Het begrijpen van opgeloste organische stof Biogeochemie Through<em> In Situ</em> Nutrient manipulaties in Stroom Ecosystems
Summary
Opgeloste organische stof vormt een belangrijke bron van energie en voedingsstoffen naar ecosystemen streamen. Hier laten we zien een veld gebaseerde methode te manipuleren de omgevingstemperatuur pool van opgeloste organische stof in situ door middel van eenvoudig repliceerbaar voedingsstof pulsen.
Abstract
Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. Yet the in situ study of DOM is difficult as the molecular complexity of the DOM pool cannot be easily reproduced for experimental purposes. Nutrient additions to streams however, have been shown to repeatedly alter the in situ and ambient DOM pool. Here we demonstrate an easily replicable field-based method for manipulating the ambient pool of DOM at the ecosystem scale. During nutrient pulse experiments changes in the concentration of both dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen can be examined across a wide-range of nutrient concentrations. This method allows researchers to examine the controls on the DOM pool and make inferences regarding the role and function that certain fractions of the DOM pool play within ecosystems. We advocate the use of this method as a technique to help develop a deeper understanding of DOM biogeochemistry and how it interacts with nutrients. With further development this method may help elucidate the dynamics of DOM in other ecosystems.
Introduction
Opgeloste organische stof (DOM) vormt een belangrijke energie en voedingsstoffen bron ecosystemen zoetwater en wordt gedefinieerd als organisch materiaal dat door middel van een 0,7 pm filter passeert. Binnen aquatische ecosystemen, kan DOM ook van invloed zijn lichte vermindering en metalen complexatie. DOM is een zeer diverse en heterogene mengsel van organische verbindingen met verscheidene functionele groepen, en essentiële voedingsstoffen zoals stikstof (N) en fosfor (P). Terwijl de term "DOM" beschrijft de gehele pool inbegrip van de C-, N- en P-componenten, wordt de concentratie gemeten als opgeloste organische koolstof (DOC). De inherente moleculaire complexiteit van de DOM zwembad echter, creëert uitdagingen voor haar studie. Zo is er geen directe manier om de fractie van het totale DOM pool bestaat uit organische nutriënten zoals opgeloste organische stikstof (DON) en DOP-(DOP) te meten. In plaats daarvan moet de concentratie organische nutriënten worden bepaald door het verschil ( <em> bijv [DON] = [totaal opgeloste stikstof] – [opgelost anorganisch stikstof]).
Het toevoegen van een realistische DOM wijziging van een stroom is moeilijk te wijten aan de diversiteit van de omgevingslucht DOM zwembad. Eerdere studies hebben enkele koolstof bronnen toegevoegd (bijvoorbeeld glucose, ureum 1) of een bepaalde bron zoals bladafval percolaat 2 tot concentraties in het veld te manipuleren. Echter, deze bronnen niet bijzonder representatief voor de omgevingstemperatuur DOM zwembad. Proberen om te verfijnen of concentraat ambient DOM voor de volgende experimenten wordt ook vervaardigd met problemen met inbegrip van het verlies van bepaalde fracties (bijvoorbeeld zeer labiele componenten) tijdens de verwerking. Daardoor is het moeilijk om de controles te begrijpen van de omgevingstemperatuur DOM zwembad als we momenteel geen werkwijze om direct manipuleren van de omgevingstemperatuur DOM pool bezitten. Aangezien de biogeochemie DOM is gekoppeld aan voedingsstoffen aangetroffen in het milieu (bijvoorbeeld nitrate [NO 3 -] 3), kunnen we andere opgeloste stoffen aan ecosystemen te streamen en meten van de reactie van de DOM zwembad om deze manipulaties toe te voegen. Door na te gaan hoe de DOM zwembad reageert op een breed scala van experimenteel opgelegde nutriëntenconcentraties hopen we een beter inzicht in hoe DOM reageert op fluctuerende omgevingsfactoren krijgen.
Een methode vaak gebruikt in stroom biogeochemie is de voedingsstof toevoeging methode. Nutrient aanvulling experimenten oudsher gebruikt opnamekinetiek of het lot van de toegevoegde opgeloste 4,5,6,7 begrijpen. Voedingsstof aanvullingen kunnen tijdelijk op de 6 uur tot dag schaal 4 of langere termijn manipulaties in de loop van meerdere jaren 8. Nutrient toevoegingen kan omvatten ook een isotoop gemerkte voedingsstoffen (bv 15 N-NO 3 -) om toegevoegde voedingsstoffen op te sporen door middel van biogeochemische reacties. Echter, isotoop-gebaseerde studies zijn vaak expensive en vereisen uitdagende analyses (bijv vertering) van de meervoudige benthische compartimenten waar de isotoop-gelabelde voedingsstoffen kan worden behouden. Recente experimenten is het nut van korte pulsen nutriënt geopenbaard aan de controles opheldering van niet-opgeloste stoffen toegevoegd en ambient zoals DOM 9,10, onthullen een nieuwe manier waarop real-time in situ biochemische reacties te onderzoeken. Hier beschrijven we en demonstreren de sleutel methodologische stappen uitvoeren kortdurende pulsen nutriënten met als doel het begrijpen van de gekoppelde biogeochemie van C en N en specifiek de pijlen aan de zeer uiteenlopende DOM pool. Deze gemakkelijk reproduceerbare werkwijze omvat het toevoegen van een voedingsstof puls een experimentele stroom bereik en meten van veranderingen in de concentratie van zowel de gemanipuleerde opgeloste stof en de responsvariabele plaats (bv DOC, DON, DOP). Door direct te manipuleren nutriëntenconcentraties in situ wij in staat om indirect af aan het DOMzwembad en onderzoeken hoe DOM concentratie veranderingen in een dynamisch bereik van nutriëntenconcentraties 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Doel van de nutriënt pulswerkwijze, zoals hier voorgesteld, is het karakteriseren en de reactie van de zeer diverse verzameling van ambient stroomwater DOM over een dynamisch bereik van toegevoegde anorganische nutriënten kwantificeren. Wanneer de toegevoegde opgeloste voldoende verhoogt de concentratie van de reactieve opgeloste stof kan een grote inductieve ruimte gecreëerd om te begrijpen hoe de biochemische cycli DOM is gekoppeld aan nutriëntconcentraties. Deze voedingsstof puls aanpak is ideaal als het gaat om …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge the Water Quality Analysis Laboratory at the University of New Hampshire for assistance with sample analysis. The authors also thank two anonymous reviewers whose comments have helped to improve the manuscript. This work is funded by the National Science Foundation (DEB-1556603). Partial funding was also provided by the EPSCoR Ecosystems and Society Project (NSF EPS-1101245), New Hampshire Agricultural Experiment Station (Scientific Contribution #2662, USDA National Institute of Food and Agriculture (McIntire-Stennis) Project (1006760), the University of New Hampshire Graduate School, and the New Hampshire Water Resources Research Center.
Materials
| Sodium Nitrate | Any | Any | |
| Sodium Chloride | Any | Any | Store purchased table salt can be used as well, however, it does contain trace levels of impurities |
| Whatman GFF glass-fiber filters | Any | Any | |
| BD Filtering Syringe | Any | Any | |
| EMD Millipore Swinnex Filter Holders | Any | Any | |
| Syringe stop-cock | Any | Any | |
| YSI Multi-parameter probe | Yellow Springs International | 556-01 | |
| Wide mouth HDPE 125 ml bottles | Any | Any | |
| 60 ml HDPE bottles | Any | Any | |
| 20 L bucket | Any | Any | |
| Field measuring tape | Any | Any | |
| Lab labeling tape | Any | Any | |
| Stir stick | Any | Any | |
| Cooler | Any | Any | |
| Sharpie pen | Any | Any | |
| Field notebook | Any | Any | |
| Tweezers | Any | Any | |
| Zip-lock bags | Any | Any |
References
- Brookshire, E. N. J., Valett, H. M., Thomas, S. A., Webster, J. R. Atmospheric N deposition increases organic N loss from temperate forests. Ecosystems. 10 (2), 252-262 (2007).
- Bernhardt, E. S., McDowell, W. H. Twenty years apart: Comparisons of DOM uptake during leaf leachate releases to Hubbard Brook Valley streams in 1979 and 2000. J Geophys Res. 113, G03032 (2008).
- Taylor, P. G., Townsend, A. R. Stoichiometric control of organic carbon-nitrate relationships from soils to sea. Nature. 464, 1178-1181 (2010).
- Mulholland, P. J., et al. Stream denitrification across biomes and its response to anthropogenic nitrate loading. Nature. 452, 202-205 (2008).
- Tank, J. L., Rosi-Marshall, E. J., Baker, M. A., Hall, R. O. Are rivers just big streams? A pulse method to quantify nitrogen demand in a large river. Ecology. 89 (10), 2935-2945 (2008).
- Covino, T. P., McGlynn, B. L., McNamara, R. A. Tracer additions for spiraling curve characterization (TASCC): quantifying stream nutrient uptake kinetics from ambient to saturation. Limnol Oceanogr. 8, 484-498 (2010).
- Johnson, L. T., et al. Quantifying the production of dissolved organic nitrogen in headwater streams using 15 N tracer additions. Limnol Oceanogr. 58 (4), 1271-1285 (2013).
- Rosemond, A. D., et al. Experimental nutrient additions accelerate terrestrial carbon loss from stream ecosystems. Science. 347 (6226), 1142-1145 (2015).
- Diemer, L. A., McDowell, W. H., Wymore, A. S., Prokushkin, A. S. Nutrient uptake along a fire gradient in boreal streams of Central Siberia. Freshwater Sci. 34 (4), 1443-1456 (2015).
- Wymore, A. S., Rodríguez-Cardona, B., McDowell, W. H. Direct response of dissolved organic nitrogen to nitrate availability in headwater streams. Biogeochemistry. 126 (1), 1-10 (2015).
- Stream Solute Workshop. Concepts and methods for assessing solute dynamics in stream ecosystems. J N Am Benthol Soc. 9 (2), 95-119 (1990).
- Kilpatrick, F. A., Cobb, E. D. . Measurement of discharge using tracers: U.S Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations. , (1985).
- Rodríguez-Cardona, B., Wymore, A. S., McDowell, W. H. DOC: NO3- and NO3- uptake in forested headwater streams. J Geophys Res – Biogeo. 121, (2016).
- Kilpatrick, F. A., Wilson, J. F. Book 3 Chapter A9, Measurement of time of travel in streams by dye tracing. Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey. , (1989).
- Lutz, B. D., Bernhardt, E. S., Roberts, B. J., Mulholland, P. J. Examining the coupling of carbon and nitrogen cycles in Appalachian streams: the role of dissolved organic nitrogen. Ecology. 92 (3), 720-732 (2011).
- Michalzik, B., Matzner, E. Dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a Central European Norway spruce ecosystem. Eur J Soil Sci. 50 (4), 579-590 (1990).
- Solinger, S., Kalbitz, K., Matzner, E. Controls on the dynamics of dissolved organic carbon and nitrogen in a Central European deciduous forest. Biogeochemistry. 55 (3), 327-349 (2001).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Patterns in chemical fractionation of organic nitrogen in Rocky Mountain streams. Ecosystems. 6 (5), 483-492 (2003).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Fate and transport of organic nitrogen in minimally disturbed montane streams of Colorado, USA. Biogeochemistry. 74 (3), 303-321 (2005).
