코어를 사용 하 여 N2O Microsensors 앙금 탈 질 작용 속도 추정

Summary

이 방법은 누적된 N₂o.의 아세틸렌 억제 기술과 microsensor 측정을 사용 하 여 퇴적 코어에서 앙금 탈 질 작용 요금 견적 프로토콜에서는 아세틸렌 저해 수행 센서 캘리브레이션 코어를 수집 하기 위한 절차를 설명 합니다 N₂O 축적을 측정 하 고 탈 질 작용 속도 계산.

Abstract

탈 질 작용은 생물권에서 반응성 질소를 제거 하는 기본 생물 지구 화학적 프로세스. 이 프로세스의 정량적 평가 평가 변경 anthropogenic 세계적인 질소 순환 및 온실 가스 (즉, N₂O)의 방출에 대 한 특히 관련 되었다. 여러 가지 방법을 탈 질 작용, 측정 하는 데 사용할 수 있습니다 하지만 그들 중 누구도 완전히 만족. 기존 방법으로 문제는 그들의 부족 한 감도, 그리고 기판 레벨을 수정 하거나 사용 하 여 프로세스의 물리적 구성 변경의 필요가 방해 샘플. 이 작품 유선 결합 하 여 침전 물 탈 질 작용 비율, 아세틸렌 억제 및 microsensor 측정 누적 된 N₂o.의 추정 하는 방법을 설명 합니다. 이 방법의 주요 장점은 퇴적 구조의 낮은 방해와 N₂O 축적; 연속 기록의 컬렉션 이러한 0.4-1 최대 최소 값을 신뢰할 수 있는 탈 질 작용의 추정을 가능 하 게 µmol N₂O m^-2 h^-1. 핵심 요소를 조작 하는 능력은 실험적인 통찰력을 얻기 위해 추가 이점이 다. 프로토콜에서는 아세틸렌 저해 수행 센서 캘리브레이션 코어를 수집 하기 위한 절차를 설명 합니다 N₂O 축적을 측정 하 고 탈 질 작용 속도 계산. 방법은 검색 퇴적 코어를 가진 수 중 시스템에 탈 질 작용 속도 추정에 적합 합니다. N O₂농도 센서의 검출 한계 보다, 탈 질 작용 대신 N₂O 방출 추정 아세틸렌 억제 단계를 생략할 수 있습니다. 우리 질 산 가용성 뿐만 아니라 과정의 온도 의존을 증가 하 여 모두 실제 및 잠재적인 탈 질 작용 속도 추정 하는 방법을 보여 줍니다. 우리 산 호수 앙금을 사용 하 여 프로시저를 설명 하 고 장점 및 약점의 다른 방법에 비해 기술 토론. 이 메서드는 특정 목적;에 대 한 수정할 수 있습니다. 예를 들어, nitrification 및 탈 질 작용 또는 필드 현장에서 측정의 탈 질 작용을 평가 하기 위해 ¹⁵N 추적기와 결합할 수 있습니다.

Introduction

질소 순환의 anthropogenic 변경¹지구 시스템 대 한 가장 어려운 문제 중 하나입니다. 인간의 활동 반응 질소 바이오스피어²에 사용할 수 있는 수준의 두 배로 이상 있다. 그러나, 글로벌 N 사이클 평가 방법에 관한 큰 불확실성 남아 있다. 몇 자 속 추정 ± 20% 오류, 보다 적은 비용으로 계량 되어 있다 그리고 많은 ± 50 %와 큰³의 불확실성. 이러한 불확실성 생태계와 변이의 기본 메커니즘의 이해 탈 질 작용의 정확한 의견에 대 한 필요를 나타냅니다. 탈 질 작용은 미생물 활동 통해 질소 산화물, 질산염 및 아 질산염, 주로 이질소 가스, N₂O N₂⁴로 감소 된다. 통로 반응성 질소의 생물권 가용성에 관련성이 높은 제거⁵주 과정 이다 때문입니다. N₂O 이다 온실 가스는 지구 온난화 잠재력 거의 300 회는 CO의₂ 100 년, 그리고 그것 방출된^6,7되 고 대량으로 성층권 오존 고갈의 현재 주요 원인.

다음에, 선물이 앙금 탈 질 작용 요금 코어와 N₂O microsensors 실험적으로 사용 하 여 (그림 1) 추정을 위한 프로토콜. 탈 질 작용 요금 아세틸렌 억제 방법^8,9 (그림 2 및 그림 3) 정의 된 기간 동안 N₂O의 축적의 측정을 사용 하 여 견적 된다. 산 호수 퇴적 물에 적용 하 여는 방법을 보여 줍니다. 이 사례 연구는 앙금의 물리적 구조에 최소한의 소란와 함께 상대적으로 낮은 비율을 탐지 하기 위한 방법의 성능을 강조 한다.

탈 질 작용은 특히¹⁰를 측정 하기 어렵습니다. 여러 대체 접근 및 방법, 각각의 장점과 단점이 있다. 사용 가능한 방법에 단점이 비싼 자원, 부족 한 감도 및 기판 레벨을 수정 하거나 방해 샘플¹⁰를 사용 하 여 프로세스의 물리적 구성을 변경 하는 필요의 그들의 사용을 포함 합니다. N₂ 를 측정 하는 훨씬 더 근본적인 도전 환경¹⁰에 그것의 높은 배경 수준 이다. N₂O N₂ 의 감소는 아세틸렌 (C₂H₂)^8,9에 의해 저해. 따라서, 탈 질 작용 낮은 환경 N₂O 수준 때문에 실현은 축적 된 N₂O C₂H₂의 존재를 측정 하 여 측정할 수 있습니다.

것은 퇴적 물에 탈 질 작용 속도 측정 C₂H₂ 를 사용 하 여 개발 되었다 약 40 년 전¹¹및 N O₂센서의 발생 약 10 년 후¹². 가장 널리 적용된 아세틸렌 기반 접근 “정적 핵심”입니다. C₂H₂ 봉인된 퇴적 코어¹⁰의 headspace에 추가 되는 축적 된 N₂O 24 h의 인큐베이션 기간 동안 측정 된다. 여기 설명 하는 방법을 몇 가지 혁신으로이 절차를 다음과 같습니다. 우리는 몇 분에 대 한 핵심의 물 단계에서 가스를 버블링 하 여 C₂H₂ 를 추가 하 고 우리 모든 headspace 샘플 물을 채우기 N₂O는 microsensor의 축적을 측정 하기 전에. 우리는 또한 resuspending는 앙금 없이 물의 계층을 방지 교 반 시스템을 포함 합니다. 절차 단정 앙금 표면적 당 탈 질 작용 비율 (예를 들어, µmol N₂O m^-2 h^-1).

탈 질 작용의 높은 공간 및 시간 변화는 정확한 정량화¹⁰에 다른 어려움을 선물 한다. 일반적으로, N₂O 축적은 인큐베이션 기간 동안 수집 headspace 샘플의 가스 크로마토그래피에 의해 순차적으로 측정 됩니다. 설명 하는 메서드는 microsensor 연속 신호를 제공 하기 때문에 N₂O 축적의 시간적 변화의 향상 된 모니터링 제공 합니다. Microsensor 멀티 미터는 나타난그림 1(a) 컴퓨터와 인터페이스 하는 디지털 microsensor 증폭기 (picoammeter) 이다. 멀티 미터 여러 N₂O microsensors를 동시에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 4 개의 침전 물까지 코어 같은 연구 사이트를 측정할 수 있습니다 동시에 공간 변화에 대 한 계정.

코어 접근 겨우 몇 가지 다른 방법 (예를 들어, 슬러리)에 비해 퇴적 구조를 방해. 앙금의 무결성을 변경 하는 경우 상대 비교에 대 한 적절 한만 되는 비현실적인 탈 질 작용 비율¹³ 을이 끈다. 높은 속도 항상 얻을 수 있습니다 핵심 방법¹⁴에 비해 슬러리 방법 후자 기판 확산¹⁵탈 질 작용의 한계를 유지 하기 때문에. 슬러리 측정 현장에서 요금¹⁶;의 대표 이라고 할 수 없다 그들은 정확한 동일한 절차로 만든 비교에 대 한 상대적 측정값을 제공 합니다.

설명 방법은 장착할 수 있는 어떤 침전 물 형태로 탈 질 작용 속도 추정에 적합 합니다. 특히 운전 요인 들의 실험적인 조작을 수행 하기 위한 방법을 권장 합니다. 예 질 산 가용성 및 온도 에너지 활성화 (전자_는) 탈 질 작용¹⁷ (그림 2)의 추정을 위한 필요에 따라 수정 하는 실험입니다.

그림 1 : 실험 설치. 코어를 사용 하 여 N₂O microsensors 앙금 탈 질 작용 속도 추정 (a) 일반 실험 설정. 보육 실 어둠과 제어 온도 (± 0.3 ° C) 조건 보장합니다. 동시에 그들의 각각 N O₂센서를 사용 하 여 5 그대로 퇴적 코어를 처리할 수 있습니다. (b) N₂O 센서 교정 챔버. 우리 고무 stoppers와 N₂O 물 섞어 주사기 적응 (프로토콜 단계 3.4.3 참조). 물 온도 제어 하는 온도계가입니다. (c) 근접 센서 퇴적 코어 샘플의 PVC 커버와 접착 테이프로 밀봉 하는 관절의 중앙 구멍에 삽입. 활동가, 물에 걸려 있다 전자석 그것을 가까이 하 고 아크릴 튜브의 외부 부분에 고정. (d) N₂O microsensor의 클로즈업 팁 금속 조각에 의해 보호. (e)는 퇴적 코어를 그냥 복구 되었습니다. 그것은 깊은 호수;에 보트에서 샘플링 코어와 아크릴 튜브 여전히 메신저 적응 중력 corer¹⁹에 고정 됩니다. 이 방법을 수행 하는 데 필요한 모든 항목에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Protocol

1입니다. 준비 참고:이 측정은 촬영 전에 하루 시작. 측정 설치 조립 (그림 1는, 테이블의 자료를 참조).참고: 일정 하 고 높은-품질 전원 공급을 보장 하기 위해, 측정 장치에 연결 을 통해 그립 또한 백업으로 역할을 할 수 있는 무정전 전원 공급 장치 (UPS). 정전 긴 기간, 자동차 배터리는 여분의 전원 역할을 합니…

Representative Results

468 탈 질 작용의 총 2013-2014 기간 동안 Pyrenean 산 호수에서 퇴적 물에 위의 프로토콜을 사용 하 여 견적 되었다. 우리는 (그림 2 및 그림 3) 절차를 설명 하기 위해 이러한 결과의 일부를 보여줍니다. 일반적으로, N O2농도 시간 사이의 선형 모델 좋은 상관 관계 (R2 ≥ 0.9) 있다. 탈 질 작용 속도 (단계 7.3;의 견적을 제?…

Discussion

설명된 방법의 주요 장점은 최소한 방해 퇴적 코어 샘플의 사용 및 N₂O 축적의 연속 녹음입니다. 가능성이 상대적으로 낮은 탈 질 작용 속도의 추정 그 발생 위치에비슷한 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 응어리, 센서 성능 및 잠재적인 개선에 관한 몇 가지 측면을 설명 합니다.

메서드는 분명히 간단 하지만 중요 한 단계 좋은 코어 회복 이다. 앙금/물 인터페?…

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.