Estimation des taux de dénitrification de sédiments à l’aide de carottes et N2O microcapteurs

Summary

Cette méthode permet d’estimer les taux de dénitrification sédiments dans des carottes de sédiments à l’aide de l’acétylène inhibition technique microcapteur des mesures et de l’accumulé N₂O. Le protocole décrit les procédures pour collecter les carottes, étalonnage des capteurs, effectuant l’inhibition de l’acétylène, mesurant l’accumulation de₂O N et en calculant le taux de dénitrification.

Abstract

La dénitrification est le principal processus biogéochimique enlever azote réactif de la biosphère. L’évaluation quantitative de ce processus est devenu particulièrement pertinente pour évaluer le cycle d’azote global anthropique altérés et les émissions de gaz à effet de serre (c.-à-d., N₂O). Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la dénitrification, mais aucun d’entre eux sont tout à fait satisfaisante. Problèmes avec les méthodes existantes notamment leur sensibilité insuffisante, et qu’il fallait modifier les concentrations de substrat ou de modifier la configuration physique du processus en utilisant perturbé des échantillons. Cet ouvrage décrit une méthode d’estimation des taux de dénitrification de sédiments qui combine le carottage, inhibition acétylénique et mesures microcapteur de l’accumulé N₂O. Les principaux avantages de cette méthode sont une faible perturbation de la structure des sédiments et la collection d’un enregistrement continu de l’accumulation de N₂O ; ceux-ci permettent des estimations de taux de dénitrification fiable avec des valeurs minimales jusqu’à 0,4 à 1 µmol N₂O m^-2 h^-1. La possibilité de manipuler des facteurs clés est un avantage supplémentaire pour l’obtention des connaissances expérimentales. Le protocole décrit les procédures pour collecter les carottes, étalonnage des capteurs, effectuant l’inhibition de l’acétylène, mesurant l’accumulation de₂O N et en calculant le taux de dénitrification. La méthode est appropriée pour l’estimation des taux de dénitrification dans n’importe quel système aquatique avec des carottes de sédiments récupérables. Si la concentration de₂O N est supérieure à la limite de détection du capteur, l’étape de l’inhibition de l’acétylène peut être omise pour estimer les émissions de₂O N au lieu de dénitrification. Nous montrons comment estimer les taux réels et potentiels de dénitrification en augmentant la disponibilité de nitrate, mais aussi la dépendance en température du processus. Nous illustrons la procédure à l’aide de sédiments de lacs de montagne et discuter les avantages et les faiblesses de la technique par rapport aux autres méthodes. Cette méthode peut être modifiée à des fins particulières ; par exemple, il est cumulable avec ¹⁵N traceurs pour évaluer la nitrification et dénitrification ou champ in situ des mesures du taux de dénitrification.

Introduction

Les altérations anthropiques du cycle de l’azote est un des problèmes plus difficiles pour le système de terre¹. L’activité humaine a au moins doublé les niveaux d’azote réactif disponible à la biosphère². Cependant, il reste de grandes incertitudes au sujet de comment le cycle de N global est évalué. Quelques estimations de flux ont été quantifiées avec moins de marge d’erreur de ± 20 %, et beaucoup ont des incertitudes de ±50 % et plus de³. Ces incertitudes indiquent le besoin d’estimations précises du taux de dénitrification à travers les écosystèmes et la compréhension des mécanismes sous-jacents de la variation. La dénitrification est une activité microbienne à travers lequel les oxydes azotés, principalement des nitrates et des nitrites, sont réduits à gaz diazote, N₂O et N₂⁴. La voie est très pertinente à la disponibilité de biosphère d’azote réactif parce que c’est le principal processus de retrait⁵. N₂O est un gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement près de 300 fois que du CO₂ plus de 100 ans et c’est la principale cause actuelle d’appauvrissement de l’ozone stratosphérique en raison des grandes quantités étant émis^6,7.

Dans ce qui suit, nous présentons un protocole pour l’estimation des taux de dénitrification de sédiments à l’aide de carottes et N₂O microcapteurs expérimentalement les (Figure 1). Les taux de dénitrification sont estimés à l’aide de l’acétylène inhibition méthode^8,9 et la mesure de l’accumulation de N₂O durant une période définie (Figure 2 et Figure 3). Nous démontrons la méthode en l’appliquant aux sédiments de lac de montagne. Cette étude de cas met en lumière la performance de la méthode de détection des taux relativement faibles avec une perturbation minimale de la structure physique des sédiments.

La dénitrification est particulièrement difficile à mesurer¹⁰. Il y a plusieurs moyens et méthodes, chacune avec des avantages et des inconvénients. Les inconvénients aux méthodes disponibles incluent l’utilisation des ressources coûteuses, sensibilité insuffisante et qu’il fallait modifier les concentrations de substrat ou de modifier la configuration physique du processus en utilisant les échantillons dérangés¹⁰. Un défi encore plus fondamental à la mesure N₂ est ses niveaux élevés de fond dans l’environnement de¹⁰. La réduction de N₂O N₂ est inhibée par l’acétylène (C₂H₂)^8,9. Ainsi, la dénitrification peut être quantifiée en mesurant l’accumulé N₂O en présence de C₂H₂, qui est possible à cause des faibles niveaux de₂O N environnement.

L’utilisation du C₂H₂ pour mesurer le taux de la dénitrification dans les sédiments a été développée il y a environ 40 ans¹¹et l’incorporation de capteurs de N₂O a eu lieu une dizaine d’années plus tard¹². L’approche axée sur l’acétylène plus largement appliquée est le « noyau statique ». L’accumulation N₂O est mesurée pendant une période d’incubation jusqu’à 24 h après que le C₂H₂ est ajouté à l’espace de tête des sédiments scellé base¹⁰. La méthode décrite ici suit cette procédure avec quelques innovations. Nous ajoutons le C₂H₂ par bulles de gaz dans la phase aqueuse du noyau pendant quelques minutes, et nous remplir tout l’espace de tête avec échantillon d’eau avant de mesurer l’accumulation de N₂O avec un microcapteur. Nous incluons également un système d’agitation qui empêche la stratification de l’eau sans resuspendant le sédiment. La procédure quantifie le taux de dénitrification par zone de sédiments de surface (p. ex., µmol N₂O m^-2 h^-1).

La forte variation spatiale et temporelle de dénitrification présente une autre difficulté dans sa quantification précise¹⁰. Habituellement, l’accumulation de N₂O est mesurée séquentiellement par chromatographie en phase gazeuse des échantillons d’espace de tête qui sont recueillies au cours de l’incubation. La méthode décrite fournit un contrôle amélioré de la variation temporelle de l’accumulation de N₂O, car le microcapteur fournit un signal continu. Le multimètre microcapteur est un amplificateur numérique microcapteur (picoammeter) qui s’interface avec l’ou les capteurs et l’ordinateur (Figure 1a). Le multimètre permet plusieurs N₂O microcapteurs être utilisé en même temps. Par exemple, jusqu’à quatre sediment cores provenant du même site d’étude peuvent être mesurés simultanément pour tenir compte de la variabilité spatiale.

L’approche de base à peine perturbe la structure des sédiments par rapport à d’autres méthodes (par exemple, boues). Si l’intégrité des sédiments est altérée, cela conduit à la dénitrification irréaliste taux¹³ qui conviennent uniquement pour les comparaisons relatives. Des taux plus élevés sont toujours obtenus avec des méthodes de lisier par rapport aux principales méthodes¹⁴, parce que ce dernier conserve la limitation de la dénitrification par substrat diffusion¹⁵. Mesures de boue ne peut pas être considéré comme représentant in situ tarifs¹⁶; ils fournissent des mesures relatives pour les comparaisons faites avec exactement la même procédure.

La méthode décrite est d’estimer les taux de dénitrification dans n’importe quel type de sédiments qui peuvent être évidées. Nous recommandons particulièrement la méthode permettant d’effectuer des manipulations expérimentales de certains des facteurs de conduite. On peut citer des expériences qui modifient la disponibilité de nitrate et de la température au besoin pour estimer l’énergie d’activation (E_un) de dénitrification¹⁷ (Figure 2).

Figure 1 : Montage expérimental. (a) général montage expérimental pour estimer les taux de dénitrification des sédiments à l’aide de carottes et N₂O microcapteurs. La chambre d’incubation garantit des conditions de (±0, 3 ° C) obscurité et à température contrôlée. Cinq des carottes de sédiments intacts peuvent être traitées simultanément en utilisant leurs capteurs de₂O N respectifs. chambre d’étalonnage (b), N₂O capteur. Nous avons adapté avec bouchons en caoutchouc et des seringues à mélanger le N₂O eau (voir protocole étape 3.4.3). Il y a un thermomètre pour contrôler la température de l’eau. (c) gros plan d’une carotte de sédiments avec le capteur inséré dans le trou central du couvercle PVC et les joints scellés avec du ruban adhésif. L’agitateur est suspendu dans l’eau, et l’électro-aimant est près de lui et fixé sur la partie externe du tube acrylique. (d), gros plan sur le N₂O microcapteur bout protégé par un morceau de métal. (e) une carotte de sédiments qui a juste été récupérée. Il a été échantillonné à partir d’un bateau dans un lac profond ; le tube acrylique avec le noyau est toujours fixé au carottier à gravité adapté au Messager¹⁹. Voir la Table des matières pour tous les éléments nécessaires à l’exercice de cette méthode. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Protocol

1. préparation Remarque : Cela commence le jour avant que les mesures soient prises. Assembler la configuration de mesure (Figure 1a, voir la Table des matières).Remarque : Pour assurer une alimentation constante et de qualité, l’appareil de mesure est raccordé à la poignée via une alimentation sans coupure (UPS) qui peut aussi agir comme une sauvegarde. Dans le cas d’une panne de courant de long…

Representative Results

Un total de 468 taux de dénitrification ont été estimées en utilisant le protocole ci-dessus dans les sédiments de lacs de montagne des Pyrénées, sur la période 2013-2014. Nous montrons que certains de ces résultats pour illustrer la procédure (Figure 2 et Figure 3). En général, le modèle linéaire entre la concentration de N2O et l’heure a bonne corrélation (R2 ≥ 0,9). La pente de la relat…

Discussion

Les principaux avantages de la méthode décrite soient l’utilisation des échantillons de carottes de sédiments peu perturbées et l’enregistrement continu de l’accumulation de N₂O. Ceux-ci permettent d’estimer des taux relativement faibles de dénitrification qui risquent semblables à ceux présents sur place. Néanmoins, certains aspects concernant le carottage, les performances du capteur et améliorations possibles sont discutés.

Une étape apparemment simpl…

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.