Diese Methode schätzt Sediment Denitrifikation Preise in Sedimentkernen mit Acetylen Hemmung Technik und Reinstraum Messungen des kumulierten N2O. Das Protokoll beschreibt Verfahren zur Erfassung der Kerne, Kalibrierung der Sensoren, die Acetylen-Hemmung, Durchführung die N2O Anhäufung Messung und Berechnung der Denitrifikation.
Denitrifikation ist der primäre biogeochemische Prozess entfernen von reaktivem Stickstoff aus der Biosphäre. Die quantitative Auswertung dieses Prozesses ist besonders relevant für die Beurteilung der anthropogen veränderte globale Stickstoffkreislauf und die Emission von Treibhausgasen (d. h. N2O) geworden. Stehen mehrere Methoden zur Messung der Denitrifikation, aber keiner von ihnen sind völlig zufriedenstellend. Probleme mit bestehenden Methoden umfassen ihre unzureichende Sensitivität, und die Notwendigkeit, die Substrat-Ebenen zu ändern oder Ändern der physischen Konfiguration der Prozess verwendet gestört Proben. Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur Schätzung der Sediment Denitrifikation raten, die Entkernung kombiniert, Acetylen-Hemmung und Reinstraum Messungen des kumulierten N2O. Die wichtigsten Vorteile dieser Methode sind eine geringe Störung der Sediment-Struktur und die Sammlung von eine kontinuierliche Aufzeichnung der N2O Anhäufung; Diese ermöglichen es Schätzungen der zuverlässige Denitrifikation Raten mit minimalen Werten bis zu 0,4-1 µmol N2O m-2 h-1. Die Fähigkeit, Schlüsselfaktoren zu manipulieren ist ein weiterer Vorteil für den Erhalt der experimentellen Erkenntnisse. Das Protokoll beschreibt Verfahren zur Erfassung der Kerne, Kalibrierung der Sensoren, die Acetylen-Hemmung, Durchführung die N2O Anhäufung Messung und Berechnung der Denitrifikation. Die Methode eignet sich für die Schätzung der Denitrifikation Preise in jedem aquatischen System mit abrufbaren Sedimentkernen. Wenn die N2O Konzentration oberhalb der Nachweisgrenze des Sensors, kann Acetylen Hemmung Schritt entfallen, N2O Emission statt Denitrifikation zu schätzen. Wir zeigen, wie Sie sowohl tatsächliche und potenzielle Denitrifikation Preise durch steigende Nitrat Verfügbarkeit sowie die Temperaturabhängigkeit des Prozesses zu schätzen. Wir illustrieren das Verfahren mit Berg-See-Sedimente und erläutern Sie die Vorteile und Schwächen der Technik im Vergleich zu anderen Methoden. Diese Methode kann für bestimmte Zwecke geändert werden; zum Beispiel mit 15N Tracer zur Nitrifikation und Denitrifikation oder Feld in Situ Messungen der Denitrifikation Preise Bewertung kombinierbar.
Anthropogene Veränderung des Stickstoffkreislaufes ist eines der schwierigsten Probleme für die Erde System1. Menschliche Tätigkeit hat mindestens das Niveau von reaktivem Stickstoff zur Verfügung, um die Biosphäre2verdoppelt. Es bleiben jedoch große Unsicherheiten in Bezug auf wie der globale N-Zyklus ausgewertet wird. Ein paar Flussmittel Schätzungen haben mit weniger als ±20 % Fehler quantifiziert worden, und viele haben Unsicherheiten von ±50 % und größer3. Diese Unsicherheiten zeigen die Notwendigkeit für genaue Schätzungen der Denitrifikation Raten über Ökosysteme und ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen der Variation. Denitrifikation ist eine mikrobielle Aktivität durch die stickstoffhaltigen Oxide, vor allem Nitrat und Nitrit, Distickstoff Gase, N2O und N24reduziert werden. Der Weg ist für die Biosphäre Verfügbarkeit von reaktivem Stickstoff von großer Bedeutung, denn das ist der primäre Prozess der Entfernung5. N2O ist ein Treibhausgas mit einem Treibhauspotenzial fast 300-Mal, dass Co2 in 100 Jahren, und es ist die aktuelle Hauptursache der stratosphärischen Ozonschicht aufgrund der großen Mengen wird emittierten6,7.
Im folgenden präsentieren wir ein Protokoll für die Schätzung der Sediment Denitrifikation Preise mit Kernen und N2O Mikrosensoren experimentell (Abbildung 1). Denitrifikation Preise sind anhand der Acetylen Hemmung Methode8,9 und Messungen der Anhäufung von N2O in einem definierten Zeitraum (Abbildung 2 und Abbildung 3) geschätzt. Wir zeigen die Methode indem Sie Berg Seesedimenten zuweisen. Diese Fallstudie zeigt die Leistungsfähigkeit der Methode zur Erkennung von relativ niedrigen Raten mit minimaler Störung, die physikalische Struktur der Sedimente.
Denitrifikation ist besonders schwer zu10messen. Es gibt verschiedene alternative Ansätze und Methoden, jeweils mit vor- und Nachteilen. Nachteile der zur Verfügung stehenden Methoden beinhalten die Verwendung von teuren Ressourcen, nicht genügend Sensibilität und die Notwendigkeit, die Substrat-Ebenen zu ändern oder ändern die physische Konfiguration des Prozesses mit gestörten Proben10. Eine noch grundlegendere Herausforderung zur Messung von N2 ist seine erhöhten Hintergrundwerten in der Umwelt-10. Die Reduktion von N2O, N2 ist durch Acetylen (C2H2)8,9gehemmt. So kann Denitrifikation durch Messung der kumulierten N2O im Beisein von C2H2, das ist möglich aufgrund des niedrigen ökologischen N2O quantifiziert werden.
Die Verwendung von C2H2 bis Denitrifikation in Sedimenten messen entstand vor etwa 40 Jahren11und die Einbeziehung der N2O Sensoren aufgetreten ist etwa 10 Jahre später12. Die am häufigsten angewandte Acetylen-basierten Ansatz ist der “statische Kern”. Der kumulierte N2O ist während einer Inkubationszeit von bis zu 24 h gemessen, nachdem der Kopfraum des versiegelten Sediment Kern10C2H2 hinzugefügt wird. Die hier beschriebene Methode folgt dieses Verfahren mit einigen Neuerungen. Wir fügen die C2H2 durch das Gas in der Wasserphase des Kerns für einige Minuten sprudelnd, und wir füllen die Headspace mit Probenwasser vor der Messung der Anhäufung von N2O mit einem Reinstraum. Wir sind auch ein Rührsystem, die verhindert, die Schichtung des Wassers dass ohne resuspending Sediment. Das Verfahren quantifiziert die Denitrifikation Rate pro Fläche Sediment (z.B., µmol N2O m-2 h-1).
Die hohe räumliche und zeitliche Variation der Denitrifikation stellt eine weitere Schwierigkeit in seine genaue Quantifizierung10. In der Regel ist N2O Anhäufung nacheinander durch Gaschromatographie Headspace Proben gemessen, die während der Inkubation gesammelt werden. Die beschriebene Methode bietet verbesserte Überwachung der zeitlichen Variation der N2O Anhäufung, weil die Reinstraum ein kontinuierliches Signal bietet. Reinstraum-Multimeter ist ein digital Mikrosensor Verstärker (Picoammeter), der Schnittstellen mit den Sensoren und dem Computer (Abbildung 1(ein). Das Multimeter kann mehrere N2O Mikrosensoren zur gleichen Zeit verwendet werden. Zum Beispiel können bis zu vier Sediment Kerne aus der gleichen Studie Ort gleichzeitig entfallen die räumliche Variabilität gemessen werden.
Die Core-Ansatz stört kaum die Sediment-Struktur im Vergleich zu einigen anderen Methoden (z.B., Schlämme). Wenn die Integrität der Sedimente geändert wird, führt dies zu unrealistisch Denitrifikation Preise13 , die nur für relative Vergleiche ausreichend sind. Höhere Raten sind immer mit Gülle-Methoden im Vergleich zu zentralen Methoden14, abgerufen, da letztere die Begrenzung der Denitrifikation durch Substrat Verbreitung15bewahrt. Gülle-Maßnahmen können nicht als repräsentativ in Situ Preise16angesehen werden; Sie bieten relative Maßnahmen für Vergleiche mit dem exakt gleichen Verfahren.
Die beschriebene Methode eignet sich für die Schätzung der Denitrifikation Preise auf jegliche Sediment entkernt werden können. Wir empfehlen besonders die Methode für die Durchführung von experimentellen Manipulationen einiger die treibenden Faktoren. Beispiele sind Experimente, die Nitrat-Verfügbarkeit und Temperatur je nach Bedarf für die Schätzung der Aktivierungs Energie (Eein) der Denitrifikation17 (Abbildung 2) zu ändern.
Abbildung 1 : Versuchsaufbau. (ein) General Versuchsaufbau Sediment Denitrifikation Preise mit Kernen und N2O Mikrosensoren abzuschätzen. Die Inkubation Kammer sorgt Dunkelheit und kontrollierten Temperatur (±0.3 ° C). Fünf intakt Sedimentkerne können gleichzeitig mit ihrer jeweiligen N2O Sensoren verarbeitet werden. (b) N2O Kalibrierung Sensorkammer. Wir haben es mit Gummistopfen und Spritzen auf der N2O Wasser mischen angepasst (siehe Protokoll Schritt 3.4.3). Es ist ein Thermometer, um die Wassertemperatur zu kontrollieren. (c) eingefügt Nahaufnahme von einer Sedimentprobe Kern mit dem Sensor in der Mittelbohrung des PVC-Hülle und die Fugen mit Klebeband versiegelt. Der Rührer im Wasser hängt, und der Elektromagnet ist in der Nähe und der äußere Teil des Acryl Rohr befestigt. (d) Nahaufnahme von N2O Mikrosensor Tipp von einem Metallstück geschützt. (e) ein Sedimentkern, die gerade wiederhergestellt wurden. Es war ein Boot in einem tiefen See entnommen; das Acryl Rohr mit dem Kern ist immer noch auf die Messenger-angepasst Schwerkraft Corer19fixiert. Sehen Sie die Tabelle der Materialien für alle Elemente, die erforderlich, um diese Methode durchzuführen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Die wichtigsten Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind die Verwendung von minimal gestört Sedimentproben Kern und die kontinuierliche Aufzeichnung der N2O Anhäufung. Diese erlauben Schätzung der relativ niedrigen Denitrifikation raten, die wahrscheinlich sind ähnlich wie die auftretenden in Situ. Dennoch werden einige Aspekte in Bezug auf die Entkernung, Sensor-Performance und Verbesserungsmöglichkeiten diskutiert.
Ein scheinbar einfacher, aber wichtiger Schritt de…
The authors have nothing to disclose.
Die spanische Regierung Mittel zur Verfügung gestellt durch das Ministerio de Educación als ein predoctoral Stipendium C.P-L. (FPU12-00644) und Forschungsstipendien des Ministerio de Economia y Competitividad: NitroPir (CGL2010-19737), Lacus (CGL2013-45348-P), Transfer () CGL2016-80124-C2-1-P). Das REPLIM-Projekt (INRE – INTERREG-Programm. EUUN – Europäische Union. EFA056/15) unterstützt das endgültige Schreiben des Protokolls.
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). |
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. |