En ultraren Multilayer apparat för att samla storlek Fractionated Marina Plankton och suspenderade partiklar
Summary
Plankton och suspenderade partiklar spela en viktig roll i de biogeokemiska kretslopp i havet. Här ger vi en ultra ren, låg stress metod för insamling av olika storlekar av partiklar och plankton i havet med förmåga att hantera stora mängder havsvatten.
Abstract
Fördelningen av många spårämnen i havet är starkt associerade med tillväxt, döden och re-mineralization av Marina plankton och de tillfälligt/sjunkande partiklar. Här presenterar vi en alla plast (polypropen och polykarbonat), multi-layer filtreringssystem för insamling av suspenderade partiklar (SPM) vid havet. Denna ultra ren provtagningsutrustning har utformats och utvecklats specifikt för spårämnet studier. Noggranna urval av alla icke-metalliska material och användning av en i-line genomflöde förfarandet minimerar eventuella möjliga metall kontaminering under provtagning. Detta system har framgångsrikt testats och tweaked för fastställande av spårmetaller (t.ex., Fe, Al, Mn, Cd, Cu, Ni) på partiklar av varierande storlek i kustområden och öppet hav vatten. Resultat från Sydkinesiska havet på South East Asia tidsserier (platser) station indikerar att dagaktiva variationer och rumslig distribution av plankton i den euphotic zonen kan enkelt lösas och erkänd. Kemisk analys av storlek-fractionated partiklar i ytvattnen i Taiwansundet tyder på att de största partiklarna (> 153 µm) erhölls mestadels biologiskt, medan de mindre partiklarna (10-63 µm) bestod mestadels av oorganisk materia. Förutom Cd minskade halterna av metaller (Fe, Al, Mn, Cu, Ni) med ökande storlek.
Introduction
Partiklar i havet har en viktig roll i Marina biogeokemiska kretslopp1. De flesta av egenskaperna för partiklar, såsom storlek, mineralogi och sammansättning, kan ändra djupt från en geologisk eller hydrografiska inställning till en annan2. Dessutom fördelningorna av element i havet är också associerade med livscykeln för växtplankton: tillväxt, döden, förlisningen och re-mineralization3,4. Marina partiklar span minst 4 tiopotenser i storlek, alltifrån submicron partiklar till stora aggregat (> 5 mm). De flesta partiklar härleds biologiskt, från processer såsom viral lysis, exsudation, sekretion, fekal pelletsproduktion, etc. Andra partiklar bildas från fysiska koagulering av celler, cellulära skräp eller lithogenic material1. Olika kemiska och biologiska egenskaperna hos partiklar styra både geokemiska cykler och biologiska processer som sker på och inom de partiklar4,5,6. Dessa partiklar är viktiga livsmiljöer samt matkällor för vissa organismer, till exempel djurplankton eller saprotrophs. Därför är ödet av partiklar ofta relaterade till deras storlek, som kan ändras av biologiska processer på och runt partiklar.
Provtagning Marina partiklar oftast kräver filtrering, men denna metod införs en viss tvetydighet i identifiera egenskaper för partiklar, eftersom Marina partiklar inte är homogen i sammansättning och storlek. Suspenderade partiklar, främst består av små och låg densitet partiklar som är nästan permanent i suspension, blandas med varierande mängder av större och tätare partiklar i suspension endast för en kort tidsperiod, beroende på hydrodynamiska villkor 7. de första rapporterna av trace metall sammansättningen av plankton prover samlades in av plankton låter flytta eller uppskjutande plankton nät på en forskning fartyget8. Författarna ofta hittade metallpartiklar och måla marker i prover, vilket tyder på ett allvarligt problem av kontaminering under Marina partikel provtagning för kemisk analys. Andra insatser inkluderar netto bogsering av gummi flottar eller använda en polyvinylklorid (PVC)-hand vinsch3. Svårigheten att tillförlitlig provtagning av partiklar gör framsteg i vår förståelse av den kemiska sammansättningen av Marina partiklar svårare, särskilt för spårämnen. Som sådan, har mest avgörande information om koncentrationen av spårämnen i växtplankton kommit från kultur studier9,10. Detta erkännande har motiverat Marina forskare att skapa nya metoder för att studera partiklar i havet under de senaste trettio år11.
Oceanografer har använt olika urvalsmetoder, inklusive ombordanställda filtrering, i situ filtrering, och sediment fällor11. Bearbetning av stora mängder havsvatten att samla in icke-kontaminerade prover kan vara en utmaning, särskilt för öppet hav och djupa vatten där partikel halterna är mycket låg (0,001 – 0,1 mg/L). Det är också nödvändigt att filtrera stora mängder havsvatten att erhålla en tillräckligt stor kvantitet av partiklar att mäta trace metall koncentrationer. Vissa forskare har använt metoden storlek-fraktionering för att separera partiklar från sjunkande partiklar. Partikelstorlek, porositet, densitet och formen kan dock alla inflytande partikel sjunka hastigheter. Sediment fällor är inte praktiska verktyg för att samla in partiklar, eftersom de är konstruerade för sjunkande partiklar. Det är därför viktigt att utveckla metoder för provtagning och behandling som kan samla in tillräckliga mängder partiklar med minimal nedsmutsning. Storlek-fraktionering av i situ filtrering är därför fortfarande ett lovande verktyg i oceanografs provtagning verktygslåda, eftersom det kan avslöja viktig information om Marina partikel dynamics. Här beskriver vi ett framgångsrikt testade trace-metall-ren, multi-layer gravitation filtrering provtagning apparater, som kan behandla stora volymer (120-240 L) av havsvatten ombord i ett pass från polytetrafluoreten (PTFE) belagd provtagning vattenflaskor i en flera flaska provtagning matris. Denna provtagning apparat använder Syramättad syntetiska nylon nät i sekvens, och näten är innesluten i en polykarbonat behållare försiktigt samla storlek-fractionated svävande materia och växtplankton12,13, 14,15 (figur 1). Syftet med detta arbete är att ge ett bättre verktyg för att studera de metall-partikel sammanslutningarna och deras Reaktionsdynamik i marina miljöer och förbättra vår förståelse av ödet för en mängd olika planktons, partiklar och spårmetaller i dessa miljöer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Att erhålla tillförlitlig trace metall koncentrationer på plankton och suspenderade partiklar i naturliga vatten, som är allmänt närvarande vid mycket låga koncentrationer, kräver stor omsorg under provtagning, behandling, förbehandlingar och analys, med syftet att minska förorening. Därför, förfarandena för att utforma och förbereda provtagning redskap, provbehållare och material används för att samla och processen prover är alla viktiga steg mot att få högkvalitativa data för spårmetaller i marin…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Miss Pi-Fen Lin, Mr Wei-Lung Tseng, Miss Pei-Hsuan Lin och Dr Jia-Lu Chuan för deras hjälp under fältprovtagning och lab analys för praktisk utveckling och tillämpning av ”CATNET”. Hjälp av besättning och tekniker ombord på forskningsfartyget Ocean forskning-I och Ocean forskning-II under provtagning expeditionerna är mycket uppskattat. Detta arbete stöds delvis av Taiwan ministeriet för vetenskap och teknik av beviljar 95-2611-M-002-009, 97-3114-M-002-006, 96-2611-M-002-004, 91-2611-M-002-007, 104-2611-M-002-019. Detta manuskript är skriven till minne av Fröken Wen-Huei Lee för hennes enorma engagemang och bidrag till Marina forskningar i Taiwan.
Materials
| thermoplastic elastomer (C-Flex) Tubings | Cole Palmer | EW-06424-67 | O.D. 0.635 cm, Opaque White 1/8"ID x 1/4"OD, 25 ft/pack |
| LDPE Bottle (Nalgene) | ThermoFisher Scientific | 2103-0004 | 125 mL, Nalgene Wide-Mouth LDPE Bottles with Closure |
| anionic protease enzyme detergent detergent (Tergazyme) | Alconox | 1104-1 | 1×4 lb box (1.8 kg) |
| Hydrochloric Acid | Sigma-Aldrich | 258148 | Reagent grade |
| Nitric acid | Sigma-Aldrich | 695025 | Reagent grade |
| alkaline detergnet (Micro) | Cole Palmer | EW-99999-14 | Micro-90 Cleaning Solution |
| polycarbonate filter, 47 mm, 0.4 µm | Sigma-Aldrich | WHA111107 | Whatman Nuclepore Track-Etched Membranes, diam. 47 mm, pore size 0.4 μm, polycarbonate |
| polycarbonate filter, 47 mm, 10 µm | Sigma-Aldrich | WHA111115 | Whatman Nuclepore Track-Etched Membranes, diam. 47 mm, pore size 10 μm, polycarbonate |
| PFA vessel, 60 ml capacity | Savillex | 300-060-03 | 60 mL Digestion Vessel, Flat Interior, Flat Exterior, Buttress Threaded Top |
| Nitric acid, ultrapure | Seastar Chemicals | N/A | BASELINE Nitric Acid |
| HF, ultrapure | Seastar Chemicals | N/A | BASELINE Hydrofluoric Acid |
| Boric acid, ultrapure | Seastar Chemicals | N/A | BASELINE Hydrobromic Acid |
| polyethylene (PE) gloves | Safty Zone | GDPL-MD-5 | Clear Powder Free Polyethylene Gloves |
| Multiple layer filtering and collecting device | Sino Instrumnets Co. Ltd | not available | Multiple layer filtering and collecting device, CATNET |
| 10 um Nylon filters, Nitex | Dynamic Aqua-Supply Ltd. | NTX 10 | Nitex – Standard Widths (40 – 44 inches) |
| 60 um Nylon filters, Nitex | Dynamic Aqua-Supply Ltd. | NTX 60 | Nitex – Standard Widths (40 – 44 inches) |
| 150 um Nylon filters, Nitex | Dynamic Aqua-Supply Ltd. | NTX 150 | Nitex – Standard Widths (40 – 44 inches) |
| torque wrench | Halfords | 200238 | Halfords Professional Torque Wrench 8-60Nm |
| multi-bottle sampling array, Rosette | General Oceanics | Model 1018 | Rosette Sampler |
| PTFE-coated sampling bottles, GO-Flo | General Oceanics | 108020T | GO-Flo water sampler teflon coated |
| Marine sediment reference materials | National Research Council Canada | MESS-3 | |
| Estuarine sediment standard reference material | National Institute of Standards and Technology | 1646a | |
| Plankton reference material | The European Commission's science and knowledge service | CRM414 |
References
- Jeandel, C., et al. What did we learn about ocean particle dynamics in the GEOSECS-JGOFS era. Progr. Oceanogr. 133, 6-16 (2015).
- Lam, P., et al. Methods for analyzing the concentration and speciation of major and trace elements in marine particles. Progr. Oceanogr. 133, 32-42 (2015).
- Collier, R., Edmond, J. The trace element geochemistry of marine biogenic particulate matter. Progr. Oceanogr. 13, 113-199 (1984).
- Donat, J. R., Bruland, K. W., Steinnes, E., Salbu, B. Trace elements in the oceans. Trace Elements in Natural Waters. , 247-280 (1995).
- Wen, L. -. S., Santschi, P., Tang, D. Interaction between radioactively labeled colloids and natural particles: evidence for colloidal pumping. Geochim. Cosmochim. Ac. 61, 2867-2878 (1997).
- Wen, L. -. S., Warnken, K., Santschi, P. The role of organic carbon, iron, and aluminium oxyhydroxides as trace metal carriers: Comparison between the Trinity River and the Trinity River Estuary (Galveston Bay, Texas). Mar. Chem. 112, 20-37 (2008).
- Hurd, D., Spencer, D. Marine particles: analysis and characterization. American Geophysical Union. , (1991).
- Martin, J. H., Knauer, G. A. The elemental composition of plankton. Geochim. Cosmochim. Ac. 37, 1639-1653 (1973).
- Morel, F., Price, N. M. The biogeochemical cycles of trace metals in the oceans. Science. 300, 944-947 (2003).
- Ho, T. -. Y., et al. The elemental composition of some marine phytoplankton. J. Phycol. 39, 1145-1159 (2003).
- McDonnell, A., et al. The oceanographic toolbox for the collection of sinking and suspended marine particles. Prog. Oceanogr. 133, 17-31 (2015).
- Wen, L. -. S., Li, W. -. H., Zhuang, G. -. Z. . Multiple layer filtering and collecting device. , (2005).
- Ho, T. -. Y., Wen, L. -. S., You, C. -. F., Lee, D. -. C. The trace-metal composition of size fractionated plankton in the South China Sea: biotic versus abiotic sources. Limnol. Oceanogr. 52, 1776-1788 (2007).
- Hsu, R., Liu, J. In-situ estimations of the density and porosity of flocs of varying sizes in a submarine canyon. Mar. Geol. 276, 105-109 (2010).
- Liao, W. -. H., Yang, S. -. C., Ho, T. -. Y. Trace metal composition of size-fractionated plankton in the Western Philippine Sea: the impact of anthropogenic aerosol deposition. Limnol Oceanogr. , (2017).
- Grasshoff, K., Kremling, K., Ehrhardt, M. . Methods of seawater analysis. , (2007).
