Introduction
משקעים הם מרכיבים biogeochemical קריטי של מערכות אקולוגיות מימיות ולעתים קרובות הם כיורים חשובים של חומרים מזינים ומזהמים. מחקרים החלוציים של מזין, גז biogeochemistry מתכות מעבר במשקעי אֲגַמִי חשף חליפין משקעים של מומסים וגזים במים שמעליה אשר משתנים תנאי חיזור 1,2. עבור אלמנטים מזינים, משקעים יכולים להיות מקור של זרחן וחנקן שווה אחר remineralization של חומר אורגני, וכיור לחמצן בסביבות שאינן פוטוסינתטיים 3,4. פוטוסינתזה של macrophytes השקוע, macroalgae ו microalgae benthic יכולה להיות השפעות מרחיקות לכת על חילופי חומרים מומסים פני הממשק המשקע-מי 5,6.
המדידות של החילופים מומסים וגזים פני הממשק המשקע-המים מתבצעות הן למדע בסיסי למטרות מדע היישומי, כוללים כיול הנדסת ואט מדעיאה 7,8 מודלים באיכות. המטרה של שיטות אלה, במידה הרבה ככל האפשר, היא לספק שעיר חליפין אמינים ומדויקים משקעים-מים. מגוון רחב של גישות שמש להעריך שינוי כימי על הממשק המשקע-מים. הצטברות מים בתחתית הגזים מומסים במערכות מרובדת יכולה להיות שימושית 9, אבל הוא לא תקף חליפין משקעים-מים מעל תרמוקלינה או pycnoclines. מתאם אדי דורש מדידות תדר גבוהות של גזים, חמצן בדרך כלל, בשילוב עם מדידת שכיחות גבוהה של מהירויות מים אנכיות; יש טכניקה זו הבטחה עצומה אך כרגע לא ניתן לספק נתונים עבור מחקרים חילופיים מזין. בשנת כיפות באתרו או תאים הם שיטה מועדפת ביותר, עם היתרון של המשתרעים על שטח פני שטח גדול יותר של משקעים ושמירה בטמפרטורות באתרו, לחצים ורמות אור מים עמוקים 10. למעשה, אלה הם מדידות מאוד יקרות הדורש זמן רבעל כלי מחקר גדולים; רוב היישומים הם אזור החוף עמוק או משקעי אושיאניק. טכניקות דגירת Core באמצעות זרימה דרך תאים שמגיעות למצב יציב מצוינות לשמירה על כימיית מים שמעליה קבועה יחסית, כולל חמצן, במהלך incubations 11. בגלל השיעור נקבע על מצב יציב על ידי הבדלים בריכוז שבין אחז זרם ומים נשפכים, ובשערי חליפי מים, incubations אלה יכול לקחת כמות ניכרת של זמן.
גישת דגירת ליבת הזמן כמובן שמוצגת במעבדה שלנו הותאמה מתוך גישות בשימוש על ידי מספר מעבדות שונות בצפון אמריקה ובאירופה, ויש כמות ניכרת של ספרות המבוססת על גישה כללית זו. התאמנו גישה זו למדידת N 2 -N והנתיבים 12, המכונה לעתים קרובות דניטריפיקציה, והחלנו אותו כדי פוטוסינתטיים וסביבות הלא פוטוסינתטיים משקעים, estuarie כוללים 13, אגמים, מאגרי מים, ביצות 14. באמצעות מחקרים אלה שמצאנו סביבות רבות שבן הגישה הכללית שלנו עובדת היטב, וחלק שבו זה לא. מדידת דניטריפיקציה בוצעה ברבי סביבות יבשתיות מימיות שונות בגלל התהליך הזה מייצג אובדן מפתח של חנקן למערכות אקולוגיות. רבים גישות שימשו כדי לבצע מדידות דניטריפיקציה, כמה ישירה וחלקם בעקיפין 15. מדידות N 2 שטף ישירים מאוד קשות בגלל התוכן אטמוספרי הגבוה N 2, ו בריכוזים גבוהים עוקבים מומסים במים 16. שתי גישות צמחו כבעל את הייצוג הטוב ביותר של שיעורים רלוונטיים לסביבה: זיווג איזוטופ באמצעות N איזוטופים 17 ואת N 2: יחס Ar בשימוש במעבדה שלנו. שיטת השיוך איזוטופ שימש בהצלחה בסביבות רבות ויש לו רגישות מאוד גבוהה במחירים נמוכים. אנו מעסיקים את N2: גישת יחס Ar בגלל הפשטות שלו, ובגלל זה הוא רגיש מספיק בסביבות המושפעות לעתים קרובות אנו ללמוד.
במאמר זה, אנו מתארים את הגישה הטכנית השתמשנו בשני העשורים האחרונים לעשות מדידה של חילופי משקעים-המים של גזים מומסים. כל מדידות של חילופי משקעים-מים צריכות לקחת לתוך בתנאי שטח התחשבות במספר הפרמטרים ניסיוניים. גורמים אלה כוללים טמפרטורה, אור / בתנאי חושך 18, ערבוב / זרימה פיזית על הממשק המשקע-המים 19, ריכוזי חמצן מומסים 20, וגורמים אחרים, כי הם מרכיבים עיקריים של ביצוע מדידות טובות. לדוגמא, אם ליבות נאספות מאזורים המקבלים תאורה מספקת לצמיחת microalgae benthic, יש צורך לתכנן ניסויים הכוללים הוא החושך ואור תנאי 21. בדומה לכך, הוספת מים שמעליה מחומצן אל anoxic ליבותלא לשכפל בתנאי שטח. מתחם הניסיון של כל חלק של מערכות אקולוגיות מימיות עשויים להוביל חפצים בלתי נמנעים 22; זה קריטי, כי הגישות בשימוש בתכנית מדידת חליפין משקעים-מים 1) להכיר את גורמי שליטת חליפין משקעים-מים בכל מערכת אקולוגית ו -2) למזער חפצים נגזרים מניפולציה ניסויית.
Protocol
הערה: אוסף ליבות עם ממשקים משקעים-מים ללא הפרעה הוא הכרחי כדי לבצע מדידות ניסיוניות טובות לחליפין; ליבות פערים מופרעות צפויות להחליף מומס במים נקבוביים במים שמעליה ואת שפרו ספיגת חמצן באמצעות החמצון של Fe (II) ותרכובות גופרית מופחתות. במאמר זה, אנו מדגישים נהלי דגירה משקעות של משקעים עם רק הכללה שטחית של טכניקות דגימת משקעים וניתוחים כימיים מומסים וגזים. לפני הדגימה, או מבוסס על התוצאות הראשוניות, לקבוע את מידת שכפול ידי הצרכים הפרויקט הכולל, עיצוב סטטיסטי או הסכום הצפוי של השתנות מרחבית בקנה מידה קטן. ליבות כפולות הן המינימום שמוצג מחקרים רבים triplicates שימושיים המאפשר ניתוח סטטיסטי טוב יותר.
לאיסוף וטיפול 1. משקעים
הערה: האוסף של משקעים לניסויי חליפין מתבצע באמצעות 1) הוספה ידנית של ליבות using צוללנים או במים או ביצה רדודים, נבר, 2) מוט coring באמצעות מוט אלומיניום עם שסתום סגור ידני כדי לשמור על משקעים, או 3) coring התיבה.
- בכל אתר, להקליט את מיקום האתר באמצעות GPS, לקבוע חמצן מים בתחתית, טמפרטורה ומליחה באמצעות sonde איכות מים, ולקבוע את קרינת photosynthetically הפעילה (PAR) על פני השטח והתחתון באמצעות / מטר חיישן PAR.
- מנמיך את איכות מי sonde ל ~ 1 מ 'מעל המשקעים ולהקליט מאפייני מים בתחתית (עומק, טמפרטורה, חמצן מומס, טמפרטורה ומליחה / מוליכות).
- מנמיך חיישן PAR עם חללית מתחת למים לממשק המשקעים-המים באמצעות מסגרת הורדה. השוואת קריאות PAR הקרובה לפני השטח משקע לקריאות PAR מייד מתחת ממשק אוויר-מים להעריך את הנחתת האור בתנאי אור הסביבה.
- לפרוס corer תיבה מעל דופן הסירה / הספינה, הורדת אותו אט אט כדי למזער הפרעותעל חודר המשקע. בדוק את תיבת הליבה עבור הפרעה גלויה או resuspension המוגזם.
- במשך corer תיבה, להכניס צינורות ליבה לתוך המשקעים, ולהשתמש פקק בוטיל כדי לכסות את החלק העליון של הליבה. בניסויי שטף, והיתרה משקעת / מים האידיאליות בתוך הליבה היא 15 סנטימטר של מים ו -15 סנטימטרים של משקעים, ב גס או משקעים דחוסים מאוד איסוף עומק משקע פחות הוא תוצאה מקובלת. אם שיעורי דלדול חמצן הם מוגזמים, המשמרים את האיזון לעבר גובה עמודת מים יותר.
- משתמשים בדרך כלל 6.35 ס"מ ליבות קוטר פנימי ללימודי במים עמוקים ובמשך משקעים עם microalgae benthic או אוכלוסיות של בעלי חיים גדולים, השתמש 10 ליבות ס"מ מזהה. המגבלה העיקרית לגודל ליבה היא היכולת מכסה את החלק התחתון של הליבה.
- כיסוי או תחתון עם צלחת תחתונה אקריליק כי יש O-Ring מוטבע. חזור על תהליך זה עד משכפל מספיק נאספים. עם corer מוט, מלכתחילה את הצלחת התחתונה אקריליק ב li הליבהנר, להסיר את הליבה של corer, ולהוסיף את הפקק.
- ליבות מקום בצידנית מים מבודדות גבוהה כי מוצף מי סביבה מהאתר; זה עוזר לשמור בטמפרטורות באתרו. ודא כי קריר נשאר זקוף. בטל ליבות כי מוטרדות במהלך הובלה.
- משאבת מים בתחתית נלקח קרוב לפני השטח משקעים לתוך 20 carboys L לשימוש בניסויים. השתמש משאבת דיאפרגמה עם 10-20 L / קיבולת דקות או משאבת peristaltic במהירות גבוהה.
- במים רדודים unstratified, למלא את הקרונית על ידי "טבילה" אותה במים. סינון המים התחתונים באמצעות מסנן מחסנית מוטבעות קיבולת גבוהה עשוי להיות שימושי באתרים עם שיעור גבוה של ספיגת חמצן בעמודת מים או פוטוסינתזה (באור), מזעור התיקון מעמודת המים רק ליבות שליטה.
- הובלת ליבות במהירות האפשרית למתקן הדגירה. במקרה של הובלה מורחבת, AERליבות obic יכולות להיות מבעבע anoxic והמלאכותי או במחזור נחוץ.
2. הגדרה ראשונית
- במתקן הדגירה, ליבות מקום גיגית דגירה או בחדר סביבתי עם טמפרטורה מבוקרת, או בתוך חממה כפולה דופן עם בקרת טמפרטורה באמצעות circulator חימום / קירור. הגדר את הטמפרטורה ל טמפרטורות מים תחתונות נמדדו 1.1.1.
- מוסיף מים תחתונים אל האינקובטור, השריית הליבות המשקעות לחלוטין. כמו כן מוסיף מים עד 5 carboys L עם ברזים אשר ישמשו לוותר מים חלופיים.
- הוספת ליבת מים בלבד (ללא משקעים) אל האינקובטור. השימוש בקו מפריד עמודת מים חשוב ברוב הסביבות כדי לפצות על כל תהליכי עמודת מים משפיעים גזים מומסים. לשקילת דניטריפיקציה, חסרים אלה יכולים לשקף לא רק תהליכי עמודת מים אלא החלפת גזים עם הקירות אקריליק של הליבה.
- ליבות בועת wאוויר ה- i למשך תקופה מינימלית של שעה 2 כדי להבטיח שיווי משקל תרמי חמצון מלא מים שמעליה. הם עשויים להיות כל זמן הלילה וקורסי זמן יזם למחרת בבוקר. כבר בתקופות טרום דגירה לא הוערכו עבור יעילות.
- עבור אוורור, להשתמש bubbler "T" קטן מורכבת ½ "צינור PVC עם מצמד שלוש דרך; צינור 1/8" מוכנס אל החלק התחתון של תוצאות T ב מחדירה של מים כלפי מעלה במהלך מבעבע והבטיח לא חמצון בלבד, אבל זרימת מי הליבה עם מים באמבט הדגירה.
3. נהלי דגירה משקעים-מים
- לאחר בדיקת הטמפרטורה כדי לוודא שהיא תואמת בתנאי השטח, לצרף סביבונים אל צמרות הליבות. בשלב זה, לאטום את הליבה של מיכל המים. השאר את שסתום הדגימה על הליבה הפתוחה במהלך תהליך זה. ידני לטאטא כל בועות אוויר בעדינות מהצד התחתון של הסביבון.
- Elevate קרונית המים החלופיים ~ 30-40 הסנטימטר גבוה יותר מאשר את החלק העליון של ליבות הדגירה ומסנן את הקווים כלפי מטה כדי לחסל כל אוויר הקו. אמנם עדיין זורם, לצרף את הקווים אל צמרות הליבה ולסגור את השסתומים.
- הפעל פטיפון הערבוב המרכזי ולהתאים את מהירות הסיבוב כך ליבות לסובב ~ 40 פעמים בדקה, או בשיעור מספיק כדי לערבב את עמודת המים אבל לא resuspend המשקע.
- כ 5 דקות לאחר כל הליבות נסגרות, פתח את שסתום מי החלפת שסתום המדגם, ולאחר מכן לצרף קטע קצר של צינורות אל שסתום המדגם באמצעות הולם Luer. מניחים צינור דגימה זו בתחתית שפופרת זכוכית 7 מ"ל, אשר מלא עד אפס מקום. לפני מכסת הצינור, להוסיף 10 μl של 30 גרם ל -1 HgCl 2 כחומר משמר.
- חנות דגימות אלה מתחת למים בטמפרטורות קרובות טמפרטורת הדגירה. מעבדות אחרות השתמשו בהצלחה 12 מ"ל "Exetainers" עבור סםאחסון ple.
- עבור דגימה מומסת, לצרף חבית מזרק 20 מיליליטר אל שסתום המדגם ולפתוח את שסתום המים החלופיים. חבית המזרק ממלאת עד למילוי באמצעות הכבידה בלבד. צרף בוכנה ודיסק מסנן, ולאחר מכן לסנן את הדגימות לתוך צלוחיות. דגימות אלה לניתוח מזין הם קפוא ב -20 ° C עד הניתוח.
הערה: קורס הזמן של דגימה בחושך בדרך כלל כרוך 4 תקופות דגימה עם המרווחים בין הדגימה הנעים בין 0.5 ל> 2 שעות, תלוי בקצב של ספיגת חמצן. עם שיעורים נמוכים של ספיגת חמצן, מרווחי הזמן ארוכים; במשקעים עם שיעורי הנשימה גבוהים, במרווחים צריכים להיות קצר. מוגזם כמויות גדולות של דגימה שנלקחו בכל נקודת מדגם עלולות לגרום גם דגימה גדולה חלקם של נפח הדגימה כולו; בעבודתנו כרכים המדגמים אלה לגרום תיקון זניח. אם היקף המדגם רב יותר יש צורך, ליבות בקוטר גדול יותר או גובה עמודת המים גדלעשוי להיות נחוץ. - אין להמשיך עם מהלך זמן של דגימה מתחת לסף של חוסר חמצן 50%, עם depletions חמצן של 25% בדרך כלל מתן אות מספיק בריכוזים מזינים. הנה, להשתמש optodes מכויל עבור ניתוח ישיר של ריכוזי חמצן רוויון החמצן.
- אם המשקעים הם מסביבות רדודות, מוארים, על דגימת 4 th, להדליק את האורות ולקחת 3 דגימות עוקבות. שים לב במשקעים פוטוסינתטיים מאוד, רוויה של O 2 ו היווצרות בועה מגבילה את המדידה של ונתיבי גז בחלק ממקרים. הניטור המתמשך של חמצן מהווה חלופה מעשית יותר ויותר יקרה, עם טכנולוגיית מדידת סיבים אופטית שיש בדיקות קטנות יחסית כי הם מאוד אמינים ומדויקים.
- בסיומו של incubations משקעים, או למדוד את גובהם של עמודת המים או לשאוב את עמודת המים כדי גליל סיימה כדי determ ישירותine נפח מים, ולקחת תמונות של כל ליבה.
ניתוח מדגם 4.
- דגימות שאיבה לניתוח N 2, O 2 ו- Ar לתוך קרום מפרצון ספקטרומטר מסה, ולקבוע את היחסים של N 2: Ar ו- O 2: Ar כדי <0.03% דיוק 12,23.
- זוג ספקטרומטר מסה quadrupole על כניסת הממברנה. דחוף את המדגם לתוך צינורות הממברנה באמצעות משאבת peristaltic. אסוף את פסולת מדגם קרונית פלסטיק ולטפל כפסולת כימית בשל המשמר הכספי. כיול עם מים ללא יונים equilibrated עם אוויר בטמפרטורה של דגירה.
- בצע מזין המנתח באופן ידני על ≤ 5 דגימות מיליליטר או על כמויות קטנות יותר באמצעות מנתחים אוטומטיים. עם הפשרת מדגם, תחילת מנתח מיד. הבחירה של הליך ניתוח מזין חייבת להניב מדוייקת מספיק להתבונן שינויים בריכוז מזין במהלך דגירה. זיהוי אופייניגבולות הם <0.05 μmol ל -1 ומגמות כמובן הזמן יכולות להיות קשות להבחין תחת שני ריכוזי מזין נמוכים מאוד מאוד גבוהים.
- עבור ניתוחי colorimetric של זרחן תגובתי המסיס, להשתמש בטכניקת phosphomolybdate חומצה אסקורבית. עבור אמוניום מנתח, לנצל התפתחות צבע לילה באמצעות ריאגנט חומצת פנול 24. אוטומטיות ניתוחי colorimetric, בין אם באמצעות זרימת מקוטעים או מנתח בדידים, הם אלטרנטיבה מצוינת ולנצל נפח דגימה נמוך.
- עבור ניתוחים של חנק בתוספת ניטריט, לנצל פיתוח צבע הלילה באמצעות כלוריד ונדיום בתור reductant 25, או להשתמש מנתח אוטומטית
- השוואת absorbances נקבע על ספקטרופוטומטר UV / VIS כדי עקומות סטנדרטיות ולקבוע ריכוזי מתוך רגרסיה של ריכוזי תקנים absorbances.
5. חישוב שערי חליפין משקעים-מים
- Regress ריכוזי גז או מזין לעומת הזמן באופן עצמאי הן incubations החשוכות והאירה, עם המדרון מבוטא -1 μmol ל -1 hr. תקן את מורדות ליבות הדגירה של המדרון של ליבות טור-רק מים. השתמש אך ורק רגרסיות משמעותי (P <0.05) עבור חישובים; לזהות נתונים בלתי משמעותי את הגיליונות האלקטרוניים הנתונים הסופיים.
- לחישוב שערי חליפין משקעים-מים מן המדרון של השינוי של ריכוזי המרכיבים הכימיים במים שמעליה:
איפה F הוא השטף (μmol מ -2 hr -1), ΔC / Δt הוא השיפוע של שינוי מריכוזו במים שמעליה (μmol ל -1 hr -1), V הוא נפח המים שמעליה (L) הוא השטח של ליבה וטופחה (-2 מ ') .כדי להעריך את השטף היומי, להכפיל את השיעור המואר בשעות האורולהוסיף לשיעור כהה מוכפל בשעות החשיכה.
6. דיווח
- בעת דיווח תוצאות ממדידות חליפין משקעים-מים, לספק מספיק מידע שמדענים אחרים יוכלו להבין את הסביבה כי כבר שנדגמו. מידע חיוני כולל: 1) עומק מיקום ומים האתר, 2) מאפיינים פיזיים כגון שדה וטמפרטורה הדגירה, ואת PAR, 3) מאפיינים מים בתחתית כגון חמצן, בריכוזי חומרי הזנה ומליחות, ו -4) מאפיינים משקעים כגון גודל גרגר, ריכוזי חומר אורגניים, ואת הנוכחות של חיות benthic.
Representative Results
תוצאות ממדידות משקעי שטף ליד מתקן מדגה על נהר Choptank (מפרץ צ'סאפיק, MD) מוצגות באיור 1 ואת הפרשנות של התוצאות האלה בהקשר אקולוגי מוצגת במקומות אחר 26. Incubations בוצעו למעלה מ -7 שעות, עם incubations כהה ואחריו נתונים incubations מואר. נתונים משתי ליבות מוצגות כמו גם בעמודת המים לשלוט בלבד. הירידה המהירה חמצן בחושך הייתה מופחתת במידה מה על ידי תאורה; שיעור פוטוסינתזת ייצור microalgal לא היה גבוה כמו נשימה, עם ההשפעה העיקרית של הארה להיות שיעור השינוי של חמצן ירד. גרעין השליטה חווה ירידות קטנות ריכוז חמצן עולה החשוכה וקטן באור.
הריכוזים 2 N נקבעו על ידי N 2: יחס Ar ואתערכים בספרות מחושבים רווית Ar עבור 27 הטמפרטורה והמליחה נצפית. בדיון שנערך דיוק אופייני 0.02% עבור 2 N: יחס Ar, נתונים אלה הם מדויקים ~ 0.1 μmol ל -1 N 2. הליבות המשקעות ואת הליבות ריקות עמודת מים היו עליות N 2 לאורך זמן, עם שיעורים גבוהים הרבה יותר של גידול עבור הליבות. תחת תאורה, מדרונות היו דומים באופן כללי השיעור האפל של שינוי N 2.
שטפים של מומס NH 4 + היו גבוהים למדי באתר זה, עם עלייה של אפל> 20 μmol ל -1 עבור ליבה אחת. מואר NH 4 + והנתיבים היו נמוכים בהרבה. ליבות שניהם ואת ריק מים וטור יורדים NO x - ריכוז לאורך זמן, פילוס במהלך תאורה. עבור כל והנתיבים, נתוני ריכוז הנתונים על היקף הליבה ופרמטרים רלוונטיים אחרים מוצגים
איור 1. נתונים כמובן זמן מאתר במים רדוד בנהר Choptank כי היה מכוסה צף המכיל צדפות תרבותיות. הנתונים הם מתוך ליבות לשכפל (A ו- B) וכן הנתונים מתוך ריק מי עמודה מוצג. ריכוזי החמצן N 2, NH 4 + ו- NO x - (הסכום של NO 3 - ו 2 NO - מוצגים הוא עבור החלק הכהה של הדגירה (האזור המוצל) ועבור חלק מואר הדגירה בפעם הרביעית. נקודת הדגירה הכהה היא גם הנקודה לראשונה של סדרות עתיות המוארות; האורות נדלקו בזמן דגימת הקווים הם רגרסיה לינארית ומדרונות מוצגים בלוח 1..98 / 54098fig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| חמצן - Dark | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט | |||||
| 0 | 235.1 | 221.7 | 235.2 | ||||||
| 1.3 | 204.3 | 170.6 | 235.3 | ||||||
| 2.32 | 162.7 | 138.9 | 232 | ||||||
| 3.97 | 145.3 | 77.9 | 222.2 | ||||||
| R 2 | .943 | 0.999 | .836 | ||||||
| סלופ (μmol ל -1 hr -1) | -23.5 | -35.9 | -3.4 | ||||||
| סלופ מתוקן (μmol ל -1 hr -1) | -20.1 | -32.5 | |||||||
| שיעור (μmol מ -2 hr -1) | -3095 | -4875 | |||||||
| חמצן - אור | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט | |||||
| 3.97 | 145.3 | 77.9 | 222.2 | ||||||
| 4.88 | 133.5 | 68.8 | 224.3 | ||||||
| 5.88 | 122.8 | 40.3 | 221.6 | ||||||
| 6.88 | 116 | 49.2 | 230.5 | ||||||
| R 2 | .981 | 0.999 | .994 | ||||||
| סלופ (μmol ל -1 hr -1) | -10.1 | -9.8 | 2.9 | ||||||
| סלופ מתוקן (μmol ל -1 hr -1) | -13 | -12.7 | |||||||
| שיעור (μmol מ -2 hr -1) | -2000 | -1905 | |||||||
| N 2 - Dark | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט | |||||
| 0 | 466.46 | 466.40 | 466.62 | ||||||
| 1.3 | 466.74 | 467.49 | 466.11 | ||||||
| 2.32 | 467.55 | 468.18 | 466.74 | ||||||
| 3.97 | 468.24 | 468.98 | 467.12 | ||||||
| R 2 | .963 | 0.98 | .854 | ||||||
| N 2 סלופ (μmol ל -1 hr -1) | .471 | .645 | 0.12 | ||||||
| סלופ N 2 (μmol ל -1 hr -1) מתוקן | .351 | .525 | |||||||
| דרג N 2 -N (μmol מ -2 hr -1) | 108.1 | 157.5 | |||||||
| N 2 - אור | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט | |||||
| 3.97 | 468.24 | 468.98 | 467.12 | ||||||
| 4.88 | 468.84 | 469.21 | 467.26 | ||||||
| 5.88 | 469.39 | 469.71 | 467.47 | ||||||
| 6.88 | 469.62 | 470.04 | 467.41 | ||||||
| R 2 | 0.96 | .987 | .967 | ||||||
| N 2 סלופ (μmol ל -1 hr -1) | .481 | .378 | 0.096 | ||||||
| סלופ N 2 (μmol ל -1 hr -1) מתוקן | .386 | .282 | |||||||
| דרג N 2 -N (μmol מ -2 hr -1) | 118.9 | 84.6 | |||||||
| שטח פנים Core (מ '2) | 0.003165 | 0.003165 | נפח Core (L) | .4874 | .4747 |
. לוח זמנים 1. נתונים קורסים O 2 ו- N 2 ממשקעים מתחת צף מדגת הצדפה בנהר Choptank, subestuary של מפרץ צ'ספיק ריכוזי גז נגזרות O 2: Ar ו- N 2: נקבעו יחסי Ar באמצעות כניסת הממברנה ספקטרומטר מסה. ערכי 2 R רגרסיה כמובן הזמן הם משמעותיים עבור ערכים> 0.9025 (P <0.05). מדרוני נקבעים על ידי רגרסיה ליניארית ומדרונות תיקן נקבעים על ידי הפחתת שיעור השינוי של עמודת המים בלבד ריקה. שיעורי חיובי הם ונתיבים נטו מתוך במשקעים, שיעורי שלילי פירושו שטף לתוך המשקע. נתוני שטף N 2 מבוטאות N 2 -N, מה שהופך compaRison ל NH 4 + ו- NO x - והנתיבים קל. היה אתר זה משקע בעיקר מורכב סחף החימר עם תנאי עמודת מים אירוביים באופן מלא. האזור של ליבות היה 31.65 ס"מ -2 ו במעמקי עמודת המים היו 15.4 ס"מ עבור גרעין 15.0 עבור B. הליבה כל ריכוזי עבור N 2 ו- O 2 הם μmol ל -1. השיעור הסופי עבור שטף N 2 מתבטא ב N 2 -N.
| NH 4 + - Dark | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט |
| 0 | 10.84 | 14.09 | 6.91 | |
| 1.3 | 16.19 | 20.26 | 5.83 | |
| 2.32 | 17.07 | 24.93 | 5.42 | |
| 3.97 | 22.83 | 35.43 | 4.67 | |
| R 2 | .968 | .993 | .853 | |
| סלופ (μmol ל -1 hr -1) | 2.88 | 5.36 | -0.53 | |
| סלופ מתוקן (μmol ל -1 hr -1) | 3.41 | 5.89 | ||
| שיעור (μmol מ -2 hr -1) | 525 | 884 | ||
| NH 4 + - אור | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט |
| 3.97 | 22.83 35.43 | 4.67 | ||
| 4.88 | 24.05 | 36.45 | 4.13 | |
| 5.88 | 25.00 | 37.60 | 3.79 | |
| 6.88 | 26.96 | |||
| R 2 | .978 | 1 | .966 | |
| סלופ (μmol ל -1 hr -1) | 1.37 | 1.13 | -0.55 | |
| סלופ מתוקן (μmol ל -1 hr -1) | 1.92 | 1.68 | ||
| שיעור (μmol מ -2 hr -1) | 296 | 252 | ||
| NO x - - Dark | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט |
| 0 | 4.12 | 4.01 | 4.53 | |
| 1.3 | 3.82 | 3.58 | 4.43 | |
| 2.32 | 3.70 | 3.25 | 4.28 | |
| 3.97 | 3.19 | 2.64 | 4.19 | |
| R 2 | .976 | .992 | .967 | |
| סלופ (μmol ל -1 hr -1) | -0.229 | -0.345 | -0.089 | |
| סלופ מתוקן (μmol ל -1 hr -1) | -0.14 | -0.256 | ||
| שיעור (μmol מ -2 hr -1) | -21.6 | -38.4 | ||
| NO x - - אור | זמן (שעות) | Core | Core B | לִשְׁלוֹט |
| 3.97 | 3.19 | 2.64 | 4.19 | |
| 4.88 | 3.06 | 2.59 | 4.06 | |
| 5.88 | 3.18 | 2.41 | 4.02 | |
| 6.88 | 2.95 | 2.35 | 4.2 | |
| R 2 | .934 | .909 | 0.9 | |
| סלופ (μmol ל -1 hr -1) | -0.078 | -0.103 | 0 | |
| סלופ מתוקן (μmol ל -1 hr -1) | -0.078 | -0.103 | ||
| שיעור (μmol מ -2 hr -1) | -12 | -15.5 | ||
| שטח פנים Core (מ '2) | 0.003165 | 0.003165 | ||
| נפח Core (L) | .4874 | .4747 |
נתונים כמובן טבלה 2. הגיע הזמן NH 4 + ו- NO x - מאותו ליבות משקעים המשמש לשולחן 1. R רגרסיה כמובן זמן 2 ערכים מהותיים לדיווח ערכים> 0.9025 (P <0.05). מדרוני נקבעים על ידי רגרסיה ליניארית ומדרונות תיקן נקבעים על ידי הפחתת שיעור השינוי של עמודת המים בלבד ריקה. שיעורי חיובי הם ונתיבים נטומתוך במשקעים, שיעורי שלילי פירושו שטף לתוך המשקע. כל ריכוזי עבור NH 4 + ו- NO 2 - הם μmol ל -1.
Discussion
הטכניקה המתוארת כאן יושמה סוגים רבים של מערכות מימיות, הוא רדודות ועמוקות, ומצאנו אותו לעבוד היטב ברוב המקרים. גישה זו הותאמה מגישות שמוצגות עמיתים והציגו בספרות; הוא מותאם למדידת דניטריפיקציה באמצעות ספקטרומטריית מסה כניסת הממברנה. אחד היתרונות של גישה זו היא היכולת להתמודד עם מספר רב של ליבות בעת ובעונה אחת. שכפול כל אתר עם ליבות כפולות או בשלושה עותקים מגביר את אמון מדידות, אם כי גישה חלופית היא למקסם אתרים עם שכפול פחות, בנסיבות אלה הערך הממוצע עבור פלח סביבתי אשר יהיה נציג נוסף של ההשתנות בטבע. הבהרת הבדלים עונתיים, סדרת עתית מדידה לפי מספר קטן יותר של אתרים יכולה להיות אסטרטגיה יעילה.
בפרוטוקול זה, ישנם מספר שלבים קריטיים. Paramount להפיכת יםמדידות uccessful היא האוסף של ליבות עם ממשק משקע-מים ללא פגע. למרות דחיית ליבות שאינם עומדות בקריטריון זה בתחום יכול להיות מעייף, ליבות עניות תובלנה דיוק עני. שמירת ליבות אירוביות מוגזים וקרובה הטמפרטורה האוספת המקורית יהיה למזער חפצים ולשמור אוכלוסיות חיידקים מטזואניים בריאות, ללא פגע. לבסוף, עבור דגימות O 2 ו- N 2, התוספת של משמר כלוריד כספיתי היא קריטית. ראינו כי שימור תקין של דגימות גז, כוללים חימום יתר וקירור של הבקבוקונים, יכול להתפשר מדידות שטף אלה. מעבדות אחרות לא מועסקות בהצלחה 7.0 M ZnCl 2 כחומר משמר רעיל פחות כי יש עלויות סילוק פסולת נמוכות יותר; עבור 7 מיליליטר לדגום תוספת 30 μl היא מתאימה.
הניתוח המדויק המדויק של היחס של N 2 ו Ar הוא מפתח בקביעת N 2 2: יחסי Ar לשנות כפונקציה של ריכוז החמצן המוביל חוקרים מסוימים תומך הסרת חמצן לפני הניתוח, באמצעות נחושת מחוממת בדרך כלל 28. המכשור בשימוש במעבדה שלנו היה בשימוש כדי לקבוע את ההשפעה של חמצן על N 2: Ar יחסי 23 ואת נמצאה השפעה להיות קטן מאוד, <0.03% עבור דלדול חמצן צנוע. הבדלים בגישה להערכת החמצן "האפקט" נראים להוביל למסקנות שונות על ידי חוקרים שונים 23,28,29. אפקט חמצן גדול על N 2: יחסי Ar יובילו שיעור גבוה בטעות של N 2 -N בזרימה; מניסיוננו, יש לנו תצפיות רבות של N 2 -N בזרימה הזניח תחת שיעור גבוה של חוסר חמצן. במעבדות בן השפעת החמצן על N 2: יחסי Ar להופיע גדולים, אלטרנטיבה יעילה היא המדידה העצמאית של ריכוזי חמצן באמצעות אלקטרודות או optodes וחמצןהסרה מניתוח ספקטרומטריה באמצעות Cu המחוממת מוטבע.
פתרון בעיות טכניקה זו אפשרית רק על בחינה של נתוני השטף המשקע. גורמי מפתח לשקול בעת רגרסיות הם עניים אם הבחישה הייתה רציפה, דגימות נאספו ושמרו כראוי, והאם זמן קורסים היו קצרים מכדי לאפשר הערכה של מחיר נמוך. אורכו של ניסויים בדרך כלל מוגדר על ידי מהלך זמן החמצן, עם שיעורים נמוכים של מטבוליזם מחייב incubations יותר כדי להגדיל את יחס האות לרעש מוטבע ברגרסיות מהלך הזמן. שיעור גבוה של ייצור חמצן שמניבים O 2 בועות להפוך ונתיבי גז קשים, אבל ונתיבים מומסים עשויים להיות מושפעים.
זה הכרחי כדי להבין את המגבלות של גישה זו. הליבות הקטנות לכסות 0.3% מהון מניות של מטר מרובע הליבות הגדולות לכסות 0.6%. באתרים עם ההטרוגניות משמעותי בקנה מידה מטר, הפצות הטרוגנית עניםals או צמחים עשוי לרמוז על ליבה אחת או שתיים לא יכולה להיות ייצוג מספיק. יש גם כמה סביבות המציגים קשיים המדידה. לשקילת דניטריפיקציה, הנוכחות של בועות מתאן או חמצן עלולה לגרום לתפוגת הטכניקה, עם N 2: יחסי Ar מושפעים התאגדות הפרש של גזים לתוך הבועות. בשנת המשקעים נשבו על ידי microalgae benthic, ההיווצרות של תוצאות בועות חמצן בתוך הפשטה מועדפת של יחסי N 2 עד Ar, וירידה של 2 N: יחס Ar. באופן כללי, אנחנו לא יכולים למדוד דניטריפיקציה בנקודה שבה בועות טופס. בסביבות אנאירובית אתגרים שונים, אוורור של ליבות משנה את הדינמיקה חיזור על הממשק משקעים-מים. אנו לאטום את ליבות עם צמרות ערבוב מיד לאחר איסוף ולהתחיל והנתיבים מבלי להחליף את עמודת המים 30 לחלוטין. הניסויים שלנו עם משקעים מוארים בדרך כלל יש להרוות או כמעט saturating רמות של תאורה 31, ובכך למקסם את ההשפעה של microalgae benthic.
משקעים-מי מדידות חליפין הם אמצעי מדידה של השטף נטו של חומרים על פני הממשק המשקע-מים. עם זאת, המדידות הללו לבד לעתים קרובות לא ניתן לזהות את מנגנוני השליטה חילופי interfacial אלה. אם שאלת המחקר כרוך מנגנוני הבנה, ומידע נוסף על תגובתיות חומר אורגני, zonation acceptor האלקטרון לטרמינל, bioirrigation ו bioturbation, ואורגניזמים פוטוסינתטיים עשוי להיות נחוץ. דוגמנות מאמצים 7 עשויים לדרוש קביעת כימית מים נקבוביים, מדדים ישירים תגובתיות חומר אורגניות 32, ספירה של אוכלוסיות בעלי חיים, השקיה-ביו משקע, הצטברות משקעת, או מניפולציות ניסיון של חיזור או שמעל כימית מי 13. במחקרים שלנו, חילופי נתונים משקעי מים טובים הוא מרכיב מרכזי בהבנת הכימיה של משקעים ימיים,וביחד עם מדידות אחרות, מזהה את התפקיד של תהליכי מחזור משקעים במחזורי biogeochemical מימיים.
עם טיפול לגבי טיפול משקע, בקרת טמפרטורה, ערבוב עמודת מים, incubations הליבה הוא גישה שימושית להערכה החילופית מומסות וגזים על הממשק המשקע-מים. עם זאת, טכניקות המשמשות כאן ייתכן שיידרשו התאמות עבור כמה סביבות ללוגיסטיקה קשה, כגון תקופות זמן מוארך לפני הדגירה. עד כה, יש לנו בהצלחה יישמו גישת דגירה זה כדי שפכי נהרות, חוף, ביצה, אגם, מאגר, נחל וסביבות שמירת ברכה עם שינוי מזערי.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים פיתחו גישה זו באמצעות תצפיות שלנו של העבודה שביצעו וולטר בוינטון ופיט Sampou ועבודה שיתופית על דניטריפיקציה עם טוד כנא באוניברסיטת מרכז מרילנד למדע הסביבה. פיתוח גישות דניטריפיקציה שלנו לא היה מתאפשר ללא התמיכה של תוכנית גרנט ים מרילנד ואת הקרן הלאומית למדע. נתוני הנציג משמשים כאן נאספו במימון מרילנד הים גרנט (R / AQ-5C) ומאמצי כתיבה נתמכו מרילנד הים גרנט (R / SV-2), משרד מפרץ NOAA Chesapeake (NA13NMF4570210), שותפות שחזור אויסטר , הקרן הלאומית למדע (OCE1427019), Exelon תאגיד, ואת שירות הסביבה מרילנד / מינהל מרילנד נמל.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Einsele, W. Ueber die Beziehungen des Eisenkreislaufes zum Phosphatkreislauf im Eutrophen See. Arch.Hydrobiol. 29, 664-686 (1936).
- Mortimer, C. H. The exchange of dissolved substances between mud and lake water. J Ecol. 29, 280-329 (1941).
- Cowan, J. L. W., Boynton, W. R. Sediment-water oxygen and nutrient exchanges along the longitudinal axis of Chesapeake Bay: Seasonal patterns, controlling factors and ecological significance. Estuaries. 19, 562-580 (1996).
- Fisher, T. R., Carlson, P. R., Barber, R. T. Sediment nutrient regeneration in three North Carolina estuaries. Estuar. Coast. Shelf S.e. 14, 101-116 (1982).
- McGlathery, K. J., Sundback, K., Anderson, I. C. Eutrophication in shallow coastal bays and lagoons: the role of plants in the coastal filter. Mar. Ecol-Prog Ser. 348, 1-18 (2007).
- Eyre, B. D., Ferguson, A. J. P. Comparison of carbon production and decomposition, benthic nutrient fluxes and denitrification in seagrass, phytoplankton, benthic microalgae- and macroalgae-dominated warm-temperate Australian lagoons. Mar. Ecol-Prog Ser. 229, 43-59 (2002).
- DiToro, D. M. Sediment Flux Modeling. , Wiley-Interscience. (2001).
- Testa, J. M., et al. Sediment flux modeling: Simulating nitrogen, phosphorus, and silica cycles. Estuar. Coast. Shelf S. 131, 245-263 (2013).
- Kana, T. M., Cornwell, J. C., Zhong, L. J. Determination of denitrification in the Chesapeake Bay from measurements of N-2 accumulation in bottom water. Estuar. Coasts. 29, 222-231 (2006).
- Hammond, D. E., Cummins, K. M., McManus, J., Berelson, W. M., Smith, G., Spagnoli, F. Methods for measuring benthic nutrient flux on the California Margin: Comparing shipboard core incubations to in situ lander results. Limnol. Oceanog Methods. 2, 146-159 (2004).
- Miller-Way, T., Boland, G. S., Rowe, G. T., Twilley, R. R. Sediment oxygen consumption and benthic nutrient fluxes on the Louisiana continental shelf: a methodological comparison. Estuaries. 17, 809-815 (1994).
- Kana, T. M., et al. Membrane inlet mass spectrometer for rapid high-precision determination of N2, O2, and Ar in environmental water samples. Anal. Chem. 66, 4166-4170 (1994).
- Gao, Y., Cornwell, J. C., Stoecker, D. K., Owens, M. S. Influence of cyanobacteria blooms on sediment biogeochemistry and nutrient fluxes. Limnol. Oceanogr. 59, 959-971 (2014).
- Hopfensperger, K. N., Kaushal, S. S., Findlay, S. E. G., Cornwell, J. C. Influence of Plant Communities on Denitrification in a Tidal Freshwater Marsh of the Potomac River, United States. J. Environ. Qual. 38, 618-626 (2009).
- Cornwell, J. C., Kemp, W. M., Kana, T. M. Denitrification in coastal ecosystems: environmental controls and aspects of spatial and temporal scale. Aquat. Ecol. 33, 41-54 (1999).
- LaMontagne, M. G., Valiela, I. Denitrification measured by a direct N2 flux method in sediments of Waquoit Bay, MA. Biogeochemistry. 31, 63-83 (1995).
- Nielsen, L. P. Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing. FEMS Microbiol Ecol. 86, 357-362 (1992).
- Ferguson, A. J. P., Eyre, B. D., Gay, J. M. Organic matter and benthic metabolism in euphotic sediments along shallow sub-tropical estuaries, northern New South Wales, Australia. Aq. Microb. Ecol. 33, 137-154 (2003).
- Coley, T. L. The effect of flow on the fluxes of oxygen, dinitrogen gas, nitrate and ammonium in diffusively controlled sediments using stirred experimental chambers. , MEES Program, University of Maryland. M.S. Thesis (2003).
- Owens, M. S. Nitrogen cycling and controls on denitrification in mesoahaline sediment of Chesapeake Bay. , MEES Program, University of Maryland. M.S. Thesis (2009).
- Sundback, K., Jonsson, B. Microphytobenthic productivity and biomass in sublittoral sediments of a stratified bay, southeastern Kattegat. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 122, 63-81 (1988).
- Petersen, J. E., Cornwell, J. C., Kemp, W. M. Implicit scaling in experimental enclosed aquatic ecosystems. Oikos. 85, 3-18 (1999).
- Kana, T. M., Weiss, D. L. Comment on "Comparison of isotope pairing and N-2 : Ar methods for measuring sediment denitrification" by B. D. Eyre, S. Rysgaard, T. Daisgaard, and P. Bondo Christensen. 2002. Estuaries 25: 1077-1087. Estuaries. 27, 173-176 (2004).
- Parsons, T. R., Maita, Y., Lalli, C. M. A Manual of Chemical and Biological Methods for Seawater Analysis. , Pergamon Press. (1984).
- Doane, T. A., Horwath, W. R. Spectrophotometric determination of nitrate with a single reagent. Analytical Letters. 36, 2713-2722 (2003).
- Testa, J. M., et al. Modeling the impact of floating oyster (Crassostrea virginica) aquaculture on sediment-water nutrient and oxygen fluxes. Aquac. Environ. Interact. 7, 205-222 (2015).
- Hamme, R. C., Emerson, S. R. The solubility of neon, nitrogen and argon in distilled water and seawater. Deep-Sea Res. Part I-Oceanogr. Res. Papers. 51, 1517-1528 (2004).
- Chong, L. S., Prokopenko, M. G., Berelson, W. M., Townsend-Small, A., McManus, J. Nitrogen cycling within suboxic and anoxic sediments from the continental margin of Western North America. Marine Chemistry. 128, 13-25 (2012).
- Eyre, B. D., Rysgaard, S., Dalsgaard, T., Christensen, P. B. Comparison of isotope pairing and N-2 : Ar methods for measuring sediment-denitrification-assumptions, modifications, and implications. Estuaries. 25, 1077-1087 (2002).
- Lee, D. Y., et al. The Effects of Oxygen Transition on Community Respiration and Potential Chemoautotrophic Production in a Seasonally Stratified Anoxic Estuary. Estuar.Coasts. 38, 104-117 (2015).
- MacIntyre, H. L., Geider, R. J., Miller, D. C. Microphytobenthos: The ecological role of the "secret garden" of unvegetated, shallow-water marine habitats .1. Distribution, abundance and primary production. Estuaries. 19, 186-201 (1996).
- Aller, R. C., Mackin, J. E. Open-incubation, diffusion methods for measuring solute reaction rates in sediments. J. Mar. Res. 47, 411-440 (1989).
