Waiting
Login processing...

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

Environment

Понимание растворенное органическое вещество биогеохимии Через doi: 10.3791/54704 Published: October 29, 2016

Summary

Растворенное органическое вещество является важным источником энергии и питательных веществ для потоковой экосистемы. Здесь мы показываем метод полевой основе манипулировать окружающий бассейн растворенного органического вещества на месте через легко тиражируемых импульсов питательных.

Introduction

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

Растворенное органическое вещество (DOM), обеспечивает существенную экономию энергии и питательных веществ источник пресноводных экосистем, а также определяется как органическое вещество, которое проходит через фильтр 0,7 мкм. В водных экосистемах, DOM также может влиять на ослабление света и комплексообразование металла. DOM является весьма разнообразны и гетерогенную смесь органических соединений с различными функциональными группами, а также основных питательных веществ, таких как азот (N) и фосфора (Р). Хотя термин "DOM" описывает весь пул, включая его C, N и Р компонентов, его концентрация измеряется в виде растворенного органического углерода (DOC). Присущая молекулярная сложность DOM пула, однако, создает проблемы для ее изучения. Например, нет никакого прямого способа измерить долю общего пула DOM, состоящего из органических питательных веществ, таких как растворенного органического азота (ДОН) и растворенных органических фосфора (DOP). Вместо того, чтобы концентрация органических питательных веществ должна определяться разностью (

Добавление реалистичной поправки DOM в поток затруднено из-за разнообразия окружающего DOM бассейна. Предыдущие исследования добавили единичные источники углерода (например , глюкоза, мочевина 1) или конкретный источник , такой как листовой опад фильтрате 2 манипулировать концентрацией в области. Тем не менее, эти источники не являются особенно представителем окружающего DOM бассейна. Попытка уточнить или сосредоточиться окружающей среды DOM для последующего эксперимента также кованого с трудностями , включая потерю некоторых фракций (например , весьма лабильных компонентов) во время обработки. В результате, это трудно понять элементы управления на окружающий DOM бассейна, как мы в настоящее время не обладают какой-либо метод, чтобы непосредственно манипулировать окружающей среды DOM бассейн. Тем не менее, так как Биогеохимия DOM связан с питательными веществами , обычно встречается в окружающей среде (например , нитСкорость [NO 3 -] 3), мы можем добавить другие растворенные вещества для потоковой экосистемы и измерить отклик DOM пула этих манипуляций. Рассматривая, как DOM бассейн реагирует на широкий спектр экспериментально введенных концентраций питательных веществ, которые мы надеемся получить более полное представление о том, как DOM реагирует на колебания условий окружающей среды.

Один метод, обычно используемый в потоке биогеохимией является питательным веществом метод добавок. Питательные эксперименты дополнение традиционно использовались , чтобы понять поглощение кинетики или судьбу добавленного растворенного вещества 4,5,6,7. Питательные добавки могут быть краткосрочными на 6 часов в день масштабе 4 или более долгосрочных манипуляций на протяжении нескольких лет 8. Питательные добавки могут также включать в себя меченные изотопами питательных веществ (например , 15 N-NO 3 -) , чтобы проследить добавленный питательных веществ через биогеохимических реакций. Однако изотопные на основе исследования часто EXPEонительных и требуют сложных анализов (например , усваивание) из множества донными отсеков , где меченные изотопами питательные вещества могут быть сохранены. Недавние эксперименты показали , полезность краткосрочных импульсов питательных выяснить элементы управления на без добавок и окружающих растворенных веществ , таких как DOM 9,10, открывая новый способ с помощью которого можно исследовать в реальном времени на месте биогеохимических реакций. Здесь мы описываем и продемонстрировать основные методологические шаги к проведению краткосрочных импульсов питательных веществ с целью понимания в сочетании биогеохимии C и N и, в частности управления на многообразной DOM бассейна. Это легко воспроизводимый метод включает добавление питательных веществ импульс экспериментального потока досягаемости и измерения изменений в концентрации как манипулируют растворенного вещества и переменной отклика интересов (например , DOC, ДОН, DOP). За счет прямого манипулирования концентрации питательных веществ на месте , мы можем косвенно изменить DOMбассейн и изучить , как изменения концентрации РОМ через динамический диапазон концентраций питательных веществ 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. Выявление и Характеризуя идеальной экспериментальной поток Reach

  1. Убедитесь в том, что экспериментальные поток достигает достаточно долго , чтобы способствовать полному смешиванию растворенных веществ 11 и достаточно долго , где может происходить биологическое поглощение. Длина Reach может меняться в зависимости от потоков и экспериментов. В небольших верховьях ручьев первого порядка, достигают длины может варьироваться от 20-150 м (или дольше, если система требует) в зависимости от разряда и других физических свойств потока.
    1. Исключить большие бассейны из экспериментальных течения, так как они тормозят движение вниз по течению растворенных веществ, минимальных сечений потока и притоков, которые разбавить -ного раствора. Времена низкого разряда может потребовать уменьшения длины досягаемости в то время как выше разряд может потребоваться больше охват.
    2. Определить местоположение в верхней части экспериментальной досягаемости потока над винтовке, чтобы облегчить перемешивание добавленных растворенные вещества. Это будет сайт дополнением. В нижней части экспериментального потокадостижения, определить место , где поток сужен и репрезентативную около 90% от общего потока (рисунок 1). Это будет местом сбора образцов.

Рисунок 1
Рисунок 1:. Пример ниже по течению отбора проб идеальное место выборки , где большинство потока стягивается и легко доступны без нарушения потока канала и бентоса. Здесь падший кусок дерева мусора создал эту точку выборки в небольшом потоке верховьях рек первого порядка. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Получить концентрации измерения расхода воды и питательных веществ фон растворенных веществ, представляющих интерес до экспериментов, чтобы вычислить массу растворенных веществ, необходимых для Manipленностей. Пожалуйста, смотрите расчеты в шаге 2.2.1.
    1. Получить данные о концентрации фона для целевого растворенного вещества манипулирования (например , NO 3 -) и хлорид (Cl -) , который часто используется в качестве консервативного трассера. Используйте консервативный трассирующими в контексте этих экспериментов, чтобы проследить изменения в проводимости, которые указывают на приход питательных веществ импульса на станции отбора проб и скорость, в которой импульс проходит. Проводимость, или удельная проводимость, является суррогатом в месте изменения концентрации консервативного трассера.
    2. Охарактеризуйте физико-химические свойства экспериментальной досягаемости путем сбора вспомогательных данных, таких как ширина вылет и глубину, температуру, рН и растворенного кислорода.
      1. Провести измерения , которые не могут быть сделаны с использованием экологического зонда (например , ширины и глубины), за день до или сразу после эксперимента, чтобы минимизировать любой бентический Oг химического возмущения в канале потока. Разделите экспериментальную охват в равноудаленных разрезах (например , через каждые 10 м) , где можно оценить ширину и по меньшей мере 3 глубины измерения (например , правый берег, тальвег, и левый берег). Эти данные имеют важное значение для подключения физических свойств потока к биогеохимических измерений и если исследователи также заинтересованы в расчете кинетики и параметров 6 поглощения питательных веществ.

2. Подготовка к эксперименту

  1. Определяют массу (кг) растворенного вещества, необходимого для манипуляций с помощью изложенных ниже уравнений.
    Примечание: В приведенном ниже примере применяется к эксперименту нитратной основе с NO 3 - в виде нитрата натрия (NaNO 3) и предполагает целенаправленное увеличение 3x выше фона (уравнения основаны на тех Килпатрик и Кобб 12). В этом примере следующие предположения были сделаны с РезPECT в фоновых условиях: разряд = 10 л / с; [Cl] = 10 мг / л; [NO 3 -] = 50 мкг N / L. Из-за различий между экспериментами, корректировать необходимые входные данные.
    1. Вычислить Целенаправленное увеличение (уравнение 1):
      Целевые [NO 3 - мкг N / L] = ожидаемый рост фона [NO 3 - мкг N / L] * запланированное увеличение
      150 мкг N / L = 50 мкг N / L * 3
    2. Вычислить суммарный поток атомной массы (уравнение 2):
      Общий поток атомная масса (NO 3 - мкг N) не = 30 мин * 60 сек * Q (л / с) * мишенью [NO 3 - мкг N / L] увеличение
      Где 30 минут это предполагаемая длительность пика растворенного вещества 12 и Q является сброс
      2 700 000 мкг N = 30 мин * 60 с * 10 л / с * 150 мкг N / L
    3. Вычислить суммарный поток молекулярной массой (уравнение 3):
      Общая молекулярная масса потока (NO 3 - мкг N) = общий поток атомная масса (NO 3 - мкг N) / атомная масса (14) * молекулярное мыIGHT (85)
      Там , где атомная масса относится к N и молекулярный вес относится к NaNO 3.
      16,392,857.14 мкг N = 2700000 мкг N / (14 * 85)
    4. Вычислить массу, чтобы добавить (уравнение 4):
      Массовое добавление (г) = общий поток молекулярной массой (NO 3 - мкг N) / 1000000 г / мкг
      16,39 г NaNO 3 = 16,392,857.14 мкг N / 1000000 г / мкг
      Примечание: Следуйте вышеуказанные расчеты для любых других растворенных веществ , в том числе консервативного трассера (например , хлорид натрия). Убедитесь в том, чтобы регулировать атомные и молекулярные массы для растворенного вещества, представляющего интерес.
  2. Подготовьте все растворенные за один день до полевых экспериментов. Взвесить достаточное количество растворенных веществ, чтобы повысить концентрацию окружающей среды как биологического трассирующими и консервативного трассера три раза (или желаемое количество) выше фона. Важно, что количество добавленных растворенные вещества вызывает изменение измеримым выше фоновой концентрации, достаточной для создания AWязь динамический диапазон в концентрации добавленного питательных веществ.
    1. Взвесьте растворенные вещества, используя аналитические весы, а затем хранить в кислых промытую полиэтилена высокой плотности бутылки чистые с соответствующими этикетками. Примеры биологических индикаторов включают в себя: NO 3 -: нитрат натрия (NaNO 3); NH + 4: хлорид аммония (NH 4 Cl); PO 4 -3: фосфат калия (K 2 HPO 4). Тем не менее, выбор биологического индикатора будет являться функцией биогеохимическом нами вопроса. Варианты консервативных трассеров включают хлорид натрия (NaCl) и бромид натрия (NaBr).
  3. Соберите оставшиеся материалы: поле книги, маркировка ленты и перо, поле измерительная лента, охладитель, кондуктометр, ~ 20 л ведро и большой стержень мешалки (например , пиво весло, арматурный, большая палка), около 50 чистых и кислотоупорные промывают 125 мл высокой -плотности полиэтиленовые бутылки. Добавьте 125 мл бутылки # 1-50.
    Примечание: LESS, чем 50 образцов могут быть взяты за эксперимент и фоновые образцы включены в 50-х полных бутылок.
  4. Дополнительно: В зависимости от численности персонала на местах, выполнять фильтрацию проб на месте (смотрите раздел № 5). Если выбран этот вариант, принести 50 чистые, предварительно промаркированы и кислотно-промывают 60 мл полиэтилена высокой плотности бутылки в поле. Добавьте 60 мл бутылки # 1-50, чтобы соответствовать 125 бутылок для сбора мл.

3. День Set Up

  1. Развертывание кондуктометр поля на месте сбора. Поместите инструмент вверх по течению (примерно 0,5-1,0 м), где образцы будут приняты таким образом для сбора проб не мешает показаний прибора. Счетчик будет оставаться на месте в течение всего эксперимента. Измеритель поля проводимости лучше, поскольку она обеспечивает показания проводимости в режиме реального времени, которые необходимы для определения частоты дискретизации (см шаг 5.2) и фильтрацию и порядок анализа (шаги 5.3 и 6.1).
  2. Собрать 125 мл фона SAMPLэс в трех экземплярах на месте сложения и на месте сбора экспериментальной досягаемости перед добавлением раствора. Эти данные будут использованы для проверки изо дня в окружающей концентрации и определить изменение в концентрации растворенного вещества вдоль потока досягаемости. Эти данные не являются также ценным для подключения химии окружающей среды потока: - биогеохимической измерений интерес (например , DOC NO 3 отношения 13.).
  3. Запишите время и проводимость фоновых проб, собранных.
  4. Записывают фоновой проводимости потока перед добавлением растворов.

4. Добавление растворенных веществ

  1. Залить все реагенты (16,39 г NaNO 3 и 1483 г NaCl) в большой контейнер (например , 20 л ведро) и добавить достаточно струей воды , чтобы полностью растворить растворенные вещества. Промыть сосуды реагентов трижды с дополнительным потоком воды и вылить прополощите в контейнер раствором. Следите за количеством добавленной воды.
    1. Например, можно использовать бутылку емкостью 500 мл, чтобы вылить поток воды в контейнер. Перемешать раствор, пока все реагенты были полностью растворены.
  2. Сбор 60 мл аликвоты капельную раствора. Держите это высококонцентрированный образец отдельный (например , сумка на молнии замок) от всех других образцов , чтобы свести к минимуму перекрестного загрязнения. Такие образцы имеют большое значение , если кинетика поглощения питательных расчета 6 является дополнительной задачей научно- исследовательского проекта , поскольку эти образцы могут быть использованы для определения точной массы растворенных веществ добавлены.
  3. Налейте раствор в капельную сайт. Сделайте это путем заливки раствора в гладкой и быстрым движением, чтобы минимизировать время поездки задержки и разбрызгивание, которые могли бы уменьшить количество реагентов, добавленных. Ополосните контейнер и размешать придерживаться три раза в потоке сразу после добавления, чтобы гарантировать все реагенты были добавлены к потоку.
    1. Запишите время был добавлен раствор: час: мин: сек.
    2. Запись массы трассеров добавлены(Например , NaNO 3 и NaCl).
    3. После добавления раствор, не нарушают поток. Убедитесь, что все перемещаются вдоль потока происходит на берегу, чтобы гарантировать, что поток бентос и само решение не нарушается.

5. Поле выборки

  1. Заказать батометров в порядке возрастания, ожидая решения, чтобы прибыть к месту отбора проб. Время в пути будет функцией сброса и достигают длины и может быть определена заранее (один день до) либо с NaCl , только для инъекций или родамина красителя (который может быть использован для установления времени в пути 14).
    Примечание: При работе на ДОН тематикой проекта, избегайте использования родамина красителя, так как это тип ДОН и, следовательно, будет изменять окружающий DON бассейн, если какие-либо остается в исследовании досягаемости.

фигура 2
Фигура 2:Пример Схема осмотически Прорыва кривой (BTC). BTC представляет изменения в концентрации растворенного вещества с течением времени и может быть использована для объяснения транзита и биохимического круговорот трассера в потоке. Образцы Grab должны быть приняты по BTC с частотой , которая дает равное представительство как к восходящих и нисходящих конечностей BTC. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Сбор образцов
    Примечание: всеохватывающего цель сбора образцов, чтобы адекватно представлять изменения в концентрации растворенного вещества вдоль обоих роста и падения конечностей прорыва кривой (BTC) (Рисунок 2).
    1. По прибытии раствора (обнаруженного с помощью увеличения проводимости), собирают образцы в 125 мл флаконах по всему BTC, держа бутылку 125 мл, в основной поток воды в точке отбора пробы. БыстроLY ополоснуть бутылку струей воды и выбросить ополаскивать вниз по течению, а затем взять пробу. образец Cap и место в охладитель.
    2. Запишите время (час: мин: сек) и проводимость каждого образца , взятого по BTC в полевой книге (таблица 1).
    3. Сбор образцов в зависимости от времени (например , 1 мин интервалы) или основанные на скорости , при которой изменения проводимости. Например, если проводимость быстро меняется, пока образец каждые 30-60 с до тех пор, изменения в проводимости медленно, при которой отсчеты по времени можно принимать каждые 5-10 мин. Для интервалов на основе проводимости, берут пробы через каждые 15-30 единиц в зависимости от скорости, при которой проводимость изменяется.
    4. Образец до возвращения проводимости в фоновом режиме или в пределах 5 мкСм / см фоновых условий. Интервалы сбора проб могут быть скорректированы в ходе эксперимента, пока BTC хорошо представлена ​​в образцах грейферных.
Бутылка # удельная электропроводность Время Заметки
1 час: мин: сек например фон (вниз по течению)
2 например фон (вниз по течению)
3
4
5 например , образец с максимальной проводимости
,
,
,
Самая высокая бутылка #

Таблица 1PFieldКнига: Пример страницы из книги и Lab Необходимая информация

  1. образец Фильтрация
    Примечание: Фильтрация образцов может происходить либо в поле или по возвращении в лабораторию.
    1. Образцы фильтров из восходящего конечности в порядке не по возрастанию удельную проводимость до пика удельной проводимости. Подождите , пока эксперимент , чтобы быть более и образцы фильтров от падающего конечности в порядке возрастания удельной электропроводности (т.е. начиная с последней выборки и работать в обратном направлении в сторону пика удельной проводимости).
      Примечание: Этот заказ образцов сводит к минимуму перекрестное загрязнение между образцами и допускает тот же фильтр, шприц, и держатель фильтра для использования до тех пор, как фильтр, шприц и держатель фильтра соответствующим образом ополаскивают между каждой пробе (см шаги 5.3.2- 5.3.4).
    2. Удалите поршень из шприца 60 мл, а затем закройте стоп-краном. Налейте ~ 10 мл образца в шприц и возвращают поршень шприца. Встряхнуть шприц таким образом, чтобы образецополаскиватели внутренние стенки шприца. Прикрепленный шприц держатель фильтра и открытый запорный кран. Нажмите образец через держатель фильтра и выбросьте прополоскать.
    3. Снять поршень и закрыть запорный кран. Налейте ~ 30 мл образца в шприц и возвращают поршень шприца. Открытое акционерное кран и выдворить ~ 10 мл через фильтр-держатель и в 60 мл бутылки для отбора проб. Закройте бутылку, вихрем фильтратом и выбросьте. Повторите этот шаг для в общей сложности 3 полосканий. Это будет гарантировать, любые примеси были удалены из бутылки образца 60 мл и, что стенки покрыты образцом.
    4. Снять поршень и закрыть запорный кран. Налейте ~ 60 мл образца в шприц и возвращают поршень шприца. Нажмите на образец через держатель фильтра и в бутылку образца 60 мл. Заполните бутылки до плеча, чтобы предотвратить образование трещин бутылок при замораживании. Cap бутылки и место в охладитель.
    5. Повторите шаги 5.3.2-5.3.4 для всех остальных образцов. Изменение фильтра между восходящей и нисходящей образцов конечностей, чтобы свести к минимуму загрязнение. Транспорт образцы обратно в лабораторию в тот же день и на льду.

6. Подготовка лабораторного анализа

  1. Если фильтрация проб должна происходить в лаборатории, следовать протоколу, как описано в разделе 5.3.1. Образцы фильтров из обоих восходящих и нисходящих конечности БТД в порядке возрастания проводимости. Изменение фильтра между ростом конечности и падающих образцов конечностей.
  2. Замораживание отфильтрованных выборок при -20 ° С до анализа.
  3. Убедитесь в том, что аналитические средства оборудованы для обработки высококонцентрированных образцов.
    Примечание: Некоторые лаборатории не оборудованы для запуска высококонцентрированные образцы и , таким образом , следует позаботиться. Включать подготовленные стандарты, которые фиксируют, что более высокий конец ожидаемых концентраций растворенного вещества. Высокие стандарты концентрации поможет обеспечить стандартную кривую, которая отражает ожидаемый диапазон концентраций растворенного вещества манипулируют.
  4. Анализ образцовот низкой к высокой проводимости на всех аналитических приборов. Заказ образцов от низкой до высокой удельной проводимости предотвращает загрязнение образцов соли низких / питательных высокими образцами соли / питательных веществ. Это означает, что образцы из роста и падения конечностей будут смешаны в отношении последовательности.
    1. Анализ образцов для общего содержания растворенного органического углерода, общего растворенного азота, нитратов и аммония, хотя точное сочетание анализа растворенного вещества будет зависеть от вопроса исследования (см Wymore и др. 10, например).

7. Анализ данных

  1. Анализ данных с использованием простой линейной регрессии. Независимой переменной концентрации добавленного питательных веществ и зависимой переменной является концентрация DOM либо как DOC или DON. Каждая точка на рисунке представляет собой один образец захвата с кривой прорыва и питательных веществ, что образец и DOC концентрации / 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

Рисунок 3
Рисунок 3: Результаты. Пример из нитратных (NO 3 -) Добавки с растворенным органического азота (ДОН) в качестве переменной отклика Анализы линейной регрессии. Звездочки представляют статистическую значимость при а = 0,05. Обратите внимание на динамический диапазон в NO 3 - концентрация , которая была достигнута с помощью метода питательного импульса. Различные панели представляют собой различные эксперименты через месяцы и сайты. Аббревиатуры сайта ссылаются на трех экспериментальных потоков 10. Положительные корреляции интерпретируются, чтобы отразить роль ДОН в качестве источника питательных веществ в то время как отрицательные корреляции интерпретируются, чтобы отразить роль ДОН в качестве источника энергии. Эксперименты , которые привели никаких существенных отношений интерпретируются как либо для отражения не отвечающих DON бассейн (т.е. весьма RecAlcitrant) или процессы питательных веществ на основе и энергоемкий процесс на основе находятся вне настройки. Пожалуйста , смотрите Wymore и др. 10 для дополнительного обсуждения результатов. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4: Результаты. Пример из нитратных (NO 3 -) дополнения с растворенным органического углерода (DOC) в качестве переменной отклика Анализы линейной регрессии. Звездочки представляют статистическую значимость при а = 0,05. Различные панели представляют собой различные эксперименты через месяцы и сайты. Аббревиатуры сайта ссылаются на трех экспериментальных потоков 10. Через большинстве экспериментов не наблюдалось каких-либо существенных изменений в окружающем DOC бассейне. Отрицательные результаты могут быть обнаживбой в сочетании биогеохимические процессы. Пожалуйста , смотрите Wymore и др. 10 для дополнительного обсуждения результатов. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Благодаря прямой манипуляции на месте из NO 3 в -, мы смогли косвенно изменять концентрацию пула DOM , обеспечивающей понимание биогеохимических управления на окружающий DOM бассейна Рисунок 3 показывает результаты исследования , которые изучали взаимодействие между NO 3 -. И ДОН 10. Хотя точная величина увеличения растворенного вещества варьировались в зависимости от экспериментов (вследствие изменения фоновой концентрации растворенного вещества) , достаточно большие градиенты NO 3 - были созданы через капельную питательный подход. Из этого набора экспериментов, через три водоразделов в Нью-HampshIRE, США, мы можем сделать выводы об экологической роли DON в верховьях ручьев. В качестве органического питательного вещества, ДОН может служить любой источник энергии (углерода) или в качестве источника азота. В этих низких NO 3 - потоки, мы интерпретировали увеличение концентрации DON , чтобы отразить его использование в качестве источника питательных веществ. Предоставляя микробных сообществ с высокой степенью доступности форме N как NO 3 -, община перешла от DON к этой новой доступной форме. Это ранее был передан в качестве гипотезы высвобождения DON 15. В противоположность этому, отрицательные корреляции, которые мы наблюдали в течение этих нитратных манипуляций интерпретируются с учетом использования DON в качестве источника энергии. Этот гетеротрофная процесс был назван гипотезу транспортного средства пассивной 1,15-углерод. Сильно варьирует отклик DON на протяжении всего периода вегетации предполагает сильную сезонность, как ДОН реагирует на добавленных питательных веществ. Эти данные обеспечивают некоторые изПервые полевые на основе экспериментальных результатов, касающихся экологической роли, которую ДОН служит в потоке экосистем.

Отрицательные результаты этих экосистемных манипуляций также выявление в отношении контроля за биохимическими процессами. Например, на рисунке 4 не показывает измеримый отклик в окружающем DOC бассейне для добавления NO 3 -. Это говорит о том, что окружающий бассейн DOC сильно непокорных (т.е. не bioreactive). Когда питательные импульсы многократно выполняются в течение периода вегетации, например, мы можем сделать выводы и выводы о том, как и когда различные фракции пула DOM используются водных микробных сообществ. С помощью этих манипулятивных экосистема масштабных экспериментов мы смогли различить взаимодействия между отдельными фракциями пула DOM через динамический диапазон добавленного питательных веществ. Эти результаты, в частности, свидетельствуют о том, что N-фракцию, обогащеннуюи С-богатая часть цикла DOM бассейна независимо друг от друга и могут иметь свой собственный уникальный набор экологических и биохимического контроля 16,17. При использовании этого метода питательного Кроме того , мы смогли обеспечить манипулятивной данные полевых данных , которая обеспечивает убедительные доказательства и поддержку моделей DON лабильность , которые только ранее наблюдались в лабораторных инкубациями 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

Цель метода импульсного питательного, как представлено здесь, чтобы охарактеризовать и количественно определить отклик многообразной пула окружающего DOM поток воды через динамический диапазон добавленного неорганического питательного вещества. Если добавленное растворенного вещества существенно повышает концентрацию химически активного вещества, большое выведенный пространство может быть создано, чтобы понять, как биогеохимический круговорот DOM связана с концентрацией питательных веществ. Это питательное вещество импульсный подход идеален , поскольку не включает в себя ни один из механизмов , связанных с добавлением плато стиля (например , перистальтический насос) и не включает в себя дорогостоящие методы изотопных. Эти манипуляции легко воспроизводимым и многочисленные эксперименты могут проводиться в течение одного дня. Мы рекомендуем, однако, что, если тиражирование эксперименты в тот же день в одном потоке досягаемости, что дополнения разделены на несколько часов, чтобы обеспечить достаточную смыва остаточных растворимых веществ.

В гоESE экосистем манипуляциями мы можем измерить изменения в концентрации окружающего пула DOM в ответ на добавление питательных веществ. Тем не менее, при таком подходе не представляется возможным комментировать, какой компонент DOM пула фактически уменьшена или увеличена за изменений в концентрации DON и DOC. Мы не можем различить , если это определенная форма ДОН, например, который преимущественно потребляется с добавлением NO 3 -. Изменения могут быть из - за весьма обильных и доступных форм DON (например , аминокислоты) , которые были изменены достаточно , чтобы изменить общую концентрацию. Тем не менее, этот подход на основе поля можно было легко работать в паре с методами аналитической химии с высокой разрешающей способностью (например , флуоресцентная спектроскопия, преобразование Фурье ионного циклотронного резонанса масс - спектроскопии) , чтобы определить , какие компоненты или классы молекул непосредственно реагируют на экспериментальные манипуляции.

В дополнение к DOM CheMistry, другие биологические и экологические факторы могут влиять на реакцию РОМ к добавленным питательного вещества. Чтобы понять это взаимодействие многофакторную другие полевые данные могут быть собраны для изучения других важных переменных. Временные изменения в направлении реакции DON в нитрат (Фигура 3А-3F) может отражать автотрофные против гетеротрофных доминировал процессов. Например, положительное отношение на фигуре 3А, может отражать активность автотрофных организмов. Вполне вероятно , что в мае по- прежнему адекватной фотосинтетически активной радиации достигая потока (до прибрежном закрытия полога) и наблюдаемая картина отражает эти организмы переходят от DON к NO 3 - в качестве источника азота, что приводит к увеличению DON концентрация. Отрицательная зависимость наблюдается в конце сезона (например , рис 3Е), вероятно , представляет собой активность гетеротрофных микроорганизмов , которые являются добыча DПО для ее энергетического содержания. Чтобы проверить этот тип гипотезы биологически основе, будущие исследования могли бы включать параллельные измерения автотрофного постоянного запаса, микробные уровни активности или концентрации ферментов, например. Взаимодействия DOM экспертизы-нитратные через другие экологические градиенты, в том числе растворенного кислорода и температуры, может помочь выяснить роль других физико-химических параметров в вождения в сочетании биогеохимии DOM и нитрата.

Выбор низкого NO 3 - потоков имеет важное значение для успеха этих экспериментов и сохранить способность измерять изменения в бассейне DON. Исследования , исследующие взаимодействие NO 3 - и ДОН, например, не должно происходить в потоках , где NO 3 - составляет менее 50% от стоимости бассейна ТДН. Точность измерения DON с помощью вычитания значительно снижается , когда NO 3 - способствует слишком большая доляТДН бассейн , так как существует мультипликативный термин ошибки окружающих измерений ДОН, полученной в результате анализа ТДН, NO 3 - и NH 4 +. Такие субоптимальные условия могут привести к отрицательным концентрации DON. Таким образом , эта методика может быть ограничена в системах , которые в значительной степени нарушенные NO 3 - такие , как эстуарии.

Несмотря на большие потоки и реки представляют свой собственный набор проблем, этот метод может быть применим к системам высшего порядка. Например, танк и др. 5 провели эксперимент питательного импульсов в 7 - м -ым обобщенным Верхней Снейк - Ривер в штате Вайоминг для изучения кинетики поглощения растворенного неорганического N. Там могут быть способы выполнения подобных экспериментов либо в озерах, почвы или грунтовых вод. Однако такие эксперименты трудно из-за проблем, связанных с подвергая систему градиента концентрации питательных веществ или содержащих экспериментальные установки таким образом, что миниРазрушение Mize и экспериментальные артефакты. Это одно из преимуществ использования потоковыми экосистем для этих типов манипуляционных экспериментов. Тем не менее, разработка подобных методов для других экосистем, особенно систем обесцененных чрезмерным N нагрузки (например , лиманов), может иметь важное значение для управления , как мы начинаем понимать, каким образом различные формы N управляют эвтрофикации и цветения токсичных водорослей в прибрежных водах ,

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).
Понимание растворенное органическое вещество биогеохимии Через<em&gt; В Ситу</em&gt; Питательные манипуляциях в потоке экосистемам
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