Estimando taxas de desnitrificação do sedimento usando núcleos e N₂O Microssensores

Alterações antropogénicas do ciclo do azoto é um dos problemas mais desafiadores para o sistema de terra¹. Actividade humana pelo menos duplicou os níveis de nitrogênio reativo disponível para a Biosfera². No entanto, persistem grandes incertezas sobre como o ciclo global de N é avaliado. Algumas estimativas de fluxo estar quantificadas com menos de ± 20% de erro, e muitos têm incertezas de ± 50% e maior³. Estas incertezas indicam a necessidade de estimativas precisas das taxas de desnitrificação em ecossistemas e uma compreensão dos mecanismos subjacentes de variação. Desnitrificação é uma atividade microbiana através do qual os óxidos nitrogenados, principalmente nitrato e nitrito, são reduzidos a gases de dinitrogênio, N₂O e N₂⁴. O caminho é altamente relevante para a disponibilidade de Biosfera de nitrogênio reativo porque é o principal processo de remoção⁵. N₂O é um gás com efeito de estufa com um potencial de aquecimento quase 300 vezes que de CO₂ , mais de 100 anos e é a atual das principais causas de depleção do ozônio estratosférico devido as grandes quantidades sendo emitido^6,7.

A seguir, apresentamos um protocolo para estimar taxas desnitrificação sedimentos usando núcleos e N₂O Microssensores experimentalmente (Figura 1). Taxas de desnitrificação são estimadas usando o acetileno inibição método^8,9 e medições da acumulação de N₂O durante um período definido (Figura 2 e Figura 3). Demonstramos o método por aplicá-la aos sedimentos do Lago de montanha. Este estudo de caso destaca o desempenho do método para detectar taxas relativamente baixas, com o mínimo de perturbação para a estrutura física dos sedimentos.

Desnitrificação é particularmente difícil de medir¹⁰. Existem várias abordagens alternativas e métodos, cada um com vantagens e desvantagens. Desvantagens de métodos disponíveis incluem o uso de recursos caros, sensibilidade insuficiente e a necessidade de modificar os níveis de substrato ou alterar a configuração física do processo usando amostras perturbado¹⁰. Um desafio ainda mais fundamental para medir N₂ é seus níveis elevados de plano de fundo do ambiente¹⁰. A redução de N₂O para N₂ é inibida por acetileno (C₂H₂)^8,9. Assim, a desnitrificação pode ser quantificada medindo a acumulada N₂O na presença de C₂H₂, que é viável devido aos baixos níveis de₂O ambientais N.

O uso de C₂H₂ para medir as taxas de desnitrificação em sedimentos foi desenvolvido há 40 anos,¹¹e a incorporação de sensores de N₂O ocorreram cerca de 10 anos mais tarde,¹². A abordagem mais amplamente aplicada baseada em acetileno é o núcleo”estático”. O acumulado de N₂O é medido durante um período de incubação de até 24 h após o C₂H₂ é adicionado para o headspace do sedimento selado núcleo¹⁰. O método descrito aqui segue este procedimento com algumas inovações. Nós adicionamos o C₂H₂ por borbulhamento do gás na fase água do núcleo por alguns minutos, e estamos a encher todo o headspace antes de medir a acumulação de N₂O com um microsensor. Incluímos também um sistema de agitação que impede que a estratificação da água sem resuspending do sedimento. O procedimento quantifica a taxa de desnitrificação por área de superfície de sedimentos (por exemplo, µmol N₂O m^-2 h^-1).

A alta variação espacial e temporal de desnitrificação apresenta outra dificuldade na sua quantificação exata¹⁰. Geralmente, acúmulo de N₂O é medido sequencialmente por cromatografia de amostras de headspace que são coletados durante a incubação. O método descrito fornece monitoramento melhorado da Variação temporal da acumulação N₂O, porque o microsensor fornece um sinal contínuo. O microsensor multímetro é um amplificador digital microsensor (picoammeter) que faz interface com os sensores e o computador (Figura 1um). O multímetro permite que vários N₂O Microssensores ser usado ao mesmo tempo. Por exemplo, até sedimentos de quatro núcleos da mesma área de estudo podem ser medidos simultaneamente para dar conta da variabilidade espacial.

A abordagem de núcleo mal perturba a estrutura de sedimentos em comparação com outros métodos (por exemplo, lamas). Se a integridade dos sedimentos é alterada, isso leva a desnitrificação irrealista taxas¹³ que só são adequados para comparações relativas. Taxas mais elevadas são sempre obtidas com métodos de chorume em comparação com métodos de núcleo¹⁴, porque o último preserva a limitação de desnitrificação por substrato difusão¹⁵. Medidas de chorume não podem ser consideradas representativo de em situ taxas¹⁶; Eles fornecem medidas relativas para comparações feitas com o mesmo procedimento exato.

O método descrito é adequado para estimar taxas de desnitrificação em qualquer tipo de sedimento que pode ser retirado o núcleo. Recomendamos especialmente o método para a realização de manipulações experimentais de alguns dos factores de condução. Exemplos são as experiências que modificam a disponibilidade de nitrato e temperatura conforme necessário para estimar a ativação de energia (E_um) de desnitrificação¹⁷ (Figura 2).

Figura 1 : Instalação experimental. (um) geral instalação experimental para estimar taxas de desnitrificação do sedimento usando N₂O Microsensores e núcleos. A câmara de incubação assegura condições de escuridão e de temperatura controlada (± 0,3 ° C). Cinco núcleos de sedimento intacto podem ser processados simultaneamente, usando seus respectivos sensores de₂O N. (b) N₂O câmara de calibração de sensor. Adaptamos com rolhas de borracha e seringas para misturar o N₂O água (ver protocolo passo 3.4.3). Há um termômetro para controlar a temperatura da água. (c) close-up de uma amostra de sedimentos com o sensor inserido no orifício central da tampa do PVC e as articulações seladas com fita adesiva. O agitador está na água, e o eletroímã é muito perto e fixo para a parte externa do tubo de acrílico. (d), close-up da N₂O microsensor ponta protegida por um pedaço de metal. (e) um núcleo de sedimentos que só foi recuperado. Isso foi amostrado de um barco em um lago profundo; o tubo de acrílico com o núcleo ainda é fixo ao mensageiro-adaptado de gravidade corer¹⁹. Consulte a Tabela de materiais para todos os itens necessários para executar este método. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.