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Summary

materia organica disciolta fornisce una fonte importante di energia e nutrienti per lo streaming ecosistemi. Qui mostriamo un metodo basato su campi di manipolare il pool ambiente di materia organica disciolta in situ tramite impulsi di nutrienti facilmente replicabili.

Abstract

Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. Yet the in situ study of DOM is difficult as the molecular complexity of the DOM pool cannot be easily reproduced for experimental purposes. Nutrient additions to streams however, have been shown to repeatedly alter the in situ and ambient DOM pool. Here we demonstrate an easily replicable field-based method for manipulating the ambient pool of DOM at the ecosystem scale. During nutrient pulse experiments changes in the concentration of both dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen can be examined across a wide-range of nutrient concentrations. This method allows researchers to examine the controls on the DOM pool and make inferences regarding the role and function that certain fractions of the DOM pool play within ecosystems. We advocate the use of this method as a technique to help develop a deeper understanding of DOM biogeochemistry and how it interacts with nutrients. With further development this method may help elucidate the dynamics of DOM in other ecosystems.

Introduction

sostanza organica disciolta (DOM) fornisce un'importante fonte di energia e di nutrienti acqua dolce ecosistemi ed è definito come materia organica che passa attraverso un filtro 0,7 micron. All'interno di ecosistemi acquatici, DOM può anche influenzare attenuazione chiara e metalli complessi. DOM è una miscela altamente diversificata ed eterogenea di composti organici con diversi gruppi funzionali, nonché nutrienti essenziali quali azoto (N) e fosforo (P). Mentre il termine "DOM" descrive l'intera piscina compreso il suo C, N e P componenti, la sua concentrazione è misurata come carbonio organico disciolto (DOC). La complessità molecolare intrinseca della piscina DOM tuttavia, crea sfide per il suo studio. Ad esempio, non esiste un modo diretto per misurare la frazione del pool totale DOM composto di sostanze organiche quali azoto organico disciolto (DON) e fosforo organici disciolti (DOP). Invece, la concentrazione di sostanze organiche deve essere determinato per differenza ( <em> ad esempio [DON] = [azoto totale disciolto] – [dissolto azoto inorganico]).

Aggiunta di una modifica DOM realistico per un flusso è difficile a causa della diversità della piscina DOM ambiente. Studi precedenti hanno aggiunto le fonti di carbonio singoli (ad esempio glucosio, urea ¹⁾ o di una particolare sorgente come lettiera percolato ² per manipolare concentrazioni in campo. Tuttavia, queste fonti non sono particolarmente rappresentativi della piscina DOM ambiente. Cercando di perfezionare o concentrato DOM ambiente per la successiva sperimentazione è anche battuto con difficoltà, tra cui la perdita di alcune frazioni (ad esempio componenti altamente labili) durante la lavorazione. Di conseguenza, è difficile capire i controlli sulla piscina DOM ambiente come noi attualmente non possediamo alcun metodo per manipolare direttamente alla piscina DOM ambiente. Tuttavia, dal momento che la biogeochimica del DOM è legata a sostanze nutritive che si trovano comunemente nell'ambiente (ad es NITtasso di [NO ₃ ^{-] 3),} possiamo aggiungere altri soluti per streaming ecosistemi e misurare la risposta della piscina DOM di queste manipolazioni. Esaminando come la piscina DOM risponde a una vasta gamma di concentrazioni di nutrienti sperimentalmente imposti speriamo di ottenere una migliore comprensione di come DOM risponde alle mutevoli condizioni ambientali.

Un metodo comunemente usato nel flusso biogeochimica è metodo di aggiunta di nutrienti. Esperimenti aggiunta di nutrienti sono stati tradizionalmente utilizzati per comprendere la cinetica di assorbimento o il destino del ^4,5,6,7 soluto aggiunto. Aggiunte nutrienti possono essere a breve termine sul hr ⁶ in scala giorno ^4, o manipolazioni a lungo termine nel corso di più anni ^8. Aggiunte nutrienti possono includere anche con isotopi nutrienti etichettati (ad esempio ¹⁵ N-NO ₃ ^-) per tracciare sostanza nutritiva aggiunta attraverso reazioni biogeochimici. Tuttavia, gli studi isotopi-based sono spesso Expensive e richiedono analisi impegnative (ad esempio digestioni) dei comparti multipli bentonici in cui possono essere conservati i nutrienti isotopi marcati. Sperimentazione recente ha rivelato l'utilità di impulsi di nutrienti a breve termine per chiarire i controlli soluti non aggiunto e ambientali come DOM ^9,10, rivelando un nuovo modo con il quale per esaminare in tempo reale nelle reazioni biogeochimici situ. Qui si descrive e illustra le misure metodologici fondamentali per la conduzione degli impulsi di nutrienti a breve termine con l'obiettivo di comprendere la biogeochimica accoppiata di C e N e in particolare i controlli sulla grande diversità piscina DOM. Questo metodo facilmente riproducibile comporta l'aggiunta di un impulso di nutrienti in un flusso portata sperimentale e misurando le variazioni nella concentrazione del soluto sia manipolata e la variabile di risposta di interesse (ad esempio DOC, DON, DOP). Manipolando direttamente concentrazioni di nutrienti in situ siamo in grado di modificare indirettamente il DOMpiscina e esaminare come DOM variazioni di concentrazione di tutta una gamma dinamica di concentrazioni di nutrienti ^10.

Protocol

1. Identificare e caratterizzare i Ideale Sperimentale flusso Reach Assicurarsi che raggiunge flusso sperimentali sono abbastanza a lungo per promuovere la completa miscelazione di soluti 11 e abbastanza a lungo in cui potrebbe essere l'assorbimento biologico. lunghezze Reach possono variare tra i corsi d'acqua ed esperimenti. In piccoli flussi headwater primo ordine, raggiunge la lunghezza può variare da 20-150 m (o più, se il sistema richiede) a seconda di scarico e altre proprietà fisiche del flusso. Escludere grandi vasche da raggiunge sperimentali, in quanto ritardano il movimento a valle dei soluti, sezioni di flusso minimo, e affluenti che diluire la soluzione aggiunto. Periodi di bassa scarico possono richiedere accorciando la lunghezza portata, mentre lo scarico superiore può richiedere una portata più lunga. Identificare una posizione alla sommità del flusso portata sperimentale sopra un fucile per facilitare la miscelazione dei soluti aggiunti. Questo sarà il sito aggiunta. Nella parte inferiore del flusso sperimentaleraggiungere, identificare una posizione in cui flusso è ristretto e rappresentante di circa il 90% del flusso totale (figura 1). Questo sarà il sito di raccolta del campione. Figura 1:. Esempio di valle del sito di campionamento Un sito di campionamento ideale è dove la maggior parte del flusso è ristretto e facilmente accessibile senza disturbo del canale torrente e benthos. Ecco un pezzo caduto di detriti di legno ha creato questo punto di campionamento in un piccolo ruscello headwater primo ordine. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura. Ottenere concentrazioni di misurazione scarico e lo sfondo nutrienti dei soluti nelle precedenti esperimenti per calcolare la massa di soluti necessari per la manipulations. Si prega di consultare i calcoli in fase 2.2.1. Ottenere dati di concentrazione di sfondo per il soluto bersaglio di manipolazione (es NO 3 -) e cloruro (Cl -) che viene spesso utilizzato come tracciante conservativo. Utilizzare il tracciante conservativo nel contesto di questi esperimenti, per monitorare variazioni di conducibilità, che indicano l'arrivo dell'impulso nutrienti alla stazione di campionamento e la velocità con cui l'impulso attraversa. Conducibilità, o conducibilità specifica, è un surrogato per le modifiche in-situ della concentrazione del tracciante conservativo. Caratterizzare le proprietà fisico-chimiche della portata sperimentale raccogliendo dati ausiliari come la larghezza e la profondità portata, temperatura, pH e l'ossigeno disciolto. Eseguire misurazioni che non possono essere realizzati con l'uso di una sonda ambientale (ad esempio larghezza e profondità), il giorno prima o immediatamente dopo l'esperimento per minimizzare qualsiasi bentonici oR disturbo chimico all'interno del canale torrente. Dividere la portata sperimentale in transetti equidistanti (ad esempio, ogni 10 m), dove la larghezza e almeno 3 misurazioni di profondità possono essere valutati (per esempio a destra banca, thalweg, e la riva sinistra). Questi dati sono utili per collegare le proprietà fisiche di un flusso di misurazioni biogeochimici e se i ricercatori sono interessati a calcolare cinetica di assorbimento dei nutrienti e parametri 6 anche. 2. Preparazione per Experiment Determinare la massa (kg) di soluto necessaria per la manipolazione utilizzando le equazioni riportate qui di seguito. Nota: L'esempio che segue si applica a un esperimento a base di nitrati con NO 3 – in forma di nitrato di sodio (NaNO 3) e assume una aumento mirato di 3x sopra sfondo (equazioni sono basate su quelle di Kilpatrick e Cobb 12). In questo esempio le seguenti ipotesi sono state fatte con respect alle condizioni di fondo: scarico = 10 L / sec; [CL] = 10 mg / l; [NO 3 -] = 50 mg N / L. A causa delle variazioni tra esperimenti, regolare i dati di input richiesti. Calcolare l'aumento mirato (Equazione 1): Mirata [NO 3 – mg N / L] = aumento di fondo previsto [NO 3 – mg N / L] aumento mirato * 150 mg N / L = 50 mg N / L * 3 Calcolare il flusso di massa atomica totale (Equazione 2): Flusso di massa atomica totale (NO 3 – mcg N) = 30 min 60 sec * * Q (l / sec) * mirato [NO 3 – mg / L N] aumento Dove 30 minuti è la durata presunta di soluto di picco 12 e Q è scarico 2 700 000 mg N = 30 min 60 sec * * 10 L / s * 150 mg N / L Calcolare il flusso di massa molecolare totale (Equazione 3): Flusso di massa molecolare totale (NO 3 – mcg N) = flusso di massa atomica totale (NO 3 – mcg N) / massa atomica (14) * ci molecolareight (85) Dove massa atomica si riferisce a N e peso molecolare si riferisce alla Nano 3. 16,392,857.14 mg N = 2.700.000 mg N / (14 * 85) Calcolare la massa di aggiungere (Equazione 4): Messa da aggiungere (g) = flusso totale massa molecolare (NO 3 – mcg N) / 1.000.000 g / mg 16.39 g Nano 3 = 16,392,857.14 mg N / 1.000.000 g / mg Nota: Seguire i calcoli di cui sopra per altri soluti tra cui il tracciante conservativo (ad esempio, cloruro di sodio). Assicurarsi di regolare le masse atomiche e molecolari per il soluto di interesse. Preparare tutti i soluti un giorno prima esperimenti sul campo. Pesare abbastanza soluti di aumentare la concentrazione ambientale sia del tracciante biologica e il tracciante conservativo tre volte (o quantità desiderata) sopra sfondo. È importante che la quantità di soluti aggiunti provoca una variazione misurabile sopra concentrazione di fondo che è sufficiente a creare awgamma dinamica ide nella concentrazione di nutrienti aggiunti. Pesare soluti che utilizzano bilance analitiche e, successivamente, memorizzare in un ambiente pulito bottiglie di polietilene ad alta densità d'acido con etichette appropriate. Esempi di traccianti biologici comprendono: NO 3 -: nitrato di sodio (Nano 3); NH 4 +: cloruro di ammonio (NH 4 Cl); PO 4 -3: fosfato di potassio (K 2 HPO 4). Tuttavia, la scelta del tracciante biologico sarà una funzione della domanda biogeochimico viene chiesto. Opzioni per traccianti conservativi includono cloruro di sodio (NaCl) e bromuro di sodio (NaBr). Raccogliere materiali rimanenti: libretto di campagna, nastro etichettatura e penna, campo nastro di misurazione, più fresco, conduttimetro, ~ 20 L secchio e grande bacchetta (ad esempio birra paddle, tondo per cemento armato, grande bastone), alta circa 50 pulite e lavata con acido 125 ml bottiglie in polietilene densità da. Etichettare le bottiglie da 125 ml # 1-50. Nota: Less di 50 campioni può essere preso per esperimento e campioni di fondo sono inclusi nei 50 bottiglie totali. Opzionale: A seconda del numero di personale sul campo, eseguire il filtraggio del campione in loco (vedi sezione # 5). Se si sceglie questa opzione, portare 50 puliti, 60 ml bottiglie di polietilene ad alta densità pre-etichettati e lavata con acido nel campo. Etichettare le bottiglie da 60 ml # 1-50 per abbinare le bottiglie di raccolta ml 125. 3. Giornata di set up Distribuire il conduttimetro campo presso il sito di raccolta. Posizionare lo strumento a monte (circa 0,5-1,0 m) di cui verranno prelevati campioni di raccolta in modo del campione non interferisce con le letture dello strumento. Lo strumento resterà in vigore per tutto l'esperimento. Un misuratore di campo conducibilità è migliore in quanto fornisce le letture di conducibilità in tempo reale, che sono necessari per determinare la frequenza di campionamento (vedi punto 5.2) e la filtrazione e l'ordine di analisi (punti 5.3 e 6.1). Raccogliere 125 ml di fondo samples in triplice copia nel sito aggiunta e al sito di raccolta della portata sperimentale prima dell'aggiunta della soluzione. Questi dati saranno utilizzati per verificare giorno della concentrazione ambiente e per determinare la variazione della concentrazione di soluti lungo il torrente portata. Questi dati sono anche preziosi per collegare ambiente flusso chimica: – alle misure biogeochimici di interesse (ad esempio DOC NO 3 rapporti. 13). Registrare il tempo e la conducibilità di fondo campioni raccolti. Registrare la conducibilità del flusso sfondo prima dell'aggiunta soluzioni. 4. soluti Aggiunta Versare tutti i reagenti (16.39 g Nano 3 e il 1483 g NaCl) in un grande contenitore (ad esempio 20 L benna) e aggiungere acqua corrente sufficiente a sciogliere completamente i soluti. Risciacquare vasi reagenti tre volte con acqua flusso aggiuntivo e versare in un contenitore risciacquo soluzione. Tenere traccia di quantità di acqua aggiunta. Ad esempio, utilizzare un flacone da 500 ml di versare acqua corrente nel contenitore. Mescolare soluzione fino a quando tutti i reagenti sono stati completamente dissolto. Raccogliere 60 ml aliquota della soluzione additiva. Mantenere questo campione ad alta concentrazione separato (ad es sacchetto a chiusura lampo) da tutti gli altri campioni per ridurre al minimo la contaminazione incrociata. Questi campioni sono importanti se calcolo nutrienti cinetica di assorbimento 6 è un ulteriore obiettivo del progetto di ricerca come questi campioni possono essere utilizzati per determinare la massa esatta di soluti aggiunto. Versare la soluzione nel sito aggiunta. A tale scopo, versando la soluzione in un movimento fluido e rapido per ridurre al minimo il tempo di ritardo di viaggio e schizzi che potrebbe ridurre la quantità di reagenti aggiunti. Risciacquare il contenitore e il mescolare bastone tre volte nel flusso immediatamente dopo l'aggiunta di garantire tutti i reagenti sono stati aggiunti al flusso. Registrare il tempo è stata aggiunta la soluzione: h: min: sec. Registrare le masse di aggiunta di rivelatori(Ad esempio Nano 3 e NaCl). Dopo che la soluzione è stata aggiunta, non disturbare il flusso. Assicurarsi che tutte lungo il flusso si verifica sulle banche per garantire che il flusso benthos e la soluzione stessa non sono disturbati. Campionamento 5. Campo Order bottiglie campionamento crescente attesa per soluzione per arrivare alla posizione di campionamento. Il tempo di percorrenza sarà una funzione di scarica e raggiungere la lunghezza e può essere determinato in anticipo (un giorno prima) o con una NaCl sola iniezione o rodamina colorante (che può essere utilizzato per stabilire il tempo di viaggio 14). Nota: Se si lavora su un progetto DON a tema, evitare l'uso di colorante rodamina in quanto è un tipo di DON e pertanto modificare il ambiente DON piscina se eventuali resti alla portata di studio. Figura 2:Esempio schematico di soluto Curve Breakthrough (BTC). A BTC rappresenta variazioni di concentrazione del soluto nel tempo e può essere utilizzato per spiegare il transito e cicli biogeochimici di un tracciante in un flusso. Campioni prelevati devono essere prese attraverso il BTC con una frequenza che dà pari rappresentanza sia alla ascendenti e discendenti arti del BTC. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. Raccolta dei campioni Nota: Il onnicomprensiva obiettivo di raccolta del campione, è quello di rappresentare adeguatamente i cambiamenti nella concentrazione del soluto lungo entrambi i salita e discesa membra della rottura attraverso curva (BTC) (Figura 2). All'arrivo della soluzione (rilevato tramite un aumento della conducibilità), raccogliere campioni in 125 ml bottiglie tutto il BTC tenendo un flacone 125 ml nel flusso principale di acqua del punto di prelievo. Velocely lavare la bottiglia con acqua corrente ed eliminare risciacquare a valle e poi prendere esempio. campione Cap e il luogo in più fresco. Registrare il tempo (ore: min: sec) e la conduttività di ciascun campione prelevato lungo il BTC in un libro di campo (Tabella 1). Raccogliere i campioni in base al tempo (ad esempio intervalli di 1 minuto) o in base alla velocità con cui i cambiamenti di conducibilità. Per esempio, se la conducibilità sta cambiando rapidamente, campionare ogni 30-60 secondi fino a cambiamenti nella conduttività lento, in cui i campioni di tempo possono essere prese ogni 5-10 minuti. Per gli intervalli basati sulla conduttività, prelevare campioni ogni 15-30 unità a seconda della velocità con cui la conducibilità sta cambiando. Esempio fino conducibilità ritorna sfondo o entro 5 S / cm di condizioni di fondo. Intervalli di raccolta del campione può essere regolata durante l'esperimento finché il BTC è ben rappresentata nei campioni prelevati. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page = "always"> Bottiglia # conduttanza specifica Tempo Note 1 h: min: sec es sfondo (downstream) 2 es sfondo (downstream) 3 4 5 ad esempio, campione a conduttanza picco . . . Massima bottiglia # Tabella 1PFieldlibro: Esempio Pagina dal laboratorio Libro e le informazioni richieste Esempio di filtraggio Nota: filtraggio dei campioni può avvenire sia in campo o al ritorno al laboratorio. Filtrare campioni dell'arto crescente in ordine crescente conducibilità specifica fino al picco di conducibilità specifica. Attendere che l'esperimento possa essere finita e campioni di filtro dal arto cadere in ordine crescente di conducibilità specifica (cioè iniziare con l'ultimo campione e lavorare a ritroso verso la conducibilità specifica di picco). Nota: Questo ordine di campioni minimizza la contaminazione incrociata tra i campioni e consente lo stesso filtro, siringa, e portafiltro per essere utilizzato fintanto che il filtro, siringa e portafiltro opportunamente risciacquati tra ciascun campione (vedi i punti 5.3.2- 5.3.4). Rimuovere lo stantuffo da una siringa da 60 ml e quindi chiudere rubinetto. Versare circa 10 ml di campione nella siringa e tornare stantuffo della siringa. Agitare siringa in modo tale campionerisciacqui pareti interne della siringa. siringa collegata alla porta-filtro e open rubinetto. Spingere campione attraverso porta-filtro e scartare risciacquare. Rimuovere stantuffo e vicino rubinetto. Versare circa 30 ml di campione nella siringa e tornare stantuffo della siringa. Aperto stock-cock ed espellere ~ 10 ml con porta-filtro e in 60 ml bottiglia di campionamento. Tappare il flacone, agitare con filtrato e scartare. Ripetere questo passaggio per un totale di 3 risciacqui. Ciò garantirà eventuali impurità sono state rimosse dal contenitore del campione 60 ml e che le pareti sono rivestite con il campione. Rimuovere stantuffo e vicino rubinetto. Versare ~ 60 ml di campione nella siringa e tornare stantuffo della siringa. Spingere il campione attraverso il porta filtro e nella bottiglia campione di 60 ml. Riempire le bottiglie fino alla spalla per evitare la rottura delle bottiglie con il freddo. Tappo di bottiglia e il luogo in più fresco. Ripetere i passaggi 5.3.2-5.3.4 per tutti i campioni rimanenti. Cambiare filtro tra sale e scende campioni degli arti per minimizzare la contaminazione. </li> Trasportare i campioni al laboratorio lo stesso giorno e su ghiaccio. 6. Preparazione per analisi di laboratorio Se il filtro dei campioni deve avvenire in laboratorio, seguire il protocollo come descritto nel paragrafo 5.3.1. Filtrare campioni sia ascendenti e discendenti arti del BTC in ordine crescente di conducibilità. Cambiare il filtro tra l'aumento degli arti e il calo dei campioni degli arti. Congelare campioni filtrati a -20 ° C fino al momento dell'analisi. Assicurarsi che le strutture analitiche sono attrezzati per gestire campioni altamente concentrati. Nota: alcuni laboratori non sono attrezzati per eseguire campioni altamente concentrati e, quindi, la cura dovrebbe essere presa. Incorporare gli standard preparata che cattura che più alto delle concentrazioni di soluto attesi. standard di alta concentrazione contribuirà a garantire una curva standard che cattura l'intervallo previsto di concentrazione del soluto manipolati. analizzare i campionida bassa ad alta conducibilità su tutti gli strumenti analitici. Ordinazione di campioni da bassa ad alta conducibilità specifica impedisce la contaminazione dei campioni basso contenuto di sale / nutrienti da campioni di sale / nutrienti. Questo significa campioni arti salita e discesa saranno miscelati rispetto alla sequenza. Analizzare campioni di carbonio organico totale disciolto, azoto totale disciolto, nitrato di ammonio e, anche se l'esatta combinazione di analisi soluti sarà una funzione della domanda di ricerca (vedi Wymore et al. 10, per esempio). Analisi 7. I dati Analizzare i dati utilizzando regressione lineare semplice. La variabile indipendente è la concentrazione della sostanza nutritiva aggiunta e la variabile dipendente è la concentrazione DOM sia come DOC o DON. Ogni punto sulla figura rappresenta un campione afferrare dalla curva svolta e nutriente che del campione e la concentrazione DOC / DON.

Representative Results

Figura 3: Esempio. I risultati di nitrati (NO 3 -) Aggiunte con Dissolved Azoto (DON) come la variabile di risposta Le analisi sono regressioni lineari. Gli asterischi rappresentano la significatività statistica a α = 0,05. Nota la gamma dinamica in NO 3 – concentrazione che è stato raggiunto con il metodo dell'impul…

Discussion

L'obiettivo del metodo di impulso di nutrienti, come presentato qui, è quello di caratterizzare e quantificare la risposta del grande diversità piscina di ambiente DOM flusso di acqua attraverso una gamma dinamica di un nutriente inorganico aggiunto. Se il soluto aggiunto aumenta sufficientemente la concentrazione del soluto reattiva, un grande spazio inferenziale può essere creato per capire come il ciclo biogeochimico del DOM è legata a concentrazioni di nutrienti. Questo approccio impulso nutriente è ideale …

Materials

Sodium Nitrate	Any	Any
Sodium Chloride	Any	Any	Store purchased table salt can be used as well, however, it does contain trace levels of impurities
Whatman GFF glass-fiber filters	Any	Any
BD Filtering Syringe	Any	Any
EMD Millipore Swinnex Filter Holders	Any	Any
Syringe stop-cock	Any	Any
YSI Multi-parameter probe	Yellow Springs International	556-01
Wide mouth HDPE 125 ml bottles	Any	Any
60 ml HDPE bottles	Any	Any
20 L bucket	Any	Any
Field measuring tape	Any	Any
Lab labeling tape	Any	Any
Stir stick	Any	Any
Cooler	Any	Any
Sharpie pen	Any	Any
Field notebook	Any	Any
Tweezers	Any	Any
Zip-lock bags	Any	Any