Deze methode maakt een schatting van sediment denitrificatie tarieven in sediment kernen met behulp van de acetyleen remming techniek en microsensor metingen van de geaccumuleerde N2O. Het protocol beschrijft procedures voor het verzamelen van de kernen, kalibreren van de sensoren, uitvoeren van de remming van acetyleen, meten de N2O accumulatie en berekening denitrificatie.
Denitrificatie is het primaire biogeochemische proces verwijderen van reactieve stikstof uit de biosfeer. De kwantitatieve evaluatie van dit proces is bijzonder relevant voor de beoordeling van de stikstofcyclus antropogene-gewijzigd global en de uitstoot van broeikasgassen (dat wil zeggen, N2O) geworden. Verschillende methoden zijn beschikbaar voor het meten van denitrificatie, maar geen van hen zijn volledig bevredigend. Problemen met bestaande methoden omvatten hun ontoereikende gevoeligheid, en de noodzaak om het substraat niveaus wijzigen of veranderen van de fysieke configuratie van worden gebruikt door het proces verstoord monsters. Dit werk beschrijft een methode voor het schatten van sediment denitrificatie tarieven die combineert ontkernen, acetyleen inhibitie en microsensor metingen van de geaccumuleerde N2O. De belangrijkste voordelen van deze methode zijn een lage verstoring van de structuur van het sediment en de collectie van een permanente record van N2O accumulatie; Deze schattingen van betrouwbare denitrificatie tarieven met minimale waarden tot 0.4-1 in staat stellen µmol N2O m-2 h-1. De mogelijkheid om te manipuleren van de sleutelfactoren is een bijkomend voordeel voor het verkrijgen van experimentele inzichten. Het protocol beschrijft procedures voor het verzamelen van de kernen, kalibreren van de sensoren, uitvoeren van de remming van acetyleen, meten de N2O accumulatie en berekening denitrificatie. De methode is geschikt voor het schatten van denitrificatie tarieven in een aquatisch systeem met opvraagbaar sediment cores. Als de N2O-concentratie hoger dan de detectiegrens van de sensor is, kan de acetyleen remming stap te schatten van de emissie van de2O N in plaats van denitrificatie worden weggelaten. We laten zien hoe beide feitelijke en potentiële denitrificatie tarieven schatten door het verhogen van de beschikbaarheid van nitraat, evenals de temperatuursafhankelijkheid van het proces. We illustreren de procedure met behulp van mountain lake sedimenten en discussiëren over de voordelen en de zwakke punten van de techniek ten opzichte van andere methoden. Deze methode kan worden aangepast voor specifieke doeleinden; het kan bijvoorbeeld worden gecombineerd met 15N traceurs te beoordelen van de nitrificatie en denitrificatie of veld in situ metingen van denitrificatie tarieven.
Antropogene wijziging van de stikstofcyclus is een van de meest uitdagende problemen voor de aarde systeem1. Menselijke activiteit heeft op zijn minst verdubbeld de niveaus van reactieve stikstof beschikbaar aan de biosfeer2. Toch blijven er grote onzekerheid over hoe de wereldwijde N-cyclus wordt geëvalueerd. Een paar flux schattingen hebben gekwantificeerd met minder dan ±20% fout, en velen hebben onzekerheden van ±50% en grotere3. Deze onzekerheden geven de behoefte aan nauwkeurige schattingen van de denitrificatie tarieven over ecosystemen en een goed begrip van de onderliggende mechanismen van variatie. Denitrificatie is een microbiële activiteit waardoor stikstofhoudende stikstofoxiden, voornamelijk nitraat en nitriet, zijn gereduceerd tot dinitrogen gassen, N2O en N24. Het traject is zeer relevant voor de beschikbaarheid van de biosfeer van reactieve stikstof want het is het primaire proces van verwijdering5. N2O is een broeikasgas met een GWP-waarde bijna 300 keer dat co2 meer dan 100 jaar, en het is de huidige belangrijke oorzaak van de stratosferische ozonlaag toe te schrijven aan de grote hoeveelheden worden uitgestoten6,7.
In de volgende, presenteren we een protocol voor het schatten van sediment denitrificatie tarieven experimenteel gebruik van kernen en N2O microsensors (Figuur 1). Denitrificatie tarieven worden geschat met behulp van het acetyleen remming methode8,9 en metingen van de accumulatie van N2O tijdens een bepaalde periode (Figuur 2 en Figuur 3). We laten zien van de methode door het toe te passen op de berg lake sedimenten. Deze case studie wijst op de prestaties van de methode voor het opsporen van de relatief lage tarieven met minimale verstoring van de fysieke structuur van de sedimenten.
Denitrificatie is bijzonder moeilijk te meten van10. Er zijn verschillende alternatieve benaderingen en methoden, elk met voor- en nadelen. Nadelen aan beschikbare methoden omvatten het gebruik van dure resources, onvoldoende gevoeligheid en de behoefte aan de substraat-niveaus wijzigen of veranderen van de fysieke configuratie van het proces met behulp van verstoorde monsters10. Een nog meer fundamentele uitdaging voor het meten van N2 is zijn verhoogde achtergrondniveaus in de omgeving-10. De vermindering van N2O tot N2 wordt geremd door acetyleen (C2H2)8,9. Dus, denitrificatie kan worden gekwantificeerd door het meten van de geaccumuleerde N2O in aanwezigheid van C2H2, wat is haalbaar als gevolg van lage milieu N2O niveaus.
Het gebruik van C2H2 te meten denitrificatie tarieven in sedimenten ontstond ongeveer 40 jaar geleden11, en de opneming van N2O sensoren opgetreden ongeveer 10 jaar later12. De meest toegepaste acetyleen gebaseerde benadering is de “statische kern”. De geaccumuleerde N2O wordt gemeten tijdens een incubatietijd van maximaal 24 uur nadat de C2H2 is toegevoegd aan de headspace van de verzegelde sediment core10. De hier beschreven methode volgt deze procedure met enkele innovaties. We voegen de C2H2 door het gas borrelt in de waterfase van de kern voor enkele minuten, en we vullen alle de headspace met monster water voor het meten van de accumulatie van N2O met een microsensor. We voegen ook een roersysteem waardoor de gelaagdheid van het water zonder het resuspending van het sediment. De procedure kwantificeert de denitrificatie tarief per oppervlakte van sediment (b.v., µmol N2O m-2 h-1).
De hoge ruimtelijke en temporele variatie van denitrificatie presenteert een andere moeilijkheid in haar nauwkeurige kwantificering10. Meestal wordt N2O accumulatie sequentieel gemeten met behulp van gaschromatografie van headspace monsters die zijn verzameld tijdens de incubatie. De beschreven methode biedt verbeterde controle van de temporele variatie van de N2O accumulatie, omdat de microsensor een continu signaal biedt. De microsensor-multimeter is een versterker met digitale microsensor (picoammeter) die met de sensor(en) en de computer (Figuur 1een interfacet). De multimeter kunt verschillende N2O microsensors moet worden gebruikt op hetzelfde moment. Bijvoorbeeld maximaal vier sediment kunnen kernen van de zelfde studieplaats worden gemeten gelijktijdig aan account voor de ruimtelijke variabiliteit.
De aanpak van de kern stoort nauwelijks de structuur van de sedimenten in vergelijking met sommige andere methodes (bv, slurries). Als de integriteit van de sedimenten is gewijzigd, leidt dit tot onrealistisch denitrificatie tarieven13 die alleen geschikt zijn voor relatieve vergelijkingen. Hogere tarieven zijn altijd verkregen met drijfmest methoden vergeleken met kern methoden14, omdat de laatste de beperking van denitrificatie door substraat diffusie15 behoudt. Drijfmest maatregelen niet beschouwd als vertegenwoordiger van in situ tarieven16; zij voorzien in relatieve maatregelen voor vergelijkingen gemaakt met exact dezelfde procedure.
De beschreven methode is geschikt voor het schatten van denitrificatie tarieven in elk type sediment die kan worden gevulde. Wij raden met name de methode voor het uitvoeren van experimentele manipulaties van enkele van de drijvende factoren. Voorbeelden zijn experimenten die wijzigen nitraat beschikbaarheid en temperatuur zo nodig voor het inschatten van de energie activering (Eeen) denitrificatie17 (Figuur 2).
Figuur 1 : Experimentele opzet. (een) algemene experimentele opstelling te schatten van sediment denitrificatie tarieven met behulp van kernen en N2O microsensors. De incubatie zaal zorgt voor duisternis en geregelde temperatuur (±0.3 ° C) voorwaarden. Vijf intact sediment kernen kunnen verwerkt worden gelijktijdig met behulp van hun respectieve N2O sensoren. (b) N2O sensor kalibratie kamer. We aangepast met rubber stoppen en spuiten te mengen de N2O water (zie protocol stap 3.4.3). Er is een thermometer om de temperatuur van het water. (c) in Close-up van een sediment core monster met de sensor die in het gat in het midden van de cover van het PVC en de gewrichten verzegeld met plakband wordt ingevoegd. De roerder is opknoping in het water, en de elektromagneet ligt dicht bij het en bevestigd aan het buitenste gedeelte van de acryl buis. (d) Close-up van het microsensor van de2O N tip beschermd door een metalen stuk. (e) een sediment kern die net zijn hersteld. Het werd bemonsterd vanaf een boot in een diep meer; de acryl buis met de kern is nog steeds op de messenger-aangepast zwaartekracht corer19bevestigd. Zie de Tabel van de materialen van alle items die nodig zijn om deze methode uit te voeren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
De belangrijkste voordelen van de beschreven methode zijn het gebruik van minimaal gestoord sedimentmonsters kern en de continue opname van de accumulatie van de2O N. Deze toestaan schatting van de relatief lage denitrificatie tarieven die waarschijnlijk vergelijkbaar met die voorkomen in situ. Toch, sommige aspecten met betrekking tot de ontkernen sensor prestaties en mogelijke verbeteringen worden besproken.
Een ogenschijnlijk eenvoudige maar kritische stap van de methode…
The authors have nothing to disclose.
De Spaanse regering verstrekte middelen via de Ministerio de Educación als een predoctoraal fellowship C.P-L. (FPU12-00644) en onderzoekssubsidies van de Ministerio de Economia y Competitividad: NitroPir (CGL2010-19737), Lacus (CGL2013-45348-P), Transfer () CGL2016-80124-C2-1-P). Het REPLIM-project (INRE – INTERREG-programma. EUUN – Europese Unie. EFA056/15) ondersteund het uiteindelijke schrijven van het protocol.
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. |