Çekirdek ve N2O Microsensors kullanarak tahmin tortu denitrifikasyon oranları
Summary
Bu yöntem tortu birikmiş N2O. asetilen inhibisyon tekniği ve microsensor ölçümleri kullanarak tortu çekirdek denitrifikasyon oranlarında tahmin ediyor. Protokol sensörler, asetilen inhibisyon performans ayarlama çekirdek, toplamak için yordamlar açıklanır N2O birikimi ölçme ve denitrifikasyon oranı hesaplanırken.
Abstract
Denitrifikasyon reaktif azot biyosfer kaldırma birincil biyojeokimyasal işlemidir. Bu işlem kantitatif değerlendirilmesi değişmiş antropojenik küresel azot döngüsü ve emisyon sera gazlarının (Yani, N2O) değerlendirmek için özellikle ilgili haline gelmiştir. Birkaç yöntem denitrifikasyon ölçmek için kullanılabilir, ancak hiçbiri tamamen tatmin edici değil. Varolan yöntemleri ile ilgili sorunlar onların yetersiz duyarlılığı içerir ve substrat düzeylerini değiştirebilirsiniz veya işlemin kullandığı fiziksel yapılandırmasını değiştirmek gerek örnekleri rahatsız. Bu eser asitleme birleştirir tortu denitrifikasyon oranları, asetilen inhibisyonu ve birikmiş N2O. microsensor ölçümleri tahmin etmek için bir yöntem açıklanır Bu yöntem en önemli avantajları düşük bir karışıklık tortu yapısının ve N2O birikimi sürekli kaydını topluluğu vardır; Bunlar güvenilir denitrifikasyon oranları ile 0,4-1 en düşük değerleri tahminleri etkinleştirmek µmol N2O m-2 s-1. Önemli faktörler işleme yeteneği deneysel anlayışlar elde etmek için ek bir avantaj olduğunu. Protokol sensörler, asetilen inhibisyon performans ayarlama çekirdek, toplamak için yordamlar açıklanır N2O birikimi ölçme ve denitrifikasyon oranı hesaplanırken. Herhangi bir su sistemi ile alınabilir tortu göbek denitrifikasyon oranlarını tahmin etmek için uygun bir yöntemdir. N2O konsantrasyonu algılama sensör üzerinde bu kadar asetilen inhibisyon adım N2O emisyon denitrifikasyon yerine tahmin etmek için atlanabilir. Biz her iki fiili ve potansiyel denitrifikasyon oranları Sıcaklık bağımlılığı sürecinin yanı sıra nitrat kullanılabilirlik artırarak tahmin etmek nasıl göstereceğim. Biz dağ gölü çökeller kullanarak yordamı göstermek ve avantajları ve zayıf diğer yöntemlerine göre teknik yönlerini tartışmak. Bu yöntem belirli amaçlar için değiştirilebilir; Örneğin, nitrification ve denitrifikasyon veya alan in situ ölçümler denitrifikasyon oranları değerlendirmek için 15N izleyiciler ile birleştirilebilir.
Introduction
Antropojenik değişiklik azot döngüsü dünya sistemi1için en zor sorunlardan biri. İnsan faaliyetleri reaktif nitrojen biyosfer2‘ için mevcut düzeyde en az iki katına çıktı. Ancak, küresel N döngüsü nasıl değerlendirildiği konusunda büyük belirsizlikler kalır. Birkaç akı tahminleri ile %20 hata daha az sayısal ve belirsizlikler ±50% ve daha büyük3-si olmak adl. Bu belirsizlikler ekosistemler ve bir anlayış temel mekanizmaları varyasyon denitrifikasyon oranlarının doğru tahminler ihtiyacını gösterir. Denitrifikasyon hangi aracılığıyla azotlu oksitler, özellikle nitrat ve nitrit, diazot gazlar, N2O ve N24azaltılmış mikrobiyal bir faaliyettir. Kaldırma5birincil işlemi olduğundan yüksek reaktif nitrojen biyosfer kullanılabilirliğini alakalı yoludur. N2O ısınma potansiyeli olan bir sera gazı yaklaşık 300 kere CO2 100 yıl ve üzerinde stratosferik ozon tükenmesi nedeniyle verilmiş6,7olmak büyük miktarlarda geçerli en önemli nedeni olmasıdır.
Aşağıda, biz çekirdek ve N2O microsensors deneysel olarak kullanarak tortu denitrifikasyon oranları (Şekil 1) tahmin etmek için bir iletişim kuralı mevcut. Denitrifikasyon oranları asetilen inhibisyon yöntemi8,9 ve N2O birikimi (Şekil 2 ve Şekil 3) tanımlanmış bir dönemde ölçümleri kullanarak tahmin edilir. Biz yöntemi dağ gölü çökeller için uygulayarak göstermek. Bu durumda çalışma çökeller fiziksel yapısına en az rahatsızlık ile nispeten düşük oranları tespit için yöntemin performansı vurgulamaktadır.
Denitrifikasyon özellikle10ölçmek zordur. Birkaç alternatif yaklaşımlar ve Yöntemler, her birinin avantajları ve dezavantajları vardır. Kullanılabilir yöntemleri dezavantajları pahalı kaynakları, yetersiz duyarlılık ve substrat düzeylerini değiştirebilirsiniz veya rahatsız örnekleri10kullanma işleminin fiziksel yapılandırmasını değiştirmek gerek onların kullanımını içerir. N2 ölçüm için bir daha temel çevre10onun yükseltilmiş arka plan seviyelerinde mücadeledir. N2O N2 azalma asetilen (C2H2)8,9tarafından engellenir. Böylece, denitrifikasyon düşük çevresel N2O düzeyleri nedeniyle mümkün olan birikmiş N2O C2H2, huzurunda ölçerek sayısal.
C2H2 çökeller içinde denitrifikasyon oranları ölçmek için kullanımı geliştirilmiştir yaklaşık 40 yıl önce11ve N2O sensörler birleşmesiyle oluştu yaklaşık 10 yıl sonra12. En çok uygulanan asetilen dayalı yaklaşım “statik” çekirdeğidir. C2H2 mühürlü tortu çekirdek10headspace için eklendikten sonra birikmiş N2O en fazla 24 saat bir kuluçka döneminde ölçülür. Burada açıklanan yöntemi bu yordamı bazı yenilikler ile izler. Biz çekirdek su aşamasında bazı dakika gaz köpüren tarafından C2H2 eklemek ve biz tüm headspace N2O bir microsensor ile birikimi ölçme önce örnek su ile doldurun. Biz de su stratifikasyon tortu resuspending olmadan engeller bir karıştırma sistemi içerir. Yordamı tortu yüzey alanı başına denitrifikasyon oranı quantifies (Örneğin, µmol N2O m-2 s-1).
Denitrifikasyon yüksek zamansal ve mekansal varyasyon kendi doğru miktar10başka bir zorluk sunar. Genellikle, N2O birikimi sırayla gaz kromatografi kuluçka sırasında toplanan headspace örnekleri ölçülür. Sürekli bir sinyal microsensor sağladığı için açıklanan yöntemi geliştirilmiş N2O birikimi, zamansal değişimi izleme sağlar. Microsensor multimetre sensör ve bilgisayar (Şekil 1bir) arabirimleri bir dijital microsensor amplifikatör (picoammeter) olduğunu. Multimetre birkaç N2O microsensors aynı anda kullanılmak üzere izin verir. Örneğin, en fazla dört tortu çekirdek aynı çalışma sitesinden aynı anda hesabına kayma değişkenliği için ölçülebilir.
Temel yaklaşım ancak bazı diğer yöntemlerine (Örneğin, çamurlar) göre sediman yapısı rahatsız ediyor. Çökeller bütünlüğünü bir değişiklik yapıldığında, bu sadece göreceli karşılaştırmalar için yeterli gerçekçi denitrifikasyon oranları13 yol açar. İkinci denitrifikasyon sınırlandırılması substrat difüzyon15tarafından korur çünkü daha yüksek oranları her zaman Bulamaç yöntemleri-çekirdek yöntemleri14‘ e, karşılaştırma ile elde edilir. Bulamaç önlemler in situ oranları16temsilcisi kabul edilemez; Onlar aynı prosedür ile yapılan karşılaştırmalar için göreli ölçüler sağlar.
Açıklanan yöntemi özlü herhangi bir tortu tipi denitrifikasyon oranlarında tahmin etmek için uygundur. Özellikle bazı itici faktörler deneysel işlemler gerçekleştirmek için yöntemi öneririz. Nitrat kullanılabilirlik ve enerji aktivasyonu (Ebir) denitrifikasyon17 (Şekil 2) tahmin etmek için gerektiği gibi sıcaklık değiştirmek deneyler örnekleridir.
Resim 1 : Deneysel Kur. deneysel (bir) genel kurulum tortu denitrifikasyon oranları çekirdek ve N2O microsensors kullanarak tahmin etmek için. Kuluçka odası karanlık ve sıcaklık kontrollü (±0.3 ° C) koşullar sağlar. Beş sağlam tortu çekirdek aynı anda onların anılan sıraya göre N2O sensörler kullanılarak işlenebilir. (b) N2O sensör kalibrasyon odası. Biz kauçuk stoper ve şırınga N2O mix su ile adapte (bkz. iletişim kuralı adım 3.4.3). Su sıcaklığı kontrol etmek için bir termometre var. (c) sensörü ile örnek bir tortu Close-up PVC kapak ve yapışkan bant ile mühürlü eklemlerin merkezi deliğe takılmış. Karıştırıcı suda asılı ve Elektromıknatıs bu yakın ve akrilik tüp dış parçası sabit. bir metal parçası tarafından korunan (d) N2O microsensor Close-up ipucu. (e) sadece kurtarıldı bir tortu çekirdek. Bir tekne derin gölde bir örneklemeyi; çekirdek ile akrilik tüp messenger adapte yerçekimi corer19‘ a hala sabit. Bu yöntemi gerçekleştirmek için gereken tüm öğeler için Malzemeler tablo görmek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Açıklanan yöntemi ana avantajları en az rahatsız tortu çekirdek örnekleri kullanımı ve sürekli kayıt N2O birikimi vardır. Bu tahmini olasılığı nispeten düşük denitrifikasyon oranları için meydana gelen bu in situbenzer sağlar. Yine de, bazı yönleri asitleme, sensör performansı ve potansiyel iyileştirmeler ile ilgili ele alınmıştır.
Bir görünüşte basit ama kritik adım yönteminin iyi çekirdek kurtarma olduğunu. Tortu/su arabirimi üç ö…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
İspanyol hükümeti sağlanan “gayri resmi” de Educación üzerinden para HGUGM bir arkadaş grubu CP-L. (FPU12-00644) ve araştırma hibe “gayri resmi” de Economia y Competitividad: NitroPir (CGL2010-19737), Lacus (CGL2013-45348-P), Transfer () CGL2016-80124-C2-1-P). REPLIM proje (INRE – Interreg programı. EUUN – Avrupa Birliği. EFA056/15) iletişim kuralının son yazma desteklenen.
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. |
References
- Rockstrom, J., et al. A safe operating space for humanity. Nature. 461 (7263), 472-475 (2009).
- Erisman, J. W., Galloway, J., Seitzinger, S., Bleeker, A., Butterbach-Bahl, K. Reactive nitrogen in the environment and its effect on climate change. Current Opinion in Environmental Sustainability. 3 (5), 281-290 (2011).
- Gruber, N., Galloway, J. N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature. 451 (7176), 293-296 (2008).
- Tiedje, J. M., Zehnder, A. J. B. Ch. 4. Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium. Environmental Microbiology of Anaerobes. Vol. 717. , 179-244 (1988).
- Seitzinger, S., et al. Denitrification across landscapes and waterscapes: A synthesis. Ecological Applications. 16 (6), 2064-2090 (2006).
- Contribution of Working Group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. . IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. , (2013).
- Ravishankara, A. R., Daniel, J. S., Portmann, R. W. Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century. Science. 326 (5949), 123-125 (2009).
- Balderston, W. L., Sherr, B., Payne, W. Blockage by acetylene of nitrous oxide reduction in Pseudomonas perfectomarinus. Applied and Environmental Microbiology. 31 (4), 504-508 (1976).
- Yoshinari, T., Knowles, R. Acetylene inhibition of nitrous-oxide reduction by denitrifying bacteria. Biochemical and Biophysical Research Communications. 69 (3), 705-710 (1976).
- Groffman, P. M., et al. Methods for measuring denitrification: Diverse approaches to a difficult problem. Ecological Applications. 16 (6), 2091-2122 (2006).
- Sorensen, J. Denitrification rates in a marine sediment as measured by the acetylene inhibition technique. Applied and Environmental Microbiology. 36 (1), 139-143 (1978).
- Revsbech, N. P., Nielsen, L. P., Christensen, P. B., Sorensen, J. Combined oxygen and nitrous-oxide microsensor for denitrification studies. Applied and Environmental Microbiology. 54 (9), 2245-2249 (1988).
- Jorgensen, K. S. Annual pattern of denitrification and nitrate ammonification in estuarine sediment. Applied and Environmental Microbiology. 55 (7), 1841-1847 (1989).
- Laverman, A. M., Van Cappellen, P., van Rotterdam-Los, D., Pallud, C., Abell, J. Potential rates and pathways of microbial nitrate reduction in coastal sediments. FEMS Microbiology Ecology. 58 (2), 179-192 (2006).
- Ambus, P. Control of denitrification enzyme-activity in a streamside soil. FEMS Microbiology Ecology. 102 (3-4), 225-234 (1993).
- Christensen, P. B., Rysgaard, S., Sloth, N. P., Dalsgaard, T., Schwærter, S. Sediment mineralization, nutrient fluxes, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in an estuarine fjord with sea cage trout farms. Aquatic Microbial Ecology. 21 (1), 73-84 (2000).
- Palacin-Lizarbe, C., Camarero, L., Catalan, J. Denitrification Temperature Dependence in Remote, Cold, and N-Poor Lake Sediments. Water Resources Research. 54 (2), 1161-1173 (2018).
- . . Nitrous Oxide sensor user manual. , (2011).
- Glew, J. Miniature gravity corer for recovering short sediment cores. Journal of Paleolimnology. 5 (3), 285-287 (1991).
- Andersen, K., Kjaer, T., Revsbech, N. P. An oxygen insensitive microsensor for nitrous oxide. Sensors and Actuators B-Chemical. 81 (1), 42-48 (2001).
- Weiss, R. F., Price, B. A. Nitrous oxide solubility in water and seawater. Marine Chemistry. 8 (4), 347-359 (1980).
- . . Nitrous Oxide Microsensors Specifications. , (2018).
- Koike, I., Revsbech, N. P., Sørensen, J. Ch. 18. Measurement of sediment denitrification using 15-N tracer method. Denitrification in Soil and Sediment 10.1007/978-1-4757-9969-9 F.E.M.S. Symposium Series. , 291-300 (1990).
- Hvorslev, M. J. . Subsurface Exploration and Sampling of Soils for Civil Engineering Purposes. , 521 (1949).
- Glew, J. R., Smol, J. P., Last, W. M., Last, W. M., Smol, J. P. Ch. 5. Sediment Core Collection and Extrusion. Tracking Environmental Change Using Lake Sediments: Basin Analysis, Coring, and Chronological Techniques. 1, 73-105 (2001).
- Behrendt, A., de Beer, D., Stief, P. Vertical activity distribution of dissimilatory nitrate reduction in coastal marine sediments. Biogeosciences. 10 (11), 7509-7523 (2013).
- Laverman, A. M., Meile, C., Van Cappellen, P., Wieringa, E. B. A. Vertical distribution of denitrification in an estuarine sediment: Integrating sediment flowthrough reactor experiments and microprofiling via reactive transport modeling. Applied and Environmental Microbiology. 73 (1), 40-47 (2007).
- Melton, E. D., Stief, P., Behrens, S., Kappler, A., Schmidt, C. High spatial resolution of distribution and interconnections between Fe- and N-redox processes in profundal lake sediments. Environmental Microbiology. 16 (10), 3287-3303 (2014).
- . . SensorTrace BASIC 3.0 user manual. , (2010).
- Schwing, P. T., et al. Sediment Core Extrusion Method at Millimeter Resolution Using a Calibrated, Threaded-rod. Journal of visualized experiments. (114), 54363 (2016).
- Bernhardt, E. S. Ecology. Cleaner lakes are dirtier lakes. Science. 342 (6155), 205-206 (2013).
- Finlay, J. C., Small, G. E., Sterner, R. W. Human influences on nitrogen removal in lakes. Science. 342 (6155), 247-250 (2013).
- Seitzinger, S. P. Denitrification in fresh-water and coastal marine ecosystems- ecological and geochemical significance. Limnology and Oceanography. 33 (4), 702-724 (1988).
- Seitzinger, S. P., Nielsen, L. P., Caffrey, J., Christensen, P. B. Denitrification measurements in aquatic sediments – a comparison of 3 methods. Biogeochemistry. 23 (3), 147-167 (1993).
- Christensen, P. B., Nielsen, L. P., Revsbech, N. P., Sorensen, J. Microzonation of denitrification activity in stream sediments as studied with a combined oxygen and nitrous-oxide microsensor. Applied and Environmental Microbiology. 55 (5), 1234-1241 (1989).
- Peter, N. L. Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing. FEMS Microbiology Ecology. 9 (4), 357-361 (1992).
- Risgaard-Petersen, N., Nielsen, L. P., Rysgaard, S., Dalsgaard, T., Meyer, R. L. Application of the isotope pairing technique in sediments where anammox and denitrification coexist. Limnology and Oceanography-Methods. 1, 63-73 (2003).
