Method Article

Messung der potenzialimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium basierend auf 14NH4+/15NH4+ Analysen mittels Sequenzielle Umwandlung in N 2O

DOI:

10.3791/59562

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October 7th, 2020

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1Department of Biological Sciences, Faculty of Science and Engineering, Chuo University, 2Faculty & Graduate School of Urban Environmental Sciences, Tokyo Metropolitan University, 3Center for Ecological Research, Kyoto University, 4Department of Chemistry, Faculty of Science, Toho University, 5Graduate School of Integrated Arts and Sciences, Hiroshima University

In This Article

Summary

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Eine Reihe von Methoden zur Bestimmung der potentiellen DNRA-Rate auf Basis von 14NH4+/15NH4+ Analysen wird detailliert bereitgestellt. NH4+ wird über mehrere Schritte in N2O umgewandelt und mittels Quadrupol-Gaschromatographie–Massenspektrometrie analysiert.

Abstract

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Die Bedeutung des Verständnisses des Schicksals von Nitrat (NO3),dem dominanten N-Arten, das von terrestrischen auf aquatische Ökosysteme übertragen wird, hat zugenommen, weil die globalen Stickstoffbelastungen nach der Industrialisierung dramatisch zugenommen haben. Die dissimilatorische Nitratreduktion auf Ammonium (DNRA) und Denitrifikation sind beide mikrobiellen Prozesse, die NO3- zur Atmung verwenden. Im Vergleich zur Denitrifikation wurden quantitative Untersuchungen der DNRA-Aktivität nur in begrenztem Umfang durchgeführt. Dies hat zu einem unzureichenden Verständnis der Bedeutung von DNRA in NO3--Transformationen und den regulierenden Faktoren dieses Prozesses geführt. Ziel dieses Papiers ist es, ein detailliertes Verfahren zur Messung des potenziellen DNRA-Wertes in Umweltproben bereitzustellen. Kurz gesagt, kann die potentielle DNRA-Rate aus der 15N-markierten Ammonium (15NH4+) Akkumulationsrate in 15NO3berechnet werden. Die Bestimmung der in diesem Papier beschriebenen Konzentrationen 14NH4+ und 15NH4+ besteht aus den folgenden Schritten. Zunächst wird das NH4+ in der Probe extrahiert und auf einem gesäuerten Glasfilter als Ammoniumsalz eingeschlossen. Zweitens wird das eingeschlossene Ammonium eluiert und über Persulfatoxidation zu NO3- oxidiert. Drittens wird das NO3- über einen N 2 O-Reduktase-Mangel denitrifier in N2O umgewandelt.2 Schließlich wird das umgebaute N2O mit einem zuvor entwickelten Quadrupol-Gaschromatographie-Massenspektrometriesystem analysiert. Wir wandten diese Methode auf Salzsumpfsedimente an und berechneten deren potenzielle DNRA-Raten, was zeigt, dass die vorgeschlagenen Verfahren eine einfache und schnellere Bestimmung im Vergleich zu zuvor beschriebenen Methoden ermöglichen.

Introduction

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Die künstliche Synthese von Stickstoffdünger und seine weit verbreitete Anwendung haben den globalen Stickstoffkreislauf stark gestört. Es wird geschätzt, dass sich der Transfer von reaktivem Stickstoff von terrestrischen zu Küstensystemen seit den vorindustriellen Zeiten1verdoppelt hat. Ein erheblicher Teil der Düngemittel, die auf ein bestimmtes Feld aufgebracht werden, wird vom Boden zu Flüssen oder Grundwasser abgewaschen, in erster Linie als NO3x 2. Dies kann zu Umweltproblemen wie Trinkwasserverschmutzung, Eutrophierung und Hypoxiebildung führen. NO3- in Wasserumgebungen....

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Protocol

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1. Erstellung eines PTFE-Umschlags zur quantitativen Erfassung gasförmiger NH3

  1. Legen Sie ein 60-mm-Stück Polytetrafluorethylen (PTFE) (25 mm Breite) auf eine kleine Folie aus Aluminiumfolie (ca. 300 mm x 450 mm groß, mit Ethanol abgewischt).
  2. Asche ein Glasfaserfilter (10 mm Durchmesser mit einer Porengröße von 2,7 m) bei 450 °C für 4 h in einem Muffelofen. Legen Sie den Glasfaserfilter etwas über dem Mittelpunkt der längeren Achse des Bandes (Abbildung 1a).
  3. Spot 20 'L von 0.9-mol/L H2SO4 auf der Mitte eines GF/D-Filters, und falten Sie sofort das PTFE-Band mit zwei Pinzetten: ....

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Results

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Die repräsentativen Ergebnisse, die in diesem Papier vorgestellt werden, stammen aus 15N-Tracing-Experimenten von Salzsumpfsedimenten. Der salzbeprobte Salzmarsch wurde nach dem Großen Erdbeben in Ostjapan 2011 im Moune-Gebiet der Stadt Kesen-numa in der Präfektur Miyagi in Japan neu geschaffen. Im September 2017 wurden an zwei Stellen in den Untergezeiten- und Gezeitenzonen Oberflächensedimente (0–3 cm) gesammelt. Zuerst wurde das Sediment unmittelbar nach der Sammlung durch e.......

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Discussion

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Die Konzentration und das Isotopenverhältnis von NH4+ für die DNRA-Analyse wurden mit mehreren Methoden quantifiziert. Die Konzentrationen und Isotopenverhältnisse von NH4+ werden in der Regel getrennt gemessen. Die NH4+ Konzentration wird in der Regel mit kolorimetrischen Methoden einschließlich eines Autoanalyzers4,10,15,16

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Disclosures

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgements

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Wir danken Naoto Tanaka für die Unterstützung bei der Datenerfassung und der Entwicklung des Protokolls. Die Sammlung von Samples wurde von JSPS KAKENHI Grant Number 17K15286 unterstützt.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
15N-KNO3SHOKO SCIENCEN15-0197
15N-NH4ClSHOKO SCIENCEN15-0034
20 mL PP-FlascheSANPLATEC61-3210-18Weithals-Aluminiumkappe
Maruemu1307-13Nr. 20, mit Loch
BorsäureWako021-02195
ZentrifugeHITACHIHimac CR21G II
sauerstoffarmes Gas Druck & Ersetzen Sie den InjektorSANSIN INDUSTRIALIP-12
Einweg-Membranfilter aus CelluloseacetatADVANTEC25CS020ASPorengröße 0,22 µ m, Einmalspritze mit einem Durchmesser von 25 mm
TermoSS-10SZ10 mL
EinmalspritzeTermoSS-01T1 mL
Dulbecco' s Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (-)NISSUI PHARMACEUTICAL5913
Gasdichte SpritzeVICI Valco Instruments4075-15010Serie A-2, 100 µ L
GC/MS shimadzuGCMS-QP2010ultra
GF/DWhatman1823-01010 mm Durchmesser
GlasfläschchenMaruemu0501-0620 mL
ButylkautschukstopfenMaruemu1306-03Nr. 20-S
H2SO4Wako192-04696Garantiertes Reagenz
K2S2O8Wako169-11891Stickstoff- und Phosphoranalytik
KClWako163-03545Garantiertes Reagenz
KNO3Wako160-04035Garantiertes Reagenz
NaOHWako191-08625Stickstoffverbindungen Analysegrad
NH4ClWako017-02995Garantiertes Reagenz
Kunststoff-ZentrifugenröhrchenASONE1-3500-2250 mL, VIO-50BN
Pseudomonas chlororaphis subsp. aureofaciensAmerican Type Culture Collection (ATCC)ATCC 13985Gefriergetrocknet, der Typstamm von Pseudomonas aureofaciens
PTFE-DichtbandSigma-AldrichZ22188025 mm Breite
KolbenschüttlerTAITEC0000207-000NR-10
Reagenzglas mit SchraubverschlussIWAKI84-025211 mL
PTFE-ausgekleidete Kappe für ReagenzglasIWAKI84-0262
Tryptische SojabrüheDifco Laboratories211825
Grauer

References

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  1. Gruber, N., Galloway, J. N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature. 451 (7176), 293-296 (2008).
  2. Galloway, J. N., et al. The Nitrogen Cascade. Bioscience. 53 (4), 341-356 (2003).
  3. Rysgaard, S., Risgaard-Petersen, N., Sloth, N. P. Nitrification, denitrification, and nitrate amm....

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Dissimilatory Nitrate ReductionDNRA Rate MeasurementAmmonium AccumulationNitrate ReductionPersulfate OxidationN2O ConversionQuadrupole GC MSSalt Marsh SedimentsIsotope TracingEnvironmental Samples

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