Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Förståelse Upplöst Organiskt material Biogeochemistry Genom doi: 10.3791/54704 Published: October 29, 2016

Summary

Löst organiskt material utgör en viktig källa av energi och näringsämnen att strömma ekosystem. Här visar vi en fältbaserad metod för att manipulera den omgivande pool av löst organiskt material in situ genom lätt replikernäringspulser.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Löst organiskt material (DOM) ger en viktig energikälla och näringskälla för sötvattenekosystem och definieras som organiskt material som passerar genom en 0,7 pm filter. Inom vattenekosystem kan DOM också påverka ljusdämpning och metallkomplex. DOM är en mycket mångsidig och heterogen blandning av organiska föreningar med olika funktionella grupper, såväl som essentiella näringsämnen såsom kväve (N) och fosfor (P). Medan termen "DOM" beskriver hela poolen inklusive dess C, N- och P-komponenter, är dess koncentration mäts som löst organiskt kol (DOC). Den inneboende molekylära komplexitet DOM poolen men skapar utmaningar för sin studie. Till exempel, det finns inget direkt sätt att mäta den del av den totala DOM-poolen som består av organiska näringsämnen såsom löst organiskt kväve (DON) och lösta organiska fosfor (DOP). Istället måste koncentrationen av organiska näringsämnen bestämmas genom skillnaden (

Lägga till en realistisk DOM ändring av en ström är svårt på grund av mångfalden av omgivnings DOM poolen. Tidigare studier har lagt enkel kolkällor (t.ex. glukos, urea 1) eller en viss källa såsom löv lakvatten 2 att manipulera koncentrationer inom området. Men dessa källor är inte särskilt representativ för omgivnings DOM poolen. Att försöka förbättra eller koncentrera omgivande DOM för efterföljande experiment är också åstadkommit med svårigheter inklusive förlust av vissa fraktioner (t.ex. mycket labila komponenter) under bearbetning. Som ett resultat, är det svårt att förstå kontrollerna på omgivande DOM poolen som vi för närvarande inte har någon metod för att direkt manipulera omgivningen DOM poolen. Eftersom biogeokemi DOM är kopplad till näringsämnen som vanligtvis förekommer i miljön (t.ex. nithastighet [NR 3 -] 3), kan vi lägga till andra lösta ämnen att strömma ekosystem och mäta responsen av DOM poolen till dessa manipulationer. Genom att undersöka hur DOM poolen svarar på ett brett spektrum av experimentellt ålagts näringshalter vi hoppas att få bättre insikt i hur DOM reagerar på fluktuerande miljöförhållanden.

En metod som vanligen används i ström biogeokemin är det näringsämne tillsatsmetoden. Näringsadditionsexperiment har traditionellt använts för att förstå upptags kinetik eller ödet för den tillsatta lösta 4,5,6,7. Närings tillägg kan vara kortsiktigt på hr 6 till dag skala 4, eller långsiktiga manipulationer under loppet av flera år 8. Närings tillsatser kan även innefatta isotopmärkt näringsämnen (t.ex. 15 N-NO 3 -) för att spåra sätts näringsämnen genom biogeokemiska reaktioner. Emellertid isotopbaserade studier är ofta Expensive och kräver utmanande analyser (t.ex. spjälkningar) av de många botten delområden där isotopmärkta näringsämnen får behållas. Senaste experiment har visat nyttan av kortsiktiga näringspulser att belysa kontrollerna på icke tillsatta och omgivande lösta såsom DOM 9,10, avslöjar ett nytt sätt genom för att undersöka realtid in situ biogeokemiska reaktioner. Här beskriver vi och demonstrera de viktigaste metodologiska steg till att genomföra kortsiktiga näringspulser i syfte att förstå den kopplade biogeokemi C och N och speciellt kontrollerna på mycket varierande DOM pool. Detta lätt reproducerbar metod innefattar tillsats av ett näringsämne puls till en experimentell ström räckvidd och mäta förändringar i koncentrationen av både manipulerade lösta och responsvariabeln av intresse (t.ex. DOC, DON, DOP). Genom att direkt manipulera näringshalter in situ har vi möjlighet att indirekt ändra DOMpool och undersöka hur DOM koncentrationsförändringar över ett dynamiskt område av näringshalter 10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Identifiera och karakterisera Ideal Experimental Stream Reach

  1. Se till att försöks ström når är tillräckligt lång för att främja fullständig blandning av lösta ämnen 11 och tillräckligt långa där biologiskt upptag kan ske. Räckvidds längder kan variera mellan strömmar och experiment. I små första ordningens headwater strömmar, når längd kan variera från 20 till 150 m (eller längre om systemet kräver det) beroende på urladdning och andra fysikaliska egenskaper hos strömmen.
    1. Uteslut stora pooler från experimentella når, eftersom de fördröja nedströms förflyttning av lösta ämnen, minimala flödes sektioner och biflöden som späda ut tillsatta lösningen. Tider av låg urladdning kan kräva korta räckvidden längd medan högre utsläpp kan kräva en längre räckvidd.
    2. Identifiera en plats i toppen av den experimentella strömmen håll ovanför en riffle att underlätta blandning av de tillsatta lösta ämnen. Detta kommer att vara additionsstället. Vid botten av den experimentella strömmennå, identifiera en plats där flödet är förträngd och representativa för ca 90% av det totala flödet (Figur 1). Detta kommer att vara provinsamlingsstället.

Figur 1
Figur 1:. Exempel på nedströmsprovtagningsplats En idealisk provtagningsställe är där majoriteten av flödet är begränsade och lättillgängligt utan störning av strömmen kanalen och bottenfauna. Här en fallen träbit skräp har skapat denna provtagningspunkt i en liten första ordningens headwater ström. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Erhålla urladdning mätning och bakgrundsnärings koncentrationer av lösta ämnen av intresse före experiment för att beräkna massan av lösta ämnen som behövs för manipulations. Se beräkningarna i steg 2.2.1.
    1. Erhålla data bakgrundskoncentrationen för målsubstansen för manipulation (t.ex. NO 3 -) och klorid (Cl -) som ofta används som konservativa spår. Använda den konservativa spårämnet i samband med dessa försök, för att spåra förändringar i ledningsförmåga, vilka indikerar ankomsten av det näringsämne pulsen vid provtagningsstationen och den takt i vilken pulsen passerar. Ledningsförmåga, eller specifik ledningsförmåga, är ett surrogat för in-situ förändringar i koncentrationen av det konservativa spår.
    2. Karakterisera fysio-kemiska egenskaperna hos den experimentella räckvidd genom att samla in kompletterande uppgifter såsom räckvidd bredd och djup, temperatur, pH och löst syre.
      1. Utföra mätningar som inte kan göras med användning av en miljö sond (t.ex. bredd och djup), dagen före eller omedelbart efter experimentet för att minimera eventuell bottenlevande or kemisk störning i strömmen kanalen. Dela den experimentella räckvidd i ekvidistanta banor (t ex varje 10 m) där kan bedömas bredd och åtminstone 3 djupmätningar (t.ex. rätt bank, Thalweg och vänstra stranden). Dessa data är värdefulla för att ansluta de fysikaliska egenskaperna hos en ström till biogeokemiska mätningar och om forskarna är också intresserade av att beräkna näringsupptag kinetik och parametrar 6.

2. Förberedelse för experiment

  1. Bestämma massan (kg) av löst ämne som krävs för manipulation med användning av de skisseekvationerna nedan.
    Obs: I exemplet nedan gäller en nitratbaserad experiment med NO 3 - i form av natriumnitrat (NaNOs 3) och antar en riktad ökning med 3x över bakgrund (ekvationer baserade på de Kilpatrick och Cobb 12). I det här exemplet följande antaganden har gjorts med resbrös till bakgrundsförhållanden: urladdning = 10 L / sek; [Cl] = 10 mg / L; [NO 3 -] = 50 mikrogram N / L. På grund av variationer mellan experiment, justera nödvändiga indata.
    1. Beräkna Riktad ökning (ekvation 1):
      Riktade [NO 3 - ig N / L] ökning = förväntad bakgrund [NO 3 - ig N / L] * riktad ökning
      150 | j, g N / L = 50 | ig N / L * 3
    2. Beräkna den totala atommassflödet (ekvation 2):
      Totala atommassflöde (NO 3 - ig N) = 30 min * 60 sek * Q (L / sek) * riktade [NO 3 - ig N / L] ökar
      Där 30 minuter är den förmodade varaktighet lösta topp 12 och Q är urladdning
      2 700 000 mikrogram N = 30 min * 60 sek * 10 L / s * 150 mikrogram N / L
    3. Beräkna den totala molekylmassflödet (ekvation 3):
      Totala molekylmassflöde (NO 3 - ig N) = totala atommassflöde (NO 3 - ig N) / atomvikt (14) * molekylär viight (85)
      Där atommassa avser N och molekylvikt hänvisar till Nano 3.
      16,392,857.14 ig N = 2700000 ^ g N / (14 * 85)
    4. Beräkna massan för att lägga till (ekvation 4):
      Massa för att lägga till (g) = totala molekylmassflöde (NO 3 - ig N) / 1.000.000 g / xg
      16,39 g NaNOs 3 = 16,392,857.14 ig N / 1000000 g / xg
      Obs: Följ ovanstående beräkningar för andra lösta ämnen, inklusive den konservativa spår (t.ex. natriumklorid). Se till att justera atom- och molekylmassor för det lösta ämnet av intresse.
  2. Förbered alla lösta ämnen en dag före fältförsök. Väg ut tillräckligt lösta ämnen för att höja den omgivande koncentrationen av både den biologiska spår och konservativa spår tre gånger (eller önskad mängd) över bakgrunden. Det är viktigt att mängden tillsatta lösta ämnen orsakar en mätbar förändring över bakgrundskoncentration som är tillräcklig för att skapa awide dynamiskt omfång i sätts näringskoncentration.
    1. Väg lösta ämnen med hjälp av analytiska skalor och därefter lagra i rena syratvättade hög densitet polyeten flaskor med lämpliga etiketter. Exempel på biologiska spårämnen inkluderar: NEJ 3 -: natriumnitrat (NaNOs 3); NH 4 +: ammoniumklorid (NH4CI); PO 4 -3: kaliumfosfat (K 2 HPO 4). Dock kommer valet av biologiska spår vara en funktion av den biogeokemiska fråga som ställs. Alternativ för konservativa spårämnen innefattar natriumklorid (NaCl) och natriumbromid (NaBr).
  3. Samla återstående material: fält bok, märkning tejp och penna, fält måttband, kylare, konduktivitetsmätare, ~ 20 L hink och stora omrörningsstav (t.ex. öl paddel, armeringsjärn, stor pinne), cirka 50 rena och syratvättade 125 ml hög -density polyeten flaskor. Märk 125 ml flaskor # 1-50.
    Anmärkning: Less än 50 prov kan tas för varje experiment och bakgrundsprov ingår i de 50 totala flaskor.
  4. Valfritt: Beroende på antalet fältpersonal, utföra provfiltrering på plats (se avsnitt # 5). Om detta alternativ väljs, ta 50 rena, pre-märkt och syratvättade 60 ml hög densitet polyeten flaskor i fältet. Märk 60 ml flaskor # 1-50 för att matcha 125 ml uppsamlingsflaskor.

3. Dag Ställande

  1. Distribuera fältet ledningsförmåga mätaren vid uppsamlingsstället. Placera instrumentet uppströms (cirka 0,5-1,0 m) där prover tas så provsamling inte stör instrumentavläsningar. Mätaren kommer att finnas kvar på plats under hela experimentet. Ett fält konduktivitetsmätare är bäst eftersom det ger realtid ledningsförmåga avläsningar, som krävs för att fastställa samplingsfrekvensen (se steg 5,2) och filtrering och analys ordning (steg 5,3 och 6,1).
  2. Samla 125 ml bakgrund samples i tre exemplar vid additionsstället och vid insamlingsställe i den experimentella håll före tillsatsen av lösningen. Dessa data kommer att användas för att verifiera dag av omgivande koncentration och bestämma variationen i koncentrationen av löst ämne längs bäcken räckhåll. Dessa data är också värdefullt att ansluta omgivnings ström kemi: - till biogeokemiska mätningar av intresse (t.ex. Dok nr 3 nyckeltal 13.).
  3. Anteckna tid och ledningsförmågan hos bakgrundsprov insamlade.
  4. Spela in bakgrunden ledningsförmågan för strömmen före tillsats av lösningar.

4. Lägga till Lösta ämnen

  1. Häll alla reagenser (16,39 g NaNOs 3 och 1483 g NaCl) i en stor behållare (t.ex. 20 L skopa) och tillsätt tillräckligt ström vatten för att fullständigt lösa de lösta ämnena. Skölj reagenskärl tre gånger med ytterligare ström vatten och häll skölj in i lösningsbehållaren. Hålla reda på mängden tillsatt vatten.
    1. Till exempel använder en 500 ml flaska att hälla ström vatten in i flaskan. Rör om lösningen tills alla reagenser har lösts fullständigt.
  2. Samla 60 ml alikvot av tillsats lösning. Håll denna starkt koncentrerade prov separat (t.ex. zip-lock påse) från alla andra prover för att minimera korskontaminering. Sådana prover är viktigt om beräkning av näringsupptag kinetik 6 är ett ytterligare mål för forskningsprojektet som dessa prov kan användas för att bestämma den exakta massan av lösta ämnen tillsätts.
  3. Häll lösningen i additionsstället. Gör detta genom att hälla lösningen i en smidig och snabb rörelse för att minimera resa fördröjning och stänk som kan minska mängden av reagens tillsatta. Skölj behållaren och omrörningsstaven tre gånger i strömmen omedelbart efter tillsatsen för att garantera alla reagens har tillsatts till strömmen.
    1. Registrera den tid lösningen sattes: tim: min: sek.
    2. Spela massor av spårämnen har tillsatts(T.ex. nano 3 och NaCl).
    3. Efter det att lösningen har tillsatts, inte stör flödet. Se till att alla längs strömmen uppträder på stranden för att säkerställa att strömmen bentosen och själva lösningen inte störs.

5. Fält Provtagning

  1. Beställa provtagningsflaskor i stigande ordning i väntan på lösning för att komma fram till provtagningsplatsen. Restiden kommer att vara en funktion av urladdning och nå längd och kan bestämmas i förväg (en-dag före) antingen med en NaCl-bara injektion eller rodamin färgämne (som kan användas för att fastställa restid 14).
    Obs: Om man arbetar på en DON-tema projekt, undvika att använda rodaminfärgämne eftersom det är en typ av DON och kommer därför att ändra den omgivande DON poolen om eventuella rester i studien räckhåll.

figur 2
Figur 2:Exempel Schematisk av löst ämne Genombrott Curve (BTC). En BTC representerar förändringar i koncentrationen av löst ämne över tid och kan användas för att förklara transitering och biogeokemiska kretslopp ett spårämne i en bäck. Ta prover ska tas över BTC med en frekvens som ger lika representation både stigande och fallande lemmar BTC. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Provtagning
    Obs: Det övergripande målet för provtagning, är att på lämpligt sätt representera förändringar i koncentrationen av löst ämne längs både stigande och fallande lemmar av genombrottskurvan (BTC) (Figur 2).
    1. Vid ankomsten av lösningen (detekterad via en ökning i konduktivitet), insamlar prov i 125 ml flaskor i hela BTC genom att hålla en 125 ml flaska in i huvudflödet av vatten vid provtagningspunkten. Snabbtly skölja flaskan med strömmande vatten och kasta skölja nedströms och sedan ta prov. Cap prov och plats i svalare.
    2. Registrera den tid (tim: min: sek) och konduktivitet av varje prov längs BTC i ett fält bok (tabell 1).
    3. Samla in prover baserade på tid (t.ex. 1 min intervaller) eller baserat på den hastighet med vilken konduktivitet ändras. Till exempel, om konduktiviteten förändras snabbt, prova varje 30-60 sek tills förändringar i ledningsförmåga långsam, vid vilken tidpunkt prover kan tas varje 5-10 min. För intervall baserade på konduktivitet, ta prover var 15-30 enheter beroende på den hastighet med vilken ledningsförmåga förändras.
    4. Provet tills ledningsförmåga återvänder till bakgrunden eller inom 5 iS / cm av bakgrundsförhållanden. Intervall av provsamling kan justeras under experimentet så länge BTC är väl representerat i ta prover.
flaska # specifik Konduktans Tid Anmärkningar
1 hr: min: sek t.ex. bakgrund (nedströms)
2 t.ex. bakgrund (nedströms)
3
4
5 t.ex. prov på topp konduktans
.
.
.
Högsta Flaska #

tabell 1PFieldbok: Exempel Sida från Lab Bok och Required Information

  1. prov Filtrering
    Notera: Filtrering av prover kan ske antingen på fältet eller vid återkomsten till laboratoriet.
    1. Filterprov från den stigande lem i ordning stigande specifik ledningsförmåga tills toppen i specifik ledningsförmåga. Vänta experimentet att vara över och filterprov från den fallande lem i stigande ordning av specifik ledningsförmåga (dvs. att börja med det sista provet och arbeta baklänges mot topp specifik ledningsförmåga).
      Obs: Denna order av prover minimerar korskontaminering mellan prover och gör det möjligt för samma filter, spruta och filterhållaren kan användas så länge som filtret, sprutan och filterhållaren lämpligt sköljs mellan varje prov (se steg 5.3.2- 5.3.4).
    2. Avlägsna kolven från en 60 ml spruta och stäng sedan avstängnings. Häll ~ 10 ml prov i sprutan och retur kolven spruta. Skaka sprutan så att provetsköljer innerväggar spruta. Bifogat spruta till filterhållaren och öppna avstängnings. Tryck provet genom filterhållaren och kasta skölja.
    3. Ta bort kolven och nära avstängnings. Häll ~ 30 ml prov i sprutan och retur kolven spruta. Öppna lagerkranen och utvisa ~ 10 ml genom filterhållaren och in i 60 ml provtagning flaska. Cap flaskan, snurra med filtratet och kasta. Upprepa detta steg för totalt 3 sköljningar. Detta kommer att säkerställa eventuella orenheter har tagits bort från 60 ml provflaska och att väggarna är belagda med provet.
    4. Ta bort kolven och nära avstängnings. Häll ~ 60 ml prov i sprutan och retur kolven spruta. Driva provet genom filterhållaren och in i 60 ml provflaska. Fyll flaskorna upp till axeln för att förhindra sprickbildning i flaskor när frysta. Cap flaskan och plats i svalare.
    5. Upprepa steg 5.3.2-5.3.4 för alla återstående prover. Byt filter mellan stigande och fallande lem prover för att minimera kontaminering. Transport prover tillbaka till laboratoriet på samma dag och på is.

6. Beredning för analyslaboratoriumet

  1. Om filtrering av prover skall ske i laboratoriet, följa protokoll som beskrivs i avsnitt 5.3.1. Filterprov från både stigande och fallande lemmar BTC för att öka konduktiviteten. Ändra filter mellan stigande lem och fallande lem prover.
  2. Frysa filtrerade prover vid -20 ° C fram till analys.
  3. Se till att analys anläggningar är utrustade för att hantera högkoncentrerade prover.
    Obs! Vissa laboratorier är inte utrustade för att köra högkoncentrerade prover och därmed försiktighet bör vidtas. Införliva beredda standarder som fångar att övre delen av förväntade lösta koncentrationer. Hög standard koncentrations kommer att bidra till en standardkurva som fångar det förväntade intervallet av manipulerade lösta koncentrationer.
  4. analysera provfrån låg till hög ledningsförmåga på alla analysinstrument. Beställning av prover från låg till hög specifik konduktans förhindrar förorening av låga salt / närings prover av höga salt / näringsprover. Detta innebär prover från de stigande och fallande lemmar kommer att blandas med avseende på sekvens.
    1. Analysera prov för total löst organiskt kol, totalt upplöst kväve, nitrat och ammonium, även om den exakta kombinationen av löst ämne analys kommer att vara en funktion av den forskningsfråga (se Wymore et al. 10 till exempel).

7. Data Analysis

  1. Analysera data med hjälp av enkel linjär regression. Den oberoende variabeln är koncentrationen av den tillsatta näringsämnen och den beroende variabeln är DOM-koncentrationen antingen som DOC eller DON. Varje punkt i figuren representerar ett manuellt prov från genombrottskurvan och att provets näringsämne och DOC / DON koncentration.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figur 3
Figur 3:. Exempel Resultat från nitrat (NO 3 -) Tillägg med löst organiskt kväve (DON) som responsvariabeln Analyser är linjära regressioner. Asterisker representerar statistisk signifikans vid α = 0,05. Notera det dynamiska området i NO 3 - koncentration som uppnåddes med det näringsämne pulsmetoden. Olika paneler representerar olika experiment över månader och platser. Språk akronymer hänvisa till de tre experimentella strömmarna 10. Positiva korrelationer tolkas för att reflektera DON roll som näringskälla medan negativa korrelationer tolkas för att reflektera DON roll som energikälla. Experiment som resulterade i någon signifikant samband tolkas som antingen för att återspegla en icke-responsiv DON pool (dvs. mycket recAlcitrant) eller att näringsbaserade processer och energibaserad process är kvittning. Se Wymore et al. 10 för ytterligare diskussion av resultaten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4:. Exempel Resultat från nitrat (NO 3 -) Tillägg med löst organiskt kol (DOC) som responsvariabeln Analyser är linjära regressioner. Asterisker representerar statistisk signifikans vid α = 0,05. Olika paneler representerar olika experiment över månader och platser. Språk akronymer hänvisa till de tre experimentella strömmarna 10. Över de flesta experiment inga väsentliga förändringar i den omgivande DOC poolen observerades. Negativa resultat kan avslöja enbout kopplade biogeokemiska processer. Se Wymore et al. 10 för ytterligare diskussion av resultaten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Genom direkt in situ manipulation av NO 3 -, kunde vi indirekt ändra koncentrationer av DOM poolen ger inblick i de biogeokemiska kontrollerna på omgivande DOM poolen Figur 3 visar resultat från en studie som undersökte interaktionen mellan NO 3 -. Och DON 10. Även om den exakta omfattningen av lösta ökning varierade mellan experiment (på grund av variationer i bakgrunden lösta koncentration) tillräckligt stora gradienter av NO 3 - skapades via näringstillsats strategi. Från denna uppsättning av experiment, över tre vattendelare i New Hampshire, USA, har vi möjlighet att dra slutsatser om den ekologiska roll DON i headwater strömmar. Som ett organiskt näringsämne, kan DON fungera som antingen en energikälla (kol) eller som en kvävekälla. I dessa låga NO 3 - strömmar, tolkade vi ökningen av DON koncentration för att återspegla dess användning som en näringskälla. Genom att förse mikrobiella samhällen med en hög tillgänglighet form av N som NO 3 -, samhället flyttas från DON till denna nyligen tillgänglig form. Detta har tidigare kallat DON frigör hypotes 15. Däremot är de negativa korrelationer vi observerade under dessa nitrat manipulationer tolkas för att reflektera DON användning som energikälla. Denna heterotrofa process har benämnts den passiva koldioxidutsläpp fordon hypotes 1,15. Den mycket varierande svar på DON hela växtsäsongen tyder starkt säsongs hur DON svarar på tillsatta näringsämnen. Dessa data ger en del av denförsta fältbaserade experimentella resultat avseende den ekologiska roll som DON tjänar inom ström ekosystem.

Negativa resultat från dessa ekosystem manipulationer också avslöja avseende kontroller på biogeokemiska processer. Till exempel, Figur 4 visar ingen mätbar respons i omgivnings DOC poolen till tillsatsen av NO 3 -. Detta tyder på att den omgivande pool av DOC är mycket motsträviga (dvs inte bioreaktiva). När närings pulser upprepat över växtsäsongen till exempel, kan vi dra slutsatser och slutsatser om hur och när de olika fraktionerna av DOM poolen används av vattenlevande mikrobiella samhällen. Genom dessa manipulativa ekosystem skaleförsök kunde vi urskilja växelverkan mellan vissa fraktioner av DOM poolen över ett dynamiskt område av det tillsatta närings. Dessa resultat i synnerhet tyder på att N-rika fraktionenoch C-fraktion av DOM poolcykeln oberoende och kan ha sin egen unika uppsättning av ekologiska och biogeokemiska kontroller 16,17. Genom att använda detta näringsämne Dessutom metod har vi kunnat ge manipulativ fältbaserade data som ger starka bevis och stöd till mönster av DON labilitet som bara hade tidigare observerats i laboratorie inkubationer 18,19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Syftet med näringspulsmetoden, som presenteras här, är att karakterisera och kvantifiera svaret från mycket skiftande pool av omgivande ström vatten DOM över ett dynamiskt område av en extra oorganisk näringskälla. Om den tillsatta lösta ökar tillräckligt koncentrationen av den reaktiva lösta, kan en stor trend utrymme skapas för att förstå hur biogeokemiska cirkulationen av DOM är kopplad till näringshalter. Detta näringsämne puls tillvägagångssätt är idealiskt eftersom det innebär ingen av maskiner i samband med platå stil tillsats (t.ex. peristaltisk pump) och inte innebär dyra isotopteknik. Dessa manipulationer är lätt reproducerbara och flera experiment kan utföras under en enda dag. Vi rekommenderar dock att om replikera experiment på samma dag i en enda ström räckvidd, som tillägg skiljs åt av flera timmar för att möjliggöra tillräcklig spolning av rest lösta ämnen.

i these ekosystem manipulationer har vi möjlighet att mäta förändringar i koncentrationen av den omgivande pool av DOM som svar på tillsatsen av näringsämnen. Men det är inte möjligt med denna metod för att kommentera vilken komponent av DOM poolen faktiskt minskat eller ökat bortom förändringar i koncentrationen av DON och DOC. Vi kan inte urskilja om det är en viss form av DON till exempel som företrädesvis konsumeras med tillsats av NO 3 -. Förändringar kan bero på en mycket riklig och tillgängliga former av DON (t.ex. aminosyror) som förändrade tillräckligt för att ändra den totala koncentrationen. Detta kan dock fältbaserad metod lätt paras med hög upplösning analytisk kemi metoder (t.ex. fluorescens spektroskopi, Fourier trans jon cyklotron resonans masspektroskopi) för att bestämma vilka komponenter eller klasser av molekyler direkt svara på den experimentella manipulation.

Förutom DOM chemistry, kan andra biologiska och miljömässiga faktorer påverkar svaret från DOM till det tillagda näringsämne. För att förstå denna multifaktor interaktion andra fältdata kan samlas in för att undersöka andra viktiga variabler. Tidsmässiga förändringar i riktning mot DON svar på nitrat (Figur 3A-3F) kan återspegla autotrofa vs. heterotrofa dominerade processer. Till exempel, det positiva sambandet i figur 3A, kan återspegla aktiviteten av autotrofa organismer. Det är troligt att i maj finns det fortfarande tillräcklig fotosyntetiskt aktiv strålning som når strömmen (före strand canopy förslutning) och den observerade mönstret återspeglar dessa organismer förskjuts från DON till NO 3 - som sin källa av kväve, vilket resulterar i en ökning av DON koncentration. Den negativa relation observerats senare på säsongen (t.ex. figur 3E), representerar sannolikt aktiviteten hos heterotrofa mikroorganismer som gruv DPÅ för dess energiinnehåll. För att testa denna typ av biologiskt baserade hypotes kan framtida forskning införliva samtidiga mätningar av autotrofa stående lager, mikrobiella aktivitetsnivåer eller enzymer koncentrationer, till exempel. Undersöka DOM-nitrat interaktioner över andra miljö gradienter, inklusive löst syre och temperatur, kan bidra till att belysa den roll som andra fysio-kemiska parametrar för att driva den kopplade biogeokemi DOM och nitrat.

Valet av låg NO 3 - strömmar är avgörande för framgången för dessa experiment och behålla förmågan att mäta förändringar i DON poolen. Studier som undersöker samspelet mellan NO 3 - och DON till exempel, bör ske i vattendrag där NO 3 - utgör mindre än 50% av TDN poolen. Precisionen i mäta DON via subtraktion är kraftigt reducerad när NO 3 - bidrar en för stor del av denTDN pool eftersom det finns en multiplikativ feltermen kring DON mätningar som blir resultatet av analysen av TDN, NO 3 - och NH 4 +. Sådana suboptimala förhållanden kan leda till negativa DON koncentrationer. Sålunda denna teknik kan vara begränsad i system som i hög grad är osäkra av NO 3 - såsom flodmynningar.

Även om större strömmar och floder presentera sin egen uppsättning utmaningar, kan denna metod tillämpas på högre ordningens system. Till exempel, Tank et al. 5 utfört en närings puls experiment i 7: e ordningens Upper Snake River i Wyoming att undersöka upptagskinetiken av löst oorganiskt N. Det kan finnas sätt att utföra liknande experiment i antingen sjöar, mark eller grundvatten. Men sådana experiment är svårt på grund av de utmaningar som är förknippade med att exponera ett system för att en gradient av näringskoncentrationer eller innehåller experimentella enheter på ett sätt som miniMize störningar och experimentella artefakter. Detta är en av fördelarna med att använda stream ekosystem för dessa typer av manipulativa experiment. Icke desto mindre, kan utvecklingen av liknande metoder för andra ekosystem, särskilt system har påverkats av överdriven N belastning (t.ex. flodmynningar), har viktiga konsekvenser för hantering när vi börjar att förstå på vilket sätt olika former av N driver övergödning och giftiga algblomningar i kustvatten .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sodium Nitrate Any Any
Sodium Chloride Any Any Store purchased table salt can be used as well, however, it does contain trace levels of impurities
Whatman GFF glass-fiber filters Any Any
BD Filtering Syringe Any Any
EMD Millipore Swinnex Filter Holders Any Any
Syringe stop-cock Any Any
YSI Multi-parameter probe Yellow Springs International 556-01
Wide mouth HDPE 125 ml bottles Any Any
60 ml HDPE bottles Any Any
20 L bucket Any Any
Field measuring tape Any Any
Lab labeling tape Any Any
Stir stick Any Any
Cooler Any Any
Sharpie pen Any Any
Field notebook Any Any
Tweezers Any Any
Zip-lock bags Any Any

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brookshire, E. N. J., Valett, H. M., Thomas, S. A., Webster, J. R. Atmospheric N deposition increases organic N loss from temperate forests. Ecosystems. 10, (2), 252-262 (2007).
  2. Bernhardt, E. S., McDowell, W. H. Twenty years apart: Comparisons of DOM uptake during leaf leachate releases to Hubbard Brook Valley streams in 1979 and 2000. J Geophys Res. 113, G03032 (2008).
  3. Taylor, P. G., Townsend, A. R. Stoichiometric control of organic carbon-nitrate relationships from soils to sea. Nature. 464, 1178-1181 (2010).
  4. Mulholland, P. J., et al. Stream denitrification across biomes and its response to anthropogenic nitrate loading. Nature. 452, 202-205 (2008).
  5. Tank, J. L., Rosi-Marshall, E. J., Baker, M. A., Hall, R. O. Are rivers just big streams? A pulse method to quantify nitrogen demand in a large river. Ecology. 89, (10), 2935-2945 (2008).
  6. Covino, T. P., McGlynn, B. L., McNamara, R. A. Tracer additions for spiraling curve characterization (TASCC): quantifying stream nutrient uptake kinetics from ambient to saturation. Limnol Oceanogr. 8, 484-498 (2010).
  7. Johnson, L. T., et al. Quantifying the production of dissolved organic nitrogen in headwater streams using 15 N tracer additions. Limnol Oceanogr. 58, (4), 1271-1285 (2013).
  8. Rosemond, A. D., et al. Experimental nutrient additions accelerate terrestrial carbon loss from stream ecosystems. Science. 347, (6226), 1142-1145 (2015).
  9. Diemer, L. A., McDowell, W. H., Wymore, A. S., Prokushkin, A. S. Nutrient uptake along a fire gradient in boreal streams of Central Siberia. Freshwater Sci. 34, (4), 1443-1456 (2015).
  10. Wymore, A. S., Rodríguez-Cardona, B., McDowell, W. H. Direct response of dissolved organic nitrogen to nitrate availability in headwater streams. Biogeochemistry. 126, (1), 1-10 (2015).
  11. Stream Solute Workshop. Concepts and methods for assessing solute dynamics in stream ecosystems. J N Am Benthol Soc. 9, (2), 95-119 (1990).
  12. Kilpatrick, F. A., Cobb, E. D. Measurement of discharge using tracers: U.S Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations. http://pubs.usgs.gov/twri/twri3-a16 (1985).
  13. Rodríguez-Cardona, B., Wymore, A. S., McDowell, W. H. DOC: NO3- and NO3- uptake in forested headwater streams. J Geophys Res - Biogeo. 121, (2016).
  14. Kilpatrick, F. A., Wilson, J. F. Book 3 Chapter A9, Measurement of time of travel in streams by dye tracing. Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey. (1989).
  15. Lutz, B. D., Bernhardt, E. S., Roberts, B. J., Mulholland, P. J. Examining the coupling of carbon and nitrogen cycles in Appalachian streams: the role of dissolved organic nitrogen. Ecology. 92, (3), 720-732 (2011).
  16. Michalzik, B., Matzner, E. Dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a Central European Norway spruce ecosystem. Eur J Soil Sci. 50, (4), 579-590 (1990).
  17. Solinger, S., Kalbitz, K., Matzner, E. Controls on the dynamics of dissolved organic carbon and nitrogen in a Central European deciduous forest. Biogeochemistry. 55, (3), 327-349 (2001).
  18. Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Patterns in chemical fractionation of organic nitrogen in Rocky Mountain streams. Ecosystems. 6, (5), 483-492 (2003).
  19. Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Fate and transport of organic nitrogen in minimally disturbed montane streams of Colorado, USA. Biogeochemistry. 74, (3), 303-321 (2005).
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wymore, A. S., Rodríguez-Cardona, B., McDowell, W. H. Understanding Dissolved Organic Matter Biogeochemistry Through In Situ Nutrient Manipulations in Stream Ecosystems. J. Vis. Exp. (116), e54704, doi:10.3791/54704 (2016).More

Wymore, A. S., Rodríguez-Cardona, B., McDowell, W. H. Understanding Dissolved Organic Matter Biogeochemistry Through In Situ Nutrient Manipulations in Stream Ecosystems. J. Vis. Exp. (116), e54704, doi:10.3791/54704 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter