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Environment

Capire disciolto materia organica Biogeochimica Attraverso doi: 10.3791/54704 Published: October 29, 2016

Summary

materia organica disciolta fornisce una fonte importante di energia e nutrienti per lo streaming ecosistemi. Qui mostriamo un metodo basato su campi di manipolare il pool ambiente di materia organica disciolta in situ tramite impulsi di nutrienti facilmente replicabili.

Introduction

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sostanza organica disciolta (DOM) fornisce un'importante fonte di energia e di nutrienti acqua dolce ecosistemi ed è definito come materia organica che passa attraverso un filtro 0,7 micron. All'interno di ecosistemi acquatici, DOM può anche influenzare attenuazione chiara e metalli complessi. DOM è una miscela altamente diversificata ed eterogenea di composti organici con diversi gruppi funzionali, nonché nutrienti essenziali quali azoto (N) e fosforo (P). Mentre il termine "DOM" descrive l'intera piscina compreso il suo C, N e P componenti, la sua concentrazione è misurata come carbonio organico disciolto (DOC). La complessità molecolare intrinseca della piscina DOM tuttavia, crea sfide per il suo studio. Ad esempio, non esiste un modo diretto per misurare la frazione del pool totale DOM composto di sostanze organiche quali azoto organico disciolto (DON) e fosforo organici disciolti (DOP). Invece, la concentrazione di sostanze organiche deve essere determinato per differenza (

Aggiunta di una modifica DOM realistico per un flusso è difficile a causa della diversità della piscina DOM ambiente. Studi precedenti hanno aggiunto le fonti di carbonio singoli (ad esempio glucosio, urea 1) o di una particolare sorgente come lettiera percolato 2 per manipolare concentrazioni in campo. Tuttavia, queste fonti non sono particolarmente rappresentativi della piscina DOM ambiente. Cercando di perfezionare o concentrato DOM ambiente per la successiva sperimentazione è anche battuto con difficoltà, tra cui la perdita di alcune frazioni (ad esempio componenti altamente labili) durante la lavorazione. Di conseguenza, è difficile capire i controlli sulla piscina DOM ambiente come noi attualmente non possediamo alcun metodo per manipolare direttamente alla piscina DOM ambiente. Tuttavia, dal momento che la biogeochimica del DOM è legata a sostanze nutritive che si trovano comunemente nell'ambiente (ad es NITtasso di [NO 3 -] 3), possiamo aggiungere altri soluti per streaming ecosistemi e misurare la risposta della piscina DOM di queste manipolazioni. Esaminando come la piscina DOM risponde a una vasta gamma di concentrazioni di nutrienti sperimentalmente imposti speriamo di ottenere una migliore comprensione di come DOM risponde alle mutevoli condizioni ambientali.

Un metodo comunemente usato nel flusso biogeochimica è metodo di aggiunta di nutrienti. Esperimenti aggiunta di nutrienti sono stati tradizionalmente utilizzati per comprendere la cinetica di assorbimento o il destino del 4,5,6,7 soluto aggiunto. Aggiunte nutrienti possono essere a breve termine sul hr 6 in scala giorno 4, o manipolazioni a lungo termine nel corso di più anni 8. Aggiunte nutrienti possono includere anche con isotopi nutrienti etichettati (ad esempio 15 N-NO 3 -) per tracciare sostanza nutritiva aggiunta attraverso reazioni biogeochimici. Tuttavia, gli studi isotopi-based sono spesso Expensive e richiedono analisi impegnative (ad esempio digestioni) dei comparti multipli bentonici in cui possono essere conservati i nutrienti isotopi marcati. Sperimentazione recente ha rivelato l'utilità di impulsi di nutrienti a breve termine per chiarire i controlli soluti non aggiunto e ambientali come DOM 9,10, rivelando un nuovo modo con il quale per esaminare in tempo reale nelle reazioni biogeochimici situ. Qui si descrive e illustra le misure metodologici fondamentali per la conduzione degli impulsi di nutrienti a breve termine con l'obiettivo di comprendere la biogeochimica accoppiata di C e N e in particolare i controlli sulla grande diversità piscina DOM. Questo metodo facilmente riproducibile comporta l'aggiunta di un impulso di nutrienti in un flusso portata sperimentale e misurando le variazioni nella concentrazione del soluto sia manipolata e la variabile di risposta di interesse (ad esempio DOC, DON, DOP). Manipolando direttamente concentrazioni di nutrienti in situ siamo in grado di modificare indirettamente il DOMpiscina e esaminare come DOM variazioni di concentrazione di tutta una gamma dinamica di concentrazioni di nutrienti 10.

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Protocol

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1. Identificare e caratterizzare i Ideale Sperimentale flusso Reach

  1. Assicurarsi che raggiunge flusso sperimentali sono abbastanza a lungo per promuovere la completa miscelazione di soluti 11 e abbastanza a lungo in cui potrebbe essere l'assorbimento biologico. lunghezze Reach possono variare tra i corsi d'acqua ed esperimenti. In piccoli flussi headwater primo ordine, raggiunge la lunghezza può variare da 20-150 m (o più, se il sistema richiede) a seconda di scarico e altre proprietà fisiche del flusso.
    1. Escludere grandi vasche da raggiunge sperimentali, in quanto ritardano il movimento a valle dei soluti, sezioni di flusso minimo, e affluenti che diluire la soluzione aggiunto. Periodi di bassa scarico possono richiedere accorciando la lunghezza portata, mentre lo scarico superiore può richiedere una portata più lunga.
    2. Identificare una posizione alla sommità del flusso portata sperimentale sopra un fucile per facilitare la miscelazione dei soluti aggiunti. Questo sarà il sito aggiunta. Nella parte inferiore del flusso sperimentaleraggiungere, identificare una posizione in cui flusso è ristretto e rappresentante di circa il 90% del flusso totale (figura 1). Questo sarà il sito di raccolta del campione.

Figura 1
Figura 1:. Esempio di valle del sito di campionamento Un sito di campionamento ideale è dove la maggior parte del flusso è ristretto e facilmente accessibile senza disturbo del canale torrente e benthos. Ecco un pezzo caduto di detriti di legno ha creato questo punto di campionamento in un piccolo ruscello headwater primo ordine. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

  1. Ottenere concentrazioni di misurazione scarico e lo sfondo nutrienti dei soluti nelle precedenti esperimenti per calcolare la massa di soluti necessari per la manipulations. Si prega di consultare i calcoli in fase 2.2.1.
    1. Ottenere dati di concentrazione di sfondo per il soluto bersaglio di manipolazione (es NO 3 -) e cloruro (Cl -) che viene spesso utilizzato come tracciante conservativo. Utilizzare il tracciante conservativo nel contesto di questi esperimenti, per monitorare variazioni di conducibilità, che indicano l'arrivo dell'impulso nutrienti alla stazione di campionamento e la velocità con cui l'impulso attraversa. Conducibilità, o conducibilità specifica, è un surrogato per le modifiche in-situ della concentrazione del tracciante conservativo.
    2. Caratterizzare le proprietà fisico-chimiche della portata sperimentale raccogliendo dati ausiliari come la larghezza e la profondità portata, temperatura, pH e l'ossigeno disciolto.
      1. Eseguire misurazioni che non possono essere realizzati con l'uso di una sonda ambientale (ad esempio larghezza e profondità), il giorno prima o immediatamente dopo l'esperimento per minimizzare qualsiasi bentonici oR disturbo chimico all'interno del canale torrente. Dividere la portata sperimentale in transetti equidistanti (ad esempio, ogni 10 m), dove la larghezza e almeno 3 misurazioni di profondità possono essere valutati (per esempio a destra banca, thalweg, e la riva sinistra). Questi dati sono utili per collegare le proprietà fisiche di un flusso di misurazioni biogeochimici e se i ricercatori sono interessati a calcolare cinetica di assorbimento dei nutrienti e parametri 6 anche.

2. Preparazione per Experiment

  1. Determinare la massa (kg) di soluto necessaria per la manipolazione utilizzando le equazioni riportate qui di seguito.
    Nota: L'esempio che segue si applica a un esperimento a base di nitrati con NO 3 - in forma di nitrato di sodio (NaNO 3) e assume una aumento mirato di 3x sopra sfondo (equazioni sono basate su quelle di Kilpatrick e Cobb 12). In questo esempio le seguenti ipotesi sono state fatte con respect alle condizioni di fondo: scarico = 10 L / sec; [CL] = 10 mg / l; [NO 3 -] = 50 mg N / L. A causa delle variazioni tra esperimenti, regolare i dati di input richiesti.
    1. Calcolare l'aumento mirato (Equazione 1):
      Mirata [NO 3 - mg N / L] = aumento di fondo previsto [NO 3 - mg N / L] aumento mirato *
      150 mg N / L = 50 mg N / L * 3
    2. Calcolare il flusso di massa atomica totale (Equazione 2):
      Flusso di massa atomica totale (NO 3 - mcg N) = 30 min 60 sec * * Q (l / sec) * mirato [NO 3 - mg / L N] aumento
      Dove 30 minuti è la durata presunta di soluto di picco 12 e Q è scarico
      2 700 000 mg N = 30 min 60 sec * * 10 L / s * 150 mg N / L
    3. Calcolare il flusso di massa molecolare totale (Equazione 3):
      Flusso di massa molecolare totale (NO 3 - mcg N) = flusso di massa atomica totale (NO 3 - mcg N) / massa atomica (14) * ci molecolareight (85)
      Dove massa atomica si riferisce a N e peso molecolare si riferisce alla Nano 3.
      16,392,857.14 mg N = 2.700.000 mg N / (14 * 85)
    4. Calcolare la massa di aggiungere (Equazione 4):
      Messa da aggiungere (g) = flusso totale massa molecolare (NO 3 - mcg N) / 1.000.000 g / mg
      16.39 g Nano 3 = 16,392,857.14 mg N / 1.000.000 g / mg
      Nota: Seguire i calcoli di cui sopra per altri soluti tra cui il tracciante conservativo (ad esempio, cloruro di sodio). Assicurarsi di regolare le masse atomiche e molecolari per il soluto di interesse.
  2. Preparare tutti i soluti un giorno prima esperimenti sul campo. Pesare abbastanza soluti di aumentare la concentrazione ambientale sia del tracciante biologica e il tracciante conservativo tre volte (o quantità desiderata) sopra sfondo. È importante che la quantità di soluti aggiunti provoca una variazione misurabile sopra concentrazione di fondo che è sufficiente a creare awgamma dinamica ide nella concentrazione di nutrienti aggiunti.
    1. Pesare soluti che utilizzano bilance analitiche e, successivamente, memorizzare in un ambiente pulito bottiglie di polietilene ad alta densità d'acido con etichette appropriate. Esempi di traccianti biologici comprendono: NO 3 -: nitrato di sodio (Nano 3); NH 4 +: cloruro di ammonio (NH 4 Cl); PO 4 -3: fosfato di potassio (K 2 HPO 4). Tuttavia, la scelta del tracciante biologico sarà una funzione della domanda biogeochimico viene chiesto. Opzioni per traccianti conservativi includono cloruro di sodio (NaCl) e bromuro di sodio (NaBr).
  3. Raccogliere materiali rimanenti: libretto di campagna, nastro etichettatura e penna, campo nastro di misurazione, più fresco, conduttimetro, ~ 20 L secchio e grande bacchetta (ad esempio birra paddle, tondo per cemento armato, grande bastone), alta circa 50 pulite e lavata con acido 125 ml bottiglie in polietilene densità da. Etichettare le bottiglie da 125 ml # 1-50.
    Nota: Less di 50 campioni può essere preso per esperimento e campioni di fondo sono inclusi nei 50 bottiglie totali.
  4. Opzionale: A seconda del numero di personale sul campo, eseguire il filtraggio del campione in loco (vedi sezione # 5). Se si sceglie questa opzione, portare 50 puliti, 60 ml bottiglie di polietilene ad alta densità pre-etichettati e lavata con acido nel campo. Etichettare le bottiglie da 60 ml # 1-50 per abbinare le bottiglie di raccolta ml 125.

3. Giornata di set up

  1. Distribuire il conduttimetro campo presso il sito di raccolta. Posizionare lo strumento a monte (circa 0,5-1,0 m) di cui verranno prelevati campioni di raccolta in modo del campione non interferisce con le letture dello strumento. Lo strumento resterà in vigore per tutto l'esperimento. Un misuratore di campo conducibilità è migliore in quanto fornisce le letture di conducibilità in tempo reale, che sono necessari per determinare la frequenza di campionamento (vedi punto 5.2) e la filtrazione e l'ordine di analisi (punti 5.3 e 6.1).
  2. Raccogliere 125 ml di fondo samples in triplice copia nel sito aggiunta e al sito di raccolta della portata sperimentale prima dell'aggiunta della soluzione. Questi dati saranno utilizzati per verificare giorno della concentrazione ambiente e per determinare la variazione della concentrazione di soluti lungo il torrente portata. Questi dati sono anche preziosi per collegare ambiente flusso chimica: - alle misure biogeochimici di interesse (ad esempio DOC NO 3 rapporti. 13).
  3. Registrare il tempo e la conducibilità di fondo campioni raccolti.
  4. Registrare la conducibilità del flusso sfondo prima dell'aggiunta soluzioni.

4. soluti Aggiunta

  1. Versare tutti i reagenti (16.39 g Nano 3 e il 1483 g NaCl) in un grande contenitore (ad esempio 20 L benna) e aggiungere acqua corrente sufficiente a sciogliere completamente i soluti. Risciacquare vasi reagenti tre volte con acqua flusso aggiuntivo e versare in un contenitore risciacquo soluzione. Tenere traccia di quantità di acqua aggiunta.
    1. Ad esempio, utilizzare un flacone da 500 ml di versare acqua corrente nel contenitore. Mescolare soluzione fino a quando tutti i reagenti sono stati completamente dissolto.
  2. Raccogliere 60 ml aliquota della soluzione additiva. Mantenere questo campione ad alta concentrazione separato (ad es sacchetto a chiusura lampo) da tutti gli altri campioni per ridurre al minimo la contaminazione incrociata. Questi campioni sono importanti se calcolo nutrienti cinetica di assorbimento 6 è un ulteriore obiettivo del progetto di ricerca come questi campioni possono essere utilizzati per determinare la massa esatta di soluti aggiunto.
  3. Versare la soluzione nel sito aggiunta. A tale scopo, versando la soluzione in un movimento fluido e rapido per ridurre al minimo il tempo di ritardo di viaggio e schizzi che potrebbe ridurre la quantità di reagenti aggiunti. Risciacquare il contenitore e il mescolare bastone tre volte nel flusso immediatamente dopo l'aggiunta di garantire tutti i reagenti sono stati aggiunti al flusso.
    1. Registrare il tempo è stata aggiunta la soluzione: h: min: sec.
    2. Registrare le masse di aggiunta di rivelatori(Ad esempio Nano 3 e NaCl).
    3. Dopo che la soluzione è stata aggiunta, non disturbare il flusso. Assicurarsi che tutte lungo il flusso si verifica sulle banche per garantire che il flusso benthos e la soluzione stessa non sono disturbati.

Campionamento 5. Campo

  1. Order bottiglie campionamento crescente attesa per soluzione per arrivare alla posizione di campionamento. Il tempo di percorrenza sarà una funzione di scarica e raggiungere la lunghezza e può essere determinato in anticipo (un giorno prima) o con una NaCl sola iniezione o rodamina colorante (che può essere utilizzato per stabilire il tempo di viaggio 14).
    Nota: Se si lavora su un progetto DON a tema, evitare l'uso di colorante rodamina in quanto è un tipo di DON e pertanto modificare il ambiente DON piscina se eventuali resti alla portata di studio.

figura 2
Figura 2:Esempio schematico di soluto Curve Breakthrough (BTC). A BTC rappresenta variazioni di concentrazione del soluto nel tempo e può essere utilizzato per spiegare il transito e cicli biogeochimici di un tracciante in un flusso. Campioni prelevati devono essere prese attraverso il BTC con una frequenza che dà pari rappresentanza sia alla ascendenti e discendenti arti del BTC. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

  1. Raccolta dei campioni
    Nota: Il onnicomprensiva obiettivo di raccolta del campione, è quello di rappresentare adeguatamente i cambiamenti nella concentrazione del soluto lungo entrambi i salita e discesa membra della rottura attraverso curva (BTC) (Figura 2).
    1. All'arrivo della soluzione (rilevato tramite un aumento della conducibilità), raccogliere campioni in 125 ml bottiglie tutto il BTC tenendo un flacone 125 ml nel flusso principale di acqua del punto di prelievo. Velocely lavare la bottiglia con acqua corrente ed eliminare risciacquare a valle e poi prendere esempio. campione Cap e il luogo in più fresco.
    2. Registrare il tempo (ore: min: sec) e la conduttività di ciascun campione prelevato lungo il BTC in un libro di campo (Tabella 1).
    3. Raccogliere i campioni in base al tempo (ad esempio intervalli di 1 minuto) o in base alla velocità con cui i cambiamenti di conducibilità. Per esempio, se la conducibilità sta cambiando rapidamente, campionare ogni 30-60 secondi fino a cambiamenti nella conduttività lento, in cui i campioni di tempo possono essere prese ogni 5-10 minuti. Per gli intervalli basati sulla conduttività, prelevare campioni ogni 15-30 unità a seconda della velocità con cui la conducibilità sta cambiando.
    4. Esempio fino conducibilità ritorna sfondo o entro 5 S / cm di condizioni di fondo. Intervalli di raccolta del campione può essere regolata durante l'esperimento finché il BTC è ben rappresentata nei campioni prelevati.
Bottiglia # conduttanza specifica Tempo Note
1 h: min: sec es sfondo (downstream)
2 es sfondo (downstream)
3
4
5 ad esempio, campione a conduttanza picco
.
.
.
Massima bottiglia #

Tabella 1PFieldlibro: Esempio Pagina dal laboratorio Libro e le informazioni richieste

  1. Esempio di filtraggio
    Nota: filtraggio dei campioni può avvenire sia in campo o al ritorno al laboratorio.
    1. Filtrare campioni dell'arto crescente in ordine crescente conducibilità specifica fino al picco di conducibilità specifica. Attendere che l'esperimento possa essere finita e campioni di filtro dal arto cadere in ordine crescente di conducibilità specifica (cioè iniziare con l'ultimo campione e lavorare a ritroso verso la conducibilità specifica di picco).
      Nota: Questo ordine di campioni minimizza la contaminazione incrociata tra i campioni e consente lo stesso filtro, siringa, e portafiltro per essere utilizzato fintanto che il filtro, siringa e portafiltro opportunamente risciacquati tra ciascun campione (vedi i punti 5.3.2- 5.3.4).
    2. Rimuovere lo stantuffo da una siringa da 60 ml e quindi chiudere rubinetto. Versare circa 10 ml di campione nella siringa e tornare stantuffo della siringa. Agitare siringa in modo tale campionerisciacqui pareti interne della siringa. siringa collegata alla porta-filtro e open rubinetto. Spingere campione attraverso porta-filtro e scartare risciacquare.
    3. Rimuovere stantuffo e vicino rubinetto. Versare circa 30 ml di campione nella siringa e tornare stantuffo della siringa. Aperto stock-cock ed espellere ~ 10 ml con porta-filtro e in 60 ml bottiglia di campionamento. Tappare il flacone, agitare con filtrato e scartare. Ripetere questo passaggio per un totale di 3 risciacqui. Ciò garantirà eventuali impurità sono state rimosse dal contenitore del campione 60 ml e che le pareti sono rivestite con il campione.
    4. Rimuovere stantuffo e vicino rubinetto. Versare ~ 60 ml di campione nella siringa e tornare stantuffo della siringa. Spingere il campione attraverso il porta filtro e nella bottiglia campione di 60 ml. Riempire le bottiglie fino alla spalla per evitare la rottura delle bottiglie con il freddo. Tappo di bottiglia e il luogo in più fresco.
    5. Ripetere i passaggi 5.3.2-5.3.4 per tutti i campioni rimanenti. Cambiare filtro tra sale e scende campioni degli arti per minimizzare la contaminazione. Trasportare i campioni al laboratorio lo stesso giorno e su ghiaccio.

6. Preparazione per analisi di laboratorio

  1. Se il filtro dei campioni deve avvenire in laboratorio, seguire il protocollo come descritto nel paragrafo 5.3.1. Filtrare campioni sia ascendenti e discendenti arti del BTC in ordine crescente di conducibilità. Cambiare il filtro tra l'aumento degli arti e il calo dei campioni degli arti.
  2. Congelare campioni filtrati a -20 ° C fino al momento dell'analisi.
  3. Assicurarsi che le strutture analitiche sono attrezzati per gestire campioni altamente concentrati.
    Nota: alcuni laboratori non sono attrezzati per eseguire campioni altamente concentrati e, quindi, la cura dovrebbe essere presa. Incorporare gli standard preparata che cattura che più alto delle concentrazioni di soluto attesi. standard di alta concentrazione contribuirà a garantire una curva standard che cattura l'intervallo previsto di concentrazione del soluto manipolati.
  4. analizzare i campionida bassa ad alta conducibilità su tutti gli strumenti analitici. Ordinazione di campioni da bassa ad alta conducibilità specifica impedisce la contaminazione dei campioni basso contenuto di sale / nutrienti da campioni di sale / nutrienti. Questo significa campioni arti salita e discesa saranno miscelati rispetto alla sequenza.
    1. Analizzare campioni di carbonio organico totale disciolto, azoto totale disciolto, nitrato di ammonio e, anche se l'esatta combinazione di analisi soluti sarà una funzione della domanda di ricerca (vedi Wymore et al. 10, per esempio).

Analisi 7. I dati

  1. Analizzare i dati utilizzando regressione lineare semplice. La variabile indipendente è la concentrazione della sostanza nutritiva aggiunta e la variabile dipendente è la concentrazione DOM sia come DOC o DON. Ogni punto sulla figura rappresenta un campione afferrare dalla curva svolta e nutriente che del campione e la concentrazione DOC / DON.

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Representative Results

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Figura 3
Figura 3: Esempio. I risultati di nitrati (NO 3 -) Aggiunte con Dissolved Azoto (DON) come la variabile di risposta Le analisi sono regressioni lineari. Gli asterischi rappresentano la significatività statistica a α = 0,05. Nota la gamma dinamica in NO 3 - concentrazione che è stato raggiunto con il metodo dell'impulso nutrienti. Diversi pannelli rappresentano diverse esperienze attraverso mesi e siti. Acronimi sito si riferiscono alle tre flussi sperimentali 10. correlazioni positive sono interpretati in modo da riflettere il ruolo di DON come fonte di nutrienti, mentre correlazioni negative sono interpretati in modo da riflettere il ruolo di DON come fonte di energia. Gli esperimenti che hanno portato alcuna relazione significativa sono interpretati come sia per riflettere una piscina DON non risponde (cioè altamente recalcitrant) o che i processi di nutrienti-based e basato sui processi di energia sono off-impostazione. Si prega di consultare Wymore et al. 10 per ulteriori discussione dei risultati. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4: Esempio. I risultati di nitrati (NO 3 -) Aggiunte con carbonio organico disciolto (DOC) come la variabile di risposta Le analisi sono regressioni lineari. Gli asterischi rappresentano la significatività statistica a α = 0,05. Diversi pannelli rappresentano diverse esperienze attraverso mesi e siti. Acronimi sito si riferiscono alle tre flussi sperimentali 10. Dall'altra parte della maggior parte degli esperimenti sono stati osservati cambiamenti significativi nella piscina ambiente DOC. Risultati negativi possono essere rivelando unattacco accoppiato processi biogeochimici. Si prega di consultare Wymore et al. 10 per ulteriori discussione dei risultati. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Attraverso la diretta manipolazione situ di NO 3 -, siamo stati in grado di alterare indirettamente concentrazioni della piscina DOM permettono di approfondire i controlli biogeochimici sulla piscina DOM ambiente la figura 3 mostra i risultati di uno studio che ha esaminato l'interazione tra NO 3 -. E DON 10. Anche se l'entità esatta della crescita soluti varia attraverso esperimenti (a causa della variazione della concentrazione di fondo di soluto) sufficientemente grandi gradienti di NO 3 - sono stati creati tramite l'approccio di nutrienti aggiunta. Da questa serie di esperimenti, in tre bacini a New Hampshire, Stati Uniti d'America, siamo in grado di fare inferenze circa il ruolo ecologico di DON in flussi headwater. Come un nutriente organico, DON può servire sia come fonte di energia (carbonio) o come fonte di azoto. In queste basse NO 3 - corsi d'acqua, abbiamo interpretato l'aumento della concentrazione di DON in modo da riflettere il suo utilizzo come fonte di nutrienti. Fornendo le comunità microbiche con una forma altamente disponibile di N come NO 3 -, la comunità si spostò da DON a questa forma nuova disposizione. Ciò è stato precedentemente indicato come il rilascio ipotesi DON 15. Al contrario, le correlazioni negative che abbiamo osservato durante queste manipolazioni nitrati sono interpretati in modo da riflettere DON utilizzo come fonte energetica. Questo processo eterotrofi è stato definito il veicolo passivo-carbonio ipotesi 1,15. La risposta molto variabile del DON per tutta la stagione di crescita suggerisce forte stagionalità come DON risponde ai nutrienti aggiunti. Questi dati forniscono alcuni deiprimi risultati sperimentali sul campo base per quanto riguarda il ruolo ecologico che don serve all'interno di ecosistemi Stream.

I risultati negativi di queste manipolazioni degli ecosistemi sono anche rivelatrici rispetto ai controlli sui processi biogeochimici. Ad esempio, la Figura 4 mostra alcuna risposta misurabile in piscina ambiente DOC all'aggiunta di NO 3 -. Ciò suggerisce che il pool ambiente di DOC è altamente recalcitrante (cioè non bioreactive). Quando gli impulsi di nutrienti vengono ripetutamente eseguite sopra la stagione di crescita, per esempio, siamo in grado di fare inferenze e conclusioni su come e quando le diverse frazioni della piscina DOM sono utilizzati da comunità microbiche acquatiche. Attraverso questi esperimenti di manipolazione ecosistema scala siamo stati in grado di discernere le interazioni tra alcune frazioni della piscina DOM attraverso una gamma dinamica della sostanza nutritiva aggiunta. Questi risultati, in particolare, suggeriscono che la N-frazione riccae C-ricchi frazione del ciclo piscina DOM in modo indipendente e può avere una propria serie unica di controlli ecologici e biogeochimici 16,17. Utilizzando questo metodo, oltre nutrienti siamo stati in grado di fornire i dati di campo basati su manipolatrice che fornisce una forte evidenza e supporto ai modelli di DON labilità che erano solo stati precedentemente osservati in incubazione di laboratorio 18,19.

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Discussion

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L'obiettivo del metodo di impulso di nutrienti, come presentato qui, è quello di caratterizzare e quantificare la risposta del grande diversità piscina di ambiente DOM flusso di acqua attraverso una gamma dinamica di un nutriente inorganico aggiunto. Se il soluto aggiunto aumenta sufficientemente la concentrazione del soluto reattiva, un grande spazio inferenziale può essere creato per capire come il ciclo biogeochimico del DOM è legata a concentrazioni di nutrienti. Questo approccio impulso nutriente è ideale in quanto comporta nessuna delle macchine associata Inoltre plateau stile (come la pompa peristaltica) e non coinvolge tecniche isotopiche costosi. Queste manipolazioni sono facilmente riproducibili e molteplici esperimenti possono essere condotti in una singola giornata. Tuttavia si consiglia che se replicare esperimenti lo stesso giorno in un unico flusso portata, che le aggiunte sono separate da diverse ore per consentire una sufficiente lavaggio di soluti residue.

in thmanipolazioni ecosistema ese siamo in grado di misurare le variazioni nella concentrazione del pool ambiente DOM in risposta alla aggiunta di nutrienti. Tuttavia, con questo metodo non è possibile commentare quale componente della piscina DOM effettivamente diminuita o aumentata oltre variazioni nella concentrazione di DON e DOC. Non possiamo discernere se è una certa forma di DON per esempio, che è preferenzialmente consumato con l'aggiunta di NO 3 -. I cambiamenti potrebbero essere dovute ad una altamente abbondanti e disponibili forme di DON (ad esempio aminoacidi) che sono stati alterati abbastanza per cambiare la concentrazione complessiva. Tuttavia, questo approccio campo-base potrebbe essere facilmente accoppiato con alta risoluzione metodi di chimica analitica (ad esempio la spettroscopia di fluorescenza, trasformata di Fourier ioni ciclotrone risonanza spettroscopia di massa) per determinare quali componenti o classi di molecole sono direttamente rispondendo alla manipolazione sperimentale.

Oltre a DOM CheMistry, altri fattori biologici e ambientali possono influenzare la risposta del DOM per la sostanza nutritiva aggiunta. Per comprendere questa interazione multifattoriale altri dati di campo possono essere raccolti per esaminare altre importanti variabili. Variazioni temporali nella direzione della risposta DON al nitrato (Figura 3A-3F) possono riflettere autotrofi vs. processi eterotrofi dominato. Ad esempio, il rapporto positivo nella Figura 3A, può riflettere l'attività di organismi autotrofi. E 'probabile che a maggio c'è ancora adeguata fotosinteticamente radiazione attiva raggiungere il flusso (prima della chiusura della copertura riparia) e il modello osservato riflette questi organismi spostando da DON NO 3 - come fonte di azoto, che si traduce in un aumento DON concentrazione. La relazione negativa osservata più avanti nella stagione (ad esempio Figura 3E), probabilmente rappresenta l'attività dei microrganismi eterotrofi che stanno estraendo DON per il suo contenuto energetico. Per testare questo tipo di ipotesi biologicamente-based, la ricerca futura potrebbe integrare le misurazioni simultanee di standing autotrofa magazzino, i livelli di attività microbica o concentrazioni di enzimi, per esempio. Esame interazioni DOM-nitrati attraverso altri gradienti ambientali, tra cui l'ossigeno disciolto e temperatura, potrebbero contribuire a chiarire il ruolo di altri parametri fisico-chimici nel guidare il biogeochimica accoppiata di DOM e nitrato.

L'offerta di bassa NO 3 - flussi è fondamentale per il successo di questi esperimenti e di mantenere la capacità di misurare i cambiamenti in piscina DON. Gli studi che esaminano l'interazione tra NO 3 - e DON, ad esempio, dovrebbero verificarsi nei corsi d'acqua dove NO 3 - rappresenta meno del 50% del pool TDN. La precisione di misurazione DON tramite sottrazione è notevolmente ridotto quando NO 3 - contribuisce troppo grande una frazione delPiscina TDN poiché non vi è un termine di errore moltiplicativo circostante misurazioni DON che si traduce dall'analisi di TDN, NO 3 - e NH 4 +. Tali condizioni sub-ottimali può risultare in concentrazioni negative Don. Così questa tecnica può essere limitata in sistemi che sono fortemente compromessa da NO 3 - come estuari.

Anche se torrenti e fiumi più grandi presentano la propria serie di sfide, questo metodo può essere applicabile ai sistemi di ordine superiore. Ad esempio, serbatoio et al. 5 eseguito un esperimento impulso di nutrienti nel 7 ° order superiore Snake River in Wyoming per esaminare la cinetica di assorbimento di N. inorganico disciolto Ci possono essere modi per eseguire esperimenti simili in entrambi i laghi, terreni o le acque sotterranee. Tuttavia, tali esperimenti sono difficili a causa delle sfide connesse con l'esposizione di un sistema ad un gradiente di concentrazione di nutrienti o contenenti unità sperimentali in modo da miniMize disagi e artefatti sperimentali. Questo è uno dei vantaggi di utilizzare ecosistemi flusso per questi tipi di esperimenti di manipolazione. Tuttavia, lo sviluppo di metodi simili per altri ecosistemi, in particolare i sistemi compromessa da un eccessivo N carico (ad esempio estuari), potrebbe avere importanti implicazioni di gestione come si comincia a comprendere i modi in cui le diverse forme di N guidano l'eutrofizzazione e fioriture di alghe tossiche nelle acque costiere .

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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

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References

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Capire disciolto materia organica Biogeochimica Attraverso<em&gt; In Situ</em&gt; Nutrienti Manipolazioni in Stream ecosistemi
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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).

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