הערכת משקעים Denitrification המחירים באמצעות ליבות ו- N2O רחוקים
Summary
שיטה זו הערכות משקעים denitrification בבתי ליבות משקע באמצעות אצטילן עיכוב טכניקה, microsensor המדידות של שהצטברו N2O. הפרוטוקול מתאר הליכים לאיסוף הליבות, כיול החיישנים, ביצוע עיכוב אצטילן, מדידת הצטברות2O N, וחישוב שיעור denitrification.
Abstract
Denitrification הוא תהליך biogeochemical ראשי הסרת חנקן תגובתי מסיימת. הערכה כמותית של תהליך זה הפך להיות רלוונטיים במיוחד לשם הערכת מחזור חנקן כללי אנתרופוגניים מהונדס, הפליטה של גזי חממה (קרי, N2O). מספר שיטות זמינות למדידת denitrification, אך אף אחד מהם משביעות רצון לחלוטין. בעיות עם שיטות קיימות כוללות את רגישותם לא מספיקות, והפרעתי בצורך לשנות את רמות המצע או לשנות את התצורה הפיזית של התהליך באמצעות דוגמאות. עבודה זו מתאר שיטה להערכת המחירים denitrification משקעים המשלבת גלעון אצטילן עיכוב, מדידות microsensor של שהצטברו N2O. היתרונות העיקריים של שיטה זו הפרעה נמוכה של מבנה המשקעים הינם האוסף של רישום רציף של הצטברות2O N; אלה מאפשרים הערכות של המחירים denitrification אמין עם ערכי מינימום עד 0.4-1 µmol N2O m-2 h-1. היכולת לטפל גורמים מרכזיים הוא יתרון נוסף להשגת תובנות ניסיוני. הפרוטוקול מתאר הליכים לאיסוף הליבות, כיול החיישנים, ביצוע עיכוב אצטילן, מדידת הצטברות2O N, וחישוב שיעור denitrification. השיטה מתאימה עבור הערכת denitrification המחירים בכל מערכת המים עם משקעים שההמצאה ליבות. אם ריכוז2O N מעל הגבול זיהוי של החיישן, ניתן להשמיט את הצעד עיכוב אצטילן כדי להעריך את פליטת2O N במקום denitrification. אנו מראים כיצד אומדן המחירים בפועל, פוטנציאל denitrification הן על ידי הגדלת זמינות חנקתי, כמו גם את התלות בטמפרטורה של התהליך. אנו ממחישים את ההליך באמצעות הר אגם משקעים, לדון את היתרונות והחסרונות של הטכניקה לעומת שיטות אחרות. בשיטה זו ניתן לשנות למטרות מסוימות; למשל, זה יכול להיות משולב עם 15N המשדרים כדי להעריך ניטריפיקציה, denitrification או שדה בחיי עיר מדידות של המחירים denitrification.
Introduction
שינוי אנתרופוגניים של מחזור החנקן הוא אחת הבעיות המאתגרים ביותר עבור מערכת הארץ1. פעילות אנושית לפחות הוכפל רמות לרשות הביוספרה2תגובתי חנקן. עם זאת, נותרו אי ודאות גדולה לגבי איך מחזור N העולמי מוערך. כמה הערכות השטף יש כבר לכמתו פחות מ ± 20% שגיאה, ולרבים מהם יש אי הוודאויות של ±50% וגדול יותר3. לבדיקה מציינים את הצורך אומדנים מדויקים של שיעורי denitrification על פני המערכות האקולוגיות ועל הבנה של המנגנון הבסיסי של וריאציה. Denitrification היא פעילות מיקרוביאלית שדרכו תחמוצות חנקני, בעיקר ניטראט, חנקיתי, מופחתים על גזים dinitrogen, N2O ו- N24. השביל הוא מאוד רלוונטי הזמינות הביוספרה של חנקן תגובתי כי הוא התהליך העיקרי של הסרת5. N2O הוא גז חממה עם פוטנציאל התחממות כדור הארץ כמעט 300 פעמים של CO2 מעל 100 שנים, והוא הגורם העיקרי הנוכחי של הידלדלות שכבת האוזון סטראטוספאריך בשל כמויות גדולות להיות הנפלט6,7.
בחלק זה, אנו מציגים פרוטוקול עבור הערכת משקעים denitrification המחירים באמצעות ליבות ו- N2O רחוקים השפעול (איור 1). המחירים denitrification מוערך באמצעות אצטילן עיכוב שיטה8,9 מדידות של ההצטברות של N2O במהלך פרק זמן מוגדר (איור 2 , איור 3). נדגים את השיטה על ידי החלתו על הר אגם משקעים. מקרה המחקר מדגיש את הביצועים של השיטה לגילוי המחירים נמוכה יחסית עם הפרעה מינימלית למבנה הפיזי של המשקעים.
Denitrification קשה במיוחד למדוד10. ישנן מספר גישות אלטרנטיביות, שיטות, כל אחת עם יתרונות וחסרונות. החסרונות לשיטות הזמינים כוללים את השימוש במשאבים יקרים, רגישות לא מספקת את הצורך לשנות את רמות המצע או לשנות את התצורה הפיזית של התהליך באמצעות דגימות מופרע10. אתגר מהותי ואפילו יותר כדי מדידה N2 הוא רמות מוגברות הרקע שלו הסביבה10. ההפחתה של N2O N2 מעוכבת על ידי אצטילן (C2H2)8,9. לפיכך, ניתן לכמת denitrification על ידי מדידת שהצטברו N2O בנוכחות C2H2, אשר הוא ריאלי עקב רמות2O N סביבתיים נמוכות.
השימוש C2H2 כדי למדוד denitrification בבתי משקעים פותחה מלפני 40 שנה בערך11, וסוכם על הקמת חיישנים2O N אירעה כ-10 שנים מאוחר יותר12. הגישה מבוססת-אצטילן יישומית נרחב ביותר היא “הליבה סטטי”. שהצטברו N2O נמדד במהלך תקופת דגירה של עד 24 שעות לאחר2H C2 נוסף של קראוון של ה-core משקעים אטום10. השיטה המתוארת כאן בעקבות הליך זה עם כמה חידושים. אנו מוסיפים את2H C2 על ידי בעבוע הגז בשלב מים של הליבה במשך כמה דקות, נמלא את כל קראוון עם דגימת מים לפני מדידה ההצטברות של N2O עם microsensor. אנו כוללים גם מערכת מלהיב המונעת את ריבוד של המים ללא resuspending המשקע. ההליך מכמתת שיעור denitrification משקעים שטח (למשל, µmol N2O m-2 h-1).
וריאציית יכולות גבוהות של denitrification מציג קושי נוסף שלה כימות מדויק10. בדרך כלל, הצטברות2O N נמדד באופן רציף על ידי גז כרומטוגרפיה של דגימות קראוון שנאספו במהלך הדגירה. השיטה המתוארת מספק ניטור משופרות של וריאציית הטמפורלי של צבירת2O N, מכיוון microsensor מספקת אות רציף. Multimeter microsensor הוא מגבר דיגיטלי microsensor (picoammeter) ממשק עם sensor(s) ואת המחשב (איור 1). Multimeter מאפשר כמה רחוקים2O N לשמש בו זמנית. למשל, עד משקעים ארבע הליבות מתוך אותו אתר המחקר ניתן למדוד בו זמנית את חשבון עבור ההשתנות המרחבית.
הגישה הליבה מפריע בקושי את מבנה המשקעים לעומת שיטות אחרות (למשל, slurries). אם בשלמות המשקעים משתנה, זה מוביל המחירים denitrification ריאלית13 המהווים רק הולם להשוואות היחסי. שיעור גבוה יותר תמיד מתקבלים עם שיטות slurry לעומת שיטות הליבה14, מכיוון שהשני שומר על המגבלה של denitrification באמצעות דיפוזיה המצע15. אמצעים slurry יכולה להיחשב נציג בחיי עיר המחירים16; הם מספקים אמצעי היחסי השוואות את ההליך המדויק.
השיטה המתוארת מתאימה עבור הערכת denitrification המחירים בכל סוג המשקע זה יכול להיות מכוסה. אנו ממליצים במיוחד על השיטה עבור ביצוע מניפולציות ניסיוני של חלק מהגורמים נהיגה. דוגמאות לכך הן ניסויים המשנים חנקתי זמינות והטמפרטורה בהתאם לצורך הערכת אנרגיה ההפעלה (E) של denitrification17 (איור 2).
איור 1 : הגדרת הניסוי. הגדרת הניסוי () כללי כדי להעריך משקעים denitrification המחירים באמצעות ליבות ו- N2O רחוקים. תא הדגירה מבטיחה החושך ותנאי טמפרטורה מבוקרת (±0.3 ° C). ניתן לעבד חמש אבנים משקעים ללא פגע בו זמנית באמצעות שלהם חיישנים2O N בהתאמה. (b) N2O חיישן כיול קאמרית. שינינו אותה עם stoppers גומי, מזרקים לערבב N2O מים (ראה פרוטוקול שלב 3.4.3). יש מד חום כדי לשלוט על טמפרטורת המים. (ג) תקריב של דגימה משקעים בעזרת החיישן מוכנס לתוך החור המרכזי של השער PVC והמפרקים אטום עם דבק. מערבב תולה במים, ואת האלקטרומגנט קרוב קבוע בחלקו החיצוני של הצינור אקרילי. עצה (d) תקריב של microsensor2O N מוגן על ידי חתיכת מתכת. (e) גרעין משקע זה פשוט אבדו. זה היה לטעום מן סירה באגם עמוק; ברכבת התחתית אקרילי עם הליבה עדיין קבוע corer19כוח המשיכה הותאם ל- messenger. ראה את הטבלה של חומרים עבור כל הפריטים הדרושים לביצוע בשיטה זו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Protocol
Representative Results
Discussion
היתרונות העיקריים של השיטה המתוארת הם השימוש של משקעים מינימלית מופרע דוגמאות הקלטה רציפה של הצטברות2O N. אלה מאפשרים הערכה של תעריפים denitrification נמוך יחסית סביר דומה אלה המתרחשים בחיי עיר. למרות זאת, נדונים היבטים מסוימים הנוגעים את גלעון, חיישן על הביצועים ועל פוטנציאל שיפורים.</p…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הממשלה הספרדית סיפק כספים באמצעות Educación דה Ministerio כמו מלגת predoctoral C.P-ל’ (FPU12-00644), מענקי מחקר של y Ministerio דה Economia Competitividad: NitroPir (CGL2010-19737), יפורסם (CGL2013-45348-P), העברה ( CGL2016-80124-C2-1-P). הפרויקט REPLIM (INRE – תוכנית INTERREG. EUUN – האיחוד האירופי. EFA056/15) נתמך הכתיבה הסופי של הפרוטוקול.
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. |
Referencias
- Rockstrom, J., et al. A safe operating space for humanity. Nature. 461 (7263), 472-475 (2009).
- Erisman, J. W., Galloway, J., Seitzinger, S., Bleeker, A., Butterbach-Bahl, K. Reactive nitrogen in the environment and its effect on climate change. Current Opinion in Environmental Sustainability. 3 (5), 281-290 (2011).
- Gruber, N., Galloway, J. N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature. 451 (7176), 293-296 (2008).
- Tiedje, J. M., Zehnder, A. J. B. Ch. 4. Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium. Environmental Microbiology of Anaerobes. Vol. 717. , 179-244 (1988).
- Seitzinger, S., et al. Denitrification across landscapes and waterscapes: A synthesis. Ecological Applications. 16 (6), 2064-2090 (2006).
- Contribution of Working Group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. . IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. , (2013).
- Ravishankara, A. R., Daniel, J. S., Portmann, R. W. Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century. Science. 326 (5949), 123-125 (2009).
- Balderston, W. L., Sherr, B., Payne, W. Blockage by acetylene of nitrous oxide reduction in Pseudomonas perfectomarinus. Applied and Environmental Microbiology. 31 (4), 504-508 (1976).
- Yoshinari, T., Knowles, R. Acetylene inhibition of nitrous-oxide reduction by denitrifying bacteria. Biochemical and Biophysical Research Communications. 69 (3), 705-710 (1976).
- Groffman, P. M., et al. Methods for measuring denitrification: Diverse approaches to a difficult problem. Ecological Applications. 16 (6), 2091-2122 (2006).
- Sorensen, J. Denitrification rates in a marine sediment as measured by the acetylene inhibition technique. Applied and Environmental Microbiology. 36 (1), 139-143 (1978).
- Revsbech, N. P., Nielsen, L. P., Christensen, P. B., Sorensen, J. Combined oxygen and nitrous-oxide microsensor for denitrification studies. Applied and Environmental Microbiology. 54 (9), 2245-2249 (1988).
- Jorgensen, K. S. Annual pattern of denitrification and nitrate ammonification in estuarine sediment. Applied and Environmental Microbiology. 55 (7), 1841-1847 (1989).
- Laverman, A. M., Van Cappellen, P., van Rotterdam-Los, D., Pallud, C., Abell, J. Potential rates and pathways of microbial nitrate reduction in coastal sediments. FEMS Microbiology Ecology. 58 (2), 179-192 (2006).
- Ambus, P. Control of denitrification enzyme-activity in a streamside soil. FEMS Microbiology Ecology. 102 (3-4), 225-234 (1993).
- Christensen, P. B., Rysgaard, S., Sloth, N. P., Dalsgaard, T., Schwærter, S. Sediment mineralization, nutrient fluxes, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in an estuarine fjord with sea cage trout farms. Aquatic Microbial Ecology. 21 (1), 73-84 (2000).
- Palacin-Lizarbe, C., Camarero, L., Catalan, J. Denitrification Temperature Dependence in Remote, Cold, and N-Poor Lake Sediments. Water Resources Research. 54 (2), 1161-1173 (2018).
- . . Nitrous Oxide sensor user manual. , (2011).
- Glew, J. Miniature gravity corer for recovering short sediment cores. Journal of Paleolimnology. 5 (3), 285-287 (1991).
- Andersen, K., Kjaer, T., Revsbech, N. P. An oxygen insensitive microsensor for nitrous oxide. Sensors and Actuators B-Chemical. 81 (1), 42-48 (2001).
- Weiss, R. F., Price, B. A. Nitrous oxide solubility in water and seawater. Marine Chemistry. 8 (4), 347-359 (1980).
- . . Nitrous Oxide Microsensors Specifications. , (2018).
- Koike, I., Revsbech, N. P., Sørensen, J. Ch. 18. Measurement of sediment denitrification using 15-N tracer method. Denitrification in Soil and Sediment 10.1007/978-1-4757-9969-9 F.E.M.S. Symposium Series. , 291-300 (1990).
- Hvorslev, M. J. . Subsurface Exploration and Sampling of Soils for Civil Engineering Purposes. , 521 (1949).
- Glew, J. R., Smol, J. P., Last, W. M., Last, W. M., Smol, J. P. Ch. 5. Sediment Core Collection and Extrusion. Tracking Environmental Change Using Lake Sediments: Basin Analysis, Coring, and Chronological Techniques. 1, 73-105 (2001).
- Behrendt, A., de Beer, D., Stief, P. Vertical activity distribution of dissimilatory nitrate reduction in coastal marine sediments. Biogeosciences. 10 (11), 7509-7523 (2013).
- Laverman, A. M., Meile, C., Van Cappellen, P., Wieringa, E. B. A. Vertical distribution of denitrification in an estuarine sediment: Integrating sediment flowthrough reactor experiments and microprofiling via reactive transport modeling. Applied and Environmental Microbiology. 73 (1), 40-47 (2007).
- Melton, E. D., Stief, P., Behrens, S., Kappler, A., Schmidt, C. High spatial resolution of distribution and interconnections between Fe- and N-redox processes in profundal lake sediments. Environmental Microbiology. 16 (10), 3287-3303 (2014).
- . . SensorTrace BASIC 3.0 user manual. , (2010).
- Schwing, P. T., et al. Sediment Core Extrusion Method at Millimeter Resolution Using a Calibrated, Threaded-rod. Journal of visualized experiments. (114), 54363 (2016).
- Bernhardt, E. S. Ecology. Cleaner lakes are dirtier lakes. Science. 342 (6155), 205-206 (2013).
- Finlay, J. C., Small, G. E., Sterner, R. W. Human influences on nitrogen removal in lakes. Science. 342 (6155), 247-250 (2013).
- Seitzinger, S. P. Denitrification in fresh-water and coastal marine ecosystems- ecological and geochemical significance. Limnology and Oceanography. 33 (4), 702-724 (1988).
- Seitzinger, S. P., Nielsen, L. P., Caffrey, J., Christensen, P. B. Denitrification measurements in aquatic sediments – a comparison of 3 methods. Biogeochemistry. 23 (3), 147-167 (1993).
- Christensen, P. B., Nielsen, L. P., Revsbech, N. P., Sorensen, J. Microzonation of denitrification activity in stream sediments as studied with a combined oxygen and nitrous-oxide microsensor. Applied and Environmental Microbiology. 55 (5), 1234-1241 (1989).
- Peter, N. L. Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing. FEMS Microbiology Ecology. 9 (4), 357-361 (1992).
- Risgaard-Petersen, N., Nielsen, L. P., Rysgaard, S., Dalsgaard, T., Meyer, R. L. Application of the isotope pairing technique in sediments where anammox and denitrification coexist. Limnology and Oceanography-Methods. 1, 63-73 (2003).
