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.
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.
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.
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 …
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |