الليزر المستحثة الانبعاثات الفلورية (L.I.F.E.) كاداه جديده غير الغازية لقياسات في الموقع من العلامات البيولوجية في الموائل غلاف
Summary
ولا يكاد يجري تقييم تدفقات الكربون في الغلاف الجليدي ولكنها حاسمه فيما يتعلق بتغير المناخ. نعرض هنا نموذجا جديدا للجهاز يلتقط الإمكانات الضوئية في البيئات التي تعتمد علي تكنولوجيا الانبعاثات الفلورية المستحثة بالليزر (L.I.F.E.) والتي تقدم بيانات عاليه الطيفية والمكانية تحت ظروف الموقع.
Abstract
ويؤثر الاحترار العالمي علي المجتمعات الميكروبية في مجموعه متنوعة من النظم الايكولوجيه ، ولا سيما الموائل غلاف. ومع ذلك ، لا يعرف سوي القليل عن تدفقات الكربون التي تتوسط فيها الجراثيم في بيئات متطرفة. التالي ، فان منهجيه اكتساب العينات الموصوفة في الدراسات القليلة جدا المتاحة تنطوي علي مشكلتين رئيسيتين: ا) تتطلب البيانات عاليه الاستبانة عددا كبيرا من العينات ، وهو أمر يصعب الحصول عليه في المناطق النائية ؛ B) التلاعب عينه لا مفر منه مثل القطع ، والنشر ، وذوبان النوى الجليد الذي يؤدي إلى سوء فهم الظروف في الموقع. في هذه الدراسة ، يتم تقديم نموذج الجهاز الذي لا يتطلب اعداد العينة ولا عينه التدمير. ويمكن استخدام الجهاز في القياسات الموضعية باستبانة طيفيه ومكانيه عاليه في النظم الايكولوجيه الارضيه والجليدية ويستند إلى تقنيه Lلوريسسينسي nduced Fالخاصة بالبعثة (l.i.f.e.). فوتواوتوتروفيك المجتمعات المحلية التي يمكن التعرف عليها من خلال الكشف عن توقيعات L.I.F.E. في الصور. ال L.I.F.E. أداه معايره ل [بورترين] مشتقات كلوروفيل[ا ] ([شل]) (405[نم] ليزر أثاره) و [ب-فيكوريثرين] ([ب-ب]) (532 nm ليزر أثاره) برهنت. وللتحقق من صحة هذه المنهجية ، تم التصديق علي بيانات L.I.F.E. بطريقه تقليديه لقياس الكمية التي انطوتعلي استخراج الصباغ والقياس الطيفي اللاحق للامتصاص. وقد ثبت تطبيق النموذج الاولي في الميدان في بيئات قطبيه متطرفة. وأجريت تجارب أخرى علي الموائل الارضيه اثناء عمليات المحاكاة التناظرية في المريخ في الحلوى المغربية وعلي الجبل الجليدي النمساوي الصخري. وتمكن أداه L.I.F.E. من اجراء عمليات مسح عاليه الاستبانة للمناطق الكبيرة ذات العمليات اللوجستية المقبولة وتسهم في فهم أفضل للإمكانيات الايكولوجيه للمجتمعات المحلية التي هي في سياق التغير العالمي.
Introduction
والغلاف الجليدي ياوي الجليد البحري والأنهار والبحيرات الجبلية العالية ومناطق الثلوج وجليد البحيرات ومجاري المياه الذائبة والأراضي المتجمدة. وتغطي هذه المناطق ما يقرب من 11 في المائة من اليابسة في الأرض1و2 وهي مكشوفة بالجو كبيئة غلافه معترف بها. وتظهر الدراسات الاخيره ان المناطق الشاسعة من الغلاف الجليدي تتراجع بسرعة3,4. القطب الجنوبي5,6, ال [البس]7, المنطقة قطبيه8, واخري مناطق يبدي سلبيه جليد كتله موازين. ويؤدي تراجع القبعات الجليدية والأنهار الجليدية إلى نضوب أكبر خزان للمياه العذبة علي الأرض. في بعض المناطق ، تراجع الأنهار الجليدية لا يمكن وقفها5.
ولفتره طويلة ، اعتبرت النظم الايكولوجيه الجليدية بيئات عقيمه. ومع ذلك ، علي الرغم من الظروف القاسية ، فان وجود الحياة النشطة في الغلاف الجليدي للأرض هو واضح9،10،11،12،13،14،15 . ونظرا للاتجاه نحو الخسائر الهائلة في الجليد عن طريق الذوبان ، فان الغلاف الجليدي يمر بتحول في النشاط البيولوجي ، مما يؤثر علي الموائل المتاخمة. لفهم تلك التغييرات التي لا رجعه فيها جزئيا نحن بحاجه إلى أساليب للتحقيق في النشاط البيولوجي في الجليد تحت ظروف في الموقع مع الدقة المكانية والزمانيه عاليه.
في البيئات الحيوية ، يمكن العثور علي الحياة في الثقوب الكريوكونيتيه ، وأغطيه الثلوج ، والمياه المذابة ، والجداول ، وعلي أسطح الجليد العارية. ومع ذلك ، فان الموائل الأكثر وضوحا هي الثقوب كريوكونيتي. انها تظهر علي الصعيد العالمي في بيئات الدرع ووصفت لأول مره من قبل المستكشف السويدي ادولف اريك nordenskjold خلال بعثه إلى غرينلاند في عام 1870 في16,17. يتكون الاسم من الكلمات اليونانية “kryos” (الباردة) و “konia” (الغبار). الحطام العضوي الداكن وغير العضوي المشتق من الايوليه يعلق علي سطح الجليد ويقلل من البياض محليا. الإشعاع الشمسي يعزز ذوبان الحطام في طبقات الجليد أعمق ، وتشكيل أحواض اسطوانيه مع الرواسب (كريوكونيتي) في أسفل9. كريوكونيتي الثقوب تغطي 0.1-10 ٪ من مناطق الاجتثاث الجليدية11.
تتكون المجتمعات الكريوكونيتيه من الفيروسات ، والفطريات ، والبكتيريا ، والبكتريا الزرقاء ، والطحالب المجهرية ، والبروتوزوا. اعتمادا علي المنطقة ، ويمكن أيضا العثور علي الكائنات تباعد مثل الروتيفرز ، الديدان الخيطية ، القروش ، اليرقات ، ويرقات الحشرات. ادواردز وآخرون18 وصف الثقوب الكريوكونيتيه بأنها “نقاط ساخنه الجليد الباردة”. كما انها تتبع الجينات الوظيفية في الثقوب كريوكونيتي التي هي المسؤولة عن الدراجات N, Fe, S, و P. والنظم الايكولوجيه بحيرة صغيره والضوئية بمعدلات وجدت في أكثر دفئا وأكثر الموائل الغنية بالمغذيات11. وتؤكد هذه النتائج علي الدور الهام لعزل الميكروبات في البيئات التي تتسم بالبراغماتية. بجانب المجتمعات الحية في الثقوب كريوكونيتي ، ويسكن الأسطح الجليدية العارية من الطحالب الجليدية. علم الوظائف الفسيولوجية ودرس جيدا19 ولكن لم يتم تقييم توزيعها المكاني20. وجودهم في بيئات البراغماتية يقلل من البياض ، التالي يعزز ذوبان التي تؤدي إلى أووتواش المغذيات ومدخلات المغذيات في الموائل المصب9. ويؤثر ارتفاع درجات الحرارة ، التالي زيادة توافر المياه السائلة ، علي صافي إنتاجيه النظام الايكولوجي في هذه النظم الايكولوجيه الجليدية.
في البيئات الحيوية ، والكائنات النشطة الضوئية تحويل الكربون غير العضوي والنيتروجين إلى العضوية ، والمصادر المتاحة للاغذيه الميكروبية ويب21،22. حتى الآن هناك القليل من الدراسات التي تقدر تدفقات الكربون سوبرالاكال11،20،23. وينجم التفاوت في معدلات تدفق الكربون المقترحة عن انخفاض استبانه البيانات المكانية والزمانيه. الاضافه إلى ذلك ، يتم بالبالكاد تقييم التوزيع المكاني للمجتمعات المحلية الكريوكونيتيه خارج الثقوب. كوك وآخرون20 تنبا في نماذجها ان المجتمعات الطحالب السطحية إصلاح ما يصل إلى 11x الكربون أكثر من الثقوب الكريوكونيتيه المعاصرة بسبب تغطيتها سطح كبير. ولا يزال اكتشاف جماعات الطحالب التي تؤمن سلامه العينات أمرا معرقلا بسبب الاداات المفقودة للكشف الموقعي والقياس الكمي.
واستجابه للصعوبات في مجال اللوجستيات ، فان النظم الايكولوجيه الجليدية كثيرا ما تدرس بدرجه اقل من الموائل في المناطق المعتدلة. ويعتمد تحليل البيانات علي عدد العينات التي يتم تقييمها ويعتمد علي امكانيه الوصول إلى مواقع الدراسة. أساليب أخذ العينات القياسية مثل النشر ، الحبال ، وذوبان اللاحقة تنطوي علي التلاعب في المجتمع الميكروبية. وعلي سبيل المثال ، فان تقييم الكلوروفيلa (chlا) في عينات الجليد الصلبة مستحيل باستخدام أساليب قياسيه دون تدخل كبير. التالي ، لا مفر من التغيرات في درجات الحرارة الناجمة عن ذوبان داخل المجتمعات الميكروبية التحقيق. وردا علي القدرة الحرارية لل فوتوسيستيم II والهياكل الخلوية الأخرى في الامراض العقلية22، فان التحاليل المختبرية لعينات الجليد المذاب ستؤدي دائما إلى تزوير الظروف في الموقع.
والقياسات غير التدميرية في الموقع هي الطريقة المعقولة الوحيدة للحصول علي بيانات موثوقه. ويمكن تحقيق هذا الهدف باستخدام الطرق المستندة إلى الفلورية. ونظرا لوظيفة الحصاد الخفيفة ، فانه يوجد في الكائنات الحية التي تسهم في دوره الكربون في البيئات التي تتسم بالخفة ، كما ثبت من قبل انسسيو وآخرون11. التالي ، فان هذه الجزيئات الفلورية هي المؤشرات الحيوية المناسبة لقياس تدفقات الكربون بوساطة الميكروبات في النظم الايكولوجيه الجليدية.
في هذه الدراسة ، نقدم التطوير ، والمعايرة ، وتطبيق أداه جديده غير الغازية للقياس الكمي في الموقع منجزيئات البولي إيثيلين و B -PE في النظم الايكولوجيه الارضيه والجليدية. ويستند الجهاز النموذج علي انبعاثات الفلورسنت التي يسببها الليزر ، والمعروف أيضا باسم L.I.F.E. الاداه البصرية (الشكل 1) يلتقط التواقيع المؤشرات الحيوية الفلورية بعد الاثاره فلوري المستحثة بالليزر. الاجراء غير تدميري ويمكن تنفيذه في موقع الدراسة أو في المختبر.
الشكل 1: نموذج l.i.f.e.. اليسار: صوره من الصك دون غطاء واقيه. حق: الرسم التخطيطي للصك. إجمالي الكتلة = 5.4 كجم (الليزر والبصريات = 4.025 كجم ، كمبيوتر محمول = 1.37 كجم). ألومنيوم الإطار = 32.5 سم × 20.3 سم × 6.5 سم. أنبوب البصرية: 18.4 سم × 4 سم (قطر). CCD: برنامج bluefox mv220g الاستشعار ؛ F: مضاعفات–قاد المرشحات تمريره طويلة (450 nm و 550 nm) ؛ L: العدسات البصرية ؛ M1: المرايا; M2: مراه ديشروريك ؛ MC: متحكم ؛ P: المنشور ؛ تلفزيوني: الخائن شعاع الاستقطاب ؛ S: شق فتحه مصنوعة من شفرات الحلاقة قابل للتعديل. شريط مقياس = 70 مم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
وتزن المجموعة المحمولة ذات الطول الموجي المزدوج 4.5 كيلوغراما وتستخدم علي حامل ثلاثي القوائم بالاشتراك مع حاسوب خارجي. اعداد الحقل سريع وسهل. يتم إرفاق الصك إلى ترايبود ، ويتم إرفاق أنبوب العدسة إلى الجهاز مع كابل USB وكابل الكاميرا. يتم توصيل الكمبيوتر الخارجي بالاداه باستخدام كبل USB. يتم تعديل الساقين ترايبود في مثل هذه الطريقة التي يتم توجيه أنبوب العدسة نحو ويغطي العينة. ثم ، الليزر الأخضر 5 ميغاواط يضرب العينة بعد اجتياز الخائن شعاع الاستقطاب الذي يعيد توجيه الضوء المستقطب نحو المحور البصري لمطياف. وتظهر العينة ضوءا فلوريا ، موضحا باللون الأحمر في الشكل 1. نصف الضوء الغضروفي يمر الخائن شعاع الاستقطاب ، ويركز من خلال فلتر لفتره طويلة التي قادت مضاعفات التي تزيل إشارات الليزر. وبعد ذلك ، تضرب الاشاره فتحه عدسه تتكون من شفرتي حلاقه قابله للضبط. والمنشور الطيفي يفصل الخط الرفيع للضوء المتعامد مع فتحه الشق قبل ان يتم التقاط الاشاره بواسطة جهاز الاستشعار. ويتكرر هذا الاجراء مع الليزر الأزرق. يتم نقل البيانات الاوليه تلقائيا إلى كمبيوتر محمول يستخدم أيضا لعمليه البرنامج.
يتم التحكم في الصك من قبل جهاز كمبيوتر خارجي باستخدام بيئة LabVIEW التي تتزامن مع التقاط الصورة مع كاميرا CCD ، والتبديل علي/قباله الليزر ، وتناوب عجله تصفيه تمريره طويلة. وتنقسم واجهه المستخدم الرسوميه (GUI) إلى ثلاثه أقسام رئيسيه. يتم اجراء تعديل التعرض يدويا. وعلي الرغم من ان التصحيح بين وقت التعرض وشده الاشاره خطي (الشكل 2 ب) ، فان الحد الأقصى لوقت التعرض يقتصر علي 10 ثانيه لان زمن التكامل الأطول يؤدي إلى انخفاض كبير في نسبه الاشاره إلى الضوضاء. يتم استخدام حقل التعليق لوصف العينة (الشكل 2A). في القسم الأيمن ، يتم عرض الصور الخام بمجرد الانتهاء من القياسات. وهذه الميزة حاسمه لتقييم البيانات الفورية في الميدان (الشكل 2جيم-هاء). تشير المناطق الحمراء إلى البيكسلات المكشوفة ، والتي يمكن تجنبها عن طريق تقليل وقت التعرض.
يتم فصل عمليه الحد من البيانات الخام اللاحقة من اجراء الحصول علي الصورة ويمكن القيام به في اي وقت بعد الحصول علي الصورة.
الشكل 2: واجهه المستخدم الرسوميه لL.I.F.E. للحصول علي البيانات وتقييم البيانات الاوليه. (ا) يتيح البرنامج إدخال النص اليدوي لأوصاف العينة. (ب) يمكن تعديل وقت التعرض قبل القياس. (ج − ه) يتم عرض الصور الخام علي الجانب الأيمن من الواجهة. (ه) ألوان الحمراء تشير إلى تشبع المستشعر. (و) يؤدي تنشيط زر القياس المشغل إلى تشغيل عمليه الحصول علي البيانات. في الصفيف (G) ، يتم عرض كافة الأوامر التي يتم تنفيذها تلقائيا اثناء الحصول علي البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: مثال للصورة الخام. اليسار: البيانات الخام من المعيار chl في محلول الأسيتون ،سجلت مع الصك ل. نظرا للخصائص البصرية للجهاز ، يتم عرض الاشاره كخط مشوه. حق: تفسير الصورة الخام لكل بكسل (px). يتم رسم المحور الطيفي (دقه 5 نانومتر/px) مقابل المحور المكاني (دقه 30 ميكرومتر/بكسل). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
وتظهر الصور الخام ذات الحجم الرمادي التي تبلغ 12 بت عنصرا مكانيا بسبب شق فتحه أحاديه البعد ومكون طيفي بسبب المنشور امام اتفاقيه مكافحه التصحر (الشكل 3). استجابه للقيود البصرية يتم تشويه الصور الخام. ولذلك ، فانها تحتاج إلى ان يتم اقتصاصها وdewarped عن طريق تطبيق التعليمات البرمجية التي تعترف درجه التشويه. ويتم ذلك باستخدام معالج البرامج (الشكل 4). المقبل ، يتم معايره الطول الموجي مع الليزر 532 nm. يتم إنتاج الضوء الأخضر عن طريق مضاعفه تردد الليزر بالاشعه تحت الحمراء 1,064 nm. كل الأطوال الموجية يمكن الكشف عنها من قبل اتفاقيه مكافحه التصحر ، التالي ، يمكن حساب الموقف الطيفي لكل بكسل في الصور dewarped تلقائيا (الشكل 4).
ثم يتم اقتصاص الصورة وصولا إلى نطاق الطول الموجي المعطي (550 – 1000 نانومتر لقياسات الليزر الخضراء و 400 – 1000 لقياسات الليزر الزرقاء). يتم احتساب القيم الرمادية من كل بيكسل في خط البكسل المحدد وتلخيصها. يمكن ان تتراوح القيمة الرمادية من 0 – 255. بعد ذلك ، كل سطر بكسل حسابات لرقم واحد. مزيد من التعليمات البرمجية علي الشاشة تؤدي إلى إنشاء مؤامرة تظهر القيمة الرمادية تحسب من كل خط بكسل رسمت علي الإحداثيات المكانية. وهذا يسمح بالتمييز المكاني الكميلكل من النموذجين (chl a و B-PE) في ان واحد. بالاضافه إلى ذلك ، يمكن رسم الخصائص الطيفية للعينه من خطوط البكسل المحددة تلقائيا.
الشكل 4: الصور الخام ديواربينغ. اليسار: صوره خام ملتقطه بالليزر الأخضر. لم يتم استخدام اي فلتر. يتم عرض إشارات في 532 nm و 1,064 nm. وقت التعرض = 0.015 s. Center: يتم استخدام اشاره الاقتصاص 532 nm كخط مرجعي إلى اعوجاج مجموعه من الصور. حق: صوره الندي من مصدر الصورة الخام. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
المعايره
كان هناك ارتباط خطي بين تركيز الصباغ وكثافة مضان بعد تطبيع التهم الفوتون إلى وقت التعرض ل 1 s. العينات ذات ارتفاع العمود منخفضه وتركيزات الصباغ منخفضه أدت إلى مبالغه في تقدير اصباغ الهدف ، مقارنه مع ارتفاعات العمود اعلي مع تركيز الصباغ نفسه. وعلاوة علي ذلك ، تتطلب الإشارات الفلورية الضعيفة أوقات تعرض طويلة لعدد كاف من الفوتونات علي جهاز الاستشعار. ومع ذلك ، فان أوقات التكامل الطويلة زادت أيضا من كميه الضوء الضال علي جهاز الاستشعار ، مما ادي إلى انخفاض نسبه الاشاره إلى الضوضاء. في نسخته الحالية ، لا يمكن للبرنامج التمييز بين الضوضاء والاشاره اثناء عمليه الحد من البيانات. التالي ، ادي انخفاض قياسات كثافة الفلورية إلى مبالغه في تقدير الصباغ لان الضوضاء كانت تحسب كاشاره مشتقه من الاصباغ المستهدفة. وعلاوة علي ذلك ، أظهرت الكثافة الفلورية من حلول الصباغ المركزة تنوعا أكبر من حلول التركيز المنخفضة. ويمكن تفسير هذا التاثير من خلال عمليات الامتصاص داخل المحاليل الصباغ التي تم استخدامها لمنحني المعايرة.
التحقق من صحة البيانات عن الكلوروفيلالكمي
بعد تصفيه عينات الثلج والثلج ، ظهرت العينات ثلاثية الابعاد تقريبا كعينه ثنائيه الابعاد علي الفلتر. وبرر ذلك اجراء مقارنه مباشره بين البيانات الطيفية (كثافة المنطقة) والقياسات الضوئية (الحجمية).
وأشارت مجموعه البيانات (الشكل 8) إلى ان تركيز الصباغ العالي يؤدي إلى بخس في التقدير ، في حين يؤدي التركيز المنخفض لصبغ الصباغ إلى مبالغه في القيمة الفعلية. ويمكن تفسير هذا التاثير بسماكة كعكه فلتر التالي ، فان الطابع الحجمي للعينه. ويعتمد عمق تغلغل الليزر علي الكثافة البصرية وسماكه العينة. قللت [كنتنتس] عال صبغ كان لان الليزر استطاع لم يحث صبغيه في طبقات عميقة. ومع ذلك ، في الكعك فلتر رقيقه ، تم القبض علي إشارات منخفضه الفلوري بسبب كثافة المنطقة المنخفضة من الاصباغ. علي ما يبدو ، اظهر الفلتر نفسه إشارات مستحثه بالليزر بعد اجتياز فلتر التمرير الطويل 450 nm (الشكل 12). وقد عدت هذه الاشارهبصوره مضللهكاشاره مضانه مستمده من المجموعة المذكورة. التالي ، رقيقه وسميكه جدا مرشح الكعك من الصعب قياس مع أداه L.I.F.E..
الشكل 12: الإشارات الفلورية من الكعك السميك (A) والرقيق (B) علي فلتر GF/F. (ا) التظليل الذاتي يمنع الفلوري المستحث بالليزر من طبقات أعمق ، مما يؤدي إلى التقليل من تركيز الصباغ الفعلي. (ب) الانبعاثات الفلورية من كعكه الفلتر مع تراكب بواسطة انعكاسات الفلتر. (ج) بيانات الخام إظهار انعكاس الفلتر (رمادي). الملكية الطيفية للمختبر المستمدة من النمط الفلوريويتضح باللون الأحمر. شريط مقياس = 45 مم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
القيود المفروضة علي نموذج L.I.F.E.
وخلال الحد من البيانات ، فسر البرنامج المشفر MATLAB الصور الخام عن طريق تلخيص خطوط البكسل ضمن نطاق موجي معين. ولم يميز الإصدار الحالي من البرنامج بين الإشارات المشتقة العضوية وغير العضوية. قد يؤدي وجود إشارات متعددة إلى مبالغه في تقدير محتوي الصباغ الفعلي. وأديت فترات التعرض الطويلة بسبب شده انخفاض الكثافة الفلورية إلى انخفاض نسبه الاشاره إلى الضوضاء ، مما عزز التاثير علي النحو المبين أعلاه (انظر الشكل 8 والشكل 12).
وأظهرت صخره الجيود المبينة في الشكل 13 ضوء الفلورسنت الأحمر عندما يتعرض مع الضوء الأخضر والأزرق. في الوقت الحالي ، ليس من الواضح ما إذا كانت الفلورية تنتج عن المعادن أو عن الجزيئات القائمة علي البورترين. التالي ، فان تراكب الإشارات البيولوجية وغير البيولوجية قد يحد من تطبيق هذه الطريقة ويتطلب إنشاء قاعده بيانات مضانه مصنوعة خصيصا لنموذج L.I.F.E..
الشكل 13: الفلورية المعدنية من صخره الجيود ، وجدت في نيويورك-اليسون. وكان متحمس الصخرة مع 532 nm 50 mW الليزر (a) و 405 Nm 50 mw الليزر (B). تم القبض علي كلا الصورتين مع مرشح الاستقطاب المرفقة علي العدسة ، مما ادي إلى تزوير ألوان الفعلية مضان. (ج) الصورة الملونة الحقيقية دون استخدام فلتر الاستقطاب في ظروف النهار. شريط مقياس = 40 مم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
واستنتج بيوتلر وآخرون29 ان أطياف الانبعاثات المميزة من البكتيريا الزرقاء في النظم الايكولوجيه البحرية تعتمد علي الظروف البيئية. أيضا, الحالة الايضيه له تاثير علي الخصائص الفلورية في الكائنات الحية الضوئية30. وقد يميز الصك الخاص باله الترتبطه بين الطحالب والنمط الفلوري باستخدام مكتبات البصمات الحيوية التي تحتوي علي معلومات طيفيه للعينه ترتبط بالظروف البيئية.
في الظلام–تكييفها الجزيئات chl ، وجميع مراكز رد الفعل تتاكسد تماما والمتاحة للتصوير الضوئي والغلة لا فلوري ويروي31. باستخدام الاجراء L.I.F.E. ، هو متحمس لأول مره من قبل الليزر 532 nm (الأخضر) ومن ثم مع الليزر 405 nm (الأزرق). خلال الاثاره الثانية بالليزر الأزرق، قد تظهر الاستجابة الفلورية المنخفضة بسبب الاثاره السابقة بالليزر الأخضر. [شل] يمتص طاقة في 532[ نم] طول موجي, علي الرغم من بعده من ه امتصاص حد اقصي طول موجية32. قبل القياس chlالفعلية في 405 نانومتر ، قد يسبب الليزر الأخضر التفاعلات الكيميائية الضوئية ، وتفعيل أليات التبريد في اصباغ الهدف. وعلاوة علي ذلك ، لم تؤد الاضاءه المسبقة للكائنات الضوئية البحرية إلى تغيير في منحنيات المعايير الطيفية بين 450 نانومتر-600 نانومتر بينما زاد الانحراف المعياري في كثافة الفلورية بنسبه 25%29. اعتمادا علي الأنواع ، زادت كثافة مضان حتى استجابه لأثاره السابقة. ويتطلب هذا الموضوع مزيدا من التحقيق.
انطباق
اختبرنا أداه L.I.F.E. في الموائل المختلفة مع التركيز علي الثقوب الكريوكونيتيه. تم تطبيق الليزر بنجاح في التربة والموائل بيوفيلم بسبب غياب الضوء المحيط اثناء القياس. ويمكن قياس حبيبات كريوكونيتي عندما تحجب طبقات الرواسب الضوء من تحت الثقب (الشكل 14 ا،ج). وكانت ثقوب كريوكونيتي الرواسب الرقيقة قابله للاختراق للضوء الطائش من الأسفل (الشكل 14 ب). الضوء الضال يتداخل مع القياس. التالي ، لا يمكن قياس تركيز الصباغ في أسطح الجليد العارية في ظل ظروف النهار حتى الآن. ويجري حاليا بذل جهود لمعالجه الإشارات للتمكين من تشغيل النظام في ظروف الاضاءه المحيطة العالية.
الشكل 14: ثقب كريوكونيتي بالماء السائل علي القمه. (ا) كريوكونيتي علي النهر الجليدي مع أنبوب عدسه l.i.f.e.. شريط مقياس = 70 مم. (ب) طبقه الرواسب (الحمراء) رقيقه جدا. الضوء الضال ينزف من خلال طبقه كريوكونيتي. (ج) طبقه الرواسب سميكه بما يكفي لمنع الضوء الضال من الأسفل. هذا النوع من ثقب كريوكونيتي قابل للقياس مع L.I.F.E. الصك. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
وفي الختام ، كشفت أداه L.I.F.E. لدينا عن كائنات فوتواوتوتروفيكه في الموائل الارضيه مثل التربة ، والحصير البكتيري ، والاغشيه البيولوجية ، والثقوب الكريوكونيتيه علي الأسطح الجليدية. وكانتالجزيئات المستهدفة هي Chl و B-PE. وكان القرار المكانية 30 μm/px. وكان الحد الأقصى للكشف عن chl 250 Pg/ml و 2 نانوغرام/مل ل B-PE. بعد المعايرة المختبرية تمكنا من قياس محتوي الصباغ في العينات التي تم جمعها في موقعنا الدراسي في القطب الشمالي. قمنا بتطبيق برامج ذاتية البرمجة لعمليه خفض البيانات المؤتمتة. وتتطلب اثار وجود المعادن وتغير ظروف الاضاءه اثناء القياسات مزيدا من التحقيق.
ومع احترار المناخ ، تؤدي زيادة درجات الحرارة إلى تعزيز توافر المياه السائلة ، مما يؤدي إلى ارتفاع النشاط البيولوجي علي الأسطح الجليدية لتغذي والطبيعة غير المتجانسة. وينبغي بذل جهود حثيثه للكشف عن الكائنات غير المتجانسة في الموقع لإعطاء صوره كامله عن الحياة النشطة في الغلاف الجليدي. ويمكن اختبار هذا مع اصباغ الهدف الأخرى والموجات الليزر الاثاره المناسبة. التالي ، يوفر L.I.F.E. نظام رصد مناسب يوفر الدقة الزمنيه والمكانية العالية للظروف الجغرافية في سياق التغير العالمي وكذلك التطبيقات البيولوجية الفلكية المحتملة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويشكر المؤلفون بامتنان العقيد (IL) J.N. Pritzker ، ومؤسسه تاواني ، والولايات الامريكيه ، والوزارة الاتحادية النمساوية للعلوم والبحوث والاقتصاد (العلوم الفوارة SPA04_149 و SPA05_201) ، وجبال الألب فورشونغستيل اوبرغورغل (افو) ، ومنتدى الفضاء النمساوي ( ÖWF) ، الروماني ايرلر من هينترتوكلر الناطور Eis بالاست ، الحراجة الاتحادية النمساوية ومدير قاعده نك كوكس من المحطة القطبية الشمالية في نيويورك اليسوند (سفالبارد). ونحن مدينون أيضا لصابرينا Obwegeser ، كارينا Rofner ، فأبيان دريوس لمساعدتهم اثناء التصوير. وأخيرا ، نريد ان نشكر جيمس برادلي لإعطاءه صوتا للفيديو المصاحب.
Materials
| aceton | Merck | 67-64-1 | |
| B-Phycoerythrin | Invirtrogen | P6305 | |
| Chlorophyll a standard | Sigma-Aldrich | C6144-1MG | |
| formaline | Merck | HT501128 | 36% |
| GF/C filters | Whatman | WHA1822025 | 25mm diameter |
| HCl | Merck | H1758 | 36,5-38% |
| L.I.F.E. Prototype | University of Innsbruck | built on demand | |
| LabView | National Instruments | Software, Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench | |
| Leucine, L-[4,5-3H], 1 mCi | Perkin Elmer | NET1166001MC | radioactive |
| Liquid scintillation cocktail Beckman Ready Use | Beckman | not more available, can be compensated by Ultra Gold, Packard | |
| liquid scintillation counter | Beckman | out of stock | LSC 6000 IC |
| NaH14CO3 (4 µCi/ml) | DHI Denmark | 4 μCi/ml, 1 ml | radioactive |
| Osmonics polycarbonate filters | DHI Denmark | PCTE | 25mm diameter, 0,2µm pore size |
| Polyscintillation vials | Perkin Elmer | WHA1825047 | 20ml |
| sample tubes | Sigma Aldrich | T2318-500EA | Greiner centrifuge tubes, 50ml |
| Spectrophotometer | Hitachi | NA | Model U2001, any photometer for absorption spectroscopy measuring at 664nm and 750nm would be appropriate |
| trichloric acetic acid (TCA) | Merck | T6399 | 100% |
| ultrasonic probe | nano lab | QS1T-2 |
References
- Boyd, E. S., Skidmore, M., Mitchell, A. C., Bakermans, C., Peters, J. W. Methanogenesis in subglacial sediments. Environmental Microbiology Reports. 2, 685-692 (2010).
- Sattler, B., Puxbaum, H., Psenner, R. Bacterial growth in supercooled cloud droplets. Geophysical Research Letters. 28, 239-242 (2001).
- Good, P., et al. A review of recent developments in climate change science. Part I: Understanding of future change in the large-scale climate system. Progress in Physical Geography. 35, 281-296 (2011).
- Fountain, A. G., et al. The Disappearing Cryosphere: Impacts and Ecosystem Responses to Rapid Cryosphere Loss. BioScience. 62, 405-415 (2012).
- Rignot, E., Mouginot, J., Morlighem, M., Seroussi, H., Scheuchl, B. Widespread, rapid grounding line retreat of Pine Island, Thwaites, Smith, and Kohler glaciers, West Antarctica, from 1992 to 2011. Geophysical Research Letters. 41, 3502-3509 (2014).
- McMillan, M., et al. Increased ice losses from Antarctica detected by CryoSat-2. Geophysical Research Letters. 41, 3899-3905 (2014).
- Barletta, V. R., et al. Glacier shrinkage and modeled uplift of the Alps. Geophysical Research Letters. 33, 14307 (2006).
- Nuth, C., et al. Decadal changes from a multi-temporal glacier inventory of Svalbard. The Cryosphere. 7, 1603-1621 (2013).
- Takeuchi, N., Kohshima, S., Seko, K. Structure, formation, and darkening process of albedo-reducing material (cryoconite) on a Himalayan glacier: A granular algal mat growing on the glacier. Arctic Antarctic and Alpine Research. 33, 115-122 (2001).
- Takeuchi, N. Optical characteristics of cryoconite (surface dust) on glaciers: the relationship between light absorbency and the property of organic matter contained in the cryoconite. Annals of Glaciology. 34, 409-414 (2002).
- Anesio, A. M., Hodson, A. J., Fritz, A., Psenner, R., Sattler, B. High microbial activity on glaciers: importance to the global carbon cycle. Global Change Biology. 15, 955-960 (2009).
- Anesio, A. M., et al. Carbon fluxes through bacterial communities on glacier surfaces. Annals of Glaciology. 51, 32-40 (2010).
- Storrie-Lombardi, M. C., Sattler, B. Laser-Induced Fluorescence Emission (L.I.F.E): In Situ Nondestructive Detection of Microbial Life in the Ice Covers of Antarctic Lakes. Astrobiology. 9, 659-672 (2009).
- Murray, A. E., et al. Microbial life at -13 °C in the brine of an ice-sealed Antarctic lake. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 20626-20631 (2012).
- Edwards, A., et al. A distinctive fungal community inhabiting cryoconite holes on glaciers in Svalbard. Fungal Ecology. 6, 168-176 (2013).
- Miteva, V., Margesin, R., Schinner, F., Marx, J. C., Gerday, C. Bacteria in Snow and Glacier Ice. Psychrophiles: from Biodiversity to Biotechnology. , 31-50 (2008).
- Yallop, M. L., et al. Photophysiology and albedo-changing potential of the ice algal community on the surface of the Greenland ice sheet. The ISME Journal. 6, 2302-2313 (2012).
- Edwards, A., et al. A metagenomic snapshot of taxonomic and functional diversity in an alpine glacier cryoconite ecosystem. Environmental Research Letters. 8, 035003 (2013).
- Remias, D., et al. Characterization of an UV-and VIS-absorbing, purpurogallin-derived secondary pigment new to algae and highly abundant in Mesotaenium berggrenii (Zygnematophyceae, Chlorophyta), an extremophyte living on glaciers. FEMS Microbiology Ecology. 79, 638-648 (2012).
- Cook, J., et al. An improved estimate of microbially mediated carbon fluxes from the Greenland ice sheet. Journal of Glaciology. 58, 1098-1108 (2012).
- Mueller, D. R., Vincent, W. F., Pollard, W. H., Fritsen, C. H. Glacial cryoconite ecosystems: a bipolar comparison of algal communities and habitats. Nova Hedwigia Beiheft. 123, 173-198 (2001).
- Morgan-Kiss, R. M., Priscu, J. C., Pocock, T., Gudynaite-Savitch, L., Huner, N. P. A. Adaptation and Acclimation of Photosynthetic Microorganisms to Permanently Cold Environments. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 70, 222-252 (2006).
- Hodson, A., et al. The cryoconite ecosystem on the Greenland ice sheet. Annals of Glaciology. 51, 123-129 (2010).
- Tilg, M., et al. L.I.F.E.: laser induced fluorescence emission, a non-invasive tool to detect photosynthetic pigments in glacial ecosystems. Proceedings SPIE. 8152, Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology XIV, 81520I. , (2011).
- Lorenzen, C. J. Determination of chlorophyll and pheo-pigments: spectrophotometric equations. Limnology & Oceanography. 12, 343-346 (1967).
- Kirchman, D. Measuring bacterial biomass production and growth rates from leucine incorporation in natural aquatic environments. Methods in Microbiology. , 227-238 (2001).
- Bell, R. T., Kemp, P. F., Cole, J. J., Sherr, B. F., Sherr, E. B. Estimating production of heterotrophic bacterioplankton via incorporation of tritiated thymidine. Handbook of methods in aquatic microbial ecology. Edited by. , 495-503 (1993).
- Groemer, G., et al. Field trial of a dual-wavelength fluorescent emission (L.I.F.E.) instrument and the Magma White rover during the MARS2013 Mars analog mission. Astrobiology. 14, 391-405 (2014).
- Beutler, M. . Spectral fluorescence of chlorophyll and phycobilins as an in situ tool of phytoplankton analysis-models, algorithms and instruments. , (2003).
- Krogmann, K. D. Discoveries in Oxygenic Photosynthesis (1727-2003): A Perspective. Photosynthesis Research. 80, 15-57 (2004).
- Corrêa, D. S., et al. Reverse saturable absorption in chlorophyll A solutions. Journal of Applied Physics B. 74, 559-561 (2002).
- Kaňa, R., et al. The slow S to M fluorescence rise in cyanobacteria is due to a state 2 to state 1 transition. Biochimica et Biophysica Acta. 1817, 1237-1247 (2012).
