Estimación de las tasas de desnitrificación sedimento usando corazones y N2O microsensores
6 de diciembre de 2018
Este método estima tasas de desnitrificación de sedimento en núcleos de sedimentos usando las medidas acetileno inhibición técnica y microsensor de acumulada N2O. El protocolo describe los procedimientos para recoger los corazones, calibración de los sensores, realiza la inhibición de acetileno, la acumulación de N2O de medición y cálculo de la tasa de desnitrificación.
Este método puede ayudar a responder preguntas clave en la biogeoquímica relacionadas con la desnitrificación en sedimentos que son relevantes para entender el ciclo del nitrógeno y las emisiones de gases de efecto invernadero. Las principales ventajas de esta técnica son la baja perturbación de la estructura de sedimentos y el registro de contenedores de acumulación de óxido de nitrógeno para una estimación fiable de la tasa de desnitrificación. Para cuerpos de aguas profundas, seleccione el punto de muestreo de acuerdo con los objetivos de la investigación.
Tome nota de la posición utilizando coordenadas GPS y tome la profundidad de medición usando una sonda de mano. Despliegue un sistema de perforación por gravedad adaptado al mensajero hasta que el tubo de muestreo esté aproximadamente a un metro del sedimento. Estabilice el equipo de muestreo durante 60 segundos para garantizar la correcta penetración de sedimentos y la recuperación de un núcleo de sedimentos apenas perturbado.
Suelte aproximadamente un metro más de cuerda para que el tubo de muestreo penetre en el sedimento. Tenga en cuenta que si el tubo de muestreo penetra demasiado, puede perturbar la interfaz de sedimento de agua. Suelte el mensajero mientras intenta mantener la tensión en la cuerda para que el núcleo permanezca fijo y en posición vertical.
Recuperar el núcleo tirando de la cuerda constantemente y suavemente. Una vez que el núcleo esté cerca de la superficie pero todavía completamente sumergido, coloque un tapón de goma en la parte inferior del tubo de muestreo. Elevar todo el sistema de perforación del agua.
Inspeccione la interfaz de sedimento de agua. Debe ser claro y no visiblemente perturbado. Suelte el tubo de muestra del núcleo y coloque una cubierta de PVC en la parte superior.
Selle el tubo con cinta adhesiva evitando la formación de espacio de aire. Al tomar muestras de hábitats literales y cuerpos de agua poco profundos, vístete en un zancudo para tomar muestras en aguas muy poco profundas. Inserte manualmente el tubo de muestreo en el sedimento.
Coloque un tapón de goma en la parte superior del tubo de muestreo para obtener un vacío. Retire el núcleo del sedimento e introduzca rápidamente otro tapón de goma en el fondo del tubo. Para el valor de calibración con cero óxido nitroso, lea primero la señal del sensor manteniendo la punta del sensor sumergida en agua desionizada.
Para calibrar con agua de óxido nitroso a la concentración deseada, obtenga agua saturada de óxido nitroso burbujeando óxido nitroso en agua desionizada durante unos minutos. Diluir el agua saturada de óxido nitroso añadiendo un volumen específico de agua de óxido nitroso saturada a un volumen de agua desionizada. Mezclar suavemente el agua saturada de óxido nitroso con agua desionizada en el recipiente de calibración para diluirla a la concentración deseada.
Al mezclar la solución, tenga cuidado de no generar burbujas, ya que esto eliminaría el óxido nitroso de la solución de calibración. Ahora, lea la señal del sensor cuando sea constante. Esta lectura es el valor de calibración con agua de óxido nitroso micromolar X.
Cambie la cubierta de PVC situada en la parte superior de cada núcleo de sedimento a otra cubierta con un agujero en el centro y un agitador magnético colgante. Vuelva a sellar la unión con cinta adhesiva. Reducir la fase de agua de cada muestra a una altura aproximada de 12 centímetros.
Para ello, primero inserte un tubo de silicio en el orificio central. A continuación, coloque el núcleo del sedimento en un cilindro y empuje el tapón inferior para crear presión. El tapón y la muestra de sedimentos subo y el exceso de agua pasa a través del tubo.
Recoger el agua en un recipiente receptor. Realizar la inhibición del acetileno burbujeando con gas acetileno en la fase de agua del núcleo durante aproximadamente 10 minutos. Evite resuspender el sedimento.
Llene todo el espacio de aire con el agua sobrante anterior antes de sellar la cubierta de PVC del sensor de unión. Coloque el sensor en el núcleo del sedimento a través del orificio central de la cubierta superior del PVC. La punta del sensor debe ubicarse en la fase de agua por encima del agitador.
Encienda el circuito de pulso electromagnético que forma parte del sistema de agitación. Mueva el electroimán alrededor de la parte externa del tubo de acrílico hasta que el agitador se mueva continuamente y luego fijelo en su lugar usando cinta adhesiva. Cierre la cámara de incubación para garantizar una temperatura constante.
Pulse el botón de grabación del software del sensor para iniciar la grabación de la señal del sensor. A continuación, pulse el botón de parada al final del período de medición. Espere al menos 10 minutos con la punta del sensor sumergida en agua libre de óxido nitroso antes de leer la señal de la medida de calibración de óxido nitroso cero.
Después de realizar una calibración final del sensor, guarde el archivo con el software del sensor. Para realizar cálculos de la tasa de desnitrificación, comience con un archivo de salida tabulado generado por el software del sensor que contiene el registro de la señal del sensor en milivoltios y óxido nitroso micromolar y los datos de calibración. Bloquee la señal del sensor contra el tiempo para visualizar la tendencia de acumulación de óxido nitroso.
Utilice sólo el intervalo de tiempo con una acumulación lineal excluyendo el período de aclimatación inicial de la muestra y una posible saturación final debido a la limitación del sustrato. Las tasas de desnitrificación se estimaron utilizando este protocolo en sedimentos de lagos pirenaicos durante el período de 2013 a 2014. Aquí, las tasas se miden desde Lake Plan sin adición de nitrato.
Las mediciones son ruidosas y sólo en algunos casos se pueden estimar adecuadamente las tasas. En esta figura, las mismas muestras mostradas con adición de nitratos exhiben lecturas más estables y una buena estimación de las tasas potenciales. Si bien este procedimiento se aproxima a la desnitrificación y ve las tasas, también proporciona una manera de cambiar experimentalmente los factores clave que controlan esta actividad.
Para probar la temperatura y los sustratos, no olvide que un buen control de la temperatura es fundamental para una buena y estable medición. Además, una interfaz sedimento-agua sin perturbaciones durante la recolección del núcleo es el primer requisito crítico para una estimación confiable. Después de este procedimiento, otros métodos como las relaciones N15 se pueden combinar para investigar la nitrificación, el acoplamiento de desnitrificación y otros procesos de ciclo de nitrógeno.
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Resumen
Este método estima las tasas de desnitrificación en sedimentos utilizando núcleos de sedimento y la técnica de inhibición con acetileno, junto con mediciones mediante microsensores del N₂O acumulado. Proporciona un enfoque de bajo disturbio para comprender la desnitrificación en sedimentos, lo cual es crucial para estudiar el ciclo del nitrógeno y las emisiones de gases de efecto invernadero.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Biogeoquímica
- Ciencia ambiental
- Análisis de sedimentos marinos
Antecedentes
- La desnitricación es un proceso clave en el ciclo del nitrógeno.
- Este método minimiza la perturbación de la estructura del sedimento.
- Permite una estimación confiable de las tasas de desnitricación.
- El conocimiento de estas tasas es importante para los estudios de emisiones de gases de efecto invernadero.
Objetivo del estudio
- Estimar con precisión las tasas de denitrificación en sedimentos.
- Proporcionar un método que preserve la integridad del sedimento.
- Mejorar la comprensión del ciclo del nitrógeno en sistemas acuáticos.
Métodos Utilizados
- Recoger núcleos de sedimento utilizando un sistema de muestreo por gravedad.
- Calibrar microsensores para la medición de N2O.
- Realizar la inhibición con acetileno para medir la desnitrificación.
- Calcular las tasas de desnitrificación en función de la acumulación de N2O.
Resultados principales
- Demuestra una baja perturbación de la estructura del sedimento.
- Proporcionó mediciones confiables de la acumulación de N2O.
- Mostró la efectividad de la técnica de inhibición con acetileno.
- Contribuyó a la comprensión de la dinámica del ciclo del nitrógeno.
Conclusiones
- Este método es efectivo para estimar las tasas de desnitrificación.
- Apoya la investigación sobre el ciclo del nitrógeno y las emisiones de gases de efecto invernadero.
- Estudios futuros pueden basarse en esta técnica para obtener mayores conocimientos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método proporciona un enfoque de baja perturbación para cuantificar la desnitrificación en sedimentos, favoreciendo la comprensión mecanicista del ciclo del nitrógeno y las emisiones de gases de efecto invernadero. Permite una estimación confiable de las tasas de desnitrificación con alta sensibilidad, facilitando la manipulación experimental de factores biogeoquímicos clave. La técnica ofrece valor predictivo para evaluar el flujo de nitrógeno en sistemas acuáticos, lo que resulta relevante para la modelización de riesgos ambientales y la reducción de riesgos biogeoquímicos en investigaciones de etapa temprana.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la investigación de las vías de desnitrificación y la validación funcional de los procesos del ciclo del nitrógeno en sistemas sedimentarios.
- Valor operativo: Facilita la comprobación de hipótesis mediante la manipulación controlada de la disponibilidad de nitrato y la temperatura para evaluar la actividad de las vías metabólicas.
- Valor predictivo: Proporciona datos cuantitativos sobre la acumulación de N2O para reducir el riesgo de supuestos mecanicistas acerca de la desnitrificación bajo condiciones variables de sustrato.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Genera mediciones continuas y en tiempo real de N₂O, lo que permite la evaluación cinética de las tasas de desnitrificación en núcleos de sedimento intactos.
- Valor operativo: Estandariza la cuantificación basada en microsensores mediante protocolos de calibración que aseguran la reproducibilidad entre conjuntos de muestras.
- Preparación del ensayo: Prepara sistemas biológicos validados para aplicaciones posteriores, tales como estudios con trazadores de ¹⁵N o mediciones in situ en campo.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Mantiene la integridad de la interfaz sedimento-agua, preservando comunidades microbianas nativas para mediciones fisiológicamente relevantes de la desnitrificación.
- Valor operativo: Permite estimar tanto las tasas reales como potenciales de desnitrificación, apoyando la modelización de respuesta a la dosis bajo condiciones elevadas de nitrato.
- Continuidad traslacional: Facilita la integración con métodos complementarios como trazadores de 15N para investigar el acoplamiento entre nitrificación y desnitrificación en el ciclo del nitrógeno.
Integración de la Línea de Procesamiento y Flujo de Trabajo
El método se encaja dentro del continuo de descubrimiento que va desde la prueba de hipótesis hasta la validación mecanicista, permitiendo la evaluación cuantitativa de la desnitrificación como un proceso biogeoquímico clave en los sistemas ambientales.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la aclaración de vías y la validación funcional de dianas mediante la medición de la acumulación de N2O como indicador de la actividad de desnitrificación.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos reproducibles mediante señales de microsensores que permiten comparar las tasas de desnitrificación entre diferentes condiciones experimentales.
- Análisis: Ofrece datos de acumulación de N2O resueltos temporalmente, lo que permite modelado cinético y cálculos de tasas a partir de fases de acumulación lineal.
- Investigación Traducional: Se conecta con la continuidad preclínica mediante la integración con trazado isotópico para elucidar las vías del flujo de nitrógeno.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable para la evaluación de la desnitrificación, adaptable a diversos sedimentos acuáticos y diseños experimentales.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en las mediciones de denitrificación al minimizar la perturbación del sedimento y capturar la dinámica continua de N₂O.
- Valor operativo: Mejora la reproducibilidad mediante protocolos estandarizados de muestreo con corona, calibración de sensores e inhibición con acetileno.
- Valor estratégico: Reduce la incertidumbre biológica en la modelización del ciclo del nitrógeno, apoyando decisiones más sólidas de continuar o no con investigaciones en biogeoquímica ambiental.
- Impacto en el portafolio: Permite la priorización ajustada al riesgo de sitios de estudio o condiciones basada en la sensibilidad de la tasa de denitrificación a la concentración de nitrato y la temperatura.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en el muestreo de testigos de sedimento, manipulación de microsensores e interpretación de señales relacionadas con cromatografía de gases.
- Depende del control estable de la temperatura y de soluciones de calibración libres de burbujas para una cuantificación precisa de N2O.
- Necesita la recuperación intacta de la interfase sedimento-agua para evitar artefactos en la estimación de las tasas de desnitrificación.
- Implica un manejo cuidadoso del gas acetileno para inhibir la reducción de N2O sin resuspender el sedimento.
- Está limitado por el umbral de detección del sensor, con estimaciones confiables alcanzables por encima de 0,4-1 µmol N2O m-2 h-1 en condiciones óptimas.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
Chapters in this video
0:04
Title
0:32
Sediment Core Collection
2:37
Calibration of the Nitrous Oxide (N2O) Microsensors
3:45
Core Preparation and Acetylene Inhibition
4:42
Denitrification (N2O Accumulation Measure)
5:36
Final Measurement Steps and Denitrification Rate Calculations
6:35
Results: Nitrate Limitation of Denitrification Rates in a Mountain Lake
7:10
Conclusion
