Waiting
Login processing...

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

Environment

Het begrijpen van opgeloste organische stof Biogeochemie Through doi: 10.3791/54704 Published: October 29, 2016

Summary

Opgeloste organische stof vormt een belangrijke bron van energie en voedingsstoffen naar ecosystemen streamen. Hier laten we zien een veld gebaseerde methode te manipuleren de omgevingstemperatuur pool van opgeloste organische stof in situ door middel van eenvoudig repliceerbaar voedingsstof pulsen.

Introduction

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

Opgeloste organische stof (DOM) vormt een belangrijke energie en voedingsstoffen bron ecosystemen zoetwater en wordt gedefinieerd als organisch materiaal dat door middel van een 0,7 pm filter passeert. Binnen aquatische ecosystemen, kan DOM ook van invloed zijn lichte vermindering en metalen complexatie. DOM is een zeer diverse en heterogene mengsel van organische verbindingen met verscheidene functionele groepen, en essentiële voedingsstoffen zoals stikstof (N) en fosfor (P). Terwijl de term "DOM" beschrijft de gehele pool inbegrip van de C-, N- en P-componenten, wordt de concentratie gemeten als opgeloste organische koolstof (DOC). De inherente moleculaire complexiteit van de DOM zwembad echter, creëert uitdagingen voor haar studie. Zo is er geen directe manier om de fractie van het totale DOM pool bestaat uit organische nutriënten zoals opgeloste organische stikstof (DON) en DOP-(DOP) te meten. In plaats daarvan moet de concentratie organische nutriënten worden bepaald door het verschil (

Het toevoegen van een realistische DOM wijziging van een stroom is moeilijk te wijten aan de diversiteit van de omgevingslucht DOM zwembad. Eerdere studies hebben enkele koolstof bronnen toegevoegd (bijvoorbeeld glucose, ureum 1) of een bepaalde bron zoals bladafval percolaat 2 tot concentraties in het veld te manipuleren. Echter, deze bronnen niet bijzonder representatief voor de omgevingstemperatuur DOM zwembad. Proberen om te verfijnen of concentraat ambient DOM voor de volgende experimenten wordt ook vervaardigd met problemen met inbegrip van het verlies van bepaalde fracties (bijvoorbeeld zeer labiele componenten) tijdens de verwerking. Daardoor is het moeilijk om de controles te begrijpen van de omgevingstemperatuur DOM zwembad als we momenteel geen werkwijze om direct manipuleren van de omgevingstemperatuur DOM pool bezitten. Aangezien de biogeochemie DOM is gekoppeld aan voedingsstoffen aangetroffen in het milieu (bijvoorbeeld nitrate [NO 3 -] 3), kunnen we andere opgeloste stoffen aan ecosystemen te streamen en meten van de reactie van de DOM zwembad om deze manipulaties toe te voegen. Door na te gaan hoe de DOM zwembad reageert op een breed scala van experimenteel opgelegde nutriëntenconcentraties hopen we een beter inzicht in hoe DOM reageert op fluctuerende omgevingsfactoren krijgen.

Een methode vaak gebruikt in stroom biogeochemie is de voedingsstof toevoeging methode. Nutrient aanvulling experimenten oudsher gebruikt opnamekinetiek of het lot van de toegevoegde opgeloste 4,5,6,7 begrijpen. Voedingsstof aanvullingen kunnen tijdelijk op de 6 uur tot dag schaal 4 of langere termijn manipulaties in de loop van meerdere jaren 8. Nutrient toevoegingen kan omvatten ook een isotoop gemerkte voedingsstoffen (bv 15 N-NO 3 -) om toegevoegde voedingsstoffen op te sporen door middel van biogeochemische reacties. Echter, isotoop-gebaseerde studies zijn vaak expensive en vereisen uitdagende analyses (bijv vertering) van de meervoudige benthische compartimenten waar de isotoop-gelabelde voedingsstoffen kan worden behouden. Recente experimenten is het nut van korte pulsen nutriënt geopenbaard aan de controles opheldering van niet-opgeloste stoffen toegevoegd en ambient zoals DOM 9,10, onthullen een nieuwe manier waarop real-time in situ biochemische reacties te onderzoeken. Hier beschrijven we en demonstreren de sleutel methodologische stappen uitvoeren kortdurende pulsen nutriënten met als doel het begrijpen van de gekoppelde biogeochemie van C en N en specifiek de pijlen aan de zeer uiteenlopende DOM pool. Deze gemakkelijk reproduceerbare werkwijze omvat het toevoegen van een voedingsstof puls een experimentele stroom bereik en meten van veranderingen in de concentratie van zowel de gemanipuleerde opgeloste stof en de responsvariabele plaats (bv DOC, DON, DOP). Door direct te manipuleren nutriëntenconcentraties in situ wij in staat om indirect af aan het DOMzwembad en onderzoeken hoe DOM concentratie veranderingen in een dynamisch bereik van nutriëntenconcentraties 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. identificeren en karakteriseren van de Ideal Experimentele Stroom Reach

  1. Zorg ervoor dat de experimentele stroom bereikt lang genoeg zijn om volledige menging van opgeloste stoffen 11 en lang genoeg waar de biologische opname kan optreden te promoten. Reach lengtes kan variëren tussen beken en experimenten. In kleine eerste orde brongebieden stromen, bereiken lengte kan variëren 20-150 m (of langer indien het systeem vereist), afhankelijk van ontslag en andere fysische eigenschappen van de stroom.
    1. Uitsluiten grote zwembaden van experimentele bereikt, aangezien zij de stroomafwaartse beweging van opgeloste stoffen, minimale stroom secties en zijrivieren dat de toegevoegde oplossing te verdunnen vertragen. Tijden van lage afvoer kan vereisen het verkorten van het bereik lengte terwijl hogere afvoer een groter bereik nodig.
    2. Identificeer een locatie bovenin de experimentele stroom bereik boven een geweer om vermenging van de toegevoegde opgeloste stoffen te vergemakkelijken. Dit zal de toevoeging site. Onderaan de experimentele stroombereikt, bepalen een locatie waar stroming wordt vernauwd en representatief voor ongeveer 90% van de totale stroom (figuur 1). Dit zal de monstername site.

Figuur 1
Figuur 1:. Voorbeeld van Downstream Sampling Site Een ideale bemonstering plaats is waar de meerderheid van de stroming is vernauwd en gemakkelijk toegankelijk zijn zonder verstoring van de stroom kanaal en bodemleven. Hier een gevallen stuk hout puin heeft deze bemonstering punt in een kleine eerste orde Headwater stroom aangemaakt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Verkrijgen kwijting meet- en achtergrond nutriëntconcentraties van de opgeloste stoffen van belang voorafgaand aan experimenten om de massa van opgeloste stoffen die nodig zijn voor de berekening manipulations. Zie berekeningen in stap 2.2.1.
    1. Verkrijgen achtergrondconcentratie gegevens voor de beoogde opgeloste stof manipulatie (bijv NO 3 -) en chloride (Cl -) die vaak wordt gebruikt als conservatieve tracer. Gebruik de conservatieve tracer in het kader van deze experimenten, veranderingen in de geleidbaarheid die de komst van de nutriënt puls op het monsternemingsstation en de snelheid waarmee de puls doormaakt geven volgen. Geleidbaarheid, of specifieke geleidbaarheid, een surrogaat voor in-situ veranderingen in de concentratie van de conservatieve tracer.
    2. Kenmerken de fysisch-chemische eigenschappen van de experimentele bereiken door het verzamelen van aanvullende gegevens zoals voorzien breedte en diepte, temperatuur, pH en opgeloste zuurstof.
      1. Voeren metingen die niet mogelijk is met behulp van een milieu probe (bijvoorbeeld breedte en diepte), de dag vóór of onmiddellijk na het experiment om eventuele benthische o minimaliserenr chemische verstoring in de stroom kanaal. Verdeel de experimentele bereik in gelijke afstand transecten (bijvoorbeeld elke 10 m), waar de breedte en ten minste 3 diepte metingen kunnen worden beoordeeld (bijv rechteroever, thalweg en linkeroever). Deze gegevens zijn waardevol voor de fysische eigenschappen van een stroom biogeochemische metingen verbinding en als de onderzoekers waren ook geïnteresseerd in de berekening voedselopname kinetiek en parameters 6.

2. Voorbereiding voor Experiment

  1. Wordt de massa (kg) of opgeloste stof vereist voor het manipuleren met de hieronder beschreven vergelijkingen.
    Opmerking: Het onderstaande voorbeeld geldt voor een op nitraat gebaseerde proef met NO 3 - in de vorm van natriumnitraat (NaNO3), uitgaande van een gerichte verhoging van 3x boven de achtergrond (vergelijkingen zijn gebaseerd op die van Kilpatrick en Cobb 12). In dit voorbeeld zijn de volgende veronderstellingen gemaakt met respect naar achtergrond voorwaarden: ontlading = 10 l / sec; [Cl] = 10 mg / l; [NO 3 -] = 50 ug N / l. Door de variatie tussen de experimenten, aan te passen vereiste invoergegevens.
    1. Bereken de Doelgerichte stijging (vergelijking 1):
      Gerichte [NO 3 - N ug / L] = toename verwacht achtergrond [NO 3 - N ug / L] * gerichte verhoging
      150 mg N / l = 50 mg N / l * 3
    2. Bereken de totale atoommassa flux (Vergelijking 2):
      Totaal atoommassa flux (NO 3 - ug N) = 30 min * 60 sec * Q (L / sec) * gerichte [NO 3 - N ug / L] verhogen
      Waar 30 minuten is de veronderstelde duur van opgeloste piek 12 en Q ontlading
      2 700 000 g N = 30 min 60 sec * * 10 l / s * 150 g N / l
    3. Bereken de totale moleculaire massa flux (Vergelijking 3):
      Totaal moleculaire massa flux (NO 3 - ug N) = totale atoommassa flux (NO 3 - ug N) / atomaire massa (14) * moleculaire weechts (85)
      Wanneer atoommassa betrekking op N en het molecuulgewicht betrekking op NaNO3.
      16,392,857.14 ug N = 2.700.000 ug N / (14 * 85)
    4. Bereken de massa toe te voegen (Vergelijking 4):
      Massa toe te voegen (g) = totale moleculaire massa flux (NO 3 - ug N) / 1.000.000 g / ug
      16.39 g NaNO3 = 16,392,857.14 ug N / 1.000.000 g / ug
      Let op: Volg de bovenstaande berekeningen voor andere opgeloste stoffen met inbegrip van de conservatieve tracer (bv natriumchloride). Zorg ervoor dat de atomaire en moleculaire massa's aan te passen voor de opgeloste stof van belang.
  2. Bereid alle opgeloste stoffen een dag voor veldproeven. Weeg genoeg opgeloste stoffen aan het omgevingslicht concentratie te verhogen van zowel de biologische tracer en de conservatieve tracer drie keer (of gewenste hoeveelheid) boven de achtergrond. Belangrijk is dat de hoeveelheid toegevoegde opgeloste stoffen veroorzaakt een meetbare verandering boven het achtergrondniveau concentratie die voldoende is om aw creërenide dynamisch bereik in nutriëntenconcentratie toegevoegd.
    1. Weeg opgeloste stoffen middels analytische weegschaal en vervolgens opgeslagen in schone-zuur gewassen HDPE flessen met geschikte labels. Voorbeelden van biologische tracers zijn: NO 3 -: natriumnitraat (NaNO3); NH 4 +: ammoniumchloride (NH4Cl); PO 4 -3: kaliumfosfaat (K 2 HPO 4). Toch zal de keuze van de biologische tracer een functie van de biogeochemische vraag wordt gesteld. Opties voor conservatieve tracers omvatten natriumchloride (NaCl) en natriumbromide (NaBr).
  3. Verzamel overige materialen: veld boek, etikettering tape en pen, veld meetlint, koeler, geleidbaarheid meter, ~ 20 L emmer en grote roerstaaf (bv bier paddle, wapening, grote stok), ongeveer 50 schoon en zuur gewassen 125 ml hoog -Dichtheid polyethyleen flessen. Label de 125 ml flesjes # 1-50.
    Opmerking: Less dan 50 monsters per experiment genomen en achtergrond monsters in de 50 totale flessen.
  4. Optioneel: Afhankelijk van het aantal van het veld personeel, uit te voeren steekproef filtering on-site (zie sectie # 5). Als deze optie wordt gekozen, brengen 50 schoon, gelabelde en met zuur gewassen 60 ml HDPE flessen in het veld. Label de 60 ml flesjes # 1-50 van de 125 ml collectie flessen passen.

3. Dag van Set Up

  1. Implementeer het veld geleidbaarheid meter op de verzamelplaats. Plaats het instrument upstream (ongeveer 0,5-1,0 m) waar monsters worden genomen, zodat de monstername niet interfereert met instrument lezingen. De meter zal op zijn plaats gedurende het experiment blijven. Een veld geleidbaarheidsmeter beste omdat het real-time geleidbaarheid metingen die nodig zijn om de bemonsterfrequentie te bepalen (zie stap 5,2) en filtratie en analyse order (stap 5,3 en 6,1).
  2. Verzamel 125 ml achtergrond samples in drievoud bij additieplaats en de verzamelplaats van de experimentele bereik voor het toevoegen van de oplossing. Deze gegevens worden gebruikt om te verifiëren dag omgevings- concentratie en de variatie in concentratie opgeloste stof langs de stroom bereik bepalen. Deze gegevens zijn ook waardevol voor ambient stroom chemie aan te sluiten: - de biogeochemische metingen van belang (bijvoorbeeld DOC NO 3 ratio. 13).
  3. Neem de tijd en de geleidbaarheid van de achtergrond monsters verzameld.
  4. Noteer de achtergrond geleidbaarheid van stroom voor de toevoeging van oplossingen.

4. Opgeloste stoffen toevoegen

  1. Giet alle reagentia (16,39 g NaNO3 en 1483 g NaCl) in een grote container (bv 20 L bak) en voeg genoeg stroom water naar de opgeloste stoffen volledig op te lossen. Spoel reagens schepen driemaal met extra stroom water en giet spoel in oplossing container. Blijf op de hoogte van de hoeveelheid water toegevoegd.
    1. Gebruik bijvoorbeeld een fles van 500 ml met stroom water gieten in de container. Roer oplossing totdat alle reagentia volledig zijn opgelost.
  2. Verzamel 60 ml aliquot van de toevoeging oplossing. Houd dit sterk geconcentreerde monster apart (bv zip-lock zak) van alle andere monsters om kruisbesmetting te minimaliseren. Dergelijke monsters zijn belangrijk als voedingsstof berekening opnamekinetiek 6 is een aanvullend doel van het onderzoek zoals deze monsters kan worden bepaald de exacte massa van opgeloste stoffen toegevoegd.
  3. Giet oplossing in additieplaats. Doe dit door het gieten van de oplossing in een soepele en snelle beweging om te reizen vertraging en spatten dat de hoeveelheid reagentia toegevoegd zou kunnen verminderen minimaliseren. Spoel de houder en de roerstaaf driemaal in de stroom onmiddellijk na de toevoeging te garanderen alle reagentia zijn toegevoegd aan de stroom.
    1. Noteer de tijd dat de oplossing werd toegevoegd: hr: min: sec.
    2. Noteer de massa's van tracers toegevoegd(Bijv NaNO 3 en NaCl).
    3. Nadat de oplossing is toegevoegd, hoeft de stroom niet storen. Of alle reizen langs de stroom gebeurt op banken zodat de stroom bodemleven en de oplossing zelf niet gestoord.

5. Field Sampling

  1. Bestel bemonstering flessen in oplopende volgorde tijdens het wachten voor oplossing voor het bemonsteren locatie te komen. De reistijd zal een functie zijn van ontslag en bereiken de lengte en kan van tevoren worden bepaald (één dag voor) hetzij met een NaCl-only injectie of rhodamine kleurstof (die kan worden gebruikt om de reistijd 14 vast te stellen).
    Opmerking: Als het werken aan een DON-themed project, vermijd het gebruik van rhodamine kleurstof want het is een soort van DON en zal dus veranderen de omgevingstemperatuur DON zwembad eventuele resten in de studie te bereiken.

Figuur 2
Figuur 2:Voorbeeld Schematische opgeloste stof doorbreekcurve (BTC). Een BTC representeert veranderingen in concentratie opgeloste stof in de tijd en kan worden gebruikt om de doorvoer en biochemische cycli van een tracer in een stroom verklaren. Grab monsters moeten worden genomen over de BTC met een frequentie die gelijke vertegenwoordiging van zowel de stijgende en dalende ledematen van de BTC geeft. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. sample Collection
    Opmerking: De overkoepelende doelstelling van monsterverzameling, is aan veranderingen in concentratie opgeloste stof langs zowel de stijgende als dalende benen van de rust in voldoende mate overeenkomen met curve (BTC) (figuur 2).
    1. Bij aankomst van de oplossing (ontdekt via een verhoging van de geleidbaarheid), het verzamelen van monsters in 125 ml flesjes gedurende de BTC door met een fles van 125 ml in de belangrijkste stroming van het water op de winplaats. Snelly spoel de fles met stroom water en gooi spoel downstream en neem dan monster. Cap monster en plaats in de koeler.
    2. Noteer de tijd (uur: min: sec) en de geleidbaarheid van elk monster genomen langs de BTC in een veldboek (tabel 1).
    3. Verzamelen monsters op basis van tijd (bijvoorbeeld 1 min interval) of gebaseerd op de snelheid waarmee geleidbaarheid verandert. Als bijvoorbeeld geleidbaarheid snel verandert, bemonsteren elke 30-60 sec tot veranderingen in de geleidbaarheid langzaam, waarna monsters kunnen worden genomen om 5-10 min. Voor intervallen basis van geleidbaarheid, monsters nemen elke 15-30 eenheden afhankelijk van de snelheid waarmee geleidbaarheid verandert.
    4. Monster tot geleidbaarheid terugkeert naar de achtergrond of binnen 5 mS / cm van de achtergrond voorwaarden. Intervallen van monstername kan tijdens het experiment worden aangepast mits de BTC is goed vertegenwoordigd in de grijper monsters.
fles # specifieke Conductance Tijd Notes
1 hr: min: sec bv achtergrond (downstream)
2 bv achtergrond (downstream)
3
4
5 bv monster bij piek geleiding
.
.
.
Hoogste Bottle #

tabel 1PFieldboek: Voorbeeld Pagina uit Lab Book en de benodigde informatie

  1. sample Filtering
    Opmerking: filteren monsters kunnen zich voordoen in het veld of bij terugkeer naar het laboratorium.
    1. Filter monsters uit de stijgende ledemaat in volgorde van oplopende specifieke geleidbaarheid tot de piek in specifieke geleidbaarheid. Wacht tot het experiment voorbij is en filter monsters uit de dalende ledemaat in oplopende volgorde van de specifieke geleidbaarheid (ie beginnen met het laatste monster en het werk achteruit in de richting van de piek van specifieke geleidbaarheid).
      Opmerking: Deze volgorde monsters minimaliseert kruisbesmetting tussen monsters en zorgt voor dezelfde filter injectiespuit en filterhouder zo lang worden gebruikt als het filter injectiespuit en filterhouder op de juiste wijze gespoeld in elk monster (zie stap 5.3.2- 5.3.4).
    2. Verwijder de zuiger uit een 60 ml spuit en sluit stop-haan. Giet ~ 10 ml van het monster in de spuit en plunjer weer spuit. Schud de spuit zodat monsterspoelt binnenwanden van de spuit. Gehecht spuit te filteren-houder en een open stop-haan. Duw monster door filterhouder en gooi het weg te spoelen.
    3. Verwijder de zuiger en close stop-haan. Giet ~ 30 ml van het monster in de spuit en plunjer weer spuit. Open stock-pik en verdrijven ~ 10 ml door het filter-houder en in 60 ml monsterfles. Dop van de fles, wervelen met filtraat en weggooien. Herhaal deze stap voor een totaal van 3 spoelingen. Dit zal ervoor zorgen dat alle onzuiverheden zijn uit de 60 ml fles verwijderd en dat de muren zijn bedekt met monster.
    4. Verwijder de zuiger en close stop-haan. Giet ~ 60 ml van het monster in de spuit en plunjer weer spuit. Duw het monster door de filterhouder en in de 60 ml fles. Vul flessen tot op de schouder om te voorkomen dat het kraken van de flessen bij het bevroren. Cap fles en plaats in de koeler.
    5. Herhaal stappen 5.3.2-5.3.4 voor alle overige monsters. Verander filter tussen stijgende en dalende ledemaat monsters om besmetting te minimaliseren. Vervoer de monsters terug naar het laboratorium op dezelfde dag op ijs.

6. Voorbereiding voor laboratoriumanalyse

  1. Als filtering van de monsters moet plaatsvinden in het laboratorium, volgen protocol zoals uiteengezet in paragraaf 5.3.1. Filtermonsters van zowel de stijgende en dalende benen van de BTC in volgorde van toenemende geleidbaarheid. Vervang het filter tussen stijgende en dalende ledemaat ledematen samples.
  2. Freeze gefiltreerde monsters bij -20 ° C tot analyse.
  3. Zorg ervoor dat de analytische faciliteiten zijn uitgerust om sterk geconcentreerde monsters hanteren.
    Opmerking: Sommige laboratoria zijn niet uitgerust om sterk geconcentreerde monsters lopen en dus zorg moeten worden genomen. Verwerk bereid normen die vast te leggen dat de hogere einde van de verwachte opgeloste stof concentraties. Hoge concentratie normen zullen helpen om een ​​standaard curve die het verwachte bereik van gemanipuleerde opgeloste concentraties vangt garanderen.
  4. Analyseer monstersvan laag naar hoog geleidingsvermogen alle analytische instrumenten. Bestellen van monsters van laag naar hoog specifieke geleiding voorkomt vervuiling van de monsters met een laag zout / voedingsstoffen door samples hoge zout / voedingsstof. Dit betekent dat monsters van de stijgende en dalende ledematen worden gemengd met betrekking tot sequentie.
    1. Analyseren monsters voor totaal opgeloste organische koolstof, totale opgeloste stikstof, nitraat en ammonium, ofschoon de exacte combinatie van opgeloste analyse afhankelijk van de probleemstelling wordt (zie Wymore et al. 10 bijvoorbeeld).

7. Data Analysis

  1. Analyseer de gegevens met behulp van eenvoudige lineaire regressie. De onafhankelijke variabele is de concentraties van de toegevoegde voedingsstoffen en de afhankelijke variabele is DOM concentratie hetzij als DOC of DON. Elk punt in de figuur stelt een grijper van de doorbreekcurve en voedingsstoffen dat monster en DOC / DON concentratie.

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

figuur 3
Figuur 3:. Voorbeeld Resultaten uit nitraat (NO 3 -) Toevoegingen met opgeloste organische stikstof (DON) als de responsvariabele Analyses zijn lineaire regressies. Sterretjes vertegenwoordigen statistische significantie bij α = 0,05. Opmerking het dynamische bereik in NO 3 - concentratie die werd bereikt met de nutriënt pulsmethode. Verschillende panelen vertegenwoordigen verschillende experimenten over maanden en sites. Site acroniemen verwijzen naar de drie experimentele streams 10. Positieve correlaties worden geïnterpreteerd de rol van Don's als voedingsbron weerspiegelen terwijl negatieve correlaties worden geïnterpreteerd de rol van Don's als energiebron weerspiegelen. Experimenten die resulteerde in geen significante relatie worden geïnterpreteerd als ofwel om na te denken een niet-reagerende DON zwembad (dat wil zeggen zeer recalcitrant), of dat voedingsstoffen gebaseerde processen en energie gebaseerde proces off-setting. Zie Wymore et al. 10 voor bijkomende bespreking van de resultaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4:. Voorbeeld Resultaten uit nitraat (NO 3 -) Toevoegingen met opgeloste organische koolstof (DOC) als de responsvariabele Analyses zijn lineaire regressies. Sterretjes vertegenwoordigen statistische significantie bij α = 0,05. Verschillende panelen vertegenwoordigen verschillende experimenten over maanden en sites. Site acroniemen verwijzen naar de drie experimentele streams 10. Door de meeste experimenten geen significante veranderingen in de omgevingstemperatuur DOC pool waargenomen. Negatieve resultaten onthullen eenbout gekoppeld biogeochemische processen. Zie Wymore et al. 10 voor bijkomende bespreking van de resultaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Door de directe in situ manipulatie van NO 3 -, konden we indirect veranderen concentraties van de DOM pool inzicht in de biogeochemische pijlen aan de omgevingslucht DOM zwembad Figuur 3 toont resultaten van een studie die de interactie tussen NO 3 onderzocht -. En DON 10. Hoewel de exacte omvang van de opgeloste stof toename varieerde over experimenten (als gevolg van de variatie in de achtergrond opgeloste concentratie) voldoende grote hellingen van NO 3 - zijn gemaakt via de voedingsstof toevoeging aanpak. Uit deze reeks experimenten, over drie stroomgebieden in New Hampshire, USA, zijn wij in staat om gevolgtrekkingen te maken over de ecologische rol van DON in brongebieden stromen. Als organisch nutriënt kan dienen als hetzij DON energiebron (koolstof) of als een stikstofbron. In deze lage NO 3 - stromen, we interpreteerden de stijging van de DON concentratie het gebruik ervan als een voedingsbron weerspiegelen. Door het verstrekken van de microbiële gemeenschappen met een hoog beschikbare vorm van N als NO 3 -, de gemeenschap verschoven van DON om dit nieuw beschikbare formulier. Dit is eerder bedoeld als DON afgifte hypothese 15. Daarentegen worden de negatieve samenhangen we waargenomen gedurende deze manipulaties nitraat uitgelegd DON gebruik als energiebron geven. Deze heterotrofe proces is aangeduid als de passieve-carbon voertuig hypothese 1,15. De sterk wisselende reactie van DON gedurende het groeiseizoen suggereert sterke seizoensgebondenheid in hoe DON reageert op toegevoegde voedingsstoffen. Deze gegevens bieden een aantal van deeerste veld op basis experimentele resultaten met betrekking tot de ecologische rol die DON dient binnen stroom ecosystemen.

Negatieve resultaten uit deze manipulaties ecosysteem ook onthullen met betrekking tot controles op biogeochemische processen. Bijvoorbeeld, figuur 4 toont geen meetbare reactie in de omgevingslucht DOC pool de toevoeging van NO 3 -. Dit suggereert dat de omgevingstemperatuur pool van DOC zeer recalcitrant (dwz niet bioreactieve). Als voedingsstof pulsen herhaaldelijk worden uitgevoerd over het groeiseizoen bijvoorbeeld, kunnen we conclusies en de conclusies over hoe en wanneer de verschillende fracties van de DOM pool worden gebruikt door microbiële gemeenschappen. Door middel van deze manipulatieve ecosysteem-schaal experimenten waren we in staat om de interacties tussen bepaalde fracties van de DOM pool onderscheiden tegenover een dynamisch bereik van de toegevoegde voedingsstof. Deze resultaten suggereren dat in het bijzonder de N-fractieen C-rijke fractie van de DOM zwembad cyclus zelfstandig en kunnen hun eigen unieke set van ecologische en biogeochemische controles 16,17 te hebben. Door het gebruik van deze voedingsstof Daarnaast methode zijn we in staat om manipulatieve-veld op basis van gegevens die sterk bewijs en ondersteuning aan patronen van DON labiliteit, dat had alleen eerder in het laboratorium incubaties 18,19 waargenomen biedt bieden geweest.

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

Doel van de nutriënt pulswerkwijze, zoals hier voorgesteld, is het karakteriseren en de reactie van de zeer diverse verzameling van ambient stroomwater DOM over een dynamisch bereik van toegevoegde anorganische nutriënten kwantificeren. Wanneer de toegevoegde opgeloste voldoende verhoogt de concentratie van de reactieve opgeloste stof kan een grote inductieve ruimte gecreëerd om te begrijpen hoe de biochemische cycli DOM is gekoppeld aan nutriëntconcentraties. Deze voedingsstof puls aanpak is ideaal als het gaat om geen van de machine in verband met plateau-stijl toevoeging (bijv peristaltische pomp) en niet duur isotopen technieken te betrekken. Deze manipulaties gemakkelijk reproduceerbaar en meerdere experimenten kan tijdens een enkele dag worden uitgevoerd. We raden echter dat als repliceren experimenten op dezelfde dag in een enkele stroom bereik, dat toevoegingen zijn gescheiden door verscheidene uren om voldoende spoelen resterende opgeloste stoffen.

in these ecosysteem manipulaties kunnen we veranderingen in de concentratie van de omgevingslucht pool van DOM in reactie op de toevoeging van voedingsstoffen te meten. Echter, deze benadering is het niet mogelijk die op welke component van de DOM pool daadwerkelijk verlaagd of verhoogd dan veranderingen in de concentratie van DON en DOC. We kunnen niet onderscheiden of het een zekere vorm van DON bijvoorbeeld, die bij voorkeur opgenomen met toevoeging van NO 3 -. Veranderingen kunnen het gevolg zijn van een zeer overvloedige en beschikbare vormen van DON (bijvoorbeeld aminozuren) die voldoende waren gewijzigd volgens de algemene concentratie te veranderen. Dit kan echter field-based benadering gemakkelijk worden gecombineerd met een hoge resolutie analytische chemie methoden (bv fluorescentiespectroscopie, Fourier transform ion cyclotron resonantie spectroscopie) om te bepalen welke componenten of klassen van moleculen direct reageren op de experimentele manipulatie.

Naast DOM cheMistry, kunnen andere biologische en omgevingsfactoren de respons van DOM de toegevoegde voedingsstoffen beïnvloeden. Om dit multifactor interactie ander gebied gegevens kunnen worden verzameld met andere belangrijke variabelen te onderzoeken begrijpen. Voor veranderingen in de richting van de DON reactie op nitraat (Figuur 3A-3F) kan tijdens autotrofe vs. heterotrofe gedomineerd processen. Bijvoorbeeld, de positieve relatie in figuur 3A, kan de activiteit van autotrofe organismen weerspiegelen. Het is waarschijnlijk dat in mei wordt steeds voldoende fotosynthetisch actieve straling bereiken van de stroom (vóór oever kroonsluiting) en het waargenomen patroon weerspiegelt deze organismen verschuift van DON NO 3 - als bron van stikstof, waardoor een toename van DON concentratie. De negatieve relatie later waargenomen in het seizoen (bijv figuur 3E), waarschijnlijk staat voor de activiteit van heterotrofe micro-organismen die de mijnbouw DON voor de energie-inhoud. Om dit soort biologisch-gebaseerde hypothese te testen, zou toekomstig onderzoek gelijktijdige metingen van autotrofe staande voorraad, microbiële activiteit of enzymen concentraties, bijvoorbeeld op te nemen. Het onderzoeken van DOM-nitraat interacties over andere milieu-hellingen, met inbegrip van opgeloste zuurstof en temperatuur, kan helpen om de rol van andere fysisch-chemische parameters toe te lichten in het besturen van de gekoppelde biogeochemie van DOM en nitraat.

De selectie van laag NO 3 - stromen is essentieel voor het succes van deze experimenten en de mogelijkheid om wijzigingen in de DON zwembad meten behouden. Studies naar de interactie tussen NO 3 - en DON bijvoorbeeld optreedt in stromen waarbij NO 3 - maakt minder dan 50% van de TDN pool. De precisie meten DON via aftrekking wordt sterk verminderd wanneer NO 3 - draagt een te groot deel van deTDN zwembad aangezien er een multiplicatieve foutterm omringende DON metingen als gevolg van de analyse van TDN, NO 3 - en NH4 +. Dergelijke sub-optimale omstandigheden kan resulteren in negatieve DON concentraties. Zoals estuaria - dus deze techniek kan in systemen die sterk verzwakt is door NO 3 beperkt.

Hoewel grotere beken en rivieren hun eigen uitdagingen te presenteren, kan deze methode van toepassing is op een hogere orde systemen. Bijvoorbeeld, Tank et al. 5 voerde een voedingsstof puls experiment in de 7 e -order Upper Snake River in Wyoming om de opname kinetiek van opgeloste anorganische N. onderzoeken Er kunnen manieren om soortgelijke experimenten uit te voeren in beide meren, de bodem of het grondwater. Dergelijke experimenten moeilijk vanwege de uitdagingen in verband met een systeem blootgesteld aan een gradiënt van nutriënt concentraties of met experimentele eenheden op manieren die miniMize verstoring en experimentele artefacten. Dit is een van de voordelen van stroom ecosystemen dit soort manipulatieve experimenten. Toch kan de ontwikkeling van soortgelijke methoden voor andere ecosystemen, in het bijzonder systemen aangetast door overmatig N belasting (bijv estuaria), belangrijke implicaties management als we beginnen aan de manier waarop verschillende vormen van N rijden eutrofiëring en giftige algenbloei in de kustwateren te begrijpen .

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).
Het begrijpen van opgeloste organische stof Biogeochemie Through<em&gt; In Situ</em&gt; Nutrient manipulaties in Stroom Ecosystems
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