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.
Sedimenter er kritiske biogeokjemiske komponenter i akvatiske økosystemer og ofte er viktige sluk av næringsstoffer og forurensninger. Banebrytende studier av næringsstoff, gass og overgangsmetall biogeokjemi i lacustrine sedimenter avslørte sediment utveksling av løste stoffer og gasser med overliggende vann som hadde varierende redoks forhold 1,2. For næringselementer, kan sedimenter være en kilde for fosfor og fiksert nitrogen etter remineralisering av organisk materiale, og et sluk for oksygen i ikke-fotosyntetiske miljøer 3,4. Fotosyntese av nedsenkede makrofytter, makroalger og bentiske mikroalger kan ha dyptgripende innflytelse på utveksling av oppløste stoffer over sediment-vann-grensesnitt 5,6.
Målinger av utveksling av løste stoffer og gasser over sediment-vann-grensesnittet er utført for både grunnforskning og anvendt vitenskap formål, herunder kalibrering av engineering og vitenskapelige water kvalitet modeller 7,8. Målet med disse metodene, i størst mulig grad er å gi pålitelige og nøyaktige sediment-vann valutakurser. En rekke forskjellige metoder er blitt anvendt for å vurdere kjemisk utveksling i sediment-vann-grenseflaten. Bunnvann opphopning av gasser og stoffer i lagdelte systemer kan være nyttig 9, men er ikke gyldig for sediment-vannutskifting over thermoclines eller pycnoclines. Eddy sammenheng krever målinger med høy frekvens av gasser, vanligvis oksygen, kombinert med høy frekvens måling av vertikale vannhastigheter; denne teknikken har et enormt løfte, men for øyeblikket ikke kan tilveiebringe data for næringsstoff utveksling studier. In situ-kupler eller kamre er et meget foretrukket metode, med fordelen av å dekke en større overflate av sediment og opprettholde in situ temperaturer, dypvannstrykk og lysnivåer 10. I praksis er dette meget kostbart målinger som krever lang tidpå større forskningsfartøyer; de fleste programmene er dypere kystsonen eller oseanisk sedimenter. Kjerneruge teknikker ved hjelp av strøm gjennom kamre som når steady state er utmerket for å opprettholde relativt konstant overliggende vannkjemi, inkludert oksygen, under inkubasjoner 11. Fordi hastigheten bestemmes ved steady state av konsentrasjonsforskjeller mellom innstrømmende og utstrømmende vann, og ved vann valutakurser, kan disse inkubasjoner ta en betydelig mengde tid.
Tidsforløpet kjerne inkubasjon tilnærming brukes av vårt laboratorium ble tilpasset fra tilnærminger som brukes av en rekke forskjellige laboratorier i Nord-Amerika og Europa, og det er en betydelig mengde litteratur basert på denne generelle tilnærmingen. Vi tilpasset denne tilnærming til måling av N-2-N belegg 12, ofte referert til som denitrifikasjon, og har brukt den til fotosyntetiske og ikke-fotosediment miljøer, inkludert estuaries 13, innsjøer, reservoarer, og våtmarker 14. Gjennom disse studiene har vi funnet mange miljøer der vår generelle tilnærmingen fungerer godt, og noen som ikke gjør det. Målingen av denitrifikasjon er blitt utført i mange forskjellige land og i akvatiske miljøer fordi denne prosessen representerer en tast tap av nitrogen til økosystemer. Mange metoder har blitt brukt til å lage denitrifikasjons målinger, noen direkte og noen indirekte 15. Direkte N 2 magnetfelt-målinger er svært vanskelig på grunn av det høye innhold atmosfærisk N 2, og etterfølgende høye konsentrasjoner oppløst i vann 16. To tilnærminger har dukket opp som har den beste fremstillingen av miljørelevante priser: isotopen sammenkobling med N isotoper 17 og N 2: Ar-forholdet som brukes i vårt laboratorium. Isotopen sammenkobling metoden har vært brukt med hell i mange miljøer og har meget høy følsomhet ved lave priser. Vi benytter N2: Ar-forhold tilnærmingen på grunn av sin enkelhet, og fordi det er tilstrekkelig følsom i påvirket miljøer vi ofte studere.
I denne artikkelen beskriver vi den tekniske tilnærmingen vi har brukt de siste to tiår for å gjøre målinger av sedimentet-vann utveksling av gasser og oppløste stoffer. Eventuelle målinger av sediment-vann utveksling må ta hensyn til feltforhold og en rekke eksperimentelle parametere. Disse faktorene omfatter temperatur, lys / mørke forhold 18, miksing / fysisk flyt på sediment-vann-grensesnitt 19, løst oksygen 20, og andre faktorer som er sentrale elementer for å gjøre gode målinger. For eksempel, hvis kjerner er hentet fra områder som mottar belysning tilstrekkelig for veksten av mikroalger bunn, er det nødvendig å finne eksperimenter som omfatter både mørke og lys 21. Tilsvarende legger oksygenrikt liggende vann til anoksiske kjernerkopierer seg ikke feltforhold. Eksperimentell kabinett av noen del av akvatiske økosystemer kan føre til uunngåelige artefakter 22; er det viktig at de metoder som brukes i en sediment-vannutskifting måleprogrammet 1) å gjenkjenne de faktorene som styrer sediment-vannutskifting i hvert økosystem og 2) minimalisere gjenstander avledet fra eksperimentell manipulasjon.
Teknikken er beskrevet her har blitt brukt til mange typer akvatiske systemer, både grunne og dype, og vi har funnet det til å fungere godt i de fleste tilfeller. Denne tilnærmingen ble tilpasset fra fremgangsmåter som brukes ved kolleger, og presentert i litteraturen; det er optimalisert for måling av denitrifikasjon via membran innløp massespektrometri. En av fordelene med denne tilnærmingen er evnen til å håndtere et stort antall kjerner samtidig. Replikere hvert område med dupliserte eller tredoble kjernene øker tilliten til målinger, men en alternativ tilnærming er å maksimere områder med mindre replikering, under disse omstendigheter gjennomsnittsverdien for en miljømessig segment kan være mer representative for variasjonen i naturen. For å belyse sesong forskjeller, kan en måling tidsserier på et færre antall nettsider være en nyttig strategi.
I denne protokollen, er det flere viktige trinn. Paramount til å gjøre sVellykket målinger er samlingen av kjerner med intakt sediment-vann-grenseflaten. Selv avviser kjerner som ikke oppfyller dette kriteriet i feltet kan være slitsomt, vil fattige kjerner føre til dårlig nøyaktighet og presisjon. Holde aerobic kjerner luftet og nær den opprinnelige samlingen temperatur vil redusere artefakter og opprettholde sunne, intakte mikrobielle og metazo populasjoner. Til slutt, for O-2 og N 2 prøver, er tilsetningen av kvikksølvklorid konserveringsmiddel kritisk. Vi har observert at feil bevaring av gassprøver, inkludert overdreven oppvarming og kjøling av hetteglass, kan kompromittere disse flux målinger. Andre laboratorier har nå ansatt 7,0 M ZnCl2 som en mindre giftig konserveringsmiddel som har lavere avfallskostnader; for en 7 ml prøve en 30 mL tillegg er hensiktsmessig.
Den nøyaktige og nøyaktig analyse av forholdet mellom N2 og Ar er nøkkelen til bestemmelse av N-2- </sub> belegg. Observert N 2: Ar forholdene endrer seg som en funksjon av oksygenkonsentrasjon fører noen etterforskere for å argumentere for oksygenfjerning før analyse, vanligvis ved hjelp av oppvarmet kobber 28. Instrumenteringen anvendt i vårt laboratorium ble anvendt for å bestemme virkningen av oksygen på N 2: Ar-forhold 23 og effekten ble funnet å være meget liten, <0,03% for beskjedne oksygenmangel. Vises forskjeller i tilnærming til vurderingen av oksygen "effect" å føre til ulike konklusjoner av forskjellige etterforskere 23,28,29. En stor oksygen effekt på N 2: Ar forholdstall ville føre til feilaktig høy forekomst av N 2 N utstrømming; i vår erfaring, vi har mange observasjoner av ubetydelig N 2 N efflux under høyt frekvensen av oksygenmangel. I laboratorier hvor oksygen effekt på N-2: Ar-forhold vises stor, er et nyttig alternativ til uavhengig måling av oksygenkonsentrasjonen ved hjelp av elektroder eller optodes og oksygenfjerning fra massespektrometrisk analyse ved hjelp av inline oppvarmet Cu.
Feilsøking denne teknikken er mulig bare ved undersøkelse av sediment flux data. Viktige faktorer å vurdere når regresjoner er fattige om røring var kontinuerlig, prøver ble samlet inn og bevart riktig, og om tiden kurs var for kort til å tillate estimering av lave priser. Lengden av eksperimenter vanligvis er bestemt av oksygen tidsforløpet, med lave priser for metabolisme krever lengre inkubasjoner for å øke signal til støyforhold innleiret i tidsforløps regresjoner. Høy forekomst av oksygen produksjon som gir O 2 bobler gjøre karbonflux vanskelig, men oppløste flukser kan være upåvirket.
Det er nødvendig å forstå begrensningene ved denne tilnærmingen. De små kjerner dekker 0,3% av en kvadratmeter og større kjerner dekker 0,6%. I områder med betydelig heterogenitet på måleren skala, heterogene distribusjoner av animals eller planter kan tyde på at en eller to kjerner ikke kan være tilstrekkelig representasjon. Det er også noen miljøer som presenterer måle vanskeligheter. For måling av denitrifikasjon, kan tilstedeværelsen av metan eller oksygenbobler oppheve teknikken, med N2: Ar-forhold som påvirkes av differensial inkorporering av gasser inn i boblene. I sedimentet kolonisert av fastsittende mikroalger, dannelsen av oksygen bobler resulterer i en foretrukket stripping av N-2 i forhold til Ar, og reduksjon i N2: Ar-forhold. Generelt kan vi ikke måle denitrifikasjon på det punktet der det dannes bobler. Anaerobe miljøer ulike utfordringer, og lufting av kjerner endrer redoks dynamikken i sediment-vann-grensesnitt. Vi forsegle kjerner med røre topper umiddelbart etter innsamling og starte flukser uten å erstatte vannsøylen helt 30. Våre eksperimenter med opplyste sedimenter vanligvis har mette eller nesten saturating nivåer av belysning 31, og dermed maksimere effekten av bunnlevende mikroalger.
Sediment-vann-utvekslings målingene er et mål på netto strøm av materiale tvers av sediment-vann-grenseflaten. Men disse målingene alene ofte ikke kan identifisere de mekanismene som styrer disse grense børser. Hvis problemstillingen innebærer å forstå mekanismene, annen informasjon om organisk materiale reaktivitet, terminal elektron akseptor soneinndelingene, bioirrigation og Bioturbasjon og fotosyntetiske organismer kan være nødvendig. Modellering innsats 7 kan kreve fastsettelse av porevann kjemi, direkte tiltak av organisk materiale reaktivitet 32, telling av dyrepopulasjoner, sediment bio-vanning, sediment Tilveksten eller eksperimentelle manipulasjoner av redox eller overliggende vannkjemi 13. I våre studier, er god sediment-vannutskiftning data en viktig del av å forstå kjemien av akvatiske sedimenter,og i forbindelse med andre målinger, identifiserer rollen av sedimentgjenvinningsprosesser i akvatiske kretsløp.
Med forsiktighet med hensyn sediment håndtering, temperaturkontroll og vannsøylen blanding, kjerne inkubasjoner er en nyttig metode til estimering av utvekslingen av oppløste stoffer og gasser i sediment-vann-grenseflaten. Imidlertid kan de teknikkene som brukes her trenger endring for noen miljøer og for vanskelig logistikk, for eksempel lengre tidsperioder før inkubasjon. Så langt har vi lykkes brukt denne inkubasjon tilnærming til estuarine, kyst, våtmark, innsjøen reservoar, elv og oppbevaring dam miljøer med minimal endring.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne utviklet denne tilnærmingen ved hjelp av våre observasjoner av arbeid utført av Walter Boynton og Pete Sampou og samarbeidende arbeid på denitrifikasjon med Todd Kana ved University of Maryland senter for Environmental Science. Utvikling av våre denitrifikasjons tilnærminger ville ikke vært mulig uten støtte fra Maryland Sea Grant Program og National Science Foundation. De representative data som brukes her ble samlet inn med finansiering fra Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) og skrive innsats ble støttet av Maryland Sea Grant (R / SV-2), NOAA Chesapeake Bay kontor (NA13NMF4570210), Oyster Recovery Samarbeid , National Science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, og Maryland Miljøtjeneste / 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 |