Name: 利用岩体和 n 2o 微传感器估计沉积物脱氮率 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-12-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 59 s
Description: 了解利用乙炔抑制技术和N2O微传感器测量沉积物脱氮率的方法。该技术通过低扰动采样和实时监测，为研究氮循环及温室气体排放提供可靠数据支持。

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西班牙政府通过教育与职业培训部向 C.P-L. 提供了博士前奖学金（FPU12-00644）以及经济与竞争力部的研究资助：NitroPir（CGL2010-19737）、Lacus（CGL2013-45348-P）和 Transfer（CGL2016-80124-C2-1-P）。REPLIM 项目（INRE - 跨境合作计划，EUUN - 欧洲联盟，EFA056/15）支持了本实验方案最终撰写工作。

1. 准备
注意：在进行测量的前一天开始此步骤。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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.</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）阀门、螺丝刀、全球定位系统（GPS）设备、温度计、手持测深仪、涉水裤和充气式橡皮艇（参见 材料表）。使用清单以确保包含所有材料。</li>
</ol>
2. 沉积物岩心采集
<ol>
	<li>根据水深，执行 2.1.1 或 2.1.2。
	<ol>
		<li>对于深水水体
		<ol>
			<li>从船只或平台上使用配重式重力采泥器（适用于信使装置）19（图 1e）。</li>
			<li>使用螺丝刀将采样管（丙烯酸材质，ø 6.35 cm，长度 ≥ 50 cm）固定在采泥器上。</li>
			<li>根据研究目标选择采样点。记录位置（例如，使用 GPS 坐标）和测量水深（例如，使用手持式测深仪）。若从船上采样，应使用锚（例如，装有石块的袋子）以防止在采集岩芯过程中船只漂移。</li>
			<li>将采样装置下放至距沉积物约 1 m 处。使用带有规律标记的绳索（例如，每 1 m 一个标记）控制采样设备的深度位置。</li>
			<li>稳定采样设备 60 秒（例如，以尽量减少船只晃动）。这将确保沉积物被正确穿透，并获得扰动极小的沉积物岩芯。</li>
			<li>再释放约 1 m 的绳索，使采样管插入沉积物中。注意若插入过深，可能会扰动水-沉积物界面。</li>
			<li>释放信使装置，同时尽量保持绳索张力，使采泥器保持固定并处于垂直状态。当信使撞击采泥器时，可在绳索张力上感受到轻微变化。此时关闭采泥器，形成真空，以便回收沉积物岩芯。</li>
			<li>通过持续而轻柔地拉绳回收采泥器。</li>
			<li>当岩芯接近水面但仍完全浸没（包括确保真空的采泥器橡胶部分）时，在采样管底部放置一个橡胶塞。检查水-沉积物界面；界面应清晰且无明显扰动（图 1e）。若不符合要求，则弃去该岩芯，清洗采样管，并重复步骤 2.1.1.4–9。</li>
			<li>将整个采样系统从水中提起。将采样管从采泥器上取下，并在顶部加盖 PVC 封盖，用胶带密封。避免产生气隙。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>对于沿岸生境和浅水水体
		<ol>
			<li>在极浅水域（&#60;0.6 m）采样时，应穿戴涉水裤。</li>
			<li>在较深水域（最深至 3 m）采样时，使用浮潜装备或水肺装备。</li>
			<li>根据研究目标选择采样点。记录位置（例如，GPS 坐标）。手动将采样管（例如，丙烯酸材质，ø 6.35 cm）插入沉积物中。</li>
			<li>在采样管顶部放置橡胶塞以形成真空。</li>
			<li>将岩芯从沉积物中取出，并迅速在采样管底部插入另一个橡胶塞。 
			注：操作过程中必须始终在水下进行；在极浅区域，建议将采样管缩短至 20 cm。有时沉积物含水量较高，当采样管从沉积床中取出时会发生排水。此时，必须在不将岩芯提出沉积物的情况下插入底部橡胶塞。为此，可手动将橡胶塞浸入采样管周围的沉积物中，并小心放置以封闭管底。</li>
			<li>离开水体后，将顶部橡胶塞替换为 PVC 封盖，并用胶带密封连接处。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在将岩芯转移至实验室的过程中，应尽量减少旋转和震动，以保护样品。</li>
</ol>
3. 一氧化二氮（N2O）微传感器的校准
<ol>
	<li>使用计算机（条形图、传感器软件）检查传感器信号是否稳定且处于低水平（&#60;20 mV</li>
	<li>创建一个新文件（例如，记录校准值和传感器信号，并注明日期和采样地点（130903_Redon_Lake）。 
	注意：传感器信号对温度敏感（图4）。使用 相同温度 用于测量和传感器校准。该传感器在0%-2.5% N范围内呈线性响应。2O20因此，两点校准已足够18.</li>
	<li>用于校准 零氧化亚氮时的数值，保持传感器尖端浸没在N中，读取传感器信号2无氧水（去离子水）</li>
	<li>用N校准2O水至所需浓度。 
	&#8203;注意：使用含有确定氮含量的水进行配制2O浓度，该浓度将略高于孵育期间预期的最大浓度。我们使用约25 µM的N2O 作为校准值。注意不要超过传感器最大范围浓度 500 N2O µM
	<ol>
		<li>获取 N2通过鼓泡N使水达到O饱和2在去离子水中浸泡几分钟。 
		注意：N2氧气的溶解度取决于温度和盐度21；参见传感器手册附录中的表格18.</li>
		<li>稀释 N2通过加入一定体积的饱和N来使水达到饱和2O水至去离子水的体积。例如，在20 °C时，加入0.3 mL饱和N2O 水，其氮浓度为 28.7 mM2O，加水至总体积为375 mL，以获得22.9 µM的N2O浓度。注意，375 mL是校准室的总体积（图1b).</li>
		<li>轻轻混合N后2用去离子水在校准容器中稀释饱和水，使其达到所需浓度，待传感器信号稳定后读取数值。该读数为 X µM N 的校准值2哦，水混合溶液时需小心避免产生气泡，否则会消除N2来自校准溶液的O 
		注意：请注意 N2水中的氧气会缓慢逸散到空气中，因此配制好的校准溶液只能使用几分钟。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 岩心制备与乙炔抑制
<ol>
	<li>更换每个沉积物岩心顶部的PVC盖，换为带有中心孔和悬挂式磁力搅拌器的新盖。用胶带重新密封连接处。</li>
	<li>将每个样品的水相减少至大约12 cm的高度（体积≈380 mL）。为此，首先将硅胶管插入中心孔中，然后将沉积物芯样放入圆筒内，并推动底部塞子以产生压力。塞子和沉积物样品上升，多余的水通过管子排出，用水接收容器收集流出的水。 
	注意：在此步骤中，颗粒较粗的样品可能会带来问题。若沉积物颗粒卡在塞子与管壁之间，可能导致塞子变形，形成通气小孔，使气泡通过并干扰样品。为避免此问题，应将圆筒对准底部塞子中心，并尽量以均匀的力度推入。用于排出多余水的硅胶管与PVC外罩之间的接头包含一个固体部分（例如，一个去除了最细端的5 mL移液器吸头）插入硅胶管中。</li>
	<li>通过乙炔抑制法进行操作 乙炔气体鼓泡 在核心的水相中静置约10分钟。避免重新悬浮沉淀物。 
	注意：作为该方法的一种可能改进，在通入乙炔进行潜在反硝化作用测定之前，可通过浓缩液体培养基添加底物（硝酸盐）。例如，如同 图3b, c).</li>
</ol>
5. 反硝化作用（N2O 累积量测定）
<ol>
	<li>用之前剩余的水填满样品中的所有空气空间。将传感器通过顶部PVC盖的中央孔插入沉积物岩心中。传感器的尖端应位于搅拌器上方的水相中。图1c). 
	注意：在测量过程中，必须密封丙烯酸采样管的所有接头，以防止气体和水泄漏。图1a，c）。在管子的底部，使用橡胶塞即可满足密封需求。而上部的密封则较为困难，需要对PVC盖进行调整。应使用喷灯加热PVC盖，待其材料变软但未烧焦时，将其置入管中，以便塑形。冷却后，还需对盖子进行进一步修整（但用于在步骤2.1.1.10或2.1.2.6中将样品运送至实验室的盖子除外）。需钻出中央孔洞以插入传感器。搅拌子可用鱼线悬挂，并用胶水将鱼线固定在盖子内侧，使搅拌子通过鱼线悬于水中图1c）。此外，所有接头（PVC保护管和PVC保护传感器）均用弹性胶带密封。使用弹性胶带调节传感器的直径，以密封PVC保护罩中央孔与传感器之间的接触面。图1c).</li>
	<li>打开搅拌系统中的电磁脉冲电路。 
	注意：搅拌系统可防止水相分层，同时不会扰动（重新悬浮）沉淀物。该搅拌系统由一个电路组成，用于控制电磁铁的开关，从而吸引/释放磁力搅拌子（参见 材料列表 有关详细描述）。</li>
	<li>移动电磁铁至亚克力管外壁周围，直至搅拌子持续转动，然后用胶带将其固定在该位置（图1c).</li>
	<li>关闭孵育室以确保温度恒定（例如，±0.3 °C 的变化范围。</li>
	<li>按下记录按钮（传感器软件）以 开始记录传感器信号通常每5分钟记录一次读数。</li>
	<li>按下停止按钮 测量周期结束.</li>
</ol>
6. 最终测量步骤
<ol>
	<li>在读取零 N2O 校准测量信号前，至少等待约 10 分钟，使传感器尖端浸没于无 N2O 水（去离子水）中。</li>
	<li>进行最终传感器校准。为此，请按照第 3 节步骤重新执行传感器校准，但从步骤 3.3 开始。</li>
	<li>保存文件（传感器软件）。</li>
</ol>
7. 反硝化速率计算
<ol>
	<li>从传感器软件生成的表格输出文件开始，该文件包含传感器信号（mV 和 µM N2O）的记录以及校准数据。</li>
	<li>绘制传感器信号随时间变化的曲线，以可视化 N2O 的累积趋势（例如，图 2a）。</li>
	<li>仅使用呈现线性累积的时间段，排除样品的初始适应期以及由于底物限制可能导致的最终饱和阶段（例如，图 2b）。建立传感器信号（µM）随时间（h）变化的线性模型。 
	注意：该线性模型的斜率即为反硝化速率（µM N2O core-1 h-1），若除以岩芯的面积（πr2），可转换为 µM N2O m-2 h-1；若再乘以水体体积（πr2h，其中 h 为水相高度，r 为亚克力管的内半径，本例中分别为 0.12 m 和 0.03175 m），则可转换为 µmol N2O m-2 h-1。</li>
</ol>

<ol><li>Rockstrom, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+safe+operating+space+for+humanity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A safe operating space for humanity.</a> Nature. 461 (7263), 472-475 (2009).</li>
<li>Erisman, J. W., Galloway, J., Seitzinger, S., Bleeker, A., Butterbach-Bahl, K. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187734351100090X">Reactive nitrogen in the environment and its effect on climate change.</a> Current Opinion in Environmental Sustainability. 3 (5), 281-290 (2011).</li>
<li>Gruber, N., Galloway, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Earth-system+perspective+of+the+global+nitrogen+cycle%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle.</a> Nature. 451 (7176), 293-296 (2008).</li>
<li>Tiedje, J. M. Ch. 4. Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium. <a target="_blank" href="NULL">Environmental Microbiology of Anaerobes. Vol. 717</a>. Zehnder, A. J. B. , John Wiley and Sons. 179-244 (1988).</li>
<li>Seitzinger, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Denitrification+across+landscapes+and+waterscapes%3A+A+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Ecological+Applications%22%5BJournal%5D)">Denitrification across landscapes and waterscapes: A synthesis.</a> Ecological Applications. 16 (6), 2064-2090 (2006).</li>
<li>Contribution of Working Group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22IPCC.+Climate+Change+2013%3A+The+Physical+Science+Basis%22">IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis</a>. , Cambridge University Press. (2013).</li>
<li>Ravishankara, A. R., Daniel, J. S., Portmann, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nitrous+Oxide+%28N2O%29%3A+The+Dominant+Ozone-Depleting+Substance+Emitted+in+the+21st+Century%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century.</a> Science. 326 (5949), 123-125 (2009).</li>
<li>Balderston, W. L., Sherr, B., Payne, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blockage+by+acetylene+of+nitrous+oxide+reduction+in+Pseudomonas+perfectomarinus%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Blockage by acetylene of nitrous oxide reduction in Pseudomonas perfectomarinus.</a> Applied and Environmental Microbiology. 31 (4), 504-508 (1976).</li>
<li>Yoshinari, T., Knowles, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acetylene+inhibition+of+nitrous-oxide+reduction+by+denitrifying+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Biochemical+and+Biophysical+Research+Communications%22%5BJournal%5D)">Acetylene inhibition of nitrous-oxide reduction by denitrifying bacteria.</a> Biochemical and Biophysical Research Communications. 69 (3), 705-710 (1976).</li>
<li>Groffman, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methods+for+measuring+denitrification%3A+Diverse+approaches+to+a+difficult+problem%5BTitle%5D)+AND+%22Ecological+Applications%22%5BJournal%5D)">Methods for measuring denitrification: Diverse approaches to a difficult problem.</a> Ecological Applications. 16 (6), 2091-2122 (2006).</li>
<li>Sorensen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Denitrification+rates+in+a+marine+sediment+as+measured+by+the+acetylene+inhibition+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Denitrification rates in a marine sediment as measured by the acetylene inhibition technique.</a> Applied and Environmental Microbiology. 36 (1), 139-143 (1978).</li>
<li>Revsbech, N. P., Nielsen, L. P., Christensen, P. B., Sorensen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+oxygen+and+nitrous-oxide+microsensor+for+denitrification+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Combined oxygen and nitrous-oxide microsensor for denitrification studies.</a> Applied and Environmental Microbiology. 54 (9), 2245-2249 (1988).</li>
<li>Jorgensen, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Annual+pattern+of+denitrification+and+nitrate+ammonification+in+estuarine+sediment%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Annual pattern of denitrification and nitrate ammonification in estuarine sediment.</a> Applied and Environmental Microbiology. 55 (7), 1841-1847 (1989).</li>
<li>Laverman, A. M., Van Cappellen, P., van Rotterdam-Los, D., Pallud, C., Abell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Potential+rates+and+pathways+of+microbial+nitrate+reduction+in+coastal+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22FEMS+Microbiology+Ecology%22%5BJournal%5D)">Potential rates and pathways of microbial nitrate reduction in coastal sediments.</a> FEMS Microbiology Ecology. 58 (2), 179-192 (2006).</li>
<li>Ambus, P. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/037810979390205G">Control of denitrification enzyme-activity in a streamside soil.</a> FEMS Microbiology Ecology. 102 (3-4), 225-234 (1993).</li>
<li>Christensen, P. B., Rysgaard, S., Sloth, N. P., Dalsgaard, T., Schwærter, S. <a target="_blank" href="https://www.int-res.com/abstracts/ame/v21/n1/p73-84/">Sediment mineralization, nutrient fluxes, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in an estuarine fjord with sea cage trout farms.</a> Aquatic Microbial Ecology. 21 (1), 73-84 (2000).</li>
<li>Palacin-Lizarbe, C., Camarero, L., Catalan, J. <a target="_blank" href="https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017WR021680">Denitrification Temperature Dependence in Remote, Cold, and N-Poor Lake Sediments.</a> Water Resources Research. 54 (2), 1161-1173 (2018).</li>
<li><a target="_blank" href="NULL">Nitrous Oxide sensor user manual</a>. , UNISENSE A/S. (2011).</li>
<li>Glew, J. Miniature gravity corer for recovering short sediment cores. Journal of Paleolimnology. 5 (3), 285-287 (1991).</li>
<li>Andersen, K., Kjaer, T., Revsbech, N. P. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400501009248">An oxygen insensitive microsensor for nitrous oxide.</a> Sensors and Actuators B-Chemical. 81 (1), 42-48 (2001).</li>
<li>Weiss, R. F., Price, B. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0304420380900249">Nitrous oxide solubility in water and seawater.</a> Marine Chemistry. 8 (4), 347-359 (1980).</li>
<li><a target="_blank" href="NULL">Nitrous Oxide Microsensors Specifications</a>. , UNISENSE A/S. (2018).</li>
<li>Koike, I. Ch. 18. Measurement of sediment denitrification using 15-N tracer method. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4757-9969-9">Denitrification in Soil and Sediment 10.1007/978-1-4757-9969-9 F.E.M.S. Symposium Series</a>. Revsbech, N. P., Sørensen, J. , Springer US. 291-300 (1990).</li>
<li>Hvorslev, M. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHvorslev%2C+MJ+%22Subsurface+Exploration+and+Sampling+of+Soils+for+Civil+Engineering+Purposes%22">Subsurface Exploration and Sampling of Soils for Civil Engineering Purposes</a>. , American Society of Civil Engineers, Waterways Experiment Station, Corps of Engineers, U.S. Army. 521(1949).</li>
<li>Glew, J. R., Smol, J. P., Last, W. M. Ch. 5. Sediment Core Collection and Extrusion. <a target="_blank" href="https://www.springer.com/us/book/9780792364825">Tracking Environmental Change Using Lake Sediments: Basin Analysis, Coring, and Chronological Techniques</a>. Last, W. M., Smol, J. P. 1, Springer. Netherlands. 73-105 (2001).</li>
<li>Behrendt, A., de Beer, D., Stief, P. <a target="_blank" href="https://www.biogeosciences.net/10/7509/2013/">Vertical activity distribution of dissimilatory nitrate reduction in coastal marine sediments.</a> Biogeosciences. 10 (11), 7509-7523 (2013).</li>
<li>Laverman, A. M., Meile, C., Van Cappellen, P., Wieringa, E. B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vertical+distribution+of+denitrification+in+an+estuarine+sediment%3A+Integrating+sediment+flowthrough+reactor+experiments+and+microprofiling+via+reactive+transport+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Vertical distribution of denitrification in an estuarine sediment: Integrating sediment flowthrough reactor experiments and microprofiling via reactive transport modeling.</a> Applied and Environmental Microbiology. 73 (1), 40-47 (2007).</li>
<li>Melton, E. D., Stief, P., Behrens, S., Kappler, A., Schmidt, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+spatial+resolution+of+distribution+and+interconnections+between+Fe-+and+N-redox+processes+in+profundal+lake+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">High spatial resolution of distribution and interconnections between Fe- and N-redox processes in profundal lake sediments.</a> Environmental Microbiology. 16 (10), 3287-3303 (2014).</li>
<li><a target="_blank" href="NULL">SensorTrace BASIC 3.0 user manual</a>. , UNISENSE A/S. (2010).</li>
<li>Schwing, P. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sediment+Core+Extrusion+Method+at+Millimeter+Resolution+Using+a+Calibrated%2C+Threaded-rod%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+visualized+experiments%22%5BJournal%5D)">Sediment Core Extrusion Method at Millimeter Resolution Using a Calibrated, Threaded-rod.</a> Journal of visualized experiments. (114), 54363(2016).</li>
<li>Bernhardt, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ecology.+Cleaner+lakes+are+dirtier+lakes%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Ecology. Cleaner lakes are dirtier lakes.</a> Science. 342 (6155), 205-206 (2013).</li>
<li>Finlay, J. C., Small, G. E., Sterner, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+influences+on+nitrogen+removal+in+lakes%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Human influences on nitrogen removal in lakes.</a> Science. 342 (6155), 247-250 (2013).</li>
<li>Seitzinger, S. P. <a target="_blank" href="https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.4319/lo.1988.33.4part2.0702">Denitrification in fresh-water and coastal marine ecosystems- ecological and geochemical significance.</a> Limnology and Oceanography. 33 (4), 702-724 (1988).</li>
<li>Seitzinger, S. P., Nielsen, L. P., Caffrey, J., Christensen, P. B. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00023750">Denitrification measurements in aquatic sediments - a comparison of 3 methods.</a> Biogeochemistry. 23 (3), 147-167 (1993).</li>
<li>Christensen, P. B., Nielsen, L. P., Revsbech, N. P., Sorensen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microzonation+of+denitrification+activity+in+stream+sediments+as+studied+with+a+combined+oxygen+and+nitrous-oxide+microsensor%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+and+Environmental+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Microzonation of denitrification activity in stream sediments as studied with a combined oxygen and nitrous-oxide microsensor.</a> Applied and Environmental Microbiology. 55 (5), 1234-1241 (1989).</li>
<li>Peter, N. L. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0378109792908004">Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing.</a> FEMS Microbiology Ecology. 9 (4), 357-361 (1992).</li>
<li>Risgaard-Petersen, N., Nielsen, L. P., Rysgaard, S., Dalsgaard, T., Meyer, R. L. <a target="_blank" href="https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.4319/lom.2003.1.63">Application of the isotope pairing technique in sediments where anammox and denitrification coexist.</a> Limnology and Oceanography-Methods. 1, 63-73 (2003).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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，并实现了氮的连续记录2O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，本文讨论了与取芯、传感器性能及潜在改进相关的一些方面。
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。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<sup class...

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2。然而，关于如何评估全球氮循环仍存在很大的不确定性。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，可将含氮氧化物（主要是硝酸盐和亚硝酸盐）还原为氮气（N2O 和 N2）4。该过程对生物圈中活性氮的可利用性具有重要意义，因为它是活性氮去除的主要途径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。
以下介绍一种利用采样柱和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法8,9以及在特定时间段内N2O积累量的测定来估算（图2和图3）。我们以高山湖泊沉积物为例，展示该方法的应用。本案例研究突出了该方法在检测相对较低反硝化速率时的性能，同时对沉积物物理结构的干扰最小。
反硝化作用特别难以测量10存在多种替代性方法与技术路径，各有其优势与局限。现有方法的不足之处包括需使用昂贵的资源、灵敏度不足，以及需要通过扰动样品来改变底物浓度或调整工艺的物理构型10. 测量N的一个更为基本的挑战2 是其在环境中较高的本底水平10. N的还原2O 到 N2 受乙炔（C₂H₂）抑制2H2)8,9因此，通过测量累积的N可定量反硝化作用2C存在下的O2H2，这得益于环境中较低的氮含量2O水平考试
C的使用2H2 约40年前开发了一种用于测量沉积物中反硝化速率的方法11，以及N的掺入2O传感器的出现大约晚了10年12最广泛应用的乙炔基方法是“静态核心”法。所积累的N2O₂在C之后的孵育期内测量，孵育时间最长可达24 h2H2 添加到密封沉积物岩心的顶空部分10. 此处所述方法在遵循该流程的基础上进行了一些改进。我们添加了 C2H2 通过将气体在核心水相中鼓泡数分钟，我们在测量氮气积累之前用样品水填满整个顶空部分2使用微传感器进行测量。我们还包含一个搅拌系统，可在不重新悬浮沉积物的情况下防止水体分层。该方法可量化单位沉积物表面积的反硝化速率（例如, µmol N2O m-2 h-1).
反硝化作用在空间和时间上的高度变异性为其准确定量带来了另一项挑战10。通常，通过在培养期间连续采集顶空样品，并使用气相色谱法测定氧化亚氮（N2O）的累积量。本文所述方法通过微传感器提供连续信号，从而改进了对N2O累积时间变化的监测。微传感器万用表是一种数字微传感器放大器（皮安计），用于连接传感器和计算机（图1a）。该万用表可同时连接多个N2O微传感器。例如，可同时测量来自同一研究地点的多达四个沉积物柱，以反映空间变异性。
与某些其他方法相比，该核心方法对沉积物结构的扰动极小例如，泥浆）。若沉积物的完整性受到破坏，将导致反硝化速率失真13 仅适用于相对比较。与核心方法相比，泥浆法获得的速率始终更高。14，因为后者保留了底物扩散对反硝化作用的限制15泥浆测量结果不能被视为具有代表性 原位 速率16；它们为采用完全相同程序进行的比较提供相对度量。
所述方法适用于估算任何可进行钻孔取样的沉积物类型中的反硝化速率。我们特别推荐该方法用于对某些驱动因子进行实验性调控。例如，可通过改变硝酸盐可利用性和温度来估算反硝化的活化能（Ea）的实验17（图2）。
<img alt="用于微生物活性分析的厌氧生物反应器和采样设备的实验室装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58553/58553fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：实验装置。（a）利用沉积物柱状样和N2O微传感器测定沉积物反硝化速率的一般实验装置。培养室可确保黑暗环境和受控温度（±0.3 °C）条件。可同时对五个完整的沉积物柱状样使用各自的N2O传感器进行处理。（b）N2O传感器校准室。我们使用橡胶塞和注射器对其进行了改造，以混合含N2O的水（参见实验步骤3.4.3）。装置中配有温度计以监测水温。（c）沉积物柱状样特写，传感器插入PVC盖中央孔洞，接口处用胶带密封。搅拌子悬于水中，电磁搅拌器靠近其下方并固定在亚克力管外侧。（d）由金属部件保护的N2O微传感器尖端特写。（e）刚刚采集的沉积物柱状样。该样品从深水湖泊的船上采集；带有柱状样的亚克力管仍固定在适配信使装置的重力采样器上19。有关执行本方法所需全部材料，请参见材料表。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58553/58553fig1v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的高清版本。</a>

<table><tbody><tr><td>适用于信使的重力采样器</td><td>-</td><td>-</td><td>参见文稿中的参考文献。由 Glew, J. 制作。</td></tr><tr><td>采样管</td><td>-</td><td>-</td><td>丙烯酸材质。尺寸：100 cm（高）&amp;times; 6.35 cm（内径）&amp;times; 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。</td></tr><tr><td>手持式测深仪</td><td>Plastimo</td><td>38074</td><td>Echotest II 测深仪。</td></tr><tr><td>橡胶塞</td><td>VWR</td><td>DENE1012114</td><td>带两个孔，用于在标定室中混合N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O-水。尺寸：20 mm（高）&amp;times; 14 mm（内径）&amp;times; 18 mm（外径）（孔径 3 mm）。</td></tr><tr><td>橡胶塞</td><td>VWR</td><td>217-0125</td><td>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）&amp;times; 56 mm（内径）&amp;times; 65 mm（外径）。</td></tr><tr><td>橡胶塞</td><td>VWR</td><td>217-0126</td><td>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）。</td></tr><tr><td>PVC 封盖</td><td>-</td><td>-</td><td>用于密封丙烯酸管的顶部。尺寸：45 mm（高）&amp;times; 56 mm（内径）&amp;times; 65 mm（外径）。尺寸：65 mm（外径）。</td></tr><tr><td>防水胶带</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>温度计</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>全球定位系统（GPS）</td><td>-</td><td>-</td><td>用于记录新采样点的位置或前往先前的采样点。</td></tr><tr><td>涉水裤</td><td>-</td><td>-</td><td>用于近岸带或浅水区域的采样。</td></tr><tr><td>船只</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>绳索</td><td>-</td><td>-</td><td>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）。</td></tr><tr><td>N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 气瓶及减压阀</td><td>Abell&amp;oacute; Linde</td><td>32768-100</td><td>气瓶型号。</td></tr><tr><td>C&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 气瓶及减压阀</td><td>Abell&amp;oacute; Linde</td><td>32468-100</td><td>气瓶型号。</td></tr><tr><td>用于排出多余水的导管</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>带帽氧化亚氮微型传感器</td><td>Unisense</td><td>N2O-R</td><td>我们同时使用 4 个传感器。</td></tr><tr><td>四通道微传感器多用表（4 个皮安通道）</td><td>Unisense</td><td>Multimeter</td><td>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 N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 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 N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 传感器。</td></tr><tr><td>SensorTrace Basic 3.0 Windows 软件</td><td>Unisense</td><td></td><td>传感器数据采集软件。</td></tr><tr><td>带泵的标定室</td><td>Unisense</td><td>CAL300</td><td>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 N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O-水。</td></tr><tr><td>培养室</td><td>Ibercex</td><td>E-600-BV</td><td>在恒定温度（&amp;plusmn;0.3 &amp;deg;C）下工作的必备设备。还可控制光周期。</td></tr><tr><td>电动搅拌器</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>电磁铁</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>电磁脉冲电路</td><td>-</td><td>-</td><td>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。</td></tr><tr><td>不间断电源（UPS）</td><td>-</td><td>-</td><td>提高到达测量设备的电能质量，过滤电压的波动，从而确保 N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O 传感器信号更加稳定和恒定。</td></tr></tbody></table>

使用岩心和 n2o 微传感器估算沉积物反硝化速率

Estimating Sediment Denitrification Rates Using Cores and N2O Microsensors

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

2013年至2014年期间，采用上述方案对中国台湾 Pyrenean 山地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，拟合优度也会下降（例如，传感器4和5在 图 2b 和 图 3a）。尽管N的基线检测限2O 是约 ~0.1 µM 在水中22</su...

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。

使用岩心和 N2O 微传感器估算沉积物反硝化速率

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具有……

该方法有助于解答与沉积物反硝化作用相关的生物地球化学关键问题，这些问题对于理解氮循环和温室气体排放具有重要意义。该技术的主要优势在于对沉积物结构的扰动较小，并能够通过密闭容器记录氮氧化物的累积，从而可靠地估算反硝化速率。对于深水水体，应根据研究目的选择采样点。使用GPS坐标记录位置，并利用手持测深仪测量水深。部署配备信使重力采样器的重力取芯系统，直至采样管距离沉积物约一米处。稳定采样设备60秒，以确保沉积物充分贯入，并获取扰动极小的沉积物岩芯样品。释放约一米长的绳索，使采样管插入沉积物中。需注意，若采样管插入过深，可能会扰动水-沉积物界面。释放重锤时，应尽量保持绳索张力，以确保采样器固定且保持垂直状态。通过持续而轻柔地拉动绳索回收取芯器。当取芯器接近水面但仍完全浸没时，在采样管底部放置一个橡胶塞。将整个取芯系统从水中提起。检查水-沉积物界面，应清晰且无明显扰动。将样品管从采样器上释放，并在顶部盖上PVC盖。用胶带密封试管，避免产生气隙。从岸边生境和浅水水体采样时，应在极浅的水域中穿着涉水靴进行采样。手动将采样管插入沉积物中。在采样管顶部插入橡胶塞以形成真空。将采样器从沉积物中取出，并迅速在采样管底部插入另一橡胶塞。对于一氧化二氮零浓度的校准值，首先将传感器探头浸没在去离子水中，读取传感器信号。为了使用所需浓度的一氧化二氮水进行校准，可通过将一氧化二氮通入去离子水中数分钟，获得一氧化二氮饱和水。通过将一定体积的饱和一氧化二氮水加入一定体积的去离子水中，稀释该饱和溶液。在校准容器中轻轻混合饱和一氧化二氮水与去离子水，使其稀释至所需浓度。混合溶液时，需小心避免产生气泡，否则会导致校准溶液中的氧化亚氮逸出。待传感器信号稳定后，读取此时的信号值，该读数即为含有 X 微摩尔浓度氧化亚氮水的校准值。将每个沉积物岩心顶部的PVC盖子更换为带有中心孔和悬挂式磁力搅拌器的另一个盖子。用胶带重新密封连接处。将每个样品的水相减少至大约12厘米的高度。为此，首先将硅胶管插入中央孔中。然后将沉积物岩心放入圆筒内，并推动底部塞子以产生压力。塞子和沉积物样品向上移动，过量的水则通过管道流出。将水收集到接收容器中。通过在岩心的水相中通入乙炔气体约10分钟，进行乙炔抑制。避免重新悬浮沉积物。在密封连接传感器的PVC盖之前，用之前剩余的水填满所有空气空间。将传感器通过顶部PVC盖的中央孔插入沉积物芯中。传感器的尖端应位于搅拌器上方的水相中。启动搅拌系统中的电磁脉冲电路。移动电磁铁，使其位于亚克力管外壁周围，直至搅拌子持续转动，然后用胶带将其固定。关闭孵育室，以确保温度恒定。按下传感器软件上的记录按钮，开始记录传感器信号。测量周期结束时，按下停止按钮。在读取零浓度一氧化氮校准测量信号前，需将传感器探头浸入不含一氧化氮的水中至少10分钟。完成最终传感器校准后，使用传感器软件保存文件。为计算反硝化速率，首先获取由传感器软件生成的表格输出文件，该文件包含传感器以毫伏和微摩尔浓度为单位记录的一氧化二氮信号数据以及校准信息。将传感器信号随时间变化绘制成图，以直观展示一氧化二氮的累积趋势。仅使用线性累积的时间范围，排除样品初始的适应期以及由于底物限制可能导致的最终饱和阶段。2013年至2014年期间，采用本方案估算了比利牛斯山脉高山湖泊沉积物中的反硝化速率。此处测量的是未添加硝酸盐的普兰湖（Lake Plan）的反硝化速率。测量结果存在噪声，仅在某些情况下能够准确估算速率。在本图中，添加硝酸盐的相同样品显示出更稳定的读数，且对潜在速率的估算效果良好。尽管该方法仅能近似反映反硝化作用及其速率，但它提供了一种通过实验手段改变控制该过程关键因素的途径。在检测温度和底物时，切记良好的温度控制是获得准确且稳定测量结果的基础。此外，在岩心采集过程中保持未受干扰的沉积物-水界面，是进行可靠估算的首要且关键的要求。按照本实验步骤，还可结合其他方法（如氮-15同位素比率法）来研究硝化作用、反硝化作用的耦合关系以及其他氮循环过程。

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Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

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