En billig metode til måling af den primære produktivitet på stedet i periphytonsamfund i lentiske farvande
Summary
Her præsenteres en omkostningseffektiv og transportabel metode/facilitet til måling af mikrobielle måtters primære produktivitet under faktiske in situ miljøtemperaturer og lysforhold. Den eksperimentelle opsætning er baseret på bredt tilgængelige materialer og kan bruges under forskellige forhold, samtidig med at den giver fordelene ved laboratoriebaserede modeller.
Abstract
Måling af periphytons in situ primære produktivitet i vækstsæsonens gradient kan belyse den kvantitative virkning af miljødrivere (hovedsagelig fosforkoncentration og lysintensitet) og artssammensætning på primærproduktiviteten. Primær produktivitet drives hovedsageligt af lysintensitet, temperatur, tilgængelighed af næringsstoffer og fordeling af de ioniske arter i karbonatsystemet i de respektive dybder af den euphotiske zone. Det er et komplekst system, der er meget vanskeligt at simulere i laboratoriet. Denne billige, transportable og let at bygge flydende pram gør det muligt at måle den primære produktivitet nøjagtigt – direkte under de faktiske naturlige forhold. Metoden er baseret på måling af den primære produktivitet i realtid ved hjælp af ikke-invasive iltsensorer integreret i tæt forseglede glasbeholdere, hvilket muliggør online iltfluxovervågning og giver ny indsigt i metaboliske aktiviteter. Detaljerede sæsonbestemte in situ-målinger af primær bruttoproduktivitet af mikrobielle måtter (eller andre bentiske organismer) kan forbedre den nuværende viden om de processer, der styrer primærproduktivitetsdynamikken i lentiske farvande.
Introduction
Primær produktivitet er den eneste indgang af autokton kulstof i de akvatiske systemer, der danner hele systemets fødenet1. Derfor er den nøjagtige estimering af primær produktivitet et vigtigt skridt i retning af at forstå funktionen af akvatiske økosystemer. Kystzoner er områder med høj primær produktivitet og biodiversitet. Ud over fytoplankton antages perifyton (i det følgende benævnt mikrobielle måtter) og makroalger at bidrage væsentligt til den primære produktivitet i kystzoner2. På grund af deres sessile livsstil og betydelige rumlige heterogenitet er kvantificering af primær produktivitet ikke triviel.
Primær produktivitet drives hovedsageligt af lysintensitet, temperatur, tilgængelighed af næringsstoffer og fordeling af de ioniske arter i karbonatsystemet i de respektive dybder af eufotiske zoner 3,4. Dybden påvirker markant den rumlige fordeling af mikrobielle måtter. Mikrobielle samfund skal kunne klare de negative virkninger af høj bestråling og udtalte sæsonbestemte temperaturvariationer i lave dybder og med lavere lysintensitet på større dybder. Ud over dybdegradienten genererer dynamiske trofiske interaktioner flere og komplekse rumlige mønstre på forskellige skalaer5. Dette komplekse system er kompliceret at simulere i laboratoriet. Den mest nøjagtige måde at udlede de enkelte primærproducenters metaboliske aktivitet fra kystzoner er at oprette in situ-eksperimenter.
Den metode, der introduceres i dette dokument, er baseret på den traditionelle kammermetode 2,6,7 sammen med en transportabel og let at bygge billig flydende pram. Dette gør det muligt at måle primær produktivitet på forskellige dybder under det naturlige lysspektrum, temperatur og forskellig fordeling af de ioniske arter i karbonatsystemet med dybden. Metoden er baseret på princippet om lys versus mørk flaske ilt, som først blev anvendt til at måle fytoplankton fotosyntese 6 og stadig er almindeligt anvendt 6,7. Den sammenligner ændringshastigheden i ilt i flasker, der holdes i lyset (hvilket inkluderer virkningerne af primær produktivitet og åndedræt) med dem, der holdes i mørke (kun åndedræt)8. Metoden bruger iltudvikling (fotosyntese) som en proxy for primær produktivitet. De målte variabler er nettoøkosystemproduktivitet (NEP, som en ændring iO2-koncentration over tid under lysforhold) og økosystemrespiration (RE, som en ændring iO2-koncentration over tid i mørke). Bruttoøkosystemproduktivitet (GEP) er beregningen af forskellen mellem de to (tabel 1). Udtrykket “økosystem” bruges her til at betegne, at periphytonen består af autotrofe og heterotrofe organismer. Den mest betydningsfulde forbedring af denne traditionelle kammermetode er anvendelse af ikke-invasive iltoptiske sensorer og optimering af denne primært planktoniske metode til måling af perifytisk primær produktivitet.
Teknikken er beskrevet i eksemplet med måling af mikrobielle måtter i kystzonen i nyligt fremkomne post-mining søer i Tjekkiet-Milada, Most og Medar. Den metaboliske aktivitet af mikrobielle måtter bestemmes ved hjælp af direkte in situ-måling afO2-fluxer udført direkte på specifikke dybder, hvor de studerede samfund naturligt forekommer. Heterotrofisk og fototrofisk aktivitet måles i lukkede glasflasker udstyret med ikke-invasive optiske iltsensorer. Disse sensorer registrerer partialtrykket af ilt ved hjælp af fluorescensen af lysfølsomme farvestoffer. Flaskerne med mikrobielle måtter suspenderes og inkuberes på en flydende enhed på de passende dybder. Iltkoncentrationen inde i flaskerne blev løbende målt i dagslyset fra den lille båd.
Prøver af intakte mikrobielle måtter indsamles og anbringes i gastætte inkubationsflasker på udpegede dybder af dykkere. Hver flaske er udstyret med en ikke-invasiv optisk iltmikrosensor, som overvåger O2 produktivitet / forbrug over tid. Alle målinger udføres i fem replikerede mørke/lyse par i hver dybde. Temperaturen og fotosyntetisk aktiv stråling (PHAR) intensiteter måles på respektive dybder i hele inkubationen. Efter 6 timers de situ-inkubation (dagslys) høstes de mikrobielle måtter fra flaskerne og tørres. O2 fluxer normaliseres til mikrobiel biomasse. Som kontrol korrigeres fluxer for ændringer i O2-koncentrationen i separate lyse og mørke gastætte flasker (blankkontroller), der indeholder søvand uden mikrobiel måttebiomasse. Nedenfor er detaljerede instruktioner til bygning af den flydende pram og udførelse af hele eksperimentet trin for trin. Dette papir præsenterer også repræsentative resultater fra målinger af mikrobielle måtter på to dybder (1 m og 2 m) med fem replikater i hver dybde. Faktisk temperatur og lysintensitet blev målt under hele eksperimentet ved hjælp af dataloggere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden beskrevet i dette papir er baseret på princippet om den lyse og mørke flaske iltteknik i kombination med den ikke-invasive teknik til måling af O2 koncentration ved hjælp af optiske iltsensorer. Dette system muliggør parallel måling af forskellige inkubationsindstillinger, da den optiske fiber til måling afO2 kan flyttes hurtigt fra flaske til flaske. De bentiske samfund fra forskellige dybder kan variere i taksonomisk sammensætning og produktivitet; Samtidig måling af dem parallelt…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af Czech Science Foundation (GACR 19-05791S), RVO 67985939 og af CAS inden for programmet for strategi AV 21, Jordbesparelse og genopretning. Mange tak til Ondřej Sihelský for at tage billederne i marken – uden ham ville optagelserne have været et helvede. Projektet ville ikke være muligt uden et tæt samarbejde med virksomheder, Palivový Kombinát Ústí s.p. og Sokolovská Uhelná, der gav adgang til de undersøgte lokaliteter.
Materials
| Aluminum angle L profile 40 x 40 mm x 3 mm, length 2,000 mm | |||
| Aluminum flat bar 40 x 3 x 350 mm | |||
| Bucket 15 L with concrete infill | |||
| Carabine hook with screw lock 50 x 5 mm | |||
| electric tape black | |||
| Extruded polystyrene (XPS) material 500 x 200 x 150 mm | |||
| Fibox 3 LCD trace | PreSens Precision Sensing GmbH | stand-alone fiber optic oxygen meter | |
| Hondex PS-7 Portable Depth Sounder | Hondex – Honda Electronics | to measures distances through water – to bottom depth measurement; https://www.honda-el.net/industry/ps-7e | |
| KORKEN – glass tight-seal jar 0.5 L | IKEA | incubation bottles; https://www.ikea.com/cz/en/p/korken-jar-with-lid-clear-glass-70213545/ | |
| metal hook | |||
| Oxygen Sensor Spot SP-PSt3-NAU-D5 | PreSens Precision Sensing GmbH | non-invasive optical oxygen sensor for measurements under Real Conditions | |
| SCOUT infantable canoe | GUMOTEX | https://www.gumotexboats.com/en/scout-standard#0000-044667-021-13/11C | |
| Screw 10 x 170 mm with hexagonal nuts | |||
| Screw 4 x 15 mm with hexagonal nuts | |||
| Screw 4 x 15 mm with wing nuts | |||
| Snap hooks 50 x 5 mm | |||
| Steel Carabine hook 50 x 5 mm | |||
| Steel chain with wire diameter 3 mm, inside link 5.5 x 26 mm | |||
| Steel chain, 5 m | |||
| toothbrush | |||
| tweezer | |||
| Washer 10 x 50 mm | |||
| Washer 4 x 10 mm | |||
| Washer 4 x 10 mm |
References
- Blachart, J. L., et al. Potential consequences of climate change for primary production and fish production in large marine ecosystems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 367 (1605), 2979-2989 (2012).
- Howarth, R. W., Michaels, A. F., Sala, O. E., Jackson, R. B., Mooney, H. A., Howarth, R. W. The Measurement of primary production in aquatic ecosystems. Methods in Ecosystem Science. , 72-85 (2000).
- Vadenbecouer, Y. E. G., Peterson, M. J., Vander, Z., Kalff, J. Benthic algal production across lake size gradients: Interactions among morphometry, nutrients, and light. Ecology. 89 (9), 2542-2552 (2008).
- Reimer, A., Landmann, G., Kempe, S. Lake Van, eastern Anatolia, hydrochemistry and history. Aquatic Geochemistry. 15 (1), 195-222 (2009).
- Cantonati, M., Lowe, R. L. Lake benthic algae: toward an understanding of their ecology. Freshwater Sciences. 33 (2), 475-486 (2014).
- Gaarder, T., Gran, H. H. Investigation of the production of plankton in the Oslo Fjord. Rapports et Proces-verbaux des Réunions. Conseil International pour l’Éxploration de la Mer. 42, 1-48 (1927).
- Hall, R. O., Thomas, S., Gaiser, E. E., Fahey, T. J., Knapp, A. K. Measuring Freshwater Primary Productivity and Respiration. Principles and Standards for Measuring Primary Productivity. , (2007).
- Howart, R., Michaels, A. Chapter 6 The Measurement of Primary Production in Aquatic Ecosystems. Springer Science and Business Media LLC. , (2000).
- Kopáček, J., Hejzlar, J. Semi-micro determination of total phosphorus in soils, sediments, and organic materials: a simplified perchloric acid digestion procedure. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 26 (11-12), 1935-1946 (1995).
- Benson, B. B., Krause, D. The concentration and isotopic fractionation of oxygen dissolved in freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere1. Limnology and Oceanography. 29 (3), 620-632 (1984).
- Dodds, W. K., Biggs, B. J., Lowe, R. L. Photosynthesis-irradiance patterns in benthic microalgae: variations as a function of assemblage thickness and community structure. Journal of Phycology. 35 (1), 42-53 (1999).
- Bott, T. L., et al. An evaluation of techniques for measuring periphyton metabolism in chambers. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 54 (3), 715-725 (1997).
- Blankenship, R. E. Structural and functional dynamics of photosynthetic antenna complexes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (45), 13751-13752 (2015).
- Hawes, I., Schwartz, A. -. M. Photosynthesis in an extreme shade environment, benthic microbial mats from Lake Hoare, a permanently ice-covered Antarctic lake. Journal of Phycology. 35 (3), 448-459 (1999).
- Aristegui, J., et al. Planktonic primary production and microbial respiration measured by 14C assimilation and dissolved oxygen changes in coastal waters of the Antarctic peninsula during austral summer: Implications for carbon flux studies. Marine Ecology-Progress Series. 132, 191-201 (1996).
- Steemann-Nielsen, C. The use of radioactive carbon (14C) for measuring organic production in the sea. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 18 (2), 117-140 (1952).
- Sanz-Martín, M., et al. Relationship between carbon-and oxygen-based primary productivity in the Arctic Ocean, svalbard archipelago. Frontiers in Marine Science. 6, 468 (2019).
- Nielsen, E. S. Measurement of the production of organic matter in the sea by means of carbon-14. Nature. 167 (4252), 684-685 (1951).
- Jönsson, B. A 14C-incubation technique for measuring microphytobenthic primary productivity in intact sediment cores. Limnology and Oceanography. 36 (7), 1485-1492 (1991).
- Bender, M. L., et al. A comparison of four methods for determining planktonic community production. Limnology and Oceanography. 32 (5), 1085-1098 (1987).
- Šimek, K., et al. Spatio-temporal patterns of bacterioplankton productivity and community composition related to phytoplankton composition and protistan bacterivory in a dam reservoir. Aquatic Microbial Ecology. 51 (3), 249-262 (2008).
