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.
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.
besin ve kirletici önemli lavabo çökelleri genellikle sucul ekosistemlerin kritik biojeokimyasal bileşenleridir ve vardır. Göl çökelleri içinde besin, gaz ve geçiş metal Biyojeokimya öncü çalışmalar redoks koşullarını 1,2 değişen vardı örten su ile çözünen ve gazların sediment alışverişini ortaya çıkardı. Besin elementleri için, sedimanlar bir fosfor kaynağı ve organik madde remineralizasyon sonra sabit azot ve fotosentetik olmayan ortamlarda 3,4 oksijen bir lavabo olabilir. Batık makrofitlerin, makro ve bentik mikroalglerin Fotosentez sediment-su arayüzü 5,6 arasında çözünmüş maddelerin alışverişi derin etkilere sahip olabilir.
sediment-su arayüzü üzerinden çözünen ve gaz alışverişine ölçümleri mühendislik ve bilimsel wat kalibrasyonu da dahil olmak üzere, temel bilim ve uygulamalı bilim amaçlar için yapılırkalitesi modelleri 7,8 er. Bu yöntemlerin amacı, mümkün olduğunca, güvenilir ve doğru sediment-su döviz kurları sağlamaktır. yaklaşımlar çok çeşitli tortu su ara-yüzünde kimyasal değişimini değerlendirmek için kullanılmıştır. Tabakalı sistemlerde gaz ve çözünen maddelerin alt su birikimi 9 yararlı olabilir, ancak Termoklin veya pycnoclines üzerinde tortu su alışverişi için geçerli değildir olabilir. Eddy korelasyon dikey su hızlarının yüksek frekans ölçümü ile birlikte gazların, genellikle oksijen yüksek frekans ölçümleri gerektirir; Bu teknik yerinde kubbeleri ise. besin değişim çalışmaları için veri sağlayamaz şu anda muazzam sözü vardır ama ya odaları in situ sıcaklıkları, derin su basınçları ve ışık düzeyleri tortu daha geniş bir yüzey alanı kapsayan ve içinde sürdürülmesi avantajı ile, son derece tercih edilen bir yöntemdir 10. Uygulamada, bu geniş zaman gerektiren çok pahalı ölçümlerbüyük araştırma gemilerinde; uygulamaların çoğu kıyı bölgesi veya okyanus çökelleri derindir. Kararlı duruma ulaşması odaları aracılığıyla akışını kullanarak çekirdek inkübasyon teknikleri inkubasyon sırasında 11, oksijen içeren, nispeten sabit örten su kimyası korumak için mükemmel. oran içeri akan ve dışarı akan su ve su döviz kurları ile arasındaki konsantrasyon farklılıkları ile kararlı durumda belirlenir, çünkü bu ınkübasyonlar zaman önemli miktarda alabilir.
Laboratuvarımızda tarafından kullanılan zaman ders çekirdek kuluçka yaklaşımı Kuzey Amerika ve Avrupa'da farklı laboratuarlarda bir sayısına göre kullanılan yaklaşımlardan uyarlanmıştır ve bu genel yaklaşıma dayanan literatürün önemli bir miktardır. Biz sık sık denitrifikasyon olarak anılacaktır N 12 akılarında N2 ölçümü, bu yaklaşımı uyarlamış ve fotosentez ve fotosentetik olmayan tortu ortamlara bunu uygulamış, dahil estuaries 13, göller, rezervuarlar ve sulak 14. Bu çalışmalar sayesinde bizim genel yaklaşım iyi çalıştığı birçok ortamlar bulduk, bazıları da o değil. Bu süreç ekosistemlere azot önemli bir kaybı temsil ettiğinden denitrifikasyon ölçümü birçok farklı karasal ve sucul ortamlarda yapılmıştır. Çok sayıda yaklaşımlar denitrifikasyon ölçümleri, bazı doğrudan ve 15 bazı dolaylı yapmak için kullanılır olmuştur. Doğrudan N2 akışı ölçümler, yüksek atmosfer içeriği N2 ve su 16 içinde çözüldü daha sonra yüksek konsantrasyonlarda çok zordur. İki yaklaşım çevreyle ilgili oranları en iyi şekilde temsil sahip olarak ortaya çıkmıştır: N kullanarak izotop eşleştirme 17 ve N 2 izotoplar: laboratuvarda kullanılan Ar oranı. izotop eşleştirme yöntemi birçok ortamlarda başarıyla kullanılmaktadır ve düşük fiyatla yüksek hassasiyete sahip olmuştur. Biz N istihdam2: Ar oranı sadeliği nedeniyle yaklaşımı ve etkilenen ortamlarda yeterince hassas olduğu için biz sık sık çalışma.
Bu yazıda, biz gaz ve çözünenlerin sediment-su değişimi ölçümü yapmak için son yirmi yılda kullanmış teknik yaklaşımı açıklar. sediment-su değişimi, herhangi bir ölçüm dikkate tarla koşullarında ve deneysel parametrelerin bir dizi içine almak gerekir. Bu faktörler sıcaklık, aydınlık / karanlık koşullar 18, sediment-su arayüzünde 19 karıştırma / fiziksel akışı, çözünmüş oksijen konsantrasyonlarını 20, ve iyi ölçümler yaparak temel unsurlarıdır diğer faktörlerdir. Çekirdekler bentik mikroalglerin büyümesi için yeterli aydınlatma aldığınız alanlarda toplanan Örneğin, karanlık ve ışık koşullarına 21 ikisini de deneylerini gereklidir. Benzer bir şekilde, oksijen, üstteki suyun eklenmesi çekirdekleri anoksik içinAlan koşulları çoğaltma değil. Kaçınılmaz eserler 22 yol açabilir sucul ekosistemlerin herhangi bir bölümünün Deneysel muhafaza; Bir tortu su değişimi ölçüm programı 1'de kullanılan yaklaşımlar) her ekosistemde sediment-su değişimini kontrol eden faktörleri tanımak ve 2) deneysel manipülasyon türetilmiş eserler en aza indirmek önemlidir.
Burada açıklanan teknik sığ ve derin hem de sucul sistemlerin, sayısız türde uygulanmıştır, ve biz çoğu durumda iyi çalışması için bulduk. Bu yaklaşım meslektaşları tarafından kullanılan ve literatürde bildirilen yaklaşımlardan uyarlanmıştır; membran giriş kütle spektrometresi yoluyla denitrifikasyon ölçümü için optimize edilmiştir. Bu yaklaşımın güçlerinden biri aynı anda çekirdek çok sayıda işlemek için yeteneğidir. alternatif bir yaklaşım daha az çoğaltma siteleri maksimize etmektir olsa yinelenen veya üç çekirdekli her site kopyalayan bir çevre segmenti için ortalama değer doğada değişkenlik daha iyi temsil olabilir, bu şartlar altında, ölçümlerde güven artar. mevsimsel farklılıklar ortaya çıkması için, sitelerin daha az sayıda ölçüm zaman serisi yararlı bir strateji olabilir.
Bu protokol, birkaç kritik adımlar vardır. yapma s Paramountuccessful ölçümler sağlam bir tortu su arayüzü ile çekirdek topluluğudur. alanında bu kriter yorucu olabilir uymayan çekirdekleri reddetme rağmen, yoksul çekirdekler kötü doğruluk ve hassasiyet yol açacaktır. aerobik çekirdekleri tutulması gazlı ve eserler en aza indirmek ve sağlıklı, sağlam mikrobik ve metazoan popülasyonlarını koruyacak orijinal koleksiyon sıcaklığına yakın. Son olarak, O2 ve N2 numuneler için, cıva klorid koruyucu eklenmeden kritiktir. Biz bu akı ölçümlerini tehlikeye düşürebilecek, flakon aşırı ısıtma ve soğutma da dahil olmak üzere gaz örneklerinin olduğu yanlış korunması, gözlemledik. Diğer laboratuvarlar başarıyla istihdam var 7.0 M ZnCl2 alt atık bertaraf maliyetlerini sahip daha az toksik bir koruyucu olarak; Bir 7 için 30 ul ilave uygun örnek ml.
N2 ve Ar oranının hassas ve doğru analiz N2 belirlenmesi için anahtar </sub> akıları. Gözlemlenen N2 Ar oranları, genel olarak ısıtılmış bakır 28 kullanılarak, analiz öncesi oksijen çıkarma savunmak için bazı araştırmacılar gelen oksijen konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak değişir. Laboratuvarda kullanılan aletleri N2 ile oksijeni etkisini belirlemek için kullanılmıştır: Ar oranları 23 sonuç mütevazı oksijen tükenmesi için çok <0.03,% olarak tespit edilmiştir. Oksijen "etkisi" değerlendirirken yaklaşım farklılıklar farklı araştırmacılar 23,28,29 farklı sonuçlara yol görünür. N 2 büyük oksijen etkisi: Ar oranları N2 N akış içinde hatalı yüksek oranlarda yol açacak; bizim deneyim, biz göz ardı edilebilir N birçok gözlemler oksijen tükenmesi yüksek oranda altında 2 N akış var. Laboratuarlarda hangi N2 oksijen etkisi Giriş: Ar oranları büyük görünür, kullanışlı bir alternatif elektrotlar veya optodes ve oksijen kullanarak oksijen konsantrasyonlarının bağımsız bir ölçümdürinline ısıtılmış Cu kullanarak kütle spektrometrik analizinden çıkarma.
Bu teknik sorun giderme Sadece sediman akışı verilerin incelenmesi üzerine mümkündür. regresyonlar karıştırma sürekli olup olmadığını, numuneler doğru toplanmış ve korunmuş olan fakir olduğunda anahtar faktörler dikkate ve zaman ister dersler düşük oranları tahmini sağlayamayacak kadar kısa idi. Deneylerin uzunluğu genellikle zaman ders regresyonlarında gömülü sinyal gürültü oranı artırmak için daha uzun inkubasyon gerektiren metabolizma düşük oranları ile, oksijen zamanla tarafından ayarlanır. O 2 baloncuklar elde oksijen üretiminin yüksek oranda gaz akıları zorlaştırır, ama çözünen akıları etkilenmemiş olabilir.
Yaklaşımın sınırlarını anlamak için gereklidir. küçük çekirdekler bir metrekare% 0.3 kapsayan ve daha büyük çekirdekler% 0.6 kapsamaktadır. metre ölçeğinde önemli heterojenlik, Deriden heterojen dağılımları ile sitelerdeals veya bitkiler, bir ya da iki çekirdek yeterli bir temsil olmayabilir önerebilir. Ölçüm zorluklar mevcut bazı ortamlar da vardır. Kabarcıklar halinde gaz ayırıcı dahil etkilenmiş Ar oranları: denitrifikasyon ölçümü için, metan ya da oksijen kabarcıklarının varlığı N2 ile, teknik geçersiz kılabilir. Bentik mikroalg tarafından kolonize tortu olarak, N2 N2 Ar'ye nisbetle ve azalma tercih edilen bir sıyırma oksijen kabarcıkları sonuçlar oluşumu Ar oranı. Genel olarak, biz kabarcıkları oluşur noktada denitrifikasyon ölçemez. Anaerobik ortamlar farklı zorluklar poz ve çekirdek havalandırma sediment-su arayüzünde redoks dinamiklerini değiştiriyor. Biz toplandıktan hemen sonra karıştırma üstleri ile çekirdeği kadar mühür ve tamamen 30 su sütunu değiştirmeden akıları başlar. ışıklı sedimanlar ile deneyler genellikle doyurarak veya yakın saturataydınlatma 31 seviyelerini ing ve böylece bentik mikroalg etkisini en üst düzeye çıkarmak.
Sediment su değişimi ölçümleri sediment-su arayüzü üzerinden malzemelerin net akı bir ölçüm vardır. Ancak, bu ölçümler başına sıklıkla bu arayüz değişim kontrol mekanizmaları tespit edemez. araştırma sorusu anlayış mekanizmaları, organik madde reaktivitesi ilişkin diğer bilgiler terminal elektron alıcısı zonlanması, bioirrigation ve Biyotürbasyon ve fotosentetik organizmalar içeriyorsa gerekli olabilir. Gözenek suyu kimyası, organik madde reaktivitesi 32 doğrudan önlemler, hayvan popülasyonlarının sayımı, sediman biyo-sulama, tortu accretion veya redoks veya su kimyasını 13 örten deneysel manipülasyon belirlenmesini isteyebilir çabaları 7 Modelleme. Çalışmalarda, iyi sediment-su değişimi verisi su sedimanlar kimyasını anlamak önemli bir bileşeni olan,ve diğer ölçümlerle birlikte, su madde döngüleri tortu geri dönüşüm süreçleri için rolünü belirtir.
tortu işlenmesiyle ilgili bakım, sıcaklık kontrolü, ve su sütunu karıştırma ile, çekirdek ınkübasyonlar sediman-su arayüzünde çözünen ve gaz alışverişine tahmini için yararlı bir yaklaşımdır. Ancak, burada kullanılan teknikler bazı ortamlarda ve inkübasyon öncesi genişletilmiş süreler gibi zor lojistik için değişiklik gerekebilir. Bugüne kadar, başarılı minimal değişiklik ile, kıyı, sulak, göl, rezervuar, nehir ve tutma gölet ortamları nehir ağzındaki bu kuluçka yaklaşımı uyguladık.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar Çevre Bilim Maryland Merkezi'nde Üniversitesi Todd Kana ile denitrifikasyon Walter Boynton ve Pete Sampou ve işbirlikçi çalışma yürüttüğü çalışmaları gözlemlerimizi kullanarak bu yaklaşım geliştirdi. Bizim denitrifikasyon yaklaşımlarının geliştirilmesi Maryland Deniz Hibe Programı ve Ulusal Bilim Vakfı desteği olmadan mümkün olmazdı. Burada kullanılan temsili veriler Maryland Deniz Grant tarafından desteklenen Maryland Deniz Grant (R / AQ-5c) ve yazma çabaları finansman ile toplanmıştır (R / SV-2), NOAA Chesapeake Körfezi Ofisi (NA13NMF4570210), İstiridye Kurtarma Ortaklığı Ulusal Bilim Vakfı (OCE1427019), Exelon Corporation ve Maryland Çevre Hizmet / Maryland Liman İdaresi.
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 |