Here, we present small core incubations for the measurement of sediment-water gas and solute exchange. These will provide reliable measurements of sediment-water exchange that assess the role of sediment in influencing biological and biogeochemical processes in aquatic ecosystems.
The measurement of sediment-water exchange of gases and solutes in aquatic sediments provides data valuable for understanding the role of sediments in nutrient and gas cycles. After cores with intact sediment-water interfaces are collected, they are submerged in incubation tanks and kept under aerobic conditions at in situ temperatures. To initiate a time course of overlying water chemistry, cores are sealed without bubbles using a top cap with a suspended stirrer. Time courses of 4-7 sample points are used to determine the rate of sediment water exchange. Artificial illumination simulates day-time conditions for shallow photosynthetic sediments, and in conjunction with dark incubations can provide net exchanges on a daily basis. The net measurement of N2 is made possible by sampling a time course of dissolved gas concentrations, with high precision mass spectrometric analysis of N2:Ar ratios providing a means to measure N2 concentrations. We have successfully applied this approach to lakes, reservoirs, estuaries, wetlands and storm water ponds, and with care, this approach provides valuable information on biogeochemical balances in aquatic ecosystems.
निक्षेपों जलीय पारिस्थितिकी प्रणालियों के महत्वपूर्ण घटक हैं और biogeochemical अक्सर पोषक तत्वों और प्रदूषणों से महत्वपूर्ण डूब रहे हैं। पोषक तत्व, गैस और सरोवर का अवसादों में संक्रमण धातु biogeochemistry के अग्रणी अध्ययन के विलेय और overlying पानी के साथ गैसों कि redox की स्थिति 1,2 बदलती था की तलछट विनिमय का पता चला। पोषक तत्वों के लिए, अवसादों फास्फोरस का एक स्रोत है और कार्बनिक पदार्थ की पुनर्खनिजीकरण के बाद तय नाइट्रोजन, और गैर-संश्लेषक वातावरण 3,4 में ऑक्सीजन के लिए एक सिंक हो सकता है। जलमग्न मैक्रोफाइट, macroalgae और benthic microalgae की प्रकाश संश्लेषण तलछट-पानी इंटरफेस 5,6 भर में भंग पदार्थों के आदान-प्रदान पर गहरा प्रभाव पड़ सकता है।
विलेय और तलछट-पानी इंटरफेस के पार गैसों के आदान-प्रदान की माप दोनों बुनियादी विज्ञान और व्यावहारिक विज्ञान उद्देश्यों के लिए किया जाता है इंजीनियरिंग और वैज्ञानिक वाट की जांच भी शामिल है,एर गुणवत्ता वाले मॉडल 7.8। इन तरीकों का लक्ष्य है, सबसे बड़ी संभव हद तक, विश्वसनीय और सटीक तलछट-पानी विनिमय दरों को प्रदान करना है। दृष्टिकोण की एक विस्तृत विविधता तलछट-पानी इंटरफेस में रासायनिक आदान-प्रदान का आकलन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। स्तरीकृत प्रणालियों में गैसों और विलेय के नीचे पानी संचय उपयोगी 9 हो सकता है, लेकिन thermoclines या pycnoclines ऊपर तलछट-पानी आदान प्रदान के लिए मान्य नहीं है। एड़ी सह-संबंध गैसों, आम तौर पर ऑक्सीजन, ऊर्ध्वाधर पानी वेग के उच्च आवृत्ति माप के साथ संयुक्त के उच्च आवृत्ति माप की आवश्यकता है, इस तकनीक का भारी वादा, लेकिन वर्तमान में पोषक तत्वों की विनिमय के अध्ययन के लिए डेटा प्रदान नहीं कर सकता है। सीटू गुंबदों में या कक्षों, एक अत्यधिक पसंदीदा तरीका है तलछट का एक बड़ा सतह क्षेत्र को कवर और सीटू के तापमान, गहरे पानी के दबाव और प्रकाश के स्तर में बनाए रखने के लाभ के साथ 10। अभ्यास में, ये बहुत महंगा व्यापक समय की आवश्यकता होती है माप हैंबड़ा अनुसंधान जहाजों पर; सबसे अनुप्रयोगों गहरी तटीय क्षेत्र या समुद्री तलछट हैं। कोर ऊष्मायन कक्षों के माध्यम से प्रवाह का उपयोग तकनीक है कि स्थिर अवस्था तक पहुँचते हैं, अपेक्षाकृत स्थिर overlying पानी रसायन शास्त्र को बनाए रखने, incubations 11 के दौरान ऑक्सीजन सहित के लिए बहुत ही अच्छे हैं। क्योंकि दर शाखा और outflowing पानी, और पानी के विनिमय दर के बीच मतभेद एकाग्रता से स्थिर अवस्था में चुना गया है, इन incubations समय के एक काफी राशि ले सकते हैं।
समय पाठ्यक्रम कोर ऊष्मायन हमारी प्रयोगशाला द्वारा इस्तेमाल किया दृष्टिकोण उत्तरी अमेरिका और यूरोप में विभिन्न प्रयोगशालाओं की संख्या में इस्तेमाल किया दृष्टिकोण से अनुकूलित किया गया था, और वहाँ साहित्य का एक काफी मात्रा यह सामान्य दृष्टिकोण पर आधारित है। हम एन 2 की माप एन फलाक्सेस 12, अक्सर अनाइट्रीकरण के रूप में संदर्भित करने के लिए इस दृष्टिकोण के अनुकूल है, और संश्लेषक और गैर-संश्लेषक तलछट वातावरण के लिए यह आवेदन किया है, estuarie सहित13, झीलों, जलाशयों, झीलों और 14। इन अध्ययनों के माध्यम से हम जो हमारे समग्र दृष्टिकोण अच्छी तरह से काम करता है कई वातावरण मिल गया है, और कुछ में जो यह नहीं है। क्योंकि इस प्रक्रिया पारिस्थितिकी प्रणालियों के लिए नाइट्रोजन का एक महत्वपूर्ण नुकसान का प्रतिनिधित्व अनाइट्रीकरण की माप में कई अलग-अलग स्थलीय और जलीय वातावरण में बाहर किया गया है। कई दृष्टिकोण अनाइट्रीकरण माप, कुछ प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष रूप से कुछ 15 बनाने के लिए इस्तेमाल किया गया है। प्रत्यक्ष एन 2 प्रवाह माप उच्च वायुमंडलीय सामग्री की वजह से बहुत मुश्किल हो जाता है एन 2, और बाद में उच्च पानी के 16 में भंग सांद्रता। दो दृष्टिकोण पर्यावरण की दृष्टि से प्रासंगिक दरों का सबसे अच्छा प्रतिनिधित्व होने के रूप में उभरा है: आइसोटोप n का उपयोग बाँधना आइसोटोप 17 और एन 2: हमारी प्रयोगशाला में प्रयोग किया जाता Ar अनुपात। आइसोटोप बाँधना विधि कई वातावरण में सफलतापूर्वक इस्तेमाल किया गया है और कम दरों पर बहुत उच्च संवेदनशीलता है। हम एन रोजगार2: Ar अनुपात अपनी सादगी की वजह दृष्टिकोण, और हम अक्सर अध्ययन क्योंकि यह असर पड़ा वातावरण में पर्याप्त रूप से संवेदनशील है।
इस पत्र में, हम तकनीकी दृष्टिकोण हम गैसों और विलेय की तलछट-पानी विनिमय की माप करने के लिए पिछले दो दशकों में इस्तेमाल किया है का वर्णन है। तलछट-पानी विनिमय के किसी भी माप विचार क्षेत्र की स्थिति और प्रयोगात्मक मानकों की संख्या में लेने की जरूरत है। इन कारकों के तापमान, प्रकाश / अंधेरे की स्थिति 18, मिश्रण / शारीरिक तलछट-पानी इंटरफेस 19 में प्रवाह, भंग ऑक्सीजन सांद्रता 20, और अन्य कारकों है कि अच्छा माप बनाने के महत्वपूर्ण तत्व हैं शामिल हैं। उदाहरण के लिए, कोर क्षेत्रों में जो benthic microalgae के विकास के लिए पर्याप्त रोशनी प्राप्त से एकत्र कर रहे हैं, यह आवश्यक है कि प्रयोगों दोनों अंधेरे और प्रकाश की स्थिति 21 में शामिल वसीयत करने के लिए है। इसी तरह, ऑक्सीजन overlying पानी जोड़ने कोर ऑक्सीजन में कमी करने के लिएक्षेत्र की स्थिति को दोहराने नहीं है। जलीय पारिस्थितिकी प्रणालियों अपरिहार्य कलाकृतियों 22 को जन्म दे सकती के किसी भी हिस्से की प्रायोगिक बाड़े; यह महत्वपूर्ण है कि दृष्टिकोण एक तलछट-पानी विनिमय माप कार्यक्रम 1 में प्रयुक्त) कारकों प्रत्येक पारिस्थितिकी तंत्र में तलछट-पानी विनिमय को नियंत्रित करने को समझते हैं और 2) प्रयोगात्मक हेरफेर से निकाली गई कलाकृतियों को कम है।
तकनीक यहाँ वर्णित जलीय प्रणाली, दोनों उथले और गहरी के कई प्रकार के लिए लागू किया गया है, और हम इसे सबसे परिस्थितियों में अच्छी तरह से काम करने के लिए मिल गया है। यह दृष्टिकोण सहयोगियों द्वारा इस्तेमाल किया और साहित्य में प्रस्तुत दृष्टिकोण से अनुकूलित किया गया था; यह झिल्ली इनलेट मास स्पेक्ट्रोमेट्री के माध्यम से अनाइट्रीकरण की माप के लिए अनुकूलित है। इस दृष्टिकोण की शक्तियों में से एक के लिए एक साथ कोर की एक बड़ी संख्या को संभालने की क्षमता है। डुप्लिकेट या तीन प्रतियों कोर के साथ प्रत्येक साइट नकल, माप में आत्मविश्वास बढ़ता है, हालांकि एक वैकल्पिक दृष्टिकोण कम प्रतिकृति के साथ साइटों को अधिकतम करने के लिए है, उन परिस्थितियों में एक पर्यावरण क्षेत्र के लिए औसत मूल्य प्रकृति में परिवर्तनशीलता के अधिक प्रतिनिधि हो सकता है। मौसमी मतभेद elucidating के लिए, साइटों की एक कम संख्या पर एक माप समय श्रृंखला एक उपयोगी रणनीति हो सकती है।
इस प्रोटोकॉल में, वहाँ कई महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। पैरामाउंट रों बनाने के लिएuccessful माप एक अक्षुण्ण तलछट-पानी इंटरफेस के साथ कोर का संग्रह है। कोर कि पूरा नहीं करते हुए क्षेत्र में इस कसौटी थका हो सकता खारिज हालांकि, गरीब कोर गरीब सटीकता और परिशुद्धता को बढ़ावा मिलेगा। एरोबिक कोर रखते हुए वातित और मूल संग्रह के तापमान के करीब कलाकृतियों को कम करने और स्वस्थ, अक्षत माइक्रोबियल और metazoan आबादी बनाए रखना होगा। अंत में, 2 हे और एन 2 के नमूने के लिए, mercuric क्लोराइड परिरक्षक के अलावा महत्वपूर्ण है। हम गैस के नमूनों की है कि अनुचित संरक्षण, अत्यधिक ताप और शीशियों के शीतलन सहित मनाया है, इन प्रवाह माप समझौता कर सकते हैं। अन्य प्रयोगशालाओं सफलतापूर्वक कार्यरत है 7.0 एम ZnCl 2 एक कम विषाक्त परिरक्षक कम अपशिष्ट निपटान लागत है कि के रूप में; एक 7 के लिए नमूना मिलीलीटर एक 30 μl अलावा उचित है।
एन 2 और आर के अनुपात की सटीक और सही विश्लेषण एन 2 के निर्धारण के लिए महत्वपूर्ण है </sयूबी> फलाक्सेस। मनाया एन 2: Ar अनुपात में ऑक्सीजन एकाग्रता कुछ जांचकर्ताओं प्रमुख ऑक्सीजन हटाने विश्लेषण करने से पहले वकालत करने के एक समारोह के रूप में बदलने के लिए, आम तौर पर गर्म तांबा 28 का उपयोग कर। हमारी प्रयोगशाला में प्रयोग किया जाता इंस्ट्रूमेंटेशन एन 2 पर ऑक्सीजन के प्रभाव को निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था: Ar अनुपात में 23 और प्रभाव बहुत छोटा है, <मामूली ऑक्सीजन की कमी के लिए 0.03% हो पाया था। ऑक्सीजन "प्रभाव" का आकलन करने के लिए दृष्टिकोण में अंतर अलग जांचकर्ताओं 23,28,29 से अलग निष्कर्ष करने के लिए नेतृत्व करने के लिए दिखाई देते हैं। एन 2 पर एक बड़ा ऑक्सीजन प्रभाव: Ar अनुपात में 2 एन एन तपका की ग़लती से उच्च दर के लिए नेतृत्व करेंगे; हमारे अनुभव में, हम नगण्य एन के कई टिप्पणियों ऑक्सीजन की कमी की उच्च दर के तहत 2 एन तपका है। प्रयोगशालाओं में जो एन 2 पर ऑक्सीजन के प्रभाव में: Ar अनुपात के बड़े दिखाई देते हैं, एक उपयोगी विकल्प इलेक्ट्रोड या optodes और ऑक्सीजन का उपयोग ऑक्सीजन सांद्रता के स्वतंत्र माप हैबड़े पैमाने पर spectrometric विश्लेषण से हटाने इनलाइन गर्म घन का उपयोग कर।
इस तकनीक समस्या निवारण केवल तलछट प्रवाह डेटा की परीक्षा पर संभव है। महत्वपूर्ण कारकों पर विचार करने के लिए जब प्रतिगमन गरीब रहे हैं कि क्या सरगर्मी निरंतर था, नमूने एकत्र किए गए थे और संरक्षित सही ढंग से कर रहे हैं, और समय है कि क्या पाठ्यक्रम बहुत कम दरों के आकलन की अनुमति के लिए छोटे थे। प्रयोगों की लंबाई आम तौर पर अब incubations की आवश्यकता होती है समय बेशक प्रतिगमन में एम्बेडेड शोर अनुपात करने के लिए संकेत बढ़ाने के लिए चयापचय की कम दरों के साथ ऑक्सीजन समय बेशक द्वारा निर्धारित किया जाता है। कि उपज हे 2 बुलबुले ऑक्सीजन उत्पादन की उच्च दर गैस अपशिष्टों मुश्किल बना है, लेकिन घुला हुआ पदार्थ अपशिष्टों अप्रभावित हो सकता है।
यह इस दृष्टिकोण की सीमाओं को समझने के लिए आवश्यक है। छोटे कोर एक वर्ग मीटर के 0.3% को कवर किया और बड़े कोर 0.6% को कवर किया। मीटर पैमाने पर पर्याप्त विविधता, anim की विषम वितरण के साथ साइटों मेंए एल एस या पौधों की सलाह दे सकते हैं कि एक या दो कोर पर्याप्त प्रतिनिधित्व नहीं हो सकता। वहाँ भी कुछ वातावरण है कि माप कठिनाइयों पेश कर रहे हैं। Ar अनुपात के बुलबुले में गैसों का अंतर समावेश से प्रभावित: अनाइट्रीकरण की माप के लिए, मीथेन या ऑक्सीजन बुलबुले की उपस्थिति एन 2 के साथ तकनीक अमान्य हो सकती है। Benthic microalgae द्वारा उपनिवेश तलछट में, एन 2 में से 2 एन एआर को रिश्तेदार, और कमी एक तरजीही स्ट्रिपिंग में ऑक्सीजन बुलबुले परिणामों के गठन: Ar अनुपात। सामान्य में, हम इस मुद्दे पर जहां फार्म बुलबुले पर अनाइट्रीकरण उपाय नहीं कर सकते। अवायवीय वातावरण अलग चुनौतियां खड़ी हैं, और कोर की वातन तलछट-पानी इंटरफेस में redox गतिशीलता बदल जाता है। हम तुरंत संग्रह के बाद सरगर्मी सबसे ऊपर के साथ कोर को सील करने और पानी स्तंभ पूरी तरह से 30 की जगह बिना अपशिष्टों शुरू करते हैं। प्रबुद्ध अवसादों के साथ हमारे प्रयोगों आम तौर पर संतृप्त या है पास-saturatरोशनी 31 के स्तर को आईएनजी, और इस तरह benthic microalgae के प्रभाव को अधिकतम।
तलछट पानी विनिमय माप तलछट-पानी इंटरफेस के पार सामग्री का शुद्ध प्रवाह की एक माप कर रहे हैं। हालांकि, इन मापों अकेले अक्सर तंत्र इन इंटरफेसियल एक्सचेंजों को नियंत्रित करने की पहचान नहीं कर सकते हैं। अनुसंधान प्रश्न समझ तंत्र, कार्बनिक पदार्थ जेट पर अन्य जानकारी, टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता zonation, bioirrigation और bioturbation, और संश्लेषक जीवों शामिल है यदि आवश्यक हो सकता है। प्रयासों 7 ताकना पानी रसायन शास्त्र, कार्बनिक पदार्थ जेट 32 के प्रत्यक्ष उपायों, जानवर आबादी की गणना, तलछट जैव सिंचाई, तलछट अभिवृद्धि, या redox या पानी रसायन शास्त्र 13 overlying की प्रयोगात्मक जोड़तोड़ की दृढ़ संकल्प की आवश्यकता हो सकती मॉडलिंग। हमारे अध्ययन में, अच्छा तलछट-पानी एक्सचेंज डेटा जलीय अवसादों के रसायन शास्त्र को समझने का एक महत्वपूर्ण घटक है,और अन्य माप के साथ संयोजन के रूप में, जलीय biogeochemical चक्र में तलछट रीसाइक्लिंग प्रक्रियाओं की भूमिका को पहचानती है।
तलछट से निपटने के बारे में देखभाल, तापमान नियंत्रण, और पानी के मिश्रण के साथ स्तंभ, कोर incubations तलछट-पानी इंटरफेस में विलेय और गैसों के आदान-प्रदान के आकलन के लिए एक उपयोगी तरीका है। हालांकि, यहां इस्तेमाल की तकनीक कुछ वातावरण के लिए और इस तरह के ऊष्मायन से पहले बढ़ाया समय अवधि के रूप में मुश्किल रसद, के लिए संशोधन की जरूरत हो सकती है। इस प्रकार अब तक, हम सफलतापूर्वक मुहाने करने के लिए, तटीय, कम से कम संशोधन के साथ आर्द्रभूमि, झील, जलाशय, नदी और प्रतिधारण तालाब वातावरण इस ऊष्मायन के दृष्टिकोण आवेदन किया है।
The authors have nothing to disclose.
लेखक इस दृष्टिकोण काम पर्यावरण विज्ञान के लिए मैरीलैंड सेंटर के विश्वविद्यालय में टोड काना के साथ वाल्टर Boynton और पीट Sampou और सहकारी काम से बाहर किया जाता अनाइट्रीकरण पर के बारे में हमारी टिप्पणियों का उपयोग कर विकसित किया है। हमारे अनाइट्रीकरण दृष्टिकोण के विकास मैरीलैंड सागर अनुदान कार्यक्रम और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के समर्थन के बिना संभव नहीं होता। प्रतिनिधि यहां इस्तेमाल किया डेटा मैरीलैंड सागर अनुदान (आर / ए क्यू-5C) और प्रयासों के लेखन से धन के साथ एकत्र किए गए थे मैरीलैंड सागर अनुदान द्वारा समर्थित थे (आर / एस वी -2), एनओएए खाड़ी कार्यालय (NA13NMF4570210), सीप वसूली भागीदारी राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (OCE1427019), Exelon निगम, और मैरीलैंड पर्यावरण सेवा / मैरीलैंड पोर्ट प्रशासन।
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