Estimering Sediment Denitrification priser bruker kjerner og N2O Microsensors

Summary

Denne metoden anslår sediment denitrification priser i sedimenter kjerner bruker acetylen hemming teknikk og microsensor målinger av akkumulert N₂O. Protokollen beskriver fremgangsmåtene for innsamling av kjernene, kalibrere sensorene, utfører acetylen hemming, måle N₂O akkumulering og beregningen denitrification.

Abstract

Denitrification er den primære biogeochemical prosessen fjerner reaktivt nitrogen fra biosfæren. Kvantitativ vurdering av denne prosessen har blitt spesielt relevant for å vurdere det menneskeskapte-endret global nitrogen syklusen og utslipp av klimagasser (dvs. N₂O). Det finnes flere metoder for måling denitrification, men ingen av dem er helt tilfredsstillende. Problemer med eksisterende metoder inkluderer deres utilstrekkelig følsomhet, og behovet for å endre substrat nivåer eller endre den fysiske konfigurasjonen av prosessen bruker forstyrret prøver. Dette verket beskriver en metode for beregning av sediment denitrification priser som kombinerer prøvetaking, acetylen hemming og microsensor målinger av akkumulert N₂O. De viktigste fordelene med denne metoden er en lav forstyrrelse av sedimenter og innsamling av en kontinuerlig Journal over N₂O akkumulering; Dette aktiverer estimater av pålitelig denitrification med minimum verdier til 0.4-1 µmol N₂O m^-2 h^-1. Muligheten til å manipulere nøkkelfaktorer er en ekstra fordel for å få eksperimentelle innsikt. Protokollen beskriver fremgangsmåtene for innsamling av kjernene, kalibrere sensorene, utfører acetylen hemming, måle N₂O akkumulering og beregningen denitrification. Metoden er aktuell for å estimere denitrification priser i noen akvatiske system med hentes sediment kjerner. Hvis N₂O konsentrasjonen er over Deteksjonsgrensen på av sensoren, utelates acetylen hemming trinn for å beregne N₂O utslipp i stedet for denitrification. Viser vi hvordan du estimerer både faktiske og potensielle denitrification priser ved å øke nitrat tilgjengelighet samt temperatur avhengigheten av prosessen. Vi illustrerer fremgangsmåten bruker fjell innsjø sedimenter og diskutere fordeler og svakheter av teknikken sammenlignet med andre metoder. Denne metoden kan være endret for spesielle formål; for eksempel, kan den kombineres med ¹⁵N tracers å vurdere nitrification og denitrification eller feltet i situ målinger av denitrification priser.

Introduction

Menneskeskapte endring av det nitrogen syklusen er en av de mest utfordrende problemene for Earth system¹. Menneskelig aktivitet har minst doblet nivåer av reaktivt nitrogen tilgjengelig til biosfæren². Men fortsatt det stor usikkerhet om hvordan global N syklusen skal evalueres. Noen flux estimater har vært kvantifisert med mindre enn ±20% feil, og mange har usikkerhet av ±50% og større³. Disse usikkerhetene indikere behov for nøyaktige beregninger av denitrification priser over økosystemer og en forståelse av de underliggende mekanismene variasjon. Denitrification er en mikrobiell aktivitet som nitrogenholdige oksider, hovedsakelig nitrat og nitritt, reduseres dinitrogen gasser, N₂O og N₂⁴. Veien er svært relevant for biosfæren tilgjengeligheten av reaktivt nitrogen fordi det er primære prosessen fjerning⁵. N₂O er en drivhusgass med oppvarming potensial nesten 300 ganger at av CO₂ over 100 år, og det er den gjeldende hovedårsaken med nedbryting av ozonlaget på grunn av de store mengdene som slippes ut^6,7.

Nedenfor presenterer vi en protokoll for å estimere sediment denitrification priser bruker kjerner og N₂O microsensors eksperimentelt (figur 1). Denitrification priser er beregnet ved hjelp av acetylen hemming metoden^8,9 og målinger av akkumulering av N₂O i løpet av en definert periode (figur 2 og Figur 3). Vi viser metoden ved å bruke det fjell innsjø sedimenter. Dette kasusstudiet fremhever ytelsen i metoden for å oppdage relativt lave priser med minimale forstyrrelser til strukturen i sedimentene.

Denitrification er spesielt vanskelig å måle¹⁰. Det er flere alternative tilnærminger og metoder, hver med fordeler og ulemper. Ulemper til tilgjengelige metodene omfatter bruken av kostbare ressurser, utilstrekkelig følsomhet og behovet for å endre substrat nivåer eller endre den fysiske konfigurasjonen av prosessen med forstyrret prøver¹⁰. En enda mer grunnleggende utfordring å måle N₂ er de forhøyede bakgrunn i miljøet¹⁰. Reduksjon av N₂O N₂ er hemmet av acetylen (C₂H₂)^8,9. Dermed kan denitrification kvantifiseres ved å måle den akkumulerte N₂O i nærvær av C₂H₂, som er mulig på grunn av lav miljømessige N₂O nivåer.

Bruk av C₂H₂ å måle denitrification priser i sedimenter ble utviklet ca 40 år siden¹¹og inkorporering av N₂O sensorer skjedde ca 10 år senere¹². Den mest brukte acetylen tilnærmingen er “statisk kjernen”. Den akkumulerte N₂O måles under en inkubasjonsperiode på opptil 24 timer etter C₂H₂ legges til tanken lukket sediment kjernen¹⁰. Metoden beskrevet her følger denne prosedyren med noen nyvinninger. Vi legger C₂H₂ av bobler gassen i vann fase av kjernen i noen minutter og vi fylle alle tanken med eksempel vannet før måling akkumulering av N₂O med en microsensor. Vi har også et gripende system som forhindrer lagdeling av vannet uten resuspending sediment. Prosedyren kvantifiserer denitrification prisen per sediment areal (f.eks, µmol N₂O m^-2 h^-1).

Høy romlig og tidsmessige variasjonen av denitrification presenterer en annen vanskelighet i dens nøyaktige kvantifisering¹⁰. N₂O akkumulering måles vanligvis sekvensielt i gass kromatografi headspace prøver som er samlet under incubation. Metoden beskrevet gir bedre overvåking av timelige variasjonen av N₂O akkumulering, fordi microsensor gir et kontinuerlig signal. Microsensor multimeter er en forsterker med digital microsensor (picoammeter) som grensesnitt med sensor(er) og datamaskinen (figur 1en). Multimeter lar flere N₂O microsensors skal brukes samtidig. For eksempel, opptil fire sediment kan kjerner fra webområdet for samme studien måles samtidig kontoen for romlig variasjon.

Kjernen tilnærming forstyrrer knapt sediment strukturen sammenlignet med noen andre metoder (f.eks, slam). Hvis integriteten til sedimenter endres, fører dette til urealistiske denitrification priser¹³ som bare er tilstrekkelig for relativ sammenligninger. Høyere priser hentes alltid slurry metoder i forhold til kjernen metoder¹⁴, fordi sistnevnte beholder begrensning av denitrification ved substrat diffusjon¹⁵. Slurry tiltak betraktes ikke som representant i situ priser¹⁶; de gir relative tiltak for sammenligninger med nøyaktig samme fremgangsmåte.

Metoden beskrevet er egnet for å estimere denitrification priser i eventuelle sediment type som kan være rørtråd. Spesielt anbefaler vi metoden for å utføre eksperimentelle manipulasjoner av noen av de drivende faktorene. Eksempler er eksperimenter som endrer nitrat tilgjengelighet og temperaturen etter behov for å estimere den energi aktiviseringen (E_en) denitrification¹⁷ (figur 2).

Figur 1 : Eksperimentelle oppsett. (en) generelt eksperimentelle oppsett for å beregne sediment denitrification priser bruker kjerner og N₂O microsensors. Inkubasjon kammeret sikrer mørke og kontrollert temperatur (±0.3 ° C) forhold. Fem intakt sediment kjerner kan behandles samtidig ved hjelp av sine respektive N₂O sensorer. (b) N₂O sensor kalibrering kammer. Vi tilpasset det med gummi stoppers og sprøyter for å blande de N₂O vann (se protokollen trinn 3.4.3). Det er et termometer til å kontrollere temperaturen. (c) nærbilde av et sediment core utvalg med sensoren inn i den sentrale hullet PVC dekselet og leddene forseglet med teip. Rørestang henger i vannet, og elektromagnet er nær den og festet til ytre del av akryl røret. (d) nærbilde av N₂O microsensor tupp beskyttet av et metall stykke. (e) en sediment kjerne som bare er gjenopprettet. Det var samplet fra båt i en dyp innsjø; akryl røret med kjernen er fortsatt fast til messenger-tilpasset tyngdekraften corer¹⁹. Se Tabellen for materiale for alle elementene kreves for å utføre denne metoden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

1. forberedelse Merk: Starte dette på dagen før målene er tatt. Montere måling oppsettet (figur 1en, se Tabellen for materiale).Merk: For å sikre en konstant og høy kvalitet strømforsyning, måling enheten er koblet til den grep via en avbruddsfri strømforsyning (UPS) som kan også fungere som en sikkerhetskopi. Ved langvarig strømbrudd et bilbatteri tjene som en ekstra strømkilde. Start …

Representative Results

Totalt 468 denitrification priser ble beregnet ved hjelp av protokollen over i sedimenter fra Pyreneisk fjellvann i perioden 2013-2014. Vi viser noen av disse resultatene å illustrere prosedyren (figur 2 og Figur 3). Generelt, har lineær modell mellom N2O konsentrasjon og tid god sammenheng (R2 ≥ 0,9). Skråningen av forholdet gir et anslag av denitrification rate (trinn 7.3; f.eks <strong class…

Discussion

De viktigste fordelene av metoden beskrevet er bruk av minimal forstyrret sediment kjerneprøver og kontinuerlig opptak av N₂O akkumulering. Disse tillate estimering av relativt lav denitrification priser som ligner de forekommende i situ. Likevel, noen aspekter om prøvetaking, sensoren ytelsen og potensielle forbedringer diskuteres.

Et tilsynelatende enkle, men avgjørende skritt i metoden er god kjernen utvinning. Sediment/vann grensesnittet må oppfylle tre kriterier: (…

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.