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.
I sedimenti sono componenti critici biogeochimici degli ecosistemi acquatici e spesso sono importanti pozzi di assorbimento di nutrienti e contaminanti. Studi pionieristici di nutrienti, gas e metallo di transizione biogeochimica nei sedimenti lacustri hanno rivelato lo scambio dei sedimenti di soluti e gas con acqua sovrastante che aveva diverse condizioni redox 1,2. Per gli elementi nutritivi, sedimenti possono essere una fonte di fosforo e azoto fissato dopo rimineralizzazione di materia organica, e un lavandino per l'ossigeno in ambienti non-fotosintetici 3,4. Fotosintesi di macrofite sommerse, macroalghe e microalghe bentoniche può avere profonde influenze sullo scambio di sostanze disciolte attraverso l'interfaccia sedimento-acqua 5,6.
Le misurazioni dello scambio di soluti e gas attraverso l'interfaccia sedimento-acqua vengono effettuate sia per la scienza di base e scienza applicata scopi, fra cui tarature di ingegneria e scientifico water modelli di qualità 7,8. L'obiettivo di questi metodi, per quanto possibile, è quello di fornire i tassi di cambio sedimento-acqua affidabili e precisi. Un'ampia varietà di approcci sono stati utilizzati per valutare scambio chimico all'interfaccia acqua-sedimento. Accumulo di acqua inferiore del gas e soluti in sistemi stratificati può essere utile 9, ma non è valida per lo scambio acqua-sedimento sopra termoclini o pycnoclines. correlazione Eddy richiede misurazioni ad alta frequenza di gas, generalmente ossigeno, combinato con la misurazione ad alta frequenza della velocità dell'acqua verticali; questa tecnica ha promessa enorme ma attualmente non possono fornire dati per Studi cambio nutrienti. In cupole situ o camere sono un metodo altamente preferito, con il vantaggio di coprire una maggiore superficie di sedimenti e mantenuto in temperatura situ, pressioni acque profonde e livelli di luce 10. In pratica, si tratta di misure molto costosi che richiedono tempo estesosu navi di ricerca più grandi; maggior parte delle applicazioni sono più profonde delle zone costiere o sedimenti oceanici. Tecniche di incubazione di base che utilizzano il flusso attraverso le camere che raggiungono lo stato stazionario sono eccellenti per mantenere relativamente costante chimica dell'acqua sovrastante, tra cui l'ossigeno, durante l'incubazione di 11. Perché il tasso è determinato a regime da differenze di concentrazione tra flusso di carico e l'acqua effluente, e dai tassi di cambio d'acqua, queste incubazioni possono prendere una notevole quantità di tempo.
L'approccio incubazione nucleo decorso temporale utilizzato dal nostro laboratorio è stato adattato da approcci usati da diversi laboratori in Nord America e in Europa, e vi è una notevole quantità di letteratura sulla base di questo approccio generale. Abbiamo adattato questo approccio alla misurazione di N 2 -N flussi 12, spesso indicato come denitrificazione, e abbiamo applicato ad ambienti fotosintetici e non fotosintetica sedimenti, compresi estuaries 13, laghi, bacini e zone umide 14. Attraverso questi studi abbiamo trovato molti ambienti in cui il nostro approccio generale funziona bene, e alcuni in cui non funziona. La misurazione di denitrificazione è stata effettuata in molti ambienti terrestri e acquatici diversi perché questo processo rappresenta una perdita chiave di azoto ecosistemi. Numerosi approcci sono stati utilizzati per effettuare misurazioni di denitrificazione, alcune diretta e indiretta alcuni 15. Diretti N 2 misurazioni di flusso sono molto difficile a causa dell'elevato contenuto atmosferico N 2, e successive concentrazioni elevate disciolti in acqua 16. Due approcci sono emersi come avente la migliore rappresentazione dei tassi di interesse ambientale: isotopo abbinamento con N isotopi 17 e la N rapporto 2: Ar utilizzato nel nostro laboratorio. Il metodo degli isotopi abbinamento è stato utilizzato con successo in molti ambienti e ha sensibilità molto alta a prezzi bassi. Impieghiamo la N2: Ar approccio rapporto causa della sua semplicità, sia perché è sufficientemente sensibile negli ambienti colpite spesso studiare.
In questo articolo, si descrive l'approccio tecnico che abbiamo utilizzato nel corso degli ultimi due decenni per rendere la misura dello scambio acqua-sedimento di gas e soluti. Eventuali misure di scambio acqua-sedimento devono prendere in considerazione le condizioni di campo e un certo numero di parametri sperimentali. Questi fattori includono la temperatura, condizioni di oscurità / luce 18, la miscelazione / flusso fisico all'interfaccia acqua-sedimento 19, le concentrazioni di ossigeno disciolto 20, e di altri fattori che sono gli elementi chiave di fare buone misure. Ad esempio, se nuclei sono raccolti da aree che ricevono illuminazione sufficiente per la crescita di microalghe bentonici, è necessario escogitare esperimenti che comprendono entrambe le condizioni 21 chiari e scuri. Allo stesso modo, l'aggiunta di acqua sovrastante ossigenato al anossiche corenon replica condizioni di campo. Recinzione Sperimentale di qualsiasi parte degli ecosistemi acquatici possono condurre ad artefatti inevitabili 22; è fondamentale che gli approcci utilizzati in un sedimento-acqua programma di misura di scambio 1) riconoscere i fattori che controllano lo scambio acqua-sedimento in ogni ecosistema e 2) riducono al minimo gli artefatti derivanti da manipolazione sperimentale.
La tecnica qui descritta è stata applicata a numerosi tipi di sistemi acquatici, sia superficiali e profonde, e abbiamo trovato a lavorare bene nella maggior parte delle circostanze. Questo approccio è stato adattato da approcci utilizzati dai colleghi e presentati in letteratura; è ottimizzato per la misurazione di denitrificazione tramite spettrometria di massa membrana ingresso. Uno dei punti di forza di questo approccio è la capacità di gestire un gran numero di nuclei simultaneamente. Replica di ogni sito con doppio o triplo core aumenta la fiducia nelle misure, anche se un approccio alternativo è quello di massimizzare i siti con meno di replica, in queste circostanze il valore medio di un segmento ambientale può essere più rappresentativo della variabilità in natura. Per chiarire differenze stagionali, una serie temporale di misurazione ad un numero minore di siti può essere una strategia utile.
In questo protocollo, ci sono diversi passaggi critici. Paramount per fare smisure Uccessful è la raccolta di nuclei con interfaccia sedimento-acqua intatto. Pur respingendo nuclei che non rispettano questo criterio nel campo può essere faticoso, nuclei poveri porterà alla scarsa accuratezza e precisione. Mantenere nuclei aerobici gassose e vicina alla temperatura originale collezione ridurrà al minimo gli artefatti e mantenere sani, intatti popolazioni microbiche e metazoi. Infine, per O 2 e N 2 campioni, l'aggiunta di conservanti mercurico cloruro è critica. Abbiamo osservato che la conservazione impropria dei campioni di gas, tra cui un eccessivo riscaldamento e raffreddamento delle fiale, può compromettere queste misurazioni di flusso. Altri laboratori hanno utilizzato con successo 7,0 M ZnCl 2 come conservante meno tossico che ha minori costi di smaltimento dei rifiuti; per un 7 ml di campione una aggiunta di 30 microlitri è appropriato.
L'analisi precisa ed accurata del rapporto di N 2 e Ar è fondamentale per la determinazione della N 2 </sub> flussi. Osservato N 2: rapporti Ar cambia in funzione della concentrazione di ossigeno che porta alcuni ricercatori a sostenere la rimozione di ossigeno prima dell'analisi, generalmente utilizzando il rame riscaldati 28. La strumentazione utilizzata nel nostro laboratorio è stato utilizzato per determinare l'effetto di ossigeno su N 2: Ar rapporti 23 e l'effetto è risultato essere molto piccola, <0,03% di riduzione di ossigeno modesta. Le differenze nell'approccio a valutare l'ossigeno "effetto" sembrano condurre a conclusioni diverse da diversi ricercatori 23,28,29. Un grande effetto dell'ossigeno su N 2: rapporti Ar porterebbero ad erroneamente alti tassi di N 2 -N efflusso; nella nostra esperienza, abbiamo molte osservazioni di N trascurabile 2 -N efflusso sotto alto tasso di consumo di ossigeno. Nei laboratori in cui l'effetto dell'ossigeno N 2: rapporti Ar sembrano grandi, un'utile alternativa è la misura indipendente dalle concentrazioni di ossigeno utilizzando elettrodi o optodes e ossigenorimozione dalla spettrometria di massa utilizzando Cu linea riscaldata.
Risoluzione dei problemi di questa tecnica è possibile solo dopo l'esame dei dati di flusso dei sedimenti. I fattori chiave da considerare quando regressioni sono poveri sono se agitazione era continuo, i campioni sono stati raccolti e conservati in modo corretto, e se il tempo corsi erano troppo breve per consentire la stima di tassi bassi. La lunghezza degli esperimenti generalmente è impostato dal corso tempo di ossigeno, con bassi tassi di metabolismo richiedono incubazioni più lunghi per aumentare il rapporto segnale rumore incorporato nelle regressioni corso di tempo. Alti tassi di produzione di ossigeno che producono O 2 bolle di rendere i flussi di gas difficili, ma i flussi di soluti possono essere influenzate.
E 'necessario comprendere i limiti di questo approccio. I piccoli nuclei coprono 0,3% di un metro quadrato e le anime più grandi coprono 0,6%. In siti con sostanziale eterogeneità a scala metro, distribuzioni eterogenee di animals o le piante possono suggerire che uno o due core possono non essere una rappresentazione sufficiente. Ci sono anche alcuni ambienti che presentano difficoltà di misurazione. Per la misura di denitrificazione, la presenza di metano o di ossigeno bolle può invalidare la tecnica, con N 2: rapporti Ar influenzati per incorporazione differenziale di gas nelle bolle. In sedimenti colonizzata da microalghe bentoniche, la formazione di bolle di ossigeno risultati in strippaggio preferenziale N 2 rispetto a Ar, e diminuzione del N 2: rapporto Ar. In generale, non possiamo misurare denitrificazione nel punto in cui le bolle forma. ambienti anaerobici pongono sfide diverse, e l'aerazione dei nuclei cambia le dinamiche redox all'interfaccia acqua-sedimento. Noi chiudiamo il core con cime di agitazione immediatamente dopo la raccolta e iniziare i flussi senza sostituire completamente il 30 la colonna d'acqua. I nostri esperimenti con sedimenti illuminati in genere sono saturando o quasi saturating livelli di illuminazione 31, e quindi massimizzare l'effetto di microalghe bentonici.
misurazioni cambio sedimento-acqua sono una misura del flusso netto di materie livello dell'interfaccia acqua-sedimento. Tuttavia, queste misurazioni sola spesso non possono identificare i meccanismi che controllano questi scambi interfacciali. Se la domanda di ricerca coinvolge meccanismi di comprensione, altre informazioni sulla reattività materia organica, terminale di zonazione accettore di elettroni, bioirrigation e bioturbazione, e organismi fotosintetici può essere necessario. Modellazione sforzi 7 potrebbero richiedere la determinazione della chimica acqua interstiziale, misure dirette di materia organica reattività 32, l'enumerazione delle popolazioni animali, sedimenti bio-irrigazione, accrescimento sedimenti, o manipolazioni sperimentali di redox o sovrastante chimica dell'acqua 13. Nei nostri studi, lo scambio buona acqua-sedimento dei dati è un componente chiave di comprensione della chimica dei sedimenti acquatici,e in combinazione con altre misurazioni, identifica il ruolo dei processi di riciclo sedimenti nei cicli biogeochimici acquatici.
Con cura sull'utilizzo in sedimenti, controllo di temperatura e colonna d'acqua di miscelazione, incubazioni nucleo sono un utile approccio alla stima dello scambio di soluti e gas all'interfaccia acqua-sedimento. Tuttavia, le tecniche usate qui possono avere bisogno di modifiche per alcuni ambienti e per la logistica difficili, come ad esempio periodi di tempo prolungati prima dell'incubazione. Finora, abbiamo applicato con successo questo approccio incubazione di estuario, costiere, ambienti umidi, lago, serbatoio, fiume e stagno di ritenzione con modifiche minime.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori hanno sviluppato questo approccio con le nostre osservazioni del lavoro svolto da Walter Boynton e Pete Sampou e lavoro cooperativo su denitrificazione con Todd Kana presso l'Università del Maryland Center for Environmental Science. Sviluppo dei nostri approcci denitrificazione non sarebbe stato possibile senza il sostegno del Mare di Grant Programma Maryland e la National Science Foundation. I dati rappresentativi utilizzati qui sono stati raccolti con un finanziamento da Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) e la scrittura sforzi sono stati sostenuti da Maryland Sea Grant (R / SV-2), la Baia Ufficio NOAA Chesapeake (NA13NMF4570210), il Partenariato di recupero Oyster , la National Science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, e il Servizio ambiente del 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 |