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Environment

Misurazione dei tassi potenziali di riduzione del nitrato dissimiliva all'ammonio sulla base di 14NH4/15NH4- Analisi tramite conversione sequenziale in N2O

Published: October 07, 2020
doi:
10.3791/59562
, , , , , ,
1Department of Biological Sciences, Faculty of Science and Engineering,Chuo University, 2Faculty & Graduate School of Urban Environmental Sciences,Tokyo Metropolitan University, 3Center for Ecological Research,Kyoto University, 4Department of Chemistry, Faculty of Science,Toho University, 5Graduate School of Integrated Arts and Sciences,Hiroshima University

Summary

Viene fornita in dettaglio una serie di metodi per determinare il tasso potenziale di DNRA basato+ su 14NH4/15NH4. L’NH 4viene convertito in N2O attraverso diversi passaggi e analizzato utilizzando la cromatografia a gas quadrupole- spettrometria di massa.

Abstract

L’importanza di comprendere il destino del nitrato (NO3–), che è la specie dominante N trasferita dagli ecosistemi terrestri a quello acquatico, è aumentata perché i carichi globali di azoto sono aumentati drammaticamente dopo l’industrializzazione. La riduzione del nitrato dissimile all’ammonio (DNRA) e la denitrificazione sono entrambi processi microbici che utilizzano NO3per la respirazione. Rispetto alla denitrificazione, le determinazioni quantitative dell’attività dell’ANRA sono state effettuate solo in misura limitata. Ciò ha portato a una comprensione insufficiente dell’importanza del DNRA nelle trasformazioni NO3− e dei fattori di regolazione di questo processo. L’obiettivo di questo documento è quello di fornire una procedura dettagliata per la misurazione del potenziale tasso di DNRA nei campioni ambientali. In breve, il tasso potenziale di DNRA può essere calcolato a partire dal tasso di accumulo di ammonio 15N –15NH4–in 15NO3– incubazione aggiunta. La determinazione delle concentrazioni 14NH4e 15NH4 , descritte in questo documento, comprende le seguenti fasi. In primo luogo,l’NH 4nel campione viene estratto e intrappolato su un filtro di vetro acidificato come sale di ammonio. In secondo luogo, l’ammonio intrappolato viene elizzato e ossidato a NO3– tramite ossidazione persulfata. In terzo luogo, il NO3– viene convertito in N2O tramite un denitrifier N2O. Infine, il N2O convertito viene analizzato utilizzando un sistema di spettrometria di gas quadrupolo-massa precedentemente sviluppato. Abbiamo applicato questo metodo ai sedimenti delle paludi salate e calcolato i loro potenziali tassi di DNRA, dimostrando che le procedure proposte consentono una determinazione semplice e più rapida rispetto ai metodi descritti in precedenza.

Introduction

La sintesi artificiale del fertilizzante azotato e la sua applicazione diffusa hanno notevolmente perturbato il ciclo globale dell’azoto. Si stima che il trasferimento di azoto reattivo dai sistemi terrestri ai sistemi costieri sia raddoppiato dai tempi preindustriali1. Una porzione significativa di fertilizzanti applicati a un determinato campo viene lavata via dal suolo ai fiumi o alle acque sotterranee, principalmente come NO3– 2. Ciò può causare problemi ambientali come l’inquinamento dell’acqua potabile, l’eutrofazione e la formazione di ipossia. NO3– in ambienti idrici viene rimosso o mantenuto nell’ecosistema tramite assimilazione biologica e vari processi dissimilivi microbici. Denitrificazione e anammox sono noti per essere i principali processi di rimozione microbica per NO3. La denitrificazione è la riduzione microbica di NO3– a prodotti gassosi N (NO, N2O e N2) accoppiata con l’ossidazione di un donatore di elettroni, come le sostanze organiche, riducendo così il rischio dei problemi di cui sopra. Anammox produce anche N2 da NO2e NH4; pertanto, rimuove n inorganico da un ecosistema. Al contrario, DNRA lavora per mantenere N in un ecosistema; è generalmente accettato che il DNRA sia eseguito principalmente da batteri fermentanti o chemiolithoautotrofici e che riducano la dissimiltoria NO3– a NH4biodisponibile e meno mobile .+

Studi sul DNRA sono stati condotti principalmente in ecosistemi marini o estuari, come sedimenti oceanici o estuari e acqua, sale o terreno paludoso sal brasato e suolo di mangrovie. Gli ecosistemi costieri o marini sono importanti in quanto i serbatoi per la rimozionedel NO3dagli ecosistemi terrestri, e in studi precedenti DNRA ha dimostrato di contribuire su una gamma molto ampia di NO3–rimozione (0-99%)3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18. Inoltre, l’esistenza di DNRA è stata dimostrata in una vasta gamma di ambienti tra cui ambientid’acqua dolce 19, risaie20e terreniforestali 21. Mentre questi studi hanno dimostrato che il DNRA è potenzialmente paragonabile alla denitrificazione per la rimozione di NO3,− gli studi che misurano l’attività del DNRA sono ancora molto limitati rispetto a quelli che misurano la denitrificazione.

Il tasso DNRA è stato valutato utilizzando 15tecniche di etichettatura N in combinazione con l’analisi dei dati tramite modelli analitici o numerici. Una soluzione analitica per calcolare il tasso di DNRA si basa sull’aumento dell’arricchimento 15N del pool NH4dopo l’aggiunta di 15NO3– come tracciante. 15 anni Il N-labeled NO3– viene aggiunto a un campione e incubato, e il tasso DNRA può quindi essere calcolato in base alle variazioni del rapporto di concentrazione e isotopo in NH4– prima e dopo un certo periodo di tempo. In questo documento, viene descritto in dettaglio un metodo per quantificarela concentrazione NH 4+ e il rapporto isotopi, necessari per calcolare il tasso DNRA. Fondamentalmente, il metodo riportato qui è una combinazione di diverse tecniche precedentemente riportate22,23,24,25,26 con modifiche aggiunte ad alcune procedure. Il metodo è costituito da una serie di cinque procedure componenti: (1) l’incubazione di un campione ambientale con la modifica di un tracciante isotopo stabile, 15NO3,(2) l’estrazione e il recupero di NH4+ , utilizzando una “procedura di diffusione” con modifiche, (3) persulfare l’ossidazione di NH4– nel campione, costituito da indigeni NH4e 15NH4– derivati da 15NO3– tramite attività DNRA, in NO3– e 15NO3,(4) successiva trasformazione microbica di NO3− e 3 15NO3– a N2O isotopomers tramite il metodo denitrifier modificato, e (5) la quantificazione degli isotopomi N2O utilizzando la cromatografia gassosa-spettrometria di massa (GC/MS).+ Nella sezione seguente, in primo luogo, viene descritta la preparazione per le procedure (2) e (4) e successivamente, tutte e cinque le procedure dei componenti sono descritte in dettaglio.

Protocol

1. Preparazione di una busta PTFE per la cattura quantitativa di NH3 gassosa Posizionare un pezzo di nastro di politetrafluoroetilene (PTFE) (25 mm di larghezza) su un piccolo foglio di lamina di alluminio (circa 300 mm x 450 mm di dimensione, pulito con etanolo). Applicare un filtro in fibra di vetro (10 mm di diametro con una dimensione di poro di 2,7 m) a 450 gradi centigradi per 4 h in un forno a muffolo. Posizionare il filtro in fibra di vetro un po ‘sopra il punto medio dell’asse più…

Representative Results

I risultati rappresentativi presentati in questo documento sono stati ricavati da 15 esperimentidi N-tracing di sedimenti di paludi salate. La palude salata campiova è stata appena creata all’indomani del terremoto del 2011 nel Grande Giappone orientale nella zona di Moune della città di Kesen-numa nella prefettura di Miyagi, in Giappone. Nel settembre 2017, i sedimenti superficiali (0-3 cm) sono stati raccolti in due siti nelle zone subtidale e intertidale. In primo luogo, s…

Discussion

Il rapporto di concentrazione e isotopo di NH4per l’analisi DNRA è stato quantificato utilizzando diversi metodi. Le concentrazioni e i rapporti isotopi di NH4sono generalmente misurati separatamente. La concentrazione NH4è in genere misurata utilizzando metodi colorimetrici tra cui un autoanalyzer4,10,15,16,<sup cla…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ringraziamo Naoto Tanaka per aver aiutato la raccolta dei dati e lo sviluppo del protocollo. La raccolta di campioni è stata supportata da JSPS KAKENHI Grant Number 17K15286.

Materials

15N-KNO3 SHOKO SCIENCE N15-0197
15N-NH4Cl SHOKO SCIENCE N15-0034
20 mL PP bottle SANPLATEC 61-3210-18 Wide-mouth
Aluminum cap Maruemu 1307-13 No. 20, with hole
Boric acid Wako 021-02195
Centrifuge HITACHI Himac CR21G II
Deoxygenized Gas Pressure & Replace Injector SANSIN INDUSTRIAL IP-12
Disposable cellulose acetate membrane filter ADVANTEC 25CS020AS Pore size 0.22 µm, 25 mm in diameter
Disposable syringe Termo SS-10SZ 10 mL
Disposable syringe Termo SS-01T 1 mL
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (-) NISSUI PHARMACEUTICAL 5913
Gastight syringe VICI Valco Instruments 4075-15010 Series A-2, 100 µL
GC/MS shimadzu GCMS-QP2010ultra
GF/D Whatman 1823-010 10 mm in diameter
Glass vial Maruemu 0501-06 20 mL
Gray butyl rubber stopper Maruemu 1306-03 No.20-S
H2SO4 Wako 192-04696 Guaranteed Reagent
K2S2O8 Wako 169-11891 Nitrogen and Phosphorus analysis grade
KCl Wako 163-03545 Guaranteed Reagent
KNO3 Wako 160-04035 Guaranteed Reagent
NaOH Wako 191-08625 Nitrogen compounds analysis grade
NH4Cl Wako 017-02995 Guaranteed Reagent
Plastic centrifuge tube ASONE 1-3500-22 50 mL, VIO-50BN
Pseudomonas chlororaphis subsp. aureofaciens American Type Culture Collection (ATCC) ATCC 13985 Freeze-dried, the type strain of Pseudomonas aureofaciens
PTFE sealing tape Sigma-Aldrich Z221880 25 mm in width
Reciprocating shaker TAITEC 0000207-000 NR-10
Screw-cap test tube IWAKI 84-0252 11 mL
PTFE-lined cap for test tube IWAKI 84-0262
Tryptic Soy Broth Difco Laboratories 211825
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References

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Kuroiwa, M., Fukushima, K., Hashimoto, K., Senga, Y., Sato, T., Katsuyama, C., Suwa, Y. Measurement of the Potential Rates of Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium Based on 14NH4+/15NH4+ Analyses via Sequential Conversion to N2O. J. Vis. Exp. (164), e59562, doi:10.3791/59562 (2020).
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