BtM, открытым исходным кодом измерители лоу кост оценить содержание воды Nonvascular Cryptogams
Summary
Мы представляем простой и экономически эффективный метод для построения измерители открытым исходным кодом, который измеряет проводимость nonvascular cryptogams вместе с окружающей температуры и влажности. Мы опишем аппаратного обеспечения регистратор и предоставляют пошаговые инструкции по монтажу, список требуемых открытым исходным кодом регистрации программного обеспечения, код для запуска регистратор и протокол калибровки.
Abstract
Общины nonvascular cryptogams, например, мхи и лишайники, являются важной частью биологического разнообразия Земли, способствуют регуляции углерода и азота циклов во многих экосистемах. Будучи poikilohydric организмов, они активно не контролировать содержание их внутренние воды и нужно влажной среде для того чтобы активировать их метаболизма. Таким образом изучение водных отношений nonvascular cryptogams имеет решающее значение для понимания их разнообразие моделей и их функции в экосистемах. Мы представляем BtM измерители, лоу кост открытым исходным кодом платформы для изучения содержание воды nonvascular cryptogams. Регистратор предназначен для измерения температуры окружающей среды, влажности и проводимости от до восьми образцов одновременно. Мы предлагаем дизайн печатной платы (PCB), подробный протокол для сборки компоненты и требуется исходный код. Все это делает Ассамблея BtM измерители доступными для любой исследовательской группы, даже для тех, кто без предыдущих специальных знаний. Таким образом дизайн, представленные здесь имеет потенциал, чтобы помочь популяризации использования этого типа устройств среди поля биологов и экологов.
Introduction
Общины nonvascular cryptogams являются повсеместно и часто пренебрегают частью экосистемы суши1. Они состоят из совокупности весьма различных мелких организмов, среди которых лишайники и бриофиты являются выдающиеся первичных производителей. Эти две группы организмов разделяют физиологическая особенность, что делает их уникальными: poikilohydry, или неспособность активно контролировать содержание их внутренние воды. Это имеет серьезные последствия для их физиологических процессов поскольку метаболизм прекращается, когда клетки являются высохла в ответ на низкий уровень влажности и возобновляется, когда окружающей среде влажных снова2. Как следствие nonvascular cryptogams избежать засухи вместо того, чтобы справиться с ним2, что позволяет этим общинам выжить в широком диапазоне сред от холодной и горячей пустыни в тропиках3,4.
Кроме того они также показывают относительно простой структуры и низкой потребности в питательных веществах. Эти характеристики делают их весьма чувствительны к микроклиматических условий. В самом деле nonvascular cryptogams часто занимают нишу пространства, которая недоступна для сосудистых растений большего размера, образуя экосистем в миниатюре, которые являются важной частью разнообразия в мире. Бриофитов и лишайники только включают почти 40 000 видов (около 20 000 мохообразных sensu lato5,6 и около 20000 лишайники и7). Кроме того их вклад биоразнообразия земли даже больше, поскольку их общины предлагают жилье для огромного числа видов грибов, в том числе разнообразной флорой Свободноживущие и микоризных грибов, N-фиксирующий синезеленых водорослей, растущих как эпифиты и множество микро беспозвоночных, таких как тихоходок, ногохвостки, многоножек, насекомых и клещей, которые воспользоваться удержания воды в емкости и буферизации условий внутри эти миниатюрные экосистемы.
Общины-сосудистая cryptogams также способствуют регуляции биохимических циклов углерода. В сухом экосистем так называемый биологической почвы корки покрывают до 40% их поверхности8 и играть важную роль в качестве поглотителей углерода. Недавний обзор оценкам, что корки биологической почвы сухих средах может фиксации 7% всех углерода, установленные земной растительности. Кроме того в других экосистемах, где мохообразных, лишайников или сочетанием обоих являются основными производителями – как некоторые бореальных лесных систем или торфяников – они производят между 30% и 100% общей чистой первичной производительности10,11 . Они также важны в экосистемах, в которых эти организмы не являются доминирующими, как умеренные леса. Действительно, Лес Пол мохообразных имели ежегодный эквивалент поглощения углерода около 10% Лес Пол дыхания в Новой Зеландии умеренных тропических лесов. Кроме того они также являются важными для фиксации азота, поскольку цианобактерий, живущих как эпифиты в этих общинах могут фиксирующий почти 50% от суммы глобального биологического азота4.
Ввиду их физиологической активности зависимость наличие воды в окружающей среде как многообразие общин nonvascular cryptogam и их функций в экосистемах сильно зависит от содержания воды2. Обратите внимание, что, поскольку они не могут активно контролировать содержание воды в тканях, их роли в углеродного баланса и фиксации азота наряду с циклами увлажнения и высыхания и, таким образом, зависит от интервала и периодичность циклов сухой мокрый. Таким образом зная, что состояние содержание воды этих организмов в режиме реального времени является ключевым для понимания функций исполняет cryptogams в экосистемах.
Несмотря на свою важность, разработка методов для измерения воды содержание и физиологической активности в poikilohydric организмов был относительно медленным. В 1991 году Кокссон12 сделал первый подход непосредственно измерить содержание воды лишайников. После этого существует разрыв в такого рода исследования до недавнего развития, когда несколько работ предоставляют методы для оценки показателей физиологического состояния nonvascular cryptogams13,14,15, 16. Тем не менее такие знания еще дефицитных и разбросаны, и эти работы главным образом сосредоточены на почве корки4,8. Однако лишайники и бриофиты также играть соответствующую роль в многих других экосистем, особенно в умеренных и бореальных полярных регионах1, и их важность имеет важное значение не только в общинах почвы но и эпифитные общин, растущих на деревья и saxicolous общин на скалах. Это отсутствие исследований частично связан с отсутствие Логеры коммерчески доступных измерений, который заставляет исследовательские группы, чтобы построить свое собственное оборудование. Разработка регистратор требует специфических знаний, что большинство экологов не имеют, поэтому она значительно увеличивает стоимость реализации относительно большой измерительных сетей для получения репрезентативных данных о выполнении nonvascular cryptogams вдоль экологической и Хабитат градиентов.
В этой статье мы представляем простой и экономически эффективный метод для построения измерители, способный измерять проводимость nonvascular cryptogamic организмов одновременно с температуре и влажности. Он запрограммирован для записи автономно для относительно длительного периода времени (до двух месяцев) и достаточно прочный, чтобы выдержать суровые открытый полевых условиях. Благодаря своей простоте она будет полезным инструментом для экологов и биологи поля без специализированной подготовки в развитии Логеры или этих исследовательских групп, которые не имеют специальных сотрудников. Таким образом этот регистратор имеет потенциал, чтобы помочь популяризации использования этого типа устройств.
Мы разработали малой мощности и низкой стоимости измерители, возможность измерения проводимости от до восьми различных источников и одновременно записывать окружающей температуры и относительной влажности воздуха. Прибор разработан после Кокссон в дизайн12 и реализована на платформе открытым исходным кодом (Таблица материалов). Цель была простота сборки и энергоэффективность и содействия поддержанию долгосрочных установок. Дизайн является производным от статьи17 Открытым исходным здание науки датчики (OSBSS). Эта конструкция была изменена путем включения дополнительных схем зачитать сопротивление cryptogams и сделать ее более компактной и проще в изготовлении.
В результате BtM (плата Bryolichen температуры влажности), открытым исходным кодом печатной платы18. Каждый Совет управляется микроконтроллером высокой энергоэффективности (Таблица материалов). Окружающей температуры и относительной влажности воздуха данные собираются через датчик температуры и влажности, что приходит precalibrated и, помимо его низкое потребление энергии, имеет адекватного цена-качество.
Комиссия использует цифровой протокол коммуникации (стандартный SPI последовательного) для управления циклом измерения. Часы реального времени (DS3234), установленный на каждом борту предоставляет точные сроки. Для того, чтобы сократить потребление энергии, процессор остается в режиме ожидания большую часть времени. Каждый раз данные должны быть собраны, часы реального времени активирует процессор и инициирует процесс ведения журнала. Часы реального времени используется также для точно записать дату и время каждого дела данных.
До восьми мох и лишайники образцы могут записываться параллельно с использованием одной плате BtM. При настройке эксперимента, два зонда электрода-крокодил, применяются к каждому образцу Мосс/лишайник. Затем используется делитель напряжения между электродами и резистор ссылку с известным значением (330 KΩ в данном случае). Это значение резистора был выбран путем калибровки и на основе предыдущих мер cryptogams. Она обеспечивает разрешение один порядок величины вокруг значение ссылки (100-1000 KΩ). Падение напряжения в буфер и затем читать с микроконтроллер использованием своих аналоговых портов (A0 – A7)18. Напряжение рассчитывается путем применения следующей формулы.
VI = (ADCi x VCC) / 1023
ADCi вот сырье значение из АЦП (аналого-цифровой преобразователь) канала я, VCC напряжение питания (3,3 в данном случае), и 1023 диапазон АЦП вывода. Затем результирующие напряжения Vi используется в сочетании с законом Ома для вычисления сопротивления (ри, Ω) и проводимости (G, S) каждого образца Мосс.
Ри = (VCC x RL) / Vi – RL
G = 1 / ри
Здесь RL значение ссылки на резистор (330 KΩ в данном случае). Микроконтроллер бортового программного обеспечения включает в себя все эти уравнения, поэтому он может напрямую зарегистрировать значения сопротивления и проводимости.
Совет также собирает измерения температуры окружающей среды и влажность с помощью датчиков. Затем каждая точка данных записывается в файл журнала на microSD-карты. MicroSD TransFlash прорыв Совет был смонтирован на каждом борту BtM для этой цели. Наконец microSD-карты могут быть вручную собраны после эксперимента. Все точки данных могут быть переданы на компьютер для дальнейшего анализа.
Protocol
Representative Results
Discussion
Насколько нам известно это впервые была разработана измерители для измерения температуры, влажности и проводимость одновременно как прокси содержания воды poikilohydric организмов основано на платформе открытого доступа. BtM измерители легко построить и экономически, а также обеспечивает высокое качество измерения влажности воздуха, температуры и импеданс данных, с использованием минимальной мощности.
Простая сборка является одним из главных преимуществ этого регистратора. Как это проект с открытым кодом, мы предоставляем программное обеспечение регистрации данных и подробные схемы его структуры, а также нетехническим руководство для создания готовых к использованию BtM измерители. Это делает метод доступным для любой исследовательской группы, даже для тех, которые не работают с инженером или специализированных инженеров. Кроме того Ассамблея каждый регистратор требует только около 1 час если используется схема печатной платы и примерно 4 часа если схема смонтирована исследователями. Кроме того измерители BtM является экономически эффективным. Ориентировочная стоимость компонентов каждой единицы составляет приблизительно 100 евро, довольно низкой цене, которая может быть уменьшена еще дальше в крупномасштабных проектах путем сборки пакетов несколько Логеры.
Несмотря на ряд недавних методологических изменений, направленных на реализацию устройств, которые измеряют различные аспекты, связанные с физиологической активности nonvascular cryptogam общин, BtM заполняет пробел важные знания. Отель Raggio и др. 15 используют Moni-Да, систему мониторинга, которая получает информацию о физиологических и микроклиматическими. Физиологической активности собираются с помощью хлорофилловое свечение, метод широко используется в лаборатории для оценки активности фотосинтетических организмов . Хотя этот метод является очень точным, это значительно дороже, чем измерители BtM. Кроме того система мониторинга является частной компании продукт, который урезает автономию исследовательской группы.
Два других методов, которые недавно были опубликованы также основаны на оценке содержание воды nonvascular cryptogams. Первый основан на термические измерения, измерения (метод двойного зонд тепла импульса (DPHP)). Несмотря на многообещающие результаты недавно было показано, на молодых и др. 16, отсутствие каких-либо конкретных схемы в документе делает монтаж без специальных знаний крайне сложной. И наконец, Weber et al. 14 представил датчик под названием biocrust зонда влажности (BWP), который очень похож на измерители BtM. Однако они не предоставляют любую схему для ее строительства, которая затрудняет возможность строительства измерители без помощи специалиста. Мы преодолеть эту проблему, предоставляя не только схема строительства, но и печатной плате собрать регистратор. Интересно, что BtM могут быть легко изменены для измерения biocrusts, отдельные лица или подушки, просто изменив зажимы крокодил (для лишайников или мохообразных лиц/подушки) медного сплава электродов (для biocrusts). При необходимости, можно заменить только часть крокодилов, позволяя прямые сопоставления между типами зонд два измерения.
При интерпретации результатов, взаимосвязь между деятельностью и содержание воды должны тщательно рассмотрены, потому что BtM не непосредственно измерить фотосинтеза. Фотосинтеза и деятельности тесно связаны в nonvascular cryptogams, так как организм сухой poikilohydric в метаболических прекратить и влажных один является активным. Однако степень фотосинтетической активности могут быть определены непосредственно из содержание воды, даже несмотря на то, что можно ожидать более высокой метаболической активности – и, таким образом, выше фотосинтетическая активность – в организм хорошо гидратированных.
Важнейшие шаги:
Несмотря на простоту сборки есть некоторые важные шаги в протоколе, который должен быть тщательно рассмотрен исследователи при монтаже датчика. Во-первых как было подчеркнуто в протоколе, это довольно легко производить короткого замыкания при пайке, которые, в худшем случае, могут привести к серьезные убытки для микроконтроллера. Очень важно, чтобы проверить их наличие с мультиметром и удалить их перед подключением батареи. Мы рекомендуем использовать предоставленный дизайн печатной платы, поскольку это значительно упрощает процесс и может быть лучшим вариантом для преодоления этой проблемы. Во-вторых не все IDE версии совместимы с библиотеки, необходимые для этого регистратора. Это важно для загрузки правильного один (1.0.6), чтобы избежать любых совместимости вопросов. В-третьих важно заметить, полярность батарей. Полярности может привести к серьезные повреждения оборудования. В-четвертых калибровка является важным шагом. BtM измерители разработан так, что более высокое разрешение совпадает с моментом, в котором cryptogam идет от сухой и мокрой государства. Это означает, что значения проводимости насыщают задолго до того, как образец насыщена в воде. Однако если исследование под рукой требует более высокой точностью вокруг других ценностей, его можно изменить. Меры за один порядок величины из этой ссылки требуют резистор быть изменены и перекалибровки процесса (см. ниже). Как температура окружающей среды может повлиять на точность измерений, мы рекомендуем, принимая во внимание этот фактор при калибровке. Чтобы сделать это, калибровка должно быть сделано при низких температурах для проверки изменений в точности измерения и стабильности (см. Кокссон12 для температурных эффектов).
Модификации:
Хотя большинство компонентов BtM являются фиксированными, некоторые могут быть легко изменены в поле без перепайки. Простейшая модификации заключается в замене зубчатые зажимы для других систем зонд или измерения. Например, вместо того, чтобы зажимы крокодил, зонд с двумя выводами, как предложено в Weber et al. 14, могут быть использованы.
В удаленных средах, где замены батарейки не возможно в пределах необходимой частоты, батареи могут быть дополнены панели солнечных батарей для питания BtM измерители для более длительных периодов.
Изменяя ссылку резисторы, используемых для измерения проводимости, ранг выше резолюции могут быть легко изменены значения выше или ниже. Если изменен, мы рекомендуем точное рекалибровки. Кроме того в исходном коде, переменной ссылки RValue , которое программируется значение резистор 330 KΩ, должен присваиваться новое соответствующее значение (datalog.ino).
Заключение:
Nonvascular cryptogam общин являются весьма разнообразными и играть ряд различных ключевых экологических функций, поэтому понимание их отношения с абиотической среде является ключевым вопросом. BtM регистратор имеет несколько приложений, которые будут способствовать знание этих отношений. Например это поможет углубить понимание условий, где эти организмы выступают в качестве поглотителей углерода или источников углерода. Колебания между этими двумя ролями сильно связаны с абиотических условий, таких как температура и влажность3, но большое количество данных необходимы для описания и понимания вариации этих отношений в глобальном масштабе. Это требует плотной сенсорных сетей, которые возможны только в том случае, если они опираются на недорогих и простых в реализации оборудования.
Подводя итог, это устройство является полезным инструментом для экологических исследований групп и преодолевает технических ограничений проектирования и строительства измерители. Сочетание этих двух факторов может привести к популяризации использования Логеры для измерения отношения воды nonvascular cryptogams в situ. Это, в свою очередь, может повысить создание средне- и долгосрочного мониторинга сетей. Развитие этих сетей имеет важное значение для оценки реакции nonvascular cryptogams на местных и региональных экологических факторов, а также определить их роль в экосистемных процессах (например, питательных циклов, собрания общины) и их наиболее вероятный ответ с учетом изменений климатических и антропный факторов, связанных с глобальными изменениями.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарны Мануэль Молина (UAM) и Кристина Ronquillo (MNCN-CSIC) за помощь, оказанную в ходе испытаний калибровки и к Estébanez Белен (UAM) за ее помощь во время выборки кампаний.
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)
