Waiting
Login processing...

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

Environment

הבנה מומס אורגני Biogeochemistry דרך doi: 10.3791/54704 Published: October 29, 2016

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.

Introduction

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

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 (

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.

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. זיהוי ואפיון Reach זרם ניסיוני האידיאלי

  1. ודא כי מגיע זרם ניסיוני הם מספיק זמן כדי לקדם ערבוב מלא של מומסים 11 וארוך מספיק שבו ספיגת ביולוגי יכול להתרחש. אורכי Reach יכולים להשתנות בין זרמים וניסויים. בנחלים מוצאים מים מסדר הראשון קטנים, להגיע אורך עשוי להשתנות בין 20-150 מ '(או יותר אם המערכת דורשת זאת) תלוי פריק ומאפיינים פיסיים אחרים של הנחל.
    1. אל תכלול ברכות גדולות בדרגים ניסיוניים, כפי שהם לעכב את התנועה במורד הזרם של מומסים, סעיפי זרימה מינימאליים, ויובלים כי לדלל את התמיסה הוסיפה. טיימס של פריקה נמוכה עשוי לדרוש קיצור אורך ידם תוך פריקה גבוהה עשויה לדרוש להגיע כבר.
    2. זהה את מיקום בראש ידם הזרם הניסיונית מעל לערבב כדי להקל ערבוב של המומסים הוסיפו. זה יהיה האתר בנוסף. בתחתית הנחל ניסיונילהגיע, לזהות את המיקום שבו הזרימה היא מכווץ ונציג של כ -90% מסך כל הזרימה (איור 1). זה יהיה אתר אוסף מדגם.

איור 1
איור 1:. דוגמא מאתר דגימת Downstream אתר דגימה אידיאלי הוא שם את רוב הזרימה הוא מכווץ ונגיש ללא הפרעה של ערוץ הנחל לשוכני קרקעית. כאן חתיכת נפל של פסולת עץ יצרה נקודת דגימה זו בזרם מוצא מים מסדר הראשון קטן. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. השג בריכוזי חומרי הזנה רקע מדידה פריקה של מומסים של עניין לפני ניסויים על מנת לחשב את המסה של מומסים הדרושים manipulations. עיין חישובים בשלב 2.2.1.
    1. לקבל נתוני ריכוז רקע מומס היעד של מניפולציה (למשל NO 3 -) ו כלוריד (Cl -) אשר ממשמש לעתים קרובות כמו נותב השמרני. השתמש נותב השמרני בהקשר של ניסויים אלה, כדי לעקוב אחר שינויים במוליכות, המציינים את הגעתו של הדופק המזין בתחנת דגימת השיעור שבו הדופק עובר דרך. מוליכות, או מוליכות ספציפית, הוא פונדקאי לשינויים באתרו בריכוז של נותב השמרני.
    2. לאפיין את תכונות פיזיו-כימי ידם ניסיוני על ידי איסוף נתונים נלווים כגון רוחב טווח ועומק, טמפרטורה, pH וחמצן מומס.
      1. לבצע מדידות כי לא יכול להתבצע באמצעות שימוש תחקיר סביבתי (רוחב למשל ועומק), היום לפני או מייד לאחר הניסוי על מנת למזער כל o benthicr הפרעה כימית בתוך ערוץ הנחל. מחלקים את ידם ניסיוני חתכים במרחק שווה (למשל כל 10 מ ') שבו רוחב ולפחות מדידות עומק 3 ניתן להעריך (הגדה הימנית למשל, thalweg, ואת הגדה השמאלית). נתונים אלה הם בעלי ערך כדי לחבר את התכונות הפיסיקליות של זרם מדידות biogeochemical ואם החוקרים מעוניינים גם בחישוב קינטיקה ספיגת חומרים מזינים ופרמטרים 6.

2. הכנה עבור ניסוי

  1. מהי המסה (קילו) של מומס הנדרשים מניפולציה באמצעות משוואות המפורטים להלן.
    הערה: הדוגמא הבאה חלה על ניסוי מבוסס-חנק עם NO 3 - בצורה של נתרן חנק (Nano 3) ו מניחה עלייה ממוקדת של 3x מעל הרקע (משוואות מבוססות על אלה של קילפטריק וקוב 12). בדוגמה זו ההנחות הבאות נעשו עם מילההימור לתנאי הרקע: פריקה = 10 L / sec; [Cl] = 10 מ"ג / ליטר; [NO 3 -] = 50 מיקרוגרם N / L. בשל שונה בין ניסויים, להתאים נתוני קלט נדרשים.
    1. חשב את הגידול ממוקד (משוואה 1):
      ממוקד [NO 3 - מיקרוגרם N / L] עלייה = רקע צפוי [NO 3 - מיקרוגרם N / L] * גידול ממוקד
      150 מיקרוגרם N / L = 50 מיקרוגרם N / L * 3
    2. חשב את השטף המסה האטומית הכולל (משוואה 2):
      שטף מסה אטומית סה"כ (NO 3 - N מיקרוגרם) = 30 דקות * 60 שניות * Q (L / sec) * הממוקד [NO 3 - מיקרוגרם N / L] עלייה
      איפה 30 דקות הוא משך להניח מומס השיא 12 ו- Q הוא פריק
      2 700 000 מיקרוגרם N = 30 דקות * 60 שניות * 10 L / s * 150 מיקרוגרם N / L
    3. חשבתי את שטף מסה מולקולרית הכולל (משוואת 3):
      שטף מסה מולקולרית סה"כ (NO 3 - מיקרוגרם N) = שטף מסה אטומית שנתי (3 NO - מיקרוגרם N) / מסה אטומית (14) * אנו מולקולרייםight (85)
      איפה מסה אטומית מתייחסת N ועל משקל מולקולרי מתייחס Nano 3.
      16,392,857.14 מיקרוגרם N = 2,700,000 מיקרוגרם N / (14 * 85)
    4. לחשב את המסה להוסיף (4 משוואה):
      Mass להוסיף (g) = שטף מסה מולקולרית הכולל (NO 3 - מיקרוגרם N) / 1,000,000 g / מיקרוגרם
      16.39 גרם Nano 3 = 16,392,857.14 מיקרוגרם N / 1,000,000 g / מיקרוגרם
      הערה: בצע את החישובים הנ"ל עבור כל מומסים אחרים כולל נותב השמרנית (נתרן כלורי למשל). הקפד להתאים את ההמונים אטומיים ומולקולריים עבור המומס עניין.
  2. הכן את כל מומס יום אחד לפני ניסויי שדה. תשקול מספיק מומס להעלות את ריכוז הסביבה של השני נותב הביולוגי נותב השמרני שלוש פעמים (או סכום רצוי) מעל רקע. חשוב כי הכמות מומסת הוסיף גורם לשינוי מדיד מעל ריכוז רקע כי די בכך כדי ליצור awIDE טווח דינמי בריכוז מזין הוסיף.
    1. לשקול מומס באמצעות סולמות אנליטיים מכן לאחסן ב-שטף חומצה נקי בקבוקי פוליאתילן בצפיפות גבוהה עם תוויות מתאימות. דוגמאות של קליעים נותבים ביולוגיים כוללים: NO 3 -: נתרן חנקתי (Nano 3); NH 4 +: אמוניום כלוריד (NH 4 Cl); PO 4 -3: פוספט אשלגן (K 2 HPO 4). עם זאת, הבחירה של נותב הביולוגי תהיה פונקציה של שאלת biogeochemical שהתבקשה. אפשרויות עבור קליעים נותבים שמרניים כוללות נתרן כלורי (NaCl) ו בסודיום (NaBr).
  3. איסוף חומרים הנותרים: ספר שדה, קלטת תיוג ועט, סרט מדידת שדה, קריר, מד מוליכות, ~ 20 דלי L מוט בחישה גדול (הנעת בירה למשל, מוטות מברזלות, גדול מקל), כ 50 נקי שטוף חומצה 125 מיליליטר גבוה בקבוקי פלסטיק -density. לייבל 125 מ"ל בקבוקים # 1-50.
    הערה: LESS מ -50 דגימות ניתן לקחת לכל ניסוי ודוגמאות רקע כלולים ב- 50 הבקבוקים הכולל.
  4. אופציונלי: בהתאם המספרים של אנשי שטח, לבצע סינון מדגם באתר (ראה סעיף מס '5). אם אפשרות זו נבחרת, להביא 50 נקי, מראש שכותרתו ו-שטף חומצה 60 מ"ל בקבוקי פוליאתילן בצפיפות גבוהה לתחום. לייבל 60 מ"ל בקבוקים # 1-50 כדי להתאים את בקבוקי אוסף 125 מ"ל.

3. יום של סט-אפ בארץ

  1. פרוס את מד מוליכות שדה באתר האוסף. מניח את המכשיר נגד זרם (כ 0.5-1.0 מ ') של שם דגימות תילקחנה אוסף כל כך מדגם לא להפריע שמכשירים. המד יושאר לאורך הניסוי. מד מוליכות שדה עדיף כפי שהוא מספק מדידות מוליכות בזמן אמת, אשר נדרשים על מנת לקבוע את קצב הדגימה (ראה שלב 5.2) וסינון וסדר ניתוח (שלבים 5.3 ו -6.1).
  2. אסוף sampl רקע 125 מ"לes בשלושה עותקים באתר בנוסף ובאתר אוסף ידם ניסיוני לפני התוספת של הפתרון. נתונים אלה ישמשו לאימות יום-ריכוז הסביבה ולקבוע וריאציה בריכוז המומס לאורך יד הנחל. נתונים אלה הם גם מצוינים ליצירת קשר כימית זרם סביבה: - למדידות biogeochemical של עניין (למשל DOC NO 3 יחסי 13.).
  3. רשום את הזמן ואת המוליכות של דגימות שנאספו רקע.
  4. רשום את מוליכות רקע הזרם לפני תוספת של פתרונות.

4. מומסים הוספת

  1. יוצק את כל ריאגנטים (16.39 גרם Nano 3 ו 1483 גרם NaCl) לתוך מיכל גדול (למשל 20 דלי L) ולהוסיף מי זרם מספיק כדי לפזר את המומסים לחלוטין. לשטוף כלי מגיב שלוש פעמים עם מי זרם נוספים ויוצק לשטוף לתוך מיכל פתרון. עקוב אחר כמות המים הוסיף.
    1. לדוגמה, להשתמש בבקבוק 500 מ"ל לשפוך מים זרם לתוך המיכל. מערבבים פתרון עד שכל ריאגנטים כבר נמס לגמרי.
  2. אסוף 60 מ"ל aliquot של הפתרון בנוסף. שמור מרוכז מאוד זה מדגם נפרד (לשקית חסינה מים למשל) מכל המדגמים האחרים כדי למזער את זיהום צולב. דגימות כאלה חשובות אם קינטיקה ספיגה חומרים מזינים חישוב 6 מהווה מטרה נוספת של פרויקט המחקר כמו דגימות אלה ניתן להשתמש כדי לקבוע את המסה המדויקת של מומסים הוסיפה.
  3. יוצקים פתרון לתוך האתר בנוסף. עושים זאת על ידי מזיגת פתרון בתנועה חלקה ומהירה כדי למזער את זמן השהיה נסיעות ומתיזה שיכול להפחית את כמות ריאגנטים הוסיף. יש לשטוף את מיכל ואת ומערבבים מקל שלוש פעמים בזרם מיד לאחר תוספת כדי להבטיח את כל ריאגנטים נוספו אל הנחל.
    1. רשום את זמן הפתרון התווסף: HR: דקות: שניות.
    2. רשום את המוני קליעים נותבים הוסיף(למשל Nano 3 ו NaCl).
    3. לאחר הפתרון נוסף, נא לא להפריע הנחל. ודא כי כל הנסיעות לאורך הנחל מתרחשות על הגדות על מנת להבטיח כי לשוכני קרקעית נחל הפתרון עצמו לא מופרעים.

דגימה באופן 5.

  1. להזמין בקבוקי דגימה בסדר עולה בזמן ההמתנה פתרון להגיע למיקום הדגימה. זמן הנסיעה יהיה פונקציה של פריקה ולהגיע לאורכה ניתן לקבוע מראש (יום אחד לפני) או עם הזרקת NaCl בלבד או לצבוע rhodamine (אשר ניתן להשתמש בהם כדי להקים מסע בזמן 14).
    הערה: אם עובד על פרויקט DON-נושאים, להימנע מהשימוש לצבוע rhodamine כפי שהוא סוג של דון ולכן ישנה את ברכת DON הסביבה אם בכלל שרידי ידם המחקר.

איור 2
איור 2:דוגמא סכמטי של עקומת פריצת דרך מומסת (BTC). BTC מייצג שינויים בריכוז המומס לאורך זמן והוא יכול לשמש כדי להסביר את המעבר ורכיבה על אופני biogeochemical של נותב בזרם. דגימות גזל צריכות להילקח ברחבי BTC עם תדר שנותן ייצוג שווה הן עולה וגפיים יורדים של BTC. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. אוסף דוגמאות
    הערה: על-מקמר מטרת אוסף מדגם, היא לייצג שינויים כראוי בריכוז המומס לאורך שני הגפיים עולים ויורד של פריצת הדרך עקומה (BTC) (איור 2).
    1. בהגיעם של הפתרון (לאתר באמצעות גידול מוליך), לאסוף דגימות 125 מיליליטר בקבוקים ברחבי BTC ידי החזקת בקבוק 125 מיליליטר לתוך הנביעה העיקרית בנקודת הדגימה. מָהִיר ly לשטוף את הבקבוק במים זורמים וזורקים לשטוף במורד הזרם ולאחר מכן לקחת דגימה. מדגם ומקום שווי לתוך קריר.
    2. רשום את הזמן (שעות: דקות: שניות) ומוליכות של כל דגימה שנלקחה לאורך BTC לתוך ספר שדה (טבלה 1).
    3. לאסוף דגימות מבוססות על זמן (למשל 1 במרווחי דקות) או מבוססות על הקצב שבו שינויים מוליכים. לדוגמא, אם מוליכות משתנות במהירות, לטעום כל 30-60 שניות עד לשינויים במוליכות איטיות, שבו דגימות זמן ניתן לקחת כל דקות 5-10. עבור במרווחים מבוססים על מוליכות, לקחת דגימות כל 15-30 יחידות תלויות בקצב שבו מוליכות משתנות.
    4. לדוגמא עד שתשוב מוליכות לרקע או בתוך 5 מיקרו-שניות / ס"מ של תנאי הרקע. במרווחים של אוסף המדגם יכול להיות מותאם במהלך הניסוי עוד BTC מיוצגת היטב דגימות לתפוס.
t.within-page = "תמיד">
בקבוק # מוליכות ספציפית זְמַן הערות
1 hr: דקות: שניות רקע למשל (downstream)
2 רקע למשל (downstream)
3
4
5 למשל מדגם ב מוליכות שיא
.
.
.
# בקבוק הגבוה ביותר

לוח 1PFieldספר: דף דוגמא ממעבדה זמן ומידע הדרושים

  1. סינון לדוגמא
    הערה: סינון של דגימות יכול להתרחש גם בתחום או בשובם למעבדה.
    1. דגימות מסננות מענף עולה סדר עולה מוליכות ספציפית עד לשיא מוליכות ספציפיות. חכה הניסוי ייגמר ודוגמאות סינון מכל האיבר נופל בסדר עולה של מוליכות ספציפיות (כלומר להתחיל עם המדגם האחרון ולעבוד אחורה לעבר מוליכות ספציפית שיא).
      הערה: צו זה של דגימות ממזער זיהום צולב בין דגימות ומאפשר עבור אותו מסנן, מזרק, ואת בעל מסנן כדי לשמש עוד מסנן, מזרק בעל מסנן הם שטופים כראוי בין כל דגימה (ראה צעדים 5.3.2- 5.3.4).
    2. סר בוכנה של מזרק 60 מ"ל ולאחר מכן הפסקת זין קרוב. יוצקים ~ 10 מ"ל של מדגם לתוך מזרק ולחזור הבוכנה במזרק. Shake מזרק כך מדגםמי שטיפת קירות פנימיים של מזרק. מזרק מצורף לסנן בעל והפסקת זין פתוח. Push מדגם דרך בעל מסנן וזורקים לשטוף.
    3. סר בוכנה והפסקת זין קרוב. יוצקים ~ 30 מ"ל של מדגם לתוך מזרק ולחזור הבוכנה במזרק. מניות הזין להרחיב ולגרש ~ 10 מ"ל דרך בעל מסנן ולתוך בקבוק הדגימה 60 מ"ל. כיסוי או הבקבוק, מערבולת של תסנין וזורק. חזור על שלב זה עבור סכום כולל של 3 שטיפות. פעולה זו תבטיח שום זיהומים הוסרו מבקבוק 60 מיליליטר המדגם שהקירות מכוסים מדגם.
    4. סר בוכנה והפסקת זין קרוב. יוצקים ~ 60 מ"ל של מדגם לתוך מזרק ולחזור הבוכנה במזרק. דחוף את המדגם דרך מחזיק המסנן לתוך הבקבוק מדגם 60 מ"ל. מלאו בקבוקים עד הכתף כדי למנוע פיצוח של בקבוקי כאשר קפוא. בקבוק ומקום שווי לתוך קריר.
    5. חזרו על שלבי 5.3.2-5.3.4 עבור כל הדגימות הנותרות. שנה מסנן בין עולים ויורדים דגימות איבר כדי למזער זיהום. דגימות תחבורה בחזרה למעבדה באותו יום ועל קרח.

6. הכנה עבור ניתוח מעבדה

  1. אם סינון של דגימות הוא להתרחש במעבדה, בצע פרוטוקול כפי שמתואר בסעיף 5.3.1. דגימות מסננות משני עולה וירד גפיים של BTC על מנת להגדיל מוליכות. שינוי המסנן בין עולים איבר ויורדים דגימות איבר.
  2. להקפיא דגימות מסוננות ב -20 ° C עד ניתוח.
  3. ודא כי מתקני אנליטיים ערוכים לטפל דגימות מרוכזות מאוד.
    הערה: מעבדות החלק אינן מצוידים להפעיל דגימות מרוכזות מאוד ולכן יש להיזהר. לשלב סטנדרטים מוכנים לוכדים כי בקצה עליון של ריכוז מומס צפוי. סטנדרטי ריכוז גבוהים יסייעו להבטיח עקומת סטנדרט הלוכד בטווח הצפוי של ריכוז מומס מניפולציות.
  4. ניתוח דגימותמהנמוך מוליכות גבוהה על כל המיכשור האנליטי. הזמנת דגימות מהנמוך מוליכות סגוליות גבוהות מונעת זיהום של דגימות מלח / מזין נמוכים ידי דגימות מלח / תזונתיים גבוהות. משמעות הדבר היא דגימות מן הגפיים עולה ויורד יהיה מעורב ביחס רצף.
    1. ניתוח דגימות עבור פחמן אורגני כללי מומס, חנקן מומס כולל, ניטראט אמוניום, למרות השילוב המדויק של ניתוח המומס יהיה פונקציה של שאלת המחקר (ראה Wymore et al. 10 למשל).

ניתוח 7. נתונים

  1. לנתח את הנתונים באמצעות רגרסיה ליניארית פשוטה. המשתנה הבלתי תלוי הוא ריכוזים של חומר מזין הוסיף ואת המשתנה התלוי הוא ריכוז DOM כמו גם DOC או DON. כל נקודה על הדמות מייצגת מדגם לתפוס אחד מעקום הפריצה וכי המזין של מדגם DOC / ריכוז DON.

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

איור 3
איור 3:. תוצאות דוגמה מן ניטראט (NO 3 -) תוספות עם מומס אורגני חנקן (דון) כמשתנה תגובה ניתוחים הם רגרסיה לינארית. כוכביות מייצגים מובהקות סטטיסטית ב α = 0.05. הערת הטווח הדינמי ב NO 3 - הריכוז שהושג עם שיטת הדופק המזינה. לוחות שונים מייצגים ניסויים שונים ברחבי חודשים ואתרים. ראשי תיבות אתר מתייחסים לשלושה הזרמים הניסיונות 10. מתאמים חיוביים מתפרשים על מנת לשקף התפקיד של דון כמקור מזין בעוד מתפרשים מתאמים שליליים לשקף התפקיד של דון כמקור אנרגיה. ניסויים שהסתיימו ללא קשר משמעותי מתפרשים גם כדי לשקף ברכת DON שאינו מגיבה (כלומר מאוד recalcitrant) או שתהליכים מבוססי התזונתיים תהליך מבוסס אנרגיה כבויות-הגדרה. עיין ואח Wymore. 10 לדיון נוסף של תוצאות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4:. תוצאות דוגמה מן ניטראט (NO 3 -) תוספות עם מומס פחמן אורגני (DOC) כמשתנה תגובה ניתוחים הם רגרסיה לינארית. כוכביות מייצגים מובהקות סטטיסטית ב α = 0.05. לוחות שונים מייצגים ניסויים שונים ברחבי חודשים ואתרים. ראשי תיבות אתר מתייחסים לשלושה הזרמים הניסיונות 10. מעבר רוב הניסויים אין שינויים משמעותיים בברכת DOC הסביבה נצפו. תוצאות שליליות ניתן וחשףהתקף מצמידים תהליכים biogeochemical. עיין ואח Wymore. 10 לדיון נוסף של תוצאות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הדרך הישירה מניפולציה באתרו של NO 3 -, הצלחנו בעקיפין לשנות ריכוזים של ברכת DOM מתן תובנה בקרות biogeochemical על ברכת DOM סביבת איור 3 מראה תוצאות ממחקר שבחן את יחסי הגומלין בין NO 3 -. ו דון 10. למרות הגודל המדויק של גידול מומס המגוון ברחבי ניסויים (עקב וריאציה בריכוז מומס רקע) ההדרגתית מספיק גדולה של NO 3 - נוצר באמצעות הגישה בנוסף מזין. מתוך קבוצה זו של ניסויים, על פני שלוש היקוות בניו Hampshזעמם, ארה"ב, אנו מסוגלים להגיע למסקנות לגבי התפקיד האקולוגי של דון בנחלים מוצאים מים. בתור מזין אורגני, דון עשוי לשמש גם כמקור אנרגיה (פחמן) או כמקור חנקן. בשום 3 הנמוכים אלה - נחלים, אנו לפרש העלייה בריכוז DON לשקף הניצול שלה כמקור מזין. על ידי מתן קהילות חיידקים עם טופס זמינות גבוהה של N כמו NO 3 -, הקהילה מוזזת מ DON לכך טופס שהתפנה. זה כבר התייחס בעבר כמו השערת שחרור DON 15. לעומת זאת, המתאמים השליליים צפינו במהלך המניפולציות חנקו אלה מתפרשים על מנת לשקף ניצול DON כמקור אנרגיה. תהליך heterotrophic זה כבר הגדיר את ההשערה רכב פסיבי פחמן 1,15. התגובה משתנה מאוד של דון לאורך כל עונת הגידול מצביע בעונתיות חזקה איך דון מגיב חומרים מזינים הוסיף. נתונים אלה מספקים חלקשדה מבוסס הראשונה תוצאות ניסוי לגבי התפקיד האקולוגי שדון משמש בתוך מערכות אקולוגיות נחל.

תוצאות שליליות של מניפולציות האקולוגיות אלה גם חושפות ביחס לבקרות על תהליכי biogeochemical. לדוגמא, איור 4 מראה שום תגובה מדידה בברכת DOC הסביבה כדי התוספת של NO 3 -. הדבר מצביע על כך ברכת הסביבה של DOC היא סרבנית ביותר (כלומר לא bioreactive). כאשר פולסים מזין מבוצעות שוב ושוב לאורך כל עונת הגידול למשל, אנחנו יכולים לעשות היקשים ומסקנות על איך ומתי שברים שונים של הבריכה DOM נמצאים בשימוש על ידי קהילות חיידקים ימיים. באמצעות ניסויים אקולוגיים בקנה מידה המניפולטיביים אלה הצלחנו להבחין אינטראקציות בין חלקים מסוימים של ברכת DOM פני טווח דינמי של המזין הוסיף. תוצאות אלו בפרט מראות כי חלק N-עשירשברי C-עשירים של מחזור ברכת DOM עצמאי וייתכן שאף הקבוצה הייחודית של בקרות אקולוגיות biogeochemical 16,17. באמצעות שיטה בנוסף מזין זה הצלחנו לספק נתוני שדה מבוסס מניפולטיביים אשר מספקים ראיות חזקות ותמיכה לדפוסים לביליונים DON כי נצפו בעבר רק incubations מעבדה 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

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 בריכוז חומרי הזנה. גישה דופקת מזין זה אידיאלי כמו זה כרוך אף אחד המכונות הקשורים בנוסף רמה בסגנון (למשל משאבת peristaltic) ואינו כרוך בטכניקות איזוטופי יקרות. מניפולציות אלה לשחזור בקלות ניסויים מרובים ניתן לבצע במהלך יום אחד. אנחנו ממליצים זאת, כי אם משכפל ניסויים באותו היום בהישג זרם יחיד, שתוספות מופרדות על ידי מספר שעות כדי לאפשר שטיפה מספקת של מומסים שיורית.

בשנת המניפולציות אקולוגיות אסה אנו מסוגלים למדוד שינויים בריכוז של ברכת הסביבה של DOM בתגובת התוספת של חומרים מזינים. עם זאת, עם גישה זו לא ניתן להגיב על איזה רכיב של הבריכה DOM למעשה ירד או עלה מעבר לשינויים בריכוז של דון DOC. אנחנו לא יכולים להבחין אם היא צורה מסוימת של דון למשל, כי הוא נצרך באופן מועדף בתוספת מס '3 -. שינויים יכול להיות בגלל צורות שפע זמינות גבוהה של דון (למשל חומצות אמינו) כי שונו מספיק כדי לשנות את הריכוז הכולל. עם זאת, גישת שדה מבוסס זה יכול להיות זיווג בקלות עם שיטות בכימיה אנליטית ברזולוציה גבוהה (למשל קרינת ספקטרוסקופיה, התמר ספקטרוסקופיית מסות תהודת הציקלוטרון יון) כדי לקבוע אילו מרכיבים או סוגי המולקולות מגיבים ישירות המניפולציה הניסויית.

בנוסף DOM cheמיסטרי, גורמים ביולוגיים וסביבתיים אחרים עשויים להשפיע על התגובה של DOM אל המזין הוסיף. כדי להבין אינטראקצית multifactor זה נתוני תחום אחרים ניתן לאסוף לבחון משתנים חשובים אחרים. שינויים זמניים לכיוון תגובת DON כדי חנק (איור 3 א-3F) עשויים לשקף אוטוטרופי לעומת תהליכים נשלט heterotrophic. לדוגמה, הקשר החיובי באיור 3A, עשוי לשקף את הפעילות של אורגניזמים אוטוטרופי. סביר להניח כי בחודש מאי יש עדיין קרינה פעילה photosynthetically נאותה להגיע הנחל (לפני סגירת חופת riparian) ואת התבנית ציינה משקף אורגניזמים אלה הסטה מ DON ל NO 3 - כמקור חנקן שלהם, וכתוצאה מכך לעליית DON ריכוז. הקשר השלילי שנצפה בהמשך העונה (למשל האיור 3E), סביר מייצג את הפעילות של מיקרואורגניזמים heterotrophic מי כריית DON עבור תכולת האנרגיה שלו. כדי לבדוק את זה סוג של שערה הביולוגית מבוססת, למחקר עתידי יכול לשלב מדידות במקביל של מנייה עומד אוטוטרופי, רמות פעילות חיידקית או ריכוזי אנזימים, למשל. DOM-חנק בחינת אינטראקציות מתקיימות הדרגתיים סביבתיים אחרים, כולל מומס חמצן וטמפרטורה, יכולות לעזור כדי להבהיר את התפקיד של פרמטרי פיזיו-כימיים אחרים לגרש את biogeochemistry המצמיד של DOM ו חנקתי.

הבחירה של נמוכה NO 3 - זרמים חיונית להצלחת ניסויים אלו ולשמר את היכולת למדוד שינויים בברכת DON. מחקרים שבחנו את האינטראקציה בין NO 3 - ודון למשל, אמור להתרחש בנחלים שבהם NO 3 - מפצה פחות מ -50% של הבריכה TDN. הדיוק של מדידת DON באמצעות חיסור מופחת במידה ניכרת כאשר NO 3 - תורם גדול מדי חלק שלTDN הבריכה שכן קיים טווח השגיאה הכפלי שמסביב מדידות DON כי התוצאות מניתוח TDN, NO 3 - ו NH 4 +. בתנאים תת-אופטימליים מסוג זה עלולים להסתיים ריכוזי DON שליליים. לכן טכניקה זו עשויה להיות מוגבלת במערכות אשר נפגעות בכבדות על ידי NO 3 - כגון שפכי נהרות.

למרות נחלים ונהרות גדולים להציג קבוצה משלהם של אתגרים, שיטה זו עשויה לחול על מערכות מסדר גבוה. לדוגמא, הטנק et al. 5 בצע ניסוי דופק מזין את ה 7 -order עליון Snake River בוויומינג לבחון את קינטיקה הספיגה של נ אורגני מומס ייתכנו דרכים לבצע ניסויים דומים בשני אגמים, קרקעות או מי תהום. עם זאת, ניסויים כאלה קשים בשל האתגרים הקשורים חשיפת מערכת שיפוע של ריכוזי מזין או מכילים יחידות ניסיון בדרכים מינימייז שיבושים ואי חפצים הניסיונות. זהו אחד היתרונות של שימוש במערכות אקולוגי זרם עבור סוגים אלה של ניסויים מניפולטיביים. עם זאת, בפיתוח שיטות דומות עבור מערכות אקולוגיות אחרות, בעיקר מערכות נפגעות על ידי טעינת N מוגזמת (למשל שפכי נהרות), עשוי להיות לכך השלכות ניהוליות חשובות כשאנחנו מתחילים להבין את הדרכים שבן צורות שונות של N לנהוג eutrophication ופורחים אצות רעילות במי החוף .

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).
הבנה מומס אורגני Biogeochemistry דרך<em&gt; באתרו</em&gt; מניפולציות מזינות במערכות אקולוגיות זרמו
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