שיטה בעלות נמוכה למדידת התפוקה הראשונית באתרה של קהילות פריפיטון במים לנטיים
Summary
מוצגת כאן שיטה/מתקן חסכוניים וניתנים להובלה למדידת התפוקה העיקרית של מחצלות מיקרוביאליות בתנאי טמפרטורה ותאורה בפועל באתרם . מערך הניסוי מבוסס על חומרים זמינים באופן נרחב וניתן להשתמש בו בתנאים שונים תוך שהוא מציע את היתרונות של מודלים מבוססי מעבדה.
Abstract
מדידת התפוקה הראשונית באתרה של פריפיטון במהלך שיפוע עונת הגידול יכולה להבהיר את ההשפעה הכמותית של מניעים סביבתיים (בעיקר ריכוז זרחן ועוצמת אור) והרכב המינים על התפוקה הראשונית. פרודוקטיביות ראשונית מונעת בעיקר על ידי עוצמת אור, טמפרטורה, זמינות של חומרי מזון והפצה של המינים היוניים של מערכת הקרבונט במעמקי האזור האופוטי בהתאמה. זוהי מערכת מורכבת שקשה מאוד לדמות במעבדה. דוברה צפה זולה, ניתנת להובלה וקלה לבנייה זו מאפשרת למדוד את הפרודוקטיביות הראשונית באופן מדויק-ישיר בתנאים הטבעיים בפועל. המתודולוגיה מבוססת על מדידת התפוקה הראשונית בזמן אמת באמצעות חיישני חמצן לא פולשניים המשולבים בצנצנות זכוכית אטומות היטב, המאפשרים ניטור מקוון של שטף החמצן ומספקים תובנות חדשות על פעילויות מטבוליות. מדידות עונתיות מפורטות באתרן של פרודוקטיביות ראשונית ברוטו של מחצלות מיקרוביאליות (או אורגניזמים בנטיים אחרים) יכולות לשפר את הידע הנוכחי על התהליכים השולטים בדינמיקת הפרודוקטיביות הראשונית במים לנטיים.
Introduction
פרודוקטיביות ראשונית היא הכניסה היחידה של פחמן אוטוכטוני למערכות הימיות היוצרות את מארג המזון של המערכת כולה1. לפיכך, הערכה מדויקת של פרודוקטיביות ראשונית היא צעד חיוני לקראת הבנת תפקודן של מערכות אקולוגיות ימיות. אזורים ליטורליים הם אזורים של פרודוקטיביות ראשונית גבוהה ומגוון ביולוגי. בנוסף לפיטופלנקטון, מניחים כי פריפיטון (להלן מחצלות מיקרוביאליות) ומקרו-אצות תורמים באופן משמעותי לפרודוקטיביות הראשונית באזורים ליטורליים2. בשל אורח החיים הססגוני וההטרוגניות המרחבית המשמעותית שלהם, כימות התפוקה הראשונית אינו טריוויאלי.
פרודוקטיביות ראשונית מונעת בעיקר על ידי עוצמת אור, טמפרטורה, זמינות של חומרי מזון והפצה של המינים היוניים של מערכת הקרבונט בעומקים המתאימים של אזורים אופוטיים 3,4. העומק משפיע במידה ניכרת על התפוצה המרחבית של מחצלות מיקרוביאליות. קהילות מיקרוביות חייבות להתמודד עם ההשפעות השליליות של הקרנה גבוהה ושינויי טמפרטורה עונתיים בולטים בעומקים רדודים ועם עוצמת אור נמוכה יותר בעומקים גדולים יותר. בנוסף לשיפוע העומק, אינטראקציות טרופיות דינמיות יוצרות תבניות מרחביות מרובות ומורכבות בקני מידה שונים5. מערכת מורכבת זו מסובכת להדמיה במעבדה. הדרך המדויקת ביותר להסיק את הפעילות המטבולית של יצרנים ראשוניים בודדים מאזורי ליטורל היא להקים ניסויים באתרם.
המתודולוגיה שהוצגה במאמר זה מבוססת על שיטת התא המסורתית 2,6,7, יחד עם דוברה צפה ניתנת להובלה וקלה לבנייה בעלות נמוכה. זה מאפשר מדידה של פרודוקטיביות ראשונית בעומקים שונים תחת ספקטרום האור הטבעי, טמפרטורה והתפלגות שונה של המינים היוניים של מערכת הקרבונט עם העומק. השיטה מבוססת על העיקרון של אור לעומת חמצן בבקבוק כהה, אשר שימש לראשונה למדידת פוטוסינתזה של פיטופלנקטון 6 והוא עדיין בשימוש נפוץ 6,7. הוא משווה את קצב השינוי בחמצן בבקבוקים המוחזקים באור (הכולל את ההשפעות של פרודוקטיביות ראשונית ונשימה) עם אלה המוחזקים בחושך (נשימה בלבד)8. השיטה משתמשת באבולוציה של חמצן (פוטוסינתזה) כפרוקסי לפרודוקטיביות ראשונית. המשתנים הנמדדים הם פרודוקטיביות המערכת האקולוגית נטו (NEP, כשינוי בריכוז O 2 לאורך זמן בתנאי אור) ונשימה של המערכת האקולוגית (RE, כשינוי בריכוז O2 לאורך זמן בחושך). תפוקת המערכת האקולוגית הגולמית (GEP) היא חישוב ההפרש בין השניים (טבלה 1). המונח “מערכת אקולוגית” משמש כאן כדי לציין כי הפרפיטון מורכב מאורגניזמים אוטוטרופיים והטרוטרופיים. השיפור המשמעותי ביותר של שיטה קאמרית מסורתית זו הוא שימוש בחיישנים אופטיים לא פולשניים של חמצן ואופטימיזציה של שיטה פלנקטונית זו בעיקר למדידת פרודוקטיביות ראשונית פריפיטית.
הטכניקה מתוארת בדוגמה של מדידת מחצלות מיקרוביאליות באזור הליטורלי של אגמים חדשים שהתגלו לאחר הכרייה בצ’כיה-מילאדה, מוסט ומדר. הפעילות המטבולית של מחצלות מיקרוביאליות נקבעת באמצעות מדידה ישירה באתרה של שטפי O2 המבוצעת ישירות בעומקים ספציפיים, שם הקהילות הנחקרות מתרחשות באופן טבעי. פעילות הטרוטרופית ופוטוטרופית נמדדת בבקבוקי זכוכית סגורים המצוידים בחיישני חמצן אופטיים לא פולשניים. חיישנים אלה מזהים את הלחץ החלקי של חמצן באמצעות פלואורסצנטיות של צבעים רגישים לאור. הבקבוקים עם מחצלות מיקרוביאליות תלויים ודוגרים על מכשיר צף בעומקים המתאימים. ריכוז החמצן בתוך הבקבוקים נמדד ברציפות בתקופת אור היום מהסירה הקטנה.
דגימות של מחצלות מיקרוביאליות שלמות נאספות ומונחות בבקבוקי דגירה אטומים לגז בעומקים ייעודיים על ידי צוללנים. כל בקבוק מצויד במיקרו-חיישן חמצן אופטי לא פולשני, המנטר את הפרודוקטיביות/הצריכה של O2 לאורך זמן. כל המדידות נעשות בחמישה זוגות כהים/בהירים המשוכפלים בכל עומק. עוצמות הטמפרטורה והקרינה הפעילה פוטוסינתטית (PHAR) נמדדות בעומקים המתאימים לאורך הדגירה. לאחר 6 שעות של דגירה באתרה (שעות אור יום), המחצלות המיקרוביאליות נקטפות מהבקבוקים ומיובשות. שטפי O2 מנורמלים לביומסה מיקרוביאלית. כבקרה, השטפים מתוקנים לשינויים בריכוז O2 בבקבוקים נפרדים אטומים לגז בהירים וכהים (פקדים ריקים) המכילים מי אגם ללא ביומסה מיקרוביאלית של מחצלות. להלן הוראות מפורטות לבניית הדוברה הצפה ולביצוע הניסוי כולו שלב אחר שלב. מאמר זה מציג גם תוצאות מייצגות ממדידות של מחצלות מיקרוביאליות בשני עומקים (1 מ’ ו-2 מ’), עם חמישה שכפולים בכל עומק. הטמפרטורה ועוצמת האור בפועל נמדדו במהלך כל הניסוי באמצעות מאגרי נתונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
המתודולוגיה המתוארת במאמר זה מבוססת על העיקרון של טכניקת החמצן בבקבוק בהיר וכהה בשילוב עם הטכניקה הלא פולשנית של מדידת ריכוז O2 באמצעות חיישני חמצן אופטיים. מערכת זו מאפשרת מדידה מקבילה של הגדרות דגירה שונות מכיוון שניתן להעביר במהירות את הסיב האופטי למדידת O2 מבקבוק לבקבוק. הק…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הצ’כית למדע (GACR 19-05791S), RVO 67985939, ועל ידי CAS במסגרת התוכנית של אסטרטגיית AV 21, חיסכון בקרקע והתאוששות. תודה רבה לאונדז’יי סיהלסקי על שצילם את הצילומים בשדה – בלעדיו, הצילומים היו גיהינום מוחלט. הפרויקט לא היה מתאפשר ללא שיתוף פעולה הדוק עם חברות, Palivový Kombinát Ústí s.p. ו- Sokolovská Uhelná, שסיפקו גישה ליישובים הנחקרים.
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).
