طريقة منخفضة التكلفة لقياس الإنتاجية الأولية في الموقع لمجتمعات Periphyton في المياه العدسية
Summary
وترد هنا طريقة/مرفق فعال من حيث التكلفة وقابل للنقل لقياس الإنتاجية الأولية للحصائر الميكروبية في ظل درجة الحرارة البيئية الفعلية في الموقع وظروف الإضاءة. يعتمد الإعداد التجريبي على المواد المتاحة على نطاق واسع ويمكن استخدامه في ظل ظروف مختلفة مع توفير مزايا النماذج القائمة على المختبر.
Abstract
يمكن أن يوضح قياس الإنتاجية الأولية في الموقع ل periphyton خلال تدرج موسم النمو التأثير الكمي للدوافع البيئية (تركيز الفوسفور وكثافة الضوء بشكل أساسي) وتكوين الأنواع على الإنتاجية الأولية. الإنتاجية الأولية مدفوعة بشكل أساسي بكثافة الضوء ودرجة الحرارة وتوافر العناصر الغذائية وتوزيع الأنواع الأيونية لنظام الكربونات في أعماق المنطقة ذات الصلة. إنه نظام معقد يصعب محاكاته في المختبر. تسمح هذه البارجة العائمة الرخيصة والقابلة للنقل وسهلة البناء بقياس الإنتاجية الأولية بدقة – مباشرة في ظل الظروف الطبيعية الفعلية. تعتمد المنهجية على قياس الإنتاجية الأولية في الوقت الفعلي باستخدام مستشعرات الأكسجين غير الباضعة المدمجة في عبوات زجاجية محكمة الغلق ، مما يتيح مراقبة تدفق الأكسجين عبر الإنترنت وتوفير رؤى جديدة حول أنشطة التمثيل الغذائي. ويمكن للقياسات الموسمية التفصيلية في الموقع للإنتاجية الأولية الإجمالية للحصائر الميكروبية (أو غيرها من الكائنات القاعية) أن تحسن المعرفة الحالية بالعمليات التي تتحكم في ديناميات الإنتاجية الأولية في المياه العدسية.
Introduction
الإنتاجية الأولية هي المدخل الوحيد للكربون الأصلي في النظم المائية التي تشكل شبكة الغذاء للنظام بأكمله1. ومن ثم ، فإن التقدير الدقيق للإنتاجية الأولية هو خطوة أساسية نحو فهم أداء النظم الإيكولوجية المائية. المناطق الساحلية هي مناطق ذات إنتاجية أولية عالية وتنوع بيولوجي. بالإضافة إلى العوالق النباتية ، يفترض أن periphyton (المشار إليها فيما يلي باسم الحصائر الميكروبية) والطحالب الكبيرة تساهم بشكل كبير في الإنتاجية الأولية في المناطق الساحلية2. نظرا لنمط حياتهم اللاطئ وعدم التجانس المكاني الكبير ، فإن القياس الكمي للإنتاجية الأولية ليس بالأمر الهين.
الإنتاجية الأولية مدفوعة بشكل أساسي بكثافة الضوء ودرجة الحرارة وتوافر العناصر الغذائية وتوزيع الأنواع الأيونية لنظام الكربونات في أعماق المناطق euphotic 3,4. يؤثر العمق بشكل ملحوظ على التوزيع المكاني للحصائر الميكروبية. يجب على المجتمعات الميكروبية التعامل مع الآثار الضارة للإشعاع العالي والتغيرات الموسمية الواضحة في درجات الحرارة في الأعماق الضحلة ومع انخفاض كثافة الضوء في أعماق أكبر. بالإضافة إلى تدرج العمق ، تولد التفاعلات الغذائية الديناميكية أنماطا مكانية متعددة ومعقدة بمقاييس مختلفة5. هذا النظام المعقد معقد للمحاكاة في المختبر. الطريقة الأكثر دقة لاستنتاج النشاط الأيضي للمنتجين الأوليين الفرديين من المناطق الساحلية هي إجراء تجارب في الموقع.
تعتمد المنهجية المقدمة في هذه الورقة على طريقة الغرفة التقليدية2،6،7 ، جنبا إلى جنب مع بارجة عائمة منخفضة التكلفة قابلة للنقل وسهلة البناء. وهذا يسمح بقياس الإنتاجية الأولية على أعماق مختلفة تحت طيف الضوء الطبيعي ودرجة الحرارة والتوزيع المختلف للأنواع الأيونية لنظام الكربونات مع العمق. تعتمد الطريقة على مبدأ الضوء مقابل أكسجين الزجاجة المظلمة ، والذي تم استخدامه لأول مرة لقياس التمثيل الضوئي للعوالق النباتية 6 ولا يزال يستخدم بشكل شائع 6,7. يقارن معدل التغير في الأكسجين في الزجاجات المحفوظة في الضوء (والذي يتضمن تأثيرات الإنتاجية الأولية والتنفس) مع تلك الموجودة في الظلام (التنفس فقط)8. تستخدم الطريقة تطور الأكسجين (التمثيل الضوئي) كبديل للإنتاجية الأولية. المتغيرات المقاسة هي صافي إنتاجية النظام الإيكولوجي (NEP ، كتغيير في تركيز O 2 بمرور الوقت في ظروف الإضاءة) وتنفس النظام البيئي (RE ، كتغيير في تركيز O2 بمرور الوقت في الظلام). الإنتاجية الإجمالية للنظام الإيكولوجي (GEP) هي حساب الفرق بين الاثنين (الجدول 1). يستخدم مصطلح «النظام البيئي» هنا للدلالة على أن الزهرة المحيطة تتكون من كائنات ذاتية التغذية وغير ذاتية التغذية. يتمثل أهم تحسين في طريقة الغرفة التقليدية هذه في استخدام مستشعرات بصرية للأكسجين غير الغازية وتحسين طريقة العوالق الأساسية هذه لقياس الإنتاجية الأولية المحيطة.
تم وصف هذه التقنية في مثال قياس الحصائر الميكروبية في المنطقة الساحلية لبحيرات ما بعد التعدين الناشئة حديثا في جمهورية التشيك – ميلادا ، موست ، وميدار. يتم تحديد النشاط الأيضي للحصائر الميكروبية باستخدام القياس المباشر في الموقع لتدفقات O2 التي يتم إجراؤها مباشرة على أعماق محددة ، حيث تحدث المجتمعات المدروسة بشكل طبيعي. يتم قياس النشاط غير المتجانس والضوئي في زجاجات زجاجية مغلقة مزودة بأجهزة استشعار الأكسجين البصري غير الغازية. تكتشف هذه المستشعرات الضغط الجزئي للأكسجين باستخدام مضان الأصباغ الحساسة للضوء. يتم تعليق الزجاجات ذات الحصائر الميكروبية وتحضينها على جهاز عائم في الأعماق المناسبة. تم قياس تركيز الأكسجين داخل الزجاجات بشكل مستمر خلال فترة النهار من القارب الصغير.
يتم جمع عينات من الحصائر الميكروبية السليمة ووضعها في زجاجات حضانة محكمة الغلق على أعماق محددة من قبل الغواصين. تم تجهيز كل زجاجة بجهاز استشعار دقيق للأكسجين البصري غير الباضع ، والذي يراقب إنتاجية / استهلاك O2 بمرور الوقت. تتم جميع القياسات في خمسة أزواج مظلمة / فاتحة مكررة في كل عمق. يتم قياس درجة الحرارة وشدة الإشعاع النشط ضوئيا (PHAR) على أعماق كل منها طوال فترة الحضانة. بعد 6 ساعات من الحضانة في الموقع (ساعات النهار) ، يتم حصاد الحصائر الميكروبية من الزجاجات وتجفيفها. يتم تطبيع تدفقات O2 إلى الكتلة الحيوية الميكروبية. كعنصر تحكم ، يتم تصحيح التدفقات للتغيرات في تركيز O2 في زجاجات منفصلة مانعة لتسرب الغاز الفاتح والداكن (أدوات تحكم فارغة) تحتوي على مياه البحيرة بدون الكتلة الحيوية للحصيرة الميكروبية. فيما يلي إرشادات مفصلة لبناء البارجة العائمة وإجراء التجربة بأكملها خطوة بخطوة. تقدم هذه الورقة أيضا نتائج تمثيلية من قياسات الحصائر الميكروبية على عمقين (1 م و 2 م) ، مع خمس نسخ متماثلة في كل عمق. تم قياس درجة الحرارة الفعلية وشدة الضوء خلال التجربة بأكملها باستخدام أجهزة تسجيل البيانات.
Protocol
Representative Results
Discussion
تعتمد المنهجية الموضحة في هذه الورقة على مبدأ تقنية أكسجين الزجاجة الفاتحة والداكنة بالاقتران مع التقنية غير الباضعة لقياس تركيز O2 باستخدام مستشعرات الأكسجين البصرية. يسمح هذا النظام بالقياس المتوازي لإعدادات الحضانة المختلفة حيث يمكن نقل الألياف الضوئية لقياس O2 بسرعة من ز?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة من قبل مؤسسة العلوم التشيكية (GACR 19-05791S) ، RVO 67985939 ، ومن قبل CAS ضمن برنامج استراتيجية AV 21 ، حفظ الأراضي واستعادتها. شكرا جزيلا ل Ondřej Sihelský لأخذ اللقطات في الميدان – بدونه ، كان التصوير سيكون جحيما كاملا. لن يكون المشروع ممكنا بدون تعاون وثيق مع الشركات ، Palivový Kombinát Ústí s.p. و Sokolovská Uhelná ، الذين أتاحوا الوصول إلى المناطق المدروسة.
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).
