Бентический Обмен O<sub> 2</sub>, N<sub> 2</sub> и растворенные Питательные вещества Использование небольшого ядра инкубациями
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
Отложения являются важнейшими биогеохимические компонентами водных экосистем и часто являются важными стоками питательных веществ и загрязняющих веществ. Пионерские исследования питательных веществ, газа и переходного металла биогеохимии в озерных отложениях выявлено обмен осадка растворенных веществ и газов с вышележащей водой , которые различными окислительно – восстановительные условия 1,2. Для питательных элементов, осадки могут быть источником фосфора и азота , после того, как фиксируется реминерализации органического вещества, и раковина для кислорода в нефотосинтетических средах 3,4. Фотосинтез погруженных макрофитов, микроводорослей и донными микроводорослей могут оказывать глубокое влияние на обмен растворенных веществ через границу раздела воды и осадков 5,6.
Измерения обмена растворенных веществ и газов через границу раздела воды и осадков проводятся как для фундаментальной науки и прикладных научных целях, в том числе калибровки инженерных и научных очистэр модели качества 7,8. Цель этих методов, в максимально возможной степени, является обеспечение надежных и точных обменных курсов воды и осадков. Широкое разнообразие подходов были использованы для оценки химического обмена на границе раздела воды и осадков. Дно накопление воды газов и растворенных веществ в стратифицированных системах могут быть полезны 9, но не является допустимым для обмена воды и осадков над термоклины или pycnoclines. Eddy корреляция требует высоких частотных измерений газов, в целом, кислород в сочетании с высокой измерения частоты вертикальных скоростей воды; эта техника имеет огромное обещание , но в настоящее время не может предоставлять данные для обмена питательных веществ исследований. В куполов месте или камеры являются весьма предпочтительным способом, с тем преимуществом , охватывающих большую площадь поверхности осадка и поддержания температур Ситу, давления глубоководные и уровня освещенности 10. На практике, это очень дорогие измерения, требующие значительного временина больших научно-исследовательских судов; большинство приложений глубже прибрежной зоны или океанические отложения. Основные методы инкубации с использованием потока через камеры , которые достигают стационарного состояния отлично подходит для поддержания относительно постоянной химии вышележащие воды, в том числе кислорода, во время инкубирования 11. Поскольку скорость определяется в устойчивом состоянии путем концентрации различий между истекающей и впадения воды, а также по обменным курсам воды, эти инкубирование может занять значительное количество времени.
Ядро Инкубационный подход времени курс, используемый нашей лаборатории был адаптирован из подходов, используемых в ряде различных лабораторий в Северной Америке и Европе, а также имеется значительное количество литературы на основе этого общего подхода. Мы адаптировали этот подход к измерению N 2 -N потоков 12, часто упоминается как денитрификации, и применили его к фотосинтезирующих и нефотосинтезирующей осадка сред, в том числе estuaries 13, озер, водохранилищ и водно – болотные угодья 14. С помощью этих исследований мы обнаружили множество условий, в которых наш общий подход работает хорошо, а некоторые, в которых он не делает. Измерение денитрификации было проведено во многих различных наземных и водных средах, поскольку этот процесс представляет собой ключевой потери азота в экосистемах. Многочисленные подходы были использованы для проведения измерений денитрификации, некоторые прямые и некоторые косвенные 15. Прямые N 2 измерения потока очень трудно из-за высокого атмосферного содержания N 2, и последующие высокие концентрации растворенных в воде 16. Два подхода появились как имеющие лучшее представление экологически значимых норм: изотоп спаривание с использованием N изотопов 17 и N 2: Ar соотношение используется в нашей лаборатории. Изотопный метод спаривания был успешно использован во многих средах и имеет очень высокую чувствительность при низких скоростях. Мы используем N2: Ar отношение подход из – за своей простоты, и потому , что достаточно чувствителен в повлиявших средах мы часто изучают.
В этой статье мы опишем технический подход, который мы использовали в течение последних двух десятилетий, чтобы сделать измерения обмена воды и осадков газов и растворенных веществ. Любые измерения обмена воды и осадков необходимо учитывать полевых условиях, а также ряд экспериментальных параметров. Эти факторы включают в себя температуру, свет / темные условия 18, смешивание / физический поток на границе воды и осадков 19, растворенные концентрации кислорода 20, а также другие факторы , которые являются ключевыми элементами создания хороших измерений. Например, если сердечники собираются из областей , которые получают достаточное освещение для роста бентических микроводорослей, необходимо разработать эксперименты , которые включают в себя как темные и светлые условия 21. Кроме того, добавление насыщенной кислородом воды к облегающего Аноксидное ядерне размножается полевых условиях. Экспериментальный корпус любой части водных экосистем может привести к неизбежным 22 артефактов; крайне важно, чтобы подходы, используемые в программе обмена измерения воды и осадков 1) признать факторы, контролирующие обмен воды и осадков в каждой экосистеме и 2) свести к минимуму артефакты, полученные из экспериментальных манипуляций.
Protocol
Representative Results
Discussion
Техника, описанная здесь, была применена к многочисленным видам водных систем, как мелких и глубоких, и мы обнаружили, что она хорошо работает в большинстве случаев. Этот подход был адаптирован из подходов, используемых коллегами и представленных в литературе; он оптимизирован для измерения денитрификации через мембрану входного отверстия масс-спектрометрии. Одна из сильных сторон этого подхода является возможность обработки большого количества ядер одновременно. Репликация каждый сайт с двух или трех повторностях ядер повышает достоверность измерений, хотя альтернативный подход заключается в максимизации сайтов с меньшим количеством репликации, в этих условиях среднее значение для экологического сегмента может быть более представительным изменчивости в природе. Для выяснения сезонных различий, измерение временных рядов на меньшее количество сайтов может быть полезной стратегией.
В этом протоколе, существует несколько важных шагов. Paramount, чтобы сделать сuccessful измерения является сбор ядер с интактным интерфейсом воды и осадков. Несмотря на то, отвергая ядра, которые не отвечают этому критерию в области может быть утомительно, бедные ядра приведет к низкой точности и точности. Ведение аэробные ядер газированная и близка к исходной температуре сбора позволит свести к минимуму артефакты и сохранить здоровые, неповрежденные популяции микробных и многоклеточных. Наконец, для O 2 и N 2 выборок, добавление хлорида ртути консервантом является критическим. Мы наблюдали, что неправильное сохранение проб газа, в том числе чрезмерного нагрева и охлаждения флаконов, может поставить под угрозу эти измерения потока. Другие лаборатории успешно используют 7,0 M ZnCl 2 как менее токсичный консервант , который имеет более низкие затраты на утилизацию отходов; в течение 7 мл образца 30 мкл дополнение к этому подходит.
Точный и точный анализ соотношения N 2 и Ar является ключом к определению N 2 </sUB> флюсы. Наблюдаемые N 2: Ar отношения меняются в зависимости от концентрации кислорода , ведущей некоторых исследователей выступать удаление кислорода перед анализом, как правило , с использованием нагретой меди 28. Приборы , используемые в нашей лаборатории использовали для определения влияния кислорода на N 2: Ar соотношении 23 и эффект оказался очень мал, <0,03% разрушающие скромному кислорода. Различия в подходе к оценке кислорода "эффект" по всей видимости, приведет к разным выводам разными исследователями 23,28,29. Большое влияние кислорода на N 2: Ar отношения приведет к ошибочно высоким уровнем N 2 -N эффлюксного; в нашем опыте, мы имеем много наблюдений ничтожно N 2 -N эффлюксных при высокой скорости истощения кислорода. В лабораториях , в которых кислородный эффект на N 2: Ar отношения появляются большие, полезной альтернативой является независимое измерение концентрации кислорода с использованием электродов или optodes и кислородудаление из масс-спектрометрического анализа с использованием встроенного подогреваемый Cu.
Устранение этой техники возможно только при изучении данных наносов потока. Основные факторы, которые следует учитывать при регрессии бедные ли перемешивание непрерывно, образцы были собраны и сохранены правильно, и будет ли время было слишком коротким, чтобы позволить оценку низких ставок курсов. Продолжительность опытов, как правило устанавливается время курса кислорода, с низким уровнем метаболизма требующих более инкубацию, чтобы увеличить соотношение сигнал-шум, внедренных в курс регрессий времени. Высокие темпы производства кислорода , которые дают O 2 пузырьки газа делают потоки трудно, но растворенные потоки могут быть затронуты.
Необходимо понимать ограничения этого подхода. Маленькие ядра покрывают 0,3% квадратного метра и более крупные ядра покрывают 0,6%. В местах с существенной неоднородностью по шкале измерительного прибора, и гетерогенных распределений АнимALS или растения могут предположить, что один или два ядра не может быть достаточным представление. Есть также некоторые среды, которые представляют трудности измерения. Для измерения денитрификации, присутствие метана или кислорода пузырьков может привести к аннулированию техники, с N 2: Ar соотношениях под влиянием дифференциального включения газов в пузырьки. В отложениях колонизирована бентического микроводорослей, образование пузырьков кислорода приводит к преимущественной зачистке N 2 относительно Ar, и снижение в N соотношении 2: Ar. В общем, мы не можем измерить денитрификации в точке, где пузырьки формы. Анаэробные среды создают различные проблемы, а аэрация ядер изменяет динамику окислительно-восстановительных на границе раздела воды и осадков. Мы запечатать сердечники с перемешиванием вершины сразу после сбора и начать потоки без полной замены 30 толщу воды. Наши эксперименты с освещенными осадками обычно имеют насыщением или почти saturatИНГ уровни освещенности 31, и тем самым максимизировать эффект бентического микроводорослей.
Измерения обмена воды и осадков являются измерение чистого потока материалов через границу раздела воды и осадков. Тем не менее, эти измерения в одиночку, часто не могут определить механизмы, контролирующие эти межфазных обмены. Если вопрос исследования предполагает понимание механизмов, другая информация по органической реактивности вещества, терминал акцептором электронов зонирование, bioirrigation и биотурбации и фотосинтезирующие организмы могут быть необходимы. Моделирование усилий 7 может потребоваться определение химии пор воды, прямых мер органической реактивности 32 вещества, перечисление популяций животных, осадка био-орошения, осадка аккреции или экспериментальных манипуляций окислительно – восстановительных или вышележащих химии 13 воды. В наших исследованиях, обмен хороший осадок воды данных является ключевым компонентом понимания химии водных осадков,и в сочетании с другими измерениями, определяет роль донных отложений в процессах переработки водных биогеохимических циклов.
С осторожностью в отношении обработки осадка, контроль температуры и перемешивания водной толщи, основные инкубирование являются полезным подход к оценке обмена растворенных веществ и газов на границе раздела воды и осадков. Однако методы, используемые здесь, могут нуждаться в модификации для некоторых сред и для сложных логистики, таких как различные периоды времени перед инкубацией. До сих пор мы успешно применили этот инкубационный подход к устьевых, прибрежных, заболоченных, озеро, водохранилище, река и сохранение пруда среды с минимальными изменениями.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы разработали этот подход, используя наши наблюдения работы, проведенной Walter Бойнтон и Пит Sampou и совместной работы над денитрификации с Тоддом Kana в Университете штата Мэриленд Центра экологической науки. Развитие наших денитрификации подходов не было бы возможным без поддержки Программы Мэриленда моря Грант и Национального научного фонда. Представительные данные, используемые здесь были собраны при финансовой поддержке Мэриленд Sea Grant (R / AQ-5С) и записи усилия были поддержаны Мэриленд Sea Grant (R / SV-2), залив НОАА Чесапик (NA13NMF4570210), Устрица Восстановление партнерства , Национальный научный фонд (OCE1427019), Exelon Corporation, а также экологическая служба Мэриленд / Maryland Администрация порта.
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).
