Introduction
Отложения являются важнейшими биогеохимические компонентами водных экосистем и часто являются важными стоками питательных веществ и загрязняющих веществ. Пионерские исследования питательных веществ, газа и переходного металла биогеохимии в озерных отложениях выявлено обмен осадка растворенных веществ и газов с вышележащей водой , которые различными окислительно - восстановительные условия 1,2. Для питательных элементов, осадки могут быть источником фосфора и азота , после того, как фиксируется реминерализации органического вещества, и раковина для кислорода в нефотосинтетических средах 3,4. Фотосинтез погруженных макрофитов, микроводорослей и донными микроводорослей могут оказывать глубокое влияние на обмен растворенных веществ через границу раздела воды и осадков 5,6.
Измерения обмена растворенных веществ и газов через границу раздела воды и осадков проводятся как для фундаментальной науки и прикладных научных целях, в том числе калибровки инженерных и научных очистэр модели качества 7,8. Цель этих методов, в максимально возможной степени, является обеспечение надежных и точных обменных курсов воды и осадков. Широкое разнообразие подходов были использованы для оценки химического обмена на границе раздела воды и осадков. Дно накопление воды газов и растворенных веществ в стратифицированных системах могут быть полезны 9, но не является допустимым для обмена воды и осадков над термоклины или pycnoclines. Eddy корреляция требует высоких частотных измерений газов, в целом, кислород в сочетании с высокой измерения частоты вертикальных скоростей воды; эта техника имеет огромное обещание , но в настоящее время не может предоставлять данные для обмена питательных веществ исследований. В куполов месте или камеры являются весьма предпочтительным способом, с тем преимуществом , охватывающих большую площадь поверхности осадка и поддержания температур Ситу, давления глубоководные и уровня освещенности 10. На практике, это очень дорогие измерения, требующие значительного временина больших научно-исследовательских судов; большинство приложений глубже прибрежной зоны или океанические отложения. Основные методы инкубации с использованием потока через камеры , которые достигают стационарного состояния отлично подходит для поддержания относительно постоянной химии вышележащие воды, в том числе кислорода, во время инкубирования 11. Поскольку скорость определяется в устойчивом состоянии путем концентрации различий между истекающей и впадения воды, а также по обменным курсам воды, эти инкубирование может занять значительное количество времени.
Ядро Инкубационный подход времени курс, используемый нашей лаборатории был адаптирован из подходов, используемых в ряде различных лабораторий в Северной Америке и Европе, а также имеется значительное количество литературы на основе этого общего подхода. Мы адаптировали этот подход к измерению N 2 -N потоков 12, часто упоминается как денитрификации, и применили его к фотосинтезирующих и нефотосинтезирующей осадка сред, в том числе estuaries 13, озер, водохранилищ и водно - болотные угодья 14. С помощью этих исследований мы обнаружили множество условий, в которых наш общий подход работает хорошо, а некоторые, в которых он не делает. Измерение денитрификации было проведено во многих различных наземных и водных средах, поскольку этот процесс представляет собой ключевой потери азота в экосистемах. Многочисленные подходы были использованы для проведения измерений денитрификации, некоторые прямые и некоторые косвенные 15. Прямые N 2 измерения потока очень трудно из-за высокого атмосферного содержания N 2, и последующие высокие концентрации растворенных в воде 16. Два подхода появились как имеющие лучшее представление экологически значимых норм: изотоп спаривание с использованием N изотопов 17 и N 2: Ar соотношение используется в нашей лаборатории. Изотопный метод спаривания был успешно использован во многих средах и имеет очень высокую чувствительность при низких скоростях. Мы используем N2: Ar отношение подход из - за своей простоты, и потому , что достаточно чувствителен в повлиявших средах мы часто изучают.
В этой статье мы опишем технический подход, который мы использовали в течение последних двух десятилетий, чтобы сделать измерения обмена воды и осадков газов и растворенных веществ. Любые измерения обмена воды и осадков необходимо учитывать полевых условиях, а также ряд экспериментальных параметров. Эти факторы включают в себя температуру, свет / темные условия 18, смешивание / физический поток на границе воды и осадков 19, растворенные концентрации кислорода 20, а также другие факторы , которые являются ключевыми элементами создания хороших измерений. Например, если сердечники собираются из областей , которые получают достаточное освещение для роста бентических микроводорослей, необходимо разработать эксперименты , которые включают в себя как темные и светлые условия 21. Кроме того, добавление насыщенной кислородом воды к облегающего Аноксидное ядерне размножается полевых условиях. Экспериментальный корпус любой части водных экосистем может привести к неизбежным 22 артефактов; крайне важно, чтобы подходы, используемые в программе обмена измерения воды и осадков 1) признать факторы, контролирующие обмен воды и осадков в каждой экосистеме и 2) свести к минимуму артефакты, полученные из экспериментальных манипуляций.
Protocol
Примечание: Сбор ядер с ненарушенной интерфейсов отложений-воды имеет важное значение для создания хороших экспериментальных измерений обмена; высоко-возмущенные сердечники могут обмениваться поровые воды растворенные вещества с вышележащей водой и усиленное поглощение кислорода через окисление Fe (II) и восстановленных соединений серы. В этой статье мы хотели бы подчеркнуть процедуры инкубации осадка осадков лишь беглого включения методов отбора проб донных отложений и химического анализа растворенных веществ и газов. Перед отбором проб, или на основании первоначальных результатов, определить степень репликации с помощью общих потребностей проекта, статистический дизайн или ожидаемой величины малого масштаба пространственной изменчивости. Повторяющиеся ядер минимум используется многими исследованиями и трехкратном повторе полезны для обеспечения возможности лучшего статистического анализа.
1. Отложения Сбор и обработка
Примечание: Сбор осадка для обмена экспериментов осуществляется с использованием 1) ручного ввода ядер USIнг водолазов или на мелководье или водно-болотные угодья, вброд, 2) полюс CORING используя алюминиевый полюс с закрытым клапаном вручную, чтобы сохранить отложения, или 3) коробки отбора керна.
- На каждом участке, запись местоположения сайта с помощью GPS, определить нижний кислород воды, температуры и солености с использованием качества воды зонда, и определить фотосинтетически активной радиации (ФАР) на поверхности и дна с помощью PAR датчика / счетчика.
- Чем ниже качество воды до ~ зонда 1 м над осадком и записывать нижние характеристики воды (глубина, температура, содержание растворенного кислорода, температуры и солености / проводимости).
- Опустить датчик Наравне с подводным зондом к границе раздела воды и осадков, используя понижающий рамку. Сравните PAR показания вблизи поверхности осадка к PAR показаниям непосредственно ниже границы раздела воздух-вода для оценки ослабления света в условиях освещенности.
- Развертывание бур окно на боковой стороне лодки / корабль, понижая его медленно, чтобы свести к минимуму нарушенияпосле проникновения в осадок. Изучите основной блок для видимых помех или чрезмерного взмучивания.
- Для коробки пробоотборником, вставьте центральных труб в осадок, и использовать бутиловый пробку, чтобы покрыть верхнюю часть сердечника. Для флюса экспериментов, в то время как идеальный баланс осадок / вода в пределах активной зоны составляет 15 см воды и 15 см осадка, в грубой или сильно уплотненные осадки собирают меньшую глубину осадка приемлемый результат. Если темпы истощения кислорода являются чрезмерными, сместить баланс в сторону дополнительной высоты колонны воды.
- Обычно используют 6,35 см сердечники внутренний диаметр для глубоких исследований воды и отложений с бентического микроводорослей или больших популяций животных, использовать 10 см ID сердечников. Основной предел размера ядра является возможность ограничить нижнюю часть сердечника.
- Закрывают дно с акриловым нижней пластиной, которая имеет встроенный уплотнительное кольцо. Повторите этот процесс до тех пор, пока достаточное количество повторностей собираются. С полюса дночерпателем, первое место акриловой нижней пластины в основной Liнер, удалить сердцевину из пробоотборником, и добавьте пробку.
- Место ядра в высокой изолированный охладитель воды, который залита окружающей водой с сайта; Это помогает поддерживать при температуре в точке. Убедитесь в том, что кулер остается в вертикальном положении. Откажитесь ядер, которые беспокоили во время транспортировки.
- Насос дна воды, забираемой вблизи поверхности осадка в 20 л бутыли для использования в экспериментах. С помощью мембранного насоса с 10-20 л / мин емкостью или высокоскоростного перистальтического насоса.
- В мелкой воде нестратифицированный, заполнить бутыль с "макая" его в воде. Фильтрация подтоварной воды с помощью встроенного фильтра картриджа большой емкости могут быть полезны в местах с высоким уровнем водяного столба или поглощения кислорода фотосинтеза (в свете), сводя к минимуму коррекцию из водной толщи только управляющие ядра.
- Транспорт ядра как можно быстрее к инкубационной объекта. В случае длительного транспорта, AEROBIC ядра могут стать бескислородной и искусственное выделение пузырьков или циркуляции необходимы.
2. Первоначальная настройка
- В инкубационной объекта, место ядра в инкубационной ванне либо в экологическом помещении с регулируемой температурой, или в двухстенной инкубаторе с регулированием температуры через циркулятор отопления / охлаждения. Установите температуру до дна температуры воды, измеренных в 1.1.1.
- Добавить подтоварной воды в инкубатор, полностью погружая осадочные керны. Кроме того, добавить воду до 5 л бутылях с патрубками, которые будут использоваться для выдачи замены воды.
- Добавление воды только ядро (без осадка) в инкубатор. Использование заготовок толще воды имеет важное значение в большинстве сред, чтобы компенсировать любые процессы в толще воды, которые влияют на газы и растворенные вещества. Для измерения денитрификации, эти заготовки могут отражать не только процессы толще воды, но обмен газов с акриловыми стенками сердечника.
- Bubble ядра WIth воздуха в течение как минимум 2 ч для обеспечения теплового равновесия и полное насыщение кислородом вышележащей воды. Они могут храниться в течение ночи и время курсы инициировали на следующее утро. Более длинные Прединкубационная периоды не были оценены на эффективность.
- Для аэрации, используют небольшое "T" барботер, состоящий из ½ "ПВХ трубы с трехходовым ответвитель; 1/8 'трубки, вставленной в нижней части результатов Т в унос воды вверх во время барботирования и обеспечивает не только оксигенации, но циркуляция воды в активной зоне с водой в инкубационной ванне.
3. Процедуры Инкубационный воды и осадков
- После проверки температуры, чтобы убедиться, что он соответствует полевым условиям, прикрепить волчки к вершинам ядер. В этот момент, запечатать ядро из резервуара для воды. Оставьте клапан отбора пробы на ядре открытой в течение этого процесса. Вручную смести любые воздушные пузырьки, осторожно с нижней стороны верхней прядения.
- ЭлеVate с заменой воды бутыль ~ 30-40 см выше вершины инкубационных сердечников и слейте линии вниз, чтобы исключить любой воздух в линии. В то время как все еще течет, приложите линии к основным вершинам и закрывать клапаны.
- Включите центрального перемешивания поворотного стола и регулировать скорость его вращения таким образом, что сердечники вращаются ~ 40 раз в минуту, или со скоростью, достаточной для перемешивания толщу воды, но не ресуспендируют осадок.
- Примерно через 5 мин после всех ядер запечатаны, откройте водопроводный кран замены и образец клапана, а затем прикрепить короткий кусок трубы к образцу клапана с использованием фитинг Люэра. Поместите эту пробоотборную трубку в нижней части стеклянной трубки 7 мл, который заполнен до отказа. Перед укупорки пробирку, добавляют 10 мкл 30 г · л -1 HgCl 2 в качестве консерванта.
- Хранить эти образцы под водой при температуре, близкой к температуре инкубации. Другие лаборатории успешно использовали 12 мл "Exetainers" СэмуPLE хранения.
- Для отбора проб растворенного вещества, приложить цилиндр шприца 20 мл с образцом клапана и открыть клапан замены воды. Цилиндр шприца не заполнит до полного использования только силы тяжести. Приложить поршень и фильтр диск, а затем фильтровать образцы во флаконы. Эти образцы для анализа питательных веществ замораживают при -20 не ° C до проведения анализа.
Примечание: Временной ход выборки в темноте, как правило, включает в себя 4 периода выборки с интервалами между выборки в пределах от 0,5 до> 2 ч, в зависимости от скорости поглощения кислорода. С низким уровнем потребления кислорода, интервалы времени длинные; в донных отложениях с высоким уровнем дыхания, интервалы должны быть короткими. Чрезмерно высокие объемы пробы, взятые в каждой точке образца может привести к дискретизации слишком большой доли всего объема образца; в нашей работе эти образцы объемы приводят к незначительной коррекции. Если больший объем выборки необходим, сердечники большего диаметра или увеличенную высоту водяного столбаможет оказаться необходимым. - Не продолжайте с временной ход выборки ниже порога истощения кислорода 50%, с кислородом истощением 25%, как правило, обеспечивающих достаточный сигнал в концентрации питательных веществ. При этом, используйте калиброванные optodes для прямого анализа концентраций кислорода и насыщения кислородом.
- Если отложения из неглубоких, освещенных средах, на 4 - й выборки, включить свет и принимать 3 последующих образцов. Следует отметить , что в сильно фотосинтетических осадках, перенасыщение O 2 и образование пузырьков ограничивает измерение газовых потоков в некоторых случаях. Постоянный мониторинг кислорода становится все более жизнеспособным и ценной альтернативой, с технологией измерения волоконно-оптические, имеющие относительно небольшие зонды, которые очень надежны и точны.
- По завершении осадка инкубациями, либо измерить высоту водяного столба или сифон в толще воды, чтобы мерный цилиндр непосредственно determINE объем воды, и сфотографировать каждого ядра.
4. Анализ проб
- Образцы насос для анализа N 2, O 2 и Ar в мембрану на входе масс - спектрометра, и определяют соотношение N 2: Ar и O 2: Ar до <0,03% точности 12,23.
- Пара масс-спектрометр квадрупольный на входе мембраны. Вставьте образец в мембранной трубки с использованием перистальтического насоса. Сбор отходов образца в пластиковой бутыли и рассматривать как химические отходы из-за консерванта ртутного столба. Откалибруйте деионизированной водой, уравновешенной воздухом при температуре инкубации.
- Выполнить анализ питательных веществ вручную на ≤ 5 образцов мл или на небольших объемах с использованием автоматизированных анализаторов. При оттаивании образца, запуска анализа немедленно. Выбор питательной процедуры анализа должны давать точность, достаточную для наблюдения за изменениями в концентрации питательных веществ во время инкубации. Типичный обнаружениеПределы <тенденции 0,05 мкмоль L -1 и время , конечно , может быть трудно наблюдать под обоими экстремально низких и экстремально высоких концентраций питательных веществ.
- Для колориметрического анализа растворимого реактивного фосфора, используют технику фосфомолибдатного аскорбиновую кислоту. Для анализа аммония, используют ночную развитие цвета , используя фенолом гипохлорита реагента 24. Автоматизированные колориметрические анализы, либо с использованием сегментированного потока или дискретный анализатор, являются прекрасной альтернативой и использовать меньший объем выборки.
- Для анализа нитратов плюс нитритов, используют развитие ночной цвета с использованием хлорида ванадия в качестве восстановителя 25, или использовать автоматизированный анализатор
- Сравнить абсорбцию, определенные на UV / VIS спектрофотометр стандартных кривых и определения концентраций от регрессии концентраций стандартов и поглощательной способности.
5. Расчет обменных курсов наносов водой
- Регресс концентрации газа или питательного вещества в зависимости от времени независимо друг от друга как для темных и освещенных инкубирования, с наклоном выражается в мкмоль · л -1 ч -1. Исправьте склоны инкубационных сердечников для наклона сердечников колонн только воды. Используйте только значительные регрессии (P <0,05) для расчетов; определить незначащие данные в итоговых таблицах данных.
- Рассчитать курсы обмена воды и осадков из наклона изменения химических составляющих концентраций в вышележащих воде:
Где F есть поток (мкмоль м -2 ч -1), & delta ; C / & Dgr ; t является наклон изменения концентрации в вышележащих воде (мкмоль · л -1 ч -1), V представляет собой объем вышележащей воды (L) , и А площадь инкубированы ядра (м -2) .Чтобы оценить суточный поток, умножать освещенную ставку на часы светаи добавить к темной скорости, умноженной на темное время суток.
6. отчетность
- При представлении результатов измерений обмена осадка водой, обеспечивают достаточную информацию для других ученых, чтобы понять окружающую среду, которая была сэмпл. Необходимая информация включает в себя: 1) местоположение участка и воды глубиной, 2) физические характеристики, такие как поля и температуры инкубации, и PAR, 3) нижние характеристики воды, такие как кислород, концентрации питательных веществ и солености, а также 4) характеристики осадочных пород, таких как размер зерна, концентрации органических веществ веществ, а также наличие донных животных.
Representative Results
Результаты измерений осадков потока вблизи объекта аквакультуры на реке Choptank (Chesapeake Bay, MD), показаны на рисунке 1 и интерпретация этих результатов в контексте экосистемы представлены в другом месте 26. Инкубацию проводили в течение 7 часов, с темными инкубирования с последующим освещаемых данных инкубациями. Данные из двух ядер показаны, а также толща воды только контроль. Быстрое снижение кислорода в темноте ослаблялась несколько освещением; скорость фотосинтеза микроводорослей производства не был столь же высоко, как дыхание, с основным эффектом освещения будучи пониженной скорости изменения кислорода. Основной контроль испытал небольшое снижение концентрации кислорода в темноте и небольшое увеличение в свете.
Концентрации N 2 определяли с помощью N 2: Ar соотношение арасчетные значения литературы насыщения Ar для наблюдаемой температуры и солености 27. При типичной точности 0,02% для N соотношении 2: Ar, эти данные являются точными до ~ 0,1 мкмоль L -1 N 2. Ядра осадка и в толще воды пустые ядра наблюдалось увеличение N 2 в течение долгого времени, с гораздо более высокими темпами роста для ядер. При освещении, склоны были в целом аналогичны темной скорости N 2 изменения.
Флюсы растворенного NH 4 + были достаточно высокими на этом участке, с темным увеличением> 20 мкмоль L -1 для одного ядра. Световая NH 4 + потоки были значительно ниже. Оба ядра и водяного столба заготовки не понизилась NO х - концентрация с течением времени, выравнивания при освещении. Для всех потоков, данные концентрации и данные по объему активной зоны и другие соответствующие параметры приведены в
Рисунок 1. Временной ход данные мелком месте воды в реке Choptank , которая была покрыта с поплавками , содержащими культивируемые устрицы. Данные взяты из дублированных ядер (А и В) , а также данные из пустого водяного столба показаны. Концентрации кислорода N 2, NH 4 + и NO х - (сумма NO 3 - и NO 2 - представлены как для темной части инкубационного (затененной области) , а также для освещенной части инкубации в четвертый раз. точка темной инкубации также первый момент времени освещенного временных рядов, огни были включены в момент отбора проб линии являются линейными регрессия и склоны представлены в таблице 1..98 / 54098fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| Кислород - Темный | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль | |||||
| 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 | 0.943 | 0.999 | 0,836 | ||||||
| Склон (мкмоль · л -1 ч -1) | -23,5 | -35,9 | -3,4 | ||||||
| Исправленная Slope (мкмоль · л -1 ч -1) | -20,1 | -32,5 | |||||||
| Скорость (м -2 мкмоль ч -1) | -3095 | -4875 | |||||||
| Кислород - Свет | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль | |||||
| 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 | 0.981 | 0.999 | 0,994 | ||||||
| Склон (мкмоль · л -1 ч -1) | -10,1 | -9,8 | 2.9 | ||||||
| Исправленная Slope (мкмоль · л -1 ч -1) | -13 | -12,7 | |||||||
| Скорость (м -2 мкмоль ч -1) | -2000 | -1905 | |||||||
| N 2 - Dark | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль | |||||
| 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 | 0,963 | 0,98 | 0,854 | ||||||
| Склон N 2 (мкмоль · л -1 ч -1) | 0.471 | 0,645 | 0,12 | ||||||
| Исправленная Склон N 2 (мкмоль · л -1 ч -1) | 0.351 | 0.525 | |||||||
| Оценить N 2 -N (мкмоль м -2 ч -1) | 108,1 | 157,5 | |||||||
| N 2 - Свет | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль | |||||
| 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 | 0.987 | 0,967 | ||||||
| Склон N 2 (мкмоль · л -1 ч -1) | 0,481 | 0,378 | 0.096 | ||||||
| Исправленная Склон N 2 (мкмоль · л -1 ч -1) | 0,386 | 0,282 | |||||||
| Оценить N 2 -N (мкмоль м -2 ч -1) | 118,9 | 84,6 | |||||||
| Ядро Площадь (м 2) | 0.003165 | 0.003165 | Основной объем (L) | 0,4874 | 0,4747 |
. Таблица 1. Данные курса Время для O 2 и N 2 от осадков под ним устрицы аквакультуре плавает в реке Choptank, принимали участие в subestuary Чесапикского залива концентрации газа получают из O 2: Ar и N 2: Ar отношения определяются через входное отверстие мембраны масс-спектрометрии. Значения Временной ход регрессии R 2 являются существенными для значений> 0,9025 (р <0,05). Склоны определяются методом линейной регрессии и исправленные трассы определяются путем вычитания скорости изменения в толще воды только пустой. Положительные ставки чистые потоки из осадка, отрицательные показатели указывают на поток в осадок. Данные N 2 потока выражаются в виде N 2 -N, что делает COMPARison к NH 4 + и NO х - потоки легче. Этот сайт был отложения в основном состоящие из ила и глины с полностью аэробных условиях водной толщи. Площадь ядер была 31.65 см -2 и глубины водной толщи были 15,4 см для ядра А и 15,0 для ядра B. Все концентрации для N 2 и O 2 являются мкмоля L -1. Окончательная ставка для N 2 потока выражается в N 2 -N.
| NH 4 + - Темный | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль |
| 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 | 0.968 | 0.993 | 0,853 | |
| Склон (мкмоль · л -1 ч -1) | 2,88 | 5,36 | -0,53 | |
| Исправленная Slope (мкмоль · л -1 ч -1) | 3,41 | 5,89 | ||
| Скорость (м -2 мкмоль ч -1) | 525 | 884 | ||
| NH 4 + - Свет | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль |
| 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 | 0.978 | 1 | 0.966 | |
| Склон (мкмоль · л -1 ч -1) | 1,37 | 1.13 | -0,55 | |
| Исправленная Slope (мкмоль · л -1 ч -1) | 1,92 | 1,68 | ||
| Скорость (м -2 мкмоль ч -1) | 296 | 252 | ||
| НЕТ х - - Темный | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль |
| 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 | 0,976 | 0.992 | 0,967 | |
| Склон (мкмоль · л -1 ч -1) | -0,229 | -0,345 | -0,089 | |
| Исправленная Slope (мкмоль · л -1 ч -1) | -0,14 | -0,256 | ||
| Скорость (м -2 мкмоль ч -1) | -21,6 | -38,4 | ||
| НЕТ х - - Свет | Время (ч) | Сердечник | ядро B | контроль |
| 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 | 0,934 | 0.909 | 0,9 | |
| Склон (мкмоль · л -1 ч -1) | -0,078 | -0,103 | 0 | |
| Исправленная Slope (мкмоль · л -1 ч -1) | -0,078 | -0,103 | ||
| Скорость (м -2 мкмоль ч -1) | -12 | -15,5 | ||
| Ядро Площадь (м 2) | 0.003165 | 0.003165 | ||
| Основной объем (L) | 0,4874 | 0,4747 |
Таблица 2. Временной ход Данные для NH 4 + и NO х - из одних и тех же донных отложений , используемых для таблицы 1. Временной ход регрессии R 2 значения являются значимыми для значений> 0,9025 (р <0,05). Склоны определяются методом линейной регрессии и исправленные трассы определяются путем вычитания скорости изменения в толще воды только пустой. Положительные показатели являются нетто-потокииз осадка, отрицательные показатели указывают на поток в осадок. Все концентрации для NH 4 + и NO 2 - являются мкмоль L -1.
Discussion
Техника, описанная здесь, была применена к многочисленным видам водных систем, как мелких и глубоких, и мы обнаружили, что она хорошо работает в большинстве случаев. Этот подход был адаптирован из подходов, используемых коллегами и представленных в литературе; он оптимизирован для измерения денитрификации через мембрану входного отверстия масс-спектрометрии. Одна из сильных сторон этого подхода является возможность обработки большого количества ядер одновременно. Репликация каждый сайт с двух или трех повторностях ядер повышает достоверность измерений, хотя альтернативный подход заключается в максимизации сайтов с меньшим количеством репликации, в этих условиях среднее значение для экологического сегмента может быть более представительным изменчивости в природе. Для выяснения сезонных различий, измерение временных рядов на меньшее количество сайтов может быть полезной стратегией.
В этом протоколе, существует несколько важных шагов. Paramount, чтобы сделать сuccessful измерения является сбор ядер с интактным интерфейсом воды и осадков. Несмотря на то, отвергая ядра, которые не отвечают этому критерию в области может быть утомительно, бедные ядра приведет к низкой точности и точности. Ведение аэробные ядер газированная и близка к исходной температуре сбора позволит свести к минимуму артефакты и сохранить здоровые, неповрежденные популяции микробных и многоклеточных. Наконец, для O 2 и N 2 выборок, добавление хлорида ртути консервантом является критическим. Мы наблюдали, что неправильное сохранение проб газа, в том числе чрезмерного нагрева и охлаждения флаконов, может поставить под угрозу эти измерения потока. Другие лаборатории успешно используют 7,0 M ZnCl 2 как менее токсичный консервант , который имеет более низкие затраты на утилизацию отходов; в течение 7 мл образца 30 мкл дополнение к этому подходит.
Точный и точный анализ соотношения N 2 и Ar является ключом к определению N 2 2: Ar отношения меняются в зависимости от концентрации кислорода , ведущей некоторых исследователей выступать удаление кислорода перед анализом, как правило , с использованием нагретой меди 28. Приборы , используемые в нашей лаборатории использовали для определения влияния кислорода на N 2: Ar соотношении 23 и эффект оказался очень мал, <0,03% разрушающие скромному кислорода. Различия в подходе к оценке кислорода "эффект" по всей видимости, приведет к разным выводам разными исследователями 23,28,29. Большое влияние кислорода на N 2: Ar отношения приведет к ошибочно высоким уровнем N 2 -N эффлюксного; в нашем опыте, мы имеем много наблюдений ничтожно N 2 -N эффлюксных при высокой скорости истощения кислорода. В лабораториях , в которых кислородный эффект на N 2: Ar отношения появляются большие, полезной альтернативой является независимое измерение концентрации кислорода с использованием электродов или optodes и кислородудаление из масс-спектрометрического анализа с использованием встроенного подогреваемый Cu.
Устранение этой техники возможно только при изучении данных наносов потока. Основные факторы, которые следует учитывать при регрессии бедные ли перемешивание непрерывно, образцы были собраны и сохранены правильно, и будет ли время было слишком коротким, чтобы позволить оценку низких ставок курсов. Продолжительность опытов, как правило устанавливается время курса кислорода, с низким уровнем метаболизма требующих более инкубацию, чтобы увеличить соотношение сигнал-шум, внедренных в курс регрессий времени. Высокие темпы производства кислорода , которые дают O 2 пузырьки газа делают потоки трудно, но растворенные потоки могут быть затронуты.
Необходимо понимать ограничения этого подхода. Маленькие ядра покрывают 0,3% квадратного метра и более крупные ядра покрывают 0,6%. В местах с существенной неоднородностью по шкале измерительного прибора, и гетерогенных распределений АнимALS или растения могут предположить, что один или два ядра не может быть достаточным представление. Есть также некоторые среды, которые представляют трудности измерения. Для измерения денитрификации, присутствие метана или кислорода пузырьков может привести к аннулированию техники, с N 2: Ar соотношениях под влиянием дифференциального включения газов в пузырьки. В отложениях колонизирована бентического микроводорослей, образование пузырьков кислорода приводит к преимущественной зачистке N 2 относительно Ar, и снижение в N соотношении 2: Ar. В общем, мы не можем измерить денитрификации в точке, где пузырьки формы. Анаэробные среды создают различные проблемы, а аэрация ядер изменяет динамику окислительно-восстановительных на границе раздела воды и осадков. Мы запечатать сердечники с перемешиванием вершины сразу после сбора и начать потоки без полной замены 30 толщу воды. Наши эксперименты с освещенными осадками обычно имеют насыщением или почти saturatИНГ уровни освещенности 31, и тем самым максимизировать эффект бентического микроводорослей.
Измерения обмена воды и осадков являются измерение чистого потока материалов через границу раздела воды и осадков. Тем не менее, эти измерения в одиночку, часто не могут определить механизмы, контролирующие эти межфазных обмены. Если вопрос исследования предполагает понимание механизмов, другая информация по органической реактивности вещества, терминал акцептором электронов зонирование, bioirrigation и биотурбации и фотосинтезирующие организмы могут быть необходимы. Моделирование усилий 7 может потребоваться определение химии пор воды, прямых мер органической реактивности 32 вещества, перечисление популяций животных, осадка био-орошения, осадка аккреции или экспериментальных манипуляций окислительно - восстановительных или вышележащих химии 13 воды. В наших исследованиях, обмен хороший осадок воды данных является ключевым компонентом понимания химии водных осадков,и в сочетании с другими измерениями, определяет роль донных отложений в процессах переработки водных биогеохимических циклов.
С осторожностью в отношении обработки осадка, контроль температуры и перемешивания водной толщи, основные инкубирование являются полезным подход к оценке обмена растворенных веществ и газов на границе раздела воды и осадков. Однако методы, используемые здесь, могут нуждаться в модификации для некоторых сред и для сложных логистики, таких как различные периоды времени перед инкубацией. До сих пор мы успешно применили этот инкубационный подход к устьевых, прибрежных, заболоченных, озеро, водохранилище, река и сохранение пруда среды с минимальными изменениями.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы разработали этот подход, используя наши наблюдения работы, проведенной Walter Бойнтон и Пит Sampou и совместной работы над денитрификации с Тоддом Kana в Университете штата Мэриленд Центра экологической науки. Развитие наших денитрификации подходов не было бы возможным без поддержки Программы Мэриленда моря Грант и Национального научного фонда. Представительные данные, используемые здесь были собраны при финансовой поддержке Мэриленд Sea Grant (R / AQ-5С) и записи усилия были поддержаны Мэриленд Sea Grant (R / SV-2), залив НОАА Чесапик (NA13NMF4570210), Устрица Восстановление партнерства , Национальный научный фонд (OCE1427019), Exelon Corporation, а также экологическая служба Мэриленд / Maryland Администрация порта.
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).
