global Change Biology. 19 (7), 2022-2035 (2013).
- Coxson, D. S. Impedance Measurement of Thallus Moisture Content in Lichens. The Lichenologist. 23 (1), 77-84 (1991).
- Raggio, J., et al. Continuous chlorophyll fluorescence, gas exchange and microclimate monitoring in a natural soil crust habitat in Tabernas badlands, Almeria, Spain: progressing towards a model to understand productivity. Biodiversity and Conservation. 23 (7), 1809-1826 (2014).
- Weber, B., et al. Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts. Methods in Ecology and Evolution. 7 (1), 14-22 (2016).
- Raggio, J., et al. Metabolic activity duration can be effectively predicted from macroclimatic data for biological soil crust habitats across Europe. Geoderma. 306, 10-17 (2017).
- Young, M. H., Fenstermaker, L. F., Belnap, J. Monitoring water content dynamics of biological soil crusts. Journal of Arid Environments. 142, 41-49 (2017).
- . GitHub – united-ecology/btmboard Available from: https://github.com/united-ecology/btmboard (2018)
- . Arduino – Software Available from: https://www.arduino.cc/en/Main/Software (2018)
