Summary
이 방법은 누적된 N2o.의 아세틸렌 억제 기술과 microsensor 측정을 사용 하 여 퇴적 코어에서 앙금 탈 질 작용 요금 견적 프로토콜에서는 아세틸렌 저해 수행 센서 캘리브레이션 코어를 수집 하기 위한 절차를 설명 합니다 N2O 축적을 측정 하 고 탈 질 작용 속도 계산.
Abstract
탈 질 작용은 생물권에서 반응성 질소를 제거 하는 기본 생물 지구 화학적 프로세스. 이 프로세스의 정량적 평가 평가 변경 anthropogenic 세계적인 질소 순환 및 온실 가스 (즉, N2O)의 방출에 대 한 특히 관련 되었다. 여러 가지 방법을 탈 질 작용, 측정 하는 데 사용할 수 있습니다 하지만 그들 중 누구도 완전히 만족. 기존 방법으로 문제는 그들의 부족 한 감도, 그리고 기판 레벨을 수정 하거나 사용 하 여 프로세스의 물리적 구성 변경의 필요가 방해 샘플. 이 작품 유선 결합 하 여 침전 물 탈 질 작용 비율, 아세틸렌 억제 및 microsensor 측정 누적 된 N2o.의 추정 하는 방법을 설명 합니다. 이 방법의 주요 장점은 퇴적 구조의 낮은 방해와 N2O 축적; 연속 기록의 컬렉션 이러한 0.4-1 최대 최소 값을 신뢰할 수 있는 탈 질 작용의 추정을 가능 하 게 µmol N2O m-2 h-1. 핵심 요소를 조작 하는 능력은 실험적인 통찰력을 얻기 위해 추가 이점이 다. 프로토콜에서는 아세틸렌 저해 수행 센서 캘리브레이션 코어를 수집 하기 위한 절차를 설명 합니다 N2O 축적을 측정 하 고 탈 질 작용 속도 계산. 방법은 검색 퇴적 코어를 가진 수 중 시스템에 탈 질 작용 속도 추정에 적합 합니다. N O2농도 센서의 검출 한계 보다, 탈 질 작용 대신 N2O 방출 추정 아세틸렌 억제 단계를 생략할 수 있습니다. 우리 질 산 가용성 뿐만 아니라 과정의 온도 의존을 증가 하 여 모두 실제 및 잠재적인 탈 질 작용 속도 추정 하는 방법을 보여 줍니다. 우리 산 호수 앙금을 사용 하 여 프로시저를 설명 하 고 장점 및 약점의 다른 방법에 비해 기술 토론. 이 메서드는 특정 목적;에 대 한 수정할 수 있습니다. 예를 들어, nitrification 및 탈 질 작용 또는 필드 현장에서 측정의 탈 질 작용을 평가 하기 위해 15N 추적기와 결합할 수 있습니다.
Introduction
질소 순환의 anthropogenic 변경1지구 시스템 대 한 가장 어려운 문제 중 하나입니다. 인간의 활동 반응 질소 바이오스피어2에 사용할 수 있는 수준의 두 배로 이상 있다. 그러나, 글로벌 N 사이클 평가 방법에 관한 큰 불확실성 남아 있다. 몇 자 속 추정 ± 20% 오류, 보다 적은 비용으로 계량 되어 있다 그리고 많은 ± 50 %와 큰3의 불확실성. 이러한 불확실성 생태계와 변이의 기본 메커니즘의 이해 탈 질 작용의 정확한 의견에 대 한 필요를 나타냅니다. 탈 질 작용은 미생물 활동 통해 질소 산화물, 질산염 및 아 질산염, 주로 이질소 가스, N2O N24로 감소 된다. 통로 반응성 질소의 생물권 가용성에 관련성이 높은 제거5주 과정 이다 때문입니다. N2O 이다 온실 가스는 지구 온난화 잠재력 거의 300 회는 CO의2 100 년, 그리고 그것 방출된6,7되 고 대량으로 성층권 오존 고갈의 현재 주요 원인.
다음에, 선물이 앙금 탈 질 작용 요금 코어와 N2O microsensors 실험적으로 사용 하 여 (그림 1) 추정을 위한 프로토콜. 탈 질 작용 요금 아세틸렌 억제 방법8,9 (그림 2 및 그림 3) 정의 된 기간 동안 N2O의 축적의 측정을 사용 하 여 견적 된다. 산 호수 퇴적 물에 적용 하 여는 방법을 보여 줍니다. 이 사례 연구는 앙금의 물리적 구조에 최소한의 소란와 함께 상대적으로 낮은 비율을 탐지 하기 위한 방법의 성능을 강조 한다.
탈 질 작용은 특히10를 측정 하기 어렵습니다. 여러 대체 접근 및 방법, 각각의 장점과 단점이 있다. 사용 가능한 방법에 단점이 비싼 자원, 부족 한 감도 및 기판 레벨을 수정 하거나 방해 샘플10를 사용 하 여 프로세스의 물리적 구성을 변경 하는 필요의 그들의 사용을 포함 합니다. N2 를 측정 하는 훨씬 더 근본적인 도전 환경10에 그것의 높은 배경 수준 이다. N2O N2 의 감소는 아세틸렌 (C2H2)8,9에 의해 저해. 따라서, 탈 질 작용 낮은 환경 N2O 수준 때문에 실현은 축적 된 N2O C2H2의 존재를 측정 하 여 측정할 수 있습니다.
것은 퇴적 물에 탈 질 작용 속도 측정 C2H2 를 사용 하 여 개발 되었다 약 40 년 전11및 N O2센서의 발생 약 10 년 후12. 가장 널리 적용된 아세틸렌 기반 접근 "정적 핵심"입니다. C2H2 봉인된 퇴적 코어10의 headspace에 추가 되는 축적 된 N2O 24 h의 인큐베이션 기간 동안 측정 된다. 여기 설명 하는 방법을 몇 가지 혁신으로이 절차를 다음과 같습니다. 우리는 몇 분에 대 한 핵심의 물 단계에서 가스를 버블링 하 여 C2H2 를 추가 하 고 우리 모든 headspace 샘플 물을 채우기 N2O는 microsensor의 축적을 측정 하기 전에. 우리는 또한 resuspending는 앙금 없이 물의 계층을 방지 교 반 시스템을 포함 합니다. 절차 단정 앙금 표면적 당 탈 질 작용 비율 (예를 들어, µmol N2O m-2 h-1).
탈 질 작용의 높은 공간 및 시간 변화는 정확한 정량화10에 다른 어려움을 선물 한다. 일반적으로, N2O 축적은 인큐베이션 기간 동안 수집 headspace 샘플의 가스 크로마토그래피에 의해 순차적으로 측정 됩니다. 설명 하는 메서드는 microsensor 연속 신호를 제공 하기 때문에 N2O 축적의 시간적 변화의 향상 된 모니터링 제공 합니다. Microsensor 멀티 미터는 나타난그림 1(a) 컴퓨터와 인터페이스 하는 디지털 microsensor 증폭기 (picoammeter) 이다. 멀티 미터 여러 N2O microsensors를 동시에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 4 개의 침전 물까지 코어 같은 연구 사이트를 측정할 수 있습니다 동시에 공간 변화에 대 한 계정.
코어 접근 겨우 몇 가지 다른 방법 (예를 들어, 슬러리)에 비해 퇴적 구조를 방해. 앙금의 무결성을 변경 하는 경우 상대 비교에 대 한 적절 한만 되는 비현실적인 탈 질 작용 비율13 을이 끈다. 높은 속도 항상 얻을 수 있습니다 핵심 방법14에 비해 슬러리 방법 후자 기판 확산15탈 질 작용의 한계를 유지 하기 때문에. 슬러리 측정 현장에서 요금16;의 대표 이라고 할 수 없다 그들은 정확한 동일한 절차로 만든 비교에 대 한 상대적 측정값을 제공 합니다.
설명 방법은 장착할 수 있는 어떤 침전 물 형태로 탈 질 작용 속도 추정에 적합 합니다. 특히 운전 요인 들의 실험적인 조작을 수행 하기 위한 방법을 권장 합니다. 예 질 산 가용성 및 온도 에너지 활성화 (전자는) 탈 질 작용17 (그림 2)의 추정을 위한 필요에 따라 수정 하는 실험입니다.
그림 1 : 실험 설치. 코어를 사용 하 여 N2O microsensors 앙금 탈 질 작용 속도 추정 (a) 일반 실험 설정. 보육 실 어둠과 제어 온도 (± 0.3 ° C) 조건 보장합니다. 동시에 그들의 각각 N O2센서를 사용 하 여 5 그대로 퇴적 코어를 처리할 수 있습니다. (b) N2O 센서 교정 챔버. 우리 고무 stoppers와 N2O 물 섞어 주사기 적응 (프로토콜 단계 3.4.3 참조). 물 온도 제어 하는 온도계가입니다. (c) 근접 센서 퇴적 코어 샘플의 PVC 커버와 접착 테이프로 밀봉 하는 관절의 중앙 구멍에 삽입. 활동가, 물에 걸려 있다 전자석 그것을 가까이 하 고 아크릴 튜브의 외부 부분에 고정. (d) N2O microsensor의 클로즈업 팁 금속 조각에 의해 보호. (e)는 퇴적 코어를 그냥 복구 되었습니다. 그것은 깊은 호수;에 보트에서 샘플링 코어와 아크릴 튜브 여전히 메신저 적응 중력 corer19에 고정 됩니다. 이 방법을 수행 하는 데 필요한 모든 항목에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Protocol
1입니다. 준비
참고:이 측정은 촬영 전에 하루 시작.
- 측정 설치 조립 (그림 1는, 테이블의 자료를 참조).
참고: 일정 하 고 높은-품질 전원 공급을 보장 하기 위해, 측정 장치에 연결 을 통해 그립 또한 백업으로 역할을 할 수 있는 무정전 전원 공급 장치 (UPS). 정전 긴 기간, 자동차 배터리는 여분의 전원 역할을 합니다. - 센서의 소프트웨어를 시작 하 고 적용 하는-0.8 V N2O microsensors 분극전압. 빠른 하강 및 후속 상승 신호 표시 다음 낮고 안정 될 때까지 마지막으로 감소 합니다.
: Microsensor 제조업체 권장 분극 하룻밤 이상 (또는 이상) 센서의 신호 안정성을 보장 하기 위해 합니다. 또 다른 추천은 편광 측정은 여러 계획 하는 경우 센서 또는 연속 일18. - 보육 실과 실험 조건 조정 (예:,에서 선택한 빛 온도 비슷한 분야에서 예상 되는 것으로 설정)에 전환. 물을 사용할 수 있도록 후 센서의 보정 측정 온도에서 챔버 내부에 이온을 제거 된 물으로 컨테이너를 놓습니다.
참고:이 단계는 코어를 수집을 출발 하기 전에 계획 된 측정의 같은 날 할 수 있습니다. 표준 측정을 위해 그것은 어두운 조건을 사용 하는 것이 좋습니다. - 컬렉션 자료 필드 코어 팩: corer 장치, 튜브, 고무 마 개, 폴 리 염화 비닐 (PVC) 도청, 스크루 드라이버, 글로벌 포지셔닝 시스템 (GPS) 장치, 온도계, 휴대용 음향기, 방수 바지, 및 풍선 보트 샘플링 ( 테이블 참조의 재료). 점검 표를 사용 하 여 모든 재료 포함 되도록.
2. 퇴적 코어 컬렉션
- 물 깊이 따라 2.1.1 또는 2.1.2 따릅니다.
-
깊은 물 시체에 대 한
- 메신저 적응 중력 corer19 배 또는 플랫폼 (그림 1e)에서 사용 합니다.
- 샘플링 튜브를 수정 (아크릴, ø 6.35 cm, 길이 ≥ 50 cm) 드라이버와 corer에.
- 조사 목적에 따라 샘플링 지점을 선택 합니다. 측정 깊이 (예를 들어, 휴대용 음향기를 사용 하 여) 및 위치 (예를 들어, GPS 좌표를 사용 하 여) 기록해 둡니다. 보트에서 샘플링 하는 경우 (예를 들어, 돌 가방) 앵커를 사용 하 여 핵심 컬렉션 중 표류 하지 않도록.
- 샘플링 튜브는 침전 물에서 ~ 1 m까지 coring 시스템을 배포 합니다. 일반 표시 (예, 1m의 간격)와 밧줄을 사용 하 여 샘플링 장비의 깊이 위치 제어.
- 60에 대 한 샘플링 장비 안정화 s (예를 들어, 보트의 움직임을 최소화 하기 위해). 올바른 앙금 침투 및 복구는 거의 교란된 퇴적 코어의 이렇게 하면.
- 샘플링 튜브 침투는 앙금을 더 로프 ~ 1 m를 릴리스 합니다. 경우 샘플링 튜브 너무 많이 침투, 그것은 물/퇴적 인터페이스를 방해 수 있습니다 다는 것을 유의 하십시오.
- 릴리스 메신저는 corer 고정 되도록 밧줄에 긴장을 유지 하는 동안 및 수직 위치에서. 메신저는 corer 영향 때 밧줄의 장력에 작은 차이 느낄 수 있습니다. 그 당시, 퇴적 코어의 복구에 대 한 허용 하는 진공을 생성 하기 위해 corer를 닫습니다.
- 지속적으로 하 고 부드럽게 밧줄을 당겨서는 corer를 복구 합니다.
- 일단 핵심 표면 가까이 하지만 여전히 완전히 침수 (를 포함 하 여 진공을 보장 하는 corer의 고무 부분), 샘플링 튜브의 하단에 고무 마 개를 놓습니다. 검사 물/퇴적 인터페이스; 그것은 명확 해야 하 고 (그림 1e)를 방해 하지 가시. 이 경우가 아니라, 핵심을 삭제, 튜브, 깨끗 하 고 2.1.1.4-9 단계를 반복.
- 물에서 전체 coring 시스템 향상 corer에서 샘플링 튜브를 놓고 위에 PVC 덮개를 장소. 접착 테이프로 봉인. 공기 공간 형성을 하지 마십시오.
-
해안 서식 지와 얕은 물 시체에 대 한
- 아주 얕은 바다에 샘플링에 대 한 방수 바지 에 드레스 (< 0.6 m).
- 스노클링 또는 스쿠버 장비 를 사용 하 여 깊은 샘플링 (최대 3 m).
- 조사 목적에 따라 샘플링 지점을 선택 합니다. (예를 들어, GPS 좌표) 위치를 기록해 둡니다. 수동으로 샘플링 튜브를 삽입 (예를 들어, 아크릴, ø 6.35 cm)는 앙금으로.
- 진공 청소기를 샘플링 튜브의 상단 측면에 고무 마 개를 놓습니다.
- 핵심은 앙금에서 제거 하 고 신속 하 게 다른 고무 마 개 튜브 하단에 소개.
참고: 그것은 항상; 수 중 튜브와 함께 작동 하는 데 필요한 매우 얕은 사이트에서 20 cm까지 튜브를 단축 하는 것이 좋습니다. 때로는 퇴적 물을 높은 함량 있으며 빼낸 튜브 침전 물 침대에서 제거 되 면. 이 경우에 침전 물 밖에 서 코어를 제고 하지 않고 하단 스 토퍼를 소개 하는 데 필요한입니다. 이렇게 하려면 수동으로 튜브 주변 퇴적 물에 마 개를 담가 그리고 튜브의 하단을 신중 하 게 배치. - 물, PVC 커버 위쪽 고무 마 개를 대체 하 고 접착 테이프로 접합 인감.
-
깊은 물 시체에 대 한
- 흔들어 회전을 최소화 하 여 실험실에 그것의 이동 하는 동안 코어를 보호 합니다.
3. 질소 산화물 (N2O) Microsensors의 교정
- 센서의 신호는 안정 되어 있고 낮은 확인 (스트립 차트, 센서 소프트웨어), 컴퓨터를 사용 하 여 (< 20 mV).
- 보정 값 및 센서 신호 기록 (예를 들어, 날짜 및 샘플링 사이트 (130903_Redon_Lake)) 새로운 파일을 만듭니다.
참고: 센서 신호 온도 (그림 4)에 민감합니다. 동일한 온도 사용 하 여 측정 및 센서 교정에 대 한. 센서는 0%-2.5% N2O20사이 선형 응답합니다. 따라서, 2-포인트 캘리브레이션 충분 한18입니다. - 보정 값 제로 질소 산화물과 함께, 센서 신호 센서 팁 유지 submersed N2O 무료 물 (이온된) 참조.
- 원하는 농도에서 N2O 물으로 보정.
참고: 준비 물 정의 된 N2O 농도 약간 외피 중 예상 최대 농도 초과 하는 것입니다. 우리는 보정 값으로 25 µ M N2O를 사용합니다. 500 N2O µ M의 최대 센서 범위 농도 초과 하지 않는 알고 있어야 합니다.- N2O 포화 물 여 받을 버블링 N2O 이온된 물에 몇 분 동안.
참고: N2O 물 용 해도 온도 염 분21;에 따라 달라 집니다. 센서 수동18의 부록 표를 참조 하십시오. - N2O 포화 물 이온된 수의 볼륨을 포화 N2O 물의 특정 볼륨을 추가 하 여 희석. 예를 들어 20 ° C에서 물의 포화 N2O, 28.7 m m N2O, 총 22.9 µ M N2O 농도 얻기 위해 물 375 mL의 농도 0.3 mL를 추가 합니다. 참고 그 375 mL 교정 챔버 (그림 1b)의 총 볼륨입니다.
- 부드럽게 N2O 혼합 후 원하는 농도에 희석 교정 용기에 이온을 제거 된 물으로 포화 물 때 상수 센서 신호를 읽어. 이 독서는 X µM N2O 물으로 보정 값입니다. 솔루션 때, 수이 N2O 교정 솔루션에서 제거로 거품을 생성 하지 않도록 주의 하십시오.
참고: N2O는 물에 천천히; 공기 중으로 탈출 것입니다 알고 있어야 따라서, 준비 교정 솔루션은 몇 분 동안 사용할 수 있습니다.
- N2O 포화 물 여 받을 버블링 N2O 이온된 물에 몇 분 동안.
4. 핵심 준비 및 아세틸렌 억제
- 변경 PVC 커버는 센터에 매달려 자력 구멍 다른 표지로 각 퇴적 코어의 상단에 위치 해 있습니다. 다시 밀봉 접착 테이프를 가진 접속점.
- 각 샘플의 물 단계 12 cm의 대략적인 높이를 줄이기 위해 (볼륨 ≈ 380 mL). 이 위해 먼저 중앙 구멍에 실리콘 튜브를 삽입. 그리고 퇴적 코어를 실린더에 넣어 압력을 만들려고 아래쪽 마 개를 밀어. 스 토퍼 및 침전 물 샘플,가 고 과잉의 물을 튜브를 통해 전달 합니다. 받는 사람 용기에 물을 수집 합니다.
참고: 샘플 거친 세분성이 단계 동안 문제가 수. 있습니다 침전 물 입자는 스 토퍼와 튜브 사이 마 개를 변형 하 고는 공기를 통해 거품 장관을 통과 하 고 샘플을 방해 수 있는 구멍을 열 수 있습니다. 이 문제를 방지 하려면 실린더 하단 스 토퍼의 중심에 놓고 일정 한 힘으로 밀어 봅니다. 실리콘 튜브 사이의 조인트 초과 물 철수 및 PVC 커버와 실리콘 튜브에 삽입 하는 솔리드 부품 (예:, 그것의 좁은 끝 없는 5 mL 피 펫 팁)으로 구성 됩니다. - 약 10 분에 대 한 핵심의 물 단계에서 아세틸렌 가스를 버블링 하 여 아세틸렌 억제를 수행 합니다. Resuspending는 침전 하지 마십시오.
참고: 메서드의 가능한 수정, 추가 기판 (질산염) 집중된 액체 매체를 통해 버블링 전에 잠재적인 탈 질 작용 측정 (예를 들어, 그림 3b, c)에 대 한 아세틸렌.
5. 탈 질 작용 (N2O 축적 측정)
- 이전 남은 물으로 샘플에서 모든 공기 공간을 채우십시오. 위쪽 PVC 커버의 중앙 구멍을 통해 퇴적 코어에 센서를 놓습니다. 센서의 팁 활동가그림 1(c) 위의 물 단계에 위치 한다.
참고: 아크릴 샘플링 튜브의 모든 관절을 측정 (그림 1a, c) 동안 가스와 물 누수를 피하기 위해 봉인 해야 합니다. 튜브의 맨 아래 부분에 고무 마 개는이 대 한 충분 합니다. 위쪽 부분을 밀봉 하는 것은 더 어렵습니다. PVC 커버를 조정 해야 합니다. 토치; 열 해야 합니다. 다음, 소재 유연한 된다 하지만 불태운 하지, 덮개에에서 배치 됩니다 튜브 모양을 주조 될 수 있다 그래야. 냉각 후, 커버 (커버 2.1.1.10 또는 2.1.2.6 단계에서 실험실에 샘플을 전송 하는 데 사용)를 제외 하 고 더 많은 수정이 필요 합니다. 센서 삽입 됩니다 중앙 구멍을 뚫고 있어야 합니다. 활동가 차례로 준수 접착제 덮개의 안쪽에는그림 1(c) 물에 낚 싯 줄에 달려 있는 활동가 낚 싯 줄, 개최 수 있습니다. 또한, 모든 관절 (PVC 커버 튜브와 PVC 덮개 센서) 접착 테이프로 밀봉 된다. PVC 덮개의 중앙 구멍 및 센서 (그림 1c) 사이의 접촉면을 봉인 하기 위해 센서의 직경을 조정 하려면 탄성 접착제 테이프를 배치 합니다. - 교 반 시스템의 일부인 전자기 펄스 회로에 스위치.
참고: 교 반 시스템 방해 (resuspending) 없이 물 단계의 계층을 방지는 침전 물. 교 반 시스템/유치/자료는 자력을 전자석 스위치 회로의 구성 ( 테이블의 자료 에 대 한 자세한 내용은 참조). - 활동가, 움직일 때까지 아크릴 튜브의 외부 부분 주위 전자석을 이동한 다음에 장소 접착 테이프그림 1(c)를 사용 하 여 수정 합니다.
- 일정 한 온도 (예, ± 0.3 ° C의 변이)를 위해 부 화 챔버를 닫습니다.
- 센서 신호를 기록하려면 기록 단추 (센서 소프트웨어)를 누릅니다. 독서는 일반적으로 5 분 마다 기록 됩니다.
- 측정 기간의 끝에 정지 버튼을 누릅니다.
6. 최종 측정 단계
- 센서의 팁 (이온된) 0 N2O 교정 측정 신호를 읽기 전에 무료 N2O 물에 잠긴 ~ 10 분 이상 기다립니다.
- 최종 센서 캘리브레이션을 수행 합니다. 이 위해, 섹션 3 다음 하지만 단계 3.3 센서 캘리브레이션을 반복 합니다.
- (센서 소프트웨어) 파일을 저장 합니다.
7. 탈 질 작용 속도 계산
- 센서의 신호 mV µ M N2O, 및 교정 데이터의 레코드를 포함 하는 센서 소프트웨어에 의해 생성 된 방향 벡터 출력 파일 시작.
- (예를 들어, 그림 2는) N2O 축적 추세를 시각화 하기 위해 시간에 대 한 센서 신호 플롯.
- 만 시간 범위를 사용 하 여 선형 축적, 샘플 및 기판 제한 (예를 들어, 그림 2b)으로 인해 가능한 최종 채도의 초기 새 환경 순응 기간을 제외 하 고와. 시간 (h)에 센서 신호 (µ M)의 선형 모델을 만듭니다.
참고: 경사는 탈 질 작용 속도 (µ M N2O-1 코어 h-1), 어떤, 코어 (πr2)의 지역으로 나눈 경우 µ M N2O m-2 는 속도 변환 h-1, 곱한 때는 볼륨 (πr2h, 어디 h 물 위상의 높이 이며 r 아크릴 튜브의 내부 반지름이 경우 0.12 m 및 0.03175 m, 각각) 물 µmol N2O m-2 는 속도 변환 h-1.
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Representative Results
468 탈 질 작용의 총 2013-2014 기간 동안 Pyrenean 산 호수에서 퇴적 물에 위의 프로토콜을 사용 하 여 견적 되었다. 우리는 (그림 2 및 그림 3) 절차를 설명 하기 위해 이러한 결과의 일부를 보여줍니다. 일반적으로, N O2농도 시간 사이의 선형 모델 좋은 상관 관계 (R2 ≥ 0.9) 있다. 탈 질 작용 속도 (단계 7.3;의 견적을 제공 하는 관계의 기울기 예를 들어, 그림 2d). 탈 질 작용 활동은 매우 낮은, 센서의 전자 노이즈가 더 중요 한 되 고 적합의 미 덕을 거부 (예를 들어, 센서 4 및 그림 2b 및 3a 그림5). N2O의 초기 검출 한계는 물22, 중간은 µ M ~0.1 값 대체 방법23, 소음 필터링 연속 측정의 축적의 가능성에 관한 견적을 허용 하는 상대적으로 낮은 탈 질 작용 최고 ~ 1 µmol N2O m-2 에서 h-1 (그림 2 및 그림 3). 낮은 속도 (즉, ~0.4 µmol N2O m-2 h-1) 8 cm의 높이를 코어 샘플의 물 단계를 축소 하 여 예상할 수 있는 (프로토콜 단계 4.2 참조).
그림 2 : 온도 의존성 실험에서 탈 질 작용 속도 계산. (A 와 b) 실제 및 잠재적인 탈 질 작용 측정 (c-f) 표시 됩니다. 때 측정 온도 감소 (c), 처음 샘플 냉각은 온도 의존, 센서 신호에 거절 합니다. 실제 탈 질 작용 측정;에 외피의 시작에서 발생 하는 (는) A와 유사한 이벤트 배양 조건에 관하여 따뜻한 실험실 환경 다시 센서 신호 감소를 동반 하는 샘플의 냉각을 생성 합니다. (e) 온도 증가, 처음에는 샘플 따뜻하고 센서 신호 선형 대신 기 하 급수적으로 증가 하는 때. 샘플 일정 온도 도달, 센서 신호 평소 처럼 선형으로 증가 합니다. 모든 경우에 선형 N2O 축적 (b, d, f)의 기간을 사용 하 여 탈 질 작용 속도 계산 가능 하다. (b) 비활성 예제 3은 표시 되지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 탈 질 작용의 예 비율 계산. (한) 실제 및 잠재적인 (b 와 c) 탈 질 작용 속도 추정 했다. 우리만을 계산 탈 질 작용 (선형 모델의 기울기) 선형 N2O 누적 된 시간 범위를 사용. 그러나 (한),,에 교육 목적을 위해 우리는 점점 더 적은 성공; 모든 측정 (모델)를 표시 우리 센서와 N2O 축적에 채도 때문 샘플 2의 높은 불안정으로 인해 3 샘플을 삭제 것입니다. 4와 5 (a) 샘플 요금 0.5와 0.7 µmol N2O m-2 의 h-1, 각각, 측정 방법의 검출 한계 근처의 경우는. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
설명된 방법의 주요 장점은 최소한 방해 퇴적 코어 샘플의 사용 및 N2O 축적의 연속 녹음입니다. 가능성이 상대적으로 낮은 탈 질 작용 속도의 추정 그 발생 위치에비슷한 수 있습니다. 그럼에도 불구 하 고, 응어리, 센서 성능 및 잠재적인 개선에 관한 몇 가지 측면을 설명 합니다.
메서드는 분명히 간단 하지만 중요 한 단계 좋은 코어 회복 이다. 앙금/물 인터페이스 세 가지 조건을 충족 해야 합니다: (i) 그것의 화학 또는 구성 구성, 물 콘텐츠 또는 void 비율, (ii) 변경 및 (iii) 구조 pertubation24에 수정. 적은 소요 동안 전체 프로토콜, 더 현실적인 조건 지 현장에 가까이 샘플에 의해 고통이 측정된 탈 질 작용 속도 수 있습니다. 여러 가지 장치/방법 퇴적 코어 컬렉션25, 그리고 그들의 선택은 물 깊이에 따라 달라 집니다. 우리를 사용 하 여 메신저 적응 중력 corer19 깊은 샘플 (그림 1e)에 대 한 합리적으로 경량 장치 이며 빠르게 짧은 코어25 (≥10 c m 길이의 코어 퇴적은 보다 더 포괄 하는 충분 한을 복구할 수 있기 때문에 oxic 및 denitrifying 층 퇴적 물26,,2728). 전문 용어, 유선에서 "느낌"이 라고도 능력을 (물 열에 아직도 또는 인지 이미는 침전 물에)는 corer의 위치를 알고 고 열리거나 닫힌25인지. 중간 물 깊이 (5-50 m), 일반적으로 아무 어려움 느낌. 깊은 물에서 감각의 손실 발생 (> 50 m) 때문에 물 란의 움직임 corer25의 위치를 마스크 수 있습니다. 느낌 또한 얕은 물에서 손실 될 수 있습니다 (< 3 m) 측면 드리프트와 웨이브 액션25; 이것은 왜 우리가 얕은 물, 스쿠버 다이빙으로 유선 또는 방수 바지에 드레싱 중 직접 설명서에서에서 다른 메서드를 사용 하 여. 이 시스템으로 샘플링을 수행 하는 사람 퇴적 물을 볼 수 있으며 유선; 하기 전에 정확한 장소를 선택 예를 들어는 macrophyte를 포함 하는 퇴적 코어의 샘플링 수 있습니다. 샘플링, 후 연구원은 신중 하 게 최소한 버블링 하 여 아세틸렌 억제를 수행 하는 경우에 특히 프로토콜의 나머지 기간 동안 퇴적 코어 샘플을 방해 하는 일을 계속 해야 합니다.
N2O microsensors 사용할 때 몇 가지 사항은 고려 되어야 한다. 센서 소프트웨어는 센서 신호 (1000 Hz의 배경 주파수)29의 연속 시각화를 (스트립 차트)를 제공합니다. 이러한 원시 데이터와 스트립 차트 (예를 들어, 그림 2는)를 저장할 수 있습니다. 그것은 (예를 들어, 4 단계 전에 필드 컬렉션에서 반환할 때) 그것의 분극 후 센서의 올바른 동작을 확인 해야 합니다. 특히, 낮은 (< 20 mV) 일정 기본 신호 때 N2O 무료 물에 빠져들은 것으로 예상 된다. 그것의 사용; 시작 후 곧 센서 (~ 2 h) 재조정 이미 몇 일 동안 사용 되었습니다, 간격 (~ 24 h)18을 확장할 수 있습니다. 최소화 하지, 몇 일18에 사용 되지 않습니다 하지 않는 한 편광 센서를 유지 합니다. 시간이 지남에, 센서 신호에 변화 발생할 수 있습니다, 최대 50%에 달 하는 막18의 다른 침투성. 실험실, 더 많은 상수에에서 대 한 낮은 전자 간섭 안정적인 센서 신호 될 것입니다. 그런 의미에서 UPS를 사용 하 여 전압 변동 필터링 하 여 측정 장치를 도달 하는 전기 에너지의 품질을 향상 시킵니다. 샘플링 간격, 기록 탭에서 선택한 배경 주파수부터 다르다. 각 등록 된 포인트는 많은 측정의 평균에서 생성 됩니다. 샘플링 간격 (10 s)는 데이터 포인트를 기록 하는 주파수를 나타냅니다. 평균에 사용 되는 시간 단위 당 측정 수 배경 주파수29에 의해 정의 됩니다. 예를 들어, 우리가 5의 샘플링 주파수를 설정 하는 경우 s와 초당 500 측정 데이터 포인트의 배경 주파수 기록 모든 5 s와 초당 500 샘플의 평균 이전 5 동안 측정 된다 s. 우리는 센서 신호 마다 5 분 (샘플링 간격)을 기록 하 고 초당 1000 측정 배경 주파수 설정. 연구 시스템 "평균" 예상된 변동 없이 정확한 샘플링 간격을 선택 하려면 알려진 해야 합니다. 높은 활성 시스템, 더 긴 간격으로 컴퓨터의 메모리29최적화를 허용 하는 동안 짧은 샘플링 간격 권장 됩니다. 몇 가지 가능한 간섭 물질 (H2S, NO 및 CO2) N2O 센서의 신호22달라질 수 있습니다. 센서는 이온을 제거 된 물으로 교정 하지만 샘플 간섭 물질을 포함 하 고 센서의 레퍼런스 신호를 수정할 수 있습니다. 이 상황 왜 음수 값이 표시 예제 2 및 그림 2b 와 그림 3a, 5에에서 각각 설명할 수 있었다. 그러나, 목표는 탈 질 작용 속도 추정 하는, N2O의 정확한 수준이 않습니다 키 매개 변수. 키 이다 (N2O의 선형 축적 증명) 선형 모델의 기울기. 마지막으로, 그것은 고정된 온도 온도 (그림 4)와 N2O 센서의 응답 변경 때문에 작동 하는 데 필요한.
간단한 수정 또는 추가 프로토콜을 사용 하도록 설정 (i)의 특성 측정된 탈 질 작용 속도 제어 하는 환경 조건 (ii)는 운전에 대 한 응답을 시뮬레이션 하 여 잠재적인 탈 질 작용의 추정 그라데이션 (예를 들어, 질 산), 및 (iii) 연구 목적에 따라 C2H2 억제를 건너뛰는 하 여 토사 N2O 방출 비율의 추정, 여러 보완 측정을 만들 수 있습니다: (i) 복구 직후는 코어, 제자리에서 조건, 예를 들면, 온도; (ii) 하기 전에 측정, 샘플 단계의 물, 예를 들어, [3-]; 그리고 (iii), 측정 후 밀어내기와 다른 해상도 (mm-cm)25,30, 절차에 따라 코어의 조각 P. T. Schwing 그 외 여러분 에 의해 설명 30.
C. Palacin Lizarbe L. Camarero, J. 카탈로니아어17에 설명 된 대로 잠재적인 탈 질 작용 속도 측정 하려면 (예를 들어, 그림 2 및 그림 3) 코어의 물 단계 질산염을 추가 합니다. 이렇게, C2H2 억제 (4.3 단계) 전에 질 산을 추가 합니다. 또한, 질 산을 추가 하는 경우 그것은 또한 탄소 (C;를 추가 하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 아세테이트)과 인 (P) 비율을 유지 하려면 현장에서 화학 량 론의 C, N 및 P (예를 들면, 표면 침전 물에서). 이 탈 질 작용의 한계에 의해 이러한 요소31,32, 하며 또한 질산염 소비 과정 (즉, 탈 질 작용 의 지배력에 영향을 미칠 수 있는 c/N 비율을 지킬 것 이다 대 dissimilatory 질 산 암모늄 (DNRA) 감소)4. Anoxia는 질산염 추가 탈 질 작용;와 산소 간섭을 방지 하는 몇 분 동안 N2-콜로라도2 혼합물을 버블링 하 여 해결할 수 있습니다. 그러나,이 nitrification의 막힘에 이르게 note. 앙금 N2O 방출 속도 계산 하려면 C2H2 억제 (단계 4.3)을 생략 합니다. 그러나, 명심, 그것은 현재 수 중 생태계에 알려져, N2O 방출은 비례적으로 낮은 누적된 N2O 아래 있을 것입니다 수33, N의2 배출량 (0%-4.3%) 비해 검출 한계입니다. 이 경우 내보낸된 N2O, 잠재적인 N2O 배출량 계산 증가 질 산을 추가 하는 옵션이입니다.
방법의 주요 약점은 C2H210,34에 의해 nitrification의 억제 이다. 외피, 동안 nitrification의이 저해와 N2O 감소의 불완전 한 저해 될 수 있습니다 명백한, 둘 다는 매우 시간에 따라 다름. 예를 들어, 시작 N2O 축적 속도 진짜 탈 질 작용 속도 공개 하 고 점차적으로 부패로 질 산 가용성과 N2O 감소35은 질산염 자유 영역으로 확산 해야 합니다. 따라서, 추정된 탈 질 작용 속도 수치 표시 N2O10의 선형 축적 하는 경우에 유효한 간주 수 있습니다.
설명 하는 방법을 전체 퇴적 활동을 통합 하는 지역 당 탈 질 작용 속도 견적 한다. 이 점에서 샘플의 수성 단계에서 가스를 버블링 때 아세틸렌 억제의 행동 반경에 대 한 몇 가지 불확실성이 이다. 그것은, 적어도, 억제는 침전 물 surficial 계층의 발생, 높은 탈 질 작용 요금26,27와 한 가정.
이 방법에 가능한 개선 15N 추적기와 수정 탈 질 작용 제자리의 측정 될 수 있는 그것의 사용은. 15 N 추적 방법 nitrification-탈 질 작용 커플링 샘플36에서 발생의 비율을 결정 하기 위해 사용할 수 있습니다 그리고 그것은 또한 탈 질 작용 외 다른 N 플럭스 프로세스에 대 한 계정 수 있습니다 (예를 들어, anammox 및 dissimilatory 질 산 암모늄 (DNRA)을 감소)13,37 그러나, 이러한 방법을 변경 하는 기질 농도10의 단점은 있다. A. Behrendt, D. 데 맥주와 피 Stief 26 N2O microsensors, C2H2 억제, 및 15N 추적기 결합 메서드를 사용 하 여 dissimilatory 질 산 감소의 수직 활동 분포를 분석 하 프로세스 (탈 질 작용 그리고 DNRA) 퇴적 물에서. 그들은 센서와 퇴적 물을 관통 하 여 퇴적 물을 수직 프로 파일을 했다. 제자리에서 탈 질 작용 측정의 주요 어려움 비상수 온도 환경 처리 하는 기능입니다. 그것은 N2O 축적과 온도 동시에 기록 하 고 다음 탈 질 작용 속도 계산 하는 동안 온도 의존에 의해 N2O 센서의 신호를 해결 해야 합니다. 이 보정 각 센서에 대 한 N2O 신호의 온도 의존의 이전 분석을 요구 한다. 센서 수 제, 그리고 각자 다르게 온도 응답 (예를 들어, 센서 1에서는 다른 사람 보다 더 높은 온도 의존성 그림 2c, e).
그림 4 : N2O microsensor 응답의 온도 의존. 다른 슬로프는 센서 신호 대 의 선형 모델의 각 N2O 농도에서 온도 센서의 신호에 온도 효과를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
스페인 정부는의 CP-L. (FPU12-00644) 및 정부의 드 Economia y Competitividad의 연구 보조금을 predoctoral 화목으로 정부의 드 모두를 통해 자금을 제공: NitroPir (CGL2010-19737), 잠시 (CGL2013-45348-P), 전송 ( CGL2016-80124-C2-1-P). REPLIM 프로젝트 (INRE-INTERREG 프로그램. EUUN-유럽 연합 EFA056/15) 지원 되는 프로토콜의 마지막 글.
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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