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.
Sedimenten zijn kritisch biogeochemische componenten van aquatische ecosystemen en vaak zijn belangrijke put van nutriënten en verontreinigende stoffen. Baanbrekende studies van voedingsstoffen, gas en overgangsmetaal biogeochemie in lacustriene sedimenten onthulde sediment uitwisseling van opgeloste stoffen en gassen met overliggende water dat redox voorwaarden 1,2 had wisselend. Voor voedingsstoffen, kan sedimenten een bron van fosfor en stikstof na vaste remineralisatie van organisch materiaal en een spoelbak voor zuurstof in niet- fotosynthetische omgevingen 3,4 zijn. Fotosynthese van ondergedoken waterplanten, macro-algen en benthische microalgen kan diepgaande invloeden op de uitwisseling van opgeloste stoffen over het sediment-water interface van 5,6 te hebben.
Metingen van de uitwisseling van opgeloste stoffen en gassen over het sediment-water-interface worden uitgevoerd voor zowel de fundamentele wetenschap en toegepaste wetenschap doeleinden bedoeld zijn, zoals onder meer ijken van techniek en wetenschap water kwaliteitsmodellen 7,8. Het doel van deze methoden, om zoveel mogelijk is om betrouwbare en nauwkeurige sediment-water wisselkoersen bieden. Een grote verscheidenheid van benaderingen zijn gebruikt om de chemische uitwisseling op het sediment-watergrensvlak te beoordelen. Bodem water opeenhoping van gassen en opgeloste stoffen in gedifferentieerde systemen kan nuttig 9 zijn, maar is niet geldig voor sediment-water uitwisseling boven thermoclines of pycnoclines. Eddy correlatie vereist een hoge frequentie metingen van gassen, in het algemeen zuurstof, gecombineerd met een hoge frequentie meten van verticaal water snelheden; Deze techniek heeft een enorme belofte maar op dit moment kan geen gegevens voor voedingsstoffen uitwisseling studies. In situ koepels of kamers zijn een zeer aangewezen methode, met het voordeel van de dekking van een groter oppervlak van sediment en onderhouden van in situ temperaturen diep water druk en lichtniveaus 10. In de praktijk zijn dit zeer dure metingen die uitgebreid de tijdop grotere onderzoek schepen; de meeste toepassingen zijn dieper kustgebied of oceanische sedimenten. Core incubatie technieken met behulp van stroom door kamers die steady state te bereiken zijn uitstekend geschikt voor het handhaven van relatief constant bovenliggende water scheikunde, met inbegrip van zuurstof, tijdens incubaties 11. Omdat de snelheid bij steady-state wordt bepaald door de concentratie verschillen tussen inkomende en uitgaande water en door water wisselkoersen, kunnen deze incubaties een aanzienlijke hoeveelheid tijd in beslag nemen.
Het tijdsverloop kern incubatie aanpak van ons laboratorium werd aangepast van methoden dat door verschillende laboratoria in Noord-Amerika en Europa, en er is een aanzienlijke hoeveelheid literatuur basis van deze algemene benadering. Passen wij deze benadering van de meting van N 2 N fluxen 12, vaak aangeduid als denitrificatie en hebben verzocht zij fotosynthetisch en niet- fotosynthetische sediment omgevingen, waaronder estuaries 13, meren, reservoirs, en wetlands 14. Door middel van deze studies hebben we veel omgevingen waarin onze algemene aanpak werkt goed gevonden, en wat in welke niet. De meting van denitrificatie heeft op vele verschillende terrestrische en het aquatisch milieu uitgevoerd, omdat dit proces is een belangrijke verlies van stikstof ecosystemen. Talrijke benaderingen zijn gebruikt om denitrificatie metingen aantal directe en indirecte sommige 15 maken. Direct N2 fluxmetingen zeer moeilijk vanwege het hoge gehalte atmosferische N2 en daaropvolgende hoge concentraties opgelost in water 16. Twee benaderingen naar voren zijn gekomen als de beste voorstelling van het milieu relevante tarieven: isotoop koppelen met behulp van N isotopen 17 en de N 2: Ar-verhouding gebruikt in ons laboratorium. De isotoop pairing werkwijze is met succes gebruikt in veel omgevingen en heeft een zeer hoge gevoeligheid tegen lage prijzen. We maken gebruik van de N2: Ar verhouding benadering vanwege zijn eenvoud, en omdat het voldoende gevoelig in het getroffen omgevingen we vaak bestuderen.
In dit artikel beschrijven we de technische benadering die we gebruikt hebben in de afgelopen twee decennia aan de meting van de sediment-water uitwisseling van gassen en opgeloste stoffen te maken. Elke metingen van sediment-water uitwisseling moeten rekening houden met veldomstandigheden en een aantal experimentele parameters. Deze factoren omvatten temperatuur, licht / donker 18, mengen / fysieke stroom bij de sediment-water-interface 19, opgeloste zuurstofconcentraties 20, en andere factoren die de belangrijkste elementen van het maken van goede metingen. Als bijvoorbeeld kernen van gedeelten die voldoende verlichting te ontvangen voor de groei van benthische microalgen, moet worden experimenten die donkere en licht 21 omvatten bedenken. Ook het toevoegen van zuurstofrijk bovenliggende water naar cores anoxischerepliceert niet veldomstandigheden. Experimentele afsluiting van een deel van aquatische ecosystemen kan leiden tot onvermijdelijke artefacten 22; is het essentieel dat de gebruikte in een sediment-water uitwisseling meetprogramma 1 benaderingen) erkennen de factoren die sediment-water uitwisseling in elk ecosysteem en 2) het minimaliseren artefacten afgeleid van experimentele manipulatie.
De hier beschreven techniek is toegepast op tal van soorten van aquatische systemen, zowel ondiep en diep, en we vonden het goed te werken in de meeste omstandigheden. Deze aanpak werd aangepast van methoden dat door collega's die in de literatuur; het is geoptimaliseerd voor het meten van denitrificatie via membraaninlaat massaspectrometrie. Een sterk punt van deze aanpak is de mogelijkheid om een groot aantal cores tegelijk verwerken. Repliceren elke site met twee- of drievoud kernen verhoogt het vertrouwen in de metingen, maar een alternatieve benadering is om sites met minder gemaximaliseerd, onder deze omstandigheden de gemiddelde waarde voor een milieu-segment meer representatief zijn voor de variatie in de natuur kan zijn. Voor het ophelderen van seizoensgebonden verschillen, kan een meting tijdreeks op een kleiner aantal locaties een bruikbare strategie.
In dit protocol zijn er verschillende kritische stappen. Paramount aan het maken van sUccessful metingen is de verzameling van kernen met een intacte sediment-water interface. Hoewel verwerpen kernen die niet aan dit criterium van het veld kan vermoeiend zijn, heeft slechtere kernen leiden tot slechte nauwkeurigheid en precisie. Het houden van aërobe cores belucht en dicht bij het origineel collectie temperatuur artefacten te minimaliseren en onderhouden van gezonde, intacte microbiële en metazoan populaties. Tenslotte voor O 2 en N 2 monsters, het toevoegen van kwikchloride conserveermiddel kritisch. We hebben waargenomen dat onjuiste behoud van monsters gas, waaronder overmatige verwarming en koeling van de injectieflacons, kunnen deze flux metingen in gevaar brengen. Andere laboratoria hebben met succes toegepast 7,0 M ZnCl2 als een minder toxisch bewaarmiddel dat lagere kosten voor afvalverwijdering heeft; voor een 7 ml van het monster van een 30 pi toevoeging geschikt is.
De precieze en nauwkeurige analyse van de verhouding van N2 en Ar is om de bepaling van de N 2 </sub> fluxen. Waargenomen N 2: Ar verhoudingen veranderen als functie van de zuurstofconcentratie waardoor sommige onderzoekers om zuurstof te verwijderen voorafgaand aan de analyse bepleiten, opgewekt met verwarmde koperen 28. De instrumenten in ons laboratorium werd gebruikt om het effect van zuurstof in N 2 bepalen: Ar verhoudingen 23 en het effect bleek zeer klein, <0,03% voor bescheiden zuurstofdepletie te zijn. De verschillen in de aanpak van de beoordeling van de zuurstof "effect" lijkt te leiden tot verschillende conclusies door verschillende onderzoekers 23,28,29. Een grote zuurstof effect op de N 2: Ar verhoudingen zou leiden tot ten onrechte hoge tarieven van N2-N uitstroom; in onze ervaring, hebben we veel waarnemingen van te verwaarlozen N2 N uitstroom onder hoge mate van zuurstofgebrek. In laboratoria waarin de zuurstof effect op N 2: Ar verhoudingen lijken groot, een bruikbaar alternatief is de onafhankelijke meting van zuurstofconcentraties gebruik van elektroden of optoden en zuurstofverwijdering uit de massaspectrometrische analyse met behulp van inline verwarmde Cu.
Problemen met deze techniek is alleen mogelijk na bestudering van het sediment flux gegevens. Belangrijke factoren te overwegen wanneer regressies zijn armen of roeren was continu werden monsters verzameld en correct bewaard en of verloop in de tijd was te kort om schatting van de lage tarieven mogelijk te maken. De lengte experimenten wordt algemeen door de zuurstof tijdsverloop stellen met lage metabolisatiesnelheid vereisen langere incubaties om de signaal-ruisverhouding ingebed in het tijdsverloop regressies verhogen. Hoge tarieven van zuurstof productie die O 2 belletjes op te maken gas stromen moeilijk, maar opgeloste stromen kan niet gewijzigd.
Het is noodzakelijk om de beperkingen van deze benadering te begrijpen. De kleine kernen omvatten 0,3% van een vierkante meter en de grotere kernen dekken 0,6%. In plaatsen met aanzienlijke heterogeniteit in de meter schaal heterogene verdelingen van Animals of planten kunnen wijzen dat één of twee kernen geen voldoende vertegenwoordiging kan. Er zijn ook een aantal omgevingen die moeilijkheden meting te presenteren. Voor het meten van denitrificatie kan de aanwezigheid van methaan of zuurstofbellen de techniek vervallen, met N 2: Ar verhoudingen beïnvloed door differentiële opname van gassen in de bellen. In sediment gekoloniseerd door benthische microalgen, de vorming van zuurstofbelletjes leidt tot een preferentiële strippen van N 2 ten opzichte van Ar en verlaging van de N 2: Ar ratio. In het algemeen kunnen we niet meten denitrificatie op het punt waar bubbels vorm. Anaërobe omgevingen vormen verschillende uitdagingen, en beluchting van kernen verandert de redox dynamiek in het sediment-water interface. Wij verzegelen cores onder roeren tops onmiddellijk na het verzamelen en de stromen te starten zonder dat het volledig 30 ter vervanging van de waterkolom. Onze experimenten met verlichte sedimenten hebben meestal verzadigen of bijna-saturating niveaus van verlichting 31, en dus het effect van benthische microalgen maximaliseren.
Sediment-water uitwisseling metingen een meting van de netto flux van materialen over het sediment-water interface. Echter deze metingen alleen vaak niet de mechanismen die deze grensvlakken uitwisselingen identificeren. Als de onderzoeksvraag betreft inzicht mechanismen, andere informatie over organische stof reactiviteit, terminale elektron acceptor zonering, bioirrigation en bioturbatie en fotosynthetische organismen kan noodzakelijk zijn. Modelleren inspanningen 7 kan bepaling van poriewater chemie, directe maatregelen van organisch materiaal reactiviteit 32, opsomming van dierpopulaties, sediment bio-irrigatie, sediment aanwas, of experimentele manipulaties van redox of bovenliggende water chemie 13 vereisen. In onze studies, goede sediment-water uitwisseling van gegevens is een belangrijk onderdeel van het begrijpen van de chemie van waterbodems,en in combinatie met andere metingen, identificeert de rol van slibrecyclagecentra processen in aquatische kringlopen.
Met zorg ten aanzien van sediment handling, temperatuurregeling, en het mengen waterkolom, kern incubaties zijn een nuttige benadering van de schatting van de uitwisseling van opgeloste stoffen en gassen bij het sediment-water interface. Echter de hier gebruikte technieken modificatie nodig voor sommige omgevingen en moeilijke logistiek, zoals uitgebreide tijdsperioden vóór incubatie. Tot nu toe hebben we met succes deze incubatie benadering toegepast op estuaria, kust, wetland, meer, reservoir, de rivier en het behoud vijver omgevingen met minimale wijziging.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs ontwikkelde deze aanpak met behulp van onze waarnemingen van de werkzaamheden van Walter Boynton en Pete Sampou en coöperatieve werkzaamheden op denitrificatie met Todd Kana aan de Universiteit van Maryland Center for Environmental Science uitgevoerd. Ontwikkeling van onze denitrificatie benaderingen zou niet mogelijk zijn geweest zonder de steun van de Maryland Sea Grant Program en de National Science Foundation. De representatieve gegevens die hier gebruikt werden verzameld met financiering van Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) en het schrijven van de inspanningen werden ondersteund door Maryland Sea Grant (R / SV-2), de NOAA Chesapeake Bay Office (NA13NMF4570210), de Oyster Recovery Partnership , de National Science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, en de Maryland Milieudienst / Maryland Port Administration.
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 |