הבנה מומס אורגני Biogeochemistry דרך<em> באתרו</em> מניפולציות מזינות במערכות אקולוגיות זרמו
Summary
חומר אורגני מומס מהווה מקור חשוב של אנרגיה וחומרים מזינים להזרים מערכות אקולוגיות. כאן אנו מדגימים שיטה מבוססת בשטח כדי לתפעל את ברכת הסביבה של חומר אורגני מומס באתרו באמצעות פולסים מזינים לשכפול בקלות.
Abstract
Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. Yet the in situ study of DOM is difficult as the molecular complexity of the DOM pool cannot be easily reproduced for experimental purposes. Nutrient additions to streams however, have been shown to repeatedly alter the in situ and ambient DOM pool. Here we demonstrate an easily replicable field-based method for manipulating the ambient pool of DOM at the ecosystem scale. During nutrient pulse experiments changes in the concentration of both dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen can be examined across a wide-range of nutrient concentrations. This method allows researchers to examine the controls on the DOM pool and make inferences regarding the role and function that certain fractions of the DOM pool play within ecosystems. We advocate the use of this method as a technique to help develop a deeper understanding of DOM biogeochemistry and how it interacts with nutrients. With further development this method may help elucidate the dynamics of DOM in other ecosystems.
Introduction
חומר אורגני מומס (DOM) מהווה מקור אנרגית מזין חשוב מים מתוקים מערכות אקולוגיות מוגדר חומר אורגני שעובר דרך פילטר 0.7 מיקרומטר. בתוך מערכות אקולוגיות מימיות, DOM יכול גם להשפיע הנחתת אור complexation מתכת. DOM הוא תערובת מגוונת והטרוגנית מאוד של תרכובות אורגניות עם קבוצות פונקציונליות שונות, כמו גם חומרים מזינים חיוניים כגון חנקן (N) וזרחן (P). בעוד שהמונח "דום" מתאר את הברכה כולה כולל C שלה, רכיבי N ו- P, ריכוזו נמדד פחמן אורגני מומס (DOC). המורכבות המולקולרית הטבועה של ברכת DOM זאת, יוצרת אתגרי המחקר שלה. לדוגמא, אין דרך ישירה כדי למדוד את החלק היחסי של ברכת DOM הכוללת המורכבת של חומרים מזינים אורגניים כגון חנקן אורגני מומס (דון) וזרחן האורגני המומס (DOP). במקום זאת, הריכוז של חומרים מזינים אורגניים צריך להיקבע על ידי הבדל ( <em> למשל [דון] = [חנקן מומס הכולל] – [חנקן אורגני מומס]).
הוספת תיקון DOM מציאותי זרם קשה בשל המגוון של ברכת DOM הסביבה. מחקרים קודמים הוסיף מקורות פחמן יחיד (גלוקוז למשל, אוריאה 1) או מקור מסוים כגון התשטיפים פסולים עלי 2 לתמרן ריכוזים בתחום. עם זאת, מקורות אלה אינם מייצגים במיוחד על הבריכה DOM הסביבה. מנסה לחדד או להתרכז DOM הסביבה לניסויים הבאים גם מחושל עם קשיים לרבות אובדן חלקים מסויימים (למשל רכיבי יציב מאוד) במהלך עיבוד. כתוצאה מכך, קשה להבין בפקדים בריכת DOM הסביבה כפי שאנו כיום אין בידי שיטה כדי לתפעל את הבריכה DOM הסביבה ישירות. עם זאת, מאז biogeochemistry של DOM קשורה החומרים המזינים נפוץ בסביבה (למשל ניטשיעור [NO 3 -] 3), אנחנו יכולים להוסיף מומסים אחרים כדי להזרים מערכות אקולוגיות למדוד את התגובה של ברכת DOM למניפולציות האלה. על ידי בחינת איך הבריכה DOM מגיב למגוון רחב של ריכוזי מזין שהוטלו באופן ניסיוני אנו מקווים להבין טוב יותר כיצד DOM מגיב לשינויים בתנאי הסביבה.
שיטה אחת נפוצה biogeochemistry זרם היא השיטה בנוסף מזין. ניסויים בנוסף מזין שמשו באופן מסורתי כדי להבין קינטיקה ספיגה או גורלו של 4,5,6,7 המומס הוסיף. תוספות מזון יכולות להיות לטווח קצר על hr 6 עד היום בקנה מידה 4, או מניפולציות לטווח ארוך במשך שנים מרובות 8. תוספות מזון יכולות לכלול גם isotopically שכותרתו מזינה (למשל 15 N-NO 3 -) לאתר מזין שנוסף בעקבות תגובות biogeochemical. עם זאת, מחקרים מבוססים איזוטופ הם לעתים קרובות expensive ודורשים ניתוחים מאתגר (digestions למשל) של תאים benthic רבים שבהם מזינים שכותרתו isotopically עשוי להישמר. ניסויים שנערכו לאחרונה חשפו את השירות של פולסים מזין לטווח קצר על מנת להבהיר בפקדים מומסים שאינם הוסיף הסביבה כמו DOM 9,10, חושף דרך חדשה שבאמצעותו לבחון בזמן אמת בתגובות biogeochemical באתרו. כאן אנו מתארים ולהפגין את הצעדים מתודולוגיים מפתח ניצוח פולסים מזין לטווח קצר במטרה להבין את biogeochemistry המצמיד של C ו- N ובמיוחד בפקדי ברכת DOM המגוונת מאוד. שיטה לשחזור בקלות זה כרוך הוספת דופק מזין כדי להגיע אליו זרם ניסיוני ומדידת שינויים בריכוז הן של מומס המניפולציות משתנות התגובה של עניין (למשל DOC, DON, DOP). על ידי מניפולציה ישירות בריכוזי חומרי הזנה באתרו אנו מסוגלים בעקיפין לשנות את DOMברכה ולבחון כיצד שינויי ריכוז DOM פני טווח דינמי של ריכוזי מזין 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
מטרת שיטת הדופק המזינה, כפי שהוצג כאן, היא לאפיין ולכמת את התגובה של הברכה המגוונת מאוד של DOM מי נחלי הסביבה על פני טווח דינמי של חומר מזין אורגני הוסיף. אם המומס הוסיף מספיק מגביר את הריכוז של המומס תגובתי, מרחב מסקני גדול ניתן ליצור להבין כיצד אופני biogeochemical של DOM קשור ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge the Water Quality Analysis Laboratory at the University of New Hampshire for assistance with sample analysis. The authors also thank two anonymous reviewers whose comments have helped to improve the manuscript. This work is funded by the National Science Foundation (DEB-1556603). Partial funding was also provided by the EPSCoR Ecosystems and Society Project (NSF EPS-1101245), New Hampshire Agricultural Experiment Station (Scientific Contribution #2662, USDA National Institute of Food and Agriculture (McIntire-Stennis) Project (1006760), the University of New Hampshire Graduate School, and the New Hampshire Water Resources Research Center.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- Taylor, P. G., Townsend, A. R. Stoichiometric control of organic carbon-nitrate relationships from soils to sea. Nature. 464, 1178-1181 (2010).
- Mulholland, P. J., et al. Stream denitrification across biomes and its response to anthropogenic nitrate loading. Nature. 452, 202-205 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rosemond, A. D., et al. Experimental nutrient additions accelerate terrestrial carbon loss from stream ecosystems. Science. 347 (6226), 1142-1145 (2015).
- 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).
- 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).
- Stream Solute Workshop. Concepts and methods for assessing solute dynamics in stream ecosystems. J N Am Benthol Soc. 9 (2), 95-119 (1990).
- Kilpatrick, F. A., Cobb, E. D. . Measurement of discharge using tracers: U.S Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations. , (1985).
- Rodríguez-Cardona, B., Wymore, A. S., McDowell, W. H. DOC: NO3- and NO3- uptake in forested headwater streams. J Geophys Res – Biogeo. 121, (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kaushal, S. S., Lewis, W. M. Patterns in chemical fractionation of organic nitrogen in Rocky Mountain streams. Ecosystems. 6 (5), 483-492 (2003).
- 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).
