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Ambiente

A Bolsa Benthic de O<sub> 2</sub>, N<sub> 2</sub> e nutrientes dissolvidos Usando pequeno núcleo incubações

Published: August 03, 2016
doi:
10.3791/54098
,
1Horn Point Laboratory,University of Maryland Center for Environmental Science

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

Os sedimentos são componentes críticos biogeoquímicos dos ecossistemas aquáticos e muitas vezes são pias importantes de nutrientes e contaminantes. Estudos pioneiros de nutrientes, gás e transição biogeoquímica de metal em sedimentos lacustres revelou troca de sedimentos de solutos e gases com água sobrejacente que tinham diferentes condições redox 1,2. Para elementos nutrientes, sedimentos pode ser uma fonte de fósforo e nitrogênio fixado após a remineralização da matéria orgânica, e uma pia de oxigênio em ambientes não-fotossintéticos 3,4. Fotossíntese das macrófitas submersas, algas e microalgas bentônicas pode ter profundas influências sobre a troca de substâncias dissolvidas através da interface sedimento-água 5,6.

As medições da troca de solutos e gases através da interface sedimento-água são realizadas tanto para fins de ciência aplicada ciência básica e, nomeadamente calibração de engenharia e wat científicaer modelos de qualidade 7,8. O objetivo desses métodos, na medida do possível, é fornecer taxas de câmbio de sedimentos de água confiáveis ​​e precisos. Uma grande variedade de abordagens foram usadas para avaliar a troca química na interface sedimento-água. Acúmulo de água fundo de gases e solutos em sistemas estratificados podem ser úteis 9, mas não é válido para a troca de água-sedimento acima thermoclines ou pycnoclines. correlação Eddy exige medições de alta frequência de gases, geralmente oxigênio, combinado com medição de alta frequência de velocidades de água verticais; esta técnica tem um enorme promessa, mas de momento não pode fornecer dados para estudos de troca de nutrientes. Em cúpulas situ ou câmaras são um método altamente preferido, com a vantagem de cobrir uma maior área de superfície dos sedimentos e manter em temperaturas situ, pressões de águas profundas e os níveis de luz 10. Na prática, estes são muito caros que requerem medidas de tempo extensoem navios de investigação de maior dimensão; a maioria das aplicações são mais profundas da zona costeira ou sedimentos oceânicos. Técnicas de incubação do núcleo usando fluxo através de câmaras que atingem o estado estacionário são excelentes para manter a química da água sobrejacente relativamente constante, incluindo oxigênio, durante incubações 11. Porque a taxa é determinada em estado estacionário por diferenças de concentração entre influxo e água efluente, e por taxas de câmbio de água, estas incubações pode levar uma quantidade considerável de tempo.

A abordagem núcleo incubação tempo-curso utilizado pelo nosso laboratório foi adaptado de abordagens usadas por um número de diferentes laboratórios na América do Norte e Europa, e há uma quantidade considerável de literatura com base nesta abordagem geral. Nós adaptamos essa abordagem para a medição do N 2 -N fluxos 12, muitas vezes referida como a desnitrificação, e aplicou-a a ambientes fotossintéticos e sedimento não fotossintéticos, incluindo estuaries 13, lagos, reservatórios e zonas húmidas 14. Através destes estudos temos encontrado muitos ambientes em que a nossa abordagem global funciona bem, e alguns em que isso não acontece. A medição de desnitrificação tem sido realizada em muitos ambientes terrestres e aquáticos diferentes porque este processo representa uma perda de chave de azoto aos ecossistemas. Numerosas abordagens têm sido utilizadas para fazer medições de desnitrificação, alguns directa e indirecta alguns 15. Directos N 2 medições de fluxo são muito difícil por causa do elevado teor atmosférica N 2, e subsequentes concentrações elevadas dissolvidos em água 16. Duas abordagens têm emergido como tendo a melhor representação de taxas ambientais relevantes: o emparelhamento isótopo utilizando N isótopos 17 e o N proporção de 2: Ar utilizado no nosso laboratório. O método de emparelhamento isótopo tem sido utilizada com sucesso em muitos ambientes e tem sensibilidade muito elevada em baixas taxas. Nós empregamos o N2: abordagem Ar proporção devido à sua simplicidade, e porque é suficientemente sensível nos ambientes impactados, muitas vezes, estudar.

Neste artigo, descrevemos a abordagem técnica que usamos ao longo das duas últimas décadas para fazer a medição da troca de água-sedimento de gases e solutos. Quaisquer medidas de troca de sedimento-água precisa levar em consideração condições de campo e uma série de parâmetros experimentais. Estes factores incluem a temperatura, luz / condições escuras 18, misturando fluxo / física na interface sedimento-água 19, as concentrações de oxigênio dissolvido 20, e outros fatores que são elementos-chave da tomada de boas medidas. Por exemplo, se os núcleos são coletados de áreas que recebem iluminação suficiente para o crescimento de microalgas bentônicas, é necessário conceber experimentos que incluem condições de escuridão e luz 21. Da mesma forma, a adição de água oxigenada a sobrejacente anóxica núcleosnão se replicar condições de campo. Gabinete Experimental de qualquer parte dos ecossistemas aquáticos podem levar a artefatos inevitáveis ​​22; é fundamental que as abordagens utilizadas em um programa de medição de câmbio sedimento-água 1) reconhecer os fatores que controlam o intercâmbio sedimento-água em cada ecossistema e 2) minimizar artefatos derivados de manipulação experimental.

Protocol

Nota: A coleção de núcleos com interfaces de sedimentos de água não perturbadas é essencial para fazer boas medidas experimentais de câmbio; núcleos altamente perturbados são susceptíveis de trocar solutos água dos poros com água sobrejacente e ter a maior absorção de oxigénio através da oxidação do Fe (II) e compostos de enxofre reduzido. Neste artigo, destacamos procedimentos de incubação de sedimentos de sedimentos, com apenas uma inclusão superficial das técnicas de amostragem de sedimentos e análises químicas de solutos e gases. Antes da amostragem, ou com base em resultados iniciais, determinar o grau de replicação pelas necessidades gerais do projeto, a concepção estatística ou quantidade esperada de variabilidade espacial de pequena escala. núcleos duplicados são o mínimo usado por muitos estudos e triplicados são úteis para permitir uma melhor análise estatística. 1. Recolha de sedimentos e Manuseio Nota: A recolha de sedimentos para as experiências de troca é efectuada utilizando 1) inserção manual dos núcleos USIng mergulhadores ou em águas rasas ou zonas húmidas, por vadear, 2) pólo coring usando um poste de alumínio com uma válvula manualmente fechado para reter sedimentos, ou 3) caixa de perfuração. Em cada local, registrar a localização site usando GPS, determinar oxigênio inferior da água, temperatura e salinidade usando uma sonda qualidade da água e determinar a radiação fotossinteticamente ativa (PAR) na superfície e no fundo usando um sensor de PAR / metro. Diminuir a qualidade da água sonde a ~ 1 m acima do sedimento e registrar características da água de fundo (profundidade, temperatura, oxigênio dissolvido, temperatura e salinidade / condutividade). Abaixe um sensor PAR com uma sonda submarina para a interface sedimento-água usando um quadro sombrio. Comparar PAR leituras perto da superfície do sedimento para leituras PAR imediatamente abaixo da interface ar-água para estimar a atenuação da luz sob as condições de luz ambiente. Implantar um corer caixa sobre o lado do barco / navio, baixando-a lentamente para minimizar os distúrbiosao penetrar o sedimento. Examine a caixa de núcleo para o distúrbio visível ou ressuspensão excessiva. Para uma caixa de sonda, inserir tubos principais para o sedimento, e usar uma rolha de butilo para cobrir a parte superior do núcleo. Para experiências de fluxo, enquanto o saldo de sedimentos / água ideal dentro do núcleo é de 15 cm de água e 15 cm de sedimentos, em grosso ou sedimentos altamente compactados coleta menor profundidade de sedimentos é um resultado aceitável. Se as taxas de depleção de oxigênio são excessivos, mudar o equilíbrio para uma maior altura da coluna de água. Normalmente, utilizam 6,35 cm núcleos diâmetro interno para estudos de águas profundas e de sedimentos com microalgas bentônicas ou grandes populações de animais, use 10 núcleos cm de identificação. O principal limite para o tamanho do núcleo, é a capacidade de limitar a parte inferior do núcleo. Tapar o fundo com uma placa de fundo de acrílico que tem um anel de vedação incorporado. Repita este processo até repetições suficientes são coletados. Com a corer pólo, o primeiro lugar a placa inferior de acrílico na li núcleoNer, remover o núcleo da sonda, e adicionar a rolha. núcleos lugar em um refrigerador de água isolados alto que é inundado com água do ambiente do local; Isto ajuda a manter a temperaturas in situ. Certifique-se de que o mais frio permanece na posição vertical. Descarte núcleos que são perturbados durante o transporte. Bombear água de fundo tomado perto de superfície do sedimento em 20 L garrafões para uso nos experimentos. Use uma bomba de diafragma com 10-20 L / min capacidade ou uma bomba peristáltica de alta velocidade. Em água rasa desestratificação, encher o garrafão por "molhando"-lo na água. A filtração da água de fundo utilizando um cartucho de filtro em linha de elevada capacidade pode ser útil em locais com elevadas taxas de absorção de coluna de água ou oxigénio fotossíntese (à luz), minimizando a correcção da coluna de água apenas núcleos de controlo. Transportar os núcleos tão rapidamente quanto possível a facilidade de incubação. No caso de transporte estendida, aernúcleos OBIC pode tornar-se borbulhar ou circulação anóxica e artificial são necessárias. 2. Configuração inicial Na unidade de incubação, lugar núcleos em uma banheira de incubação seja em uma sala do meio ambiente com temperatura controlada, ou em uma incubadora de parede dupla com controle de temperatura através de um circulador de aquecimento / arrefecimento. Ajuste a temperatura para temperaturas de água de fundo medidos em 1.1.1. Adicionar água de fundo para a incubadora, submergindo completamente os núcleos de sedimentos. Além disso, adicione água para 5 L garrafões com torneiras que serão utilizados para distribuir água de reposição. Adicionar somente um núcleo em água (sem sedimento) para a incubadora. O uso de espaços em branco na coluna de água é importante na maioria dos ambientes para compensar quaisquer processos de coluna de água que afectam gases e solutos. Para a medição de desnitrificação, estes espaços em branco pode refletir não apenas os processos de coluna de água, mas a troca de gases com as paredes de acrílico do núcleo. núcleos bolha wom ar durante um mínimo de 2 horas para assegurar o equilíbrio térmico e oxigenação cheio de água sobrejacente. Eles podem ser mantidos durante a noite e cursos de tempo iniciada na manhã seguinte. Longos períodos de pré-incubação não foram avaliadas quanto à eficácia. Para arejamento, usar uma pequena "T" que consiste de um borbulhador de ½ "tubo de PVC com um acoplador de três vias; um tubo de 1/8" inserido na parte inferior dos resultados em T arrastamento da água para cima durante a borbulhar e assegura não apenas a oxigenação, mas a circulação da água no núcleo com água na cuba de incubação. 3. Procedimentos de incubação sedimento-água Depois de verificar a temperatura para garantir que ele corresponda às condições de campo, anexar piões para os topos dos núcleos. Neste ponto, selar o núcleo a partir da água do tanque. Deixar a válvula de amostragem sobre o núcleo aberta durante este processo. varrer manualmente quaisquer bolhas de ar suave a partir do lado inferior da parte superior de giro. ELEvate a água de substituição garrafão ~ 30-40 cm mais altos do que os topos dos núcleos de incubação e drenar as linhas para baixo para eliminar qualquer ar na linha. Enquanto continua fluindo, anexar as linhas para os topos centrais e fechar as válvulas. Ligue o prato giratório agitação central e ajustar a velocidade de rotação de modo que os núcleos rodam ~ 40 vezes por minuto, ou a uma taxa que é suficiente para misturar a coluna de água, mas não ressuspender o sedimento. Cerca de 5 minutos depois de todos os núcleos são selados, abra a válvula de água de reposição e da válvula de amostra e, em seguida, anexar um pequeno pedaço de tubulação para a válvula de amostra usando um encaixe Luer. Colocar este tubo de recolha no fundo de um tubo de vidro de 7 ml, que é preenchido até transbordar. Antes de capping do tubo, adicionar 10 ul de 30 g L-1 HgCl2 como conservante. Armazenar as amostras debaixo de água, a temperaturas próximas da temperatura de incubação. Outros laboratórios têm usado com sucesso 12 ml "Exetainers" para samarmazenamento ple. Para a amostragem de soluto, anexar uma seringa de 20 ml para a válvula de amostra e abrir a válvula de água de reposição. O corpo da seringa enche até integral usando apenas a gravidade. Anexar um êmbolo e um disco de filtro e, em seguida, filtrar as amostras em frascos. Estas amostras para análise de nutrientes são congeladas a -20 ° C até à análise. Nota: O curso de tempo de amostragem no escuro envolve tipicamente 4 períodos de amostragem com intervalos entre amostragem que variam de 0,5 a> 2 horas, dependendo da taxa de consumo de oxigénio. Com baixas taxas de consumo de oxigênio, os intervalos de tempo são longos; em sedimentos com altas taxas de respiração, intervalos precisam ser curtas. Excessivamente elevados volumes de amostra tomadas em cada ponto de amostragem pode resultar na amostragem uma proporção muito grande de todo o volume da amostra; no nosso trabalho estes volumes de amostra origem a uma correcção negligenciável. Se maior volume da amostra é necessária, núcleos de maior diâmetro ou um aumento da altura da coluna de águapode ser necessário. Não prossiga com um curso de tempo da amostragem abaixo de um limiar de depleção de oxigênio de 50%, com o esgotamento de oxigênio de 25% normalmente fornecem sinal suficiente em concentrações de nutrientes. Aqui, use optodes calibrados para análise direta de concentrações de oxigênio e saturação de oxigênio. Se os sedimentos são de ambientes rasos, iluminado, na 4ª amostragem, acender as luzes e tomar 3 amostras subsequentes. Note-se que nos sedimentos altamente fotossintéticos, supersaturação de O2 e formação de bolhas limita a medição de fluxos de gás, em alguns casos. O monitoramento contínuo de oxigênio é uma alternativa cada vez mais viável e valiosa, com tecnologia de medição de fibra óptica tendo relativamente pequenas sondas que são altamente confiável e precisa. Na conclusão das incubações de sedimentos, ou medir a altura da coluna de água ou sifão da coluna de água em uma proveta para determ diretamenteine o volume de água, e tirar fotos de cada núcleo. Análise 4. Amostra Bomba de amostras para a análise de N2, O2 e Ar em uma membrana inlet espectrómetro de massa, e determinar as proporções de N 2: Ar e O2: Ar de <0,03% 12,23 precisão. Casal uma massa espectrômetro de quadrupolo para uma entrada de membrana. Empurrar a amostra para o tubo de membrana utilizando uma bomba peristáltica. Recolher os resíduos de exemplo em um garrafão de plástico e tratar como lixo químico devido ao conservante Hg. Calibrar com água desionizada equilibrada com ar aquecido à temperatura de incubação. Realizar nutriente analisa manualmente em ≤ 5 amostras ml ou em volumes mais pequenos, utilizando analisadores automáticos. Após a descongelação da amostra, início analisa imediatamente. A escolha do procedimento de análise de nutrientes deve produzir uma precisão suficiente para observar as alterações na concentração de nutrientes durante a incubação. detecção típicalimites são <tendências 0,05 mmol L -1 e curso de tempo pode ser difícil de observar em ambas as concentrações extremamente baixas e extremamente altas de nutrientes. Para as análises colorimétricos de fósforo solúvel reativa, use a técnica de fosfomolibdato ácido ascórbico. Para as análises de amónio, utilizar um desenvolvimento de cor durante a noite usando um fenol hipoclorito de reagente 24. Automatizado análises colorimétricos, utilizando fluxo segmentado ou um analisador discreto, são uma ótima alternativa e utilizar o volume da amostra inferior. Para as análises de nitrato mais nitrito, utilizar a revelação da cor durante a noite utilizando cloreto de vanádio como um redutor 25, ou utilizar um analisador automático Compare absorv�cias apurados de UV / VIS de curvas padrão e determinar as concentrações de uma regressão das concentrações de normalização e absorvências. 5. Cálculo de Taxas de Câmbio sedimento-água Regress as concentrações de gases ou de nutriente em função do tempo para ambas as incubações de forma independente escuras e iluminadas, com a inclinação expressas como umol -1 L -1 hr. Corrigir as encostas dos núcleos de incubação para a inclinação dos núcleos só de coluna de água. Só use regressões significativas (P <0,05) para os cálculos; identificar dados não significativos nas planilhas de dados finais. Calcular as taxas de câmbio de sedimentos de água a partir do declive da variação das concentrações de constituintes químicos na água sobrejacente: Onde F é o fluxo (? Mol m -2 h -1), ôc / Dt é o declive da variação de concentração em água sobrejacente (? Mol L -1 h -1), V é o volume da água sobrejacente (L) e a é a área do núcleo incubadas (m -2) .Para estimar o fluxo diário, multiplicar a taxa de iluminado pelas horas de luze adicione à taxa escuro multiplicado por as horas de escuridão. 6. Relatórios Ao relatar os resultados de medições de câmbio sedimento-água, forneça informações suficientes para que outros cientistas para compreender o ambiente que foi amostrado. informação essencial inclui: 1) local do site e água profundidade, 2) características físicas, tais como campo de incubação e temperatura, e PAR, 3) características da água de fundo, tais como oxigênio, concentrações de nutrientes e salinidade, e 4) características dos sedimentos, tais como tamanho de grão, concentração de matéria orgânica, e a presença de animais bentônicos.

Representative Results

Os resultados de medições de fluxo de sedimentos perto de uma instalação aquícola no Rio Choptank (Chesapeake Bay, MD) são apresentados na Figura 1 e a interpretação desses resultados em um contexto de ecossistema são apresentados em outro lugar 26. As incubações foram levadas a cabo ao longo de 7 horas, com incubações escuro seguidos dos dados de incubações iluminados. Os dados de dois núcleos são mostradas, bem como a coluna de água apenas controlam. A rápida diminuição do oxigênio no escuro foi atenuado um pouco pela iluminação; a taxa de fotossíntese da produção de microalgas não foi tão alta como a respiração, com o principal efeito da iluminação ser uma diminuição da taxa de mudança de oxigênio. O núcleo de controle experimentou pequenas diminuições na concentração de oxigênio nos aumentos de escuro e pequenas na luz. As concentrações de N 2 foram determinados pelo N proporção de 2: Ar e oos valores da literatura saturação calculados Ar para a temperatura e salinidade 27 observados. Em uma precisão típica de 0,02% para o N proporção de 2: Ar, estes dados são precisos para ~ 0,1 mmol L-1 de N 2. Os núcleos de sedimentos e os núcleos em branco coluna de água tiveram aumentos de N 2 ao longo do tempo, com taxas muito mais elevadas de aumento para os núcleos. Sob iluminação, pistas foram geralmente semelhante à taxa escura de N 2 mudança. Fluxos de dissolvida NH 4 + foram bastante alta neste local, com aumento escura de> 20 mmol L -1 para um núcleo. Iluminados NH 4 + fluxos eram muito mais baixos. Ambos os núcleos e a coluna em branco água tinha diminuindo NO x – concentração ao longo do tempo, nivelamento durante a iluminação. Para todos os fluxos, os dados de concentração e os dados sobre o volume do núcleo e outros parâmetros relevantes estão apresentados <st rong> Tabelas 1 e 2. Figura 1. Dados curso de tempo de um local de águas rasas no Rio Choptank, que foi coberto com flutuadores contendo ostras cultivadas. Os dados são da núcleos replicadas (A e B) e os dados de uma coluna em branco água são mostrados. As concentrações de oxigénio N 2, NH 4 + e NO x – (a soma de NO 3 – e NO 2 – são apresentados tanto para a parte escura de incubação (área sombreada) e para a parte iluminada da incubação, o quarto tempo. ponto da incubação escuro é também o primeiro ponto de tempo da série temporal iluminado; luzes foram ligadas no momento da amostragem as linhas são regressões lineares e encostas são apresentados na Tabela 1..98 / 54098fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Oxygen – Dark Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 0 235,1 221,7 235.2 1.3 204,3 170,6 235,3 2.32 162,7 138,9 232 3,97 145,3 77,9 222,2 R2 0,943 0.999 0,836 Slope (mmol L -1 h -1) -23.5 -35,9 -3.4 Slope corrigido (mmol L -1 h -1) -20,1 -32,5 Rate (mol m hr -2 -1) -3095 -4875 Oxygen – Light Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 3,97 145,3 77,9 222,2 4,88 133,5 68,8 224,3 5,88 122,8 40,3 221,6 6,88 116 49,2 230,5 R2 0,981 0.999 0,994 Slope (mmol L -1 h -1) -10,1 -9.8 2.9 Slope corrigido (mmol L -1 h -1) -13 -12,7 Rate (mol m hr -2 -1) -2000 -1905 N 2 – Dark Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 0 466,46 466,40 466,62 1.3 466,74 467,49 466,11 2.32 467,55 468,18 466,74 <td> 3,97 468,24 468,98 467,12 R2 0,963 0,98 0,854 Slope N 2 (mol L -1 h -1) 0,471 0,645 0,12 Corrigida Slope N 2 (mol L -1 h -1) 0,351 0,525 Taxa de N 2 -N (mol m -2 h -1) 108,1 157,5 N 2 – Luz Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 3,97 468,24 468,98 467,12 4,88 468,84 469,21 467,26 5,88 469,39 469,71 467,47 6,88 469,62 470,04 467,41 R2 0,96 0,987 0,967 Slope N 2 (mol L -1 h -1) 0,481 0,378 0,096 Corrigida Slope N 2 (mol L -1 h -1) 0,386 0,282 Taxa de N 2 -N (mol m -2 h -1) 118,9 84,6 Área de superfície do núcleo (m 2) 0.003165 0.003165 </tr> Volume de núcleo (L) 0,4874 0,4747 . Tabela dados do curso 1. Tempo para O 2 e N 2 a partir de sedimentos debaixo flutuadores ostra da aquicultura no Rio Choptank, um subestuary da Chesapeake Bay As concentrações de gás são derivados de O 2: Ar e N2: rácios Ar determinada via de entrada da membrana espectrometria de massa. Os valores curso de tempo de regressão R2 são significativas para valores> 0,9025 (P <0,05). Pistas são determinadas por regressão linear e pistas corrigidos são determinados subtraindo a taxa de variação da coluna de água somente em branco. taxas positivas são fluxos líquidos para fora do sedimento, as taxas de fluxo negativos indicam no sedimento. Os dados de fluxo de N 2 são expressos como N 2 -N, tornando compaRison de NH 4 + e NO x – fundentes mais fácil. Este site teve sedimentos consistindo principalmente de silte e argila com as condições da coluna de água totalmente aeróbicos. A área dos núcleos era de 31.65 cm -2 e as profundidades da coluna de água foram de 15,4 cm para núcleo de A e de 15,0 para o núcleo B. Todas as concentrações de N 2 e O 2 são mmol L -1. A taxa final de N 2 fluxo é expresso em N 2 -N. NH 4 + – Dark Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 0 10,84 14.09 6,91 1.3 16.19 20.26 5.83 2.32 17,07 24,93 5,42 3,97 22.83 35.43 4,67 R2 0,968 0,993 0,853 Slope (mmol L -1 h -1) 2,88 5,36 -0.53 Slope corrigido (mmol L -1 h -1) 3,41 5,89 Rate (mol m hr -2 -1) 525 884 NH 4 + – Luz Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 3,97 22.83 </td> 35.43 4,67 4,88 24.05 36.45 4.13 5,88 25.00 37.60 3,79 6,88 26.96 R2 0,978 1 0,966 Slope (mmol L -1 h -1) 1,37 1.13 -0.55 Slope corrigido (mmol L -1 h -1) 1,92 1,68 Rate (mol m hr -2 -1) 296 252 NO x – – Dark Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 0 4.12 4.01 4,53 1.3 3,82 3,58 4,43 2.32 3.70 3.25 4,28 3,97 3.19 2,64 4.19 R2 0,976 0,992 0,967 Slope (mmol L -1 h -1) -0,229 -0,345 -0,089 Slope corrigido (mmol L -1 h -1) -0.14 -0,256 Rate (mol m hr -2 -1) -21.6 -38.4 NO x – – Light Tempo (h) núcleo A núcleo B Ao controle 3,97 3.19 2,64 4.19 4,88 3,06 2,59 4,06 5,88 3.18 2.41 4,02 6,88 2.95 2.35 4.2 R2 0,934 0,909 0,9 Slope (mmol L -1 h -1) -0,078 -0,103 0 Slope corrigido (mmol L -1 h -1) -0,078 -0,103 Rate (mol m hr -2 -1) -12 -15.5 Área de superfície do núcleo (m 2) 0.003165 0.003165 Volume de núcleo (L) 0,4874 0,4747 Tabela 2. Dados curso de tempo para NH 4 + e NO x – dos mesmos núcleos de sedimentos utilizados para Tabela 1. O tempo de curso de regressão R 2 valores são significativos para valores> 0,9025 (P <0,05). Pistas são determinadas por regressão linear e pistas corrigidos são determinados subtraindo a taxa de variação da coluna de água somente em branco. taxas positivas são fluxos líquidospara fora do sedimento, as taxas de fluxo negativos indicam no sedimento. Todas as concentrações de NH 4 + e NO 2 – são mmol L -1.

Discussion

A técnica descrita aqui tem sido aplicada a vários tipos de sistemas aquáticos, tanto rasas e profundas, e nós descobrimos que ela funcione bem na maioria das circunstâncias. Esta abordagem foi adaptado a partir de abordagens utilizadas pelos colegas e apresentados na literatura; ele é otimizado para a medição de desnitrificação via membrana espectrometria de massa de entrada. Um dos pontos fortes desta abordagem é a capacidade de lidar com um grande número de núcleos em simultâneo. Replicando cada site com duplicata ou triplicata núcleos aumenta a confiança nas medições, embora uma abordagem alternativa é maximizar sites com menos de replicação, sob essas circunstâncias, o valor médio para um segmento ambiental pode ser mais representativo da variabilidade na natureza. Para elucidar diferenças sazonais, uma série de tempo de medição em um menor número de sites podem ser uma estratégia útil.

Neste protocolo, existem várias etapas críticas. Paramount para fazer smedições uccessful é a coleção de núcleos com uma interface sedimento-água intacto. Embora rejeitando núcleos que não atendem a esse critério no campo pode ser cansativo, núcleos pobres vai levar a uma má exatidão e precisão. Mantendo núcleos aeróbicos arejada e perto da temperatura coleção original irá minimizar artefatos e manter as populações microbianas e metazoários saudável e intacta. Finalmente, para a O 2 e N 2 amostras, a adição de conservante cloreto de mercúrio é crítica. Temos observado que a preservação indevida de amostras de gás, incluindo o aquecimento excessivo e resfriamento dos frascos, pode comprometer estas medições de fluxo. Outros laboratórios têm utilizado com sucesso 7,0 M ZnCl2 como conservante menos tóxico que tem menores custos de eliminação de resíduos; para um 7 ml Amostra uma adição de 30 ul é apropriado.

A análise precisa e exacta do rácio de N 2 e Ar é a chave para a determinação da N2 </sub> fundentes. Observado N 2: rácios Ar mudar como uma função da concentração de oxigénio o que levou alguns investigadores defendem a remoção de oxigénio antes da análise, utilizando-se geralmente de cobre aquecida 28. A instrumentação utilizada no nosso laboratório foi utilizado para determinar o efeito do oxigénio sobre N 2: Ar rácios 23 e o efeito foi encontrado para ser muito pequena, <0,03% de consumo de oxigénio modesta. As diferenças na abordagem para avaliar o "efeito" de oxigênio parecem levar a conclusões diferentes por diferentes investigadores 23,28,29. Um efeito de oxigênio grande em N 2: rácios Ar levaria a erroneamente altas taxas de N 2 -N efluxo; em nossa experiência, temos muitas observações de N insignificante 2 -N efluxo sob alta taxa de depleção de oxigênio. Em laboratórios em que o efeito de oxigénio em N2: Ar rácios aparecem grande, uma alternativa útil é a medição independente das concentrações de oxigénio utilizando eléctrodos ou optodes e oxigénioremoção a partir da análise por espectrometria de massa em linha, utilizando radiação Cu aquecida.

Solução de problemas essa técnica só é possível após análise dos dados de sedimentos de fluxo. fatores-chave a considerar quando se regressões são pobres estão se agitação foi contínua, as amostras foram recolhidas e preservadas corretamente, e se o tempo cursos foram muito curta para permitir uma estimativa de preços baixos. O comprimento de experiências geralmente é definido pelo curso de tempo de oxigénio, com baixos índices de metabolismo exigir incubações mais longas para aumentar a relação sinal-ruído incorporado nas regressões curso de tempo. Altas taxas de produção de oxigênio que produzem O 2 as bolhas fazem fluxos de gases difícil, mas fluxos de soluto pode ser afetado.

É necessário entender as limitações desta abordagem. Os pequenos núcleos cobrir 0,3% de um metro quadrado e os núcleos maiores cobrir 0,6%. Em locais com grande heterogeneidade na escala do medidor, as distribuições heterogéneas de animALS ou plantas podem sugerir que um ou dois núcleos, podem não ser uma representação suficiente. Existem também alguns ambientes que apresentam dificuldades de medição. Para a medição de desnitrificação, a presença de metano ou de oxigénio bolhas pode invalidar a técnica, com N 2: rácios Ar influenciados pela incorporação diferencial de gases para a bolhas. Em sedimentos colonizados por microalgas bêntico, a formação de bolhas de oxigénio resulta numa remoção preferencial de N2 em relação a Ar, e diminuição da N proporção de 2: Ar. Em geral, não podemos medir a desnitrificação no ponto em que as bolhas se formam. ambientes anaeróbicos colocam desafios diferentes, e arejamento de núcleos muda a dinâmica redox na interface sedimento-água. Nós selar núcleos com tops de agitação imediatamente após a coleta e iniciar os fluxos sem substituir a coluna de água completamente 30. Nossos experimentos com sedimentos iluminados normalmente têm saturar ou quase Saturaçãoing níveis de iluminação 31, e, assim, maximizar o efeito de microalgas bêntico.

medições de câmbio sedimento em água são uma medição do fluxo de líquido de materiais através da interface sedimento-água. No entanto, estas medidas por si só, muitas vezes não é possível identificar os mecanismos que controlam essas trocas interfacial. Se a questão de pesquisa envolve mecanismos de compreensão, outras informações sobre a reatividade de matéria orgânica, o terminal zonation receptor de elétrons, bioirrigation e bioturbação e organismos fotossintéticos podem ser necessárias. Modelando esforços 7 podem exigir determinação da composição química da água dos poros, medidas diretas de reactividade matéria orgânica 32, enumeração de populações animais, sedimentos bio-irrigação, aumento de sedimentos, ou manipulações experimentais de redox ou sobrepondo-se a química da água 13. Em nossos estudos, intercâmbio de dados boa sedimento-água é um componente chave da compreensão da química de sedimentos aquáticos,e em conjunto com outras medições, identifica a função de processos de reciclagem dos sedimentos em ciclos bioquímicos aquáticos.

Com o cuidado sobre o manuseio de sedimentos, controle de temperatura e mistura coluna de água, incubações núcleo são uma abordagem útil para a estimativa da troca de solutos e gases na interface sedimento-água. No entanto, as técnicas utilizadas aqui podem necessitar de modificação para alguns ambientes e para a logística difíceis, como longos períodos de tempo antes da incubação. Até agora, temos aplicado com sucesso esta abordagem de incubação para estuários, ambientes costeiros, pantanal, lago, reservatório, rio e lagoa de retenção com modificações mínimas.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores desenvolveram esta abordagem utilizando nossas observações do trabalho realizado por Walter Boynton e Pete Sampou e trabalho cooperativo na desnitrificação com Todd Kana na Universidade de Maryland Centro de Ciência Ambiental. Desenvolvimento de nossas abordagens desnitrificação não teria sido possível sem o apoio do Programa de Concessão de Maryland Mar e da National Science Foundation. Os dados representativos usados ​​aqui foram coletadas com financiamento do Sea Grant Maryland (R / AQ-5c) e escrita esforços foram apoiados por Sea Grant Maryland (R / SV-2), o Escritório NOAA Chesapeake Bay (NA13NMF4570210), a Parceria Recovery Oyster , a National Science Foundation (OCE1427019), Exelon Corporation, e do Serviço Ambiental Maryland / Maryland Administração do Porto.

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
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Owens, M. S., Cornwell, J. C. The Benthic Exchange of O2, N2 and Dissolved Nutrients Using Small Core Incubations. J. Vis. Exp. (114), e54098, doi:10.3791/54098 (2016).
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