Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
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.
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.
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.
ПРИМЕЧАНИЕ: Перед выборкой определите степень репликации на основе общих потребностей проекта, статистического дизайна или ожидаемой величины изменчивости выборки. Пять реплицированных пар светлых и темных инкубационных бутылок предлагаются для точного статистического анализа и учета потенциальной потери или поломки образца. Описанная плавучая экспериментальная баржа предназначена для перевозки пяти реплик плюс одна пара холостых органов управления; Технический чертеж экспериментальной баржи см. на рисунке 1 .
Рисунок 1: Технические чертежи экспериментальной баржи и бокового поплавка. (А) Вид сверху: рама баржи состоит из четырех алюминиевых угловых частей профиля L (синий), которые соединены между собой четырьмя алюминиевыми плоскими стержнями (серый). Поплавки XPS (розовые) крепятся к раме в двух точках, каждая из которых находится на параллельных алюминиевых изделиях. Цепи для инкубационных бутылок крепятся к раме с обеих сторон с помощью защелкивающихся крючков в предварительно просверленных отверстиях (красные стрелки) с расстоянием между ними 550 мм. Цепи были снабжены защелкивающимися крючками на расстоянии 1 м и 2 м для крепления инкубационной бутылки (выбирайте положение защелкивающихся крючков в соответствии с экспериментальной глубиной). Бетонный якорь закреплен на носу баржи, где свес 25 мм позволяет двум предварительно просверленным отверстиям (желтые наконечники стрел) служить точкой крепления для цепи якоря и исследовательского судна. Рама легко собирается или разбирается через параллельные соединения между четырьмя алюминиевыми угловыми частями (зеленые наконечники стрел). (B) Вид сбоку показывает подвесные цепи с подвесными инкубационными бутылками и бетонным якорем (коричневый квадрат). (C) Боковой поплавок XPS: параллельнолюминные уголки L (синие) соединены вертикальными алюминиевыми плоскими стержнями (серый). Ниже поперечного сечения устанавливается поплавок XPS (розовый) с указанием необходимых размеров отверстий (4 мм). Подвесные цепи крепятся защелкивающимися крючками в отверстиях 8 мм (красный наконечник стрелы). В носовой части баржи в нависающем алюминии просверливаются два 8-мм отверстия, одно для закрепления якоря на барже (желтый наконечник стрелы), а другое для швартовки исследовательского судна к барже (синий). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
1. Строительство опытной баржи
ПРИМЕЧАНИЕ: Плавучая баржа состоит из двух равных секций, смонтированных вместе, что позволяет легко собирать/разбирать. Все использованные детали можно приобрести на любом хобби-рынке или в магазине по продаже строительных материалов.
Рисунок 2: Собранная экспериментальная баржа. Фотография собранной экспериментальной баржи. Красные наконечники стрел показывают отверстия для крепления цепочек с инкубационными бутылками. Зеленые наконечники стрелок указывают на то, где две половины поплавка соединены вместе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Инкубационные бутылки. Фото двух пар темных и светлых инкубационных бутылок, висящих на глубине 1 м. Одна пара бутылок содержит образец неповрежденных микробных матов, все еще растущих на камне (красный наконечник стрелы). Второй – пустая бутылка с озерной водой с соответствующей глубины. Желтый наконечник стрелки указывает на пятно датчика кислорода, прикрепленное к внутренней стенке инкубационного флакона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
2. Установка в полевых условиях
3. Подготовка инкубационной бутылки
4. Сбор и обработка образцов
ПРИМЕЧАНИЕ: Водолазы проводят ручной сбор проб в более глубоких водах. На мелководье это можно сделать с помощью подводного плавания или вброд.
5. Измерение первичной производительности
ПРИМЕЧАНИЕ: Человек, сидящий в лодке, берет коробку у дайвера и выполняет следующие шаги.
Рисунок 4: Схема экспериментальной установки в полевых условиях. Иллюстрация поставленной на якорь экспериментальной баржи на поверхности озера. Инкубационные бутылки (0,5 л) с биомассой микробного мата подвешивают на двух разных глубинах (1 м и 2 м). Водолазы собирали образцы микробных матов непосредственно в инкубационные бутылки на соответствующих глубинах. Концентрация кислорода в отдельных баллонах измеряется с судна. Бутылки вытаскиваются из воды. Значение концентрации кислорода измеряется через несколько секунд путем подключения оптического кабеля к датчику кислорода. Затем бутылки осторожно опускают обратно в воду. Вся процедура измерения двух пар инкубационных бутылок с двух глубин занимает ~2 мин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
6. Анализ проб
7. Анализ данных
Рисунок 5: Чистая и валовая продуктивность экосистем микробных матов при дневном свете. А) Продуктивность экосистемы "легкая бутылочно-чистая": данные о чистой продуктивности кислорода микро?...
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, ?...
Авторы подтверждают, что у них нет конфликта интересов для раскрытия.
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.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены