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.
الرواسب هي مكونات البيولوجية الكيميائية الحيوية للنظم الإيكولوجية المائية وغالبا ما تكون بالوعات هامة من المواد الغذائية والملوثات. وكشفت دراسات رائدة من المواد الغذائية والغاز والتحول البيوجيوكيميائية المعادن في رواسب البحيرات صرف الرواسب من المواد المذابة والغازات مع الماء المغطي التي ظروف الأكسدة 1،2 متفاوتة. للعناصر الغذائية، يمكن أن الرواسب تكون مصدرا من الفوسفور والنيتروجين الثابت بعد إعادة التمعدن من المواد العضوية، وحوض للأوكسجين في بيئات غير التمثيل الضوئي، 3،4. التمثيل الضوئي من النباتات ذات الأوراق الكبيرة المغمورة، الطحالب الكبيرة والطحالب القاعية يمكن أن يكون لها تأثيرات عميقة على تبادل المواد الذائبة في جميع أنحاء الكوامن والمياه 5،6.
وتجرى قياسات تبادل المواد المذابة والغازات عبر الكوامن والمياه تسمح لكل العلوم الأساسية وأغراض العلوم التطبيقية، بما في ذلك معايرة الهندسية والعلمية واتإيه نماذج نوعية 7،8. والهدف من هذه الطرق، إلى أقصى حد ممكن، هو توفير أسعار صرف المياه الرواسب موثوقة ودقيقة. وقد استخدمت مجموعة متنوعة من النهج لتقييم التبادل الكيميائي في الكوامن والمياه. تراكم المياه السفلي من الغازات والمواد المذابة في النظم الطبقية يمكن أن تكون مفيدة 9، ولكن غير صالح لصرف المياه الرواسب فوق thermoclines أو pycnoclines. يتطلب ايدي ارتباط قياسات عالية التردد من الغازات، عموما الأكسجين، جنبا إلى جنب مع قياس الترددات العالية للسرعات المياه الرأسية. هذا الأسلوب له وعودا هائلة لكن في الوقت الراهن لا يمكن توفير بيانات لتبادل الدراسات المغذيات. وفي القباب الموقع أو غرف هي الأسلوب المفضل للغاية، مع الاستفادة من تغطية مساحة أكبر من الرواسب والحفاظ على درجات حرارة الموقع، والضغوط في المياه العميقة ومستويات الضوء 10. في الممارسة العملية، وهذه هي قياسات مكلفة للغاية تتطلب الوقت واسعة النطاقعلى متن سفن بحثية أكبر. معظم التطبيقات هي أعمق المناطق الساحلية أو رواسب المحيطات. تقنيات الحضانة الأساسية باستخدام التدفق من خلال الدوائر التي تصل إلى حالة مستقرة ممتازة للحفاظ على ثابت نسبيا كيمياء المياه تغمر، بما في ذلك الأكسجين، خلال حضانات 11. لأنه يتم تحديد معدل في حالة مستقرة بسبب الخلافات بين تركيز دفق والماء المتدفق، وأسعار صرف المياه، ويمكن لهذه حضانات تأخذ قدرا كبيرا من الوقت.
وقد تم تكييف النهج الحضانة الأساسية الوقت طبعا المستخدمة من قبل المختبر لدينا من الأساليب المستخدمة من قبل عدد من المختبرات المختلفة في أمريكا الشمالية وأوروبا، وهناك قدر كبير من الأدب على أساس هذا النهج العام. نحن تكييف هذا النهج لقياس N 2 -N الطلاءات 12، وغالبا ما يشار إلى نزع النتروجين، وطبقت على بيئات الضوئي والرواسب غير الضوئي، بما في ذلك estuarieالصورة 13، البحيرات، الخزانات، والأراضي الرطبة 14. من خلال هذه الدراسات وجدنا العديد من البيئات التي لدينا نهج شامل يعمل بشكل جيد، وبعض التي لا. وقد تم تنفيذ قياس نزع النتروجين في العديد من مختلف البيئات الأرضية والمائية لأن هذه العملية تمثل خسارة رئيسية من النيتروجين إلى النظم الإيكولوجية. وقد استخدمت طرقا عدة لإجراء قياسات نزع النتروجين، بعض مباشرة وغير مباشرة بعض 15. قياسات تدفق N 2 المباشرة هي صعبة للغاية بسبب محتوى الجوي المرتفع N 2، وتركيزات عالية لاحقة المذاب في الماء 16. ظهرت نهجين على أنها من أفضل تمثيل معدلات المتعلقة بالبيئة: النظائر الاقتران باستخدام N نظائر (17) وN 2: نسبة هارون المستخدمة في المختبر لدينا. وقد تم استخدام أسلوب النظائر الاقتران بنجاح في العديد من البيئات، ولها حساسية عالية جدا بأسعار منخفضة. نحن توظيف N2: AR نهج النسبة بسبب بساطته، ولأنها حساسة بما فيه الكفاية في بيئات أثرت علينا في كثير من الأحيان دراسة.
في هذه الورقة، ونحن تصف النهج التقني التي استخدمناها خلال العقدين الماضيين لجعل قياس تبادل المياه الرواسب من الغازات والمواد المذابة. أي قياسات صرف المياه الرواسب تحتاج إلى أن تأخذ في الاعتبار الظروف الميدانية وعدد من المعلمات التجريبية. وتشمل هذه العوامل في درجة الحرارة، وعلى ضوء / الظروف المظلمة 18، خلط / تدفق المادي في الكوامن والمياه 19، وحلت تركيزات الأكسجين 20، وغيرها من العوامل التي هي العناصر الرئيسية لإجراء قياسات جيدة. على سبيل المثال، إذا تم جمع النوى من المناطق التي تتلقى إضاءة كافية لنمو الطحالب القاعية، فمن الضروري وضع التجارب التي تشمل كلا من الظروف المظلمة والضوء 21. وبالمثل، إضافة الماء المغطي المؤكسج إلى نقص الأكسجين النوىلا تكرار الظروف الميدانية. الضميمة التجريبية من أي جزء من النظم الإيكولوجية المائية قد يؤدي إلى القطع الأثرية التي لا يمكن تجنبها 22؛ فمن الأهمية بمكان أن الأساليب المستخدمة في مياه الرواسب برنامج قياس الصرف 1) تعترف العوامل المتحكمة صرف المياه الرواسب في كل النظم الإيكولوجية و2) تقليل الأعمال الفنية المستمدة من التلاعب التجريبية.
وقد تم تطبيق تقنية الموضحة هنا إلى أنواع عديدة من النظم المائية، سواء الضحلة والعميقة، ولقد وجدت لتعمل بشكل جيد في معظم الحالات. وقد تم تكييف هذا النهج من الأساليب المستخدمة من قبل الزملاء وقدم في الأدب. هو الأمثل لقياس نزع النتروجين عبر غشاء قياس الطيف الكتلي مدخل. واحدة من نقاط القوة في هذا النهج هو القدرة على التعامل مع عدد كبير من النوى في وقت واحد. تكرار كل موقع مع مكررة أو ثلاث نسخ النوى يزيد من الثقة في القياسات، على الرغم من نهج بديل هو تعظيم المواقع مع أقل التكرار، في ظل هذه الظروف متوسط قيمة لشريحة البيئي قد يكون أكثر تمثيلا للتغير في الطبيعة. لتوضيح الاختلافات الموسمية، سلسلة زمنية القياس في عدد أقل من المواقع قد تكون استراتيجية مفيدة.
في هذا البروتوكول، وهناك العديد من الخطوات الهامة. باراماونت لجعل الصورةقياسات uccessful هي جمع النوى مع الكوامن والمياه سليمة. وعلى الرغم من رفض النوى التي لا تستوفي هذا المعيار في هذا المجال يمكن أن تكون متعبة، والنوى الفقيرة يؤدي إلى ضعف الدقة والإحكام. حفظ النوى الهوائية الغازية وعلى مقربة من درجة حرارة جمع الأصلي من شأنها أن تقلل التحف صحي والحفاظ عليه، سليمة الميكروبية وmetazoan السكان. وأخيرا، لO 2 و N 2 العينات، وإضافة المواد الحافظة كلوريد الزئبق أمر بالغ الأهمية. وقد لاحظنا أن المحافظة غير لائق من عينات الغاز، بما في ذلك الإفراط في التدفئة والتبريد من قوارير، ويمكن أن تمس هذه قياسات التدفق. مختبرات أخرى قد استخدمت بنجاح 7.0 M ZnCl 2 كمادة حافظة أقل السامة التي لديها انخفاض تكاليف التخلص من النفايات. ل7 مل عينة إضافة 30 ميكرولتر مناسبة.
التحليل الدقيق ودقيق للنسبة N 2 وهارون هو المفتاح لتحديد N 2 </sيو بي> الطلاءات. الملاحظ N 2: نسب AR تتغير كدالة للتركيز الأكسجين مما دفع بعض المحققين للدفاع إزالة الأكسجين قبل التحليل، وعموما استخدام النحاس ساخنة 28. وقد استخدمت أجهزة القياس المستخدمة في المختبر لدينا لتحديد تأثير الأكسجين على N 2: AR نسب 23 و تم العثور على أثر لتكون صغيرة جدا، <0.03٪ لنضوب الأكسجين متواضع. تظهر الاختلافات في النهج المتبع في تقييم الأكسجين "تأثير" أن تؤدي إلى استنتاجات مختلفة من قبل المحققين مختلف 23،28،29. وهناك تأثير كبير على الأكسجين N 2: أن نسب AR يؤدي إلى ارتفاع معدلات خطأ ن 2 -N هروب رأس المال. في تجربتنا، لدينا ملاحظات كثيرة من N يذكر 2 -N هروب رأس المال في ظل ارتفاع معدل نضوب الأكسجين. في مختبرات فيه تأثير الأكسجين على N 2: نسب AR تبدو ضخمة، بديلا مفيدا هو قياس مستقل لتركيزات الأكسجين باستخدام أقطاب أو optodes والأكسجينإزالة من التحليل الطيفي الشامل باستخدام النحاس ساخنة المضمنة.
استكشاف هذه التقنية لا يمكن تحقيقه إلا بعد دراستها للبيانات الرواسب تغير مستمر. العوامل الرئيسية في الاعتبار عند الانحدارات هي وعما إذا كان التقليب المستمر، تم جمع العينات والحفاظ عليها بشكل صحيح الفقيرة، وعما إذا كان الوقت الدورات كانت قصيرة جدا للسماح تقدير معدلات منخفضة. طول التجارب عموما يحدد من قبل دوام الأكسجين، مع انخفاض معدلات التمثيل الغذائي التي تتطلب حضانات أطول لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء جزءا لا يتجزأ من مسار الانحدار الوقت. ارتفاع معدلات إنتاج الأكسجين التي تحقق O 2 فقاعات تجعل تدفقات الغاز صعبة، ولكن تدفقات المذاب قد تتأثر.
فمن الضروري أن نفهم القيود المفروضة على هذا النهج. تغطي النوى الصغيرة 0.3٪ من المتر مربع وتغطي النوى أكبر بنسبة 0.6٪. في المواقع مع عدم تجانس كبير في حجم متر، وتوزيع غير متجانسة من أنيمالمرض أو النباتات قد تشير إلى أن واحدا أو اثنين من النوى قد لا يكون تمثيل كاف. وهناك أيضا بعض البيئات التي تشكل صعوبات القياس. لقياس نزع النتروجين، وجود غاز الميثان أو الأوكسجين الفقاعات قد يبطل هذه التقنية، مع N 2: نسب AR تتأثر تأسيس فرق من الغازات في فقاعات. في الرواسب مستعمرة من قبل الطحالب القاعية، وتشكيل لنتائج فقاعات الأكسجين في تجريد تفضيلية ن 2 نسبة إلى هارون، وانخفاض في N 2: نسبة هارون. بشكل عام، لا يمكننا قياس نزع النتروجين عند النقطة التي فقاعات النموذج. البيئات اللاهوائية تحديات مختلفة، تهوية والنوى تغير ديناميات الأكسدة في الكوامن والمياه. نحن ختم النوى مع قمم التحريك مباشرة بعد جمع وبدء تدفقات دون استبدال عمود الماء تماما (30). تجاربنا مع الرواسب مضيئة عادة قد تشبع أو شبه saturatجي مستويات إضاءة 31، وبالتالي تحقيق أقصى قدر من التأثير من الطحالب القاعية.
قياسات صرف المياه الرواسب هي قياس التدفق الصافي للمواد عبر الكوامن والمياه. ومع ذلك، هذه القياسات في كثير من الأحيان وحدها لا يمكن تحديد الآليات المتحكمة في هذه التبادلات البينية. إذا ينطوي على السؤال البحثي آليات التفاهم وغيرها من المعلومات على التفاعل المادة العضوية، ومحطة تقسيم المناطق المتقبلة الإلكترون، bioirrigation والتعكير، والكائنات الضوئي قد تكون ضرورية. نمذجة الجهود 7 قد تتطلب تحديد كيمياء المياه المسام، واتخاذ تدابير مباشرة من المادة العضوية التفاعل 32، تعداد السكان الحيوان، والرواسب الحيوي الري، تراكم الرواسب، أو التلاعب التجريبية من الأكسدة أو المغطي كيمياء المياه 13. في دراساتنا، بيانات تبادل جيد الرواسب في الماء هو عنصر أساسي لفهم كيمياء الرواسب المائية،وبالتزامن مع القياسات الأخرى، ويحدد دور عمليات إعادة تدوير الرواسب في الدورات البيولوجية الكيميائية المائية.
مع العناية بشأن معالجة الرواسب، والتحكم في درجة الحرارة، وعمود الماء الاختلاط، حضانات الأساسية هي نهج مفيد لتقدير تبادل المواد المذابة والغازات في الكوامن والمياه. ومع ذلك، فإن التقنيات المستخدمة هنا قد تحتاج تعديل لبعض البيئات وللخدمات اللوجستية الصعبة، مثل فترات زمنية طويلة قبل الحضانة. حتى الآن، وقد طبقنا هذا النهج بنجاح الحضانة إلى مصبات الأنهار والمناطق الساحلية، والأراضي الرطبة والبحيرات، الخزانات والأنهار والبرك الاحتفاظ بيئات مع الحد الأدنى من التعديل.
The authors have nothing to disclose.
وضعت الكتاب هذا النهج باستخدام ملاحظاتنا من الأعمال التي تقوم بها والتر بوينتون وبيت Sampou والعمل التعاوني بشأن نزع النتروجين مع تود قانا في مركز جامعة مريلاند للعلوم البيئية. ان وضع نهج نزع النتروجين لدينا لم يكن ممكنا من دون دعم من برنامج المنح البحر ميريلاند، والمؤسسة الوطنية للعلوم. تم جمع بيانات تمثيلية المستخدمة هنا بتمويل من ولاية ماريلاند البحر غرانت (R / عبد القدير-5C) والكتابة الجهود كانت مدعومة ماريلاند البحر غرانت (R / SV-2)، ومكتب نوا خليج تشيسابيك (NA13NMF4570210)، والشراكة استعادة المحار ومؤسسة العلوم الوطنية (OCE1427019)، شركة اكسيلون، وخدمة البيئة ماريلاند / إدارة ميناء ولاية ماريلاند.
Multiparameter sonde – temperature, oxygen, salinity | YSI | " | Any high quality equipment will suffice |
PAR Measurement | Li-Cor | 6050000 | |
Pole corer | Built by machine shop | ||
Box corer | DK-Denmark | HAPS Corer | We also use light box coring equipment |
Small core tubes with o-ring fitted bottom, 3' OD, 2.5' Id. | various plastics companies | Clear acrylic | |
Medium core tubes with o-ring, 4.5" od, 4" id | various plastics companies | Clear acrylic | |
Butyl stopper size 13.5 | generic | ||
Stirring turntable | Built by machine shop | ||
Incubation tub | Built by machine shop | ||
Replacement water carboy | Nalgene | 2320-0050 | |
7 mL glass stoppered tube | Chemglass | not on inventory | "Exetainers" used by other labs |
20 mL plastic syringe | generic | ||
Syringe filters | |||
Plastic tubing | Tygon | ACF00004-CP | |
Compact Fluorescent Lights | Apollo Horticulture | CFL 8U 250W |