Estimando taxas de desnitrificação do sedimento usando núcleos e N2O Microssensores

Summary

Este método estima taxas de desnitrificação do sedimento em núcleos de sedimentos usando os acetileno inibição técnica e microsensor medições de acumulada N₂O. O protocolo descreve procedimentos para a recolha dos núcleos, calibrando os sensores, realizando a inibição de acetileno, medindo o acúmulo de N₂O e cálculo da taxa de desnitrificação.

Abstract

Desnitrificação é o processo biogeoquímico primário remover nitrogênio reativo da biosfera. A avaliação quantitativa deste processo tornou-se particularmente relevante para avaliar o ciclo do azoto global antropogênico-alterado e a emissão de gases de efeito estufa (ou seja, N₂O). Vários métodos estão disponíveis para medir a desnitrificação, mas nenhum deles é completamente satisfatório. Problemas com os métodos existentes incluem sua sensibilidade insuficiente, e a necessidade de modificar os níveis de substrato ou alterar a configuração física do processo, usando amostras de perturbado. Este trabalho descreve um método para estimar taxas de desnitrificação do sedimento que combina a retirada do dielétrico, inibição de acetileno e medições de microsensor do acumulado de N₂O. As principais vantagens deste método são uma baixa perturbação da estrutura de sedimentos e a coleção de um registro contínuo de acumulação de N₂O; Estes permitem estimativas das taxas de desnitrificação confiável com valores mínimos até 0,4-1 µmol N₂O m^-2 h^-1. A capacidade de manipular os fatores-chave é uma vantagem adicional para a obtenção de conhecimentos experimentais. O protocolo descreve procedimentos para a recolha dos núcleos, calibrando os sensores, realizando a inibição de acetileno, medindo o acúmulo de N₂O e cálculo da taxa de desnitrificação. O método é adequado para estimar taxas de desnitrificação em qualquer sistema aquático com núcleos de sedimentos recuperáveis. Se a concentração de₂O N está acima do limite de detecção do sensor, a etapa de inibição de acetileno pode ser omitida para estimar a emissão de₂O N em vez de desnitrificação. Mostramos como estimar as duas taxas de desnitrificação reais e potenciais, aumentando a disponibilidade de nitrato, bem como a dependência da temperatura do processo. Podemos ilustrar o procedimento usando sedimentos lacustres de montanha e discutir as vantagens e pontos fracos da técnica em comparação com outros métodos. Esse método pode ser modificado para fins particulares; por exemplo, pode ser combinada com ¹⁵N marcadores para avaliar nitrificação e desnitrificação ou campo em situ medições das taxas de desnitrificação.

Introduction

Alterações antropogénicas do ciclo do azoto é um dos problemas mais desafiadores para o sistema de terra¹. Actividade humana pelo menos duplicou os níveis de nitrogênio reativo disponível para a Biosfera². No entanto, persistem grandes incertezas sobre como o ciclo global de N é avaliado. Algumas estimativas de fluxo estar quantificadas com menos de ± 20% de erro, e muitos têm incertezas de ± 50% e maior³. Estas incertezas indicam a necessidade de estimativas precisas das taxas de desnitrificação em ecossistemas e uma compreensão dos mecanismos subjacentes de variação. Desnitrificação é uma atividade microbiana através do qual os óxidos nitrogenados, principalmente nitrato e nitrito, são reduzidos a gases de dinitrogênio, N₂O e N₂⁴. O caminho é altamente relevante para a disponibilidade de Biosfera de nitrogênio reativo porque é o principal processo de remoção⁵. N₂O é um gás com efeito de estufa com um potencial de aquecimento quase 300 vezes que de CO₂ , mais de 100 anos e é a atual das principais causas de depleção do ozônio estratosférico devido as grandes quantidades sendo emitido^6,7.

A seguir, apresentamos um protocolo para estimar taxas desnitrificação sedimentos usando núcleos e N₂O Microssensores experimentalmente (Figura 1). Taxas de desnitrificação são estimadas usando o acetileno inibição método^8,9 e medições da acumulação de N₂O durante um período definido (Figura 2 e Figura 3). Demonstramos o método por aplicá-la aos sedimentos do Lago de montanha. Este estudo de caso destaca o desempenho do método para detectar taxas relativamente baixas, com o mínimo de perturbação para a estrutura física dos sedimentos.

Desnitrificação é particularmente difícil de medir¹⁰. Existem várias abordagens alternativas e métodos, cada um com vantagens e desvantagens. Desvantagens de métodos disponíveis incluem o uso de recursos caros, sensibilidade insuficiente e a necessidade de modificar os níveis de substrato ou alterar a configuração física do processo usando amostras perturbado¹⁰. Um desafio ainda mais fundamental para medir N₂ é seus níveis elevados de plano de fundo do ambiente¹⁰. A redução de N₂O para N₂ é inibida por acetileno (C₂H₂)^8,9. Assim, a desnitrificação pode ser quantificada medindo a acumulada N₂O na presença de C₂H₂, que é viável devido aos baixos níveis de₂O ambientais N.

O uso de C₂H₂ para medir as taxas de desnitrificação em sedimentos foi desenvolvido há 40 anos,¹¹e a incorporação de sensores de N₂O ocorreram cerca de 10 anos mais tarde,¹². A abordagem mais amplamente aplicada baseada em acetileno é o núcleo”estático”. O acumulado de N₂O é medido durante um período de incubação de até 24 h após o C₂H₂ é adicionado para o headspace do sedimento selado núcleo¹⁰. O método descrito aqui segue este procedimento com algumas inovações. Nós adicionamos o C₂H₂ por borbulhamento do gás na fase água do núcleo por alguns minutos, e estamos a encher todo o headspace antes de medir a acumulação de N₂O com um microsensor. Incluímos também um sistema de agitação que impede que a estratificação da água sem resuspending do sedimento. O procedimento quantifica a taxa de desnitrificação por área de superfície de sedimentos (por exemplo, µmol N₂O m^-2 h^-1).

A alta variação espacial e temporal de desnitrificação apresenta outra dificuldade na sua quantificação exata¹⁰. Geralmente, acúmulo de N₂O é medido sequencialmente por cromatografia de amostras de headspace que são coletados durante a incubação. O método descrito fornece monitoramento melhorado da Variação temporal da acumulação N₂O, porque o microsensor fornece um sinal contínuo. O microsensor multímetro é um amplificador digital microsensor (picoammeter) que faz interface com os sensores e o computador (Figura 1um). O multímetro permite que vários N₂O Microssensores ser usado ao mesmo tempo. Por exemplo, até sedimentos de quatro núcleos da mesma área de estudo podem ser medidos simultaneamente para dar conta da variabilidade espacial.

A abordagem de núcleo mal perturba a estrutura de sedimentos em comparação com outros métodos (por exemplo, lamas). Se a integridade dos sedimentos é alterada, isso leva a desnitrificação irrealista taxas¹³ que só são adequados para comparações relativas. Taxas mais elevadas são sempre obtidas com métodos de chorume em comparação com métodos de núcleo¹⁴, porque o último preserva a limitação de desnitrificação por substrato difusão¹⁵. Medidas de chorume não podem ser consideradas representativo de em situ taxas¹⁶; Eles fornecem medidas relativas para comparações feitas com o mesmo procedimento exato.

O método descrito é adequado para estimar taxas de desnitrificação em qualquer tipo de sedimento que pode ser retirado o núcleo. Recomendamos especialmente o método para a realização de manipulações experimentais de alguns dos factores de condução. Exemplos são as experiências que modificam a disponibilidade de nitrato e temperatura conforme necessário para estimar a ativação de energia (E_um) de desnitrificação¹⁷ (Figura 2).

Figura 1 : Instalação experimental. (um) geral instalação experimental para estimar taxas de desnitrificação do sedimento usando N₂O Microsensores e núcleos. A câmara de incubação assegura condições de escuridão e de temperatura controlada (± 0,3 ° C). Cinco núcleos de sedimento intacto podem ser processados simultaneamente, usando seus respectivos sensores de₂O N. (b) N₂O câmara de calibração de sensor. Adaptamos com rolhas de borracha e seringas para misturar o N₂O água (ver protocolo passo 3.4.3). Há um termômetro para controlar a temperatura da água. (c) close-up de uma amostra de sedimentos com o sensor inserido no orifício central da tampa do PVC e as articulações seladas com fita adesiva. O agitador está na água, e o eletroímã é muito perto e fixo para a parte externa do tubo de acrílico. (d), close-up da N₂O microsensor ponta protegida por um pedaço de metal. (e) um núcleo de sedimentos que só foi recuperado. Isso foi amostrado de um barco em um lago profundo; o tubo de acrílico com o núcleo ainda é fixo ao mensageiro-adaptado de gravidade corer¹⁹. Consulte a Tabela de materiais para todos os itens necessários para executar este método. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

1. preparação Nota: Isto começa no dia antes as medições. Montar a instalação de medição (Figura 1um, consulte a Tabela de materiais).Nota: Para garantir uma alimentação constante e de alta qualidade, o dispositivo de medição está conectado para o aperto através de uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) que também pode atuar como um backup. No caso de uma falha de energia de longa dura…

Representative Results

Um total de 468 taxas de desnitrificação foram estimados usando o protocolo acima em sedimentos de lagos de montanha dos Pirinéus, durante o período de 2013-2014. Mostramos alguns destes resultados para ilustrar o procedimento (Figura 2 e Figura 3). Em geral, o modelo linear entre a concentração de N2O e tempo tem boa correlação (R2 ≥ 0,9). A inclinação da relação fornece uma estimativa da taxa…

Discussion

As principais vantagens do método descrito são o uso de amostras de sedimento minimamente incomodado e a gravação contínua da acumulação N₂O. Estes permitem a estimativa das taxas de desnitrificação relativamente baixo que provavelmente semelhante a esses ocorrem em situ. No entanto, alguns aspectos relativos à retirada do dielétrico, desempenho do sensor e potenciais melhorias são discutidos.

Um passo aparentemente simples, mas fundamental do método é núcleo…

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.