Un metodo a basso costo per misurare la produttività primaria in situ delle comunità periphyton delle acque leniche
Summary
Qui viene presentato un metodo/struttura economica e trasportabile per misurare la produttività primaria dei tappeti microbici in condizioni di temperatura e luce ambientali effettive in situ . La configurazione sperimentale si basa su materiali ampiamente disponibili e può essere utilizzata in varie condizioni, offrendo al contempo i vantaggi dei modelli di laboratorio.
Abstract
Misurare la produttività primaria in situ del periphyton durante il gradiente della stagione di crescita può chiarire l’effetto quantitativo dei fattori ambientali (principalmente concentrazione di fosforo e intensità luminosa) e la composizione delle specie sulla produttività primaria. La produttività primaria è guidata principalmente dall’intensità della luce, dalla temperatura, dalla disponibilità di nutrienti e dalla distribuzione delle specie ioniche del sistema carbonatico nelle rispettive profondità della zona eufotica. È un sistema complesso che è molto difficile da simulare in laboratorio. Questa chiatta galleggiante economica, trasportabile e facile da costruire consente di misurare la produttività primaria in modo accurato, direttamente nelle reali condizioni naturali. La metodologia si basa sulla misurazione della produttività primaria in tempo reale utilizzando sensori di ossigeno non invasivi integrati in barattoli di vetro ermeticamente sigillati, consentendo il monitoraggio online del flusso di ossigeno e fornendo nuove informazioni sulle attività metaboliche. Misurazioni stagionali dettagliate in situ della produttività primaria lorda di tappeti microbici (o altri organismi bentonici) possono migliorare le attuali conoscenze dei processi che controllano la dinamica della produttività primaria nelle acque lentiche.
Introduction
La produttività primaria è l’unico ingresso di carbonio autoctono nei sistemi acquatici che formano l’intero sistema rete alimentare1. Pertanto, la stima accurata della produttività primaria è un passo essenziale verso la comprensione del funzionamento degli ecosistemi acquatici. Le zone costiere sono aree ad alta produttività primaria e biodiversità. Oltre al fitoplancton, si presume che il periphyton (di seguito denominato tappetini microbici) e le macroalghe contribuiscano in modo significativo alla produttività primaria nelle zone litorali2. A causa del loro stile di vita sessile e della significativa eterogeneità spaziale, la quantificazione della produttività primaria non è banale.
La produttività primaria è guidata principalmente dall’intensità della luce, dalla temperatura, dalla disponibilità di nutrienti e dalla distribuzione delle specie ioniche del sistema carbonatico nelle rispettive profondità delle zone eufotiche 3,4. La profondità influenza notevolmente la distribuzione spaziale dei tappeti microbici. Le comunità microbiche devono far fronte agli effetti negativi dell’elevata irradiazione e delle pronunciate variazioni stagionali di temperatura a basse profondità e con minore intensità luminosa a profondità maggiori. Oltre al gradiente di profondità, le interazioni trofiche dinamiche generano modelli spaziali multipli e complessi a diverse scale5. Questo sistema complesso è complicato da simulare in laboratorio. Il modo più accurato per dedurre l’attività metabolica dei singoli produttori primari dalle zone costiere è quello di impostare esperimenti in situ.
La metodologia introdotta in questo articolo si basa sul metodo tradizionale della camera 2,6,7, insieme a una chiatta galleggiante a basso costo trasportabile e facile da costruire. Ciò consente la misurazione della produttività primaria a diverse profondità sotto lo spettro della luce naturale, la temperatura e la diversa distribuzione delle specie ioniche del sistema carbonatico con la profondità. Il metodo si basa sul principio dell’ossigeno in bottiglia chiaro contro scuro, che è stato impiegato per misurare la fotosintesi del fitoplancton 6 ed è ancora comunemente usato 6,7. Confronta il tasso di variazione dell’ossigeno nelle bombole tenute alla luce (che include gli effetti della produttività primaria e della respirazione) con quelle tenute al buio (solo respirazione)8. Il metodo utilizza l’evoluzione dell’ossigeno (fotosintesi) come proxy per la produttività primaria. Le variabili misurate sono la produttività netta dell’ecosistema (NEP, come variazione della concentrazione di O 2 nel tempo in condizioni di luce) e la respirazione dell’ecosistema (RE, come variazione della concentrazione di O2 nel tempo al buio). La produttività lorda dell’ecosistema (GEP) è il calcolo della differenza tra i due (Tabella 1). Il termine “ecosistema” è usato qui per indicare che il periphyton è composto da organismi autotrofi ed eterotrofi. Il miglioramento più significativo di questo metodo tradizionale a camera è l’utilizzo di sensori ottici ad ossigeno non invasivi e l’ottimizzazione di questo metodo principalmente planctonico per misurare la produttività primaria perifitica.
La tecnica è descritta nell’esempio di misurazione di tappeti microbici nella zona litorale di laghi post-minerari appena emersi nella Repubblica Ceca-Milada, Most e Medar. L’attività metabolica dei tappeti microbici viene determinata utilizzando la misurazione diretta in situ dei flussi di O2 eseguita direttamente a profondità specifiche, dove le comunità studiate si verificano naturalmente. L’attività eterotrofica e fototrofica viene misurata in bottiglie di vetro chiuse dotate di sensori ottici di ossigeno non invasivi. Questi sensori rilevano la pressione parziale dell’ossigeno utilizzando la fluorescenza dei coloranti sensibili alla luce. Le bottiglie con tappetini microbici sono sospese e incubate su un dispositivo galleggiante alle profondità appropriate. La concentrazione di ossigeno all’interno delle bombole è stata misurata continuamente durante il periodo di luce diurna dalla piccola barca.
Campioni di tappeti microbici intatti vengono raccolti e collocati in bombole di incubazione a tenuta di gas a profondità designate dai subacquei. Ogni flacone è dotato di un microsensore ottico di ossigeno non invasivo, che monitora la produttività/consumo di O2 nel tempo. Tutte le misurazioni vengono eseguite in cinque coppie di replica buio/luce in ogni profondità. La temperatura e le intensità della radiazione fotosinteticamente attiva (PHAR) vengono misurate alle rispettive profondità durante l’incubazione. Dopo 6 ore di incubazione in situ (ore diurne), le stuoie microbiche vengono raccolte dalle bottiglie ed essiccate. I flussi di O2 sono normalizzati a biomassa microbica. Come controllo, i flussi vengono corretti per le variazioni della concentrazione di O2 in bottiglie separate a tenuta di gas chiaro e scuro (controlli in bianco) contenenti acqua di lago senza biomassa microbica del tappeto. Di seguito sono riportate istruzioni dettagliate per costruire la chiatta galleggiante ed eseguire l’intero esperimento passo dopo passo. Questo articolo presenta anche risultati rappresentativi delle misurazioni di tappeti microbici a due profondità (1 m e 2 m), con cinque repliche a ciascuna profondità. La temperatura effettiva e l’intensità della luce sono state misurate durante l’intero esperimento utilizzando datalogger.
Protocol
Representative Results
Discussion
La metodologia descritta in questo articolo si basa sul principio della tecnica dell’ossigeno in bottiglia chiara e scura in combinazione con la tecnica non invasiva di misurazione della concentrazione di O2 utilizzando sensori ottici di ossigeno. Questo sistema consente la misurazione parallela di diverse impostazioni di incubazione poiché la fibra ottica per misurare O2 può essere spostata rapidamente da una bottiglia all’altra. Le comunità bentoniche di varie profondità possono differire nell…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dalla Czech Science Foundation (GACR 19-05791S), RVO 67985939 e dal CAS nell’ambito del programma della strategia AV 21, Land save and recovery. Mille grazie a Ondřej Sihelský per aver scattato le riprese sul campo – senza di lui, le riprese sarebbero state un vero inferno. Il progetto non sarebbe stato possibile senza una stretta collaborazione con le aziende, Palivový Kombinát Ústí s.p. e Sokolovská Uhelná, che hanno fornito l’accesso alle località studiate.
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).
