使用岩心和 N2O 微传感器估算沉积物反硝化速率

摘要

本方法利用乙炔抑制技术和对积累的N₂O进行微传感器测量，估算沉积物岩心中的反硝化速率。该方案描述了岩心采集、传感器校准、实施乙炔抑制、测量N₂O积累量以及计算反硝化速率的操作步骤。

摘要

反硝化作用是将活性氮从生物圈中移除的主要生物地球化学过程。对该过程的定量评估在评价人为干扰下的全球氮循环以及温室气体排放方面已变得尤为重要。即， N₂O）。目前已有多种测定反硝化作用的方法，但均不完全令人满意。现有方法存在的问题包括灵敏度不足，以及需要改变底物浓度或利用扰动样品改变过程的物理构型。本研究描述了一种结合采样钻孔、乙炔抑制法和微传感器对积累的N₂O. 该方法的主要优点是对沉积物结构的扰动较小，并能够连续记录N₂O₂积累；这些可实现对反硝化速率的可靠估算，最低值可达0.4–1 µmol N₂O m^-2 h^-1操纵关键因素的能力是获得实验洞察的另一优势。本方案描述了采集土芯、校准传感器、实施乙炔抑制、测量氮₂O积累，并计算反硝化速率。该方法适用于估算任何可获取沉积物岩心的水生系统中的反硝化速率。如果N₂当O浓度高于传感器检测限时，可省略乙炔抑制步骤以估算N₂O排放而非反硝化作用。我们展示了如何通过增加硝酸盐的可利用性以及考察该过程的温度依赖性，来估算实际和潜在的反硝化速率。我们以高山湖泊沉积物为例说明该实验流程，并讨论了该技术与其他方法相比的优势与局限性。该方法可根据特定目的进行修改；例如，可与其他技术相结合 ¹⁵氮示踪剂用于评估硝化和反硝化作用或田间过程 原位 反硝化速率的测定

引言

人类活动对氮循环的改变是地球系统面临的最具挑战性的问题之一¹。人类活动至少使生物圈中活性氮的含量增加了一倍以上²。然而，关于如何评估全球氮循环仍存在较大的不确定性。少数通量估算的误差小于±20%，而许多估算的不确定性达到±50%甚至更高³。这些不确定性表明，迫切需要准确估算不同生态系统中的反硝化速率，并深入理解其变异的潜在机制。反硝化是一种微生物过程，通过该过程，含氮氧化物（主要是硝酸盐和亚硝酸盐）被还原为双原子氮气体，即N₂O和N₂⁴。该过程对生物圈中活性氮的可利用性具有重要意义，因为它是活性氮从生态系统中移除的主要途径⁵。N₂O是一种温室气体，在100年时间尺度上的增温潜势是CO₂的近300倍，且由于排放量巨大，目前已成为平流层臭氧耗竭的主要原因^6,7。

下文介绍了一种利用岩芯和N₂O微传感器实验测定沉积物反硝化速率的方案（图1）。反硝化速率通过乙炔抑制....

方案

1. 准备

注意：在进行测量的前一天开始此步骤。

1. 组装测量装置（图1a，参见 材料表).
   注意：为确保持续且高质量的电源供应，测量设备需连接至握把 通过 一种不间断电源（UPS），也可作为备用电源。在长时间断电的情况下，汽车电池可作为额外的电源。
2. 启动传感器软件，并施加 -0.8 V 电压 极化 N₂O型微传感器信号显示快速下降，随后上升，最后逐渐降低直至达到低而稳定的状态。
   注意：微传感器制造商建议至少极化过夜（或更长时间），以确保传感器信号的稳定性。另一个建议是，如果计划在多日或连续数天内进行测量，应保持传感器处于极化状态。¹⁸.
3. 打开孵育室电源 调整实验条件 (例如，选择关闭光源并将温度设置为与田间预期条件相似的水平。在室内放置一个装有去离子水的容器，以便后续在测量温度下使用该水对传感器进行校准。
   注意：此步骤可在计划测量当天、出发采集岩心之前完成。对于标准测量，建议在避光条件下进行。
4. 打包野外取样所需材料：取芯装置、采样管、橡胶塞、聚氯乙烯（PVC....

结果

在2013年至2014年期间，采用上述方案对中国台湾 Pyrenean 山区湖泊沉积物中的反硝化速率进行了共计468次估算。我们展示了其中部分结果以说明该实验流程（图2 和 图 3）。通常情况下，N 之间的线性模型₂O浓度与时间具有良好的相关性（R² ≥ 0.9）。该关系的斜率用于估算反硝化速率（步骤 7.3； 例如, 图2d）。如果反硝化活性非常低，传感器的电子噪声将变得更加显著，拟合优度随之下降（例如，传感器4和5在 图 2b 和 图 3a）。尽管N的基线检测限₂O₂在水中的浓度约为0.1 µM²²

讨论

所述方法的主要优点在于使用了扰动极小的沉积物岩心样本，并能够连续记录N₂O积累。这些方法可用于估算相对较低的反硝化速率，该速率可能与实际发生的反硝化速率相近 原位然而，本文讨论了关于取芯、传感器性能及潜在改进的一些方面。

方法中一个看似简单但至关重要的步骤是获得良好的岩心回收率。沉积物/水界面必须满足三个标准：（i）其化学组成或组分未发生改变，（ii）含水量或孔隙比未发生变化，（iii）结构未受到扰动²⁴样本在整个实验流程中受到的干扰越少，结果就越真实、越接近 原位 测得的反硝化速率将取决于这些条件。沉积物柱状样采集有多种设备/技术可供选择²⁵，其选择取决于水深。我们使用一种适配信使装置的重力采样器¹⁹ 对于深层样本（图1e因为它是一种重量较轻的设备，能够快速获取短岩心

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
适用于信使的重力采样器	-	-	参见文稿中的参考文献。由 Glew, J. 制作。
采样管	-	-	丙烯酸材质。尺寸：100 cm（高）× 6.35 cm（内径）× 6.50 cm（外径）。需将插入沉积物一端的边缘打磨锋利，以尽量减少所获取沉积物岩心样品的扰动。
手持式测深仪	Plastimo	38074	Echotest II 测深仪。
橡胶塞	VWR	DENE1012114	带两个孔，用于在标定室中混合N2O-水。尺寸：20 mm（高）× 14 mm（内径）× 18 mm（外径）（孔径 3 mm）。
橡胶塞	VWR	217-0125	用于密封亚克力管底部，并在浅水水体中进行采样。尺寸：45 mm（高）× 56 mm（内径）× 65 mm（外径）。
橡胶塞	VWR	217-0126	将橡胶塞置于采样管顶部，以形成真空，用于在近岸带和浅水水体中采样。尺寸：50 mm（高）× 60 mm（内径）× 70 mm（外径）。
PVC 封盖	-	-	用于密封丙烯酸管的顶部。尺寸：45 mm（高）× 56 mm（内径）× 65 mm（外径）。尺寸：65 mm（外径）。
防水胶带	-	-	防水型。用于确保所有接头（PVC 封盖与采样管、PVC 封盖与传感器）密封，防止漏水。
温度计	-	-	便携式且防水，用于在采集岩心样品后立即测量沉积物上方水体的温度。
全球定位系统（GPS）	-	-	用于记录新采样点的位置或前往先前的采样点。
涉水裤	-	-	用于近岸带或浅水区域的采样。
船只	-	-	若采样点无法通过汽车抵达，充气船因其轻便性为最佳选择。
绳索	-	-	带有标记以显示长度的绳索（例如，使用颜色编码区分每一米）。
N2O 气瓶及减压阀	Abelló Linde	32768-100	气瓶型号。
C2H2 气瓶及减压阀	Abelló Linde	32468-100	气瓶型号。
用于排出多余水的导管	-	-	由一个实心部件（例如，去掉最细端的 5 ml 移液器吸头）插入硅胶管中构成。
带帽氧化亚氮微型传感器	Unisense	N2O-R	我们同时使用 4 个传感器。
四通道微传感器多用表（4 个皮安通道）	Unisense	Multimeter	皮安计连接至笔记本电脑。标准设备支持两个传感器皮安计连接（例如 N2O 传感器）、一个 pH/mV 通道和一个温度计。我们定制了具有四个皮安计连接的设备，可同时使用四个 N2O 传感器。
SensorTrace Basic 3.0 Windows 软件	Unisense		传感器数据采集软件。
带泵的标定室	Unisense	CAL300	标定室。我们使用橡胶塞和注射器对其进行改装，以便在不产生气泡的情况下混合 N2O-水。
培养室	Ibercex	E-600-BV	在恒定温度（±0.3 °C）下工作的必备设备。还可控制光周期。
电动搅拌器	-	-	搅拌系统的一部分。通过鱼线悬挂在水体中，位于待测沉积物上方，鱼线固定在 PVC 封盖上。
电磁铁	-	-	搅拌系统的一部分。固定在丙烯酸管外侧，大致与搅拌器处于同一水平位置。通过电路间歇性激活（约每秒一次开关），通电时吸引搅拌器，断电时释放，从而产生搅动水流的运动。
电磁脉冲电路	-	-	搅拌系统的一部分。通过导线连接至电磁铁，发送电流脉冲以控制电磁铁的通断。
不间断电源（UPS）	-	-	提高到达测量设备的电能质量，过滤电压的波动，从而确保 N2O 传感器信号更加稳定和恒定。