Szacowanie szybkości denitryfikacji osadów za pomocą rdzeni i mikroczujnikówN2O
6 grudnia 2018
Ta metoda szacuje tempo denitryfikacji osadów w rdzeniach osadów za pomocą techniki inhibicji acetylenu i pomiarów mikrosensorem nagromadzonegoN2O. W protokole opisano procedury pobierania rdzeni, kalibracji czujników, przeprowadzania inhibicji acetylenu, pomiaru akumulacjiN2Oi obliczania szybkości denitryfikacji.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania biogeochemiczne związane z denitryfikacją w osadach, które są istotne dla zrozumienia cyklu azotowego i emisji gazów cieplarnianych. Głównymi zaletami tej techniki są niewielkie zakłócenia struktury osadu oraz rejestrowanie w zbiorniku akumulacji tlenku azotu w celu wiarygodnego oszacowania szybkości denitryfikacji. W przypadku głębokich jednolitych części wód należy wybrać punkt pobierania próbek zgodnie z celami badania.
Zanotuj pozycję za pomocą współrzędnych GPS i zmierz głębokość pomiaru za pomocą ręcznego sygnalizatora akustycznego. Zastosuj dostosowany do posłańca system rdzeniowania grawitacyjnego, aż rurka do pobierania próbek znajdzie się w odległości około jednego metra od osadu. Ustabilizować sprzęt do pobierania próbek przez 60 sekund, aby zapewnić prawidłową penetrację osadu i odzyskanie ledwo naruszonego rdzenia osadu.
Zwolnij około jednego metra więcej liny, aby rurka do pobierania próbek wniknęła w osad. Należy pamiętać, że jeśli rurka do pobierania próbek wniknie zbyt mocno, może zakłócić granicę faz woda-osad. Zwolnij posłańca, starając się utrzymać napięcie liny, tak aby rdzeń pozostał nieruchomy i w pozycji pionowej.
Odzyskaj rdzeń, ciągnąc linę stale i delikatnie. Gdy rdzeń znajdzie się blisko powierzchni, ale nadal jest całkowicie zanurzony, umieść gumowy korek na dnie rurki do pobierania próbek. Podnieś cały system rdzeniowania z wody.
Sprawdź granicę faz woda-osad. Powinien być wyraźny i nie powinien być widocznie zakłócony. Zwolnij probówkę z próbką z rdzenia i umieść osłonę z PVC na górze.
Uszczelnij rurkę taśmą klejącą, unikając tworzenia się przestrzeni powietrznej. Podczas pobierania próbek z dosłownych siedlisk i płytkich zbiorników wodnych należy ubrać się w wodery do pobierania próbek w bardzo płytkich wodach. Ręcznie włożyć probówkę do pobierania próbek do osadu.
Umieścić gumowy korek w górnej części rurki do pobierania próbek, aby uzyskać podciśnienie. Usuń rdzeń z osadu i szybko wprowadź kolejny gumowy korek na dnie rurki. Aby uzyskać wartość kalibracji przy zerowym podtlenku azotu, najpierw odczytaj sygnał czujnika, utrzymując końcówkę czujnika zanurzoną w wodzie dejonizowanej.
Aby skalibrować się z wodą z podtlenkiem azotu o pożądanym stężeniu, uzyskaj wodę nasyconą podtlenkiem azotu, bulgocząc podtlenkiem azotu w wodzie dejonizowanej przez kilka minut. Rozcieńczyć wodę nasyconą podtlenkiem azotu, dodając określoną objętość nasyconej wody z podtlenkiem azotu do objętości wody dejonizowanej. Delikatnie wymieszaj wodę nasyconą podtlenkiem azotu z wodą dejonizowaną w naczyniu kalibracyjnym, aby rozcieńczyć ją do pożądanego stężenia.
Podczas mieszania roztworu należy uważać, aby nie wytworzyć pęcherzyków, ponieważ wyeliminowałoby to podtlenek azotu z roztworu kalibracyjnego. Teraz odczytaj sygnał czujnika, gdy jest stały. Ten odczyt jest wartością kalibracji dla X mikromolowej wody podtlenku azotu.
Zmień osłonę PVC znajdującą się w górnej części każdego rdzenia osadu na inną pokrywę z otworem pośrodku i wiszącym mieszadłem magnetycznym. Ponownie uszczelnij złącze taśmą klejącą. Zredukuj fazę wodną każdej próbki do przybliżonej wysokości 12 centymetrów.
W tym celu najpierw włóż silikonową rurkę do środkowego otworu. Następnie umieść rdzeń osadu w cylindrze i naciśnij dolny korek, aby wytworzyć ciśnienie. Korek i próbka osadu unoszą się do góry, a nadmiar wody przepływa przez rurkę.
Zebrać wodę do naczynia odbiorczego. Przeprowadzić inhibicję acetylenu poprzez bulgotanie acetylenem w fazie wodnej rdzenia przez około 10 minut. Unikaj ponownego zawieszania osadu.
Wypełnij całą przestrzeń powietrzną poprzednią pozostałą wodą przed uszczelnieniem osłony PVC czujnika połączeniowego. Umieść czujnik w rdzeniu osadu przez środkowy otwór w górnej bocznej pokrywie PCV. Końcówka czujnika powinna znajdować się w fazie wodnej nad mieszadłem.
Włączyć obwód impulsów elektromagnetycznych, który jest częścią systemu mieszania. Przesuwaj elektromagnes po zewnętrznej części rurki akrylowej, aż mieszadło będzie się poruszało w sposób ciągły, a następnie zamocuj go na miejscu za pomocą taśmy klejącej. Zamknij komorę inkubacyjną, aby zapewnić stałą temperaturę.
Naciśnij przycisk nagrywania w oprogramowaniu czujnika, aby rozpocząć nagrywanie sygnału czujnika. Następnie naciśnij przycisk stop na końcu okresu pomiaru. Odczekaj co najmniej 10 minut, gdy końcówka czujnika jest zanurzona w wolnej wodzie z podtlenkiem azotu przed odczytaniem sygnału miary kalibracji zerowego podtlenku azotu.
Po wykonaniu końcowej kalibracji czujnika zapisz file za pomocą oprogramowania czujnika. Aby wykonać obliczenia szybkości denitryfikacji, należy rozpocząć od tabelarycznego pliku wyjściowego wygenerowanego przez oprogramowanie czujnika, który zawiera zapis sygnału czujnika w miliwoltach i mikromolowym podtlenku azotu oraz dane kalibracyjne. Zablokuj sygnał czujnika w czasie, aby zobrazować trend akumulacji podtlenku azotu.
Należy stosować wyłącznie zakres czasu z akumulacją liniową, z wyłączeniem początkowego okresu aklimatyzacji próbki i możliwego końcowego nasycenia ze względu na ograniczenie substratu. Tempo denitryfikacji oszacowano przy użyciu tego protokołu w osadach z jezior pirenejskich w latach 2013-2014. Tutaj stawki są mierzone z Lake Plan bez dodatku azotanów.
Pomiary są zaszumione i tylko w niektórych przypadkach można prawidłowo oszacować stawki. Na tym rysunku te same próbki pokazane z dodatkiem azotanów wykazują bardziej stabilne odczyty i dobre oszacowanie potencjalnych wskaźników. Chociaż ta procedura przybliża denitryfikację i sprawdza szybkości, zapewnia również sposób na eksperymentalną zmianę kluczowych czynników kontrolujących tę aktywność.
Aby przetestować temperaturę i podłoża, nie zapominaj, że dobra kontrola temperatury ma fundamentalne znaczenie dla dobrego i stabilnego pomiaru. Co więcej, niezakłócony interfejs osad-woda podczas zbierania rdzenia jest pierwszym i krytycznym wymogiem dla wiarygodnego oszacowania. Zgodnie z tą procedurą, inne metody, takie jak proporcje N15, można połączyć w celu zbadania nitryfikacji, sprzężenia denitryfikacji i innych procesów cyklu azotowego.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza metoda pozwala na oszacowanie szybkości denitryfikacji w rdzeniach osadów z wykorzystaniem techniki inhibicji acetylenem oraz pomiarów mikrosensorowych nagromadzonego N2O. Stanowi ona niskoinwazyjne podejście do badania denitryfikacji w osadach, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia cyklu azotowego oraz emisji gazów cieplarnianych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biogeochemia
- Nauki o środowisku
- Analiza osadów morskich
Wstęp
- Denitryfikacja jest kluczowym procesem w cyklu azotowym.
- Ta metoda minimalizuje zaburzenia struktury osadów.
- Pozwala ona na wiarygodną ocenę tempa denitryfikacji.
- Zrozumienie tych wskaźników jest istotne dla badań nad emisją gazów cieplarnianych.
Cel badania
- Dokładne oszacowanie tempa denitryfikacji w osadach.
- Przedstawienie metody zachowującej integralność osadów.
- Pogłębienie zrozumienia cyklu azotowego w systemach wodnych.
Zastosowane metody
- Pobierz rdzenie osadów, korzystając z systemu rdzeniowania grawitacyjnego.
- Zkalibruj mikrosensory do pomiaru N2O.
- Przeprowadź inhibicję acetylenem w celu pomiaru denitryfikacji.
- Oblicz tempo denitryfikacji na podstawie akumulacji N2O.
Główne wyniki
- Wykazano niewielne zaburzenie struktury osadów.
- Uzyskano wiarygodne pomiary akumulacji N2O.
- Wykazano skuteczność techniki inhibicji acetylenem.
- Przyczyniono się do zrozumienia dynamiki cyklu azotowego.
Wnioski
- Metoda ta jest skuteczna w szacowaniu szybkości denitryfikacji.
- Wspiera ona badania nad obiegiem azotu i emisjami gazów cieplarnianych.
- Przyszłe badania mogą opierać się na tej technice w celu uzyskania głębszego wglądu w problematykę.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejsza metoda stanowi podejście o niskim stopniu zakłóceń w celu ilościowego określenia denitryfikacji w osadach, co wspiera mechanistyczne zrozumienie cyklu azotowego oraz emisji gazów cieplarnianych. Umożliwia ona wiarygodną ocenę szybkości denitryfikacji z wysoką czułością, co ułatwia eksperymentalną manipulację kluczowymi czynnikami biogeochemicznymi. Technika ta posiada wartość prognostyczną w ocenie strumienia azotu w systemach wodnych, co jest istotne dla modelowania ryzyka środowiskowego i ograniczania ryzyka biogeochemicznego we wczesnych etapach badań.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie szlaków denitryfikacji oraz funkcjonalną walidację procesów cyklu azotowego w systemach osadów.
- Wartość operacyjna: Wspiera testowanie hipotez poprzez kontrolowaną manipulację dostępnością azotanów i temperaturą w celu oceny aktywności poszczególnych szlaków.
- Wartość prognostyczna: Dostarcza ilościowych danych dotyczących akumulacji N2O, co pozwala zweryfikować założenia mechanistyczne dotyczące denitryfikacji w zmiennych warunkach substratowych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia ciągłe pomiary N2O w czasie rzeczywistym, co pozwala na ocenę kinetyki szybkości denitryfikacji w nienaruszonych rdzeniach osadów.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje ilościowe oznaczenia z wykorzystaniem mikrosensorów poprzez protokoły kalibracji zapewniające powtarzalność w różnych zestawach próbek.
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych zastosowań, takich jak badania z użyciem izotopu 15N lub pomiary terenowe in situ.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Zachowuje integralność granicy osad-woda, chroniąc rodzime społeczności mikrobiologiczne w celu uzyskania fizjologicznie istotnych pomiarów denitryfikacji.
- Wartość operacyjna: Pozwala na oszacowanie rzeczywistych i potencjalnych szybkości denitryfikacji, wspierając modelowanie odpowiedzi na dawkę w warunkach podwyższonego poziomu azotanów.
- Ciągłość translacyjna: Ułatwia integrację z metodami komplementarnymi, takimi jak znaczniki 15N, w celu zbadania sprzężenia procesów nitryfikacji i denitryfikacji w cyklu azotowym.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum odkryć, od testowania hipotez po walidację mechanistyczną, umożliwiając ilościową ocenę denitryfikacji jako kluczowego procesu biogeochemicznego w systemach środowiskowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie szlaków metabolicznych i funkcjonalną walidację celów poprzez pomiar akumulacji N2O jako wskaźnika aktywności denitryfikacji.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki za pomocą sygnałów z mikrosensorów, co pozwala na porównanie szybkości denitryfikacji w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Analityka: Dostarcza rozdzielone w czasie dane o akumulacji N2O, umożliwiając modelowanie kinetyczne i obliczanie szybkości na podstawie liniowych faz akumulacji.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez integrację z prześledzeniem izotopowym w celu wyjaśnienia szlaków przepływu azotu.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę do oceny denitryfikacji, którą można dostosować do różnych osadów wodnych i schematów eksperymentalnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną pomiarów denitryfikacji poprzez minimalizację zaburzeń osadów i rejestrację ciągłej dynamiki N2O.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność dzięki standaryzacji pobierania rdzeni, kalibracji czujników i protokołów inhibicji acetylenem.
- Wartość strategiczna: Redukuje niepewność biologiczną w modelowaniu cyklu azotowego, wspierając lepsze decyzje dotyczące kontynuacji badań w zakresie biogeochemii środowiskowej.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację miejsc lub warunków badań z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o czułość tempa denitryfikacji na azotan i temperaturę.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w pobieraniu rdzeni osadów, obsłudze mikrosensorów oraz interpretacji sygnałów powiązanych z chromatografią gazową.
- Zależność od stabilnej kontroli temperatury i bezpęcherzykowych roztworów kalibracyjnych w celu dokładnego oznaczenia ilości N2O.
- Konieczność niezakłóconego odzyskania styku osad-woda, aby uniknąć artefaktów w szacowaniu tempa denitryfikacji.
- Wymaga ostrożnego operowania gazem acetylenowym w celu zahamowania redukcji N2O bez resuspensji osadu.
- Ograniczone progiem detekcji sensora, przy czym wiarygodne szacunki są możliwe do uzyskania powyżej 0,4-1 µmol N2O m-2 h-1 w optymalnych warunkach.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
