Denne metode estimerer sediment denitrifikation priser i sediment kerner ved hjælp af acetylen hæmning teknik og mikrosensorer målinger af den akkumulerede N2O. Protokollen beskriver procedurer for indsamling af kerner, kalibrere sensorer, udfører acetylen hæmning, måling af N2O ophobning, og beregningen denitrifikation.
Denitrifikation er den primære biogeokemiske proces at fjerne reaktive nitrogen fra biosfæren. Den kvantitative evaluering af denne proces er blevet særlig relevant for vurderingen af den menneskeskabte ændres globale kvælstofkredsløbet og emission af drivhusgasser (dvs. N2O). Der findes flere metoder til måling af denitrifikation, men ingen af dem er helt tilfredsstillende. Problemer med eksisterende metoder omfatter deres utilstrækkelige følsomhed, og behovet for at ændre substrat niveauer eller ændre den fysiske konfiguration af processen ved hjælp af forstyrret prøver. Dette arbejde beskriver en metode til vurdering af sediment denitrifikation satser, der kombinerer coring, acetylen hæmning og mikrosensorer målinger af den akkumulerede N2O. De vigtigste fordele ved denne metode er en lav forstyrrelse af sediment struktur og samlingen af en kontinuerlig registrering af N2O ophobning; disse aktiverer skøn over pålidelige denitrifikation priser med minimum værdier op til 0,4-1 µmol N2O m-2 h-1. Evnen til at manipulere nøglefaktorer er en yderligere fordel for at opnå eksperimentelle indsigter. Protokollen beskriver procedurer for indsamling af kerner, kalibrere sensorer, udfører acetylen hæmning, måling af N2O ophobning, og beregningen denitrifikation. Metoden er velegnet til estimering denitrifikation satser i enhver akvatiske system med genfindelig sediment kerner. Hvis N2O-koncentrationen er over detektionsgrænsen for sensoren, kan acetylen hæmning trin udelades til at anslå N2O-emissioner i stedet for denitrifikation. Vi viser, hvordan til at estimere både faktiske og potentielle denitrifikation priser ved at øge nitrat tilgængelighed samt temperatur afhængigheden af processen. Vi illustrere procedure ved hjælp af mountain lake sedimenter og diskutere fordele og svagheder ved den teknik sammenlignet med andre metoder. Denne metode kan ændres til særlige formål. for eksempel kan det kombineres med 15N røbestoffer at vurdere nitrifikation og denitrifikation eller felt i situ målinger af denitrifikation priser.
Menneskeskabte ændring af kvælstofkredsløbet er et af de mest udfordrende problemer for Earth system1. Menneskelig aktivitet har mindst fordoblet niveauer af reaktivt nitrogen til biosfære2. Der er dog stadig stor usikkerhed med hensyn til hvordan den globale N cyklus skal evalueres. Et par flux skøn har opgjort med mindre end ±20% fejl, og mange har usikkerheder ±50% og større3. Disse usikkerheder viser behovet for nøjagtige skøn over denitrifikation satser på tværs af økosystemer og en forståelse af de underliggende mekanismer af variation. Denitrifikation er en mikrobiel aktivitet hvorigennem kvælstofholdige oxider, hovedsagelig nitrat og nitrit, er reduceret til dinitrogenoxider gasser, N2O og N24. Vej er yderst relevant biosfæren tilgængeligheden af reaktivt nitrogen, fordi det er den primære processen med fjernelse5. N2O er en drivhusgas med en GWP-værdi på næsten 300 gange at co2 over 100 år, og det er den nuværende største årsag til ozonlaget i stratosfæren som følge af de store mængder der udsendes6,7.
I følgende præsenterer vi en protokol til estimering af sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N2O mikrosensorer eksperimentelt (figur 1). Denitrifikation priser estimeres ved hjælp af acetylen hæmning metode8,9 og målinger af ophobning af N2O i en defineret periode (figur 2 og figur 3). Vi demonstrere metoden ved at anvende det på mountain lake sedimenter. Dette casestudie fremhæver resultater af metoden til påvisning af forholdsvis lave priser med minimal forstyrrelse af fysiske struktur af sedimenterne.
Denitrifikation er særligt vanskelig at måle10. Der er flere alternative tilgange og metoder, hver med fordele og ulemper. Ulemperne for tilgængelige metoder omfatter brug af dyre ressourcer, utilstrækkelig følsomhed og behovet for at ændre substrat niveauer eller ændre den fysiske konfiguration af processen ved hjælp af forstyrret prøver10. En endnu mere grundlæggende udfordring at måle N2 er dets forhøjede baggrundsniveauer i miljøet10. Reduktion af N2O N2 hæmmes af acetylen (C2H2)8,9. Således kan denitrifikation kvantificeres ved at måle den akkumulerede N2O ved tilstedeværelse af C2H2, som er muligt på grund af lav miljømæssige N2O niveauer.
Brug C2H,2 at måle denitrifikation priser i sedimenter blev udviklet omkring 40 år siden11, og indarbejdelsen af N2O sensorer opstod omkring 10 år senere12. De mest almindeligt anvendte acetylen-baseret tilgang er “statisk kernen”. Den akkumulerede N2O er målt under en inkubationstid på op til 24 timer efter C2H2 er føjet til headspace forseglet sediment core10. Metoden beskrevet her følger denne procedure med nogle nyskabelser. Vi tilføje C2H2 af boblende gassen i vand fasen af kernen i nogle minutter, og vi fylde alle headspace med stikprøven vand før måling ophobning af N2O med en gastransport. Vi har desuden en omrøring system, der forhindrer stratificering af vandet uden resuspending sedimentet. Proceduren, der kvantificerer denitrifikation sats pr. sediment areal (fx, µmol N2O m-2 h-1).
Den høje rumlige og tidsmæssige variation af denitrifikation præsenterer en anden vanskelighed i dens nøjagtig kvantificering10. Normalt måles N2O ophobning sekventielt ved gaskromatografi af headspace prøver, der er indsamlet under inkubation. Den beskrevne metode giver forbedret overvågning af den tidsmæssige variation af N2O ophobning, fordi mikrosensorer giver en kontinuerlig signal. Gastransport multimeter er en digital mikrosensorer forstærker (picoammeter) der grænseflader med modtagne og computeren (figur 1pt). Multimeter giver mulighed for flere N2O mikrosensorer skal anvendes på samme tid. For eksempel, op til fire sediment kan kerner fra den samme undersøgelse site måles samtidig at tage højde for den rumlige variation.
Core tilgang forstyrrer knap sediment struktur i forhold til nogle andre metoder (fx, gylle). Hvis integriteten af sedimenterne er ændret, fører dette til urealistiske denitrifikation priser13 der er kun tilstrækkelige til relative sammenligninger. Højere priser er altid fremstillet med gylle metoder i forhold til core metoder14, fordi sidstnævnte bevarer begrænsning af denitrifikation af substrat diffusion15. Gylle foranstaltninger anses ikke for repræsentative i situ satser16; de giver relativ foranstaltninger for sammenligninger med den nøjagtige samme procedure.
Metoden er velegnet til estimering af denitrifikation satser i enhver sediment type, der kan være kernehus. Vi anbefaler især metoden til udførelse af eksperimentelle manipulationer af nogle af de drivende faktorer. Eksempler er eksperimenter, der ændrer nitrat tilgængelighed og temperatur som er nødvendig for anslåelse af energi aktivering (Ept) af denitrifikation17 (figur 2).
Figur 1 : Eksperimentel opsætning. (pt) generelt eksperimentel setup at anslå sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N2O mikrosensorer. Inkubation kammer sikrer mørket og kontrolleret temperatur (±0.3 ° C) betingelser. Fem intakt sediment kerner kan behandles samtidigt ved hjælp af deres respektive N2O sensorer. (b) N2O sensor calibration kammer. Vi tilpasset det med gummipropper og sprøjter at blande N2O vand (se protokollen trin 3.4.3). Der er et termometer til at styre vandtemperaturen. (c) nærbillede af et sediment core prøve med sensoren indsat i den centrale hul i dækslet til PVC og leddene forsegles med tape. Omrøreren hængende i vandet, og en elektromagnet er tæt på det og fastgjort til den ydre del af akryl røret. (d) Næroptagelse af N2O mikrosensorer tip beskyttet af et metal stykke. (e) en sediment kerne, der bare er blevet tilbagebetalt. Det var samplet fra en båd i en dyb sø; akryl røret med kerne er stadig fastgjort til messenger-tilpasset tyngdekraften corer19. Se Tabel af materialer til alle de elementer, der er nødvendige til at udføre denne metode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
De vigtigste fordele ved den beskrevne metode er brugen af minimalt forstyrret sediment kerne prøver og kontinuerlig registrering af N2O ophobning. Disse tillade vurdering af relativt lav denitrifikation satser, der er sandsynligvis svarer til de forekommende i situ. Ikke desto mindre er nogle aspekter vedrørende coring, sensor ydeevne og potentielle forbedringer diskuteret.
En tilsyneladende enkel men kritisk trin i metoden er god core opsving. Grænsefladen sediment/van…
The authors have nothing to disclose.
Den spanske regering afsat midler gennem Ministerio de Educación som et predoctoral stipendium til C.P-L. (FPU12-00644) og forskningslegater Ministerio de Economia y Competitividad: NitroPir (CGL2010-19737), Lacus (CGL2013-45348-P), overførsel () CGL2016-80124-C2-1-P). REPLIM-projektet (INRE – INTERREG-programmet. EUUN – EU. EFA056/15) støttede den endelige skrive i protokollen.
Messenger-adapted gravity corer | – | – | Reference in the manuscript. Made by Glew, J. |
Sampling tube | – | – | Acrylic. Dimensions: 100 cm (h) × 6.35 cm (d) × 6.50 cm (D). Sharpen the edge of the sampling tube that penetrates into the sediment to minimize the disturbance in the recovered sediment core sample. |
Handheld sounder | Plastimo | 38074 | Echotest II Depth Sounder. |
Rubber stopper | VWR | DENE1012114 | With two holes, used to mix the N2O-water in the calibration chamber. Dimensions: 20 mm (h) × 14 mm (d) × 18 mm (D) (3 mm hole (D)). |
Rubber stopper | VWR | 217-0125 | To seal the bottom part of the methacrylate tube and to sample in shallow water bodies. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). |
PVC cover | – | – | To seal the top side part of the acrylic tube. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). Dimensions: 65 mm (D). |
Adhesive tape | – | – | Waterproof. To ensure all joints (PVC cover sampling tube and PVC cover sensor) and to avoid water leaks. |
Thermometer | – | – | Portable and waterproof, to measure the temperature in the water overlying the sediment just after sampling the cores. |
GPS | – | – | To save the location of a new sampling site or to arrive at a previous site. |
Wader | – | – | For littoral or shallow site samplings. |
Boat | – | – | An inflatable boat is the best option for its lightness if the sampling site is not accessible by car. |
Rope | – | – | Rope with marks showing its length (e.g., marked with a color code to distinguish each meter). |
N2O gas bottle and pressure reducer | Abelló Linde | 32768-100 | Gas bottle reference. |
C2H2 gas bottle and pressure reducer | Abelló Linde | 32468-100 | Gas bottle reference. |
Tube used to evacuate the excess of water | – | – | Consists of a solid part (e.g., a 5 ml pipette tip without its narrowest end) inserted in a silicone tube. |
Nitrous Oxide Minisensor w/ Cap | Unisense | N2O-R | We use 4 sensors at a time. |
Microsensor multimeter 4 Ch. 4 pA channels | Unisense | Multimeter | Picoammeter logged to a laptop. The standard device allows for 2 sensor picoammeter connections (e.g., N2O sensor), one pH/mV and a thermometer. We ordered a device with four picoammeter connections, allowing the use of 4 N2O sensors simultaneously. |
SensorTrace Basic 3.0 Windows software | Unisense | Sensor data acquisition software. | |
Calibration Chamber incl. pump | Unisense | CAL300 | Calibration chamber. We tuned it with rubber stoppers and syringes to mix the N2O-water without making bubbles. |
Incubation chamber | Ibercex | E-600-BV | Indispensable equipment for working at a constant temperature (±0.3 °C). It also allows control of the photoperiod. |
Electric stirrer | – | – | Part of the stirring system. It hangs in the water, overlying the sediment subject, by a fishing line that is hooked to the PVC cover. |
Electromagnet | – | – | Part of the stirring system. It is fixed to the outside of the acrylic tube, approximately at the same level as the stirrer. It is activated episodically (ca. 1 on-off per s) by a circuit, attracting the stirrer when it is on and releasing it when it is off, thereby generating the movement that agitates the water. |
Electromagnetic pulse circuit | – | – | Part of the stirring system. It is connected by wires to the electromagnet and sends pulses of current that turn the electromagnet on and off. |
Uninterruptible power supply (UPS) | – | – | It improves the quality of the electrical energy that reaches the measurement device, filtering the highs and low of the voltage, thereby ensuring a more constant and stable N2O sensor signal. |