コアと N2O マイクロ センサーを使用して土砂脱窒率を推定
Summary
蓄積 N2o. アセチレン阻害法とマイクロ センサー測定を用いた堆積土砂脱窒率を推定しています。プロトコルは、アセチレン阻害を実行する、センサーのキャリブレーションを行うコアを収集するための手順を説明します N2O 蓄積を測定および脱窒速度を計算します。
Abstract
脱窒は、生物圏からの反応性窒素除去主の生物地球化学的プロセスです。このプロセスの定量的評価と人為的変更地球窒素循環と (すなわちN2O) の温室効果ガスの排出量を評価するために特に関連なっています。脱窒を測定するいくつかの方法がありますが、それらのどれも完全に満足。既存手法と問題十分な感度で、基板レベルを変更するプロセスを使用しての物理構成を変える必要性妨害のサンプルがあります。この作品は、コアリング組み合わせた土砂脱窒率、アセチレン阻害、および蓄積された N2o. のマイクロ センサー測定を推定する方法をについて説明しますこの方法の主な利点は、堆積構造の低擾乱と N2O の蓄積の連続レコードのコレクションこれらは、最低値は 0.4 1 最大信頼性の高い脱硝率の推定値を有効にする µmol N2O m-2 h-1。重要な要因を操る能力は、実験的洞察力を取得するための追加の利点をあります。プロトコルは、アセチレン阻害を実行する、センサーのキャリブレーションを行うコアを収集するための手順を説明します N2O 蓄積を測定および脱窒速度を計算します。メソッド取得の堆積物コアを持つ任意の水生システムの脱窒速度の推定に適しています。N2O 濃度センサーの検出限界を超える場合は、脱窒の代わりに N2O の放出を推定するアセチレン阻害ステップを省略できます。プロセスの温度依存性と同様、硝酸の可用性を高めることによって両方の実際および潜在的な脱窒率を推定する方法を示します。山湖の堆積物を使用して手順を説明し、利点と他の方法と比較して技術の短所を話し合います。このメソッドは、特定の目的のため変更できます。例えば、硝化と脱窒またはフィールドの in situ測定脱窒率を評価するために15N トレーサーと結合できます。
Introduction
窒素循環の人為的な変化は、地球システムの1の最も困難な問題の一つです。人間の活動は、バイオスフィア2に利用可能な窒素酸化物のレベルを少なくとも倍増しています。ただし、グローバルの N サイクルの評価方法に関する大きな不確実性が残っています。誤差 ± 20%、以下いくつかフラックス推定を定量化しているされて、多くは ± 50% と大きく3の不確実性。これらの不確実性は、生態系変動メカニズムの理解、脱窒速度の正確な推定のための必要性を示します。脱窒は、窒素酸化物、硝酸、亜硝酸、主が減り、窒素ガス、N2O および N24に微生物の活動です。経路は、除去5の主なプロセスだから反応性窒素の生物圏の可用性に関連性の高いです。N2O は、温室効果ガスの地球温暖化の潜在性のほぼ 300 回 co2 100 年、それは大量放出6,7をされているため成層圏オゾン層破壊の現在の主な原因。
以下では、堆積物の脱窒率実験コアと N2O マイクロ センサーを使用して (図 1) を推定するためのプロトコルを提案します。脱窒速度の推定には、アセチレン阻害法8,9と (図 2および図 3) に定義された期間中に N2O の蓄積の測定を使用しています。山湖堆積物にそれを適用することによってメソッドを示します。このケース スタディは、堆積物の物理的な構造の攪乱を最小限で比較的低料金の自動検出法の性能を強調表示します。
脱窒は10を測定する特に困難です。いくつかの代替的なアプローチと方法は、それぞれ長所と短所があります。利用可能な方法の欠点、高価なリソース、十分な感度と基板レベルを変更したり、妨げられたサンプル10を使用してプロセスの物理的な構成を変更する必要があります。N2を測定するさらにもっと基本的な課題は、環境10上昇背景レベルです。N2N2 O の削減は、アセチレン (C2H2)8,9によって阻害されます。したがって、脱窒は環境 N2O レベルが低いため可能な蓄積された N2O C2H2の存在下での測定によって定量化することができます。
C2H2堆積物における脱窒率を測定するための使用が開発された約 40 年前11、および N2O センサー定款発生した約 10 年後12。最も広く適用されるアセチレン ベースのアプローチは、「静的コア」です。蓄積された N2O は、C2H2が封印された堆積物コア10のヘッド スペースに追加された後、24 h までの潜伏期間中に測定されます。ここで説明する方法いくつかの技術革新とこの手順に従います。我々 はいくつかの分のコアの水の段階でガスをバブリングによって C2H2を追加、我々 は N2O マイクロ センサーとの蓄積を測定する前にサンプル水とすべてのヘッド スペースを埋めます。我々 は、堆積物を再することがなく水の成層を防止する攪拌システムがあります。プロシージャを定量化堆積物表面積あたりの脱窒速度 (例えばµmol N2O m-2 h-1)。
脱窒の高時空の変化は、その正確な数量10で別の難易度を示します。通常、N2O の蓄積は、孵化中に収集されるサンプルをヘッド スペース ガスクロマトグラフィーによって順番に測定されます。説明した方法は、マイクロ センサーは、連続的な信号を提供するため、N2O 蓄積の変化の監視機能の向上を提供します。マイクロ センサー マルチメータは、インターフェイスをセンサーとコンピューター (図 1、) デジタル マイクロ アンプ (picoammeter) です。マルチメータは、同時に使用するいくつかの N2O マイクロ センサーをことができます。例えば、4 つの底まで同じ研究サイトからコアが同時測定可能空間の可変性をアカウントに。
中核的なアプローチは、堆積構造のいくつかの他の方法 (例えばスラリー) と比べてほとんど妨げます。堆積物の整合性が変更された場合、これはあくまで相対的な比較に適切な非現実的な脱窒率13につながります。後者基板拡散15によって脱窒の制限が保持されますので、率が高い、常にコア メソッド14に比べてスラリー法が得られます。スラリー対策は、その場で料金16; の代表を考慮することはできません。彼らは正確に同じ手順で作られて比較のための相対的な時間を提供します。
記載されているメソッドは芯が土砂タイプで脱窒率を推定するためです。特に、いくつかの運転の要因の実験的操作の実行方法をお勧めします。例としては、硝酸可用性とエネルギーの活性化 (E、) 脱窒17 (図 2) を推定するため必要に応じて温度を変更する実験です。
図 1: 実験のセットアップ。コアと N2O マイクロ センサーを使用して土砂脱窒率を推定する (、) 一般的な実験のセットアップ。培養室は、闇と制御温度 (± 0.3 ° C) の条件を確保します。5 そのまま堆積物コアは、同時に彼らのそれぞれの N2O センサーを使用して処理できます。(b) N2O センサー校正室。ゴム栓と N2O の水を混ぜて注射器適応我々 (プロトコル手順 3.4.3 参照)。水の温度を制御する温度計があります。(c) センサーと底質コア試料のクローズ アップは、PVC カバーと粘着テープで密閉接合部の中央の穴に挿入。水のかくはんがぶら下がっていると電磁石が、それに近い、アクリル管の外部の部分に固定します。(d) N2O マイクロ センサーのクローズ アップのヒント金属片によって保護されて。(e) 堆積物コア回収されてちょうど。それは、深い湖でボートから採取コアでは、アクリルのパイプはメッセンジャー適応重力ピストンコアラー19にまだ固定されます。このメソッドを実行するために必要なすべての項目のための材料表を参照してください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Protocol
Representative Results
Discussion
この方法の主な利点は、妨げた最小限堆積物コア試料の使用と N2O 蓄積の連続記録です。これらはそれらに発生する上皮内に似ています可能性が比較的低い脱窒率の推定ができます。それにもかかわらず、コアリング、センサーの性能、および潜在的な改善に関するいくつかの側面を説明します。
メソッドのどうやら単純だが重要なステップが良いコア回?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
スペイン政府は、C.P L (FPU12-00644) と Ministerio デ エコノミア y Competitividad の研究助成金にまた、博士課程フェローシップとして Ministerio デ Educación を通じて資金を提供: NitroPir (CGL2010 19737)、ラクス (CGL2013 45348 P) 転送 (CGL2016-80124-C2-1-P)。REPLIM プロジェクト (INRE – INTERREG プログラム。EUUN – 欧州連合。EFA056/15) プロトコルの最終書き込みをサポートします。
Materials
| 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. |
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