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.
Sediment är kritiska biogeokemiska komponenter i vattenekosystem och ofta är viktiga sänkor av näringsämnen och föroreningar. Banbrytande studier av näringsämnen, gas och övergångsmetall biogeokemi i lakustrina sediment avslöjade sediment utbyte av lösta ämnen och gaser med överliggande vatten som hade varierande redoxförhållanden 1,2. För näringsämnen, kan sediment vara en källa till fosfor och fasta kväve efter remineralisering av organiskt material, och ett handfat för syre i icke-fotosyntetiska miljöer 3,4. Fotosyntes nedsänkta makrofyter, makroalger och bentiska mikroalger kan ha stor påverkan på utbytet av lösta ämnen över sedimentvattengränsytan 5,6.
Mätningar av utbyte av lösta ämnen och gaser över sedimentvattengränsytan utförs för både grundforskning och tillämpad forskning ändamål, inklusive kalibrering av teknik och vetenskaplig water kvalitet modeller 7,8. Målet med dessa metoder, i största möjliga utsträckning, är att tillhandahålla tillförlitliga och korrekta sediment vatten växelkurser. Ett stort antal olika metoder har använts för att bedöma kemiskt utbyte vid sediment-vattengränsytan. Bottenvatten ansamling av gaser och lösta ämnen i skiktade system kan vara användbart 9, men är inte giltigt för utbyte sediment vatten över temperaturskikt eller pycnoclines. Eddy korrelation kräver höga mätningar av gaser, i allmänhet syre i kombination med mätning hög frekvens av vertikala vattenhastigheter frekvens; denna teknik har en enorm löfte men för närvarande kan inte lämna uppgifter för näringsutbytesstudier. In situ kupoler eller kammare är en mycket föredragen metod, med fördelen att täcka en större yta av sediment och upprätthålla in situ temperaturer, djup vattentryck och ljusnivåer 10. I praktiken är dessa mycket dyra mätningar som kräver omfattande tidpå större forskningsfartygen; de flesta applikationer är djupare kustområden eller havssediment. Kärn inkubation tekniker som använder flödet genom kammare som når steady state är utmärkt för att upprätthålla relativt konstant överliggande vattenkemi, inklusive syre, under inkubationer 11. Eftersom hastigheten bestäms vid steady state av koncentrationsskillnader mellan inströmmande och utströmmande vatten, och vatten växelkurser kan dessa inkubationer ta en avsevärd tid.
Tidsförloppet kärna inkubation metod som används av vårt laboratorium anpassades från metoder som används av ett antal olika laboratorier i Nordamerika och Europa, och det finns en avsevärd mängd litteratur utifrån denna allmänna strategi. Vi anpassade detta tillvägagångssätt för mätning av N2-flöden 12, ofta kallad denitrifikation, och har tillämpat den på fotosyntetiska och icke-foto sediment miljöer, inklusive estuaries 13, sjöar, dammar och våtmarker 14. Genom dessa studier har vi funnit många miljöer där vår övergripande strategi fungerar bra, och några där det inte. Mätningen av denitrifikation har utförts i många olika land- och vattenmiljöer, eftersom denna process utgör en viktig förlust av kväve till ekosystemen. Ett flertal metoder har använts för att göra denitrifikation mätningar, några direkta och några indirekt 15. Direkta N 2 fluxmätningar är mycket svårt på grund av det höga atmosfäriska innehållet N 2, och efterföljande höga koncentrationer upplösta i vatten 16. Två metoder har dykt upp som har den bästa representationen av miljö relevanta priser: isotop parning med användning av N isotop 17 och N2: Ar-förhållande som används i vårt laboratorium. Isotopen pairing metod har använts med framgång i många miljöer och har mycket hög känslighet vid låga priser. Vi anställa N2: Ar-förhållande strategi på grund av sin enkelhet, och eftersom det är tillräckligt känslig i de drabbade miljöer vi ofta studera.
I detta dokument beskriver vi den tekniska lösning som vi har använt under de senaste två decennierna för att göra mätning av sedimentvattenutbyte av gaser och lösta ämnen. Alla mätningar av sedimentvattenutbytet måste ta hänsyn till fältförhållanden och ett antal experimentella parametrar. Dessa faktorer inkluderar temperatur, ljus / mörker 18, blanda / fysiska flödet vid sediment-vatten-gränssnitt 19, upplöst syrehalter 20, och andra faktorer som är viktiga delar för att göra bra mätningar. Till exempel om kärnor samlas in från områden som får tillräcklig belysning för tillväxt av bentiska mikroalger, är det nödvändigt att utforma experiment som inkluderar både mörka och ljusförhållanden 21. På samma sätt, att tillsätta syreöverliggande vatten syrefria kärnorreplikeras inte fältförhållanden. Experimentell inneslutning av någon del av vattenekosystem kan leda till oundvikliga artefakter 22; Det är viktigt att de metoder som använts i en sedimentvattenomsättning mätprogrammet en) erkänna de faktorer som styr sedimentvattenutbytet i varje ekosystem och 2) minimera artefakter som härrör från experimentell manipulation.
Den teknik som beskrivs här har tillämpats på många typer av akvatiska system, både grunt och djupt, och vi har funnit att det ska fungera bra i de flesta fall. Detta tillvägagångssätt anpassades från metoder som används av kolleger och presenteras i litteraturen; den är optimerad för mätning av denitrifikationen via membraninlopps masspektrometri. En av styrkorna med denna metod är förmågan att hantera ett stort antal kärnor samtidigt. Replikera varje plats med dubbla eller tredubbla kärnor ökar förtroendet för mätningarna, men ett alternativ är att maximera platser med mindre replikering, under dessa omständigheter medelvärdet för en miljö segment kan vara mer representativ för variationen i naturen. För att belysa säsongsmässiga skillnader, kan en mättid serie vid ett färre antal platser vara en användbar strategi.
I detta protokoll, finns det flera viktiga steg. Paramount att göra successful mätningar är insamling av borrkärnor med en intakt sedimentvattengränsytan. Även avvisa kärnor som inte uppfyller detta kriterium på fältet kan vara tröttsamt, kommer fattiga kärnor leda till dålig noggrannhet och precision. Att hålla aeroba kärnor luftas och nära till den ursprungliga samlingen temperaturen kommer att minimera artefakter och bevara friska, intakta mikrobiella och flercelliga populationer. Slutligen, för O 2 och N 2 prover, är tillsatsen av kvicksilverklorid konserveringsmedel kritisk. Vi har observerat att felaktig bevarande av gasprover, inklusive överdriven uppvärmning och kylning av flaskorna kan äventyra dessa flödesmätningar. Andra laboratorier har framgångsrikt använts 7,0 M ZnCl2 som ett mindre giftigt konserveringsmedel som har lägre kostnader för avfallshantering; för en 7 ml prov en 30 pl Dessutom är lämpligt.
Den exakta och korrekt analys av förhållandet av N 2 och Ar är nyckeln till bestämningen av den N 2 </sub> flöden. Observerat N2: Ar förhållanden förändras som en funktion av syrekoncentrationen leder vissa forskare att förespråka syre avlägsnas före analys, i allmänhet med hjälp av uppvärmd koppar 28. Instrumenteringen används i vårt laboratorium användes för att bestämma effekten av syre på N 2: Ar förhållanden 23 och effekten visade sig vara mycket liten, <0,03% för blygsam syrebrist. Skillnader i tillvägagångssättet för att bedöma syre "effekt" verkar leda till olika slutsatser av olika utredare 23,28,29. En stor syre effekt på N 2: Ar förhållanden skulle leda till felaktigt höga N2-utflöde; i vår erfarenhet, vi har många observationer av ringa N2-utflödes under hög hastighet av syrebrist. I laboratorier där syre effekt på N 2: Ar förhållanden verkar stor, är ett användbart alternativ oberoende mätning av syrehalter med hjälp av elektroder eller optodes och syreavlägsnande från analysen masspektrometriska använder inline uppvärmd Cu.
Felsökning denna teknik är möjlig endast vid granskning av sedimentflödesdata. Viktiga faktorer att tänka på när regressioner är fattiga om omrörning var kontinuerlig prover samlas in och bevaras på rätt sätt, och om tid kurser var alltför kort för att medge uppskattning av låga priser. Längden av experiment i allmänhet bestäms av syre tidsförloppet, med låga hastigheter av metabolism som kräver längre inkubationer för att öka signal-brusförhållandet inbäddad i kurs regressioner gång. Höga hastigheter av syreproduktion som ger O 2 bubblor gör gasflöden svårt, men lösta flussmedel kan vara opåverkad.
Det är nödvändigt att förstå de begränsningar av detta tillvägagångssätt. De små kärnor omfattar 0,3% av en kvadratmeter och de större kärnorna omfattar 0,6%. I områden med betydande heterogenitet på mätaren skala, heterogena fördelningar av animals eller växter kan tyda på att en eller två kärnor kanske inte en tillräcklig representation. Det finns också vissa miljöer som presenterar mätsvårigheter. För mätning av denitrifikation, kan närvaron av metan eller syrebubblor ogiltig teknik, med N 2: Ar-förhållanden påverkas av differential inkorporering av gaser in i bubblor. I sediment koloniseras av bentiska mikroalger, bildandet av syrebubblor resulterar i en förmånlig strippning av N 2 i förhållande till Ar, och minskning i N 2: Ar-förhållande. I allmänhet kan vi inte mäta denitrifiering vid den punkt där det bildas bubblor. Anaeroba miljöer ställer olika utmaningar och luftning av kärnorna ändrar redox dynamiken vid sediment-vatten-gränssnitt. Vi försegla kärnor med omrörnings toppar omedelbart efter insamling och starta flödena utan att byta ut vattnet helt 30. Våra experiment med belysta sediment vanligtvis har mättande eller nästan saturating belysningsnivåer 31, och därmed maximera effekten av bentiska mikroalger.
utbytesmätningar sediment vatten är en mätning av nettoflödet av material över sedimentvattengränsytan. Men dessa mätningar ensam ofta inte kan identifiera de mekanismer som styr dessa gräns utbyten. Om frågeställningen innebär förståelse mekanismer, annan information om organiskt material reaktivitet, terminal elektronacceptor zonering, bioirrigation och bioturbation och fotosyntetiska organismer kan vara nödvändig. Modellering ansträngningar 7 kan kräva bestämning av porvattenkemin, direkta åtgärder av organiskt material reaktivitet 32, uppräkning av djurpopulationer, sediment bio-bevattning, sediment anhopning eller experimentella manipulationer av redox eller överliggande vattenkemi 13. I våra studier, är bra sediment vatten datautbyte en viktig komponent för att förstå kemin i vattensediment,och i samband med andra mätningar, identifierar roll sedimentåtervinningsprocesser hos vattenlevande biogeokemiska cykler.
Med omsorg om sediment hantering, temperaturkontroll och vattenpelaren blandning, kärn inkubationer är ett användbart tillvägagångssätt för uppskattning av utbytet av lösta ämnen och gaser vid sediment-vatten-gränssnitt. Emellertid kan de tekniker som används här behöver ändras för vissa miljöer och svåra logistik, såsom förlängda tidsperioder före inkubation. Hittills har vi framgångsrikt tillämpat denna inkubation förhållningssätt till flodmynningar, kust, våtmarker, sjö, reservoar, flod och retention damm miljöer med minimal modifiering.
The authors have nothing to disclose.
Författarna utvecklat denna metod med hjälp av våra observationer av arbete som utförts av Walter Boynton och Pete Sampou och kooperativa arbetet med denitrifikation med Todd Kana vid University of Maryland Centrum för miljövetenskap. Utveckling av våra denitrifikation tillvägagångssätt skulle inte ha varit möjligt utan stöd från Maryland Sea Grant Program och National Science Foundation. De representativa data som används här samlades med finansiering från Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) och skriver ansträngningar stöddes av Maryland Sea Grant (R / SV-2), NOAA Chesapeake Bay Office (NA13NMF4570210), Oyster Recovery Partnership , National Science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, och Maryland miljö~~POS=TRUNC / 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 |