Estimering af Sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N₂O mikrosensorer

Summary

Denne metode estimerer sediment denitrifikation priser i sediment kerner ved hjælp af acetylen hæmning teknik og mikrosensorer målinger af den akkumulerede N₂O. Protokollen beskriver procedurer for indsamling af kerner, kalibrere sensorer, udfører acetylen hæmning, måling af N₂O ophobning, og beregningen denitrifikation.

Abstract

Denitrifikation er den primære biogeokemiske proces at fjerne reaktive nitrogen fra biosfæren. Den kvantitative evaluering af denne proces er blevet særlig relevant for vurderingen af den menneskeskabte ændres globale kvælstofkredsløbet og emission af drivhusgasser (dvs. N₂O). Der findes flere metoder til måling af denitrifikation, men ingen af dem er helt tilfredsstillende. Problemer med eksisterende metoder omfatter deres utilstrækkelige følsomhed, og behovet for at ændre substrat niveauer eller ændre den fysiske konfiguration af processen ved hjælp af forstyrret prøver. Dette arbejde beskriver en metode til vurdering af sediment denitrifikation satser, der kombinerer coring, acetylen hæmning og mikrosensorer målinger af den akkumulerede N₂O. De vigtigste fordele ved denne metode er en lav forstyrrelse af sediment struktur og samlingen af en kontinuerlig registrering af N₂O ophobning; disse aktiverer skøn over pålidelige denitrifikation priser med minimum værdier op til 0,4-1 µmol N₂O m^-2 h^-1. Evnen til at manipulere nøglefaktorer er en yderligere fordel for at opnå eksperimentelle indsigter. Protokollen beskriver procedurer for indsamling af kerner, kalibrere sensorer, udfører acetylen hæmning, måling af N₂O ophobning, og beregningen denitrifikation. Metoden er velegnet til estimering denitrifikation satser i enhver akvatiske system med genfindelig sediment kerner. Hvis N₂O-koncentrationen er over detektionsgrænsen for sensoren, kan acetylen hæmning trin udelades til at anslå N₂O-emissioner i stedet for denitrifikation. Vi viser, hvordan til at estimere både faktiske og potentielle denitrifikation priser ved at øge nitrat tilgængelighed samt temperatur afhængigheden af processen. Vi illustrere procedure ved hjælp af mountain lake sedimenter og diskutere fordele og svagheder ved den teknik sammenlignet med andre metoder. Denne metode kan ændres til særlige formål. for eksempel kan det kombineres med ¹⁵N røbestoffer at vurdere nitrifikation og denitrifikation eller felt i situ målinger af denitrifikation priser.

Introduction

Menneskeskabte ændring af kvælstofkredsløbet er et af de mest udfordrende problemer for Earth system¹. Menneskelig aktivitet har mindst fordoblet niveauer af reaktivt nitrogen til biosfære². Der er dog stadig stor usikkerhed med hensyn til hvordan den globale N cyklus skal evalueres. Et par flux skøn har opgjort med mindre end ±20% fejl, og mange har usikkerheder ±50% og større³. Disse usikkerheder viser behovet for nøjagtige skøn over denitrifikation satser på tværs af økosystemer og en forståelse af de underliggende mekanismer af variation. Denitrifikation er en mikrobiel aktivitet hvorigennem kvælstofholdige oxider, hovedsagelig nitrat og nitrit, er reduceret til dinitrogenoxider gasser, N₂O og N₂⁴. Vej er yderst relevant biosfæren tilgængeligheden af reaktivt nitrogen, fordi det er den primære processen med fjernelse⁵. N₂O er en drivhusgas med en GWP-værdi på næsten 300 gange at co₂ over 100 år, og det er den nuværende største årsag til ozonlaget i stratosfæren som følge af de store mængder der udsendes^6,7.

I følgende præsenterer vi en protokol til estimering af sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N₂O mikrosensorer eksperimentelt (figur 1). Denitrifikation priser estimeres ved hjælp af acetylen hæmning metode^8,9 og målinger af ophobning af N₂O i en defineret periode (figur 2 og figur 3). Vi demonstrere metoden ved at anvende det på mountain lake sedimenter. Dette casestudie fremhæver resultater af metoden til påvisning af forholdsvis lave priser med minimal forstyrrelse af fysiske struktur af sedimenterne.

Denitrifikation er særligt vanskelig at måle¹⁰. Der er flere alternative tilgange og metoder, hver med fordele og ulemper. Ulemperne for tilgængelige metoder omfatter brug af dyre ressourcer, utilstrækkelig følsomhed og behovet for at ændre substrat niveauer eller ændre den fysiske konfiguration af processen ved hjælp af forstyrret prøver¹⁰. En endnu mere grundlæggende udfordring at måle N₂ er dets forhøjede baggrundsniveauer i miljøet¹⁰. Reduktion af N₂O N₂ hæmmes af acetylen (C₂H₂)^8,9. Således kan denitrifikation kvantificeres ved at måle den akkumulerede N₂O ved tilstedeværelse af C₂H₂, som er muligt på grund af lav miljømæssige N₂O niveauer.

Brug C₂H,₂ at måle denitrifikation priser i sedimenter blev udviklet omkring 40 år siden¹¹, og indarbejdelsen af N₂O sensorer opstod omkring 10 år senere¹². De mest almindeligt anvendte acetylen-baseret tilgang er "statisk kernen". Den akkumulerede N₂O er målt under en inkubationstid på op til 24 timer efter C₂H₂ er føjet til headspace forseglet sediment core¹⁰. Metoden beskrevet her følger denne procedure med nogle nyskabelser. Vi tilføje C₂H₂ af boblende gassen i vand fasen af kernen i nogle minutter, og vi fylde alle headspace med stikprøven vand før måling ophobning af N₂O med en gastransport. Vi har desuden en omrøring system, der forhindrer stratificering af vandet uden resuspending sedimentet. Proceduren, der kvantificerer denitrifikation sats pr. sediment areal (fx, µmol N₂O m^-2 h^-1).

Den høje rumlige og tidsmæssige variation af denitrifikation præsenterer en anden vanskelighed i dens nøjagtig kvantificering¹⁰. Normalt måles N₂O ophobning sekventielt ved gaskromatografi af headspace prøver, der er indsamlet under inkubation. Den beskrevne metode giver forbedret overvågning af den tidsmæssige variation af N₂O ophobning, fordi mikrosensorer giver en kontinuerlig signal. Gastransport multimeter er en digital mikrosensorer forstærker (picoammeter) der grænseflader med modtagne og computeren (figur 1en). Multimeter giver mulighed for flere N₂O mikrosensorer skal anvendes på samme tid. For eksempel, op til fire sediment kan kerner fra den samme undersøgelse site måles samtidig at tage højde for den rumlige variation.

Core tilgang forstyrrer knap sediment struktur i forhold til nogle andre metoder (fx, gylle). Hvis integriteten af sedimenterne er ændret, fører dette til urealistiske denitrifikation priser¹³ der er kun tilstrækkelige til relative sammenligninger. Højere priser er altid fremstillet med gylle metoder i forhold til core metoder¹⁴, fordi sidstnævnte bevarer begrænsning af denitrifikation af substrat diffusion¹⁵. Gylle foranstaltninger anses ikke for repræsentative i situ satser¹⁶; de giver relativ foranstaltninger for sammenligninger med den nøjagtige samme procedure.

Metoden er velegnet til estimering af denitrifikation satser i enhver sediment type, der kan være kernehus. Vi anbefaler især metoden til udførelse af eksperimentelle manipulationer af nogle af de drivende faktorer. Eksempler er eksperimenter, der ændrer nitrat tilgængelighed og temperatur som er nødvendig for anslåelse af energi aktivering (E_en) af denitrifikation¹⁷ (figur 2).

Figur 1 : Eksperimentel opsætning. (en) generelt eksperimentel setup at anslå sediment denitrifikation priser ved hjælp af kerner og N₂O mikrosensorer. Inkubation kammer sikrer mørket og kontrolleret temperatur (±0.3 ° C) betingelser. Fem intakt sediment kerner kan behandles samtidigt ved hjælp af deres respektive N₂O sensorer. (b) N₂O sensor calibration kammer. Vi tilpasset det med gummipropper og sprøjter at blande N₂O vand (se protokollen trin 3.4.3). Der er et termometer til at styre vandtemperaturen. (c) nærbillede af et sediment core prøve med sensoren indsat i den centrale hul i dækslet til PVC og leddene forsegles med tape. Omrøreren hængende i vandet, og en elektromagnet er tæt på det og fastgjort til den ydre del af akryl røret. (d) Næroptagelse af N₂O mikrosensorer tip beskyttet af et metal stykke. (e) en sediment kerne, der bare er blevet tilbagebetalt. Det var samplet fra en båd i en dyb sø; akryl røret med kerne er stadig fastgjort til messenger-tilpasset tyngdekraften corer¹⁹. Se Tabel af materialer til alle de elementer, der er nødvendige til at udføre denne metode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1. forberedelse

Bemærk: Begynde denne dag før målingerne er taget.

1. Samle måling setup (figur 1en, se Tabel af materialer).
   Bemærk: For at sikre en konstant og høj kvalitet strømforsyning, måling enhed er forbundet til greb via en nødstrømsforsyning (UPS), der kan også fungere som en sikkerhedskopi. I tilfælde af langvarige strømsvigt, en bilbatteri tjene som en ekstra strømkilde.
2. Start sensorens software og anvende en-0.8 V spænding at polarisere N₂O mikrosensorer. Signalet viser en hurtig nedstigning og en efterfølgende stigning, så det endelig falder indtil det er lav og stabil.
   Bemærk: Mikrosensorer producenten anbefaler polarisering mindst natten over (eller længere) for at sikre stabiliteten i den sensorsignalet. En anden anbefaling er at holde sensoren polariseret hvis målinger er planlagt for flere eller på hinanden følgende dage¹⁸.
3. Tænd inkubation kammer og justere de eksperimentelle betingelser (fx, valgte lys slukket og temperaturen indstillet til at være lig, forventes i feltet). Placer en container med deioniseret vand inde i salen, så vandet er tilgængelig senere ved måling temperatur for kalibrering af sensorer.
   Bemærk: Dette trin kan gøres samme dag i de planlagte målinger, før afgang til at indsamle kernerne. For standard målinger er det tilrådeligt at bruge mørke forhold.
4. Pack felt kerne samling materialer: corer enhed, prøveudtagning rør, gummipropper, polyvinylchlorid (PVC) haner, skruetrækker, global positioning (GPS) systemenheden, termometer, håndholdt ekkolod, vadefugle og Gummibåd (Se tabel af Materialer). Brug en tjekliste til at sikre, at alle materialer er inkluderet.

2. sediment kerne samling

1. Afhængigt af vanddybde, Følg 2.1.1 eller 2.1.2.
   1. For dybe vandområder
      1. Bruge en messenger-tilpasset tyngdekraften corer¹⁹ fra en båd eller en platform (figur 1e).
      2. Fix prøveudtagning tube (akryl, ø 6,35 cm, længde ≥ 50 cm) til corer med en skruetrækker.
      3. Vælg indsamlingspunkt ifølge undersøgelsen mål. Tage til efterretning af position (f.eks.ved hjælp af GPS koordinater) og måling dybde (f.eks.ved hjælp af en håndholdt ekkolod). Hvis prøvetagning fra en båd, bruge et anker (fx, en pose med sten) at undgå at glide under kerne samling.
      4. Installere coring systemet indtil prøveudtagning tube er ~ 1 m fra sedimentet. Bruge et reb med regelmæssige mærker (f.eks., intervaller af 1 m) til at styre positionen dybde af prøvetagning udstyr.
      5. Stabilisere prøveudtagningsudstyr til 60 s (f.eks., at minimere bevægelse af båden). Dette vil sikre den korrekte sediment penetration og inddrivelse af en næppe forstyrret sediment kerne.
      6. Frigive ~ 1 m mere reb, således at prøveudtagning tube trænger sedimentet. Vær opmærksom på at hvis prøveudtagningen tube trænger for meget, kan det forstyrre grænsefladen vand/sediment.
      7. Frigive messenger, samtidig forsøger at holde spændingen i rebet, så corer forbliver fast og i en lodret position. Når budbringeren påvirker corer, kan en lille forskel mærkes i spændingen i rebet. På tidspunktet, lukke corer for at generere det tomrum, der giver mulighed for genoprettelse af sediment kerne.
      8. Genskab corer ved at trække rebet konstant og blidt.
      9. Når kernen er tæt på overfladen, men stadig helt neddykket (herunder gummi del af den corer, der sikrer vakuum) placere en gummiprop i bunden af prøveudtagning tube. Inspicere for vand/sediment interface; Det bør være klar og ikke synligt generet (figur 1e). Hvis dette ikke er tilfældet, kassér kerne, rense røret, og Gentag trin 2.1.1.4-9.
      10. Opløfte hele coring systemet fra vandet. Frigive prøveudtagning røret fra corer og placere en PVC dækning på toppen. Forsegle det med dobbeltklæbende tape. Undgå dannelsen af luftrummet.
   2. Littoral levesteder og lavt vand organer
      1. Kjole i en vadefugl for prøveudtagning på meget lavt vand (< 0,6 m).
      2. Bruge snorkling eller scuba gear for dybere prøveudtagning (op til 3 m).
      3. Vælg indsamlingspunkt ifølge undersøgelsen mål. Tage til efterretning af stilling (fx, GPS koordinater). Manuelt, indsætte prøveudtagning tube (f.eks., akryl, ø 6,35 cm) i sedimentet.
      4. Placer en gummiprop i oversiden af prøveudtagning røret at opnå et vakuum.
      5. Fjern kernen fra sedimentet og hurtigt introducere en anden gummiprop nederst tube.
         Bemærk: Det er nødvendigt at arbejde med rør under vandet på alle tidspunkter; på meget lavvandede steder anbefaler vi afkorte røret ned til 20 cm. Undertiden sedimentet har et højt vandindhold og afløb når røret er fjernet fra sedimentet seng. I dette tilfælde er det nødvendigt at indføre bund prop uden opløftende core udenfor sedimentet. For at gøre dette, manuelt fordybe prop i sediment omkring røret og placere det omhyggeligt for at lukke i bunden af røret.
      6. Op af vandet, erstatte inderlåret gummiprop med en PVC låg og forsegle krydset med dobbeltklæbende tape.
2. Beskytte kernen under dens overførsel til laboratoriet af minimere rotationer og ryster.

3. kalibrering af lattergas (N₂O) mikrosensorer

1. Du bruger computeren (strip diagram, sensor software), kontrollere, at sensorsignalet er stabil og lav (< 20 mV).
2. Opret en ny fil (fxmed datoen og prøvetagningsstedet (130903_Redon_Lake)) for at optage kalibreringsværdier og sensorsignaler.
   Bemærk: Sensorsignalerne er følsomme over for temperatur (figur 4). Brug den samme temperatur for målingerne og sensor-kalibrering. Sensoren reagerer lineært mellem 0-2,5% N₂O²⁰. En to-punkts kalibrering er derfor tilstrækkelig¹⁸.
3. For kalibrering læst værdi med nul lattergas, sensorsignal at holde sensoren tip nedsænket i N₂O-gratis vand (deioniseret vand).
4. Kalibrere med N₂O vand på den ønskede koncentration.
   Bemærk: Forberede vand med en defineret N₂O koncentration, der lidt vil overstige den maksimale koncentration forventes under inkubation. Vi bruger ~ 25 µM N₂O som værdien kalibrering. Vær opmærksom på den maksimale sensor rækkevidde koncentration af 500 N₂O µM og derunder.
   1. Få N₂O-mættet vand af boblende N₂O i ionbyttet vand i et par minutter.
      Bemærk: N₂O vandopløselighed afhænger af temperatur og saltholdighed²¹; i tabellen i tillæg af sensor manuel¹⁸.
   2. Fortynd N₂O mættet vand ved at tilføje en vis mængde af mættet N₂O vand til et volumen på deioniseret vand. Ved 20 ° C, skal du tilføje 0,3 mL mættet N₂O vand, som har en koncentration på 28,7 mM N₂O, til i alt 375 mL vand til at opnå en 22,9 µM N₂O koncentration. Bemærk at 375 mL er det samlede volumen af kalibrering kammer (figur 1b).
   3. Efter forsigtigt blandingen N₂O læse mættede vand med deioniseret vand i kalibrering fartøj til at fortynde det til den ønskede koncentration, sensorsignal når det er konstant. Denne behandling er kalibreringsværdi med X µM N₂O vand. Når du blander løsningen, være omhyggelig med ikke at skabe bobler, som dette ville fjerne N₂O fra kalibreringsopløsningen.
      Bemærk: Være opmærksom på at N₂O i vandet langsomt vil slippe ud i luften; således kan forberedt kalibreringsopløsningen kun bruges i et par minutter.

4. kerne forberedelse og acetylen hæmning

1. Ændre dækslet til PVC beliggende på toppen af hver sediment kerne af et dække med et hul i midten og en hængende magnetomrører. Re forsegle krydset med dobbeltklæbende tape.
2. Nedsætte vand-fase af hver prøve til en omtrentlig højde 12 cm (volumen ≈ 380 mL). For dette, skal du først indsætte en silikone slange i den centrale hul. Derefter sætte sediment kernen i en cylinder og skubbe bund prop pres. Prop og sediment prøve gå, og det overskydende vand passerer gennem røret. Indsamle vandet i et modtagende fartøj.
   Bemærk: Prøver med grove granulering kan være problematisk i dette trin. Sediment partikler placeres mellem proppen og røret kan deformere proppen og åbne et hul gennem hvilken luft bobler kan passere og forstyrre prøven. For at undgå dette problem, sætte cylinderen i midten af bunden proppen og forsøger at skubbe med en konstant kraft. Fugen mellem silikone rør benyttede til at evakuere de overskydende vand og dækslet til PVC består af en fast del (f.eks., en 5 mL pipette tip uden sit smalleste ende) indsat i silikone rør.
3. Udføre acetylen hæmning af bobler med acetylen gas i vandet fase af kernen i ca 10 min. Undgå resuspending sedimentet.
   Bemærk: Som en eventuel ændring af metoden, tilføje et substrat (nitrat) gennem en koncentreret flydende medium før boblende acetylen til potentielle denitrifikation målinger (f.eks.som i figur 3b, c).

5. denitrifikation (N₂O ophobning foranstaltning)

1. Udfylde alle luftrum i prøven med den tidligere sidesten vand. Placer sensoren i sediment core gennem det centrale hul i dækslet til inderlåret PVC. Spidsen af sensoren skal placeres i vand-fase over omrører (figur 1c).
   Bemærk: Alle leddene i akryl prøveudtagning røret skal forsegles for at undgå gas og vand utætheder under måling (figur 1, c). I den nederste del af røret er gummiprop tilstrækkelig til dette. Forsegling af inderlåret del er vanskeligere. Dækslet til PVC skal indstilles. Det skal opvarmes med en fakkel; derefter, når materialet bliver fleksibel, men er ikke scorched dækslet er placeret i røret så at dens form kan formes. Efter afkøling, skal dække flere ændringer (med undtagelse af forsiden bruges til at transportere prøverne til laboratoriet i trin 2.1.1.10 eller 2.1.2.6). Den centrale hul hvor sensoren er indsat skal være boret. Omrøreren kan holdes med en fiskesnøre, som igen er fulgt med lim på indersiden af dækslet så at omrøreren hænger på snøren i vandet (figur 1c). Også, alle leddene (PVC dække tube og PVC dække sensor) forsegles med tape. Placer elastisk klæbende tape for at justere diameteren af sensoren for at forsegle kontaktoverfladen mellem det centrale hul i dækslet til PVC og sensor (figur 1c).
2. Tænd den elektromagnetiske puls kredsløb, der er en del af den omrøring system.
   Bemærk: Den omrøring system forhindrer stratificering af vand-fase uden forstyrrende (resuspending) sedimentet. Omrøring systemet består af et kredsløb, der tænder/slukker den elektromagnet, der tiltrækker/udgivelser magnetomrøreren (Se Tabel af materialer til en detaljeret beskrivelse).
3. Flytte elektromagnet omkring den ydre del af akryl røret indtil omrøreren bevæger sig løbende, og derefter løse det på plads ved hjælp af klæbebånd (figur 1c).
4. Luk inkubation kammeret for at sikre en konstant temperatur (fx, variation af ±0.3 ° C).
5. Tryk på knappen Optag (sensor software) til at starte optagelsen sensorsignal. Aflæsninger er typisk registreret hvert 5 min.
6. Tryk på stop-knappen i slutningen af måleperioden.

6. sidste måling skridt

1. Vent mindst ~ 10 min med sensorens tip neddykket i gratis-N₂O vand (deioniseret) før du læser signalet fra den nul N₂O kalibrering foranstaltning.
2. Udføre en afsluttende sensor-kalibrering. For dette, Gentag sensor-kalibrering, efter afsnit 3 men start med trin 3.3.
3. Gem filen (sensor software).

7. denitrifikation Rate beregninger

1. Start med tabelform outputfilen genereres af sensor software, som indeholder datapost af sensorsignalet i mV og µM N₂O og kalibreringsdata.
2. Plot sensorsignalet mod tiden for at visualisere N₂O ophobning tendensen (fx, figur 2en).
3. Brug kun tidsinterval med en lineær ophobning, bortset fra den indledende acclimation periode af prøven og en eventuel endelige mætning på grund af substrat begrænsning (fx, figur 2b). Oprette en lineær model af sensorsignalet (µM) over tid (h).
   Bemærk: Hældningen er denitrifikation sats (µM N₂O core^-1 h^-1), som, hvis divideret med området i kernen (πr²), omdannes til satsen i µM N₂O m^-2 h^-1, og når det ganges med den vandmængde (πr²h, hvor h er højden af vand-fase og r er den indre radius af akryl røret, i dette tilfælde 0,12 m og 0.03175 m, henholdsvis) omdannes til satsen i µmol N₂O m^-2 h^-1.

Representative Results

468 denitrifikation satser alt blev anslået ved hjælp af protokollen over i sedimenter fra pyrenæiske mountain søer i perioden 2013-2014. Vi viser nogle af disse resultater til at illustrere proceduren (figur 2 og figur 3). Generelt, har den lineære model mellem N₂O koncentration og tid god korrelation (R² ≥ 0,9). Hældningen af forholdet giver et estimat af denitrifikation sats (trin 7.3; f.eks. figur 2d). Hvis denitrifikation aktivitet er meget lav, sensorens elektronisk støj bliver vigtigere og godhed af fit forringes (f.eks.sensorer 4 og 5 i figur 2b og figur 3a). Selvom baseline detektionsgraensen for N₂O er ~0.1 µM i vand²², som er en mellemliggende værdi vedrørende alternative metoder²³, mulighed for at akkumulere tusindvis af kontinuerlige målinger til at filtrere støjen tillader skøn til relativt lave denitrifikation priser, op til ~ 1 µmol N₂O m^-2 h^-1 (figur 2 og figur 3). Lavere satser (dvs. ~0.4 µmol N₂O m^-2 h^-1) kan estimeres ved forsnævring af vand fase af core prøven til en højde på 8 cm (se protokollen trin 4.2).

Figur 2 : Denitrifikation rate beregninger i en temperatur afhængighed eksperiment. Faktisk (a og b) og potentielle denitrifikation målinger (c-f) er vist. Når temperaturen i målingen er nedsat (c), ved første prøve køler og sensorsignal, som er temperatur afhængige, afslår. (en) A lignende begivenhed indtræffer i starten af inkubation i faktiske denitrifikation måling; den varmere laboratoriemiøj med hensyn til inkubation betingelser producerer en afkøling af prøven, igen ledsaget af et fald i sensorsignalet. (e) når temperaturen er steget, i første omgang prøver varme og sensorsignal stiger eksponentielt i stedet for lineært. Når prøverne til en konstant temperatur, stiger sensorsignalet lineært som sædvanlig. I alle tilfælde er det muligt at beregne denitrifikation satser blot ved hjælp af perioden af lineære N₂O ophobning (b, dog f). (b) inaktiv prøve 3 er ikke vist. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 : Eksempler på denitrifikation Vurder beregninger. Faktisk (en) og potentielle (b og c) denitrifikation priser blev anslået. Vi brugte kun tidsintervallet med en lineær N₂O ophobning til at beregne de denitrifikation (hældningen af den lineære model). Men i (et), til undervisningsbrug, vi viser alle målinger (modeller) med mere og mindre succes; Vi ville kassere prøven 3 på grund af den høje ustabilitet af sensor og prøve 2 på grund af mætning i N₂O ophobning. (en) prøver 4 og 5 med satser på 0,5 og 0,7 µmol N₂O m^-2 h^-1, henholdsvis, er tilfælde af målinger i nærheden af detektionsgrænsen for metoden. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

De vigtigste fordele ved den beskrevne metode er brugen af minimalt forstyrret sediment kerne prøver og kontinuerlig registrering af N₂O ophobning. Disse tillade vurdering af relativt lav denitrifikation satser, der er sandsynligvis svarer til de forekommende i situ. Ikke desto mindre er nogle aspekter vedrørende coring, sensor ydeevne og potentielle forbedringer diskuteret.

En tilsyneladende enkel men kritisk trin i metoden er god core opsving. Grænsefladen sediment/vand skal opfylde tre kriterier: (i) ændring i dets kemiske eller konstituerende sammensætning, (ii) ingen ændring af vandindholdet eller ugyldige ratio, og (iii) ingen struktur pertubation²⁴. De færre forstyrrelser forvoldt prøven under den hele protokol, den mere realistisk og tættere på i situ betingelser vil den målte denitrifikation sats være. Der er flere enheder/teknikker for sediment kerne samling²⁵, og deres udvalg afhænger af vanddybden. Vi bruger en messenger-tilpasset tyngdekraften corer¹⁹ for dyb prøver (figur 1e) fordi det er en rimeligt letvægts enhed og kan hurtigt genoprette kort støbekerner²⁵ (core sediment ≥10 cm længde er mere end nok til at omfatte oxic og denitrifying lag i sedimenter^26,27,28). I coring jargon, "føler" er ofte omtalt som evnen til at kende placeringen af corer (uanset om det er stadig i vandsøjlen eller allerede i sedimentet) og om det er åben eller lukket²⁵. For mellemliggende vanddybder (5-50 m) er der normalt ingen vanskeligheder med følelse. Et tab af følelse opstår i dybere vand (> 50 m) fordi flytninger af vandsøjlen kan maskere placeringen af corer²⁵. Følelsen kan også være tabt i grundt vand (< 3 m) på grund af laterale drift og bølge handling²⁵; Det er derfor vi bruger en anden metode i grundt vand, enten direkte manual coring af dykning eller dressing i en vadefugl. Med dette system, kan den person, som foretager prøveudtagning Se sedimentet og vælge det nøjagtige sted før coring; Dette giver fxprøveudtagning af et sediment kerne, der indeholder en macrophyte. Efter prøvetagning, skal forskeren fortsætte med at arbejde omhyggeligt at minimalt forstyrre sediment core prøven under resten af protokollen, især hvis du udfører acetylen hæmning af boblende.

Nogle detaljer skal overvejes, når du bruger N₂O mikrosensorer. Sensor-software giver en kontinuerlig visualisering (strip diagram) sensor signal (baggrund hyppigheden af 1000 Hz)²⁹. Disse rå data og strip diagrammet (f.eks., figur 2en) kan gemmes. Det er nødvendigt at kontrollere den korrekte opførsel af sensoren efter sin polarisering (f.eks., når du vender tilbage fra feltsamlingen før trin 4). I særdeleshed, et lavt (< 20 mV) og konstant base signal forventes når det er nedsænket i N₂O-gratis vand. Kalibrere sensoren kort (~ 2 h) efter start dets brug; Hvis det er allerede blevet brugt i nogle dage, kan intervallet udvides (~ 24 h)¹⁸. At minimere rekalibrering, holde sensoren polariseret medmindre det ikke bruges til flere dage¹⁸. Over tid, kan en ændring i sensorsignalet forekomme, op til 50% i måneder, hvilket skyldes en forskellig gennemtrængelighed af sin membran¹⁸. Jo lavere den elektronisk interferens i laboratoriet, den mere konstant og stabil bliver sensorsignal. I forstand forbedrer ved hjælp af en UPS kvaliteten af den elektriske energi, der når måling enhed ved at filtrere spændingsudsving. Prøveudtagning interval, valgt i fanen Logger er forskellige fra baggrunden frekvens. Hver registreret punkt genereres ud fra gennemsnittet af mange målinger. Prøveudtagning interval (op til 10 s) angiver den frekvens, hvormed et datapunkt er registreret. Antallet af målinger pr. enhed af tid, der anvendes i gennemsnitlige defineres af baggrunden frekvens²⁹. For eksempel, hvis vi sætter en sampling hyppighed af 5 s og en baggrund hyppigheden af 500 målinger pr. sekund, så data punkter er indspillet hvert 5 s og gennemsnittet af de 500 stikprøver pr. sekund er målt under den tidligere 5 s. Vi optage sensorsignalet hvert 5 min (prøveudtagning interval) og indstille baggrunden frekvens til 1000 målinger pr. sekund. Undersøgelse system skal være kendt at vælge korrekt prøvetagning interval uden "gennemsnit" forventede udsving. I meget aktive systemer anbefales korte dataindsamlingsintervaller, mens længere mellemrum giver mulighed for optimering af computerens hukommelse²⁹. Nogle mulige interfererende stoffer (H₂S, nej, og CO₂) kan påvirke N₂O sensor signal²². Sensoren er kalibreret med deioniseret vand, men prøverne kan indeholde interfererende stoffer og ændre sensorens reference signal. Denne situation kunne forklare, hvorfor negative værdier vises i prøver 2 og 5 i figur 2b og figur 3a, henholdsvis. Men, når målet er at vurdere denitrifikation sats, det præcise niveau for N₂O er ikke den vigtigste parameter. Hvad er nøglen er hældningen af den lineære model (godtgør en lineær ophobning af N₂O). Endelig er det nødvendigt at arbejde med en fast temperatur, fordi svar af N₂O sensor ændrer sig med temperaturen (figur 4).

Simple ændringer eller tilføjelser til protokollen også aktiverer a karakterisering af miljømæssige betingelser kontrollere de målte denitrifikation priser, (ii) skøn over de potentielle denitrifikation priser ved at simulere reaktion på en drivende gradient (fx, nitrat), og (iii) skøn over sediment N₂O emission priser ved at springe C₂H₂ hæmning afhængigt af undersøgelse mål, flere supplerende målinger kan foretages: (i) lige efter at inddrive de kerne, i situ betingelser, f.eks., temperatur; (ii) før måling, prøver af vandet fase, fx[₃^-]; og (iii) efter målingen, ekstrudering og skiver af core på forskellige opløsninger (mm-cm)^25,30, efter procedurerne, der forklarede af P. T. Schwing et al. ³⁰.

For at måle de potentielle denitrifikation satser, skal du tilføje nitrat til vand-fase af centrale (f.eks. figur 2 og figur 3), som beskrevet i C. Palacin-Lizarbe, L. Camarero og J. catalansk¹⁷. Hvis dermed tilføje nitrat før C₂H₂ hæmning (trin 4.3). Også, hvis nitrat er tilføjet, er det tilrådeligt at også tilføje kulstof (C; fx, acetat) og fosfor (P) til at opretholde de i situ støkiometriske proportioner af C, N og P (f.eks.i den overflade sediment). Dette vil forhindre begrænsning af denitrifikation af disse elementer^31,32, og vil også holde C/N forholdet, der kan påvirke dominans af nitrat forbrug proces (dvs. denitrifikation versus reduktion af dissimilatory nitrat til ammonium (DNRA))⁴. Iltmangel kan fastsættes af boblende en N₂-CO₂ blandingen i et par minutter efter nitrat tilføjelsen, at forhindrer oxygeninterferens med denitrifikation; Bemærk dog, at dette fører til en blokering af nitrifikation. For at beregne sediment N₂O emission satser, skal du udelade C₂H₂ hæmning (trin 4.3). Men husk på, at så vidt det vides i øjeblikket i vandøkosystemer, N₂O-emissioner er forholdsmæssigt lave i forhold til N₂ emissioner (0% - 4,3%)³³, så det er muligt, at den akkumulerede N₂O vil være under detektionsgrænsen. Hvis dette er tilfældet, er en mulighed for at tilføje nitrat for at forøge den udsendte N₂O, beregning af potentielle N₂O-emissioner.

Den væsentligste svaghed ved metoden er hæmning af nitrifikation af C₂H₂^10,34. Under inkubation, kan denne hæmning af nitrifikation og ufuldstændige hæmning af N₂O reduktion blive synlige, som begge er meget tidsafhængig. For eksempel skal starter N₂O ophobning sats afsløre den virkelige denitrifikation sats og progressivt forfald som nitrat tilgængelighed dråber og N₂O diffunderer til nitrat fri zone, hvor det er reduceret³⁵. Derfor, en anslået denitrifikation sats kan anses for gyldigt, hvis aflæsningerne viser en lineær ophobning af N₂O¹⁰.

Den beskrevne metode estimerer en denitrifikation sats pr. område, der integrerer hele sediment aktivitet. I denne forbindelse er der nogle usikkerhed om radius af handling af acetylen hæmning når boblende gassen i den vandige fase af prøven. Det antages, at der, i det mindste hæmning af det surficial lag af sedimentet sker, som er den ene med den højeste denitrifikation priser^26,27.

Mulige forbedringer til denne metode er dets kombinerede anvendelse med ¹⁵N roebestoffer og ændringer, som kan muliggøre måling af denitrifikation in situ. ¹⁵ N tracer metoder kan bruges til at bestemme andelen af nitrifikation-denitrifikation kobling forekommer i prøver³⁶, og det kan også højde for andre N flux processer udover denitrifikation (fx, anammox og dissimilatory reduktion af nitrat til ammonium (DNRA))^13,37. Disse metoder har dog Ulempen ved skiftende substrat koncentration¹⁰. A. Behrendt, D. de Beer og P. Stief ²⁶ anvender en metode, der kombinerer N₂O mikrosensorer, C₂H₂ hæmning og ¹⁵N røbestoffer til at analysere den lodrette aktivitet fordeling af dissimilatory nitrat reduktion processer (denitrifikation og DNRA) i sedimenter. De lavede lodrette profiler i sedimentet af gennemtrængende sedimentet med sensorer. Den største vanskelighed i at måle denitrifikation i situ er evnen til at håndtere et nonconstant temperatur miljø. Det er nødvendigt at optage N₂O ophobning og temperatur samtidig og derefter rette N₂O sensor signal af temperatur afhængigheden under denitrifikation rate beregninger. Denne korrektion kræver en tidligere analyse af temperatur afhængighed af N₂O signal til hver sensor. Sensorerne er håndlavede, og hver især reagerer forskelligt på temperatur (f.eks.sensor 1 viser en højere temperatur afhængighed end de andre i figur 2c, e).

Figur 4 : Temperatur afhængighed af N₂O mikrosensorer svar. De forskellige skråninger af den lineære model af sensor signal versus temperatur ved hver N₂O koncentration viser temperaturen effekt på den sensorsignalet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Messenger-adapted gravity corer	-	-	Reference in the manuscript. Made by Glew, J.
Sampling tube	-	-	Acrylic. Dimensions: 100 cm (h) × 6.35 cm (d) × 6.50 cm (D). Sharpen the edge of the sampling tube that penetrates into the sediment to minimize the disturbance in the recovered sediment core sample.
Handheld sounder	Plastimo	38074	Echotest II Depth Sounder.
Rubber stopper	VWR	DENE1012114	With two holes, used to mix the N2O-water in the calibration chamber. Dimensions: 20 mm (h) × 14 mm (d) × 18 mm (D) (3 mm hole (D)).
Rubber stopper	VWR	217-0125	To seal the bottom part of the methacrylate tube and to sample in shallow water bodies. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D).
Rubber stopper	VWR	217-0126	Place the rubber stopper in the top side of the sampling tube to obtain a vacuum for sampling in littoral zones and shallow water bodies. Dimensions: 50 mm (h) x 60 mm (d) x 70 mm (D).
PVC cover	-	-	To seal the top side part of the acrylic tube. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). Dimensions: 65 mm (D).
Adhesive tape	-	-	Waterproof. To ensure all joints (PVC cover sampling tube and PVC cover sensor) and to avoid water leaks.
Thermometer	-	-	Portable and waterproof, to measure the temperature in the water overlying the sediment just after sampling the cores.
GPS	-	-	To save the location of a new sampling site or to arrive at a previous site.
Wader	-	-	For littoral or shallow site samplings.
Boat	-	-	An inflatable boat is the best option for its lightness if the sampling site is not accessible by car.
Rope	-	-	Rope with marks showing its length (e.g., marked with a color code to distinguish each meter).
N2O gas bottle and pressure reducer	Abelló Linde	32768-100	Gas bottle reference.
C2H2 gas bottle and pressure reducer	Abelló Linde	32468-100	Gas bottle reference.
Tube used to evacuate the excess of water	-	-	Consists of a solid part (e.g., a 5 ml pipette tip without its narrowest end) inserted in a silicone tube.
Nitrous Oxide Minisensor w/ Cap	Unisense	N2O-R	We use 4 sensors at a time.
Microsensor multimeter 4 Ch. 4 pA channels	Unisense	Multimeter	Picoammeter logged to a laptop. The standard device allows for 2 sensor picoammeter connections (e.g., N2O sensor), one pH/mV and a thermometer. We ordered a device with four picoammeter connections, allowing the use of 4 N2O sensors simultaneously.
SensorTrace Basic 3.0 Windows software	Unisense		Sensor data acquisition software.
Calibration Chamber incl. pump	Unisense	CAL300	Calibration chamber. We tuned it with rubber stoppers and syringes to mix the N2O-water without making bubbles.
Incubation chamber	Ibercex	E-600-BV	Indispensable equipment for working at a constant temperature (±0.3 °C). It also allows control of the photoperiod.
Electric stirrer	-	-	Part of the stirring system. It hangs in the water, overlying the sediment subject, by a fishing line that is hooked to the PVC cover.
Electromagnet	-	-	Part of the stirring system. It is fixed to the outside of the acrylic tube, approximately at the same level as the stirrer. It is activated episodically (ca. 1 on-off per s) by a circuit, attracting the stirrer when it is on and releasing it when it is off, thereby generating the movement that agitates the water.
Electromagnetic pulse circuit	-	-	Part of the stirring system. It is connected by wires to the electromagnet and sends pulses of current that turn the electromagnet on and off.
Uninterruptible power supply (UPS)	-	-	It improves the quality of the electrical energy that reaches the measurement device, filtering the highs and low of the voltage, thereby ensuring a more constant and stable N2O sensor signal.