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Estimation des taux de dénitrification de sédiments à l’aide de carottes et N2O microcapteurs

Published: December 6, 2018 doi: 10.3791/58553
Automatic Translation
1, 2, 1,3
1Campus UAB, CREAF, 2Center for Advanced Studies of Blanes, (CEAB, CSIC), 3CSIC

Summary

Cette méthode permet d’estimer les taux de dénitrification sédiments dans des carottes de sédiments à l’aide de l’acétylène inhibition technique microcapteur des mesures et de l’accumulé N2O. Le protocole décrit les procédures pour collecter les carottes, étalonnage des capteurs, effectuant l’inhibition de l’acétylène, mesurant l’accumulation de2O N et en calculant le taux de dénitrification.

Abstract

La dénitrification est le principal processus biogéochimique enlever azote réactif de la biosphère. L’évaluation quantitative de ce processus est devenu particulièrement pertinente pour évaluer le cycle d’azote global anthropique altérés et les émissions de gaz à effet de serre (c.-à-d., N2O). Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la dénitrification, mais aucun d'entre eux sont tout à fait satisfaisante. Problèmes avec les méthodes existantes notamment leur sensibilité insuffisante, et qu’il fallait modifier les concentrations de substrat ou de modifier la configuration physique du processus en utilisant perturbé des échantillons. Cet ouvrage décrit une méthode d’estimation des taux de dénitrification de sédiments qui combine le carottage, inhibition acétylénique et mesures microcapteur de l’accumulé N2O. Les principaux avantages de cette méthode sont une faible perturbation de la structure des sédiments et la collection d’un enregistrement continu de l’accumulation de N2O ; ceux-ci permettent des estimations de taux de dénitrification fiable avec des valeurs minimales jusqu'à 0,4 à 1 µmol N2O m-2 h-1. La possibilité de manipuler des facteurs clés est un avantage supplémentaire pour l’obtention des connaissances expérimentales. Le protocole décrit les procédures pour collecter les carottes, étalonnage des capteurs, effectuant l’inhibition de l’acétylène, mesurant l’accumulation de2O N et en calculant le taux de dénitrification. La méthode est appropriée pour l’estimation des taux de dénitrification dans n’importe quel système aquatique avec des carottes de sédiments récupérables. Si la concentration de2O N est supérieure à la limite de détection du capteur, l’étape de l’inhibition de l’acétylène peut être omise pour estimer les émissions de2O N au lieu de dénitrification. Nous montrons comment estimer les taux réels et potentiels de dénitrification en augmentant la disponibilité de nitrate, mais aussi la dépendance en température du processus. Nous illustrons la procédure à l’aide de sédiments de lacs de montagne et discuter les avantages et les faiblesses de la technique par rapport aux autres méthodes. Cette méthode peut être modifiée à des fins particulières ; par exemple, il est cumulable avec 15N traceurs pour évaluer la nitrification et dénitrification ou champ in situ des mesures du taux de dénitrification.

Introduction

Les altérations anthropiques du cycle de l’azote est un des problèmes plus difficiles pour le système de terre1. L’activité humaine a au moins doublé les niveaux d’azote réactif disponible à la biosphère2. Cependant, il reste de grandes incertitudes au sujet de comment le cycle de N global est évalué. Quelques estimations de flux ont été quantifiées avec moins de marge d’erreur de ± 20 %, et beaucoup ont des incertitudes de ±50 % et plus de3. Ces incertitudes indiquent le besoin d’estimations précises du taux de dénitrification à travers les écosystèmes et la compréhension des mécanismes sous-jacents de la variation. La dénitrification est une activité microbienne à travers lequel les oxydes azotés, principalement des nitrates et des nitrites, sont réduits à gaz diazote, N2O et N24. La voie est très pertinente à la disponibilité de biosphère d’azote réactif parce que c’est le principal processus de retrait5. N2O est un gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement près de 300 fois que du CO2 plus de 100 ans et c’est la principale cause actuelle d’appauvrissement de l’ozone stratosphérique en raison des grandes quantités étant émis6,7.

Dans ce qui suit, nous présentons un protocole pour l’estimation des taux de dénitrification de sédiments à l’aide de carottes et N2O microcapteurs expérimentalement les (Figure 1). Les taux de dénitrification sont estimés à l’aide de l’acétylène inhibition méthode8,9 et la mesure de l’accumulation de N2O durant une période définie (Figure 2 et Figure 3). Nous démontrons la méthode en l’appliquant aux sédiments de lac de montagne. Cette étude de cas met en lumière la performance de la méthode de détection des taux relativement faibles avec une perturbation minimale de la structure physique des sédiments.

La dénitrification est particulièrement difficile à mesurer10. Il y a plusieurs moyens et méthodes, chacune avec des avantages et des inconvénients. Les inconvénients aux méthodes disponibles incluent l’utilisation des ressources coûteuses, sensibilité insuffisante et qu’il fallait modifier les concentrations de substrat ou de modifier la configuration physique du processus en utilisant les échantillons dérangés10. Un défi encore plus fondamental à la mesure N2 est ses niveaux élevés de fond dans l’environnement de10. La réduction de N2O N2 est inhibée par l’acétylène (C2H2)8,9. Ainsi, la dénitrification peut être quantifiée en mesurant l’accumulé N2O en présence de C2H2, qui est possible à cause des faibles niveaux de2O N environnement.

L’utilisation du C2H2 pour mesurer le taux de la dénitrification dans les sédiments a été développée il y a environ 40 ans11et l’incorporation de capteurs de N2O a eu lieu une dizaine d’années plus tard12. L’approche axée sur l’acétylène plus largement appliquée est le « noyau statique ». L’accumulation N2O est mesurée pendant une période d’incubation jusqu'à 24 h après que le C2H2 est ajouté à l’espace de tête des sédiments scellé base10. La méthode décrite ici suit cette procédure avec quelques innovations. Nous ajoutons le C2H2 par bulles de gaz dans la phase aqueuse du noyau pendant quelques minutes, et nous remplir tout l’espace de tête avec échantillon d’eau avant de mesurer l’accumulation de N2O avec un microcapteur. Nous incluons également un système d’agitation qui empêche la stratification de l’eau sans resuspendant le sédiment. La procédure quantifie le taux de dénitrification par zone de sédiments de surface (p. ex., µmol N2O m-2 h-1).

La forte variation spatiale et temporelle de dénitrification présente une autre difficulté dans sa quantification précise10. Habituellement, l’accumulation de N2O est mesurée séquentiellement par chromatographie en phase gazeuse des échantillons d’espace de tête qui sont recueillies au cours de l’incubation. La méthode décrite fournit un contrôle amélioré de la variation temporelle de l’accumulation de N2O, car le microcapteur fournit un signal continu. Le multimètre microcapteur est un amplificateur numérique microcapteur (picoammeter) qui s’interface avec l’ou les capteurs et l’ordinateur (Figure 1a). Le multimètre permet plusieurs N2O microcapteurs être utilisé en même temps. Par exemple, jusqu'à quatre sediment cores provenant du même site d’étude peuvent être mesurés simultanément pour tenir compte de la variabilité spatiale.

L’approche de base à peine perturbe la structure des sédiments par rapport à d’autres méthodes (par exemple, boues). Si l’intégrité des sédiments est altérée, cela conduit à la dénitrification irréaliste taux13 qui conviennent uniquement pour les comparaisons relatives. Des taux plus élevés sont toujours obtenus avec des méthodes de lisier par rapport aux principales méthodes14, parce que ce dernier conserve la limitation de la dénitrification par substrat diffusion15. Mesures de boue ne peut pas être considéré comme représentant in situ tarifs16; ils fournissent des mesures relatives pour les comparaisons faites avec exactement la même procédure.

La méthode décrite est d’estimer les taux de dénitrification dans n’importe quel type de sédiments qui peuvent être évidées. Nous recommandons particulièrement la méthode permettant d’effectuer des manipulations expérimentales de certains des facteurs de conduite. On peut citer des expériences qui modifient la disponibilité de nitrate et de la température au besoin pour estimer l’énergie d’activation (Eun) de dénitrification17 (Figure 2).

Figure 1
Figure 1 : Montage expérimental. (a) général montage expérimental pour estimer les taux de dénitrification des sédiments à l’aide de carottes et N2O microcapteurs. La chambre d’incubation garantit des conditions de (±0, 3 ° C) obscurité et à température contrôlée. Cinq des carottes de sédiments intacts peuvent être traitées simultanément en utilisant leurs capteurs de2O N respectifs. chambre d’étalonnage (b), N2O capteur. Nous avons adapté avec bouchons en caoutchouc et des seringues à mélanger le N2O eau (voir protocole étape 3.4.3). Il y a un thermomètre pour contrôler la température de l’eau. (c) gros plan d’une carotte de sédiments avec le capteur inséré dans le trou central du couvercle PVC et les joints scellés avec du ruban adhésif. L’agitateur est suspendu dans l’eau, et l’électro-aimant est près de lui et fixé sur la partie externe du tube acrylique. (d), gros plan sur le N2O microcapteur bout protégé par un morceau de métal. (e) une carotte de sédiments qui a juste été récupérée. Il a été échantillonné à partir d’un bateau dans un lac profond ; le tube acrylique avec le noyau est toujours fixé au carottier à gravité adapté au Messager19. Voir la Table des matières pour tous les éléments nécessaires à l’exercice de cette méthode. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Protocol

1. préparation

Remarque : Cela commence le jour avant que les mesures soient prises.

  1. Assembler la configuration de mesure (Figure 1a, voir la Table des matières).
    Remarque : Pour assurer une alimentation constante et de qualité, l’appareil de mesure est raccordé à la poignée via une alimentation sans coupure (UPS) qui peut aussi agir comme une sauvegarde. Dans le cas d’une panne de courant de longue durée, une batterie de voiture servent de source d’alimentation supplémentaire.
  2. Démarrer le logiciel de la sonde et appliquer un -0,8 V tension de polariser le N2O microcapteurs. Le signal indique une descente rapide et une hausse subséquente, puis enfin, elle diminue jusqu'à ce qu’il est faible et stable.
    NOTE : Le fabricant microcapteur recommande de polarisation au moins une nuit (ou plus) afin d’assurer la stabilité du signal de la sonde. Une autre recommandation est de garder le capteur polarisé si des mesures sont prévues pour multiple ou jours consécutifs18.
  3. Mettez la chambre d’incubation et ajuster les conditions expérimentales (par exemple, choisis la lumière s’éteint et température réglée pour être semblable à celui attendu dans le domaine). Placer un récipient avec de l’eau déionisée dans la chambre afin que l’eau soit disponible plus tard à la température de mesure pour l’étalonnage des capteurs.
    Remarque : Cette étape peut être faite le jour même des mesures prévues, avant le départ pour recueillir les carottes. Pour les mesures standards, il est conseillé d’utiliser des conditions d’obscurité.
  4. Emballer le noyau du domaine matériel de collection : dispositif carottier, prélèvement d’échantillons de tubes, bouchons en caoutchouc, robinets de polychlorure de vinyle (PVC), tournevis, unité de système (GPS) positionnement global, thermomètre, sondeur portatif, échassier et bateau gonflable (voir le Table de Matériaux). Utiliser une liste de contrôle pour s’assurer que tous les matériaux sont inclus.

2. sédiments Core Collection

  1. En fonction de la profondeur de l’eau, suivez 2.1.1 ou 2.1.2.
    1. Pour les plans d’eau profonde
      1. Utilisez un carottier à gravité adapté au Messager19 d’un bateau ou d’une plate-forme (Figure 1e).
      2. Fixer le tube de prélèvement (acrylique, ø 6,35 cm, longueur ≥ 50 cm) pour le carottier avec un tournevis.
      3. Sélectionnez le point de prélèvement selon les objectifs de l’enquête. Prendre note de la position (par exemple, à l’aide de coordonnées GPS) et la profondeur de mesure (p. ex., à l’aide d’un sondeur de poche). Si l’échantillonnage d’un bateau, utilisez une ancre (par exemple, un sac avec des pierres) pour éviter la dérive au cours de la collection de base.
      4. Déployer le système de prélèvement jusqu'à ce que le tube d’échantillonnage est de ~ 1 m de sédiments. Utiliser une corde avec des marques régulières (par exemple, des intervalles de 1 m) pour contrôler la position de la profondeur de l’équipement d’échantillonnage.
      5. Stabiliser l’équipement d’échantillonnage pendant 60 s (par exemple, pour minimiser le mouvement du bateau). Cela garantira la pénétration de sédiments correcte et la récupération d’une carotte de sédiments guère troublé.
      6. Libérer ~ 1 m plus de corde pour que le tube d’échantillonnage pénètre dans le sédiment. Sachez que si le tube d’échantillonnage pénètre trop, il peut perturber l’interface eau/sédiment.
      7. Libérer le Messager tout en essayant de maintenir la tension dans la corde afin que le carottier reste fixe et en position verticale. Lorsque le Messager produit des effets du carottier, une petite différence peut être ressentie dans la tension de la corde. A cette époque, fermer le carottier pour générer le vide qui permet de récupérer la carotte de sédiments.
      8. Récupérer le carottier en tirant sur la corde constante et en douceur.
      9. Une fois que le noyau se trouve à proximité de la surface mais toujours entièrement submergée (y compris la partie en caoutchouc du carottier qui assure le vide), placez un bouchon en caoutchouc en bas du tube d’échantillonnage. Examinez l’interface eau/sédiment ; il doit être clair et pas visiblement perturbé (Figure 1e). Si ce n’est pas le cas, jeter le noyau, nettoyer le tube et répétez les étapes 2.1.1.4-9.
      10. Soulèvement de tout le système de prélèvement de l’eau. Débloquez le tube de prélèvement du carottier et mettez une housse en PVC sur le dessus. Fermez-le hermétiquement avec du ruban adhésif. Éviter la formation de l’espace aérien.
    2. Pour les habitats littoraux et plans d’eau peu profonde
      1. Robe en une espèce de limicole appartenant pour l’échantillonnage dans les eaux très peu profondes (< 0,6 m).
      2. Utilisez snorkeling ou plongée à engrenages pour l’échantillonnage plus profonde (jusqu'à 3 m).
      3. Sélectionnez le point de prélèvement selon les objectifs de l’enquête. Prenez note de la position (par exemple, coordonnées GPS). Insérer manuellement, le tube de prélèvement (par exemple, acrylique, ø 6,35 cm) dans les sédiments.
      4. Placer un bouchon de caoutchouc dans la partie supérieure du tube d’échantillonnage afin d’obtenir un vide.
      5. Retirer le cœur des sédiments et d’introduire rapidement un autre bouchon de caoutchouc dans le bas du tube.
        NOTE : Il est nécessaire de travailler avec le tube sous l’eau en permanence ; sur des sites très peu profondes, il est recommandé de raccourcir le tube jusqu'à 20 cm. Parfois les sédiments a forte teneur en eau et vidange lorsque le tube est retiré du lit de sédiments. Dans ce cas, il est nécessaire d’introduire le bouchon de fond sans exaltant le noyau à l’extérieur les sédiments. Pour ce faire, manuellement plonger le bouchon dans les sédiments autour du tube et le placer avec précaution pour fermer le fond du tube.
      6. Hors de l’eau, remplacer le bouchon en caoutchouc dessus avec une housse en PVC et sceller la jonction avec du ruban adhésif.
  2. Protéger le noyau au cours de son transfert au laboratoire en minimisant les rotations et secouant.

3. étalonnage de l’oxyde nitreux (N2O) microcapteurs

  1. À l’aide de l’ordinateur (bande graphique, logiciel de capteur), vérifier que le signal du capteur est stable et faible (< 20 mV).
  2. Créez un nouveau fichier (par exemple, avec la date et le site d’échantillonnage (130903_Redon_Lake)) pour enregistrer les valeurs d’étalonnage et les signaux du capteur.
    Remarque : Les signaux du capteur sont sensibles à la température (Figure 4). Utilisez la même température pour la mesure et l’étalonnage des capteurs. Le capteur réagit linéairement entre 0 % - 2,5 % N2O20. Par conséquent, un étalonnage en deux points est suffisante18.
  3. Pour l’étalonnage valeur avec zéro protoxyde d’azote, lire le signal du capteur maintenant l’embout de sonde immergée dans le N2O eau (déminéralisée).
  4. Calibrer avec le N2O l’eau à la concentration désirée.
    NOTE : Préparer de l’eau avec une concentration de2O N définie, qui dépassera légèrement la concentration maximale prévue pendant l’incubation. Nous utilisons environ 25 µM N2O comme la valeur d’étalonnage. Sachez n’excédant ne pas la concentration maximale capteur de gamme de 500 N2O µM.
    1. Procurez-vous N2l’eau saturée en O par propagation N2O dans l’eau désionisée pendant quelques minutes.
      Remarque : La solubilité dans l’eau de N2O dépend de la température et la salinité21; Voir le tableau dans l’annexe du Manuel capteur18.
    2. Diluer le N2O saturée d’eau en ajoutant un certain volume d’eau saturée de2O N à un volume d’eau désionisée. Par exemple, à 20 ° C, ajouter 0,3 mL de N2O eau saturée, qui a une concentration de 28,7 mM N2O, pour un total de 375 mL d’eau pour obtenir une 22,9 µM N2O concentration. Remarque que 375 mL est le volume total de la chambre d’étalonnage (Figure 1b).
    3. Après le mélange doucement le N2O eau saturée avec de l’eau déionisée dans le récipient de calibration de la diluer à la concentration désirée, lire le signal du capteur lorsqu’il est constant. Cette lecture est la valeur d’étalonnage avec de l’eau X µM N2O. Lors du mélange de la solution, veillez à ne pas à générer des bulles, comme ce qui éliminerait le N2O de la solution d’étalonnage.
      Remarque : N’oubliez pas que le N2O dans l’eau n’échappera lentement dans l’air ; ainsi, la solution d’étalonnage prêt utilisable uniquement pendant quelques minutes.

4. base de préparation et l’Inhibition acétylénique

  1. Changement de la couverture PVC situé en haut de chaque carotte de sédiments par un autre couvercle avec un trou au centre et un agitateur magnétique suspendu. Refermer la jonction avec du ruban adhésif.
  2. Réduire la phase aqueuse de chaque échantillon à une hauteur approximative de 12 cm (≈ volume 380 mL). Pour ce faire, insérez d’abord un tube de silicone dans le trou central. Ensuite, mettre la carotte de sédiments dans un cylindre et pousser le bouchon de fond pour créer la pression. Le bouchon et un échantillon de sédiments monter, et l’excès d’eau passe à travers le tube. Recueillez l’eau dans un bateau qui reçoit.
    Remarque : Les échantillons avec granularité grossière peuvent être problématiques au cours de cette étape. Les particules de sédiments placés entre le bouchon et le tube peuvent déformer le bouchon et ouvrir un trou à travers laquelle l’air bulles peuvent passer et déranger l’échantillon. Pour éviter ce problème, mettre la bouteille dans le centre du bouchon de fond et d’essayer de pousser avec une force constante. Le joint entre le tube de silicone utilisé pour évacuer l’excès d’eau et le revêtement en PVC se compose d’une partie solide (par exemple, une pointe de pipette de 5 mL sans son extrémité plus étroite), insérée dans le tube de silicone.
  3. Effectuer l’inhibition de l’acétylène par barbotage avec gaz d’acétylène dans la phase aqueuse du noyau pendant environ 10 min. Évitez les resuspendant le sédiment.
    Remarque : Comme une éventuelle modification de la méthode, ajoutez un substrat (nitrate) à travers un milieu liquid concentré avant bouillonnant acétylène pour mesures potentielles de dénitrification (par exemple, comme dans la Figure 3b, c).

5. la dénitrification (mesure de l’accumulation N2O)

  1. Remplir tout l’espace aérien dans l’échantillon avec le précédent reste d’eau. Placer la sonde dans la carotte de sédiments dans le trou central du couvercle PVC dessus. L’embout du capteur doit se trouver dans la phase aqueuse au-dessus de l’agitateur (Figure 1c).
    Remarque : Tous les joints du tube acrylique d’échantillonnage doivent être scellés pour éviter les fuites de gaz et d’eau pendant la mesure (Figure 1a, c). Dans la partie inférieure du tube, le bouchon en caoutchouc est suffisant pour cela. La partie de surface d’étanchéité est plus difficile. Le revêtement en PVC doit être à l’écoute. Il doit être chauffé avec une lampe de poche ; puis, quand le matériel devient souple, mais n’est pas brûlé, le couvercle est placé dans le tube pour que sa forme peut être moulée. Après refroidissement, la couverture nécessite des modifications plus (à l’exception de la couverture servant à transporter les échantillons au laboratoire de mesures 2.1.1.10 ou 2.1.2.6). Il faut percer le trou central où le capteur est inséré. L’agitateur peut être tenu avec une ligne de pêche, qui à son tour est collée avec de la colle à l’intérieur du couvercle afin que le brasseur se bloque sur la ligne de pêche dans l’eau (Figure 1c). En outre, toutes les articulations (tube de couverture en PVC et PVC couvercle capteur) sont scellées avec du ruban adhésif. Placer une bande adhésive élastique pour ajuster le diamètre de la sonde afin de sceller la surface de contact entre le trou central du couvercle PVC et la sonde (Figure 1c).
  2. Interrupteur sur le circuit de l’impulsion électromagnétique qu’appartient le système d’agitation.
    Remarque : Le système d’agitation empêche la stratification de la phase aqueuse sans inquiétant (resuspendant) les sédiments. Le système d’agitation se compose d’un circuit qui allume / éteint l’électro-aimant qui attire/communiqués de l’agitateur magnétique (voir la Table des matières pour obtenir une description détaillée).
  3. Déplacez l’électro-aimant autour de la partie externe du tube acrylique jusqu'à ce que le brasseur passe sans cesse et puis le fixer avec du ruban adhésif (Figure 1c).
  4. Fermer la chambre d’incubation pour garantir une température constante (par exemple, variation de ±0, 3 ° C).
  5. Appuyez sur le bouton d’enregistrement (logiciel de capteur) pour commencer à enregistrer le signal du capteur. Lectures sont généralement enregistrés toutes les 5 min.
  6. Appuyez sur le bouton d’arrêt à la fin de la période de mesure.

6. étapes de mesure final

  1. Attendre au moins 10 min avec la pointe de la sonde submergée dans l’eau libre-N2O (désionisée) avant de lire le signal de la zéro mesure de calibration de2O N.
  2. Effectuer un calibrage de la sonde final. Pour ce faire, répétez le calibrage de la sonde, suite à l’article 3 mais en commençant par l’étape 3.3.
  3. Enregistrez le fichier (logiciel de capteur).

7. calculs de taux de dénitrification

  1. Commencez avec le fichier de sortie tableaux généré par le logiciel de capteur qui contient l’enregistrement du signal de la sonde dans les données d’étalonnage, mV et µM N2O.
  2. Tracer le signal du capteur contre le temps de visualiser la tendance d’accumulation de2O N (par exemple, la Figure 2a).
  3. Utilisez uniquement la plage horaire avec une accumulation linéaire, à l’exclusion de la période d’acclimatation initiale de l’échantillon et une éventuelle saturation définitive en raison de la limitation du substrat (par exemple, la Figure 2b). Créer un modèle linéaire du signal du capteur (µM) au fil du temps (h).
    Remarque : La pente est le taux de dénitrification (µM N2O core-1 h-1), qui, si divisée par l’aire de la carotte (πr2), transforme le taux en µM N2O m-2 h-1et lorsqu’il est multiplié par le volume (πr2h, où h est la hauteur de la phase aqueuse et r est le rayon interne du tube acrylique, dans ce cas 0,12 m et 0,03175 m, respectivement) de l’eau transforme le taux en µmol N2O m-2 h-1.

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Representative Results

Un total de 468 taux de dénitrification ont été estimées en utilisant le protocole ci-dessus dans les sédiments de lacs de montagne des Pyrénées, sur la période 2013-2014. Nous montrons que certains de ces résultats pour illustrer la procédure (Figure 2 et Figure 3). En général, le modèle linéaire entre la concentration de N2O et l’heure a bonne corrélation (R2 ≥ 0,9). La pente de la relation fournit une estimation du taux de dénitrification (étape 7.3 ; par exemple,dde la Figure 2). Si l’activité de dénitrification est très faible, bruit électronique de la sonde devient plus importante et la qualité de l’ajustement diminue (par exemple, capteurs, 4 et 5 dans la Figure 2 b et la Figure 3 a). Bien que la limite de détection du niveau de référence de N2O est ~0.1 µM dans l’eau22, qui est un intermédiaire valeur concernant des méthodes alternatives23, la possibilité d’accumuler des milliers de mesures en continu pour filtrer le bruit permet des estimations à des taux relativement faibles de dénitrification, jusqu'à ~ 1 µmol N2O m-2 h-1 (Figure 2 et Figure 3). Baisse des taux (c.-à-d. ~0.4 µmol N2O m-2 h-1) peut être estimée par un rétrécissement de la phase aqueuse de l’échantillon de base jusqu'à une hauteur de 8 cm (voir protocole étape 4.2).

Figure 2
Figure 2 : Calculs de taux de dénitrification dans une expérience de la dépendance de la température. Dépenses réelles (a et b) et des mesures potentielles de dénitrification (c–f) sont indiquées. Lorsque la température de la mesure est une diminution (c), au départ l’échantillon se refroidit et le signal du capteur, qui est dépendante de la température, diminue. (un) A événement similaire se produit au début de l’incubation à la mesure réelle de la dénitrification ; l’environnement de laboratoire plus chaud en ce qui concerne les conditions d’incubation produit un refroidissement de l’échantillon, encore une fois accompagnée d’une baisse du signal du capteur. (e) lorsque la température est augmentée, dans un premier temps les échantillons chauds et le signal du capteur augmente de façon exponentielle au lieu de façon linéaire. Lorsque les échantillons atteignent une température constante, le signal du capteur augmente linéairement comme d’habitude. Dans tous les cas, il est possible de calculer le taux de dénitrification juste à l’aide de la période de l’accumulation2O N linéaire (b, det f). (b) inactif échantillon 3 n’est pas affiché. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Exemples de dénitrification taux calculs. Dépenses réelles (une) et des taux potentiels de dénitrification (b et c) ont été estimées. Nous avons seulement utilisé la plage horaire avec une accumulation de2O N linéaire pour calculer le taux de dénitrification (pente du modèle linéaire). Toutefois, dans l'un, à des fins éducatives, nous montrons toutes les mesures (modèles) avec plus ou moins de succès ; nous serait jeter échantillon 3 en raison de l’instabilité élevée du capteur et échantillon 2 en raison de la saturation dans l’accumulation de2O N. (un) échantillons 4 et 5 avec des taux de 0,5 et 0,7 µmol N2O m-2 h-1, respectivement, sont des cas de mesures près de la limite de détection de la méthode. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Les principaux avantages de la méthode décrite soient l’utilisation des échantillons de carottes de sédiments peu perturbées et l’enregistrement continu de l’accumulation de N2O. Ceux-ci permettent d’estimer des taux relativement faibles de dénitrification qui risquent semblables à ceux présents sur place. Néanmoins, certains aspects concernant le carottage, les performances du capteur et améliorations possibles sont discutés.

Une étape apparemment simple mais essentielle de la méthode est reprise de bon cœur. L’interface eau/sédiment doit satisfaire à trois critères : (i) aucune modification dans sa composition chimique ou constitutif, (ii) aucune modification de la teneur en eau ou vides et (iii) aucune structure Hinselmann24. Les troubles moins subis par l’échantillon pendant l’ensemble du protocole, le plus réaliste et plus proche de in situ des conditions sera le taux mesuré de dénitrification être. Il existe plusieurs dispositifs/techniques pour les sédiments core collection25, et leur choix dépend de la profondeur de l’eau. Nous utilisons une gravité adapté au Messager carottier à19 pour les échantillons de profondes (Figure 1e) parce que c’est un appareil assez léger et peut récupérer rapidement des carottes courtes25 (un sédiment de noyau de ≥ 10 cm de long est plus que suffisant pour couvrir les couches oxiques et dénitrifiantes dans les sédiments26,27,,28). En carottage jargon, « sentir » est souvent appelée la possibilité de connaître l’emplacement du carottier (que ce soit toujours dans la colonne d’eau ou déjà dans les sédiments) et qu’il soit ouvert ou fermé25. Pour les profondeurs intermédiaires (5-50 m), habituellement il n’y a aucuns difficultés avec le sentiment. Une perte de sensation se produit dans des eaux plus profondes (> 50 m) parce que les mouvements de la colonne d’eau peuvent masquer l’emplacement du carottier à25. Sentiment peut également être perdu en eau peu profonde (< 3 m) en raison de la dérive latérale et vague action25; C’est pourquoi nous utilisons une méthode différente en eau peu profonde, soit manuel direct carottage de plongée sous-marine ou de s’habiller dans un échassier. Avec ce système, la personne qui effectue le prélèvement d’échantillons peut voir le sédiment et choisissez l’endroit exact avant de carottage ; Cela permet, par exemple, le prélèvement d’une carotte de sédiments contenant un macrophytes. Après le prélèvement, le chercheur doit continuer de travailler avec soin pour déranger minimalement la carotte de sédiments durant le reste du protocole, notamment lors de l’exécution de l’inhibition acétylénique par barbotage.

Certains détails doivent être considérés lors de l’utilisation de N2O microcapteurs. Le logiciel de capteur fournit une visualisation continue (diagramme de bande) du capteur signal (fréquence de fond de 1000Hz)29. Ces données brutes et le diagramme de bande (par exemple, la Figure 2a) peuvent être enregistrés. Il est nécessaire de vérifier le comportement correct du capteur après sa polarisation (par exemple, lors du retour de la collecte sur le terrain avant l’étape 4). En particulier, une dépression (< 20 mV) et signal constant de base est prévu lorsqu’il est immergé dans l’eau de N2O-gratuit. Ré-étalonner le capteur sous peu (~ 2 h) après le début de son utilisation ; s’il a déjà été utilisé pour quelques jours, l’intervalle peut être étendu (~ 24 h)18. Pour minimiser le réétalonnage, garder le capteur polarisé à moins qu’il n’est pas utilisé pendant plusieurs jours18. Au fil du temps, un changement dans le signal du capteur peut intervenir, jusqu'à 50 % en mois, qui est due à une perméabilité différente de sa membrane18. Plus les interférences électroniques dans le laboratoire, la plus constante et stable sera le signal du capteur. En ce sens, à l’aide d’un onduleur améliore la qualité de l’énergie électrique qui atteint l’appareil de mesure en filtrant les fluctuations de tension. L’intervalle d’échantillonnage, sélectionné dans l’onglet enregistreur, est différente de la fréquence de fond. Chaque point enregistré est généré à partir de la moyenne de plusieurs mesures. L’intervalle d’échantillonnage (jusqu'à 10 s) indique la fréquence avec laquelle un point de données est enregistré. Le nombre de mesures par unité de temps utilisée dans la moyenne est défini par la fréquence de fond29. Par exemple, si nous fixons une fréquence d’échantillonnage de 5 s et une fréquence de fond de 500 mesures par seconde, puis les données sont enregistrement toutes les 5 s et la moyenne des 500 échantillons par seconde est mesurée au cours de la précédente 5 s. Nous enregistrer le signal de la sonde toutes les 5 min (intervalle d’échantillonnage) et réglez la fréquence de l’arrière-plan sur 1000 mesures par seconde. Le système d’étude doit être connu pour sélectionner l’intervalle d’échantillonnage correct sans « intégration » des fluctuations attendues. Dans les systèmes hautement actifs, intervalles d’échantillonnage court sont recommandés, tandis que les intervalles plus longs permettent optimisation de mémoire de l’ordinateur29. Certaines substances interférentes possibles (H2S, NO et CO2) peuvent affecter de signal de la sonde N2O22. Le capteur est étalonné avec de l’eau désionisée, mais les échantillons pouvant contenir des substances interférentes et modifier le signal de référence de la sonde. Cette situation pourrait expliquer pourquoi les valeurs négatives s’affichent dans des échantillons de 2 et 5 dans la Figure 2 b et 3 a Figure, respectivement. Toutefois, lorsque l’objectif est d’estimer le taux de dénitrification, le niveau exact de N2O n’est pas le paramètre key. Ce qui est essentiel est la pente du modèle linéaire (attestant une accumulation linéaire de N2O). Enfin, il est nécessaire de travailler avec une température fixe car la réponse du capteur N2O change avec la température (Figure 4).

Modifications simples ou des ajouts au protocole permettent également de caractérisation (i) des conditions environnementales contrôlant le taux de dénitrification mesurée, (ii) l’estimation des taux potentiels de dénitrification en simulant la réponse à une conduite gradient (p. ex., nitrate) et (iii) estimation des taux d’émission sédiments N2O en sautant la C2H2 inhibition selon les objectifs de l’étude, plusieurs mesures complémentaires peuvent être effectuées : (i) juste après avoir récupéré le base des conditions in situ , par exemple, température ; (ii) avant la mesure, des échantillons de la phase aqueuse, par exemple, [N°3–] ; et (iii) après la mesure, extrusions et tranches de la carotte à différentes résolutions (mm-cm)25,30, suivant la procédure expliquent par Schwing T. P. et al. 30.

Pour mesurer le taux potentiel de dénitrification, ajoutez nitrate à la phase aqueuse du noyau (par exemple, la Figure 2 et Figure 3), comme décrit dans C. Palacin-Lizarbe, L. Camarero et J. Catalan17. Si, ce faisant, ajouter le nitrate avant la C2H2 inhibition (étape 4.3). Aussi, si le nitrate est ajouté, il est conseillé d’ajouter aussi le carbone (C ; par exemple, acétate) et phosphore (P) pour conserver les proportions stoechiométriques in situ de C, N et P (par exemple, dans les sédiments de surface). Cela permettra d’éviter la limitation de la dénitrification par ces éléments31,32et gardera aussi le rapport c/n qui peut influencer la dominance du processus de consommation nitrate (c.-à-d., dénitrification versus réduction dissimilatory de nitrate d’ammonium (DNRA))4. Anoxie peut être fixée par la propagation d’un mélange de2 N2-CO pendant quelques minutes après l’ajout de nitrates, pour empêcher l’interférence à l’oxygène avec dénitrification ; Toutefois, Notez que cela conduit à un blocage de la nitrification. Pour calculer le taux d’émission de sédiments N2O, omettez l’inhibition C de2 H2(étape 4.3). Cependant, gardez à l’esprit que, pour autant que l'on sait actuellement dans les écosystèmes aquatiques, émissions de N2O sont proportionnellement faibles par rapport à N2 émissions (0 % - 4,3 %)33, il est donc possible que l’accumulation N2O sera inférieure la limite de détection. Si c’est le cas, une option consiste à ajouter des nitrates pour augmenter l’émis N2O, calcul des émissions susceptibles de N2O.

La principale faiblesse de la méthode est l’inhibition de la nitrification par C2H210,34. Pendant l’incubation, cette inhibition de la nitrification et l’inhibition incomplète de réduction2O N peuvent apparaître, car tous deux sont très dépendantes du temps. Par exemple, le taux d’accumulation de départ N2O doit révéler le taux réel de dénitrification et se désintègrent progressivement comme la baisse de la disponibilité de nitrate et de N2O diffuse dans la zone franche de nitrate, où elle est réduite de35. Par conséquent, un taux estimatif de dénitrification peut être considéré valide uniquement si les lectures montrent une accumulation linéaire de N2O10.

La méthode décrite estime un taux de dénitrification par intègre l’activité ensemble de sédiments de surface. À cet égard, il y a une incertitude sur le rayon d’action de l’inhibition de l’acétylène lorsque les bulles de gaz dans la phase aqueuse de l’échantillon. Il est supposé que, au moins, l’inhibition de la couche superficielle du sédiment se produit, qui est celui avec la plus haute dénitrification taux26,27.

Les améliorations possibles à cette méthode sont son utilisation combinée à traceurs 15N et les modifications qui pourraient permettre la mesure de la dénitrification in situ. 15 N traceur méthodes peuvent être utilisées pour déterminer la proportion de nitrification-dénitrification de couplage qui se produisent dans les échantillons de36, et elle peut également tenir compte des autres processus de flux de N outre la dénitrification (p. ex., anammox et dissimilatory réduction des nitrates en ammonium (DNRA))13,37. Cependant, ces méthodes ont l’inconvénient de l’évolution de la concentration de substrat10. A. Behrendt, D. de Beer et P. Stief 26 emploie une méthode combinant N2O microcapteurs, C2H2 inhibition et 15N traceurs pour analyser la répartition verticale de l’activité de réduction dissimilatory de nitrate processus (dénitrification et DNRA) dans les sédiments. Ils ont fait des profils verticaux dans les sédiments en pénétrant dans le sédiment avec les capteurs. La principale difficulté dans la mesure de dénitrification in situ est la capacité à gérer un environnement de température non constante. Il est nécessaire d’enregistrer l’accumulation de N2O et la température simultanément et puis corrigez signal du N2O capteur par l’influence de la température pendant les calculs de taux de dénitrification. Cette correction requiert une analyse antérieure de la dépendance en température du signal N2O pour chaque capteur. Les capteurs sont faits à la main, et chacun réagit différemment à la température (par exemple, capteur 1 montre une dépendance de la température plus élevée que les autres dans la Figure 2c, e).

Figure 4
Figure 4 : Dépendance de la température de la réaction microcapteur de N2O. Les différentes pistes du modèle linéaire de la capteur signal par rapport à la température à chaque concentration d’O2N montre l’effet de la température sur le signal de la sonde. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Le gouvernement espagnol fourni des fonds par le Ministerio de Educación comme une bourse prédoctorale c.P-L. (FPU12-00644) et subventions de recherche du Ministerio de Economia y Competitividad : NitroPir (CGL2010-19737), Lacus (CGL2013-45348-P), transférer () CGL2016-80124-C2-1-P). Le projet REPLIM (INRE - Programme INTERREG. AUPRÈS - Union européenne. EFA056/15) prise en charge de la rédaction finale du protocole.

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.

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