Недорогой метод измерения первичной продуктивности in situ перифитонных сообществ ленточных вод
Summary
Здесь представлен экономически эффективный и транспортабельный метод/установка для измерения первичной продуктивности микробных матов в реальных условиях температуры окружающей среды in situ и освещенности. Экспериментальная установка основана на широко доступных материалах и может использоваться в различных условиях, предлагая преимущества лабораторных моделей.
Abstract
Измерение первичной продуктивности перифитона in situ в течение градиента вегетационного периода может прояснить количественное влияние экологических факторов (главным образом концентрации фосфора и интенсивности света) и видового состава на первичную продуктивность. Первичная продуктивность в основном определяется интенсивностью света, температурой, доступностью питательных веществ и распределением ионных видов карбонатной системы в соответствующих глубинах эйфотической зоны. Это сложная система, которую очень трудно смоделировать в лаборатории. Эта дешевая, транспортабельная и простая в строительстве плавучая баржа позволяет точно измерять первичную производительность непосредственно в реальных природных условиях. Методология основана на измерении первичной производительности в режиме реального времени с использованием неинвазивных датчиков кислорода, интегрированных в плотно закрытые стеклянные банки, что позволяет осуществлять онлайн-мониторинг потока кислорода и дает новое представление о метаболической деятельности. Подробные сезонные измерения in situ валовой первичной продуктивности микробных матов (или других бентических организмов) могут улучшить современные знания о процессах, контролирующих динамику первичной продуктивности в ленточных водах.
Introduction
Первичная продуктивность является единственным попаданием автохтонного углерода в водные системы, образующие всю систему пищевой сети1. Таким образом, точная оценка первичной продуктивности является важным шагом на пути к пониманию функционирования водных экосистем. Прибрежные зоны являются районами с высокой первичной продуктивностью и биоразнообразием. В дополнение к фитопланктону предполагается, что перифитон (далее именуемый микробными матами) и макроводоросли вносят значительный вклад в первичную продуктивность в прибрежных зонах2. Из-за их сидячего образа жизни и значительной пространственной неоднородности количественная оценка первичной продуктивности не является тривиальной.
Первичная продуктивность определяется главным образом интенсивностью света, температурой, наличием питательных веществ и распределением ионных видов карбонатной системы в соответствующих глубинах эуфотических зон 3,4. Глубина заметно влияет на пространственное распределение микробных матов. Микробные сообщества должны справляться с неблагоприятными последствиями высокого облучения и выраженными сезонными колебаниями температуры на небольших глубинах и с меньшей интенсивностью света на больших глубинах. В дополнение к градиенту глубины динамические трофические взаимодействия генерируют множественные и сложные пространственные паттерны в разных масштабах5. Эту сложную систему сложно смоделировать в лаборатории. Наиболее точным способом вывода метаболической активности отдельных первичных производителей из прибрежных зон является проведение экспериментов in situ.
Методология, представленная в данной работе, основана на традиционном камерном методе 2,6,7 вместе с транспортабельной и простой в строительстве недорогой плавучей баржей. Это позволяет измерять первичную продуктивность на разных глубинах при естественном световом спектре, температуре и различном распределении ионных пород карбонатной системы с глубиной. Метод основан на принципе светлого и темного кислорода, который впервые был использован для измерения фотосинтеза фитопланктона6 и до сих пор широко используется 6,7. Он сравнивает скорость изменения кислорода в баллонах, хранящихся на свету (что включает в себя эффекты первичной продуктивности и дыхания) с теми, которые удерживаются в темноте (только дыхание)8. Метод использует эволюцию кислорода (фотосинтез) в качестве прокси для первичной продуктивности. Измеряемыми переменными являются чистая продуктивность экосистемы (НЭП, как изменение концентрацииО2 с течением времени в условиях освещения) и дыхание экосистемы (ВЭ, как изменение концентрацииО2 с течением времени в темноте). Валовая продуктивность экосистем (ГЭП) представляет собой расчет разницы между ними (таблица 1). Термин «экосистема» используется здесь для обозначения того, что перифитон состоит из автотрофных и гетеротрофных организмов. Наиболее значительным улучшением этого традиционного камерного метода является использование неинвазивных оптических датчиков кислорода и оптимизация этого в первую очередь планктонного метода измерения перифитной первичной продуктивности.
Методика описана на примере измерения микробных матов в прибрежной зоне вновь возникших послерудных озер в Чехии – Милада, Мост и Медар. Метаболическую активность микробных матов определяют с помощью прямого измерения in situ потоков O2 , выполняемого непосредственно на определенных глубинах, где естественным образом возникают исследуемые сообщества. Гетеротрофная и фототрофная активность измеряется в закрытых стеклянных баллонах, оснащенных неинвазивными оптическими датчиками кислорода. Эти датчики обнаруживают парциальное давление кислорода с помощью флуоресценции светочувствительных красителей. Флаконы с микробными матами подвешивают и инкубируют на плавающем устройстве на соответствующих глубинах. Концентрация кислорода внутри бутылок непрерывно измерялась в течение светового дня с маленькой лодки.
Образцы неповрежденных микробных матов собираются и помещаются в газонепроницаемые инкубационные баллоны на определенных глубинах аквалангистами. Каждая бутылка оснащена неинвазивным оптическим микросенсором кислорода, который контролирует производительность / потребление O2 с течением времени. Все измерения выполняются в пяти повторяющихся парах темный/светлый на каждой глубине. Температура и интенсивность фотосинтетически активного излучения (PHAR) измеряются на соответствующих глубинах на протяжении всей инкубации. После 6 ч инкубации in situ (световой день) микробные маты собирают из бутылок и сушат. Потоки O2 нормализуются до микробной биомассы. В качестве контроля потоки корректируются на изменения концентрации О2 в отдельных светлых и темных газонепроницаемых баллонах (пустые контрольные элементы), содержащих озерную воду без биомассы микробного мата. Ниже приведены подробные инструкции по строительству плавучей баржи и выполнению всего эксперимента шаг за шагом. В этой статье также представлены репрезентативные результаты измерений микробных матов на двух глубинах (1 м и 2 м), с пятью репликами на каждой глубине. Фактическая температура и интенсивность света измерялись в течение всего эксперимента с помощью регистраторов данных.
Protocol
Representative Results
Discussion
Методика, описанная в данной работе, основана на принципе метода кислорода в светлом и темном баллоне в сочетании с неинвазивным методом измерения концентрацииО2 с помощью оптических датчиков кислорода. Эта система позволяет параллельно измерять различные настройки инкубации, ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Чешским научным фондом (GACR 19-05791S), RVO 67985939 и CAS в рамках программы Стратегии AV 21, Спасение и восстановление земель. Огромное спасибо Ондржею Сихельскому за съемки в поле – без него съемки были бы полным адом. Проект был бы невозможен без тесного сотрудничества с компаниями Palivový Kombinát Ústí s.p. и Sokolovská Uhelná, которые обеспечили доступ к исследуемым населенным пунктам.
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 |
Referências
- 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).
