تقدير معدلات إزالة النتروجينيات الرواسب باستخدام النوى ون2س ميكروسينسورس
Summary
هذا الأسلوب تقديرات معدلات إزالة النتروجينيات الرواسب في النوى الرواسب باستخدام الأسيتيلين تثبيط القياسات التقنية وميكروسينسور ن المتراكمة2o. البروتوكول يصف إجراءات جمع النوى، معايرة أجهزة الاستشعار، وأداء تثبيط الأسيتيلين، قياس تراكم2س ن، وحساب معدل إزالة النتروجينيات.
Abstract
إزالة النتروجينيات هو العملية الكيميائية الأرضية الأحيائية الأساسية إزالة النيتروجين التفاعلي من المحيط الحيوي. وقد أصبح التقييم الكمي لهذه العملية أهمية خاصة لتقييم دورة النتروجين العالمية الصنعية غيرت وانبعاث غازات الدفيئة (أي، ن2س). تتوفر عدة طرق لقياس إزالة النتروجينيات، ولكن أيا منها مرضية تماما. تشمل المشاكل مع الأساليب القائمة على حساسية غير كافية، والانزعاج الحاجة إلى تعديل مستويات الركيزة أو تغيير التكوين البدني من العملية باستخدام العينات. ويصف هذا العمل طريقة لتقدير معدلات إزالة النتروجينيات الرواسب التي تجمع بين الحفر وتثبيط الأسيتيلين والقياسات ميكروسينسور ن المتراكمة2o. المزايا الرئيسية لهذا الأسلوب هي اضطراب منخفضة لهيكل الرواسب وجمع سجل مستمر من تراكم2س ن؛ وهي تمكن تقديرات معدلات إزالة النتروجينيات موثوق بها مع قيم الحد الأدنى يصل إلى 0.4-1 µmol ن2س م-2 ح-1. القدرة على التعامل مع العوامل الرئيسية ميزة إضافية للحصول على الأفكار التجريبية. البروتوكول يصف إجراءات جمع النوى، معايرة أجهزة الاستشعار، وأداء تثبيط الأسيتيلين، قياس تراكم2س ن، وحساب معدل إزالة النتروجينيات. الأسلوب المناسب لتقدير معدلات إزالة النتروجينيات في أي نظام المائية مع الرسوبيات استرجاعها. إذا كان تركيز2س ن فوق الحد الأقصى للكشف من أجهزة الاستشعار، يمكن حذف الخطوة تثبيط الأسيتيلين لتقدير الانبعاثات2س ن بدلاً من إزالة النتروجينيات. نعرض كيفية تقدير معدلات إزالة النتروجينيات الفعلية والمحتملة على حد سواء بزيادة توافر نترات، فضلا عن الاعتماد على درجة الحرارة للعملية. علينا توضيح الإجراء باستخدام رواسب بحيرة جبلية ومناقشة مزايا ونقاط الضعف في هذا الأسلوب مقارنة بالأساليب الأخرى. يمكن تعديل هذا الأسلوب لأغراض خاصة؛ على سبيل المثال، فإنه يمكن أن تقترن 15N تتبع لتقييم الحقل وإزالة النتروجينيات أو بالأزوت في الموقع قياسات معدلات إزالة النتروجينيات.
Introduction
تغيير الصنعية لدورة النيتروجين واحدة من المشاكل الأكثر تحديا ل نظام الأرض1. وتضاعف النشاط البشري على الأقل مستويات النيتروجين التفاعلي متاح ل المحيط الحيوي2. ومع ذلك، لا تزال هناك شكوك كبيرة فيما يتعلق بكيفية تقييم دورة ن العالمية. بعض التمويه التقديرات التي تم كمياً مع أقل من الخطأ % ±20، والعديد من أوجه عدم التيقن من ±50% و أكبر3. هذه الشكوك تشير إلى الحاجة إلى تقديرات دقيقة لمعدلات إزالة النتروجينيات عبر النظم الإيكولوجية وفهم الآليات الكامنة للتباين. إزالة النتروجينيات هو نشاط الميكروبات من خلالها يتم تخفيض أكاسيد نيتروجينية، أساسا النترات والنيتريت، رابع الغازات وس ن2ن24. المسار ارتباطاً وثيقا بتوفر المجال الحيوي للنيتروجين التفاعلي لأنها عملية أساسية لإزالة5. ن2س هو غاز من غازات الدفيئة مع إمكانات الاحترار تقريبا 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون2 أكثر من 100 سنة، وأنها السبب الرئيسي الحالي لاستنفاد طبقة الأوزون الستراتوسفيري نظراً للكميات الكبيرة المنبعثة6،7ويجري.
في ما يلي، نقدم بروتوكولا لتقدير معدلات إزالة النتروجينيات الرواسب استخدام النوى وميكروسينسورس2س ن تجريبيا (الشكل 1). وتقدر معدلات إزالة النتروجينيات استخدام الأسيتيلين تثبيط الأسلوب8،9 وقياسات لتراكم ن2س خلال فترة زمنية محددة (الشكل 2 و الشكل 3). نظهر الأسلوب قبل تطبيقه على ترسبات البحيرة الجبلية. وتبرز هذه الدراسة حالة أداء الأسلوب للكشف عن معدلات منخفضة نسبيا مع اضطرابات الحد الأدنى للهيكل المادي للترسبات.
إزالة النتروجينيات من الصعوبة بمكان قياس10. وهناك عدة نهج بديلة وطرق، كل منها مزايا وعيوب. وتشمل العوائق للأساليب المتاحة استخدامهم للموارد مكلفة وحساسية غير كافية، والحاجة إلى تعديل مستويات الركيزة أو تغيير التكوين المادي للعملية باستخدام عينات الانزعاج10. يشكل تحديا أساسيا أكثر لقياس N2 هو مستويات الخلفية مرتفعة في البيئة10. تحول دون الحد من ن2س ن2 من الأسيتيلين (ج2ح2)8،9. وهكذا، يمكن قياسها كمياً إزالة النتروجينيات بقياس المتراكمة ن2س حضور ج2ح2، وعملياً بسبب انخفاض مستويات2س ن البيئية.
تم تطوير استخدام ج2ح2 لقياس معدلات إزالة النتروجينيات في الرواسب قبل حوالي 40 عاماً11، وإدماج أجهزة الاستشعار2س ن وقع حوالي 10 سنوات بعد12. النهج المستندة إلى الأسيتيلين المطبقة على نطاق واسع هو “الأساسية ثابتة”. المتراكمة ن2س يقاس خلال فترة حضانة لمدة تصل إلى 24 ساعة بعد إضافة2ح ج2 إلى headspace الرواسب مختومة الأساسية10. الأسلوب الموصوفة هنا يتبع هذا الإجراء مع بعض الابتكارات. نقوم بإضافة2ح ج2 بفقاعات الغاز في مرحلة المياه الأساسية لبعض دقائق، ونحن ملء جميع headspace بعينه الماء قبل قياس تراكم ن2س مع ميكروسينسور. نحن تشمل أيضا نظام التحريك يمنع التقسيم الطبقي للماء دون ريسوسبيندينج الرواسب. الإجراء الذي يقد معدل إزالة النتروجينيات في مجال الرواسب السطحية (مثل، µmol ن2س م-2 ح-1).
عالية التباين المكاني والزماني لإزالة النتروجينيات يمثل صعوبة أخرى في القياس الكمي الدقيق10. عادة، وتراكم2س ن يقاس تسلسلياً بالفصل اللوني للغاز headspace العينات التي يتم جمعها من خلال الاحتضان. توفر الطريقة الموضحة تحسين رصد التغير الزمني لتراكم2س ن، نظراً لأنه يوفر ميكروسينسور إشارة مستمرة. مقياس متعدد ميكروسينسور هو ميكروسينسور رقمية مضخم (بيكواميتير) التي واجهات مع sensor(s) والكمبيوتر (الشكل 1). مقياس متعدد يسمح ميكروسينسورس2س ن عدة لاستخدامها في نفس الوقت. على سبيل المثال، ما يصل إلى أربعة من الرواسب النوى من نفس الموقع دراسة يمكن أن يقاس في نفس الوقت لحساب التغير المكاني.
النهج الأساسي الذي يخل بالكاد هيكل الرواسب مقارنة ببعض الأساليب الأخرى (مثلاً، عجائن). إذا كان يتم تبديل سلامة المواد الرسوبية، وهذا يؤدي إلى معدلات إزالة النتروجينيات غير الواقعي13 التي تكفي فقط للمقارنات النسبية. يتم الحصول على معدلات أعلى دائماً مع أساليب الملاط مقارنة ب الأساليب الأساسية14، لأن هذا الأخير يحافظ على الحد من إزالة النتروجينيات الركازة نشر15. لا تعتبر التدابير ملاط ممثل في الموقع معدلات16؛ أنها توفر المقاييس النسبية لمقارنات بالضبط نفس الإجراء.
الطريقة الموصوفة مناسبة لتقدير معدلات إزالة النتروجينيات في أي نوع من أنواع الرواسب التي يمكن أن يكون محفور. نحن ننصح لا سيما طريقة أداء المعالجات التجريبية لبعض العوامل الدافعة. ومن أمثلة التجارب التي تعدل توافر النترات ودرجة الحرارة حسب الحاجة لتقدير الطاقة التنشيط (ه) إزالة النتروجينيات17 (الشكل 2).
الشكل 1 : برنامج الإعداد التجريبية. () العامة الإعداد التجريبي لتقدير معدلات إزالة النتروجينيات الرواسب باستخدام النوى وميكروسينسورس2س ن. غرفة الحضانة يضمن الشروط (±0.3 درجة مئوية) الظلمة والتحكم في درجة الحرارة. يمكن معالجة خمسة الرواسب سليمة النوى في وقت واحد باستخدام أجهزة الاستشعار2س ن الخاصة بهم. (ب) ن2س استشعار المعايرة الدائرة. يمكننا تكييفه مع سدادات مطاطية والمحاقن لخلط ن2س المياه (انظر البروتوكول خطوة 3.4.3). وهناك مقياس حرارة للتحكم في درجة حرارة الماء. (ج) إدراج عن قرب عينة أساسية الرواسب مع أجهزة الاستشعار في حفرة وسط غطاء البلاستيكية والمفاصل مختومة بشريط لاصق. هو معلق محرض في الماء، والمغناطيس الكهربائي بالقرب من ذلك وثابتة على الجزء الخارجي من الأنبوبة اﻷكريليك. (د) عن قرب ميكروسينسور2س ن نصيحة المحمية بواسطة قطعة معدنية. (ﻫ) مجموعة أساسية من رواسب التي قد تعافت. قد أخذت عيناتها من قارب في بحيرة عميقة؛ أنبوب اﻷكريليك مع الأساسية لا تزال ثابتة قاطعة خطورة تكييف رسول19. انظر الجدول للمواد اللازمة لجميع العناصر اللازمة للقيام بهذا الأسلوب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Protocol
Representative Results
Discussion
المزايا الرئيسية لوصف الطريقة التي يتم استخدام عينات الرواسب الانزعاج الحد الأدنى الأساسية والتسجيل المستمر لتراكم2س ن. هذه تسمح لتقدير معدلات إزالة النتروجينيات المنخفضة نسبيا التي من المحتمل مماثلة لتلك التي تحدث في الموقع. على الرغم من ذلك، يتم مناقشة بعض الجوانب المتعلقة …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقدمت “الحكومة الإسبانية” الأموال من خلال وزارة للتعليم زمالة بريدوكتورال رساام-لام (FPU12-00644) والمنح البحثية من وزارة دي ايكونوميا y كومبيتيتيفيداد: نيتروبير (CGL2010-19737)، كلمن (CGL2013-45348-ف)، نقل ( CGL2016-80124-C2-1-P). مشروع ريبليم (إينري-“البرنامج الأقاليمي”. يوان-الاتحاد الأوروبي. EFA056/15) يدعم الكتابة النهائية للبروتوكول.
Materials
| Messenger-adapted gravity corer | – | – | Reference in the manuscript. Made by Glew, J. |
| Sampling tube | – | – | Acrylic. Dimensions: 100 cm (h) × 6.35 cm (d) × 6.50 cm (D). Sharpen the edge of the sampling tube that penetrates into the sediment to minimize the disturbance in the recovered sediment core sample. |
| Handheld sounder | Plastimo | 38074 | Echotest II Depth Sounder. |
| Rubber stopper | VWR | DENE1012114 | With two holes, used to mix the N2O-water in the calibration chamber. Dimensions: 20 mm (h) × 14 mm (d) × 18 mm (D) (3 mm hole (D)). |
| Rubber stopper | VWR | 217-0125 | To seal the bottom part of the methacrylate tube and to sample in shallow water bodies. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). |
| PVC cover | – | – | To seal the top side part of the acrylic tube. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). Dimensions: 65 mm (D). |
| Adhesive tape | – | – | Waterproof. To ensure all joints (PVC cover sampling tube and PVC cover sensor) and to avoid water leaks. |
| Thermometer | – | – | Portable and waterproof, to measure the temperature in the water overlying the sediment just after sampling the cores. |
| GPS | – | – | To save the location of a new sampling site or to arrive at a previous site. |
| Wader | – | – | For littoral or shallow site samplings. |
| Boat | – | – | An inflatable boat is the best option for its lightness if the sampling site is not accessible by car. |
| Rope | – | – | Rope with marks showing its length (e.g., marked with a color code to distinguish each meter). |
| N2O gas bottle and pressure reducer | Abelló Linde | 32768-100 | Gas bottle reference. |
| C2H2 gas bottle and pressure reducer | Abelló Linde | 32468-100 | Gas bottle reference. |
| Tube used to evacuate the excess of water | – | – | Consists of a solid part (e.g., a 5 ml pipette tip without its narrowest end) inserted in a silicone tube. |
| Nitrous Oxide Minisensor w/ Cap | Unisense | N2O-R | We use 4 sensors at a time. |
| Microsensor multimeter 4 Ch. 4 pA channels | Unisense | Multimeter | Picoammeter logged to a laptop. The standard device allows for 2 sensor picoammeter connections (e.g., N2O sensor), one pH/mV and a thermometer. We ordered a device with four picoammeter connections, allowing the use of 4 N2O sensors simultaneously. |
| SensorTrace Basic 3.0 Windows software | Unisense | Sensor data acquisition software. | |
| Calibration Chamber incl. pump | Unisense | CAL300 | Calibration chamber. We tuned it with rubber stoppers and syringes to mix the N2O-water without making bubbles. |
| Incubation chamber | Ibercex | E-600-BV | Indispensable equipment for working at a constant temperature (±0.3 °C). It also allows control of the photoperiod. |
| Electric stirrer | – | – | Part of the stirring system. It hangs in the water, overlying the sediment subject, by a fishing line that is hooked to the PVC cover. |
| Electromagnet | – | – | Part of the stirring system. It is fixed to the outside of the acrylic tube, approximately at the same level as the stirrer. It is activated episodically (ca. 1 on-off per s) by a circuit, attracting the stirrer when it is on and releasing it when it is off, thereby generating the movement that agitates the water. |
| Electromagnetic pulse circuit | – | – | Part of the stirring system. It is connected by wires to the electromagnet and sends pulses of current that turn the electromagnet on and off. |
| Uninterruptible power supply (UPS) | – | – | It improves the quality of the electrical energy that reaches the measurement device, filtering the highs and low of the voltage, thereby ensuring a more constant and stable N2O sensor signal. |
References
- Rockstrom, J., et al. A safe operating space for humanity. Nature. 461 (7263), 472-475 (2009).
- Erisman, J. W., Galloway, J., Seitzinger, S., Bleeker, A., Butterbach-Bahl, K. Reactive nitrogen in the environment and its effect on climate change. Current Opinion in Environmental Sustainability. 3 (5), 281-290 (2011).
- Gruber, N., Galloway, J. N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature. 451 (7176), 293-296 (2008).
- Tiedje, J. M., Zehnder, A. J. B. Ch. 4. Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium. Environmental Microbiology of Anaerobes. Vol. 717. , 179-244 (1988).
- Seitzinger, S., et al. Denitrification across landscapes and waterscapes: A synthesis. Ecological Applications. 16 (6), 2064-2090 (2006).
- Contribution of Working Group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. . IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. , (2013).
- Ravishankara, A. R., Daniel, J. S., Portmann, R. W. Nitrous Oxide (N2O): The Dominant Ozone-Depleting Substance Emitted in the 21st Century. Science. 326 (5949), 123-125 (2009).
- Balderston, W. L., Sherr, B., Payne, W. Blockage by acetylene of nitrous oxide reduction in Pseudomonas perfectomarinus. Applied and Environmental Microbiology. 31 (4), 504-508 (1976).
- Yoshinari, T., Knowles, R. Acetylene inhibition of nitrous-oxide reduction by denitrifying bacteria. Biochemical and Biophysical Research Communications. 69 (3), 705-710 (1976).
- Groffman, P. M., et al. Methods for measuring denitrification: Diverse approaches to a difficult problem. Ecological Applications. 16 (6), 2091-2122 (2006).
- Sorensen, J. Denitrification rates in a marine sediment as measured by the acetylene inhibition technique. Applied and Environmental Microbiology. 36 (1), 139-143 (1978).
- Revsbech, N. P., Nielsen, L. P., Christensen, P. B., Sorensen, J. Combined oxygen and nitrous-oxide microsensor for denitrification studies. Applied and Environmental Microbiology. 54 (9), 2245-2249 (1988).
- Jorgensen, K. S. Annual pattern of denitrification and nitrate ammonification in estuarine sediment. Applied and Environmental Microbiology. 55 (7), 1841-1847 (1989).
- Laverman, A. M., Van Cappellen, P., van Rotterdam-Los, D., Pallud, C., Abell, J. Potential rates and pathways of microbial nitrate reduction in coastal sediments. FEMS Microbiology Ecology. 58 (2), 179-192 (2006).
- Ambus, P. Control of denitrification enzyme-activity in a streamside soil. FEMS Microbiology Ecology. 102 (3-4), 225-234 (1993).
- Christensen, P. B., Rysgaard, S., Sloth, N. P., Dalsgaard, T., Schwærter, S. Sediment mineralization, nutrient fluxes, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in an estuarine fjord with sea cage trout farms. Aquatic Microbial Ecology. 21 (1), 73-84 (2000).
- Palacin-Lizarbe, C., Camarero, L., Catalan, J. Denitrification Temperature Dependence in Remote, Cold, and N-Poor Lake Sediments. Water Resources Research. 54 (2), 1161-1173 (2018).
- . . Nitrous Oxide sensor user manual. , (2011).
- Glew, J. Miniature gravity corer for recovering short sediment cores. Journal of Paleolimnology. 5 (3), 285-287 (1991).
- Andersen, K., Kjaer, T., Revsbech, N. P. An oxygen insensitive microsensor for nitrous oxide. Sensors and Actuators B-Chemical. 81 (1), 42-48 (2001).
- Weiss, R. F., Price, B. A. Nitrous oxide solubility in water and seawater. Marine Chemistry. 8 (4), 347-359 (1980).
- . . Nitrous Oxide Microsensors Specifications. , (2018).
- Koike, I., Revsbech, N. P., Sørensen, J. Ch. 18. Measurement of sediment denitrification using 15-N tracer method. Denitrification in Soil and Sediment 10.1007/978-1-4757-9969-9 F.E.M.S. Symposium Series. , 291-300 (1990).
- Hvorslev, M. J. . Subsurface Exploration and Sampling of Soils for Civil Engineering Purposes. , 521 (1949).
- Glew, J. R., Smol, J. P., Last, W. M., Last, W. M., Smol, J. P. Ch. 5. Sediment Core Collection and Extrusion. Tracking Environmental Change Using Lake Sediments: Basin Analysis, Coring, and Chronological Techniques. 1, 73-105 (2001).
- Behrendt, A., de Beer, D., Stief, P. Vertical activity distribution of dissimilatory nitrate reduction in coastal marine sediments. Biogeosciences. 10 (11), 7509-7523 (2013).
- Laverman, A. M., Meile, C., Van Cappellen, P., Wieringa, E. B. A. Vertical distribution of denitrification in an estuarine sediment: Integrating sediment flowthrough reactor experiments and microprofiling via reactive transport modeling. Applied and Environmental Microbiology. 73 (1), 40-47 (2007).
- Melton, E. D., Stief, P., Behrens, S., Kappler, A., Schmidt, C. High spatial resolution of distribution and interconnections between Fe- and N-redox processes in profundal lake sediments. Environmental Microbiology. 16 (10), 3287-3303 (2014).
- . . SensorTrace BASIC 3.0 user manual. , (2010).
- Schwing, P. T., et al. Sediment Core Extrusion Method at Millimeter Resolution Using a Calibrated, Threaded-rod. Journal of visualized experiments. (114), 54363 (2016).
- Bernhardt, E. S. Ecology. Cleaner lakes are dirtier lakes. Science. 342 (6155), 205-206 (2013).
- Finlay, J. C., Small, G. E., Sterner, R. W. Human influences on nitrogen removal in lakes. Science. 342 (6155), 247-250 (2013).
- Seitzinger, S. P. Denitrification in fresh-water and coastal marine ecosystems- ecological and geochemical significance. Limnology and Oceanography. 33 (4), 702-724 (1988).
- Seitzinger, S. P., Nielsen, L. P., Caffrey, J., Christensen, P. B. Denitrification measurements in aquatic sediments – a comparison of 3 methods. Biogeochemistry. 23 (3), 147-167 (1993).
- Christensen, P. B., Nielsen, L. P., Revsbech, N. P., Sorensen, J. Microzonation of denitrification activity in stream sediments as studied with a combined oxygen and nitrous-oxide microsensor. Applied and Environmental Microbiology. 55 (5), 1234-1241 (1989).
- Peter, N. L. Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing. FEMS Microbiology Ecology. 9 (4), 357-361 (1992).
- Risgaard-Petersen, N., Nielsen, L. P., Rysgaard, S., Dalsgaard, T., Meyer, R. L. Application of the isotope pairing technique in sediments where anammox and denitrification coexist. Limnology and Oceanography-Methods. 1, 63-73 (2003).
