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.
Les sédiments sont des composants critiques biogéochimiques des écosystèmes aquatiques et sont souvent des puits importants de nutriments et de contaminants. Des études pionnières de nutriments, de gaz et de transition biogéochimie des métaux dans les sédiments lacustres ont révélé l' échange de solutés et de gaz avec de l' eau sus - jacente qui avaient des conditions variables redox 1,2 sédiments. Pour les éléments nutritifs, les sédiments peuvent être une source de phosphore et de l' azote fixé après reminéralisation de la matière organique, et un puits pour l' oxygène dans des environnements non-photosynthétiques 3,4. Photosynthèse des macrophytes submergés, macroalgues et microalgues benthiques peut avoir une influence profonde sur l'échange de substances dissoutes dans l'interface eau-sédiments 5,6.
Les mesures de l'échange de solutés et de gaz à travers l'interface eau-sédiments sont réalisées à la fois la science fondamentale et à des fins de sciences appliquées, y compris l'étalonnage de l'ingénierie et wat scientifiqueer les modèles de qualité 7,8. L'objectif de ces méthodes, dans la mesure du possible, est de fournir des taux de change des sédiments d'eau fiables et précises. Une grande variété d'approches ont été utilisées pour évaluer l'échange chimique à l'interface eau-sédiment. L' accumulation d'eau de fond de gaz et de solutés dans les systèmes stratifiés peut être utile 9, mais ne vaut pas pour l' échange eau-sédiments au-dessus de la thermocline ou pycnoclines. Foucault corrélation nécessite des mesures à haute fréquence des gaz, généralement de l'oxygène, combinée avec la mesure à haute fréquence des vitesses verticales de l'eau; cette technique a un énorme potentiel , mais actuellement ne peut pas fournir des données pour les études d'échange d'éléments nutritifs. Dans les dômes in situ ou des chambres sont une méthode très préférée, avec l'avantage de couvrir une plus grande surface de sédiments et de maintenir des températures in situ, les pressions en eau profonde et des niveaux de lumière 10. Dans la pratique, ce sont des mesures très coûteuses nécessitant beaucoup de tempssur les navires de recherche plus importants; la plupart des applications sont plus profondes des zones côtières ou les sédiments océaniques. Techniques d'incubation de base à l' aide de flux à travers des chambres qui atteignent l' état d' équilibre sont excellentes pour le maintien de la chimie de l' eau sus - jacente relativement constante, y compris l' oxygène, au cours des incubations 11. Parce que le taux est déterminé à l'état d'équilibre par des différences de concentration entre eau entrante et sortante, et par des taux de change de l'eau, ces incubations peuvent prendre beaucoup de temps.
L'approche de base incubation temps bien sûr utilisé par notre laboratoire a été adapté d'approches utilisées par un certain nombre de différents laboratoires en Amérique du Nord et en Europe, et il y a une quantité considérable de la littérature sur la base de cette approche générale. Nous avons adapté cette approche à la mesure de N 2 -N flux 12, souvent appelé dénitrification, et l'avons appliqué à des environnements photosynthétiques et non photosynthétiques sédiments, y compris l' Estuaires 13, lacs, réservoirs et milieux humides 14. Grâce à ces études, nous avons trouvé de nombreux environnements dans lesquels notre approche globale fonctionne bien, et d'autres dans lesquels il ne fonctionne pas. La mesure de dénitrification a été réalisée dans de nombreux milieux terrestres et aquatiques différentes parce que ce processus représente une perte clé de l'azote pour les écosystèmes. De nombreuses approches ont été utilisées pour effectuer des mesures de dénitrification, un peu directe et indirecte certains 15. Direct N 2 mesures de flux sont très difficiles en raison de la teneur atmosphérique élevée N 2, et de fortes concentrations ultérieures dissous dans l' eau 16. Deux approches ont émergé comme ayant la meilleure représentation des taux pertinents pour l' environnement: l' appariement des isotopes utilisant N isotopes 17 et le N 2: rapport Ar utilisé dans notre laboratoire. La méthode isotopique de jumelage a été utilisé avec succès dans de nombreux environnements et a une très grande sensibilité à des taux bas. Nous employons le N2: Ar approche du ratio en raison de sa simplicité, et parce qu'il est suffisamment sensible dans les milieux touchés nous étudions souvent.
Dans cet article, nous décrivons l'approche technique, nous avons utilisé au cours des deux dernières décennies pour faire la mesure de l'échange des gaz et des solutés de sédiments dans l'eau. Toutes les mesures d'échange eau-sédiments doivent tenir compte des conditions sur le terrain de considération et un certain nombre de paramètres expérimentaux. Ces facteurs comprennent la température, les conditions d' éclairage / sombres 18, le mélange flux / physique à l'interface eau-sédiments 19, les concentrations d'oxygène dissous 20, et d' autres facteurs qui sont des éléments clés de la prise de bonnes mesures. Par exemple, si les noyaux sont prélevés dans des zones qui reçoivent un éclairage suffisant pour la croissance des micro – algues benthique, il est nécessaire de concevoir des expériences qui comprennent à la fois des conditions d' obscurité et de lumière 21. De même, l'ajout d'eau sus-jacente oxygéné anoxique noyauxne reproduit pas les conditions de terrain. Enceinte expérimentale d'une partie des écosystèmes aquatiques peuvent conduire à des artefacts inévitables 22; il est essentiel que les approches utilisées dans un programme de mesure de l'échange eau-sédiments 1) reconnaissent les facteurs contrôlant l'échange eau-sédiments dans chaque écosystème et 2) minimiser les artefacts provenant de la manipulation expérimentale.
La technique décrite ici a été appliquée à de nombreux types de systèmes aquatiques, à la fois profondes et peu profondes, et nous avons trouvé qu'il fonctionne bien dans la plupart des circonstances. Cette approche a été adaptée d'approches utilisées par les collègues et présentés dans la littérature; il est optimisé pour la mesure de la dénitrification par l'intermédiaire d'une membrane d'entrée spectrométrie de masse. Un des points forts de cette approche est la capacité à gérer un grand nombre de noyaux simultanément. Réplication chaque site avec double ou en triple cœurs augmente la confiance dans les mesures, si une approche alternative est de maximiser les sites avec moins de réplication, dans ces circonstances, la valeur moyenne pour un segment de l'environnement peut être plus représentatif de la variabilité dans la nature. Pour élucider les différences saisonnières, une série de temps de mesure à un petit nombre de sites peut être une stratégie utile.
Dans ce protocole, il y a plusieurs étapes critiques. Primordiale pour faire lmesures ÉUSSI est la collection de cœurs avec une interface eau-sédiment intact. Bien que le rejet des noyaux qui ne répondent pas à ce critère dans le domaine peut être fatigant, noyaux pauvres conduire à une mauvaise exactitude et la précision. Garder noyaux aérobies aéré et proche de la température de collection originale permettra de minimiser les artefacts et maintenir les populations microbiennes et métazoaires saines, intactes. Enfin, O 2 et N 2 échantillons, l'addition de chlorure mercurique conservateur est critique. Nous avons observé que mauvaise conservation des échantillons de gaz, y compris le chauffage excessif et le refroidissement des flacons, peut compromettre ces mesures de flux. D' autres laboratoires ont utilisé avec succès 7,0 M ZnCl 2 comme agent de conservation moins toxiques que les coûts d'élimination des déchets plus faibles; pour un 7 ml d'échantillon une addition de 30 pl est approprié.
L'analyse précise et exacte du rapport de N 2 et Ar est essentielle pour la détermination de la N 2 </sub> fondants. Observé N 2: ratios Ar change en fonction de la concentration en oxygène qui conduit certains chercheurs à préconiser l' élimination de l' oxygène avant l'analyse, en utilisant généralement le cuivre chauffé 28. L'instrumentation utilisée dans notre laboratoire a été utilisé pour déterminer l'effet de l' oxygène sur N 2: Ar ratios 23 et on a trouvé que l'effet soit très faible, <0,03% pour modeste appauvrissement en oxygène. Les différences dans l'approche de l' évaluation de l ' «effet» d'oxygène semblent conduire à des conclusions différentes par différents chercheurs 23,28,29. Un grand effet de l' oxygène sur N 2: ratios Ar conduirait à des taux faussement élevés de N 2 -N efflux; dans notre expérience, nous avons de nombreuses observations de négligeable N 2 -N efflux sous taux élevé d'appauvrissement en oxygène. Dans les laboratoires dans lesquels l'effet de l' oxygène sur le N 2: Ar rapports apparaissent ensemble, une alternative utile est la mesure indépendante de la concentration en oxygène en utilisant des électrodes et de l' oxygène ou optodesretrait de l'analyse par spectrométrie de masse en utilisant Cu inline chauffée.
Dépannage cette technique est possible que lors de l'examen des données de flux de sédiments. Les principaux facteurs à considérer lors de régressions sont pauvres sont si agitation était continue, des échantillons ont été prélevés et conservés correctement, et si le temps des cours étaient trop courts pour permettre une estimation des taux bas. La longueur d'expériences est généralement définie par le décours temporel de l'oxygène, avec un taux de métabolisme nécessitant incubations plus longues pour augmenter le rapport signal à bruit incorporé dans les régressions cours du temps bas. Les taux élevés de production d'oxygène qui donnent O 2 bulles rendent les flux de gaz difficile, mais les flux de soluté peut être affectée.
Il est nécessaire de comprendre les limites de cette approche. Les petits noyaux couvrent 0,3% d'un mètre carré et les noyaux plus grands couvrent 0,6%. Dans les sites avec une forte hétérogénéité à l'échelle du mètre, les distributions hétérogènes de animals ou plantes peuvent suggérer que un ou deux noyaux peuvent ne pas être une représentation suffisante. Il y a aussi des environnements qui présentent des difficultés de mesure. Pour la mesure de la dénitrification, la présence de méthane ou de bulles d' oxygène peut invalider la technique, avec du N 2: Les rapports Ar influencés par l' incorporation différentielle des gaz dans les bulles. Dans les sédiments colonisés par des micro – algues benthique, la formation de bulles d'oxygène se traduit par une rectification de N2 préférentiel par rapport à Ar, et la diminution de la N ratio 2: Ar. En général, nous ne pouvons pas mesurer dénitrification au point où des bulles se forment. environnements anaérobies posent des défis différents, et l'aération des noyaux change la dynamique redox à l'interface eau-sédiment. Nous scellons des noyaux avec des sommets d'agitation immédiatement après la collecte et de commencer les flux sans remplacer la colonne d'eau complètement 30. Nos expériences avec des sédiments illuminés ont généralement saturant ou quasi-saturating niveaux d'éclairage 31, et donc de maximiser l'effet des microalgues benthiques.
mesures d'échange eau-sédiments sont une mesure du flux net de matières à travers l'interface eau-sédiments. Cependant, ces mesures seules ne peuvent souvent pas identifier les mécanismes contrôlant ces échanges interfaciale. Si la question de recherche implique des mécanismes de compréhension, d'autres informations sur la matière organique réactivité, un terminal accepteur d'électrons zonation, bioirrigation et bioturbation et organismes photosynthétiques pourraient être nécessaires. Modélisation des efforts 7 peuvent nécessiter la détermination de la chimie de l' eau interstitielle, des mesures directes de la matière organique réactivité 32, le dénombrement des populations animales, les sédiments bio-irrigation, les sédiments accrétion ou manipulations expérimentales de redox ou recouvrant la chimie de l' eau 13. Dans nos études, l'échange de données bonne eau-sédiments est une composante clé de la compréhension de la chimie des sédiments aquatiques,et en conjonction avec d'autres mesures, identifie le rôle des processus de recyclage des sédiments dans les cycles biogéochimiques aquatiques.
Avec des soins en ce qui concerne le traitement des sédiments, contrôle de la température, et de la colonne d'eau de mélange, incubations de base sont une approche utile pour l'estimation de l'échange de solutés et de gaz à l'interface eau-sédiments. Cependant, les techniques utilisées ici peuvent nécessiter des modifications pour certains environnements et pour la logistique difficiles, telles que des périodes de temps prolongées avant incubation. Jusqu'à présent, nous avons appliqué avec succès cette approche d'incubation estuariens, côtières, zones humides, lacs, réservoirs, rivières et bassin de rétention des environnements avec un minimum de modifications.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs ont développé cette approche en utilisant nos observations de travaux menés par Walter Boynton et Pete Sampou et le travail coopératif sur dénitrification avec Todd kana à l'Université du Maryland Center for Environmental Science. Développement de nos approches de dénitrification aurait pas été possible sans le soutien du Programme de subventions Maryland Mer et la National Science Foundation. Les données représentatives utilisées ici ont été recueillies grâce au financement du Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) et les efforts d'écriture ont été soutenus par le Maryland Sea Grant (R / SV-2), le Bureau NOAA Chesapeake Bay (NA13NMF4570210), le Partenariat de récupération Oyster , la national science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, et le service de l'environnement Maryland / 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 |