Organische Substanzen Biogeochemie Gelöster Verständnis durch<em> In Situ</em> Nährstoff Manipulations in Stream-Ecosystems
Summary
Gelöste organische Materie stellt eine wichtige Quelle von Energie und Nährstoffen Ökosysteme zu streamen. Hier zeigen wir eine feldbasierte Methode , um die Umgebungs Pool von gelösten organischen Stoffen in situ durch leicht replizierbar Nährstoffimpulse zu manipulieren.
Abstract
Dissolved organic matter (DOM) is a highly diverse mixture of molecules providing one of the largest sources of energy and nutrients to stream ecosystems. Yet the in situ study of DOM is difficult as the molecular complexity of the DOM pool cannot be easily reproduced for experimental purposes. Nutrient additions to streams however, have been shown to repeatedly alter the in situ and ambient DOM pool. Here we demonstrate an easily replicable field-based method for manipulating the ambient pool of DOM at the ecosystem scale. During nutrient pulse experiments changes in the concentration of both dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen can be examined across a wide-range of nutrient concentrations. This method allows researchers to examine the controls on the DOM pool and make inferences regarding the role and function that certain fractions of the DOM pool play within ecosystems. We advocate the use of this method as a technique to help develop a deeper understanding of DOM biogeochemistry and how it interacts with nutrients. With further development this method may help elucidate the dynamics of DOM in other ecosystems.
Introduction
Gelöste organische Stoffe (DOM) ist eine wichtige Energie- und Nährstoffquelle Ökosysteme Süßwasser und ist als organische Substanz definiert, die ein 0,7-um-Filter durchläuft. Innerhalb von aquatischen Ökosystemen kann DOM auch Lichtdämpfung und Metallkomplexbildung beeinflussen. DOM ist ein sehr vielfältig und heterogene Mischung von organischen Verbindungen mit verschiedenen funktionellen Gruppen, sowie essentielle Nährstoffe wie Stickstoff (N) und Phosphor (P). Während der Begriff "DOM" beschreibt den gesamten Pool einschließlich ihrer C, N und P-Komponenten, wird seine Konzentration gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) gemessen. Die inhärente molekulare Komplexität des DOM-Pool jedoch schafft Herausforderungen zu seiner Studie. Beispielsweise gibt es keinen direkten Weg, um den Bruchteil der gesamten DOM Pool von organischen Nährstoffen wie gelösten organischen Stickstoff (DON) und des gelösten organischen Phosphor (DOP) umfaßte zu messen. Stattdessen muss die Konzentration an organischen Nährstoffen durch Differenz bestimmt werden ( <em> zB [DON] = [gesamte gelöste Stickstoff] – [gelösten anorganischen Stickstoff]).
eine realistische DOM Änderung in einen Stream hinzuzufügen ist aufgrund der Vielfalt der Umgebungs DOM Pool schwierig. Frühere Studien haben einzelne Kohlenstoffquellen hinzugefügt (zB Glucose, Harnstoff 1) oder eine bestimmte Quelle wie Blattsänfte Sickerwasser 2 bis Konzentrationen im Bereich manipulieren. Jedoch sind diese Quellen nicht besonders repräsentativ für die Umgebungs DOM-Pool. Der Versuch , zu verfeinern oder Umgebungs DOM für nachfolgende Experimente konzentrieren auch mit Schwierigkeiten , einschließlich der Verlust bestimmter Fraktionen (zB hochlabile Komponenten) während der Verarbeitung eingewirkt ist. Als Ergebnis ist es schwierig, die Bedienelemente auf der Umgebungs DOM Pool zu verstehen, wie wir derzeit keine Methode besitzen, um direkt die Umgebungs DOM Pool manipulieren. Da jedoch die Biogeochemie von DOM ist mit Nährstoffen üblicherweise in der Umwelt (z nitrate [NO 3 -] 3), können wir andere gelöste Stoffe hinzufügen Ökosysteme zu streamen und die Reaktion des DOM – Pool zu diesen Manipulationen zu messen. Durch die Untersuchung, wie die DOM Pool reagiert auf eine breite Palette von experimentell verhängten Nährstoffkonzentrationen wir hoffen, einen besseren Einblick in zu gewinnen, wie DOM reagiert Umweltbedingungen fluktuiert.
Ein Verfahren, das üblicherweise in Strom Biogeochemie verwendet wird, ist der Nährstoffzugabe Methode. Nährstoffzugabe Experimente haben traditionell verwendet worden , Aufnahmekinetik oder das Schicksal des zusätzlichen gelösten Stoff 4,5,6,7 zu verstehen. Nährstoff Additionen können kurzfristige auf dem hr 6 bis Tag Skala 4 oder längerfristigen Manipulationen im Laufe mehrerer Jahre 8 sein. Nährstoff Additionen kann auch das isotopisch markierte Nährstoffe ( zum Beispiel 15 N-NO 3 -) durch biogeochemischen Reaktionen hinzugefügt Nährstoff zu verfolgen. Allerdings isotopenbasierten Studien sind oft Expensive und erfordern anspruchsvolle Analysen (zB Verdaus) der mehreren Kammern benthic wo isotopisch markierte Nährstoffe zurückgehalten werden kann. Kürzliche Versuche haben den Nutzen der kurzfristigen Nährstoffimpulse ergeben , die Steuerelemente auf nicht hinzugefügt und Umgebungs Solute wie DOM 9,10, offenbart einen neuen Weg zu erläutern , durch die Echtzeit – in – situ – biogeochemischen Reaktionen zu untersuchen. Hier beschreiben wir und zeigen die wichtigsten methodischen Schritte zur Durchführung von kurzfristigen Nährstoff Impulse mit dem Ziel, das Verständnis der gekoppelten biogeochemischen von C und N und insbesondere die Kontrollen auf der sehr unterschiedlichen DOM-Pool. Dies leicht reproduzierbares Verfahren beinhaltet die Zugabe eines Nährstoffs Impuls zu einem experimentellen Strom erreichen und Veränderungen in der Konzentration von sowohl der Stell gelöstem Stoff und der Antwortvariablen von Interesse (zB DOC, DON, DOP) zu messen. Durch die direkte Nährstoffkonzentrationen in situ Manipulation wir sind in der Lage , um indirekt die DOM verändernPool und untersuchen , wie DOM Konzentrationsänderungen über einen Dynamikbereich von Nährstoffkonzentrationen 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Ziel des Nährstoffs Impulsverfahren, wie hier dargestellt, ist die Antwort des sehr unterschiedlichen Pool von Umgebungsfließgewässer DOM über einen Dynamikbereich eines zugegebenen anorganischen Nährstoff zu charakterisieren und zu quantifizieren. Wenn die zugegebene gelöste Stoff in ausreichendem Maße die Konzentration des reaktiven gelösten Stoffs zunimmt, kann eine große folgernd Raum geschaffen werden, um zu verstehen, wie die biogeochemischen Kreisläufe von DOM zu Nährstoffkonzentrationen verknüpft…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge the Water Quality Analysis Laboratory at the University of New Hampshire for assistance with sample analysis. The authors also thank two anonymous reviewers whose comments have helped to improve the manuscript. This work is funded by the National Science Foundation (DEB-1556603). Partial funding was also provided by the EPSCoR Ecosystems and Society Project (NSF EPS-1101245), New Hampshire Agricultural Experiment Station (Scientific Contribution #2662, USDA National Institute of Food and Agriculture (McIntire-Stennis) Project (1006760), the University of New Hampshire Graduate School, and the New Hampshire Water Resources Research Center.
Materials
| Sodium Nitrate | Any | Any | |
| Sodium Chloride | Any | Any | Store purchased table salt can be used as well, however, it does contain trace levels of impurities |
| Whatman GFF glass-fiber filters | Any | Any | |
| BD Filtering Syringe | Any | Any | |
| EMD Millipore Swinnex Filter Holders | Any | Any | |
| Syringe stop-cock | Any | Any | |
| YSI Multi-parameter probe | Yellow Springs International | 556-01 | |
| Wide mouth HDPE 125 ml bottles | Any | Any | |
| 60 ml HDPE bottles | Any | Any | |
| 20 L bucket | Any | Any | |
| Field measuring tape | Any | Any | |
| Lab labeling tape | Any | Any | |
| Stir stick | Any | Any | |
| Cooler | Any | Any | |
| Sharpie pen | Any | Any | |
| Field notebook | Any | Any | |
| Tweezers | Any | Any | |
| Zip-lock bags | Any | Any |
References
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