Estimación de las tasas de desnitrificación sedimento usando corazones y N2O microsensores

Summary

Este método estima tasas de desnitrificación de sedimento en núcleos de sedimentos usando las medidas acetileno inhibición técnica y microsensor de acumulada N₂O. El protocolo describe los procedimientos para recoger los corazones, calibración de los sensores, realiza la inhibición de acetileno, la acumulación de N₂O de medición y cálculo de la tasa de desnitrificación.

Abstract

Desnitrificación es el proceso biogeoquímico primario eliminación de reactivos del nitrógeno de la Biosfera. La evaluación cuantitativa de este proceso es particularmente relevante para evaluar el ciclo de nitrógeno global antropogénico alterado y la emisión de gases de efecto invernadero (es decir, N₂O). Varios métodos están disponibles para la medición de desnitrificación, pero ninguno de ellos es completamente satisfactorio. Problemas con los métodos existentes incluyen su sensibilidad insuficiente, y la necesidad de modificar los niveles de sustrato o alterar la configuración física del proceso utilizando disturbada muestras. Este trabajo describe un método para calcular las tasas de desnitrificación de sedimento que combina perforación, inhibición de acetileno y mediciones de microsensor del acumulado de N₂O. Las principales ventajas de este método son una baja perturbación de la estructura del sedimento y la colección de un registro continuo de la acumulación de N₂O; Éstos permiten estimaciones de las tasas de desnitrificación confiable con valores mínimos de hasta 0.4 1 μmol N₂O m^-2 h^-1. La habilidad de manipular claves es una ventaja adicional para la obtención de información experimental. El protocolo describe los procedimientos para recoger los corazones, calibración de los sensores, realiza la inhibición de acetileno, la acumulación de N₂O de medición y cálculo de la tasa de desnitrificación. El método es apropiado para estimar las tasas de desnitrificación en ningún sistema acuático con núcleos de sedimento recuperable. Si la concentración de N₂O es por encima del límite de detección del sensor, se puede omitir el paso de la inhibición de acetileno para estimar las emisiones de N₂O en lugar de desnitrificación. Nos enseña a estimar ambas tasas de desnitrificación reales y potenciales mediante el aumento de la disponibilidad de nitrato así como la dependencia de la temperatura del proceso. Ilustramos el procedimiento usando sedimentos de lago de montaña y discutir las ventajas y debilidades de la técnica en comparación con otros métodos. Este método puede ser modificado para fines particulares; por ejemplo, puede combinarse con marcadores de ¹⁵N para evaluar la nitrificación y desnitrificación o campo en situ las mediciones de las tasas de desnitrificación.

Introduction

Alteraciones antropogénicas del ciclo del nitrógeno es uno de los problemas más difíciles para el sistema de tierra¹. Actividad humana ha duplicado por lo menos los niveles de reactivos del nitrógeno a la Biosfera². Sin embargo, sigue habiendo grandes incertidumbres con respecto a cómo se evalúa el ciclo de N global. Se han cuantificado unas estimaciones de flujo con menos de error de ± 20%, y muchos tienen incertidumbres de ±50% y mayor de³. Estas incertidumbres indican la necesidad de estimaciones precisas de las tasas de desnitrificación en los ecosistemas y la comprensión de los mecanismos subyacentes de la variación. Desnitrificación es una actividad microbiana a través del cual se reducen óxidos nitrogenados, principalmente nitratos y nitritos, y gases del dinitrogen, N₂O N₂⁴. La vía es muy importante para la disponibilidad de la Biosfera de nitrógeno reactivo porque es el proceso primario de eliminación⁵. N₂O es un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento casi 300 veces CO₂ más de 100 años y es la principal causa actual de agotamiento del ozono estratosférico debido a las grandes cantidades siendo emitida^6,7.

A continuación, presentamos un protocolo para estimar tasas de desnitrificación de sedimento con corazones y N₂O microsensores experimental (figura 1). Las tasas de desnitrificación se calculan utilizando el acetileno inhibición método^8,9 y mediciones de la acumulación de N₂O durante un período definido (figura 2 y figura 3). Demostramos el método aplicando a los sedimentos del lago de montaña. Este estudio de caso destaca el desempeño del método para la detección de tasas relativamente bajas con disturbio mínimo a la estructura física de los sedimentos.

Desnitrificación es particularmente difícil de medir¹⁰. Hay varias alternativas y métodos, cada uno con ventajas y desventajas. Desventajas de los métodos disponibles incluyen el uso de recursos costosos, sensibilidad insuficiente y la necesidad de modificar los niveles de sustrato o alterar la configuración física del proceso utilizando muestras disturbadas¹⁰. Un desafío aún más fundamental para medir N₂ es sus niveles elevados en el medio ambiente¹⁰. La reducción del N₂O N₂ es inhibida por el acetileno (C₂H₂)^8,9. Así, la desnitrificación puede cuantificarse midiendo la acumulada N₂O en presencia de C₂H₂, que es factible debido a los niveles ambientales bajos de N₂O.

El uso de C₂H₂ para medir las tasas de desnitrificación en los sedimentos fue desarrollado hace unos 40 años¹¹y la incorporación de sensores de₂O de N se produjeron cerca de 10 años más tarde¹². El enfoque más ampliamente aplicado de acetileno es la “estática”. El acumulado de N₂O se mide durante un período de incubación de 24 h después de la C₂H₂ se agrega a los espacios vacíos del sedimento sellado base¹⁰. El método descrito aquí sigue este procedimiento con algunas innovaciones. Añadimos el C₂H₂ por burbujeo del gas en la fase del agua de la base durante unos minutos, y llenamos todos los espacios vacíos con agua de la muestra antes de medir la acumulación de N₂O con un microsensor. También incluyen un sistema de agitación que impide la estratificación del agua sin resuspender el sedimento. El procedimiento cuantifica la tasa de desnitrificación por área superficial de sedimentos (por ejemplo, μmol N₂O m^-2 h^-1).

La alta variación espacial y temporal de desnitrificación presenta otra dificultad en su exacta cuantificación¹⁰. Generalmente, la acumulación de N₂O se mide secuencialmente por cromatografía de gases de muestras de espacios vacíos que se recogen durante la incubación. El método descrito proporciona mejor control de la variación temporal de la acumulación de N₂O, porque el microsensor proporciona una señal continua. El multímetro de microsensor es un amplificador digital microsensor (picoammeter) que interactúa con los sensores y la computadora (figura 1a). El multímetro permite varios microsensores de₂O de N ser utilizado al mismo tiempo. Por ejemplo, hasta sedimentos cuatro núcleos desde el mismo sitio de estudio se pueden medir simultáneamente para tener en cuenta la variabilidad espacial.

El enfoque de base apenas perturba la estructura de sedimentos en comparación con otros métodos (e.g., lodos). Si se altera la integridad de los sedimentos, esto conduce a desnitrificación irreales tasas¹³ que sólo son adecuados para las comparaciones relativas. Tasas más altas se obtienen siempre con métodos de mezcla frente a los métodos de base¹⁴, porque este último conserva la limitación de la desnitrificación por sustrato difusión¹⁵. Medidas de la mezcla no pueden considerarse a representante de en situ las tasas¹⁶; proporcionan medidas relativas para las comparaciones realizadas con el mismo procedimiento exacto.

El método descrito es apropiado para estimar las tasas de desnitrificación en cualquier tipo de sedimento que puede ser tubular. Particularmente recomendamos el método para realizar las manipulaciones experimentales de algunos de los factores. Los ejemplos son experimentos que modifican la disponibilidad de nitrato y de la temperatura según sea necesario para la estimación de la energía la activación (E_a) desnitrificación¹⁷ (figura 2).

Figura 1 : Configuración experimental. (a) General disposición experimental para estimar tasas de desnitrificación de sedimento utilizando núcleos y N₂O microsensores. La cámara de incubación asegura condiciones de oscuridad y temperatura controlada (±0. 3 ° C). Cinco núcleos de sedimento intacto pueden procesarse simultáneamente con sus respectivos sensores de₂O N. (b) N₂O cámara de calibración de sensor. Nos adaptamos con tapones de goma y jeringas para mezclar el N₂O agua (ver protocolo paso 3.4.3). Hay un termómetro para controlar la temperatura del agua. (c) primer plano de una muestra de núcleo de sedimento con el sensor insertado en el orificio central de la cubierta de PVC y las juntas selladas con cinta adhesiva. El agitador está colgando en el agua, y el electroimán está cerca de él y fijado a la parte externa del tubo acrílico. (d) cerca de la N₂O microsensor punta protegida por una pieza de metal. (e) un núcleo de sedimento que apenas se ha recuperado. Fue muestreado de un barco en un lago profundo; el tubo de acrílico con el núcleo se fija todavía la gravedad adaptados al Mensajero corer¹⁹. Vea la Tabla de materiales de todos los elementos necesarios para realizar este método. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

1. preparación Nota: Esto comienza el día antes de las mediciones. Montar la instalación de medición (figura 1a, ver la Tabla de materiales).Nota: Para asegurar un suministro de energía constante y de alta calidad, el equipo de medida está conectado a la empuñadura mediante una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) que también puede actuar como una copia de seguridad. En el caso de una falla d…

Representative Results

Un total de 468 tasas de desnitrificación se estimaron usando el protocolo anteriormente en sedimentos de lagos de montaña pirenaicos durante el período 2013-2014. Mostramos algunos de estos resultados para ilustrar el procedimiento (figura 2 y figura 3). En general, el modelo lineal entre la concentración de N2O y tiene buena correlación (R2 ≥ 0.9). La pendiente de la relación proporciona una estima…

Discussion

Las principales ventajas del método descrito son el uso de muestras del núcleo de sedimento mínimamente perturbados y el registro continuo de la acumulación de N₂O. Estos permiten estimación de las tasas de desnitrificación relativamente baja que probablemente similares a ésos que ocurren en situ. Sin embargo, se discuten algunos aspectos relativos a la perforación, rendimiento del sensor y mejoras potenciales.

Un paso aparentemente sencillo pero fundamental del mé…

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.