Forstå løst organisk materiale Biogeokjemi Gjennom<em> In Situ</em> Nærings manipulasjoner i Stream Ecosystems

Summary

Oppløst organisk materiale gir en viktig kilde til energi og næringsstoffer for å streame økosystemer. Her viser vi et feltbasert metode for å manipulere omgivelsene pool av oppløst organisk materiale in situ gjennom lett kopiernærings pulser.

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

Oppløst organisk materiale (DOM) gir en viktig energi- og næringskilde til ferskvann økosystemer og er definert som organisk materiale som passerer gjennom en 0,7 mikrometer filter. Innenfor akvatiske økosystemer, kan DOM også påvirke lys demping og metallkompleks. DOM er en meget mangfoldig og heterogen blanding av organiske forbindelser med forskjellige funksjonelle grupper, så vel som essensielle næringsstoffer som nitrogen (N) og fosfor (P). Mens begrepet "DOM" beskriver hele bassenget inkludert dets C, N og P-komponenter, er dets konsentrasjon målt som oppløst organisk karbon (DOC). Den iboende molekylære kompleksitet DOM bassenget men skaper utfordringer for sin studie. For eksempel, er det ingen direkte måte å måle fraksjonen av den totale DOM pool bestående av organiske næringsstoffer slik som oppløst organisk nitrogen (DON) og oppløste organiske fosfor (DOP). I stedet må konsentrasjonen av organiske næringsstoffer bestemmes ved differansen ( <em> f.eks [DON] = [totalt oppløst nitrogen] – [oppløst uorganisk nitrogen]).

Legge til en realistisk DOM endring av en bekk er vanskelig på grunn av mangfoldet av omgivelses DOM bassenget. Tidligere studier har lagt enkle karbonkilder (f.eks glukose, urea ¹⁾ eller en bestemt kilde, for eksempel bladavfall utlutningsvæske ² for å manipulere konsentrasjoner i felten. Men disse kildene ikke er spesielt representative for den omgivende DOM bassenget. Prøver å avgrense eller konsentrere ambient DOM for senere eksperimentering er også gjort med problemer, inkludert tap av visse fraksjoner (f.eks svært labile komponenter) under behandlingen. Som et resultat av dette er det vanskelig å forstå kontrollene til omgivelses DOM bassenget som vi for øyeblikket ikke har noen metode for direkte å manipulere den omgivende DOM bassenget. Men siden den biogeokjemi av DOM er knyttet til næringsstoffer som vanligvis finnes i miljøet (f.eks nitsats [NO ₃ ^{-] 3),} kan vi legge til andre oppløsninger for å streame økosystemer og måle responsen til DOM bassenget til disse manipulasjoner. Ved å undersøke hvordan DOM bassenget svarer til et bredt spekter av eksperimentelt pålagt næringskonsentrasjoner vi håper å få bedre innsikt i hvordan DOM reagerer på varierende miljøforhold.

En metode som vanligvis brukes i strømmen biogeokjemi er næringstilsetning metoden. Næringstilsetning eksperimenter har tradisjonelt blitt brukt for å forstå opptakskinetikk eller skjebnen av det tilsatte oppløste stoff ^4,5,6,7. Nutrient tilleggene kan være kortsiktige på hr ⁶ til dag skalaen ^4, eller langsiktige manipulasjoner i løpet av flere år ^8. Nutrient tilleggene kan også omfatte isotopisk merket næringsstoffer (for eksempel ¹⁵ N-NO ₃ ^{-) for} å spore lagt næringsstoffer gjennom biogeokjemiske reaksjoner. Men isotopen baserte studier er ofte erfansive og krever utfordrende analyser (f.eks digestions) av flere bunn avdelinger der isotopically merkede næringsstoffer kan beholdes. Siste eksperimentering har avdekket nytten av kortsiktige nærings pulser å belyse kontrollene ikke økende og omgivelses oppløsninger som DOM ^9,10, avslører en ny måte ved å undersøke sanntid in situ biogeokjemiske reaksjoner. Her beskriver vi og demonstrere viktige metodiske skritt til å gjennomføre kortsiktige nærings pulser med sikte på å forstå kombinert biogeokjemi av C og N og spesielt kontrollene svært mangfoldig DOM bassenget. Dette lett reproduserbar metode innebærer å tilsette et næringsstoff puls til en eksperimentell strøm rekkevidde og måling av endringer i konsentrasjonen av både den manipulerte oppløsningsmaterialet og responsvariabelen av interesse (f.eks DOC, DON, DOP). Ved direkte manipulere næringskonsentrasjoner in situ vi er i stand til å indirekte endre DOMbasseng og undersøke hvordan DOM konsentrasjons endringer på tvers av et dynamisk spekter av næringsstoffer konsentrasjoner ^10.

Protocol

1. Identifisere og karakterisere den ideelle Experimental Stream Reach Sørg for at eksperimentelle stream delene er lange nok til å fremme fullstendig blanding av oppløste stoffer 11 og lange nok der biologisk opptak kan forekomme. Reach lengder kan variere mellom bekker og eksperimenter. I små første-ordens Headwater strømmer, når lengde kan variere 20-150 m (eller mer hvis systemet krever det), avhengig av utslipp og andre fysiske egenskaper av strømmen. Ekskluder store bassenger…

Representative Results

Figur 3:. Eksempel Resultater fra nitrat (NO 3 -) Tilgang med løst organisk nitrogen (DON) som responsvariabelen Analyser er lineære regresjoner. Stjernene representerer statistisk signifikans ved α = 0,05. Legg merke til det dynamiske området i NO 3 – konsentrasjonen som ble oppnådd med næringspulsmet…

Discussion

Formålet med næringspulsmetoden, som vist her, er for å karakterisere og kvantifisere responsen av den sterkt variert utvalg av omgivende strøm vann DOM over et dynamisk område av et tilsatt uorganisk næringsstoff. Dersom den tilsatte oppløste stoff øker i tilstrekkelig grad konsentrasjonen av den reaktive oppløst stoff, kan opprettes et stort slutnings plass for å forstå hvordan den biokjemiske sykling av DOM er knyttet til næringsstoffkonsentrasjonene. Dette næringsstoffet puls tilnærmingen er ideell som…

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