Stimare i tassi di denitrificazione sedimento utilizzando core e N2O microsensori

Summary

Questo metodo calcola tassi di denitrificazione di sedimento in carote di sedimento utilizzando le misurazioni acetilene tecnica e microsensor di inibizione del accumulato N₂O. Il protocollo descrive le procedure per la raccolta i nuclei, calibrare i sensori, eseguendo l’inibizione di acetilene, l’accumulo di N₂O di misura e calcolo del tasso di denitrificazione.

Abstract

Denitrificazione è il processo principale di biogeochimico rimozione dell’azoto dalla biosfera. La valutazione quantitativa di questo processo è diventato particolarmente rilevante per valutare il ciclo dell’azoto globale antropogenico alterato e l’emissione di gas serra (cioè, N₂O). Diversi metodi sono disponibili per la misurazione di denitrificazione, ma nessuno di loro sono completamente soddisfacenti. Problemi con i metodi esistenti comprendono la loro sensibilità insufficiente, e la necessità di modificare i livelli di substrato o alterare la configurazione fisica del processo utilizzando disturbato campioni. Questo lavoro descrive un metodo per stimare i tassi di denitrificazione di sedimento che combina carotaggio, inibizione di acetilene e microsensor misurazioni del accumulato N₂O. I principali vantaggi di questo metodo sono una bassa dispersione della struttura dei sedimenti e la raccolta di una registrazione continua di accumulo di N₂O; Questi consentono stime dei tassi di denitrificazione affidabile con valori minimi fino a 0,4-1 µmol N₂O m^-2 h^-1. La capacità di manipolare fattori chiave è un ulteriore vantaggio per ottenere approfondimenti sperimentali. Il protocollo descrive le procedure per la raccolta i nuclei, calibrare i sensori, eseguendo l’inibizione di acetilene, l’accumulo di N₂O di misura e calcolo del tasso di denitrificazione. Il metodo è appropriato per la stima di tassi di denitrificazione in qualsiasi sistema acquatico con carote di sedimento possono essere recuperate. Se la concentrazione di₂O N è sopra il limite di rilevamento del sensore, il passo di inibizione di acetilene può essere omesso per stimare l’emissione di₂O N invece di denitrificazione. Vi mostriamo come stimare entrambi i tassi di denitrificazione effettivi e potenziali, aumentando la disponibilità di nitrato, come pure la dipendenza di temperatura del processo. Illustriamo la procedura utilizzando sedimenti del Lago di montagna ed discutere i vantaggi e le debolezze della tecnica rispetto ad altri metodi. Questo metodo può essere modificato per scopi particolari; per esempio, può essere combinato con ¹⁵N traccianti per valutare la nitrificazione e denitrificazione o campo in situ misurazioni dei tassi di denitrificazione.

Introduction

Antropogeniche alterazione del ciclo dell’azoto è uno dei problemi più impegnativi per il sistema di terra¹. Attività umana è almeno raddoppiato i livelli di azoto reattivi disponibile per la biosfera². Tuttavia, permangono grandi incertezze per quanto riguarda come viene valutato il ciclo globale del N. Alcune stime di flusso sono state quantificate con meno di errore del ± 20%, e molti hanno incertezze di ± 50% e più grande³. Queste incertezze indicano la necessità di accurate stime dei tassi di denitrificazione attraverso gli ecosistemi e la comprensione dei meccanismi di fondo di variazione. Denitrificazione è un’attività microbica, attraverso il quale gli ossidi azotati, principalmente nitrati e nitriti, sono ridotti a gas di dinitrogen, N₂O e N₂⁴. La via è molto rilevante per la disponibilità della Biosfera di azoto reattivo perché è il principale processo di rimozione⁵. N₂O è un gas serra con un potenziale di riscaldamento quasi 300 volte quello di CO₂ oltre 100 anni ed è la corrente principale causa di riduzione dell’ozono stratosferico a causa delle grandi quantità essendo emessa^6,7.

Di seguito, presentiamo un protocollo per la stima di tassi di denitrificazione di sedimento utilizzando core e N₂O microsensori sperimentalmente (Figura 1). Tassi di denitrificazione sono stimati utilizzando l’acetilene inibizione metodo^8,9 e misurazioni dell’accumulo di N₂O durante un periodo definito (Figura 2 e Figura 3). Dimostriamo il metodo applicandolo ai sedimenti del Lago di montagna. Questo studio finalizzato evidenzia le prestazioni del metodo per la rilevazione tassi relativamente bassi con il minimo disturbo alla struttura fisica dei sedimenti.

Denitrificazione è particolarmente difficile da misurare¹⁰. Ci sono diversi metodi, ciascuno con vantaggi e svantaggi e approcci alternativi. Gli svantaggi di metodi disponibili comprendono l’uso di risorse costose, sensibilità insufficiente e la necessità di modificare i livelli di substrato o alterare la configurazione fisica del processo utilizzando campioni disturbati¹⁰. Una sfida ancora più fondamentale per N₂ di misura è i suoi livelli elevati sfondo nell’ ambiente¹⁰. La riduzione di N₂O N.₂ è inibita da acetilene (C₂H₂)^8,9. Così, denitrificazione può essere quantificato misurando l’accumulato N₂O in presenza di C₂H₂, che è fattibile a causa di bassi livelli ambientali di₂O N.

L’uso di C₂H₂ per misurare i tassi di denitrificazione in sedimenti è stato sviluppato circa 40 anni fa¹¹e l’incorporazione di sensori₂O N si è verificato circa 10 anni più tardi¹². L’approccio più ampiamente applicata per acetilene è il “nucleo statico”. L’accumulato N₂O è misurato durante un periodo di incubazione fino a 24 h dopo l’aggiunta di spazio di testa del sedimento sigillato core¹⁰C₂H₂ . Il metodo qui descritto segue questa procedura con alcune innovazioni. Aggiungiamo il C₂H₂ di gorgogliare il gas nella fase acquosa del nucleo per alcuni minuti, e abbiamo riempire tutto lo spazio di testa con acqua campione prima di misurare l’accumulo di N₂O con un microsensor. Abbiamo anche un sistema di agitazione che impedisce la stratificazione dell’acqua senza risospendere il sedimento. La procedura quantifica il tasso di denitrificazione per area di superficie del sedimento (ad es., µmol N₂O m^-2 h^-1).

L’elevata variazione spaziale e temporale di denitrificazione presenta un’altra difficoltà nella sua quantificazione accurata¹⁰. Di solito, accumulo di N₂O è misurata in sequenza mediante gascromatografia di campioni dello spazio di testa che vengono raccolti durante l’incubazione. Il metodo descritto fornisce migliore monitoraggio della variazione temporale dell’accumulo₂O N, perché il microsensor fornisce un segnale continuo. Il multimetro microsensor è un amplificatore digitale microsensor (picoammeter) che si interfaccia con i sensori e il computer (Figura 1a). Il multimetro permette diversi N₂O microsensori essere utilizzato allo stesso tempo. Per esempio, fino a quattro sedimento nuclei dallo stesso sito di studio possono essere misurate simultaneamente per tenere conto della variabilità spaziale.

L’approccio di base a malapena disturba la struttura di sedimento rispetto ad alcuni altri metodi (ad esempio, fanghi). Se l’integrità dei sedimenti è alterata, questo porta a denitrificazione irrealistico tariffe¹³ che sono solo sufficienti per i confronti relativi. Tassi più elevati sono sempre ottenuti con metodi di liquami rispetto al nucleo metodi¹⁴, perché quest’ultimo conserva la limitazione di denitrificazione di substrato diffusione¹⁵. Misure di liquami non possono essere considerati rappresentativo di in situ tariffe¹⁶; Essi forniscono misure relative per i confronti eseguiti con la stessa procedura.

Il metodo descritto è appropriato per la stima di tassi di denitrificazione in qualsiasi tipo di sedimento che può essere animato. Consigliamo in particolare il metodo per eseguire manipolazioni sperimentali di alcuni dei fattori guida. Esempi sono esperimenti che modificare la disponibilità di nitrato e temperatura come necessario per stimare l’attivazione di energia (E_un) di denitrificazione¹⁷ (Figura 2).

Figura 1 : Messa a punto sperimentale. (un) generale messa a punto sperimentale per stimare i tassi di denitrificazione sedimento utilizzando N₂O microsensori e anime. La camera di incubazione assicura condizioni di (± 0,3 ° C) di oscurità e temperatura controllata. Cinque carote di sedimento intatta possono essere elaborati contemporaneamente utilizzando i loro rispettivi sensori₂O N. (b) N₂O camera di calibrazione sensore. Abbiamo adattato con tappi di gomma e siringhe per mescolare il N₂O acqua (Vedi protocollo punto 3.4.3). C’è un termometro per controllare la temperatura dell’acqua. (c) Close-up di un campione di nucleo di sedimento con il sensore inserito nel foro centrale del coperchio in PVC e i giunti sigillati con nastro adesivo. L’agitatore è appeso nell’acqua, e l’elettromagnete è vicino ad esso e fissata alla parte esterna del tubo acrilico. punta (d), close-up della N₂O microsensor protetto da un pezzo di metallo. (e) un nucleo di sedimento che è appena stato recuperato. È stata campionata da una barca in un lago profondo; il tubo acrilico con il nucleo è ancora fissato al Messaggero-adattato gravità corer¹⁹. Vedi la Tabella materiali per tutti gli elementi necessari per eseguire questo metodo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocol

1. preparazione Nota: Questo iniziano il giorno prima le misurazioni. Assemblare la configurazione di misura (Figura 1un, vedere la Tabella materiali).Nota: Per garantire un’alimentazione costante e di alta qualità, il dispositivo di misurazione è collegato alla presa tramite un uninterruptible power supply (UPS) che può anche agire come un backup. Nel caso di un’interruzione dell’alimentazione di lunga d…

Representative Results

Un totale di 468 tassi di denitrificazione sono state stimate utilizzando il protocollo sopra nei sedimenti da laghi di montagna dei Pirenei per il periodo 2013-2014. Vi mostriamo alcuni di questi risultati per illustrare la procedura (Figura 2 e Figura 3). In generale, il modello lineare tra la concentrazione di N2O e ora ha buona correlazione (R2 ≥ 0,9). Il pendio del rapporto fornisce una stima del tass…

Discussion

I principali vantaggi del metodo descritto sono l’uso di campioni di carote di sedimento minimamente disturbato e la registrazione continua dell’accumulo₂O N. Queste permettono la stima dei tassi di denitrificazione relativamente basso che rischiano di simili a quelle che si verificano in situ. Tuttavia, alcuni aspetti riguardanti il carotaggio, le prestazioni del sensore e potenziali miglioramenti sono discussi.

Un passaggio apparentemente semplice ma fondamentale del meto…

Materials

Messenger-adapted gravity corer	–	–	Reference in the manuscript. Made by Glew, J.
Sampling tube	–	–	Acrylic. Dimensions: 100 cm (h) × 6.35 cm (d) × 6.50 cm (D). Sharpen the edge of the sampling tube that penetrates into the sediment to minimize the disturbance in the recovered sediment core sample.
Handheld sounder	Plastimo	38074	Echotest II Depth Sounder.
Rubber stopper	VWR	DENE1012114	With two holes, used to mix the N2O-water in the calibration chamber. Dimensions: 20 mm (h) × 14 mm (d) × 18 mm (D) (3 mm hole (D)).
Rubber stopper	VWR	217-0125	To seal the bottom part of the methacrylate tube and to sample in shallow water bodies. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D).
PVC cover	–	–	To seal the top side part of the acrylic tube. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). Dimensions: 65 mm (D).
Adhesive tape	–	–	Waterproof. To ensure all joints (PVC cover sampling tube and PVC cover sensor) and to avoid water leaks.
Thermometer	–	–	Portable and waterproof, to measure the temperature in the water overlying the sediment just after sampling the cores.
GPS	–	–	To save the location of a new sampling site or to arrive at a previous site.
Wader	–	–	For littoral or shallow site samplings.
Boat	–	–	An inflatable boat is the best option for its lightness if the sampling site is not accessible by car.
Rope	–	–	Rope with marks showing its length (e.g., marked with a color code to distinguish each meter).
N2O gas bottle and pressure reducer	Abelló Linde	32768-100	Gas bottle reference.
C2H2 gas bottle and pressure reducer	Abelló Linde	32468-100	Gas bottle reference.
Tube used to evacuate the excess of water	–	–	Consists of a solid part (e.g., a 5 ml pipette tip without its narrowest end) inserted in a silicone tube.
Nitrous Oxide Minisensor w/ Cap	Unisense	N2O-R	We use 4 sensors at a time.
Microsensor multimeter 4 Ch. 4 pA channels	Unisense	Multimeter	Picoammeter logged to a laptop. The standard device allows for 2 sensor picoammeter connections (e.g., N2O sensor), one pH/mV and a thermometer. We ordered a device with four picoammeter connections, allowing the use of 4 N2O sensors simultaneously.
SensorTrace Basic 3.0 Windows software	Unisense		Sensor data acquisition software.
Calibration Chamber incl. pump	Unisense	CAL300	Calibration chamber. We tuned it with rubber stoppers and syringes to mix the N2O-water without making bubbles.
Incubation chamber	Ibercex	E-600-BV	Indispensable equipment for working at a constant temperature (±0.3 °C). It also allows control of the photoperiod.
Electric stirrer	–	–	Part of the stirring system. It hangs in the water, overlying the sediment subject, by a fishing line that is hooked to the PVC cover.
Electromagnet	–	–	Part of the stirring system. It is fixed to the outside of the acrylic tube, approximately at the same level as the stirrer. It is activated episodically (ca. 1 on-off per s) by a circuit, attracting the stirrer when it is on and releasing it when it is off, thereby generating the movement that agitates the water.
Electromagnetic pulse circuit	–	–	Part of the stirring system. It is connected by wires to the electromagnet and sends pulses of current that turn the electromagnet on and off.
Uninterruptible power supply (UPS)	–	–	It improves the quality of the electrical energy that reaches the measurement device, filtering the highs and low of the voltage, thereby ensuring a more constant and stable N2O sensor signal.