Zrozumienie biogeochemii rozpuszczonej materii organicznej poprzez manipulacje składnikami odżywczymi in situ w ekosystemach strumieni

Ogólnym celem tej metody impulsowania składników odżywczych jest pośrednia manipulacja otaczającą pulą rozpuszczonej materii organicznej, aby zrozumieć, w jaki sposób pula ta reaguje na zmiany stężenia składników odżywczych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu biogeochemii strumieni, takie jak sposób, w jaki powiązane są cykle materii organicznej i składników odżywczych. Główną zaletą tej metody jest to, że stanowi ona manipulację całym ekosystemem i może być łatwo powtórzona.

Znaczenie tej techniki rozciąga się na eksport węgla i azotu z obszaru zlewni, ponieważ oddziaływanie tych pierwiastków determinuje sposób ich retencji w strumieniu. Pomysł na tę metodę pojawił się, gdy zauważyliśmy, że podejście z wykorzystaniem impulsu biogenów (nutrient slug) tworzy dynamiczny zakres stężeń składników odżywczych, a stężenia rozpuszczonej materii organicznej są wrażliwe na te zmiany. Na początek należy zainstalować polowy konduktometr, wybierając miejsce położone w odległości około 0,5 do 1,0 metra powyżej miejsca poboru próbek.

Miernik pozostanie na swoim miejscu przez cały czas trwania eksperymentu. Następnie należy trzykrotnie wypłukać butelki z polietylenu o wysokiej gęstości, myte kwasem, i użyć ich do pobrania trzech prób tła o objętości 125 mililitrów każda w miejscu dodawania, a następnie w miejscu poboru prób odcinek eksperymentalnego. Służą one do określenia stężeń tła przed dodaniem roztworu.

Zapisz przewodność tła w strumieniu przed dodaniem substancji rozpuszczonych. Następnie zapisz czas poboru oraz przewodność pobranych próbek tła. W pierwszej kolejności pobierz wodę ze strumienia za pomocą dużego pojemnika.

Następnie należy dodać wszystkie odczynniki i upewnić się, że substancje rozpuszczone całkowicie się rozpuściły. Należy monitorować ilość dodanej wody. Naczynia z odczynnikami należy przepłukać trzykrotnie dodatkową wodą z kranu, a wodę z płukania przelać do pojemnika z roztworem.

Mieszać roztwór czystym mieszadłem aż do całkowitego rozpuszczenia wszystkich odczynników. Odpowiednio oznakować butelkę z polietylenu o wysokiej gęstości o pojemności 60 mililitrów i przelać do niej 60 mililitrów alikwotu roztworu do dodawania. Przechowywać oddzielnie od innych próbek, aby uniknąć zanieczyszczenia.

Następnie wlej próbkę w miejsce dodawania płynnym i szybkim ruchem, aby zminimalizować czas opóźnienia przepływu i uniknąć rozbryzgów. Natychmiast wypłucz pojemnik i zamieszaj trzema ruchami w strumieniu cieczy, aby uwolnić wszystkie odczynniki. Zapisz czas w godzinach, minutach i sekundach.

Zapisz masę dodanych znaczników oraz czas ich uwolnienia, dbając o to, aby nie zakłócać benthosu strumienia ani roztworu aż do zakończenia eksperymentu. W miejscu poboru próbek, oczekując na roztwór, ustaw oznakowane butelki do pobierania w kolejności rosnącej. Użyj terenowego konduktometru do wykonania pomiarów w miejscu poboru.

Dotarcie roztworu zostanie wykryte poprzez wzrost przewodności. Po wykryciu dotarcia roztworu należy wziąć czystą butelkę o pojemności 125 mililitrów i wypłukać ją w strumieniu wody. Wodę z płukania należy odprowadzić poniżej miejsca poboru próbek, a następnie pobrać próbkę, trzymając butelkę w głównym nurcie wody w punkcie poboru.

Powtórz ten proces zbierania, używając kolejno nowych butelek przez cały czas przepływu roztworu, i zapisz czas pobrania oraz przewodność każdej próbki. Kontynuuj pobieranie próbek do momentu, aż przewodność powróci do poziomu nieprzekraczającego pięciu µS/cm powyżej poziomu tła. Zakręć próbki i przechowuj je w chłodziarce.

Najpierw przygotuj próbki do filtracji w taki sposób, aby próbki z rosnącej końcówki (rising limb) były filtrowane w kolejności rosnącej przewodności właściwej aż do osiągnięcia szczytu. Następnie przygotuj próbki z opadającej końcówki (falling limb) do filtracji w kolejności rosnącej przewodności właściwej. Aby przefiltrować próbki, weź strzykawkę o pojemności 60 ml, wyjmij tłok, a następnie zamknij kurek.

Wlej około 10 mililitrów próbki do strzykawki i włóż tłok. Potrząśnij strzykawką tak, aby próbka wypłukała wewnętrzne ścianki. Następnie przymocuj uchwyt filtra do strzykawki i otwórz kranik.

Przeciśnij próbkę przez filtr, naciskając tłok, a następnie wylej płuczkę. Wyjmij tłok i zamknij kranik. Tym razem nalej do strzykawki 30 mililitrów tej samej próbki i włóż z powrotem tłok.

Ustawiając strzykawkę tak, aby zawartość była wypuszczana do czystej butelki na próbkę o pojemności 60 mililitrów, otwórz kranik i przepuść przez filtr około 10 mililitrów. Zakręć butelkę, zakręć nią i wylej filtrat. Powtórz czynność trzy razy, aby upewnić się, że z butelki usunięto zanieczyszczenia, a jej ścianki zostały pokryte próbką.

Ponownie wyjmij tłok i zamknij kurek. Wlej do strzykawki około 60 ml próbki, a następnie włóż tłok z powrotem. Przepchnij próbkę przez uchwyt filtra do butelki na próbkę o pojemności 60 ml.

Napełniając butelki do poziomu nieprzekraczającego ich „ramion”, zakręć je i umieść próbki w chłodziarce. Na koniec przeanalizuj próbki pod kątem rozpuszczonego węgla i azotu organicznego oraz wszelkich innych interesujących parametrów w kolejności od niskiej do wysokiej przewodności. Wykresy te przedstawiają regresje liniowe pomiarów stężeń rozpuszczonego azotu organicznego, czyli DON, po dodaniu azotanów metodą pulsacyjną.

Wyniki pokazują, że stężenia rozpuszczonego azotu organicznego zmieniają się w odpowiedzi na dodatek azotanów. Zmienność odpowiedzi rozpuszczonego azotu organicznego zaobserwowano również w obrębie stanowisk w różnych terminach pobierania prób, co sugeruje, że wodne społeczności drobnoustrojów mogą wykorzystywać różne składniki rozpuszczonej materii organicznej w różnych okresach sezonu wegetacyjnego. Korelacje dodatnie interpretuje się jako odzwierciedlenie roli rozpuszczonego azotu organicznego jako źródła nutrientów, podczas gdy korelacje ujemne interpretuje się jako odzwierciedlenie roli rozpuszczonego azotu organicznego jako źródła energii.

Eksperymenty, które wykazały nieistotne zależności, odzwierciedlają brak reakcji puli DON lub sytuację, w której procesy oparte na składnikach odżywczych i procesy energetyczne znoszą się nawzajem. Tutaj wykresy przedstawiają regresje liniowe rozpuszczonego węgla organicznego (DOC) po dodaniu azotanów. W przeciwieństwie do wykresów DON, te wykazują niewiele przypadków istotnych zmian w stężeniu DOC w wyniku dodania azotanów.

Może to wskazywać, że frakcje puli rozpuszczonej materii organicznej bogate w azot i bogate w węgiel podlegają własnym, specyficznym kontrolom ekologicznym i biogeochemicznym, a otaczająca pula DOC jest wysoce oporna na rozkład. Po opanowaniu technika ta może zająć od trzech do sześciu godzin, w zależności od systemu. Podczas wykonywania tej metody ważne jest, aby unikać zanieczyszczenia próbek o niskiej przewodności próbkami o wysokiej przewodności.

Po przeprowadzeniu tej procedury można obliczyć inne parametry, takie jak kinetyka pobierania biogenów, aby określić, w jaki sposób tempo i strumień pobierania biogenów wpływają na stężenia rozpuszczonego węgla organicznego i rozpuszczonego azotu organicznego. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny biogeochemii wód do badania czynników kontrolujących retencję biogenów w ekosystemach potoków. Choć metoda ta dostarcza informacji na temat obiegu biogenów w potokach, może ona potencjalnie znaleźć zastosowanie w innych środowiskach, takich jak wody podziemne i systemy estuariowe.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat przeprowadzania eksperymentów z dodatkiem składników odżywczych w ekosystemach potoków źródliszczowych.