Meting van de potentiële tarieven van dissimilatorische nitraatreductie naar Ammonium op basis van ¹⁴NH₄⁺/¹⁵NH₄⁺ Analyses via sequentiële conversie naar N₂O

De kunstmatige synthese van stikstofmest en de wijdverbreide toepassing ervan hebben de wereldwijde stikstofcyclus sterk verstoord. Geschat wordt dat de overdracht van reactieve stikstof van terrestrische naar kustsystemen is verdubbeld sinds pre-industriële tijden¹. Een aanzienlijk deel van de meststoffen die op een bepaald veld worden aangebracht, wordt weggespoeld van de bodem naar rivieren of grondwater, voornamelijk als NR₃^{− 2}. Dit kan leiden tot milieuproblemen zoals drinkwatervervuiling, eutrofiëring en de vorming van hypoxie. NO₃⁻ in wateromgevingen wordt verwijderd uit of vastgehouden in het ecosysteem via biologische assimilatie en verschillende microbiële dissimilerende processen. Denitrificatie en anammox staan bekend als belangrijke microbiële verwijderingsprocessen voor NO₃⁻. Denitrificatie is de microbiële reductie van NO₃⁻ tot gasvormige N-producten (NO, N₂O en N₂) in combinatie met de oxidatie van een elektronendonor, zoals organische stoffen, waardoor het risico op bovengenoemde problemen wordt verminderd. Anammox produceert ook N₂ van NO₂⁻ en NH₄⁺; daarom verwijdert het anorganische N uit een ecosysteem. Omgekeerd werkt DNRA aan het behoud van N in een ecosysteem; algemeen wordt aangenomen dat DNRA voornamelijk wordt uitgevoerd door fermenterende bacteriën of chemolithoautotrofe bacteriën en dat ze dessimilerende NO₃⁻ tot biologisch beschikbare en minder mobiele NH₄⁺verminderen.

Studies over DNRA zijn voornamelijk uitgevoerd in mariene of estuariene ecosystemen, zoals oceanische of estuariene sedimenten en water, zout of brak moerasgrond, en mangrovegrond. Kust- of mariene ecosystemen zijn belangrijk als reservoirs voor het verwijderen van NO₃⁻ uit terrestrische ecosystemen, en in eerdere studies is aangetoond dat DNRA een bijdrage levert over een zeer breed scala van₃⁻ verwijdering (0-99%)^3,4,5,6,7,8,^{9,,10,11,12,13,14,15,16,17,18}. Verder is het bestaan van DNRA aangetoond in een breed scala van omgevingen, waaronder zoetwateromgevingen¹⁹, rijstpadiebodems²⁰en bosbodems²¹. Hoewel deze studies hebben aangetoond dat DNRA potentieel vergelijkbaar is met denitrificatie voor NO₃⁻ verwijdering, zijn studies die de DNRA-activiteit meten nog steeds zeer beperkt in vergelijking met studies die denitrificatie meten.

De DNRA-snelheid is geëvalueerd aan de hand van ¹⁵N-labelingtechnieken in combinatie met data-analyse via analytische of numerieke modellen. Een analytische oplossing voor het berekenen van het DNRA-tarief is gebaseerd op de toename van de ¹⁵N verrijking van de NH₄⁺ pool na de toevoeging van ¹⁵NO₃⁻ als tracer. ^15. N-label NO₃⁻ wordt toegevoegd aan een monster en geïncubeerd, en de DNRA-snelheid kan vervolgens worden berekend op basis van de veranderingen in de concentratie en isotopenverhouding in NH₄⁺ voor en na een bepaalde periode. In dit document wordt een methode beschreven om de NH₄⁺ concentratie en de isotopenverhouding te kwantificeren, die nodig zijn om de DNRA-snelheid te berekenen, in detail beschreven. Kortom, de hier gerapporteerde methode is een combinatie van verschillende eerder gerapporteerde technieken^{22,23,24,25,26} met wijzigingen toegevoegd aan een aantal procedures. De methode bestaat uit een reeks van vijf componentprocedures: (1) incubatie van een milieumonster met de wijziging van een stabiele isotopentracer, ¹⁵NR₃⁻(2) extractie en nuttige toepassing van NH₄⁺ met behulp van een “diffusieprocedure” met wijzigingen, (3) persulfaatoxidatie van NH₄⁺ in het monster; bestaande uit inheemse NH₄⁺ en ¹⁵NH₄⁺ afgeleid van ¹⁵NR₃⁻ via DNRA-activiteit, in NO₃⁻ en ¹⁵NO₃⁻(4) latere microbiële transformatie van NO 3⁻ en 3 − en₁₅ ¹⁵GEEN₃⁻ tot N₂O-isotopen via de gemodificeerde denitrifiermethode en (5) kwantificering van de N₂O-isotopen met behulp van gaschromatografie-massaspectrometrie (GC/MS). In het volgende deel wordt eerst de voorbereiding van de procedures (2) en (4) beschreven en vervolgens worden alle vijf de componentprocedures in detail beschreven.