El intercambio de O bentónica 2, N 2 y nutrientes disueltos usando pequeños incubaciones Core
3 de agosto de 2016
Aquí, presentamos pequeñas incubaciones de núcleo para la medición del intercambio de sedimentos-agua, gas y solutos. Estos proporcionarán mediciones fiables del intercambio sedimento-agua que evalúan el papel de los sedimentos en la influencia de los procesos biológicos y biogeoquímicos en los ecosistemas acuáticos.
El objetivo general de este experimento biogeoquímico de sedimentos es realizar mediciones realistas del intercambio de solutos y gases entre la superficie del sedimento y el agua suprayacente, con el propósito de refinar los balances de masa acuática e informar los esfuerzos de modelado biogeoquímico. Este método podría ayudar a responder preguntas clave en biogeoquímica acuática, como la importancia de nuestros sedimentos como sumideros y fuentes de elementos nutritivos y oxígeno. Está optimizado para la medición de la desnitrificación acuática, un sumidero importante en el ciclo del nitrógeno acuático.
La principal ventaja de esta técnica es que es altamente eficiente, y nos permite tener una cobertura espacial y temporal considerable de los procesos biogeoquímicos de los sedimentos. Comience anotando la ubicación del sitio de muestreo por GPS. A continuación, determine el oxígeno, la temperatura y la salinidad del agua del fondo utilizando una sonda de calidad del agua YSI.
Bájelo a aproximadamente un metro por encima del sedimento y tome una lectura. A continuación, tome lecturas con un medidor PAR y un marco descendente en la superficie y en la parte inferior para estimar la atenuación de la luz del agua. Ahora, prepara el descorazonador.
Para estudios en aguas profundas, utilice un núcleo de 6,35 centímetros de diámetro interior, y para sedimentos con microalgas bentónicas o grandes poblaciones de animales, utilice un núcleo de 10 centímetros de diámetro interior. Ahora, despliegue el descorazonador sobre el costado del bote y bájelo lentamente para minimizar las perturbaciones al penetrar en el sedimento. Después de recuperar el descorazonador de la caja, inserte los tubos de núcleo en la caja.
Inserte un tapón de butilo en la parte superior de cada tubo central, luego coloque una placa acrílica con una junta tórica en cada parte inferior. Para un descorazonador de postes, coloque la placa inferior acrílica en el revestimiento del núcleo antes de quitar el núcleo del descorazonador. Después de la extracción de núcleos, examine el núcleo de fundente y la caja de núcleos en busca de perturbaciones visibles o resuspensión excesiva.
Para los experimentos de flujo, el equilibrio ideal de sedimento-agua dentro del núcleo es de 15 centímetros de cada uno, pero en sedimentos gruesos o muy compactados, es aceptable recolectar menos sedimentos. Sin embargo, si las tasas de agotamiento de oxígeno son excesivas, cambie la balanza hacia más agua. Almacene los núcleos en un enfriador de agua aislado inundado con agua ambiente del sitio para mantener las temperaturas in situ.
Asegúrese de que el refrigerador permanezca en posición vertical. A continuación, recoja el agua de fondo de los lugares de extracción de muestras en garrafas de 20 litros con una bomba de diafragma. Por lo general, llene dos o tres garrafas y recoja de varios sitios si se anticipa que la química del agua cambiará entre sitios.
Si una bomba no está disponible en aguas poco profundas y no estratificadas, una garrafa puede llenarse manualmente. Ahora, transporte rápidamente los núcleos aeróbicos a la instalación de incubación antes de que se vuelvan anóxicos. Una vez en la instalación, inspeccione los núcleos y deseche los que hayan sido alterados durante el transporte.
A continuación, coloque los núcleos, incluida la columna de agua en blanco, en una incubadora de baño y ajuste la temperatura a la temperatura del agua de fondo medida. Llene la incubadora con el agua del fondo recolectada, sumergiendo completamente los núcleos de sedimentos. Un núcleo en blanco, un núcleo sin sedimentos, también se llena con agua del fondo.
Además, agregue agua de fondo a las garrafas de cinco litros con grifos que se usarán para dispensar agua de reemplazo. Para la aireación, use un pequeño burbujeador en T hecho de tubería de PVC de 1/2 pulgada y un acoplador de tres vías. Cubra el tubo de 1/8 de pulgada con un tubo de PVC, y drene el agua y proporcione circulación y aireación.
Ahora, deje que los núcleos se equilibren durante al menos dos horas o toda la noche en la oscuridad antes de tomar muestras. Una vez que los núcleos se hayan equilibrado, coloque peonzas en los núcleos. Con la válvula de muestreo abierta, barre suavemente las burbujas de aire debajo de la peonza y sella el núcleo del agua del tanque.
A continuación, eleve una garrafa de agua de repuesto de 30 a 40 centímetros por encima de los núcleos de incubación, luego inicie las líneas de drenaje de la garrafa y, una vez que estén fluyendo, conecte las líneas a la parte superior de los núcleos. A continuación, cierre las válvulas. Ahora, encienda la plataforma giratoria de agitación central y ajuste la velocidad de rotación para mezclar la columna de agua sin volver a suspender el sedimento.
40 revoluciones por minuto suelen funcionar. Después de unos cinco minutos, abra la válvula de agua de repuesto y la válvula de muestra. Luego, conecte un trozo corto de tubo a la válvula de muestra usando un bloqueo de señuelo.
Coloque este tubo de muestreo en un tubo de muestra de vidrio de siete mililitros y descárguelo con agua. A continuación, añada 10 microlitros de cloruro de mercurio a la muestra y tape el tubo. Para la toma de muestras de solutos, conecte un cilindro de jeringa de 20 mililitros a la válvula de muestra y abra la válvula de agua de reemplazo.
A continuación, conecte un émbolo y un disco de filtro a la jeringa cargada y filtre la muestra en viales de recolección. El curso del muestreo en la oscuridad generalmente implica cuatro períodos de muestreo a intervalos de media hora a dos horas o más, dependiendo de la tasa de absorción de oxígeno. Usando optodos calibrados, realice un seguimiento de los niveles de oxígeno en el agua muestreada.
En general, el agotamiento del 25% del oxígeno permite medir los cambios en la concentración de nutrientes. Es posible tomar muestras durante más tiempo, pero no tome muestras después de un agotamiento del 50% de oxígeno. Si los sedimentos provienen de ambientes poco profundos e iluminados, después de la cuarta muestra, encienda las luces y tome tres muestras más.
Almacene las muestras recolectadas bajo el agua a la temperatura de incubación. Después de tomar muestras, mida el volumen restante de agua en el núcleo por la altura de la columna de agua o drenando toda el agua en un cilindro graduado. Se tomaron mediciones de flujo de sedimentos cerca de una instalación acuícola en el río Choptank.
La rápida caída de oxígeno se atenuó un poco con la iluminación, pero la tasa de fotosíntesis no fue tan alta como la respiración. Los niveles de oxígeno del núcleo de control cambiaron solo ligeramente. Las concentraciones de nitrógeno se determinaron utilizando proporciones de nitrógeno a argón con una precisión de 0,02% o alrededor de 100 nanomoles por litro de nitrógeno.
En la oscuridad o en la luz, los núcleos de sedimento aumentaron su contenido de nitrógeno mucho más que los aumentos observados en el agua en blanco. Los flujos de amonio disuelto eran bastante altos durante la oscuridad. Se observó un aumento de 20 micromoles por litro en un núcleo.
Incluso bajo iluminación, los núcleos tenían concentraciones de amonio crecientes. Tanto los núcleos como la columna de agua en blanco tuvieron una disminución de la concentración de nitrato más nitrito con el tiempo, con tasas más bajas de disminución durante la iluminación. Una vez dominados, estos procedimientos de incubación pueden ser llevados a cabo de manera eficiente por dos científicos, generalmente en el transcurso de seis a ocho horas, dependiendo de las tasas de respiración de los sedimentos.
Al intentar este procedimiento, es importante recordar recolectar una interfaz de sedimento y agua intacta y mantener una temperatura constante similar a la observada en el campo. Una vez completada la incubación, estos núcleos se pueden utilizar para muestrear el contenido de clorofila, el tamaño de grano, la mala química del agua y la reactividad específica de la masa del sedimento. Después de su desarrollo, el uso de las proporciones de nitrógeno a gas argón para medir la desnitrificación proporcionó un enfoque alternativo para la medición de la desnitrificación y los flujos netos de dinitrógeno.
Los científicos han aplicado esta técnica de proporción de gases a la medición de la desnitrificación de humedales, lagos, embalses, estuarios y sedimentos costeros poco profundos, proporcionando una alternativa útil a la metodología de isótopos.
Resumen
Este estudio presenta un método para medir el intercambio de gases y solutos entre sedimentos y agua, lo cual es crucial para comprender los procesos biogeoquímicos en ecosistemas acuáticos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Biogeoquímica
- Ecosistemas acuáticos
- Ciencias ambientales
Antecedentes
- Comprender las interacciones entre sedimentos y agua es fundamental para los balances de masa acuáticos.
- Las mediciones del intercambio de solutos y gases aportan información para la modelización biogeoquímica.
- La desnitrificación es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno influenciado por los sedimentos.
- Técnicas eficientes permiten una amplia cobertura espacial y temporal.
Objetivo del estudio
- Refinar las mediciones del intercambio de nutrientes y oxígeno en sistemas acuáticos.
- Evaluar el papel de los sedimentos como fuentes y sumideros de nutrientes.
- Mejorar la comprensión de la dinámica de los sedimentos en los procesos biogeoquímicos.
Métodos Utilizados
- Ubicación GPS de los sitios de muestreo y medición de parámetros del agua profunda.
- Uso de tubos de testigo para el muestreo y la incubación de sedimentos.
- Monitoreo de los niveles de oxígeno y de las concentraciones de nutrientes durante los experimentos.
- Muestreo a intervalos para rastrear los cambios en el intercambio de solutos y gases.
Resultados principales
- Se observaron cambios significativos en las concentraciones de nitrógeno.
- Se registraron altos flujos de amonio disuelto durante la oscuridad.
- Las tasas de agotamiento de oxígeno proporcionaron información sobre los procesos sedimentarios.
- Los testigos de control mostraron cambios mínimos, lo que indica la fiabilidad del experimento.
Conclusiones
- El método mide eficazmente las interacciones entre sedimento y agua.
- Los hallazgos mejoran la comprensión del ciclo de nutrientes en ambientes acuáticos.
- Los resultados pueden orientar futuros esfuerzos de modelado biogeoquímico.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La medición cuantitativa del intercambio sedimento-agua de O2, N2 y nutrientes disueltos es fundamental para reducir los riesgos asociados a los modelos biogeoquímicos acuáticos y perfeccionar los cálculos de balance de masa. Este enfoque permite una mayor confianza predictiva al comprender el papel del sedimento como sumidero o fuente de nutrientes, afectando directamente las carteras de I+D ambiental y de gestión de ecosistemas. Datos precisos de flujo de gases y solutos respaldan una toma de decisiones sólida en investigaciones traslacionales y estrategias de intervención ambiental.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la verificación de hipótesis sobre el ciclo de nutrientes y gases impulsado por los sedimentos.
- Apoya la validación funcional de las vías de desnitrificación y consumo de oxígeno.
- Proporciona una reducción mecanicista de riesgos para los modelos de ecosistemas acuáticos.
- Facilita la selección de carteras al aclarar las contribuciones de los sedimentos a los flujos de nutrientes.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Proporciona sistemas validados de la interfaz sedimento-agua para mediciones reproducibles de flujos.
- Normaliza las condiciones del ensayo para la cuantificación del intercambio de oxígeno y nutrientes.
- Permite un muestreo escalable y de alto rendimiento en diversos ambientes acuáticos.
- Facilita la evaluación confiable de la actividad biogeoquímica del sedimento.
Investigación Translacional y Preclínica
- Alinea los datos de flujo de sedimentos con modelos de ciclado de nutrientes y gases a nivel de ecosistema.
- Asegura la continuidad desde las mediciones de descubrimiento hasta las evaluaciones de impacto ambiental.
- Proporciona información para el avance de estrategias de intervención en ecosistemas con ajuste de riesgos.
- Ofrece una predicción para la reducción de riesgos en la investigación biogeoquímica traslacional.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este método integra desde el descubrimiento inicial de los roles biogeoquímicos de los sedimentos hasta la modelización ambiental preclínica y la planificación de intervenciones.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre la dinámica de intercambio de nutrientes y gases en los sedimentos.
- Selección: Proporciona datos cuantitativos reproducibles de flujos para análisis comparativo.
- Análisis: Permite mediciones de alta precisión de las concentraciones de O2, N2 y nutrientes a lo largo del tiempo.
- Investigación Traducional: Conecta las mediciones de laboratorio con la modelización y gestión a escala de ecosistemas.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma estandarizada y reutilizable para estudios de flujo en sedimentos en múltiples sistemas acuáticos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en el ciclo de nutrientes acuáticos.
- Valor operativo: Proporciona mediciones estandarizadas, reproducibles y escalables del intercambio entre sedimento y agua.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de implementación o no implementación de intervenciones ambientales y de inversiones en modelado.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de estrategias de manejo de ecosistemas.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en biogeoquímica acuática y técnicas de muestreo de sedimentos.
- Necesita acceso a instrumentación de precisión para el análisis de gases y nutrientes, como la espectrometría de masas.
- Exige una estandarización rigurosa entre equipos de trabajo en los protocolos de muestreo e incubación.
- Debe adaptar los procedimientos a diferentes tipos de sedimento y ambientes acuáticos.
- Es esencial un mantenimiento cuidadoso de las condiciones in situ y de la integridad de la interfase para obtener resultados válidos.
