Here, we present small core incubations for the measurement of sediment-water gas and solute exchange. These will provide reliable measurements of sediment-water exchange that assess the role of sediment in influencing biological and biogeochemical processes in aquatic ecosystems.
The measurement of sediment-water exchange of gases and solutes in aquatic sediments provides data valuable for understanding the role of sediments in nutrient and gas cycles. After cores with intact sediment-water interfaces are collected, they are submerged in incubation tanks and kept under aerobic conditions at in situ temperatures. To initiate a time course of overlying water chemistry, cores are sealed without bubbles using a top cap with a suspended stirrer. Time courses of 4-7 sample points are used to determine the rate of sediment water exchange. Artificial illumination simulates day-time conditions for shallow photosynthetic sediments, and in conjunction with dark incubations can provide net exchanges on a daily basis. The net measurement of N2 is made possible by sampling a time course of dissolved gas concentrations, with high precision mass spectrometric analysis of N2:Ar ratios providing a means to measure N2 concentrations. We have successfully applied this approach to lakes, reservoirs, estuaries, wetlands and storm water ponds, and with care, this approach provides valuable information on biogeochemical balances in aquatic ecosystems.
Sedimenter er kritiske biogeokemiske komponenter i akvatiske økosystemer og ofte er vigtige dræn af næringsstoffer og forurenende stoffer. Banebrydende studier af næringsstoffer, gas og overgang metal biogeokemi i lacustrine sedimenter afslørede sediment udveksling af opløste stoffer og gasser med overliggende vand, der havde varierende redoxforhold 1,2. For næringsstoffer, kan aflejringer være en kilde til fosfor og fast kvælstof efter remineralisering af organisk stof, og en vask til ilt i ikke-fotosyntetiske miljøer 3,4. Fotosyntese af undervandsplanter, makroalger og bentiske mikroalger kan få dybtgående indflydelse på udveksling af opløste stoffer på tværs af sediment-vand grænsefladen 5,6.
Målinger af udveksling af opløste stoffer og gasser over sediment-vand grænseflade udføres for både grundforskning og anvendt videnskab formål, herunder kalibrering af teknik og videnskabelig watER kvalitet modeller 7,8. Målet med disse metoder, i videst muligt omfang, er at give pålidelige og præcise sediment-vand valutakurser. En lang række fremgangsmåder er blevet anvendt til at vurdere kemisk udveksling på sediment-vand-grænsefladen. Bottom vand ophobning af gasser og opløste stoffer i lagdelte systemer kan være nyttigt 9, men er ikke gyldig for sediment-vand udveksling over springlag eller pycnoclines. Eddy korrelation kræver høj frekvens målinger af gasser, generelt ilt, kombineret med høj frekvens måling af lodrette vand hastigheder; denne teknik har et enormt løfte, men i øjeblikket kan ikke levere data til udveksling af næringsstoffer studier. In situ kupler eller kamre er en meget foretrukne metode, med den fordel, der dækker et større areal af sediment og opretholdelse in situ temperaturer, dybt vand pres og lysniveauer 10. I praksis er disse meget dyre målinger, der kræver omfattende tidpå større forskningsprojekter fartøjer de fleste applikationer er dybere kystzonen eller oceaniske sedimenter. Core inkubation teknikker, der anvender strøm gennem kamre, der når steady state er fremragende til at opretholde relativ konstant overliggende vand kemi, herunder ilt, under inkubationer 11. Fordi hastigheden bestemmes ved steady state ved koncentration forskelle mellem indstrømmende og udstrømmende vand, og ved vand valutakurser, kan disse inkubationer tage en betydelig mængde tid.
Tiden-retters core inkubation tilgang, der anvendes af vores laboratorium blev tilpasset fra teknikker, som en række forskellige laboratorier i Nordamerika og Europa, og der er en betydelig mængde litteratur baseret på denne generelle tilgang. Vi tilpasset denne tilgang til måling af N 2 N fluxe 12, der ofte omtales som denitrifikation, og har anvendt det til fotosyntetiske og ikke-fotosyntetiske sediment miljøer, herunder estuaries 13, søer, reservoirer, og vådområder 14. Gennem disse undersøgelser har vi fundet mange miljøer, hvor vores overordnede tilgang fungerer godt, og nogle, hvor den ikke gør. Målingen af denitrifikation er udført i mange forskellige jord- og vandmiljøer, fordi denne proces er et vigtigt tab af kvælstof til økosystemer. Talrige fremgangsmåder er blevet anvendt til fremstilling denitrificering målinger, nogle direkte og nogle indirekte 15. Direkte N 2 flux målinger er meget vanskelig på grund af det høje atmosfærens indhold N2, og de efterfølgende høje koncentrationer opløst i vand 16. To tilgange er dukket op som at have den bedste repræsentation af miljørelevante satser: isotop parring ved hjælp N isotoper 17 og N 2: Ar-forhold i vores laboratorium. Den isotop parring Metoden har været anvendt med succes i mange miljøer og har meget høj følsomhed ved lave priser. Vi anvender den N2: Ar-forholdet tilgang på grund af sin enkelhed, og fordi det er tilstrækkeligt følsomme i de påvirkede miljøer vi ofte studere.
I denne artikel beskriver vi den tekniske fremgangsmåde vi har anvendt i løbet af de sidste to årtier til at gøre målingen af sediment-vand udveksling af gasser og opløste stoffer. Eventuelle målinger af sediment-vandudskiftning nødt til at tage hensyn til markforhold og en række eksperimentelle parametre. Disse faktorer omfatter temperatur, lys / mørke forhold 18, blanding / fysiske flow i sediment-vand grænsefladen 19, opløst iltkoncentrationer 20, og andre faktorer, der er centrale elementer i at gøre gode målinger. For eksempel, hvis kerner er indsamlet fra områder, som modtager tilstrækkelig belysning for væksten af bundlevende mikroalger, er det nødvendigt at udtænke eksperimenter, der omfatter både mørke og lyse forhold 21. Tilsvarende tilsætning oxygeneret overliggende vand til anoxiske kernerreplikeres ikke markforhold. Eksperimentel kabinet af enhver del af vandøkosystemer kan føre til uundgåelige artefakter 22; er det afgørende, at de metoder, der anvendes i et sediment-vand udveksling måleprogrammet 1) genkende de faktorer, der styrer sediment-vandudskiftning i hvert økosystem og 2) minimere artefakter afledt af eksperimentel manipulation.
Den her beskrevne teknik er blevet anvendt til adskillige typer af akvatiske systemer, både lavt og dybt, og vi har fundet det at fungere godt i de fleste tilfælde. Denne fremgangsmåde blev tilpasset fra teknikker, som kolleger og præsenteret i litteraturen; det er optimeret til måling af denitrifikation via membran indløb massespektrometri. En af styrkerne ved denne fremgangsmåde er evnen til at håndtere et stort antal kerner samtidigt. Gentage hvert sted med dobbelte eller tredobbelte kerner øger tilliden til målinger, selv om en alternativ metode er at maksimere websteder med mindre replikation, under disse omstændigheder den gennemsnitlige værdi for en miljømæssig segment kan være mere repræsentativ for variabiliteten i naturen. For at belyse sæsonmæssige forskelle, kan en måling tidsserie på et færre antal lokaliteter være en nyttig strategi.
I denne protokol, er der flere kritiske trin. Paramount til at gøre successful målinger er en samling af kerner med en intakt sediment-vand-grænseflade. Selv afviser kerner, der ikke opfylder dette kriterium på området kan være trættende, vil fattige kerner føre til dårlig nøjagtighed og præcision. Holde aerobe kerner beluftes og tæt på den oprindelige samling temperatur vil minimere artefakter og bevare sunde, intakte mikrobielle og metazoiske populationer. Endelig for O 2 og N 2 prøver, tilsætning af mercurichlorid konserveringsmiddel er kritisk. Vi har observeret, at ukorrekt beskyttelse af gasprøver, herunder overdreven opvarmning og afkøling af hætteglassene, kan kompromittere disse flux målinger. Andre laboratorier har med held anvendt 7,0 M ZnCl2 som en mindre giftige konserveringsmiddel, der har omkostninger lavere affaldsbortskaffelse; for en 7 ml prøve en 30 pi tilsætning er passende.
Den præcise og nøjagtige analyser af forholdet mellem N2 og Ar er nøglen til bestemmelse af N2 </sub> flusmidler. Observeret N 2: Ar nøgletal ændre sig som funktion af ilt koncentration, nogle forskere at slå til lyd ilt fjernelse før analyse, generelt bruger opvarmet kobber 28. De anvendte måleapparater i vores laboratorium blev anvendt til at bestemme virkningen af oxygen på N 2: Ar-forhold 23 og virkningen viste sig at være meget lille, <0,03% for beskeden iltforbrug. Forskelle i tilgangen til vurdering af ilt "effekt" ser ud til at føre til forskellige konklusioner af forskellige efterforskere 23,28,29. Et stort oxygen effekt på N 2: Ar-forhold ville føre til fejlagtigt høje N2-N efflux; vores erfaring, har vi mange observationer af ubetydelig N2-N efflux under høj iltsvind. I laboratorier, hvor ilt effekt på N 2: Ar nøgletal ser store, et nyttigt alternativ er den uafhængige måling af iltkoncentrationer hjælp elektroder eller optodes og iltfjernelse fra massespektrometrisk analyse under anvendelse af inline opvarmet Cu.
Fejlfinding denne teknik er kun muligt efter gennemgang af de sediment flux data. Vigtige faktorer at overveje, når regressioner er fattige, om omrøring var kontinuerlig blev prøver indsamlet og bevaret korrekt, og om tiden kurser var for kort til at tillade estimering af lave priser. Længden af eksperimenter generelt er fastsat af oxygen tidsforløb, med lave metabolisme trænger længere inkubationer for at øge signal-støj-forhold indlejret i tidsforløbet regressioner. Høje ilt produktion, der giver O 2 bobler gør gas flusmidler svært, men opløste flusmidler kan være upåvirket.
Det er nødvendigt at forstå begrænsningerne ved denne fremgangsmåde. De små kerner dække 0,3% af en kvadratmeter og de større kerner dække 0,6%. I sites med betydelig heterogenitet på måleren skala, heterogene distributioner af animALS eller planter kan antyde, at en eller to kerner ikke kan være en tilstrækkelig repræsentation. Der er også nogle miljøer, der præsenterer vanskeligheder måling. Til måling af denitrifikation, kan tilstedeværelsen af methan eller oxygen bobler afkræfte teknikken, med N2: Ar-forhold påvirket ved differentiel inkorporering af gasser ind i boblerne. I sediment koloniseret af bundlevende mikroalger, dannelsen af oxygenbobler resulterer i en præferentiel stripning af N 2 i forhold til Ar, og fald i N 2: Ar-forhold. Generelt kan vi ikke måle denitrifikation på det punkt, hvor bobler formular. Anaerobe miljøer udgør forskellige udfordringer, og beluftning af kerner ændrer redox dynamik på sediment-vand-grænseflade. Vi forsegle kerner med omrøring toppe umiddelbart efter indsamlingen og starte fluxe uden at erstatte vandsøjlen helt 30. Vores eksperimenter med belyste sedimenter typisk har mætte eller næsten saturating niveauer af belysning 31, og dermed maksimere effekten af bentiske mikroalger.
Sediment-vand exchange målinger er en måling af netto flux af materialer over sediment-vand-grænsefladen. Men disse målinger alene ofte ikke kan identificere de mekanismer, der kontrollerer disse grænsefladefænomener udvekslinger. Hvis forskningsspørgsmålet indebærer forståelse mekanismer, andre oplysninger om organisk stof reaktivitet, terminal elektronacceptor zonering, bioirrigation og bioturbation, og fotosyntetiske organismer kan være nødvendig. Modeling indsats 7 kan kræve bestemmelse af porevand kemi, direkte mål for organisk stof reaktivitet 32, tælling af dyrepopulationer, sediment bio-vanding, sediment tilvækst, eller eksperimentelle manipulationer af redox eller overliggende vand kemi 13. I vores undersøgelser, god sediment-vand dataudveksling er et centralt element i at forstå kemien af akvatiske sedimenter,og i samarbejde med andre målinger, identificerer rolle sediment genanvendelse processer i akvatiske biogeokemiske kredsløb.
Med omhu med hensyn til sediment håndtering, temperaturkontrol, og vandsøjlen blanding, core inkubationer er et nyttigt tilgang til estimering af udveksling af opløste stoffer og gasser på sediment-vand-grænseflade. de teknikker, der anvendes her, kan dog brug for modifikation for nogle miljøer og vanskelige logistik, såsom udvidede tidsperioder før inkubation. Indtil videre har vi med succes anvendt denne inkubation tilgang til flodmundinger, kystnære, vådområder, søen reservoir, flod og fastholdelse dam miljøer med minimal modifikation.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne udviklet denne metode ved hjælp af vores observationer af arbejde udført af Walter Boynton og Pete Sampou og samarbejdsvillig arbejde på denitrifikation med Todd Kana på University of Maryland Center for Environmental Science. Udvikling af vores denitrifikation tilgange ville ikke have været muligt uden støtte fra Maryland Sea Grant Program og National Science Foundation. De repræsentative data, der anvendes her blev indsamlet med støtte fra Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) og skrive indsats blev støttet af Maryland Sea Grant (R / SV-2), NOAA Chesapeake Bay kontor (NA13NMF4570210), Recovery Partnership Oyster , National Science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, og Maryland Environmental service / Maryland Port Administration.
Multiparameter sonde – temperature, oxygen, salinity | YSI | " | Any high quality equipment will suffice |
PAR Measurement | Li-Cor | 6050000 | |
Pole corer | Built by machine shop | ||
Box corer | DK-Denmark | HAPS Corer | We also use light box coring equipment |
Small core tubes with o-ring fitted bottom, 3' OD, 2.5' Id. | various plastics companies | Clear acrylic | |
Medium core tubes with o-ring, 4.5" od, 4" id | various plastics companies | Clear acrylic | |
Butyl stopper size 13.5 | generic | ||
Stirring turntable | Built by machine shop | ||
Incubation tub | Built by machine shop | ||
Replacement water carboy | Nalgene | 2320-0050 | |
7 mL glass stoppered tube | Chemglass | not on inventory | "Exetainers" used by other labs |
20 mL plastic syringe | generic | ||
Syringe filters | |||
Plastic tubing | Tygon | ACF00004-CP | |
Compact Fluorescent Lights | Apollo Horticulture | CFL 8U 250W |