فهم الذائب المواد العضوية الكيمياء الحيوية من خلال<em> في الموقع</em> المغذيات التلاعب في تيار النظم الإيكولوجية
Summary
توفر المواد العضوية الذائبة مصدرا هاما من مصادر الطاقة والمواد المغذية للتيار النظم الإيكولوجية. نحن هنا لشرح طريقة ميدانية لمعالجة تجمع المحيطة من المواد العضوية الذائبة في الموقع من خلال النبضات المواد الغذائية القابلة للتكرار بسهولة.
Abstract
Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. Yet the in situ study of DOM is difficult as the molecular complexity of the DOM pool cannot be easily reproduced for experimental purposes. Nutrient additions to streams however, have been shown to repeatedly alter the in situ and ambient DOM pool. Here we demonstrate an easily replicable field-based method for manipulating the ambient pool of DOM at the ecosystem scale. During nutrient pulse experiments changes in the concentration of both dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen can be examined across a wide-range of nutrient concentrations. This method allows researchers to examine the controls on the DOM pool and make inferences regarding the role and function that certain fractions of the DOM pool play within ecosystems. We advocate the use of this method as a technique to help develop a deeper understanding of DOM biogeochemistry and how it interacts with nutrients. With further development this method may help elucidate the dynamics of DOM in other ecosystems.
Introduction
المواد العضوية الذائبة (DOM) يوفر مصدرا للطاقة والمواد الغذائية الهامة للمياه العذبة النظم الإيكولوجية ويعرف بأنه المادة العضوية الذي يمر من خلال مرشح 0.7 ميكرون. داخل النظم الإيكولوجية المائية، ويمكن DOM أيضا التأثير على ضوء توهين وcomplexation المعادن. DOM هو خليط متنوع للغاية وغير متجانسة من المركبات العضوية مع المجموعات الوظيفية المختلفة، وكذلك المواد الغذائية الأساسية مثل النيتروجين (N) والفوسفور (P). في حين أن مصطلح "دوم" يصف تجمع بأكمله بما في ذلك في C، N و P المكونات، يتم قياس تركيزه من الكربون العضوي المذاب (DOC). تعقيد الجزيئية الكامنة تجمع DOM ومع ذلك، يخلق تحديات لدراستها. على سبيل المثال، لا توجد وسيلة مباشرة لقياس جزء من تجمع DOM مجموع تتألف من المواد الغذائية العضوية مثل النيتروجين المذاب العضوية (DON) والفوسفور العضوية الذائبة (DOP). بدلا من ذلك، يجب أن يتم تحديد تركيز المواد الغذائية العضوية عن طريق الفرق ( <em> على سبيل المثال [DON] = [النيتروجين الكلي الذائب] – [حل النيتروجين غير العضوي]).
إضافة تعديل DOM واقعية لتيار صعبة نظرا لتنوع تجمع DOM المحيطة. وأضافت المصادر الدراسات السابقة واحدة من الكربون (مثل الجلوكوز، واليوريا 1) أو مصدر معين مثل أوراق الشجر العصارة 2 للتلاعب التركيزات في هذا المجال. ومع ذلك، فإن هذه المصادر لا تمثل ولا سيما تجمع DOM المحيطة. في محاولة لتحسين أو التركيز هو مصنوع DOM المحيط للتجريب لاحق أيضا مع الصعوبات بما في ذلك فقدان بعض الكسور (مثل مكونات عطوب للغاية) أثناء معالجة. ونتيجة لذلك، فإنه من الصعب أن نفهم الضوابط على بركة DOM المحيطة ونحن حاليا لا يملكون أي وسيلة للتلاعب مباشرة على حمام السباحة DOM المحيطة. ومع ذلك، منذ يرتبط البيوجيوكيميائية من DOM إلى المواد المغذية الموجودة عادة في البيئة (مثل أحمقمعدل [NO 3 -] 3)، ويمكننا أن نضيف المواد المذابة أخرى لتيار النظم الإيكولوجية وقياس استجابة تجمع DOM لهذه المناورات. من خلال دراسة كيفية استجابة تجمع DOM إلى مجموعة واسعة من تركيزات المواد الغذائية التي فرضت تجريبيا نأمل الحصول على فهم أفضل للكيفية استجابة DOM تقلب الظروف البيئية.
واحد الطريقة المستخدمة عادة في تيار البيوجيوكيميائية هو الأسلوب إضافة العناصر الغذائية. وقد جرت العادة على استخدامها التجارب بالإضافة المواد الغذائية لفهم حركية امتصاص أو مصير 4،5،6،7 المذاب المضافة. يمكن إضافات المواد الغذائية يكون على المدى القصير على ساعة 6 إلى اليوم على نطاق و4، أو التلاعب على المدى الطويل على مدى عدة سنوات 8. يمكن أيضا إضافات المواد الغذائية وتشمل صفت نظائريا المواد الغذائية (على سبيل المثال 15 N-NO 3 -) لتتبع المواد الغذائية المضافة من خلال ردود الفعل البيولوجية الكيميائية. ومع ذلك، والدراسات القائمة على النظائر المشعة وغالبا ما تكون بةتتطلب nsive والتحليلات الصعبة (مثل الهضم) من المقصورات القاعية متعددة حيث يمكن الاحتفاظ المغذيات المسمى isotopically. وقد كشفت التجارب مؤخرا فائدة البقول المواد الغذائية على المدى القصير لإلقاء الضوء على الرقابة على المواد المذابة غير مضافة والمحيطة مثل DOM 9،10، وكشف عن طريقة جديدة يمكن من خلالها دراسة الوقت الحقيقي في التفاعلات البيولوجية الكيميائية الموقع. نحن هنا وصف وشرح الخطوات المنهجية الرئيسية لإجراء البقول المواد الغذائية على المدى القصير بهدف فهم البيوجيوكيميائية جانب من C و N وتحديدا عناصر التحكم على بركة DOM متنوعة للغاية. هذه الطريقة يمكن استنساخه بسهولة تتضمن إضافة نبض المغذيات إلى الوصول تيار التجريبية وقياس التغيرات في تركيز كل من المذاب التلاعب ومتغير استجابة للاهتمام (مثل DOC، DON، DOP). عن طريق التلاعب مباشرة تركيزات المواد الغذائية في الموقع ونحن قادرون على تغيير بشكل غير مباشر DOMتجمع ودراسة كيف يمكن للتغييرات تركيز DOM عبر مجموعة ديناميكية من تركيزات المواد الغذائية 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
والهدف من هذا الأسلوب نبض المواد الغذائية، كما وردت هنا، هو لتوصيف وتحديد الاستجابة للسباحة متنوعة للغاية من المحيط DOM المياه تيار عبر مجموعة ديناميكية من المواد الغذائية غير العضوية المضافة. إذا المذاب وأضاف يزيد بما فيه الكفاية تركيز المذاب رد الفعل، يمكن إنشاء م?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge the Water Quality Analysis Laboratory at the University of New Hampshire for assistance with sample analysis. The authors also thank two anonymous reviewers whose comments have helped to improve the manuscript. This work is funded by the National Science Foundation (DEB-1556603). Partial funding was also provided by the EPSCoR Ecosystems and Society Project (NSF EPS-1101245), New Hampshire Agricultural Experiment Station (Scientific Contribution #2662, USDA National Institute of Food and Agriculture (McIntire-Stennis) Project (1006760), the University of New Hampshire Graduate School, and the New Hampshire Water Resources Research Center.
Materials
| Sodium Nitrate | Any | Any | |
| Sodium Chloride | Any | Any | Store purchased table salt can be used as well, however, it does contain trace levels of impurities |
| Whatman GFF glass-fiber filters | Any | Any | |
| BD Filtering Syringe | Any | Any | |
| EMD Millipore Swinnex Filter Holders | Any | Any | |
| Syringe stop-cock | Any | Any | |
| YSI Multi-parameter probe | Yellow Springs International | 556-01 | |
| Wide mouth HDPE 125 ml bottles | Any | Any | |
| 60 ml HDPE bottles | Any | Any | |
| 20 L bucket | Any | Any | |
| Field measuring tape | Any | Any | |
| Lab labeling tape | Any | Any | |
| Stir stick | Any | Any | |
| Cooler | Any | Any | |
| Sharpie pen | Any | Any | |
| Field notebook | Any | Any | |
| Tweezers | Any | Any | |
| Zip-lock bags | Any | Any |
References
- Brookshire, E. N. J., Valett, H. M., Thomas, S. A., Webster, J. R. Atmospheric N deposition increases organic N loss from temperate forests. Ecosystems. 10 (2), 252-262 (2007).
- Bernhardt, E. S., McDowell, W. H. Twenty years apart: Comparisons of DOM uptake during leaf leachate releases to Hubbard Brook Valley streams in 1979 and 2000. J Geophys Res. 113, G03032 (2008).
- Taylor, P. G., Townsend, A. R. Stoichiometric control of organic carbon-nitrate relationships from soils to sea. Nature. 464, 1178-1181 (2010).
- Mulholland, P. J., et al. Stream denitrification across biomes and its response to anthropogenic nitrate loading. Nature. 452, 202-205 (2008).
- Tank, J. L., Rosi-Marshall, E. J., Baker, M. A., Hall, R. O. Are rivers just big streams? A pulse method to quantify nitrogen demand in a large river. Ecology. 89 (10), 2935-2945 (2008).
- Covino, T. P., McGlynn, B. L., McNamara, R. A. Tracer additions for spiraling curve characterization (TASCC): quantifying stream nutrient uptake kinetics from ambient to saturation. Limnol Oceanogr. 8, 484-498 (2010).
- Johnson, L. T., et al. Quantifying the production of dissolved organic nitrogen in headwater streams using 15 N tracer additions. Limnol Oceanogr. 58 (4), 1271-1285 (2013).
- Rosemond, A. D., et al. Experimental nutrient additions accelerate terrestrial carbon loss from stream ecosystems. Science. 347 (6226), 1142-1145 (2015).
- Diemer, L. A., McDowell, W. H., Wymore, A. S., Prokushkin, A. S. Nutrient uptake along a fire gradient in boreal streams of Central Siberia. Freshwater Sci. 34 (4), 1443-1456 (2015).
- Wymore, A. S., Rodríguez-Cardona, B., McDowell, W. H. Direct response of dissolved organic nitrogen to nitrate availability in headwater streams. Biogeochemistry. 126 (1), 1-10 (2015).
- Stream Solute Workshop. Concepts and methods for assessing solute dynamics in stream ecosystems. J N Am Benthol Soc. 9 (2), 95-119 (1990).
- Kilpatrick, F. A., Cobb, E. D. . Measurement of discharge using tracers: U.S Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations. , (1985).
- Rodríguez-Cardona, B., Wymore, A. S., McDowell, W. H. DOC: NO3- and NO3- uptake in forested headwater streams. J Geophys Res – Biogeo. 121, (2016).
- Kilpatrick, F. A., Wilson, J. F. Book 3 Chapter A9, Measurement of time of travel in streams by dye tracing. Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey. , (1989).
- Lutz, B. D., Bernhardt, E. S., Roberts, B. J., Mulholland, P. J. Examining the coupling of carbon and nitrogen cycles in Appalachian streams: the role of dissolved organic nitrogen. Ecology. 92 (3), 720-732 (2011).
- Michalzik, B., Matzner, E. Dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a Central European Norway spruce ecosystem. Eur J Soil Sci. 50 (4), 579-590 (1990).
- Solinger, S., Kalbitz, K., Matzner, E. Controls on the dynamics of dissolved organic carbon and nitrogen in a Central European deciduous forest. Biogeochemistry. 55 (3), 327-349 (2001).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Patterns in chemical fractionation of organic nitrogen in Rocky Mountain streams. Ecosystems. 6 (5), 483-492 (2003).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Fate and transport of organic nitrogen in minimally disturbed montane streams of Colorado, USA. Biogeochemistry. 74 (3), 303-321 (2005).
