BtM, um Datalogger aberto de baixo custo para estimar o teor de água de criptógamas Nonvascular
Summary
Apresentamos um método simples e de baixo custo para construir um datalogger aberto que mede a condutância de criptógamas nonvascular juntamente com a temperatura ambiental e umidade. Descrevemos o projeto de hardware do datalogger e fornecer instruções de montagem passo a passo, a lista de software de registro necessária do código-fonte aberto, o código para executar o datalogger e um protocolo de calibração.
Abstract
Comunidades de criptógamas nonvascular, tais como musgos ou líquenes, são uma parte importante da biodiversidade terrestre, contribuindo para o Regulamento do carbono e nitrogênio ciclos em muitos ecossistemas. Sendo organismos poikilohydric, eles não ativamente controlar seu conteúdo de água interna e precisam de um ambiente úmido para ativar o seu metabolismo. Portanto, estudar relações de água de criptógamas nonvascular é crucial entender tanto seus padrões de diversidade e suas funções nos ecossistemas. Apresentamos o datalogger BtM, uma plataforma open-source de baixo custo para o estudo do teor de água dos nonvascular criptógamas. O datalogger é projetado para medir a temperatura, a humidade e condutância de até oito amostras simultaneamente. Nós fornecemos um desenho para uma placa de circuito impresso (PCB), um protocolo detalhado para montar os componentes e o código-fonte necessários. Tudo isso faz com que a montagem do datalogger BtM acessível a qualquer grupo de investigação, mesmo para aqueles sem conhecimento especializado anterior. Portanto, o projeto apresentado aqui tem o potencial para ajudar a popularizar o uso deste tipo de dispositivo entre ecologistas e biólogos de campo.
Introduction
Comunidades de nonvascular criptógamas são uma onipresente e uma parte muitas vezes negligenciada de ecossistemas terrestres1. Eles são constituídos por um agregado de organismos de pequeno porte muito diferentes, entre os quais briófitas e líquenes são proeminentes produtores primários. Estes dois grupos de organismos compartilham uma característica fisiológica que os torna únicos: poikilohydry, ou a incapacidade de controlar ativamente seu conteúdo de água interno. Isto tem profundas implicações para os processos fisiológicos desde o metabolismo cessa quando as células são secas em resposta a baixos níveis de umidade e recomeça quando o ambiente é úmido novamente2. Como consequência, criptógamas nonvascular evitar a seca em vez de lidar com isso2, que permite que essas comunidades a sobreviver em uma ampla gama de ambientes de desertos quentes e frios para os trópicos3,4.
Além disso, eles também mostram estruturas relativamente simples e têm baixas exigências nutricionais. Estas características tornam altamente sensíveis às condições microclimáticas. Na verdade, criptógamas nonvascular muitas vezes ocupam um espaço de nicho que é indisponível para plantas vasculares de um tamanho maior, formando ecossistemas em miniatura que constituem uma parte importante da diversidade do mundo. Briófitas e líquenes sozinhos incluem quase 40.000 espécies (ca. 20.000 briófitas lato sensu5,6 e ca. 20.000 líquenes7). Além disso, sua contribuição para a biodiversidade da terra é ainda maior, uma vez que suas comunidades oferecem abrigo para um grande número de espécies de fungos, incluindo uma flora diversificada de fungos micorrízicos e vida livre, cianobactérias N-fixando crescem como epífitas e uma miríade de microinvertebrados, tais como tardigrades, collembola, myriapods, insetos e ácaros que aproveitam da retenção na fonte de água, as condições de capacidade e tamponadas dentro destes ecossistemas em miniatura.
Comunidades de criptógamas avasculares também contribuam para a regulamentação dos ciclos biogeoquímicos do carbono. Em ecossistemas secos, as crostas do solo biológicos chamados cobrem até 40% de sua superfície8 em desempenham um papel importante como sumidouros de carbono. Uma análise recente estima-se que crostas de solo biológica de ambientes secos podem ser fixação 7% de todo o carbono fixado pela vegetação terrestre. Além disso, em outros ecossistemas onde briófitas ou líquenes ou uma combinação dos dois são produtores primários – como alguns sistemas de floresta boreal ou turfeiras – eles produzem entre 30% e 100% da produtividade primária líquida total10,11 . Eles também são importantes nos ecossistemas em que esses organismos não são dominantes, tais como: florestas temperadas. Na verdade, briófitas de chão de floresta tinham um equivalente de absorção de carbono anual de cerca de 10% floresta respiração de andar em uma floresta temperada da Nova Zelândia. Além disso, eles também são importantes para fixação do nitrogênio, desde as cianobactérias vivem como epífitas nessas comunidades poderiam ser concentrado quase 50% do montante global de nitrogênio biológico4.
Devido a dependência de sua atividade fisiológica, a disponibilidade de água no ambiente circundante, tanto a diversidade das comunidades nonvascular Criptógama e suas funções nos ecossistemas dependem fortemente de conteúdo de água2. Observe que, desde ativamente, eles não podem controlar o teor de água em seus tecidos, seus papéis no balanço de carbono e fixação de nitrogênio são acoplados com os ciclos de hidratação e desidratação e, portanto, dependem o intervalo e a periodicidade dos ciclos de seca-molhada. Assim, saber que o status de conteúdo de água desses organismos em tempo real é a chave para entender as funções executadas por criptógamas nos ecossistemas.
Apesar de sua importância, o desenvolvimento de métodos para medir a água atividade conteúda e fisiológica em organismos poikilohydric tem sido relativamente lenta. Em 1991, Coxson12 fez uma primeira abordagem para medir diretamente o teor de água dos líquenes. Depois disso, havia uma lacuna neste tipo de estudo até um desenvolvimento recente, quando vários trabalhos forneceram métodos para aproximar as medidas do estado fisiológico das criptógamas nonvascular13,14,15, 16. No entanto, tal conhecimento é ainda escasso e dispersos, e estas obras concentram-se sobretudo em solo crostas4,8. No entanto, briófitas e líquenes também desempenham um papel relevante em muitos outras ecossistemas, particularmente em regiões polares, temperadas e boreais1, e sua importância é significativa não só em comunidades de solo, mas também por comunidades epífitas que crescem em saxicolous comunidades em rochas e árvores. Esta falta de pesquisa está parcialmente ligada à ausência de dataloggers de medição disponíveis comercialmente, que obriga os grupos de pesquisa para construir seu próprio equipamento. Desenvolver um datalogger requer conhecimento específico que a maioria dos ecologistas não têm, portanto, aumenta substancialmente o custo de implementação de redes de medição relativamente grandes, necessárias para obter dados representativos sobre o desempenho do nonvascular criptógamas ao longo ambiental e gradientes de habitat.
Neste trabalho, apresentamos um método simples e de baixo custo para construir um datalogger capaz de medir a condutância de organismos criptogâmica nonvascular simultaneamente com a temperatura e a umidade. Ele está programado para gravar de forma autônoma para relativamente longos períodos de tempo (até dois meses) e é robusto o suficiente para suportar as condições severas de campo ao ar livre. Devido à sua simplicidade, será uma ferramenta útil para ecologistas e biólogos de campo sem formação especializada no desenvolvimento de dataloggers ou os grupos de pesquisa que faltam de pessoal especializado. Portanto, este datalogger tem potencial para ajudar a popularizar o uso deste tipo de dispositivo.
Desenvolvemos um datalogger de baixa potência e baixo custo capaz de medir a condutância de até oito diferentes fontes e gravar a temperatura ambiental e umidade relativa em simultâneo. O dispositivo é projetado depois projeto12 do Coxson e implementado sobre uma plataforma open-source (Tabela de materiais). O objetivo foi para priorizar a facilidade de montagem e poder eficiência e facilitar a manutenção das instalações a longo prazo. O design é derivado de um artigo por Sensores de ciência de prédio de fonte aberta (OSBSS)17. Este projeto foi modificado por incorporando circuitos adicionais para ler para fora a impedância de criptógamas e tornando-o mais compacto e fácil de fabricar.
O resultado é BtM (placa Bryolichen temperatura umidade), placa de circuito impresso aberto18. Cada placa é controlada por um microcontrolador de alto eficiência energética (Tabela de materiais). Dados ambientais de temperatura e umidade relativa são reunidos através de um sensor de temperatura e umidade que vem mergulhar e, além de seu baixo consumo de energia, tem uma relação preço / qualidade adequada.
A placa usa um protocolo de comunicação digital (padrão SPI serial) para gerenciar o ciclo de medição. Um relógio de tempo real (DS3234) montado em cada placa fornece sincronismo exato. Para reduzir o consumo de energia, o processador permanece no modo de espera na maioria das vezes. Precisam de cada vez dados a serem coletados, o relógio de tempo real ativa o processador e desencadeia o processo de registro. Relógio de tempo real também é usado para gravar com precisão a data e hora de cada caso de dados.
Até oito musgo e/ou Líquen amostras podem ser registradas em paralelo usando uma única placa de BtM. Quando o experimento é configurado, duas sondas de eletrodo de crocodilo-clip são aplicadas para cada amostra de musgo/líquen. Em seguida, um divisor de tensão entre cada eletrodo e uma referência de resistor com um valor conhecido (330 KΩ neste caso) são usados. Esse valor de resistor foi selecionado por meio de calibração e com base em medidas anteriores das criptógamas. Fornece uma resolução de uma ordem de magnitude em torno do valor de referência (100-1.000 KΩ). A queda de tensão é armazenada em buffer e então leia com o microcontrolador usando suas portas analógicas (A0 – A7)18. A tensão é calculada aplicando a seguinte fórmula.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
Aqui, ADCi é matéria-prima o valor do ADC (conversor analógico-Digital) do canal, VCC é a tensão de alimentação (3.3 V neste caso) e 1023 é o intervalo de saída o ADC. A tensão resultante Vi é usada em combinação com a lei de Ohm para calcular a resistência (Ri, Ω) e condutância (G, S) de cada amostra de musgo.
Ri = (VCC-x RL) / Vi – RL
G = 1 / Ri
Aqui, RL é o valor da referência do resistor (330 KΩ neste caso). Software de bordo do microcontrolador incorpora todas estas equações, para que ele se pode registrar diretamente os valores de resistência e condutância.
O Conselho também recolhe as medições da temperatura ambiente e umidade usando sensores. Em seguida, cada ponto de dados é gravado em um arquivo de log em um cartão microSD. Um microSD TransFlash placa de fuga foi montado em cada placa de BtM para essa finalidade. Finalmente, o cartão microSD pode ser coletado manualmente após a experiência. Todos os pontos de dados podem ser transferidos para um computador para posterior análise.
Protocol
Representative Results
Discussion
A nosso conhecimento, isto é a primeira vez que um datalogger para medir temperatura, umidade e condutância simultaneamente como um proxy do teor de água dos organismos poikilohydric foi concebido baseado em uma plataforma de acesso aberto. O datalogger BtM é fácil de construir e de baixo custo e também fornece medições de qualidade de dados de impedância usando o mínimo de energia, temperatura e umidade do ar.
A montagem simples é uma das principais vantagens deste datalogger. Como é um projeto open-source, nós fornecemos o software de registro de dados e um esquema detalhado de sua estrutura, juntamente com um manual de técnica para a construção de um datalogger de BtM ready-to-use. Isto torna o método acessível a qualquer grupo de investigação, mesmo para aqueles que não trabalham com um engenheiro ou técnicos especializados. Além disso, a montagem de cada datalogger quase requer 1 hora se o circuito impresso placa é usado e cerca de 4 horas se o circuito é montado pelos pesquisadores. Além disso, o datalogger BtM é altamente rentável. O custo estimado dos componentes de cada unidade é de cerca de 100 euros, um preço bastante baixo que pode ser reduzido ainda mais em projetos de grande escala, pela montagem de lotes de vários dataloggers.
Embora tenha havido vários recentes desenvolvimentos metodológicos vistos implementar dispositivos que medem diferentes aspectos relacionados com a atividade fisiológica das comunidades nonvascular Criptógama, a BtM preenche uma lacuna de conhecimentos importantes. Raggio et al 15 empregam Moni-Da, um sistema de monitoramento que obtém informações fisiológicas e microclimáticas. A atividade fisiológica é coletada através de uma fluorescência de clorofila, um método amplamente utilizado no laboratório para estimar a atividade de organismos fotossintéticos. Embora este método seja altamente preciso, é significativamente mais caro que o datalogger BtM. Além disso, o sistema de monitoramento é um produto de empresa privada, o que reduz a autonomia do grupo de pesquisa.
Os dois outros métodos que recentemente foram publicados baseiam-se também a estimar o teor de água de nonvascular criptógamas. O primeiro é baseado em medições térmicas (um método de pulso (DPHP) dual-sonda térmica). Apesar de resultados promissores recentemente foram mostrados por jovem et al 16, a falta de qualquer regime específico no jornal faz montá-lo sem conhecimento especializado altamente desafiador. Por fim, Weber et al 14 apresentou um sensor chamado a sonda de umidade de biocrust (BWP), que é muito parecida com o datalogger BtM. No entanto, eles não fornecem qualquer esquema para sua construção, o que dificulta a possibilidade de construir o datalogger sem a ajuda de um especialista. Podemos superar esse problema, fornecendo não só o regime de construção, mas também a placa de circuito para montar o datalogger. Curiosamente, a BtM pode ser facilmente modificado para medir biocrusts, indivíduos isolados ou almofadas, apenas mudando os clipes de crocodilo (para indivíduos/coxins de líquen ou briófitos) para pinos de eletrodo de liga de cobre (para o biocrusts). Se necessário, pode ser substituída apenas parte dos crocodilos, permitindo comparações diretas entre os tipos de sonda de medição de dois.
Ao interpretar os resultados, a relação entre atividade e conteúdo de água deverá ser cuidadosamente dirigida, porque o BtM não mede diretamente da fotossíntese. Fotossíntese e atividade estão intimamente relacionados em criptógamas nonvascular desde que um organismo poikilohydric seco em cessar metabólica e molhado é ativo. No entanto, o grau de atividade fotossintética não pode ser inferido diretamente o conteúdo de água, apesar de uma maior atividade metabólica – e, assim, uma maior atividade fotossintética – podem ser esperados em um organismo bem hidratado.
Passos críticos:
Apesar da facilidade de montagem, existem alguns passos críticos no protocolo que deve ser cuidadosamente abordado pelos pesquisadores durante a montagem do sensor. Primeiro, como enfatizado no protocolo, é muito fácil produzir curtos-circuitos quando solda, que, na pior das hipóteses, pode resultar em sérios danos para o microcontrolador. É muito importante para verificar sua presença com um multímetro e removê-los antes de ligar as baterias. Nós recomendamos usar o design de PCB fornecido desde significativamente simplifica o processo e pode ser a melhor opção para superar esse problema. Em segundo lugar, nem todas as versões do IDE são compatíveis com as bibliotecas necessárias para este datalogger. É importante baixar o apropriado um (1.0.6) para evitar qualquer compatibilidade emite. Em terceiro lugar, é importante observar a polaridade das pilhas. Uma inversão de polaridade pode resultar em sérios danos ao hardware. Em quarto lugar, a calibração é uma etapa crítica. O datalogger BtM é projetado para que a resolução maior coincide com o momento em que a Criptógama vai do seco-húmido estado. Isto implica que os valores de condutância saturam muito antes que a amostra está saturada em água. No entanto, se o estudo em questão requer uma exatidão mais elevada em torno de outros valores, ele pode ser modificado. Medidas, para além de uma ordem de magnitude desta referência requerem o resistor a ser alterada e um processo de recalibração (veja abaixo). Como a temperatura ambiental pode afetar a precisão das medições, recomendamos tendo em conta este factor quando calibrando. Para isso, a calibração deve ser feita em temperaturas baixas para verificar se há alterações na precisão e estabilidade (ver Coxson12 para efeitos de temperatura).
Modificações:
Embora a maioria dos componentes do BtM é fixos, alguns podem ser facilmente modificado no campo sem resoldagem. A modificação mais simples é substituir os clipes de crocodilo para outros sistemas de medida ou sonda. Por exemplo, em vez dos clipes de crocodilo, uma sonda com dois pinos, como o sugerido no Weber et al . 14, pode ser usado.
Em ambientes remotos, onde mudar as pilhas pode não ser possível dentro a frequência necessária, baterias poderiam ser complementadas com um painel solar para alimentar o datalogger BtM por períodos mais longos.
Alterando os resistores de referência utilizados para medir a condutância, o posto de maior resolução pode ser facilmente modificado para valores superiores ou inferiores. Se modificado, recomendamos uma recalibração precisa. Também, no código-fonte, a variável de RValue , que está programada para um valor de resistor de 330 KΩ, deve ser atribuída para o novo valor correspondente (datalog.ino).
Conclusão:
Criptógama nonvascular comunidades são altamente diversificadas e jogam um número de diferentes papéis ecológicos fundamentais, para que compreender as suas relações com o ambiente abiótico é uma questão crucial. O datalogger BtM tem vários aplicativos que ajudarão a avançar o conhecimento dessas relações. Por exemplo, isso ajudará a aprofundar conhecimentos sobre as condições onde estes organismos estão agindo como sumidouros de carbono ou fontes de carbono. As flutuações entre essas duas funções são fortemente relacionadas às condições abióticas tais como temperatura e umidade3, mas grandes quantidades de dados são necessários para descrever e compreender as variações dessa relação em escala global. Isto exige redes de sensores densa que são possíveis apenas se eles contam com equipamentos de baixo custo e fácil de implementar.
Para resumir, este dispositivo é uma ferramenta útil para grupos de pesquisa ecológica e supera as limitações técnicas de concepção e construção de um datalogger. A combinação destes dois factores pode levar a uma popularização do uso de dataloggers para medir as relações de água do nonvascular criptógamas em situ. Isto, por sua vez, pode aumentar o estabelecimento de redes de monitoramento de médio e longo prazo. O desenvolvimento destas redes é essencial para avaliar a resposta de criptógamas nonvascular locais e regionais factores ambientais, bem como a determinar seu papel nos processos do ecossistema (por exemplo, ciclos de nutrientes, montagem de comunidade) e sua resposta mais provável, tendo em conta as alterações em fatores climáticos e antrópicos associados com a mudança global.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores são gratos a Manuel Molina (UAM) e Cristina Ronquillo (MNCN-CSIC) pela ajuda fornecida durante os ensaios de calibração e a Estébanez de Belén (UAM) por sua ajuda durante as campanhas de amostragem.
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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