Schatten van Sediment denitrificatie tarieven met behulp van Cores en N₂O Microsensors

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 uitgestoten^6,7.

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 methode^8,9 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 diffusie^{15 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 (E_een) 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.