Estimering af Sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N2O mikrosensorer

Summary

Denne metode estimerer sediment denitrifikation priser i sediment kerner ved hjælp af acetylen hæmning teknik og mikrosensorer målinger af den akkumulerede N₂O. Protokollen beskriver procedurer for indsamling af kerner, kalibrere sensorer, udfører acetylen hæmning, måling af N₂O ophobning, og beregningen denitrifikation.

Abstract

Denitrifikation er den primære biogeokemiske proces at fjerne reaktive nitrogen fra biosfæren. Den kvantitative evaluering af denne proces er blevet særlig relevant for vurderingen af den menneskeskabte ændres globale kvælstofkredsløbet og emission af drivhusgasser (dvs. N₂O). Der findes flere metoder til måling af denitrifikation, men ingen af dem er helt tilfredsstillende. Problemer med eksisterende metoder omfatter deres utilstrækkelige følsomhed, og behovet for at ændre substrat niveauer eller ændre den fysiske konfiguration af processen ved hjælp af forstyrret prøver. Dette arbejde beskriver en metode til vurdering af sediment denitrifikation satser, der kombinerer coring, acetylen hæmning og mikrosensorer målinger af den akkumulerede N₂O. De vigtigste fordele ved denne metode er en lav forstyrrelse af sediment struktur og samlingen af en kontinuerlig registrering af N₂O ophobning; disse aktiverer skøn over pålidelige denitrifikation priser med minimum værdier op til 0,4-1 µmol N₂O m^-2 h^-1. Evnen til at manipulere nøglefaktorer er en yderligere fordel for at opnå eksperimentelle indsigter. Protokollen beskriver procedurer for indsamling af kerner, kalibrere sensorer, udfører acetylen hæmning, måling af N₂O ophobning, og beregningen denitrifikation. Metoden er velegnet til estimering denitrifikation satser i enhver akvatiske system med genfindelig sediment kerner. Hvis N₂O-koncentrationen er over detektionsgrænsen for sensoren, kan acetylen hæmning trin udelades til at anslå N₂O-emissioner i stedet for denitrifikation. Vi viser, hvordan til at estimere både faktiske og potentielle denitrifikation priser ved at øge nitrat tilgængelighed samt temperatur afhængigheden af processen. Vi illustrere procedure ved hjælp af mountain lake sedimenter og diskutere fordele og svagheder ved den teknik sammenlignet med andre metoder. Denne metode kan ændres til særlige formål. for eksempel kan det kombineres med ¹⁵N røbestoffer at vurdere nitrifikation og denitrifikation eller felt i situ målinger af denitrifikation priser.

Introduction

Menneskeskabte ændring af kvælstofkredsløbet er et af de mest udfordrende problemer for Earth system¹. Menneskelig aktivitet har mindst fordoblet niveauer af reaktivt nitrogen til biosfære². Der er dog stadig stor usikkerhed med hensyn til hvordan den globale N cyklus skal evalueres. Et par flux skøn har opgjort med mindre end ±20% fejl, og mange har usikkerheder ±50% og større³. Disse usikkerheder viser behovet for nøjagtige skøn over denitrifikation satser på tværs af økosystemer og en forståelse af de underliggende mekanismer af variation. Denitrifikation er en mikrobiel aktivitet hvorigennem kvælstofholdige oxider, hovedsagelig nitrat og nitrit, er reduceret til dinitrogenoxider gasser, N₂O og N₂⁴. Vej er yderst relevant biosfæren tilgængeligheden af reaktivt nitrogen, fordi det er den primære processen med fjernelse⁵. N₂O er en drivhusgas med en GWP-værdi på næsten 300 gange at co₂ over 100 år, og det er den nuværende største årsag til ozonlaget i stratosfæren som følge af de store mængder der udsendes^6,7.

I følgende præsenterer vi en protokol til estimering af sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N₂O mikrosensorer eksperimentelt (figur 1). Denitrifikation priser estimeres ved hjælp af acetylen hæmning metode^8,9 og målinger af ophobning af N₂O i en defineret periode (figur 2 og figur 3). Vi demonstrere metoden ved at anvende det på mountain lake sedimenter. Dette casestudie fremhæver resultater af metoden til påvisning af forholdsvis lave priser med minimal forstyrrelse af fysiske struktur af sedimenterne.

Denitrifikation er særligt vanskelig at måle¹⁰. Der er flere alternative tilgange og metoder, hver med fordele og ulemper. Ulemperne for tilgængelige metoder omfatter brug af dyre ressourcer, utilstrækkelig følsomhed og behovet for at ændre substrat niveauer eller ændre den fysiske konfiguration af processen ved hjælp af forstyrret prøver¹⁰. En endnu mere grundlæggende udfordring at måle N₂ er dets forhøjede baggrundsniveauer i miljøet¹⁰. Reduktion af N₂O N₂ hæmmes af acetylen (C₂H₂)^8,9. Således kan denitrifikation kvantificeres ved at måle den akkumulerede N₂O ved tilstedeværelse af C₂H₂, som er muligt på grund af lav miljømæssige N₂O niveauer.

Brug C₂H,₂ at måle denitrifikation priser i sedimenter blev udviklet omkring 40 år siden¹¹, og indarbejdelsen af N₂O sensorer opstod omkring 10 år senere¹². De mest almindeligt anvendte acetylen-baseret tilgang er “statisk kernen”. Den akkumulerede N₂O er målt under en inkubationstid på op til 24 timer efter C₂H₂ er føjet til headspace forseglet sediment core¹⁰. Metoden beskrevet her følger denne procedure med nogle nyskabelser. Vi tilføje C₂H₂ af boblende gassen i vand fasen af kernen i nogle minutter, og vi fylde alle headspace med stikprøven vand før måling ophobning af N₂O med en gastransport. Vi har desuden en omrøring system, der forhindrer stratificering af vandet uden resuspending sedimentet. Proceduren, der kvantificerer denitrifikation sats pr. sediment areal (fx, µmol N₂O m^-2 h^-1).

Den høje rumlige og tidsmæssige variation af denitrifikation præsenterer en anden vanskelighed i dens nøjagtig kvantificering¹⁰. Normalt måles N₂O ophobning sekventielt ved gaskromatografi af headspace prøver, der er indsamlet under inkubation. Den beskrevne metode giver forbedret overvågning af den tidsmæssige variation af N₂O ophobning, fordi mikrosensorer giver en kontinuerlig signal. Gastransport multimeter er en digital mikrosensorer forstærker (picoammeter) der grænseflader med modtagne og computeren (figur 1en). Multimeter giver mulighed for flere N₂O mikrosensorer skal anvendes på samme tid. For eksempel, op til fire sediment kan kerner fra den samme undersøgelse site måles samtidig at tage højde for den rumlige variation.

Core tilgang forstyrrer knap sediment struktur i forhold til nogle andre metoder (fx, gylle). Hvis integriteten af sedimenterne er ændret, fører dette til urealistiske denitrifikation priser¹³ der er kun tilstrækkelige til relative sammenligninger. Højere priser er altid fremstillet med gylle metoder i forhold til core metoder¹⁴, fordi sidstnævnte bevarer begrænsning af denitrifikation af substrat diffusion¹⁵. Gylle foranstaltninger anses ikke for repræsentative i situ satser¹⁶; de giver relativ foranstaltninger for sammenligninger med den nøjagtige samme procedure.

Metoden er velegnet til estimering af denitrifikation satser i enhver sediment type, der kan være kernehus. Vi anbefaler især metoden til udførelse af eksperimentelle manipulationer af nogle af de drivende faktorer. Eksempler er eksperimenter, der ændrer nitrat tilgængelighed og temperatur som er nødvendig for anslåelse af energi aktivering (E_en) af denitrifikation¹⁷ (figur 2).

Figur 1 : Eksperimentel opsætning. (en) generelt eksperimentel setup at anslå sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N₂O mikrosensorer. Inkubation kammer sikrer mørket og kontrolleret temperatur (±0.3 ° C) betingelser. Fem intakt sediment kerner kan behandles samtidigt ved hjælp af deres respektive N₂O sensorer. (b) N₂O sensor calibration kammer. Vi tilpasset det med gummipropper og sprøjter at blande N₂O vand (se protokollen trin 3.4.3). Der er et termometer til at styre vandtemperaturen. (c) nærbillede af et sediment core prøve med sensoren indsat i den centrale hul i dækslet til PVC og leddene forsegles med tape. Omrøreren hængende i vandet, og en elektromagnet er tæt på det og fastgjort til den ydre del af akryl røret. (d) Næroptagelse af N₂O mikrosensorer tip beskyttet af et metal stykke. (e) en sediment kerne, der bare er blevet tilbagebetalt. Det var samplet fra en båd i en dyb sø; akryl røret med kerne er stadig fastgjort til messenger-tilpasset tyngdekraften corer¹⁹. Se Tabel af materialer til alle de elementer, der er nødvendige til at udføre denne metode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1. forberedelse Bemærk: Begynde denne dag før målingerne er taget. Samle måling setup (figur 1en, se Tabel af materialer).Bemærk: For at sikre en konstant og høj kvalitet strømforsyning, måling enhed er forbundet til greb via en nødstrømsforsyning (UPS), der kan også fungere som en sikkerhedskopi. I tilfælde af langvarige strømsvigt, en bilbatteri tjene som en ekstra strømkilde. Start…

Representative Results

468 denitrifikation satser alt blev anslået ved hjælp af protokollen over i sedimenter fra pyrenæiske mountain søer i perioden 2013-2014. Vi viser nogle af disse resultater til at illustrere proceduren (figur 2 og figur 3). Generelt, har den lineære model mellem N2O koncentration og tid god korrelation (R2 ≥ 0,9). Hældningen af forholdet giver et estimat af denitrifikation sats (trin 7.3; f.eks.<…

Discussion

De vigtigste fordele ved den beskrevne metode er brugen af minimalt forstyrret sediment kerne prøver og kontinuerlig registrering af N₂O ophobning. Disse tillade vurdering af relativt lav denitrifikation satser, der er sandsynligvis svarer til de forekommende i situ. Ikke desto mindre er nogle aspekter vedrørende coring, sensor ydeevne og potentielle forbedringer diskuteret.

En tilsyneladende enkel men kritisk trin i metoden er god core opsving. Grænsefladen sediment/van…

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.