Benthic Exchange של O<sub> 2</sub>, N<sub> 2</sub> וחומרים מזינים מומסים באמצעות קטנים Core incubations
Summary
Here, we present small core incubations for the measurement of sediment-water gas and solute exchange. These will provide reliable measurements of sediment-water exchange that assess the role of sediment in influencing biological and biogeochemical processes in aquatic ecosystems.
Abstract
The measurement of sediment-water exchange of gases and solutes in aquatic sediments provides data valuable for understanding the role of sediments in nutrient and gas cycles. After cores with intact sediment-water interfaces are collected, they are submerged in incubation tanks and kept under aerobic conditions at in situ temperatures. To initiate a time course of overlying water chemistry, cores are sealed without bubbles using a top cap with a suspended stirrer. Time courses of 4-7 sample points are used to determine the rate of sediment water exchange. Artificial illumination simulates day-time conditions for shallow photosynthetic sediments, and in conjunction with dark incubations can provide net exchanges on a daily basis. The net measurement of N2 is made possible by sampling a time course of dissolved gas concentrations, with high precision mass spectrometric analysis of N2:Ar ratios providing a means to measure N2 concentrations. We have successfully applied this approach to lakes, reservoirs, estuaries, wetlands and storm water ponds, and with care, this approach provides valuable information on biogeochemical balances in aquatic ecosystems.
Introduction
משקעים הם מרכיבים biogeochemical קריטי של מערכות אקולוגיות מימיות ולעתים קרובות הם כיורים חשובים של חומרים מזינים ומזהמים. מחקרים החלוציים של מזין, גז biogeochemistry מתכות מעבר במשקעי אֲגַמִי חשף חליפין משקעים של מומסים וגזים במים שמעליה אשר משתנים תנאי חיזור 1,2. עבור אלמנטים מזינים, משקעים יכולים להיות מקור של זרחן וחנקן שווה אחר remineralization של חומר אורגני, וכיור לחמצן בסביבות שאינן פוטוסינתטיים 3,4. פוטוסינתזה של macrophytes השקוע, macroalgae ו microalgae benthic יכולה להיות השפעות מרחיקות לכת על חילופי חומרים מומסים פני הממשק המשקע-מי 5,6.
המדידות של החילופים מומסים וגזים פני הממשק המשקע-המים מתבצעות הן למדע בסיסי למטרות מדע היישומי, כוללים כיול הנדסת ואט מדעיאה 7,8 מודלים באיכות. המטרה של שיטות אלה, במידה הרבה ככל האפשר, היא לספק שעיר חליפין אמינים ומדויקים משקעים-מים. מגוון רחב של גישות שמש להעריך שינוי כימי על הממשק המשקע-מים. הצטברות מים בתחתית הגזים מומסים במערכות מרובדת יכולה להיות שימושית 9, אבל הוא לא תקף חליפין משקעים-מים מעל תרמוקלינה או pycnoclines. מתאם אדי דורש מדידות תדר גבוהות של גזים, חמצן בדרך כלל, בשילוב עם מדידת שכיחות גבוהה של מהירויות מים אנכיות; יש טכניקה זו הבטחה עצומה אך כרגע לא ניתן לספק נתונים עבור מחקרים חילופיים מזין. בשנת כיפות באתרו או תאים הם שיטה מועדפת ביותר, עם היתרון של המשתרעים על שטח פני שטח גדול יותר של משקעים ושמירה בטמפרטורות באתרו, לחצים ורמות אור מים עמוקים 10. למעשה, אלה הם מדידות מאוד יקרות הדורש זמן רבעל כלי מחקר גדולים; רוב היישומים הם אזור החוף עמוק או משקעי אושיאניק. טכניקות דגירת Core באמצעות זרימה דרך תאים שמגיעות למצב יציב מצוינות לשמירה על כימיית מים שמעליה קבועה יחסית, כולל חמצן, במהלך incubations 11. בגלל השיעור נקבע על מצב יציב על ידי הבדלים בריכוז שבין אחז זרם ומים נשפכים, ובשערי חליפי מים, incubations אלה יכול לקחת כמות ניכרת של זמן.
גישת דגירת ליבת הזמן כמובן שמוצגת במעבדה שלנו הותאמה מתוך גישות בשימוש על ידי מספר מעבדות שונות בצפון אמריקה ובאירופה, ויש כמות ניכרת של ספרות המבוססת על גישה כללית זו. התאמנו גישה זו למדידת N 2 -N והנתיבים 12, המכונה לעתים קרובות דניטריפיקציה, והחלנו אותו כדי פוטוסינתטיים וסביבות הלא פוטוסינתטיים משקעים, estuarie כוללים 13, אגמים, מאגרי מים, ביצות 14. באמצעות מחקרים אלה שמצאנו סביבות רבות שבן הגישה הכללית שלנו עובדת היטב, וחלק שבו זה לא. מדידת דניטריפיקציה בוצעה ברבי סביבות יבשתיות מימיות שונות בגלל התהליך הזה מייצג אובדן מפתח של חנקן למערכות אקולוגיות. רבים גישות שימשו כדי לבצע מדידות דניטריפיקציה, כמה ישירה וחלקם בעקיפין 15. מדידות N 2 שטף ישירים מאוד קשות בגלל התוכן אטמוספרי הגבוה N 2, ו בריכוזים גבוהים עוקבים מומסים במים 16. שתי גישות צמחו כבעל את הייצוג הטוב ביותר של שיעורים רלוונטיים לסביבה: זיווג איזוטופ באמצעות N איזוטופים 17 ואת N 2: יחס Ar בשימוש במעבדה שלנו. שיטת השיוך איזוטופ שימש בהצלחה בסביבות רבות ויש לו רגישות מאוד גבוהה במחירים נמוכים. אנו מעסיקים את N2: גישת יחס Ar בגלל הפשטות שלו, ובגלל זה הוא רגיש מספיק בסביבות המושפעות לעתים קרובות אנו ללמוד.
במאמר זה, אנו מתארים את הגישה הטכנית השתמשנו בשני העשורים האחרונים לעשות מדידה של חילופי משקעים-המים של גזים מומסים. כל מדידות של חילופי משקעים-מים צריכות לקחת לתוך בתנאי שטח התחשבות במספר הפרמטרים ניסיוניים. גורמים אלה כוללים טמפרטורה, אור / בתנאי חושך 18, ערבוב / זרימה פיזית על הממשק המשקע-המים 19, ריכוזי חמצן מומסים 20, וגורמים אחרים, כי הם מרכיבים עיקריים של ביצוע מדידות טובות. לדוגמא, אם ליבות נאספות מאזורים המקבלים תאורה מספקת לצמיחת microalgae benthic, יש צורך לתכנן ניסויים הכוללים הוא החושך ואור תנאי 21. בדומה לכך, הוספת מים שמעליה מחומצן אל anoxic ליבותלא לשכפל בתנאי שטח. מתחם הניסיון של כל חלק של מערכות אקולוגיות מימיות עשויים להוביל חפצים בלתי נמנעים 22; זה קריטי, כי הגישות בשימוש בתכנית מדידת חליפין משקעים-מים 1) להכיר את גורמי שליטת חליפין משקעים-מים בכל מערכת אקולוגית ו -2) למזער חפצים נגזרים מניפולציה ניסויית.
Protocol
Representative Results
Discussion
הטכניקה המתוארת כאן יושמה סוגים רבים של מערכות מימיות, הוא רדודות ועמוקות, ומצאנו אותו לעבוד היטב ברוב המקרים. גישה זו הותאמה מגישות שמוצגות עמיתים והציגו בספרות; הוא מותאם למדידת דניטריפיקציה באמצעות ספקטרומטריית מסה כניסת הממברנה. אחד היתרונות של גישה זו היא היכולת להתמודד עם מספר רב של ליבות בעת ובעונה אחת. שכפול כל אתר עם ליבות כפולות או בשלושה עותקים מגביר את אמון מדידות, אם כי גישה חלופית היא למקסם אתרים עם שכפול פחות, בנסיבות אלה הערך הממוצע עבור פלח סביבתי אשר יהיה נציג נוסף של ההשתנות בטבע. הבהרת הבדלים עונתיים, סדרת עתית מדידה לפי מספר קטן יותר של אתרים יכולה להיות אסטרטגיה יעילה.
בפרוטוקול זה, ישנם מספר שלבים קריטיים. Paramount להפיכת יםמדידות uccessful היא האוסף של ליבות עם ממשק משקע-מים ללא פגע. למרות דחיית ליבות שאינם עומדות בקריטריון זה בתחום יכול להיות מעייף, ליבות עניות תובלנה דיוק עני. שמירת ליבות אירוביות מוגזים וקרובה הטמפרטורה האוספת המקורית יהיה למזער חפצים ולשמור אוכלוסיות חיידקים מטזואניים בריאות, ללא פגע. לבסוף, עבור דגימות O 2 ו- N 2, התוספת של משמר כלוריד כספיתי היא קריטית. ראינו כי שימור תקין של דגימות גז, כוללים חימום יתר וקירור של הבקבוקונים, יכול להתפשר מדידות שטף אלה. מעבדות אחרות לא מועסקות בהצלחה 7.0 M ZnCl 2 כחומר משמר רעיל פחות כי יש עלויות סילוק פסולת נמוכות יותר; עבור 7 מיליליטר לדגום תוספת 30 μl היא מתאימה.
הניתוח המדויק המדויק של היחס של N 2 ו Ar הוא מפתח בקביעת N 2 </sUB> ונתיבים. נצפה N 2: יחסי Ar לשנות כפונקציה של ריכוז החמצן המוביל חוקרים מסוימים תומך הסרת חמצן לפני הניתוח, באמצעות נחושת מחוממת בדרך כלל 28. המכשור בשימוש במעבדה שלנו היה בשימוש כדי לקבוע את ההשפעה של חמצן על N 2: Ar יחסי 23 ואת נמצאה השפעה להיות קטן מאוד, <0.03% עבור דלדול חמצן צנוע. הבדלים בגישה להערכת החמצן "האפקט" נראים להוביל למסקנות שונות על ידי חוקרים שונים 23,28,29. אפקט חמצן גדול על N 2: יחסי Ar יובילו שיעור גבוה בטעות של N 2 -N בזרימה; מניסיוננו, יש לנו תצפיות רבות של N 2 -N בזרימה הזניח תחת שיעור גבוה של חוסר חמצן. במעבדות בן השפעת החמצן על N 2: יחסי Ar להופיע גדולים, אלטרנטיבה יעילה היא המדידה העצמאית של ריכוזי חמצן באמצעות אלקטרודות או optodes וחמצןהסרה מניתוח ספקטרומטריה באמצעות Cu המחוממת מוטבע.
פתרון בעיות טכניקה זו אפשרית רק על בחינה של נתוני השטף המשקע. גורמי מפתח לשקול בעת רגרסיות הם עניים אם הבחישה הייתה רציפה, דגימות נאספו ושמרו כראוי, והאם זמן קורסים היו קצרים מכדי לאפשר הערכה של מחיר נמוך. אורכו של ניסויים בדרך כלל מוגדר על ידי מהלך זמן החמצן, עם שיעורים נמוכים של מטבוליזם מחייב incubations יותר כדי להגדיל את יחס האות לרעש מוטבע ברגרסיות מהלך הזמן. שיעור גבוה של ייצור חמצן שמניבים O 2 בועות להפוך ונתיבי גז קשים, אבל ונתיבים מומסים עשויים להיות מושפעים.
זה הכרחי כדי להבין את המגבלות של גישה זו. הליבות הקטנות לכסות 0.3% מהון מניות של מטר מרובע הליבות הגדולות לכסות 0.6%. באתרים עם ההטרוגניות משמעותי בקנה מידה מטר, הפצות הטרוגנית עניםals או צמחים עשוי לרמוז על ליבה אחת או שתיים לא יכולה להיות ייצוג מספיק. יש גם כמה סביבות המציגים קשיים המדידה. לשקילת דניטריפיקציה, הנוכחות של בועות מתאן או חמצן עלולה לגרום לתפוגת הטכניקה, עם N 2: יחסי Ar מושפעים התאגדות הפרש של גזים לתוך הבועות. בשנת המשקעים נשבו על ידי microalgae benthic, ההיווצרות של תוצאות בועות חמצן בתוך הפשטה מועדפת של יחסי N 2 עד Ar, וירידה של 2 N: יחס Ar. באופן כללי, אנחנו לא יכולים למדוד דניטריפיקציה בנקודה שבה בועות טופס. בסביבות אנאירובית אתגרים שונים, אוורור של ליבות משנה את הדינמיקה חיזור על הממשק משקעים-מים. אנו לאטום את ליבות עם צמרות ערבוב מיד לאחר איסוף ולהתחיל והנתיבים מבלי להחליף את עמודת המים 30 לחלוטין. הניסויים שלנו עם משקעים מוארים בדרך כלל יש להרוות או כמעט saturating רמות של תאורה 31, ובכך למקסם את ההשפעה של microalgae benthic.
משקעים-מי מדידות חליפין הם אמצעי מדידה של השטף נטו של חומרים על פני הממשק המשקע-מים. עם זאת, המדידות הללו לבד לעתים קרובות לא ניתן לזהות את מנגנוני השליטה חילופי interfacial אלה. אם שאלת המחקר כרוך מנגנוני הבנה, ומידע נוסף על תגובתיות חומר אורגני, zonation acceptor האלקטרון לטרמינל, bioirrigation ו bioturbation, ואורגניזמים פוטוסינתטיים עשוי להיות נחוץ. דוגמנות מאמצים 7 עשויים לדרוש קביעת כימית מים נקבוביים, מדדים ישירים תגובתיות חומר אורגניות 32, ספירה של אוכלוסיות בעלי חיים, השקיה-ביו משקע, הצטברות משקעת, או מניפולציות ניסיון של חיזור או שמעל כימית מי 13. במחקרים שלנו, חילופי נתונים משקעי מים טובים הוא מרכיב מרכזי בהבנת הכימיה של משקעים ימיים,וביחד עם מדידות אחרות, מזהה את התפקיד של תהליכי מחזור משקעים במחזורי biogeochemical מימיים.
עם טיפול לגבי טיפול משקע, בקרת טמפרטורה, ערבוב עמודת מים, incubations הליבה הוא גישה שימושית להערכה החילופית מומסות וגזים על הממשק המשקע-מים. עם זאת, טכניקות המשמשות כאן ייתכן שיידרשו התאמות עבור כמה סביבות ללוגיסטיקה קשה, כגון תקופות זמן מוארך לפני הדגירה. עד כה, יש לנו בהצלחה יישמו גישת דגירה זה כדי שפכי נהרות, חוף, ביצה, אגם, מאגר, נחל וסביבות שמירת ברכה עם שינוי מזערי.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים פיתחו גישה זו באמצעות תצפיות שלנו של העבודה שביצעו וולטר בוינטון ופיט Sampou ועבודה שיתופית על דניטריפיקציה עם טוד כנא באוניברסיטת מרכז מרילנד למדע הסביבה. פיתוח גישות דניטריפיקציה שלנו לא היה מתאפשר ללא התמיכה של תוכנית גרנט ים מרילנד ואת הקרן הלאומית למדע. נתוני הנציג משמשים כאן נאספו במימון מרילנד הים גרנט (R / AQ-5C) ומאמצי כתיבה נתמכו מרילנד הים גרנט (R / SV-2), משרד מפרץ NOAA Chesapeake (NA13NMF4570210), שותפות שחזור אויסטר , הקרן הלאומית למדע (OCE1427019), Exelon תאגיד, ואת שירות הסביבה מרילנד / מינהל מרילנד נמל.
Materials
| Multiparameter sonde – temperature, oxygen, salinity | YSI | " | Any high quality equipment will suffice |
| PAR Measurement | Li-Cor | 6050000 | |
| Pole corer | Built by machine shop | ||
| Box corer | DK-Denmark | HAPS Corer | We also use light box coring equipment |
| Small core tubes with o-ring fitted bottom, 3' OD, 2.5' Id. | various plastics companies | Clear acrylic | |
| Medium core tubes with o-ring, 4.5" od, 4" id | various plastics companies | Clear acrylic | |
| Butyl stopper size 13.5 | generic | ||
| Stirring turntable | Built by machine shop | ||
| Incubation tub | Built by machine shop | ||
| Replacement water carboy | Nalgene | 2320-0050 | |
| 7 mL glass stoppered tube | Chemglass | not on inventory | "Exetainers" used by other labs |
| 20 mL plastic syringe | generic | ||
| Syringe filters | |||
| Plastic tubing | Tygon | ACF00004-CP | |
| Compact Fluorescent Lights | Apollo Horticulture | CFL 8U 250W |
Riferimenti
- Einsele, W. Ueber die Beziehungen des Eisenkreislaufes zum Phosphatkreislauf im Eutrophen See. Arch.Hydrobiol. 29, 664-686 (1936).
- Mortimer, C. H. The exchange of dissolved substances between mud and lake water. J Ecol. 29, 280-329 (1941).
- Cowan, J. L. W., Boynton, W. R. Sediment-water oxygen and nutrient exchanges along the longitudinal axis of Chesapeake Bay: Seasonal patterns, controlling factors and ecological significance. Estuaries. 19, 562-580 (1996).
- Fisher, T. R., Carlson, P. R., Barber, R. T. Sediment nutrient regeneration in three North Carolina estuaries. Estuar. Coast. Shelf S.e. 14, 101-116 (1982).
- McGlathery, K. J., Sundback, K., Anderson, I. C. Eutrophication in shallow coastal bays and lagoons: the role of plants in the coastal filter. Mar. Ecol-Prog Ser. 348, 1-18 (2007).
- Eyre, B. D., Ferguson, A. J. P. Comparison of carbon production and decomposition, benthic nutrient fluxes and denitrification in seagrass, phytoplankton, benthic microalgae- and macroalgae-dominated warm-temperate Australian lagoons. Mar. Ecol-Prog Ser. 229, 43-59 (2002).
- DiToro, D. M. . Sediment Flux Modeling. , (2001).
- Testa, J. M., et al. Sediment flux modeling: Simulating nitrogen, phosphorus, and silica cycles. Estuar. Coast. Shelf S. 131, 245-263 (2013).
- Kana, T. M., Cornwell, J. C., Zhong, L. J. Determination of denitrification in the Chesapeake Bay from measurements of N-2 accumulation in bottom water. Estuar. Coasts. 29, 222-231 (2006).
- Hammond, D. E., Cummins, K. M., McManus, J., Berelson, W. M., Smith, G., Spagnoli, F. Methods for measuring benthic nutrient flux on the California Margin: Comparing shipboard core incubations to in situ lander results. Limnol. Oceanog Methods. 2, 146-159 (2004).
- Miller-Way, T., Boland, G. S., Rowe, G. T., Twilley, R. R. Sediment oxygen consumption and benthic nutrient fluxes on the Louisiana continental shelf: a methodological comparison. Estuaries. 17, 809-815 (1994).
- Kana, T. M., et al. Membrane inlet mass spectrometer for rapid high-precision determination of N2, O2, and Ar in environmental water samples. Anal. Chem. 66, 4166-4170 (1994).
- Gao, Y., Cornwell, J. C., Stoecker, D. K., Owens, M. S. Influence of cyanobacteria blooms on sediment biogeochemistry and nutrient fluxes. Limnol. Oceanogr. 59, 959-971 (2014).
- Hopfensperger, K. N., Kaushal, S. S., Findlay, S. E. G., Cornwell, J. C. Influence of Plant Communities on Denitrification in a Tidal Freshwater Marsh of the Potomac River, United States. J. Environ. Qual. 38, 618-626 (2009).
- Cornwell, J. C., Kemp, W. M., Kana, T. M. Denitrification in coastal ecosystems: environmental controls and aspects of spatial and temporal scale. Aquat. Ecol. 33, 41-54 (1999).
- LaMontagne, M. G., Valiela, I. Denitrification measured by a direct N2 flux method in sediments of Waquoit Bay, MA. Biogeochemistry. 31, 63-83 (1995).
- Nielsen, L. P. Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing. FEMS Microbiol Ecol. 86, 357-362 (1992).
- Ferguson, A. J. P., Eyre, B. D., Gay, J. M. Organic matter and benthic metabolism in euphotic sediments along shallow sub-tropical estuaries, northern New South Wales, Australia. Aq. Microb. Ecol. 33, 137-154 (2003).
- Coley, T. L. . The effect of flow on the fluxes of oxygen, dinitrogen gas, nitrate and ammonium in diffusively controlled sediments using stirred experimental chambers. , (2003).
- Owens, M. S. . Nitrogen cycling and controls on denitrification in mesoahaline sediment of Chesapeake Bay. , (2009).
- Sundback, K., Jonsson, B. Microphytobenthic productivity and biomass in sublittoral sediments of a stratified bay, southeastern Kattegat. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 122, 63-81 (1988).
- Petersen, J. E., Cornwell, J. C., Kemp, W. M. Implicit scaling in experimental enclosed aquatic ecosystems. Oikos. 85, 3-18 (1999).
- Kana, T. M., Weiss, D. L. Comment on “Comparison of isotope pairing and N-2 : Ar methods for measuring sediment denitrification” by B. D. Eyre, S. Rysgaard, T. Daisgaard, and P. Bondo Christensen. 2002. Estuaries 25: 1077-1087. Estuaries. 27, 173-176 (2004).
- Parsons, T. R., Maita, Y., Lalli, C. M. . A Manual of Chemical and Biological Methods for Seawater Analysis. , (1984).
- Doane, T. A., Horwath, W. R. Spectrophotometric determination of nitrate with a single reagent. Analytical Letters. 36, 2713-2722 (2003).
- Testa, J. M., et al. Modeling the impact of floating oyster (Crassostrea virginica) aquaculture on sediment-water nutrient and oxygen fluxes. Aquac. Environ. Interact. 7, 205-222 (2015).
- Hamme, R. C., Emerson, S. R. The solubility of neon, nitrogen and argon in distilled water and seawater. Deep-Sea Res. Part I-Oceanogr. Res. Papers. 51, 1517-1528 (2004).
- Chong, L. S., Prokopenko, M. G., Berelson, W. M., Townsend-Small, A., McManus, J. Nitrogen cycling within suboxic and anoxic sediments from the continental margin of Western North America. Marine Chemistry. 128, 13-25 (2012).
- Eyre, B. D., Rysgaard, S., Dalsgaard, T., Christensen, P. B. Comparison of isotope pairing and N-2 : Ar methods for measuring sediment-denitrification-assumptions, modifications, and implications. Estuaries. 25, 1077-1087 (2002).
- Lee, D. Y., et al. The Effects of Oxygen Transition on Community Respiration and Potential Chemoautotrophic Production in a Seasonally Stratified Anoxic Estuary. Estuar.Coasts. 38, 104-117 (2015).
- MacIntyre, H. L., Geider, R. J., Miller, D. C. Microphytobenthos: The ecological role of the “secret garden” of unvegetated, shallow-water marine habitats .1. Distribution, abundance and primary production. Estuaries. 19, 186-201 (1996).
- Aller, R. C., Mackin, J. E. Open-incubation, diffusion methods for measuring solute reaction rates in sediments. J. Mar. Res. 47, 411-440 (1989).
