Waiting
Login processing...

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

Environment

Organische Substanzen Biogeochemie Gelöster Verständnis durch doi: 10.3791/54704 Published: October 29, 2016

Summary

Gelöste organische Materie stellt eine wichtige Quelle von Energie und Nährstoffen Ökosysteme zu streamen. Hier zeigen wir eine feldbasierte Methode , um die Umgebungs Pool von gelösten organischen Stoffen in situ durch leicht replizierbar Nährstoffimpulse zu manipulieren.

Introduction

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

Gelöste organische Stoffe (DOM) ist eine wichtige Energie- und Nährstoffquelle Ökosysteme Süßwasser und ist als organische Substanz definiert, die ein 0,7-um-Filter durchläuft. Innerhalb von aquatischen Ökosystemen kann DOM auch Lichtdämpfung und Metallkomplexbildung beeinflussen. DOM ist ein sehr vielfältig und heterogene Mischung von organischen Verbindungen mit verschiedenen funktionellen Gruppen, sowie essentielle Nährstoffe wie Stickstoff (N) und Phosphor (P). Während der Begriff "DOM" beschreibt den gesamten Pool einschließlich ihrer C, N und P-Komponenten, wird seine Konzentration gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) gemessen. Die inhärente molekulare Komplexität des DOM-Pool jedoch schafft Herausforderungen zu seiner Studie. Beispielsweise gibt es keinen direkten Weg, um den Bruchteil der gesamten DOM Pool von organischen Nährstoffen wie gelösten organischen Stickstoff (DON) und des gelösten organischen Phosphor (DOP) umfaßte zu messen. Stattdessen muss die Konzentration an organischen Nährstoffen durch Differenz bestimmt werden (

eine realistische DOM Änderung in einen Stream hinzuzufügen ist aufgrund der Vielfalt der Umgebungs DOM Pool schwierig. Frühere Studien haben einzelne Kohlenstoffquellen hinzugefügt (zB Glucose, Harnstoff 1) oder eine bestimmte Quelle wie Blattsänfte Sickerwasser 2 bis Konzentrationen im Bereich manipulieren. Jedoch sind diese Quellen nicht besonders repräsentativ für die Umgebungs DOM-Pool. Der Versuch , zu verfeinern oder Umgebungs DOM für nachfolgende Experimente konzentrieren auch mit Schwierigkeiten , einschließlich der Verlust bestimmter Fraktionen (zB hochlabile Komponenten) während der Verarbeitung eingewirkt ist. Als Ergebnis ist es schwierig, die Bedienelemente auf der Umgebungs DOM Pool zu verstehen, wie wir derzeit keine Methode besitzen, um direkt die Umgebungs DOM Pool manipulieren. Da jedoch die Biogeochemie von DOM ist mit Nährstoffen üblicherweise in der Umwelt (z nitrate [NO 3 -] 3), können wir andere gelöste Stoffe hinzufügen Ökosysteme zu streamen und die Reaktion des DOM - Pool zu diesen Manipulationen zu messen. Durch die Untersuchung, wie die DOM Pool reagiert auf eine breite Palette von experimentell verhängten Nährstoffkonzentrationen wir hoffen, einen besseren Einblick in zu gewinnen, wie DOM reagiert Umweltbedingungen fluktuiert.

Ein Verfahren, das üblicherweise in Strom Biogeochemie verwendet wird, ist der Nährstoffzugabe Methode. Nährstoffzugabe Experimente haben traditionell verwendet worden , Aufnahmekinetik oder das Schicksal des zusätzlichen gelösten Stoff 4,5,6,7 zu verstehen. Nährstoff Additionen können kurzfristige auf dem hr 6 bis Tag Skala 4 oder längerfristigen Manipulationen im Laufe mehrerer Jahre 8 sein. Nährstoff Additionen kann auch das isotopisch markierte Nährstoffe ( zum Beispiel 15 N-NO 3 -) durch biogeochemischen Reaktionen hinzugefügt Nährstoff zu verfolgen. Allerdings isotopenbasierten Studien sind oft Expensive und erfordern anspruchsvolle Analysen (zB Verdaus) der mehreren Kammern benthic wo isotopisch markierte Nährstoffe zurückgehalten werden kann. Kürzliche Versuche haben den Nutzen der kurzfristigen Nährstoffimpulse ergeben , die Steuerelemente auf nicht hinzugefügt und Umgebungs Solute wie DOM 9,10, offenbart einen neuen Weg zu erläutern , durch die Echtzeit - in - situ - biogeochemischen Reaktionen zu untersuchen. Hier beschreiben wir und zeigen die wichtigsten methodischen Schritte zur Durchführung von kurzfristigen Nährstoff Impulse mit dem Ziel, das Verständnis der gekoppelten biogeochemischen von C und N und insbesondere die Kontrollen auf der sehr unterschiedlichen DOM-Pool. Dies leicht reproduzierbares Verfahren beinhaltet die Zugabe eines Nährstoffs Impuls zu einem experimentellen Strom erreichen und Veränderungen in der Konzentration von sowohl der Stell gelöstem Stoff und der Antwortvariablen von Interesse (zB DOC, DON, DOP) zu messen. Durch die direkte Nährstoffkonzentrationen in situ Manipulation wir sind in der Lage , um indirekt die DOM verändernPool und untersuchen , wie DOM Konzentrationsänderungen über einen Dynamikbereich von Nährstoffkonzentrationen 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. Identifizierung und Charakterisierung der Ideal Experimental Bachabschnitt

  1. Stellen Sie sicher , dass die experimentellen Strom erreicht lang genug sind , um eine vollständige Durchmischung von gelösten Stoffen 11 und lange genug , um zu fördern , in denen biologische Aufnahme auftreten können. Reach-Längen können unter Bächen und Experimenten variieren. In kleinen Quellflüsse erster Ordnung, erreichen Länge von 20 bis 150 m variieren kann (oder länger, wenn das System es erfordert), je nach Entladung und anderen physikalischen Eigenschaften des Stroms.
    1. Ausschließen große Pools von experimentellen erreicht, da sie die Downstream-Bewegung von gelösten Stoffen, minimale Strömungsabschnitte zu verzögern, und Zuflüsse, die die zugegebene Lösung verdünnen. Zeiten geringer Entladung kann es erforderlich, die Reichweite Länge zu verkürzen, während höhere Entladung kann eine längere Reichweite erfordern.
    2. Identifizieren Sie eine Stelle, an der Spitze des experimentellen Flussabschnitt oberhalb einer Riffel Mischen der zusätzlichen gelösten Stoffe zu erleichtern. Dies wird der Additionsstelle sein. An der Unterseite des Versuchsstromerreichen, zu identifizieren ist ein Ort , an dem Fluss verengt und Vertreter von etwa 90% des Gesamtstroms (Abbildung 1). Dies wird die Probe Sammelstelle sein.

Abbildung 1
Abb . 1: Beispiel für Downstream Sampling - Site Eine ideale Probenahmestelle ist , wo die Mehrheit der Strömung eingeengt ist und leicht zugänglich , ohne Störung des Strömungskanal und Benthos. Hier ein gefallener Stück Holz Trümmer dieses Probenahmestelle in einem kleinen erster Ordnung Quellgebiet Stream erstellt hat. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

  1. Erhalten Entladungsmessung und Hintergrund Nährstoffkonzentrationen der gelösten Stoffe von Interesse vor den Experimenten, um die Masse der gelösten Stoffe für die manip benötigt berechnenulations. Bitte beachten Sie Berechnungen in Schritt 2.2.1.
    1. Erhalten Sie Hintergrundkonzentration Daten für das Ziel gelösten Stoffes von Manipulation (zB NO 3 -) und Chlorid (Cl -) , die oft als die konservative Tracer verwendet wird. Verwenden, um die konservative Tracers im Rahmen dieser Experimente Leitfähigkeitsänderungen zu verfolgen, die die Ankunft des Nährstoffs Impulses an der Entnahmestation und die Rate angeben, in welchem ​​der Impuls durchlaufen. Leitfähigkeit oder spezifische Leitfähigkeit, ist ein Ersatz für die in-situ Konzentrationsänderungen des konservativen Tracers.
    2. Charakterisieren Sie die physio-chemischen Eigenschaften der experimentellen Reichweite von Zusatzdaten zu sammeln, wie Reichweite Breite und Tiefe, Temperatur, pH und gelösten Sauerstoff.
      1. Messungen durchzuführen , die jede benthic o minimieren kann nicht mit der Verwendung einer Umgebungssonde (beispielsweise Breite und Tiefe), am Tag vor oder unmittelbar nach dem Versuch gemacht werden , umr chemische Störung im Strömungskanal. Teilen Sie die experimentelle Reichweite in gleichem Abstand transects (zB alle 10 m) , wo Breite und mindestens 3 Tiefenmessungen bewertet werden können (zB rechten Ufer, Talweg und linkes Ufer). Diese Daten sind wertvoll , die physikalischen Eigenschaften eines Stroms zu biogeochemische Messungen zu verbinden und wenn die Forscher interessieren sich auch für die Berechnung der Nährstoffaufnahme Kinetik und Parameter 6.

2. Vorbereitung für Experiment

  1. Bestimmen Sie die Masse (kg) des gelösten Stoffes für die Manipulation erforderlich unter den skizzierten Gleichungen.
    Hinweis: Das Beispiel gilt nachfolgend auf einen Nitratbasis Experiment mit NO 3 - in Form von Natriumnitrat (NaNO 3) und nimmt eine gezielte Erhöhung der 3x über dem Hintergrund (Gleichungen basieren auf denen von Kilpatrick und Cobb 12). In diesem Beispiel wurden die folgenden Annahmen wurden mit res gemachtpekt zu Hintergrundbedingungen: Entladung = 10 l / sec; [Cl] = 10 mg / L; [NO 3 -] = 50 & mgr; g N / l. Durch Variation unter den Experimenten einzustellen erforderlichen Eingangsdaten.
    1. Berechnen Sie die gezielte Erhöhung (Gleichung 1):
      Gezielte [NO 3 - ug N / L] Anstieg = erwartete Hintergrund [NO 3 - ug N / L] * gezielte Steigerung
      150 ug N / L = 50 & mgr; g N / L * 3
    2. Berechnen Sie die gesamte Atommassenfluss (Gleichung 2):
      Insgesamt atomaren Massenstrom (NO 3 - ug N) = 30 min * 60 sec * Q (L / s) * gezielte [NO 3 - ug N / L] Erhöhung
      Wo 30 Minuten die angenommene Dauer des gelösten Stoffes Spitze 12 und Q Entladung
      2 700 000 ug N = 30 min * 60 sec * 10 l / s * 150 ug N / L
    3. Berechne den Gesamtmolekularmassenfluss (Gleichung 3):
      Gesamtmolekularmassenstrom (NO 3 - ug N) = Gesamtatommassenstrom (NO 3 - ug N) / Atommasse (14) * Molekular wiright (85)
      Wo Atommasse bezieht sich auf N und Molekulargewicht bezieht sich auf NaNO 3.
      16,392,857.14 ug N = 2700000 & mgr; g N / (14 * 85)
    4. Berechnen Sie die Masse zu addieren (Gleichung 4):
      Gewicht (g) = Gesamtmolekularmassenfluss hinzufügen (NO 3 - ug N) / 1.000.000 g / ug
      16,39 g NaNO 3 = 16,392,857.14 ug N / 1.000.000 g / ug
      Hinweis: Folgen Sie den obigen Berechnungen für andere gelöste Stoffe , einschließlich der konservativen Tracer (zB Natriumchlorid). Stellen Sie sicher, die atomaren und molekularen Massen für den gelösten Stoff von Interesse anzupassen.
  2. Bereiten Sie alle gelösten Stoffe einen Tag vor der Feldversuche. Abwiegen genug Solute die Umgebungskonzentration sowohl der biologischen Indikator und der konservativen Tracer dreimal (oder gewünschte Menge) über dem Hintergrund zu erhöhen. Es ist wichtig, dass die Menge des zugegebenen gelösten Stoffe über dem Hintergrundkonzentration eine meßbare Veränderung verursacht, die ausreichend ist aw zu erstellenide Dynamikbereich in der Nachspielnährstoffkonzentration.
    1. Wiegen Solute mit analytischen Waage und Speicherung anschließend in Reinsäuregewaschenen hochdichten Polyethylenflaschen mit entsprechenden Etiketten. Beispiele für biologische Indikatoren umfassen: NO 3 -: Natriumnitrat (NaNO 3); NH 4 +: Ammoniumchlorid (NH 4 Cl); PO 4 -3: Kaliumphosphat (K 2 HPO 4). Allerdings wird die Wahl der biologischen Indikator eine Funktion der biogeochemischen Frage gestellt zu werden. Optionen für konservative Tracer umfassen Natriumchlorid (NaCl) und Natriumbromid (NaBr).
  3. Sammeln restlichen Materialien: Feldbuch, Etikettenband und Stift, Feld Maßband, Kühler, Leitfähigkeitsmessgerät, ~ 20 L Eimer und große Rührstab (zB Bier Paddel, Betonstahl, große Stick), ca. 50 sauber und säuregewaschen 125 ml Hoch -Dichte PET-Flaschen. Beschriften Sie die 125-ml-Flaschen # 1-50.
    Anmerkung: Less als 50 Proben können in den insgesamt 50 Flaschen pro Versuch und Hintergrund Proben enthalten genommen werden.
  4. Optional: Je nach der Anzahl der Außendienstmitarbeiter, Probe-Filterung vor Ort durchführen (siehe Abschnitt # 5). Wenn diese Option gewählt wird, bringen 50 sauber, voretikettierten und säuregewaschen 60 ml Polyethylen hoher Dichte Flaschen in das Feld. Beschriften Sie die 60-ml-Flaschen # 1-50 entsprechen die 125-ml-Collection-Flaschen.

3. Tag der Set Up

  1. Stellen Sie das Feld Leitfähigkeitsmessgerät an der Sammelstelle. Stellen Sie das Gerät stromaufwärts (ca. 0,5 bis 1,0 m) von wo Proben werden so Probenentnahme entnommen werden nicht mit Instrumentenanzeigen stören. Das Messgerät wird während des gesamten Versuchs an Ort und Stelle bleiben. Ein Feld Leitfähigkeitsmessgerät ist am besten, wie es in Echtzeit Leitfähigkeitswerte liefert, die erforderlich sind, um die Abtastrate zu bestimmen (siehe Schritt 5.2) und Filtration und Analyse, um (Schritte 5.3 und 6.1).
  2. Sammeln Sie 125 ml Hintergrund samples in dreifacher Ausfertigung an der Additionsstelle und am Sammelort des experimentellen Reichweite vor der Zugabe der Lösung. Diese Daten werden verwendet, Tag der Umgebungskonzentration zu überprüfen und entlang des Stroms zu erreichen Variation in Konzentration an gelösten Stoffen zu bestimmen. Diese Daten sind auch wertvolle Umgebungsstrom Chemie zu verbinden: - zu den biogeochemischen Messungen von Interesse (zB DOC NO 3 Verhältnisse . 13).
  3. Notieren Sie sich die Zeit und die Leitfähigkeit von Hintergrundproben gesammelt.
  4. Notieren Sie sich die Hintergrundleitfähigkeit von Strom vor der Zugabe von Lösungen.

4. Hinzufügen Gelöste Stoffe

  1. Gießen Sie alle Reagenzien (16,39 g NaNO 3 und 1.483 g NaCl) in einen großen Behälter (zB 20 L Eimer) und Wasser hinzufügen , genug Strom , um vollständig die gelösten Stoffe aufzulösen. Spülreagens Gefäße dreimal mit zusätzlichem Strom Wasser und spülen Sie gießen in Lösungsbehälter. Verfolgen Menge Wasser zugesetzt.
    1. Verwenden Sie zum Beispiel einen 500-ml-Flasche Strom Wasser in den Behälter zu gießen. Stir-Lösung, bis alle Reagenzien vollständig gelöst wurden.
  2. Sammle 60 ml Aliquot der Additionslösung. Bewahren Sie diese hochkonzentrierte Probe getrennt (zB Zip-Lock - Beutel) von allen anderen Proben eine Kreuzkontamination zu minimieren. Solche Proben sind wichtig , wenn die Berechnung der Nährstoffaufnahme Kinetik 6 ein weiteres Ziel des Forschungsprojektes ist es, da diese Proben verwendet werden können , die genaue Masse der gelösten Stoffe zu bestimmen , hinzugefügt.
  3. Gießen Lösung in -Additionsstelle. Tun Sie dies, indem man die Lösung in einer reibungslosen und schnellen Bewegung Gießen Reisezeitverzögerung und Spritzwasser zu minimieren, die die Menge an Reagenzien hinzugefügt reduzieren könnte. Spülen der Behälter und der Rührstab dreimal im Strom unmittelbar nach der Zugabe alle Reagenzien zu gewährleisten haben in den Stream hinzugefügt.
    1. Notieren Sie sich die Zeit, die Lösung wurde hinzugefügt: hr: min: sek.
    2. Notieren Sie sich die Massen von Tracern hinzugefügt(ZB NaNO 3 und NaCl).
    3. Nachdem die Lösung hinzugefügt wurde, nicht stören den Strom. Stellen Sie sicher, dass alle Reise entlang des Stroms am Ufer tritt, um sicherzustellen, dass der Strom Benthos und die Lösung selbst nicht gestört werden.

5. Feld Sampling

  1. Auftrag Auftrag Probenflaschen in aufsteigend, während für Lösung wartet an der Messstelle zu gelangen. Reisezeit ist eine Funktion der Entlastung und der Länge erreichen und kann vor der Zeit bestimmt werden (ein Tag vor) entweder mit einer NaCl-only - Injektion oder Rhodamin - Farbstoff (die verwendet werden können , um Fahrzeit 14 herzustellen).
    Hinweis: Wenn auf einem DON-Themen-Projekt arbeiten, vermeiden Rhodamin-Farbstoff verwendet, da es eine Art von DON ist und wird daher die Umgebungs DON Pool, wenn alle Reste in der Studie zu erreichen ändern.

Figur 2
Figur 2:Beispiel Schematische Darstellung der Solute Durchbruch Curve (BTC). Eine BTC stellt Änderungen in Konzentration gelöster Stoffe im Laufe der Zeit und kann dazu verwendet werden , um den Transit und biogeochemischen Kreisläufe eines Tracers in einem Strom zu erklären. Schürfproben sollten mit einer Frequenz über die BTC genommen werden, die gleich Darstellung gibt sowohl in der auf- und absteigenden Schenkel der BTC. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

  1. Beispielsammlung
    Hinweis: Das übergeordnete Ziel der Probensammlung, ausreichend Veränderungen in Konzentration an gelösten Stoffen zu repräsentieren sowohl entlang der steigenden und fallenden Glieder der Durchbruchkurve (BTC) (Abbildung 2).
    1. Bei der Ankunft der Lösung (über eine Erhöhung in der Leitfähigkeit detektiert), Proben werden in 125 ml-Flaschen im gesamten BTC durch eine 125 ml-Flasche in die Hauptströmung des Wassers an der Entnahmestelle halten. Schnellly die Flasche mit Strom Wasser abspülen und nachgelagerte spülen verwerfen und dann Probe nehmen. Cap Probe und Platz in den Kühler.
    2. Notieren Sie sich die Zeit (h: min: sec) und Leitfähigkeit jedes entlang der BTC in ein Feldbuch (Tabelle 1) entnommenen Probe.
    3. Die Proben werden basierend auf Zeit (zB 1 min - Takt) oder auf der Basis der Geschwindigkeit , mit der Leitfähigkeit ändert. Zum Beispiel, wenn Leitfähigkeit schnell, kosten alle 30-60 sec, bis Änderungen in der Leitfähigkeit langsam, zu welcher Zeit Proben entnommen werden alle 5-10 min kann verändert. Für Intervalle auf Leitfähigkeit basiert, nehmen Proben alle 15-30 Einheiten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der Leitfähigkeit ändert.
    4. Probe bis Leitfähigkeit kehrt zum Hintergrund oder innerhalb von 5 & mgr; S / cm von Hintergrundbedingungen. Die Intervalle der Probenentnahme kann während des Experimentes so lange eingestellt werden, wie die BTC gut in den Schürfproben dargestellt.
Flasche # spezifische Leitwert Zeit Notizen
1 hr: min: sec zB Hintergrund (Downstream)
2 zB Hintergrund (Downstream)
3
4
5 zB Probe bei Spitzen Leitfähigkeit
.
.
.
Höchste Flasche #

Tabelle 1PFieldBuch: Beispiel Page von Lab Buch und erforderliche Informationen

  1. Beispiel Filtering
    Anmerkung: Filterung von Proben entweder im Feld auftreten können oder bei der an das Labor zurückkehrt.
    1. Filterproben aus dem ansteigenden Glied, um in spezifischen Leitfähigkeit, bis die Spitze spezifische Leitfähigkeit von aufsteigend. Warten Sie auf das Experiment über und Filterproben aus dem Fall Glied in ansteigender Reihenfolge der spezifischen Leitfähigkeit zu sein (dh mit der letzten Probe zu beginnen und nach hinten in Richtung Spitze spezifische Leitfähigkeit).
      Anmerkung: Diese Reihenfolge der Proben minimiert Kreuzkontamination zwischen Proben und ermöglicht die gleichen Filter, Spritze, und Filterhalter zu werden, solange das Filter, Spritze und Filterhalter verwendet werden, Schritte in geeigneter Weise gespült zwischen jeder Probe (siehe 5.3.2- 5.3.4).
    2. Entfernen Kolben aus einer 60-ml-Spritze und schließen Sie dann Stop-Hahn. Gießen ~ 10 ml der Probe in die Spritze und das Rück Kolben Spritze. Schütteln Sie Spritze, so dass die ProbeSpülungen Innenwände der Spritze. Befestigt Spritze Filterhalter und offen Absperrhahn. Push-Probe durch Filterhalter und entsorgen spülen.
    3. Entfernen Sie Kolben und engen Stop-Hahn. Gießen ~ 30 ml der Probe in die Spritze und das Rück Kolben Spritze. Offene Aktien Hahn und vertreiben ~ 10 ml durch Filterhalter und in 60 ml Probenflasche. Verschließen Sie die Flasche, wirbeln mit Filtrat und entsorgen. Wiederholen Sie diesen Schritt für insgesamt 3 Spülgänge. Dadurch wird sichergestellt, irgendwelche Verunreinigungen aus dem 60 ml-Probenflasche entfernt worden sind, und dass die Wände sind mit Probe beschichtet.
    4. Entfernen Sie Kolben und engen Stop-Hahn. Gießen ~ 60 ml der Probe in die Spritze und das Rück Kolben Spritze. Schieben Sie die Probe durch den Filterhalter und in die 60 ml Probenflasche. Füllen Sie die Flaschen auf die Schulter zu verhindern Flaschen einzureißen, wenn sie gefroren. Cap-Flasche und Platz in den Kühler.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 5.3.2-5.3.4 für alle übrigen Proben. Filter ändern zwischen steigenden und fallenden Gliedmaßen Proben eine Kontamination zu minimieren. Transport Proben zurück ins Labor am selben Tag und auf dem Eis.

6. Vorbereitung für die Laboranalyse

  1. Wenn Filterung von Proben im Labor stattfinden soll, folgen Protokoll, wie in Abschnitt 5.3.1 beschrieben. Filterproben sowohl von der auf- und absteigenden Schenkel der BTC, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Ändern Sie den Filter zwischen steigenden und fallenden Glied Glied Proben.
  2. Gefriert filtrierten Proben bei -20 ° C bis zur Analyse.
  3. Stellen Sie sicher, dass analytische Einrichtungen sind hochkonzentrierte Proben zu handhaben ausgestattet.
    Hinweis: Einige Labors sind nicht ausgerüstet hoch konzentrierten Proben zu laufen und so sollte darauf geachtet werden. Integrieren Sie bereit Standards, die Erfassung, dass eine höhere Ende der erwarteten Konzentrationen an gelösten Stoffen. Hohe Konzentration Standards wird dazu beitragen, eine Standardkurve zu gewährleisten, die den erwarteten Bereich von manipulierten Konzentrationen an gelösten Stoffen erfasst.
  4. analysieren Sie die Probenvon niedrigen zu hohen Leitfähigkeit auf allen analytischen Instrumenten. Bestellung Proben von niedrigen zu hohen spezifischen Leitfähigkeit verhindert die Kontamination von geringen Salz / Nährstoffproben durch hohe Salz / Nährstoffproben. Dies bedeutet, Proben aus den steigenden und fallenden Glieder wird in Bezug auf Sequenz gemischt werden.
    1. Analysieren Sie die Proben für insgesamt gelösten organischen Kohlenstoff, insgesamt gelöstem Stickstoff, Nitrat und Ammonium, obwohl die genaue Kombination der gelösten Analyse wird eine Funktion der Forschungsfrage (siehe Wymore et al. 10 zum Beispiel).

7. Datenanalyse

  1. Analysieren Sie die Daten mit Hilfe der einfachen linearen Regression. Die unabhängige Variable ist, die Konzentrationen der zugesetzten Nährstoff und die abhängige Variable ist DOM-Konzentration entweder als DOC oder DON. Jeder Punkt auf der Figur stellt eine Schürfprobe von der Durchbruchskurve und dass die Probe des Nährstoff- und DOC / DON-Konzentration.

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
Abbildung 3:. Beispiel Ergebnisse von Nitrat (NO 3 -) Zugänge mit Gelöster organischer Stickstoff (DON) als Reaktionsvariable Analysen sind lineare Regressionen. Sternchen stellen statistische Signifikanz bei α = 0,05. Beachten Sie den Dynamikbereich in NO 3 - Konzentration , die mit dem Nährstoff Pulsverfahren erzielt wurde. Verschiedene Tafeln repräsentieren verschiedene Experimente über Monate und Standorte. Site - Abkürzungen beziehen sich auf die drei experimentellen Ströme 10. Positive Korrelationen interpretiert DON Rolle als Nährstoffquelle zu reflektieren, während negative Korrelationen interpretiert werden DON Rolle als Energiequelle zu reflektieren. Die Experimente , die in keiner signifikanten Beziehung geführt werden entweder als interpretiert einen nicht reagierenden DON Pool zu reflektieren (dh sehr recalcitrant) oder dass die Nährstoffbasierte Prozesse und energiebasierte Verfahren sind off-Einstellung. Bitte beachten Sie Wymore et al. 10 für weitere Diskussion der Ergebnisse. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4:. Beispiel Ergebnisse von Nitrat (NO 3 -) Zugänge mit gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) als Reaktionsvariable Analysen sind lineare Regressionen. Sternchen stellen statistische Signifikanz bei α = 0,05. Verschiedene Tafeln repräsentieren verschiedene Experimente über Monate und Standorte. Site - Abkürzungen beziehen sich auf die drei experimentellen Ströme 10. Über die meisten Experimente wurden keine signifikanten Änderungen in der Umgebungs DOC Pool beobachtet. Negative Ergebnisse können eine aufschlussreich sein,Kampf biogeochemische Prozesse gekoppelt. Bitte beachten Sie Wymore et al. 10 für weitere Diskussion der Ergebnisse. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Durch die direkte in situ Manipulation von NO 3 -, konnten wir indirekt Konzentrationen des DOM - Pool ändern in die biogeochemischen Kontrollen der Umgebungs DOM Pool einen Einblick Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse einer Studie, die die Interaktion zwischen NO 3 geprüft -. Und DON 10. Obwohl die genaue Größe des gelösten Stoffes Anstieg über Experimente variiert (aufgrund von Schwankungen in der Konzentration Hintergrund solute) ausreichend große Gradienten von NO 3 - wurden über den Nährstoffzugabe Ansatz geschaffen. Aus dieser Reihe von Experimenten über drei Wasserscheiden in New Hampshire, USA, wir sind in der Lage Rückschlüsse auf die ökologische Rolle von DON in Quellflüsse zu machen. Als organischer Nährstoff dienen kann DON entweder als Energiequelle (Kohlenstoff) oder als Stickstoffquelle. In diesen niedrigen NO 3 - Ströme, interpretiert man die Zunahme der DON - Konzentration seiner Verwendung als Nährstoffquelle zu reflektieren. Durch die Bereitstellung der mikrobiellen Gemeinschaften mit einer hochverfügbaren Form von N als NO 3 -, verschob sich die Gemeinde von DON auf diese neu verfügbaren Form. Dies wurde zuvor genannt worden als die DON Release Hypothese 15. Im Gegensatz dazu werden die negativen Korrelationen wir in diesen Nitrat Manipulationen beobachtet interpretiert DON Nutzung als Energiequelle zu reflektieren. Dieser heterotrophen Prozess wurde 1,15 die passive-Kohlenstoff - Fahrzeug Hypothese bezeichnet. Die sehr variable Reaktion von DON in der gesamten Vegetationsperiode schlägt starke Saisonalität in wie DON hinzugefügt Nährstoffe reagiert. Diese Daten liefern einige dererste feldbasierte experimentelle Ergebnisse in Bezug auf die ökologische Rolle, die DON innerhalb Strom Ökosysteme dient.

Negative Ergebnisse von diesen Ökosystem Manipulationen sind auch in Bezug auf Kontrollen auf biogeochemische Prozesse sichtbar machen. Zum Beispiel zeigt 4 keine meßbare Reaktion im Umgebungs DOC - Pool auf die Zugabe von NO 3 -. Dies deutet darauf hin , dass die Umgebungs Pool von DOC sehr widerspenstig ist (dh nicht bioreaktiver). Wenn Nährstoffimpulse wiederholt über die Vegetationsperiode beispielsweise durchgeführt werden, können wir Rückschlüsse und Schlussfolgerungen zu ziehen, wie und wann die verschiedenen Fraktionen des DOM-Pool werden durch Wasser mikrobiellen Gemeinschaften eingesetzt. Durch diese manipulative Ökosystem angelegte Experimente konnten wir Wechselwirkungen zwischen bestimmten Fraktionen des DOM-Pool über einen dynamischen Bereich des hinzugefügten Nährstoff zu erkennen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, insbesondere, dass der N-reiche Fraktionund C-reiche Fraktion des DOM - Pool Zyklus unabhängig und können ihre eigenen einzigartigen Satz von ökologischen und biogeochemischen Kontrollen 16,17 haben. Durch die Nutzung dieser Nährstoffzugabe Methode , die wir in der Lage gewesen manipulative feldbasierte Daten zu schaffen , die starke Beweise und Unterstützung Muster von DON Labilität bietet , die bisher nur im Labor Inkubationen 18,19 beobachtet.

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

Das Ziel des Nährstoffs Impulsverfahren, wie hier dargestellt, ist die Antwort des sehr unterschiedlichen Pool von Umgebungsfließgewässer DOM über einen Dynamikbereich eines zugegebenen anorganischen Nährstoff zu charakterisieren und zu quantifizieren. Wenn die zugegebene gelöste Stoff in ausreichendem Maße die Konzentration des reaktiven gelösten Stoffs zunimmt, kann eine große folgernd Raum geschaffen werden, um zu verstehen, wie die biogeochemischen Kreisläufe von DOM zu Nährstoffkonzentrationen verknüpft ist. Dieser Nährstoff Puls Ansatz ist ideal , da es keine der mit Plateau-Stil Zusatz (zB peristaltische Pumpe) angeschlossenen Maschinen beinhaltet und umfasst keine teuren Isotopentechniken. Diese Manipulationen sind leicht reproduzierbar und mehrere Experimente können an einem einzigen Tag durchgeführt werden. Wir empfehlen jedoch, dass, wenn Experimente am gleichen Tag in einem einzigen Strom Reichweite replizierende, daß Zusätze von mehreren Stunden getrennt sind, für eine ausreichende Spülung des restlichen gelösten Stoffe zu ermöglichen.

in these Ökosystem Manipulationen können wir die Zugabe von Nährstoffen in Reaktion Veränderungen in der Konzentration des Umgebungs Pool von DOM zu messen. Jedoch bei diesem Ansatz ist es nicht möglich, auf die Komponente des DOM Pool Kommentar tatsächlich über Änderungen in der Konzentration von DON und DOC verringert oder erhöht. Wir können nicht erkennen , ob es sich um eine bestimmte Form von DON beispielsweise ist, wird die bevorzugt mit dem Zusatz von NO 3 verbraucht -. Änderungen könnten aufgrund einer sehr reichlich vorhanden und verfügbar Formen von DON (zB Aminosäuren), die über ausreichend verändert wurden die Gesamtkonzentration zu ändern. Jedoch ist dieses Feld basierten Ansatz leicht mit hochauflösenden analytischen Chemie Methoden (zB Fluoreszenzspektroskopie, Fourier - Transformations - Ionenzyklotronresonanz - Massenspektrometrie) zusammengepaßt werden können , um zu bestimmen , welche Komponenten oder Klassen von Molekülen direkt an die experimentelle Manipulation reagieren.

Neben DOM cheMistry, andere biologische und ökologische Faktoren, die die Reaktion von DOM auf den Mehrnährstoff beeinflussen können. Um zu verstehen, kann diese Multi-Faktor-Interaktion andere Felddaten gesammelt werden, um andere wichtige Variablen zu untersuchen. Zeitliche Änderungen in der Richtung der DON Reaktion auf Nitrat (3A-3F) kann gegen heterotrophen dominierten Prozesse autotrophic reflektieren. Zum Beispiel kann die positive Beziehung in 3A, zu reflektieren , die Aktivität von autotrophen Organismen. Es ist wahrscheinlich , dass im Mai gibt es noch eine ausreichende photosynthetisch aktive Strahlung ist der Strom (vor Anliegerkronenschluß) erreicht und das beobachtete Muster spiegelt diese Organismen von DON auf NO Verschiebung 3 - als Quelle von Stickstoff, der in DON zu einer Erhöhung Konzentration. Die negative Beziehung später in der Saison (zB Abbildung 3E) beobachtet, stellt wahrscheinlich die Aktivität von heterotrophen Mikroorganismen , die D sind der BergbauON für ihr Energiegehalt. Um diese Art von Test biologisch-basierten Hypothese könnte die zukünftige Forschung gleichzeitige Messungen von autotrophen stehenden Lager, mikrobielle Aktivität Ebenen oder Enzymkonzentrationen übernehmen, zum Beispiel. Untersuchen DOM-Nitrat Interaktionen über andere Umweltgradienten, einschließlich gelöstem Sauerstoff und Temperatur, könnte dazu beitragen, die Rolle der anderen physiochemischen Parameter in den Antrieb des gekoppelten biogeochemischen von DOM und Nitrat zu erläutern.

Die Auswahl der niedrigen NO 3 - Ströme ist von wesentlicher Bedeutung für den Erfolg dieser Versuche und die Fähigkeit zu behalten Veränderungen im DON Pool zu messen. Studien , die die Interaktion zwischen NO 3 untersuchen - und DON sollte beispielsweise in Strömen auftreten , in denen NO 3 - macht weniger als 50% des TDN Pool. Die Präzision der DON über Subtraktion Messung wird stark reduziert , wenn NO 3 - trägt einen zu großen Anteil an derTDN Pool da ein multiplikatives Fehlerterm DON Messungen umgibt , die aus der Analyse von TDN ergibt, NO 3 - und NH 4 +. Eine solche suboptimalen Bedingungen können in negativen DON-Konzentrationen führen. So kann diese Technik in Systemen beschränkt werden , die durch NO 3 stark beeinträchtigt sind - wie zum Beispiel Mündungen.

Obwohl größere Bäche und Flüsse ihre eigene Reihe von Herausforderungen stellen, kann diese Methode zu Systemen höherer Ordnung anwendbar. Zum Beispiel, Panzer et al. 5 durchgeführt , ein Nährstoffpuls - Experiment in der 7 - ter Ordnung Ober Snake River in Wyoming die Aufnahme Kinetik der gelösten anorganischen N. zu untersuchen Es kann Möglichkeiten , ähnliche Versuche in beiden Seen, Böden oder Grundwasser durchzuführen. Allerdings sind solche Experimente schwierig aufgrund der Herausforderungen im Zusammenhang mit einem System zu einem Gradienten von Nährstoffkonzentrationen ausgesetzt oder mit einem Gehalt Versuchseinheiten in einer Weise, die minimize Unterbrechung und experimentelle Artefakte. Dies ist einer der Vorteile für diese Art von Manipulationsversuchen Strom Ökosysteme mit. Dennoch ist die Entwicklung ähnlicher Methoden für andere Ökosysteme, vor allem Systeme beeinträchtigt durch übermäßige N Belastung (zB Mündungen), könnten wichtige Management Auswirkungen haben , wie wir die Art und Weise , in denen verschiedene Formen von N treiben Eutrophierung und toxische Algenblüten in den Küstengewässern zu verstehen beginnen , .

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).
Organische Substanzen Biogeochemie Gelöster Verständnis durch<em&gt; In Situ</em&gt; Nährstoff Manipulations in Stream-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