Uppskatta Sediment denitrifikation priser med kärnor och N2O mikrosensorer

Summary

Denna metod bedömer sedimenten denitrifikation priser i sedimentkärnor som använder acetylen hämning teknik och mikrogivare mätningar av den ackumulerade N₂O. Protokollet beskrivs förfaranden för insamling av kärnar ur, kalibrera den sensorer, utför acetylen hämning, mäta N₂O ansamling och beräkning denitrifikation.

Abstract

Denitrifikation är primära biogeokemiska processen att ta bort reaktivt kväve från biosfären. Den kvantitativa utvärderingen av denna process har blivit särskilt relevant för bedömningen av antropogena-förändrad global Kvävets kretslopp och utsläpp av växthusgaser (dvs N₂O). Det finns flera metoder för att mäta denitrifikation, men ingen av dem är helt tillfredsställande. Problem med befintliga metoder inkluderar deras otillräcklig känslighet, och behovet av att ändra nivåerna som substrat eller förändra den fysiska konfigurationen av processen med störda prover. Detta arbete beskriver en metod för att uppskatta sediment denitrifikation priser som kombinerar coring, acetylen hämning och mikrogivare mätningar av den ackumulerade N₂O. De främsta fördelarna med denna metod är en låg störning av sediment struktur och insamling av en kontinuerlig registrering av N₂O ackumulering; Dessa möjliggör uppskattningar av tillförlitliga denitrifikation priser med lägsta värden upp till 0.4-1 µmol N₂O m^-2 h^-1. Förmågan att manipulera nyckelfaktorer är en ytterligare fördel för att erhålla experimentella insikter. Protokollet beskrivs förfaranden för insamling av kärnar ur, kalibrera den sensorer, utför acetylen hämning, mäta N₂O ansamling och beräkning denitrifikation. Metoden är lämplig för att uppskatta denitrifikation priser i alla akvatiska system med hämtas sedimentkärnor. Om N₂O koncentrationen ligger över detektionsgränsen för sensorn, kan steget acetylen hämning utelämnas att uppskatta N₂O utsläpp istället för denitrifikation. Vi visar hur för uppskattning av både faktiska och potentiella denitrifikation genom att öka nitrat tillgänglighet samt temperaturberoendet av processen. Vi illustrerar förfarandet enligt mountain lake sediment och diskutera fördelar och svagheter av tekniken jämfört med andra metoder. Denna metod kan ändras för särskilda ändamål. Det kan till exempel kombineras med ¹⁵N spårämnen att bedöma nitrifikation och denitrifikation eller fält i situ mätningar av denitrifikation priser.

Introduction

Antropogena förändringar av Kvävets kretslopp är en av de mest utmanande problem för Earth system¹. Mänsklig aktivitet har minst fördubblats nivåerna av reaktiva kväve tillgängligt till biosfär². Finns dock fortfarande stor osäkerhet om hur den globala N cykeln utvärderas. Några flux uppskattningar har kvantifierats med mindre än ±20% fel, och många har osäkerheten i ±50% och större³. Dessa osäkerheter indikerar behov av noggranna uppskattningar av denitrifikation priser hela ekosystem och en förståelse för de bakomliggande mekanismerna av variation. Denitrifikation är en mikrobiell aktivitet genom vilken kväveinnehållande oxider, främst nitrat och nitrit, reduceras till Kvävetetroxid gaser, N₂O och N₂⁴. Vägen är mycket relevanta för biosfären tillgängligheten av reaktiva kväve eftersom det är den primära bearbetningsprocessen borttagning⁵. N₂O är en växthusgas med uppvärmningspotential nästan 300 gånger att co₂ över 100 år, och det är den nuvarande största orsaken till stratosfäriska ozonskiktet stora kvantiteter vara utsända^6,7.

I följande presenterar vi ett protokoll för att uppskatta sediment denitrifikation priser använda kärnor och N₂O mikrosensorer försöksvis (figur 1). Denitrifikation priser beräknas med hjälp av acetylen hämning metod^8,9 och mätningar av ansamling av N₂O under en definierad period (figur 2 och figur 3). Vi visar metoden genom att tillämpa det till mountain lake sediment. Denna fallstudie visar utförandet av metoden för att påvisa relativt låga priser med minimal störning för den fysiska strukturen i sedimenten.

Denitrifikation är särskilt svårt att mäta¹⁰. Det finns flera alternativa metoder och metoder, med fördelar och nackdelar. Nackdelar med tillgängliga metoder inkluderar deras användning av dyra resurser, otillräcklig känslighet och behovet av att ändra nivåerna som substrat eller förändra den fysiska konfigurationen av processen med störda prover¹⁰. En ännu mer grundläggande utmaning att mäta N₂ är dess förhöjda bakgrundsnivåerna i miljön¹⁰. Minskning av N₂O till N₂ hämmas av acetylen (C₂H₂)^8,9. Således, denitrifikation kan kvantifieras genom att mäta den ackumulerade N₂O i närvaro av C₂H₂, vilket är möjligt på grund av låga miljömässiga N₂O nivåer.

Användning av C₂H₂ att mäta denitrifikation priser i sediment utvecklades ungefär 40 år sedan¹¹och införlivandet av N₂O sensorer inträffade ungefär 10 år senare¹². Det mest tillämpad acetylen-baserat tillvägagångssättet är den ”statiska kärna”. Den ackumulerade N₂O mäts under en inkubationstid på upp till 24 h efter C₂H₂ läggs till headspace förseglade sediment core¹⁰. Den metod som beskrivs här följer proceduren med några innovationer. Vi lägger C₂H₂ av bubblande gasen i vatten fas kärnan i några minuter, och vi fyller alla headspace med prov vatten innan du mäter ansamling av N₂O med en mikrogivare. Vi har även en omrörningsanordning system som förebygger skiktningen av vattnet utan omblandning av sediment. Förfarandet kvantifierar denitrifikation frekvensen per sediment yta (t.ex., µmol N₂O m^-2 h^-1).

Hög rumsliga och tidsmässiga variationen av denitrifikation presenterar en annan svårighet i dess exakt kvantifiering¹⁰. Vanligtvis mäts N₂O ackumulering sekventiellt genom gaskromatografi av headspace prover som samlats in under ruvningen. Den beskrivna metoden ger förbättrad övervakning av temporala variationen av N₂O ansamling, eftersom mikrogivare ger en kontinuerlig signal. Mikrogivare multimeterns är en digital mikrogivare förstärkare (picoammeter) som gränssnitt med givare och datorn (figur 1pt). Multimeterns tillåter flera N₂O mikrosensorer användas samtidigt. Till exempel, upp till fyra sediment kan kärnor från samma studie plats mätas samtidigt till kontot för den rumsliga variationen.

Metoden med core störer knappt sediment struktur jämfört med vissa andra metoder (t.ex., slam). Om integritet av sedimentsna ändras, leder detta till orealistiska denitrifikation priser¹³ som är endast lämpliga för relativa jämförelser. Högre priser erhålls alltid med flytgödsel metoder jämfört med core metoder¹⁴, eftersom den senare bevarar begränsning av denitrifikation av substrat diffusion¹⁵. Flytgödsel åtgärder inte kan anses vara representativ i situ priser¹⁶; de ger relativa åtgärder för jämförelser med exakt samma procedur.

Den metod som beskrivs är lämpligt för att uppskatta denitrifikation priser i någon typ av sediment som kan vara kärnhus. Vi rekommenderar särskilt metoden för att utföra experimentella manipulationer av några av de drivande faktorerna. Exempel är experiment som ändra nitrat tillgänglighet och temperatur som behövs för att uppskatta energi aktivering (E_pt) av denitrifikation¹⁷ (figur 2).

Figur 1 : Experimentell setup. (pt) allmänna experiment att uppskatta sediment denitrifikation priser med kärnor och N₂O mikrosensorer. Inkubation kammaren säkerställer mörker och temperaturreglerad (±0.3 ° C) förhållanden. Fem intakta sedimentkärnor kan bearbetas samtidigt med deras respektive N₂O sensorer. (b), N₂O sensor kalibrering kammare. Vi anpassade det med gummiproppar och sprutor att blanda den N₂O vatten (se protokollet steg 3.4.3). I området i närheten finns det en termometer för att kontrollera vattentemperaturen. (c) Närbild av ett sediment core urval med sensorn in i hål i mitten av locket PVC och fogarna tätas med tejp. Omröraren hängande i vattnet, och elektromagneten ligger nära det och fixade till den yttre delen av akryl röret. (d), närbild av de N₂O mikrogivare tips skyddas av en metallbit. (e) en sediment-kärna som bara har återvunnits. Det samplades från en båt i en djup sjö; akryl röret med kärnan är fortfarande fast till messenger-anpassad gravitation corer¹⁹. Se Tabell för material för alla objekt som behövs för att utföra denna metod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

1. beredning Obs: Börja detta dagen innan i mätningarna. Montera den mätning setup (figur 1en, se Tabell för material).Obs: För att säkerställa en konstant och hög kvalitet strömförsörjning, mätning enheten är ansluten till den grepp via en avbrottsfri elkälla (UPS) som också kan fungera som en säkerhetskopia. Vid långvariga strömavbrott tjäna ett bilbatteri som en extra strömkälla….

Representative Results

Totalt 468 denitrifikation priser uppskattades med hjälp av protokollet ovan i sediment från pyreneiska mountain lakes under perioden 2013-2014. Vi visar några av dessa resultat att illustrera förfarandet (figur 2 och figur 3). Den linjära modellen mellan N2O koncentration och tid har generellt god korrelation (R2 ≥ 0.9). Lutningen på förhållandet ger en uppskattning av andelen denitrifikation (ste…

Discussion

De främsta fördelarna med den beskrivna metoden är användning av minimalt störd sediment borrkärnor och kontinuerlig inspelning av N₂O ansamling. Dessa tillåter skattning av relativt låga denitrifikation priser som sannolikt liknar de förekommande i situ. Dock diskuteras vissa aspekter rörande coring, sensor prestanda och potentiella förbättringar.

En tydligen enkla men kritiska steg i metoden är bra core återhämtning. Sediment och vatten gränssnittet måste…

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.