Het meten van opgelost methaan in aquatische ecosystemen met behulp van een optische spectroscopiegasanalysator

Samenvatting

Deze studie demonstreert een benadering om methaangasconcentraties in waterige monsters te meten met behulp van draagbare optische analysatoren die zijn gekoppeld aan een injectiekamer in een gesloten lus. De resultaten zijn vergelijkbaar met conventionele gaschromatografie, waardoor een praktisch en goedkoop alternatief ontstaat dat bijzonder geschikt is voor veldonderzoek op afstand.

Samenvatting

Het meten van broeikasgasfluxen en -pools in ecosystemen wordt steeds gebruikelijker in ecologische studies vanwege hun relevantie voor klimaatverandering. Hiermee groeit ook de behoefte aan analytische platforms die kunnen worden aangepast aan het meten van verschillende pools en fluxen binnen onderzoeksgroepen. Deze studie heeft tot doel een procedure te ontwikkelen voor het gebruik van draagbare gasanalysatoren op basis van optische spectroscopie, oorspronkelijk ontworpen en op de markt gebracht voor gasfluxmetingen, om broeikasgasconcentraties in waterige monsters te meten. Het protocol omvat de traditionele headspace-equilibratietechniek, gevolgd door de injectie van een headspace-gassubmonster in een kamer die via een gesloten lus is verbonden met de inlaat- en uitlaatpoorten van de gasanalysator. De kamer is vervaardigd uit een generieke glazen pot en eenvoudige laboratoriumbenodigdheden, en het is een ideale oplossing voor monsters die mogelijk verdunning vóór injectie vereisen. Methaanconcentraties gemeten met de kamer zijn sterk gecorreleerd (r² > 0,98) met concentraties die afzonderlijk worden bepaald door middel van gaschromatografie-vlamionisatiedetectie (GC-FID) op submonsters uit dezelfde flesjes. De procedure is met name relevant voor veldstudies in afgelegen gebieden waar chromatografieapparatuur en -benodigdheden niet direct beschikbaar zijn, en biedt een praktische, goedkopere en efficiëntere oplossing voor het meten van methaanconcentraties en andere opgeloste broeikasgassen in aquatische systemen.

Inleiding

Ecosystemen op de terrestrisch-aquatische interfase, zoals wetlands, meren, reservoirs, rivieren en kreken, zijn belangrijke putten en bronnen van broeikasgassen (BKG) zoals kooldioxide (CO₂ ), methaan (CH₄) en lachgas (N₂O)^1,2. CH₄ wordt met name geproduceerd tijdens anaërobe ademhaling in de verzadigde poriën van sedimentporiën. Zodra het is geproduceerd, wordt een fractie geoxideerd en omgezet in CO₂, terwijl de rest uiteindelijk door de waterkolom en vegetatie zal diffunderen of in bubbels zal barsten³. De concentratie van CH₄ in het water dat de sedimentporiën (d.w.z. porewater) op een bepaald moment verzadigt, biedt een glimp van de balans tussen CH₄ geproduceerd, geconsumeerd en getransporteerd⁴. Gemeten over verticale profielen of tijd, maakt de poriewaterconcentratie het ook mogelijk om zones te identificeren die actiever zijn in de productie en consumptie van CH₄ en hun seizoensvariatie.

Traditioneel omvatten de methoden om de concentratie van broeikasgassen uit poriënwater in ecosystemen te bepalen, het verwerken van watermonsters die in het veld zijn verzameld om gassen in een gecreëerde headspace in evenwicht te brengen. Vervolgens wordt de headspace geanalyseerd door middel van gaschromatografie om de concentraties⁵ te bepalen. Hoewel deze methode veel wordt toegepast in ecologische studies, vereist het bench-top gaschromatografie-vlamionisatiedetectie (GC-FID)-systemen die de toewijzing van conventionele laboratoriumruimte en een hoge mate van vakkennis met zich meebrengen om te kalibreren en te bedienen (bijvoorbeeld⁶). Het vereist ook het gebruik van gespecialiseerde verbruiksartikelen, zoals grote tanks met draaggassen (d.w.z. stikstof (N₂) en helium (He)), die niet direct beschikbaar zijn op afgelegen locaties. Deze vereisten en de bijbehorende logistiek van het monstertransport naar het laboratorium kunnen het bemonsteringsontwerp beperken en, in sommige gevallen, de reikwijdte van het onderzoek beperken wanneer er geen chromatografieapparatuur beschikbaar is.

Deze studie had tot doel een alternatieve methode te ontwikkelen voor het meten van opgeloste broeikasgasconcentraties uit headspace-monsters van waterige oplossingen met behulp van draagbare gasanalysatoren op basis van optische spectroscopie. Dit type optische gasanalysator is een kosteneffectief alternatief voor standaard GC-FID-systemen en de draagbaarheid maakt het een ideale keuze voor veldwerktoepassingen. Draagbare gasanalysatoren op basis van optische spectroscopie produceren hoogfrequente gasconcentratiemetingen (d.w.z. ~ 1 ^s-1) met responstijden van 2 - 5 s, afhankelijk van de merken en modellen. Deze instrumenten zijn voornamelijk ontworpen en op de markt gebracht voor het bepalen van gasfluxen van broeikasgassen die oppervlakken uitstoten, zoals bodem, water en vegetatie ^7,8,9. Optische analysatoren maken fluxberekening mogelijk op basis van continue concentratiemetingen in niet-steady-state headspace-kamers die over de emitterende oppervlakken van belang worden ingezet. Bij het normale beoogde gebruik met oppervlaktekamers maken de hoogfrequente metingen van de veranderingssnelheid in concentraties die in de kamer worden waargenomen en de bekende afmetingen, druk en temperatuur van de kamer het mogelijk om die gegevens te interpreteren met betrekking tot de emissiesnelheid (of opname) per oppervlak (d.w.z. oppervlaktefluxen)¹⁰. Draagbare gasanalysatoren zijn echter niet uitgerust of geoptimaliseerd voor opgeloste concentraties in waterige media, waardoor aanvullende aanpassingen en interpretaties voor dat type analyse nodig zijn.

Gebruikmakend van eerdere demonstraties van het gebruik van optische analysatoren om concentraties te bepalen in discrete monsters uit headspaces⁸, ontwierpen we een kleine, gesloten kamer (d.w.z. geen emitterende oppervlakken) die in een gesloten lus op de analysator wordt aangesloten. De verandering in concentraties na de injectie van het gassubmonster in de headspace, gevolgd door verdunningsberekeningen, maakt het mogelijk de concentraties van de oorspronkelijke headspace te bepalen. De precisie van deze aanpak werd geëvalueerd door de resultaten te vergelijken met de resultaten die via GC-FID in dezelfde monsters waren verkregen. De methode wordt verder gedemonstreerd door middel van een use case die de verticale profielen van CH₄ analyseerde in poriewatermonsters die waren verzameld op experimentele locaties in een zoetwatermoeras in Louisiana.

Protocol

1. Bemonstering en analyse van poriënwater

1. Verzamel de monsters met behulp van poriënwaterdialyse-samplers (peepers)¹¹. Zet de gluurders in op relevante locaties van de onderzoekslocatie. In de demonstratiestudie werden 6 gluurders ingezet op de twee dominante vegetatieplekken van een zoetwatermoeras: drie op een plek die wordt gedomineerd door Sagitaria lancifolia en de andere drie op een plek die mede wordt gedomineerd door Sagitaria lancifolia en Typha latifolia .
2. Verzamel 4x monsters in juni, september, oktober en december. Verzamel monsters op 10 verschillende dieptes vanaf het grondoppervlak tot ~50 cm eronder. De bemonstering volgde de methode beschreven in^12,13.
   1. Vul de bemonsteringscellen ~20 dagen voor de bemonstering met 61 ml gedeïoniseerd water. Bel gedeïoniseerd water met N₂ gedurende 5 minuten in het laboratorium om de zuurstof te verwijderen voordat u het in het veld gebruikt.
   2. Zuig tijdens de bemonstering 25 ml water uit de cel met een spuit die is aangesloten op de extractieleiding van de cel. Vul vervolgens de cellen bij met vers gedeïoniseerd water dat is voorgebubbeld met N₂ via een secundaire celoplaadlijn. Als concentratiemetingen direct na afname nodig zijn, ga dan verder met stap 2.1.
   3. Voeg het geëxtraheerde water toe aan glazen flesjes van 10 ml geconserveerd met 0,2 ml 0,1 M HCl, dop af met septum en zet in de koelkast tot analyse in het laboratorium.
      OPMERKING: Gebruikers van deze methode zijn welkom om de verzameldiepten, het bemonsteringsschema en de frequentie aan te passen op basis van specifieke onderzoeksbehoeften.

2. Meting van de concentratie van broeikasgassen

1. Voer een evenwicht in de hoofdruimte uit van poriewatermonsters in een spuit
   1. Maak headspace-gasmonsters met behulp van de equilibratietechniek¹⁴. Gebruik een spuit van 30 ml om 5 ml water (V_pw) op te zuigen uit de monsters die in het veld zijn verzameld en voeg vervolgens 15 ml N₂ (Ultra High Purity 99,999%) toe om de headspace (V_hs) te creëren.
   2. Schud de spuit krachtig en consequent gedurende 5 minuten, handmatig of met behulp van een schommelschudder (indien beschikbaar). Injecteer 12 ml headspace-gassubmonster in een vooraf geëvacueerde injectieflacon van 10 ml die wordt gebruikt voor gasconcentratiemetingen met de optische analysator in de volgende stappen (Figuur 1). Leeg de injectieflacons met een peristaltische pomp¹⁵ of trek handmatig aan de zuiger van een spuit van 60 ml op de gesloten injectieflacon en pomp de lucht 3x weg.
      LET OP: Hij kan worden gebruikt in plaats van N₂ om de headspace te creëren. De procedure voor het toevoegen van N₂ of He aan de spuit is afhankelijk van de specifieke aanpassing of regelaar van de tank die beschikbaar is voor gebruikers. Deze toevoeging houdt meestal in dat de spuit aan de tank wordt gekoppeld met behulp van een bijpassende slang of dat de spuit wordt geëxtraheerd uit een bemonsteringspoort die is aangepast aan de tank. Afhankelijk van de omstandigheden ter plaatse en de bijbehorende logistiek kunnen gebruikers omgevingslucht gebruiken om de hoofdruimte te creëren.
2. Maak de injectiekamer
   1. Fabricage een injectiekamer die een klein volume lucht (~1 - 5 ml) kan opnemen in een afgesloten luchtvolume dat wordt aangesloten op de in- en uitstroom van de gasanalysator om een gesloten lus te vormen (Materiaaltabel). De injectiekamer en de analysator zijn de twee belangrijkste elementen van het systeem (Figuur 2).
   2. Wijzig het metalen deksel van een weckpot van 365 ml door een gat met een diameter van 11 mm te boren voor één septum als injectiepoort en twee gaten met een diameter van 7 mm om kraankleppen te plaatsen die op de analysator zijn aangesloten. Gebruik epoxylijm om de injectiepoort en fittingen vast te draaien en zorg voor kamerafdichting.
3. Sluit de injectiekamer aan op de optische analysator
   1. Sluit de pot aan op de inlaat- en uitlaatpoorten van de optische analysator met behulp van een binnendiameter van 5/32 inch (ID) en een buitendiameter van 1/4 inch (OD) PFA-plastic buizen en zijn verantwoordelijk voor hun extra volume. Zorg ervoor dat de slang de aanbevelingen van de fabrikant van het instrument volgt en schoon en droog is zonder condensatie.
   2. Stel de kleppen die de injectiekamer met het instrument verbinden zo in dat ze openen om een gesloten luchtcircuit te creëren. Wacht tot de gasconcentraties zijn gestabiliseerd.
4. Injecteer een monster in de kamer
   1. Wanneer de concentratie in de kamer en het signaal in de analysator zijn gestabiliseerd (d.w.z. standaarddeviatie <0,03 ppm), injecteer dan 2 ml van een submonster uit de injectieflacons met het in stap 2.1.2 gemaakte monster in de vrije ruimte. Wacht tot de concentraties in de analysator weer zijn gestabiliseerd voordat u het volgende submonster injecteert (Figuur 3).
   2. Injecteer maximaal 20 submonsters achter elkaar of minder als de concentratie dichter bij 100 ppm komt (zie⁸voor effecten op de nauwkeurigheid boven deze drempel). Analyseer CH₄ , controleer de standaarden voor elke 5 monsters en evalueer het verschil met werkelijke metingen met behulp van de relatieve standaarddeviatie (RSD).
   3. Als u klaar bent met de set gestapelde injecties, koppelt u een van de leidingen los die op het instrument zijn aangesloten om de kamer terug te zetten naar omgevingsdruk en aanzienlijke opbouw van druk en methaanconcentratie te voorkomen.
      OPMERKING: Op basis van meerdere testruns werd vastgesteld dat het signaal ~15 s stabiliseerde na de injectie, maar er kunnen andere tijden nodig zijn als reactie op andere opnamespecificaties van instrumenten (Afbeelding 3). Het debiet van het gebruikte instrument was ~1 L/min met een responstijd van 5 s en holtedruk tijdens de verschillende analyses op verschillende dagen, variërend van 720 tot 745 Torr.
5. Bereken CH_{4-concentraties} in de headspace
   1. Bereken voor elk deelmonster de concentratie van het doelbroeikasgas (bv. CH₄, CO_2, N₂O) in de headspace (C_hs - μmol/mol) met vergelijking 1:
      vergelijking [1]
      Waarbij V_hs het volume van de headspace-substeekproef is.
   2. Bereken de concentraties voor (C_bi - μmol ^mol-1) en na (C_ai - μmol ^mol-1) injecties als het gemiddelde van 15 metingen (~15 s) vóór de injectie en 15 na de stabilisatie van het signaal na injectie. Bereken de volumes in ml, voor (V_bi) en na (V_ai) injecties met vergelijkingen 2 en 3:
      [2]
      en
      [3]
      Waarbij V_j (ml) het toegevoegde volume van de pot (365 ml) en de slang (125,4 ml) is, en V_i (ml) het geaccumuleerde volume van de geïnjecteerde submonsters.
6. Bereken de poriewaterconcentratie
   1. Bereken de partiële druk (P_i - MPa) van CO₂, CH₄ of N₂O in de hoofdruimte met behulp van de molfractie van het gas in de hoofdruimte en de atmosferische druk (P) tijdens de verwerking van het monster met behulp van vergelijking 4:
      [4]
   2. Bereken de waterige equivalente concentratie van broeikasgassen in poriënwater met behulp van een verdunningsvergelijking (vergelijking 5) met headspace en waterige equivalente concentraties en volumes:
      [5]
      Waarbij R de universele gasconstante is (0,008314 L MPa ^{mol-1 K-1}), de luchttemperatuur (K), V_hs het volume van de headspace (ml), K_H^cp Henry's volatiliteitsconstante is van CO₂, CH₄ of N₂O (respectievelijk 2,96, 67,13 en 3,82 L MPa/mol)¹⁶, en V_pw het volume van het vloeibare submonster dat is gebruikt om de headspace te creëren (ml).
   3. Gebruik de geregistreerde T en P tijdens de metingen. De gemiddelde T en P tijdens de analyse van de steekproeven van het demonstratieproject waren respectievelijk 295,15 K en 0,101325 MPa.

3. Validatie aan de hand van standaard chromatografiemetingen

1. Analyseer verschillende bekende CH_{4-concentraties} in injectieflacons van 10 ml in een conventionele gaschromatograaf. Gebruik drie identieke groepen van elk 20 standaarden. De laagste concentraties varieerden van 5 tot 100 ppm en namen toe in stappen van 5 ppm.
2. Bepaal de CH_{4-concentraties} door vlamionisatiedetectie op een gaschromatograaf. De chromatograaf gebruikte een poreuze, polymeer absorberende kolom met He (25 ml/min) als draaggas. Om de metingen van de concentraties van de normen uit te voeren, kalibreert u de chromatograaf op een curve-fit (r²) > 0,99.
3. Ga na de chromatografie verder met het bepalen van de CH_{4-concentratie} in dezelfde standaardflesjes met behulp van de hierboven beschreven methode, met behulp van een optische analysator die door de fabrikant is gekalibreerd (d.w.z. precisie (300 s, 1σ): 0.3 ppb CH₄).
4. Beoordeel de nauwkeurigheid van de methode door een lineaire regressie toe te passen op de resultaten van de chromatografie en optische analysator van de drie standaardgroepen. Beoordeel de reproduceerbaarheid van de methode door de hellingen en onderscheppingen van regressies die binnen elke groep standaarden zijn uitgevoerd, te vergelijken. Evalueer de vergelijking met behulp van een standaard minst kwadratisch model met de nadruk op effecthefboomwerking. Evalueer alle regressies en vergelijkingen op een significantieniveau van 0,05.

Resultaten

Optische analysator versus gaschromatografie
De resultaten verkregen door middel van gaschromatografie en de optische analysator voor de drie groepen standaarden toonden goede lineaire pasvormen (d.w.z. r² > 0,98) met hellingen dicht bij één (Figuur 4). De hellingen van de regressies in de drie experimenten waren statistisch vergelijkbaar (F(2) = 0,478, p = 0,623), wat de reproduceerbaarheid van de resultaten suggereer...

Discussie

Deze studie toonde de toepasbaarheid aan van draagbare gasanalysatoren op basis van optische spectroscopie die zijn gekoppeld aan een op maat gemaakte injectiekamer om headspaces te analyseren die zijn gemaakt van watermonsters. De demonstratie concentreerde zich op CH₄, maar het protocol kon worden toegepast op het analyseren van andere relevante broeikasgassen zoals CO₂ en N₂O⁸. Het doel was om voort te bouwen op eerdere systemat...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
1/4 in. I.D. x 3/8 in. O.D. Heldere vinyl buis	Home Depot	SKU # 702098	Gebruik om stopkranen en slangen aan te sluiten op het instrument. Twee korte stukken (~4 cm).
5/16 - 5/8 in. Roestvrijstalen slangklem	Everbilt	6260294	Gebruik om slangen te bevestigen die de stopkraankleppen en slangen verbinden met het instrument.
Scheurbestendige Teflon PFA semi-heldere buis voor chemicaliën, 5/32" ID, 1/4" OD	McMaster-Carr	51805K86	Gebruik om de injectiekamer te verbinden met de inlaat- en uitlaatpoorten van het instrument. We gebruikten twee slangen van 0,68 m lang in ons experiment.
Boor met titanium trapboor	Meerdere bedrijven		Gebruik om de gaten voor septum en stopkranen in het metalen deksel van de pot te boren.
Gay butyl septum (stop)	Weathon Microliter	20-0025-B	Gebruik als injectiepoort en als septum voor de fles (indien compatibel).
Headspace flesjes 20ml (23x75mm), Helder, Geribbelde Ronde Bodem	Restek	21162	Gebruik om de headspace-monster op te slaan.
Heavy Duty Steel Bond Epoxy GorillaWeld	Gorilla	4330101	Gebruik om stopkraankleppen en septum aan het metalen deksel van de pot te lijmen.
Hypodermische naalden	Air-Tite Products Co.	N221	Gebruik om water uit veldflesjes te extraheren, headspace-monster in de fles te injecteren en submonster in de injectiekamer te injecteren.
Mason pot (12 oz)	Ball, Kerr, Jarden		Grotere of kleinere kamervolumes kunnen worden gekozen, afhankelijk van de monsterconcentraties.
Optisch spectroscopie-gebaseerde gasanalysator	Meerdere bedrijven	Picarro G4301, Licor 7810, Licor 7820, ABB GLA131-GGA	Dit zijn enkele specifieke voorbeelden van analysers die aan de injectiekamer kunnen worden gekoppeld. We erkennen dat dit geen uitputtende lijst is en dat andere optische spectroscopie-analysatoren ook geschikt kunnen zijn voor de methode.
Stopkraanklep	DWK Life Sciences	420163-0001	Houd de kleppen open tijdens normaal gebruik.
Spuit (2,5 mL)	Air-Tite Products Co.	R2	Gebruik om submonsters uit de headspace-flesjes te extraheren en ze in de injectiekamer te injecteren voor analyse.
Spuit (30 mL)	Air-Tite Products Co.	R30HJ	Gebruik om headspace te creëren voor gasanalyse.