Name: a low-cost method of measuring the in situ primary productivity of periphyton communities of lentic waters
Uploaded: 2022-12-16T13:05:00
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Este estudo foi apoiado pela Czech Science Foundation (GACR 19-05791S), RVO 67985939, e pelo CAS dentro do programa da Estratégia AV 21, Land save and recovery. Muito obrigado a Ondřej Sihelský por tirar as fotos no campo - sem ele, as filmagens teriam sido um inferno completo. O projeto não seria possível sem uma estreita cooperação com as empresas, Palivový Kombinát Ústí s.p. e Sokolovská Uhelná, que forneceram acesso às localidades estudadas.

NOTA: Antes da amostragem, determine o grau de replicações com base nas necessidades gerais do projeto, no desenho estatístico ou na quantidade esperada de variabilidade da amostra. Cinco pares replicados de frascos de incubação clara e escura são sugeridos para análise estatística precisa e para explicar a potencial perda ou quebra da amostra. A barcaça experimental flutuante descrita é projetada para transportar cinco repetições mais um par de controles em branco; ver figura 1 ...

<ol>
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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+production+of+organic+matter+in+the+sea+by+means+of+carbon-14.">Measurement of the production of organic matter in the sea by means of carbon-14.</a> Nature. 167 (4252), 684-685 (1951).</li><li>J&#246;nsson, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+14C-incubation+technique+for+measuring+microphytobenthic+primary+productivity+in+intact+sediment+cores.">A 14C-incubation technique for measuring microphytobenthic primary productivity in intact sediment cores.</a> Limnology and Oceanography. 36 (7), 1485-1492 (1991).</li><li>Bender, M. 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A metodologia descrita neste trabalho baseia-se no princípio da técnica de oxigênio em garrafa clara e escura em combinação com a técnica não invasiva de medição da concentração de O2 usando sensores ópticos de oxigênio. Este sistema permite a medição paralela de diferentes configurações de incubação, pois a fibra óptica para medir O2 pode ser movida rapidamente de garrafa para garrafa. As comunidades bentônicas de várias profundidades podem diferir em composição taxonômica ...

A produtividade primária é a única entrada de carbono autóctone nos sistemas aquáticos que formam toda a teia alimentar do sistema1. Assim, a estimativa precisa da produtividade primária é um passo essencial para a compreensão do funcionamento dos ecossistemas aquáticos. As zonas litorâneas são áreas de alta produtividade primária e biodiversidade. Além do fitoplâncton, presume-se que o perifíton (doravante denominados tapetes microbianos) e as macroalgas contribuam significativamente para a produtividade primária nas zonas litorâneas2. Devido ao seu estilo de vida séssil e heterogeneidade espacial significativa, a quantificação da produtividade primária não é trivial. 
A produtividade primária é impulsionada principalmente pela intensidade da luz, temperatura, disponibilidade de nutrientes e distribuição das espécies iônicas do sistema carbonatado nas respectivas profundidades das zonas eufóticas 3,4. A profundidade influencia marcadamente a distribuição espacial dos tapetes microbianos. As comunidades microbianas devem lidar com os efeitos adversos da alta irradiação e das variações sazonais pronunciadas de temperatura em profundidades rasas e com menor intensidade de luz em profundidades maiores. Além do gradiente de profundidade, as interações tróficas dinâmicas geram padrões espaciais múltiplos e complexos em diferentes escalas5. Este sistema complexo é complicado de simular em laboratório. A maneira mais precisa de inferir a atividade metabólica de produtores primários individuais de zonas litorâneas é estabelecer experimentos in situ.
A metodologia introduzida neste trabalho baseia-se no método tradicional de câmara 2,6,7, juntamente com uma barcaça flutuante transportável e de fácil construção e de baixo custo. Isso permite a medição da produtividade primária em diferentes profundidades sob o espectro de luz natural, temperatura e distribuição diferente das espécies iônicas do sistema de carbonato com a profundidade. O método baseia-se no princípio do oxigênio claro versus escuro da garrafa, que foi empregado pela primeira vez para medir a fotossíntese do fitoplâncton 6 e ainda é comumente utilizado 6,7. Compara a taxa de variação do oxigênio em garrafas mantidas à luz (o que inclui os efeitos da produtividade primária e da respiração) com aquelas mantidas no escuro (apenas respiração)8. O método utiliza a evolução do oxigênio (fotossíntese) como proxy para a produtividade primária. As variáveis medidas são a produtividade líquida do ecossistema (NEP, como uma mudança na concentração de O 2 ao longo do tempo em condições de luz) e a respiração do ecossistema (RE, como uma mudança na concentração de O2 ao longo do tempo no escuro). A produtividade bruta do ecossistema (GEP) é o cálculo da diferença entre os dois (Tabela 1). O termo "ecossistema" é usado aqui para denotar que o perifíton é composto de organismos autotróficos e heterotróficos. A melhoria mais significativa deste método de câmara tradicional é o uso de sensores ópticos de oxigênio não invasivos e a otimização deste método principalmente planctônico para medir a produtividade primária perifítica.
A técnica é descrita no exemplo de medição de tapetes microbianos na zona litorânea de lagos pós-mineração recém-surgidos na República Tcheca-Milada, Most e Medar. A atividade metabólica dos tapetes microbianos é determinada usando a medição direta in situ dos fluxos de O2 realizada diretamente em profundidades específicas, onde as comunidades estudadas ocorrem naturalmente. A atividade heterotrófica e fototrófica é medida em garrafas de vidro fechadas equipadas com sensores ópticos de oxigênio não invasivos. Esses sensores detectam a pressão parcial de oxigênio usando a fluorescência de corantes sensíveis à luz. As garrafas com tapetes microbianos são suspensas e incubadas em um dispositivo flutuante nas profundidades apropriadas. A concentração de oxigênio dentro das garrafas foi medida continuamente durante o período de luz do dia a partir do pequeno barco. 
Amostras de tapetes microbianos intactos são coletadas e colocadas em garrafas de incubação à prova de gás em profundidades designadas por mergulhadores. Cada garrafa é equipada com um microssensor óptico de oxigênio não invasivo, que monitora a produtividade/consumo de O2 ao longo do tempo. Todas as medições são feitas em cinco pares escuros/claros replicados em cada profundidade. As intensidades de temperatura e radiação fotossinteticamente ativa (PHAR) são medidas nas respectivas profundidades ao longo da incubação. Após 6 h de incubação in situ (horas de luz do dia), os tapetes microbianos são colhidos das garrafas e secos. Os fluxos O2 são normalizados para biomassa microbiana. Como controle, os fluxos são corrigidos para mudanças na concentração de O2 em garrafas separadas à prova de gás claro e escuro (controles em branco) contendo água do lago sem biomassa de esteira microbiana. Abaixo estão as instruções detalhadas para construir a barcaça flutuante e realizar todo o experimento passo a passo. Este trabalho também apresenta resultados representativos das medidas de tapetes microbianos em duas profundidades (1 m e 2 m), com cinco repetições em cada profundidade. A temperatura real e a intensidade da luz foram medidas durante todo o experimento usando dataloggers.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum angle L profile 40 x 40 mm x 3 mm, length 2,000 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum flat bar 40 x 3 x 350 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bucket 15 L with concrete infill&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carabine hook with screw lock 50 x 5 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>electric tape black</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Extruded polystyrene (XPS) material 500 x 200 x 150 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibox 3 LCD trace</td>
			<td>PreSens Precision Sensing GmbH</td>
			<td></td>
			<td>stand-alone fiber optic oxygen meter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hondex PS-7 Portable Depth Sounder</td>
			<td>Hondex&#160; - Honda Electronics</td>
			<td></td>
			<td>to measures distances through water - to bottom depth measurement; https://www.honda-el.net/industry/ps-7e</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KORKEN - glass tight-seal jar 0.5 L</td>
			<td>IKEA</td>
			<td></td>
			<td>incubation bottles; https://www.ikea.com/cz/en/p/korken-jar-with-lid-clear-glass-70213545/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>metal hook&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen Sensor Spot SP-PSt3-NAU-D5</td>
			<td>PreSens Precision Sensing GmbH</td>
			<td></td>
			<td>non-invasive optical oxygen sensor for measurements under Real Conditions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SCOUT infantable canoe</td>
			<td>GUMOTEX</td>
			<td></td>
			<td>https://www.gumotexboats.com/en/scout-standard#0000-044667-021-13/11C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw 10 x 170 mm with hexagonal nuts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw 4 x 15 mm with hexagonal nuts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw 4 x 15 mm with wing nuts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Snap hooks 50 x 5 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel Carabine hook 50 x 5 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel chain with wire diameter 3 mm, inside link 5.5 x 26 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel chain, 5 m</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>toothbrush</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>tweezer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Washer 10 x 50 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Washer 4 x 10 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Washer 4 x 10 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a low-cost method of measuring the in situ primary productivity of periphyton communities of lentic waters

A medição da produtividade primária in situ do perifíton durante o gradiente da estação de crescimento pode elucidar o efeito quantitativo dos fatores ambientais (principalmente concentração de fósforo e intensidade luminosa) e da composição das espécies na produtividade primária. A produtividade primária é impulsionada principalmente pela intensidade da luz, temperatura, disponibilidade de nutrientes e distribuição das espécies iônicas do sistema carbonatado nas respectivas profundidades da zona eufótica. É um sistema complexo que é muito difícil de simular em laboratório. Esta barcaça flutuante barata, transportável e fácil de construir permite medir a produtividade primária com precisão diretamente sob as condições naturais reais. A metodologia baseia-se na medição da produtividade primária em tempo real usando sensores de oxigênio não invasivos integrados em frascos de vidro bem fechados, permitindo o monitoramento on-line do fluxo de oxigênio e fornecendo novos insights sobre as atividades metabólicas. Medições sazonais detalhadas in situ da produtividade primária bruta de tapetes microbianos (ou outros organismos bentônicos) podem melhorar o conhecimento atual dos processos que controlam a dinâmica da produtividade primária em águas lênticas.

<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64078/64078fig05.jpg"> Figura 5: Produtividade líquida e bruta do ecossistema de tapetes microbianos durante o dia. (A) Produtividade do ecossistema líquido de garrafas leves: dados de curso temporal da produtividade líquida de oxigênio de tapetes microbianos das garrafas leves. A mudança da concentração de oxigênio nos frascos de incubação foi medida após 1 h ...

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A Low-Cost Method of Measuring the In Situ Primary Productivity of Periphyton Communities of Lentic Waters

Apresentamos aqui um método/instalação econômico e transportável para medir a produtividade primária de tapetes microbianos sob condições reais de temperatura e luz ambiente in situ . A configuração experimental é baseada em materiais amplamente disponíveis e pode ser usada sob várias condições, oferecendo as vantagens dos modelos baseados em laboratório.

Um Método de Baixo Custo para Medir a Produtividade Primária In Situ de Comunidades de Perifítons de Águas Lênticas

Measuring the in situ primary productivity of periphyton during the growing season gradient can elucidate the quantitative effect of environmental drivers ...

A medição in-situ detalhada da produtividade bruta do perifíton ou de qualquer microrganismo de água em um local adequado pode melhorar o conhecimento atual dos processos que controlam a dinâmica de produtividade primária em águas lênticas. As principais melhorias nos métodos propostos são a não invasividade, o custo-benefício e a possibilidade de medições simultâneas em vários locais. Ele também permite a coleta de grandes ativos de dados sem despesas adicionais.Substituindo a barcaça na condução dos experimentos, use um caiaque inflável, pois é facilmente transportável. Selecione um local com uma profundidade ideal para ancorar o flutuador. Em seguida, prenda a barcaça montada atrás da popa do barco e abaixe cuidadosamente a âncora ao longo do lado do barco.Alinhe a âncora pendurando-a ligeiramente abaixo da superfície da água para que o flutuador possa ser facilmente rebocado com a âncora para o local com a profundidade necessária. Depois de chegar ao local, desamarre a âncora do barco e abaixe-a até o fundo, em seguida, prenda a barcaça à corrente de âncora e as correntes para anexar as garrafas de incubação à barcaça. Para preparar as garrafas de incubação, anexe pontos do sensor óptico de oxigênio à parede interna de garrafas transparentes de 0,5 litro com selos à prova de gás e, em seguida, faça uma camada opaca para as garrafas de tratamento escuras, envolvendo-as com fita adesiva preta.Corte um pequeno orifício no local do sensor óptico colocado e certifique-se de que o orifício de corte é um pouco menor do que o diâmetro do sensor para evitar que a luz entre na garrafa. Coloque os frascos de incubação na caixa portátil e mergulhe com a caixa até à respectiva profundidade sem perturbar o sedimento na água circundante. Em seguida, usando pinças longas, encha cuidadosamente as amostras nos frascos de incubação, tomando cuidado para não perturbar demais a biomassa da amostra.Se os tapetes microbianos crescerem em uma superfície sólida, como uma pequena pedra, transfira cuidadosamente toda a pedra com biomassa intacta para a garrafa. Encha um par de garrafas claras e escuras com água limpa das respectivas profundidades sem sedimentos para servir como controles em branco. Depois de garantir que a água em todas as garrafas de incubação esteja limpa e não contenha sedimentos perturbadores, traga as garrafas fechadas para o barco ancorado na barcaça flutuante.Anexe os dois primeiros pares de garrafas de incubação aos ganchos de encaixe na primeira corrente e, em seguida, meça a concentração inicial de oxigênio em cada garrafa usando o medidor de oxigênio de fibra óptica. Ligue o cabo óptico do contador ao sensor de oxigénio montado no interior do frasco e, em poucos segundos, leia a concentração de oxigénio no contador e registe o valor medido. Imediatamente após a medição, abaixe cuidadosamente a corrente com as garrafas anexadas de volta à água, garantindo que as garrafas de incubação sejam colocadas na mesma profundidade a partir da qual a biomassa colocada nelas foi amostrada.Após uma hora, meça a concentração de oxigênio novamente, puxando cuidadosamente cada corrente com as garrafas para dentro do barco. A leitura do valor de oxigênio foi demonstrada anteriormente e o rebaixamento das amostras na água novamente. Depois de completar todas as medições, retire as amostras dos frascos de incubação e esfregue o tapete microbiano cultivado na superfície de uma substância dura como pedra com uma escova de dentes ou uma pequena faca, em seguida, transfira o conteúdo para frascos de plástico.Um aumento na concentração de oxigênio ao longo do tempo é aparente tanto no controle quanto nas garrafas de amostra expostas à luz, indicando a produtividade líquida do ecossistema. No entanto, a inclinação do aumento é significativamente maior em garrafas com amostras de tapetes microbianos. A mudança na concentração de oxigênio ao longo do tempo nas garrafas escuras é a soma da respiração autotrófica e heterotrófica.Neste caso, a inclinação da concentração de oxigênio na garrafa de controle não é significativamente diferente de zero. Subtraindo as taxas de respiração da produtividade líquida do ecossistema produz as taxas de produtividade bruta do ecossistema e os dados estão em conformidade com a definição. Uma aplicação prática deste método foi alcançada nos campos de três lagos pós-mineração que mostram a produtividade bruta do ecossistema da comunidade perifítica durante a estação vegetativa.Durante o processo de amostragem de biomassa debaixo d'água, é importante garantir que nenhuma bolha de ar permaneça presa dentro das garrafas de incubação uma vez que elas sejam fechadas após a adição das amostras. Usando este procedimento, é possível quantificar a troca de oxigênio entre o corpo d'água e qualquer organismo ou comunidade de organismos de tamanho adequado. Este método permite estudar a produtividade primária durante todo o ano de um organismo selecionado in situ, tornando a condição natural o máximo possível, dando assim uma melhor ideia da sua importância relativa para o metabolismo do carbono durante toda a vida.

Research

JoVE Journal

Environment

A Low-Cost Method of Measuring the In Situ Primary Productivity of Periphyton Communities of Lentic Waters

Determination of Microbial Extracellular Enzyme Activity in Waters, Soils, and Sediments using High Throughput Microplate Assays

Determinação da Microbial Extracelular Enzyme actividade nas águas, solos e sedimentos, utilizando alta taxa de transferência de microplaca Ensaios

Much of the nutrient cycling and carbon  processing in natural environments occurs through the activity of extracellular  enzymes released by ...

Ambiente

A Noninvasive Method For In situ Determination of Mating Success in Female American Lobsters (Homarus americanus)

A Noninvasive Method For In situ Determination of Mating Success in Female American Lobsters Homarus americanus

Um método não invasivo para<em&gt; Em situ</em&gt; Determinação do sucesso de acasalamento em fêmeas lagostas americanas (<em&gt; Homarus americanus</em&gt;)

Despite being one of the most productive fisheries in the Northwest Atlantic, much remains unknown about the natural reproductive dynamics of American ...

Quantification of Heavy Metals and Other Inorganic Contaminants on the Productivity of Microalgae

Quantificação de Metais Pesados ​​e outros contaminantes inorgânicos sobre a produtividade de Microalgas

Increasing demand for renewable fuels has researchers investigating the feasibility of alternative feedstocks, such as microalgae. Inherent advantages ...

Clean Sampling and Analysis of River and Estuarine Waters for Trace Metal Studies

Limpo Amostragem e Análise do Rio e Estuarina Waters de Estudos de metal de rastreamento

Most of the trace metal concentrations in ambient waters obtained a few decades ago have been considered unreliable owing to the lack of contamination ...

Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids

Pré-tratamento de biomassa lignocelulósica com baixo custo líquidos iônicos

A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of ...

Extraction of Organochlorine Pesticides from Plastic Pellets and Plastic Type Analysis

Extração de Pesticidas Organoclorados de Pelotização de Plástico e Análise de Tipo de Plástico

Plastic resin pellets, categorized as microplastics (&#8804;5 mm in diameter), are small granules that can be unintentionally released to the environment ...

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus (Murayama), Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

Measuring the Flight Ability of the Ambrosia Beetle, Platypus Quercivorus Murayama, Using a Low-Cost, Small, and Easily Constructed Flight Mill

Medir a capacidade de voo do besouro Ambrosia, ornitorrinco Quercivorus (Murayama), usando um baixo custo, pequeno e voo facilmente construído moinho

The ambrosia beetle, Platypus quercivorus (Murayama), is the vector of a fungal pathogen that causes mass mortality of Fagaceae trees (Japanese oak wilt). ...

A Flexible Low Cost Hydroponic System for Assessing Plant Responses to Small Molecules in Sterile Conditions

Um flexível baixo custo sistema hidropônico para avaliar as respostas de planta para pequenas moléculas em condições estéreis

A wide range of studies in plant biology are performed using hydroponic cultures. In this work, an in vitro hydroponic growth system designed for ...

Construction of a Compact Low-Cost Radiation Shield for Air-Temperature Sensors in Ecological Field Studies

Construção de um escudo de radiação compacto de baixo custo para sensores de temperatura do ar em estudos ecológicos

Low cost temperature sensors are increasingly used by ecologists to assess climatic variation and change on ecologically relevant scales. Although ...

Construction of a Low-cost Mobile Incubator for Field and Laboratory Use

Construção de uma incubadora móvel de baixo custo para o campo e uso em laboratório

Incubators are essential for a range of culture-based microbial methods, such as membrane filtration followed by cultivation for assessing drinking water ...