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.
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.
堆積物は、水界生態系の重要な生物地球化学的成分であり、多くの場合、栄養素および汚染物質の重要なシンクです。湖底堆積物中の栄養素、ガスと遷移金属生物地球化学の先駆的研究では、酸化還元条件1,2を変化させた上層水と溶質とガスの堆積物の交換を明らかにしました。栄養素の要素については、堆積物は有機物の再石灰化後のリンや窒素固定の源、および非光合成環境3,4中の酸素のためのシンクすることができます。水没macrophytes、大型藻類や底生微細藻類の光合成は、堆積物-水界面5,6全体で溶解した物質の交換に深遠な影響を持つことができます。
堆積物 – 水界面を横切る溶質およびガス交換の測定は、工学や科学ワットのキャリブレーションを含め、基礎科学と応用科学の両方の目的のために行われています品質モデル7,8えー。これらの方法の目標は、可能な限り、信頼性の高い正確な堆積物 – 水の為替レートを提供することにあります。アプローチの多種多様な堆積物 – 水界面での化学交換を評価するために使用されてきました。成層システム内のガスおよび溶質の底層水の蓄積は9有用であるが、サーモクラインまたはpycnoclines上記土砂水交換のために有効ではありませんすることができます。渦の相関関係は、垂直水速度の高い周波数測定と組み合わせて、一般に酸素ガスの高周波測定を必要とします。この技術は巨大な約束を持っているが、現在の栄養交換研究のためのデータを提供することができない。 その場のドームまたはチャンバで堆積物の大きな表面積をカバーし、 その場の温度、深層水の圧力と光レベルに維持するという利点を持つ非常に好ましい方法は、あります10。実際には、これらは、大規模な時間を必要とする非常に高価な測定値であります大きい調査船に。ほとんどのアプリケーションは、より深い沿岸域や海洋堆積物です。定常状態に達するのチャンバを通る流れを用いてコア培養技術は、インキュベーション11の間、酸素を含む、比較的一定の上層の水の化学的性質を維持するために優れています。速度が流入と流出水との間の濃度差により、水の為替レートにより定常状態で決定されるため、これらのインキュベーションは、かなりの時間がかかることがあります。
私たちの研究室で使用される時間経過コアインキュベーションアプローチは、北米とヨーロッパで異なる研究室の数によって使用されるアプローチから適合し、この一般的なアプローチに基づいて、文献のかなりの量があります。私たちはしばしば、脱窒と呼ばれる、N 2の測定-Nフラックス12にこのアプローチを適応し、光合成とestuarie含む非光合成土砂環境に適用してきました13、湖沼、貯水池、湿地14です。これらの研究を通して、私たちは、当社の全体的なアプローチがうまく機能している多くの環境を発見した、といくつかは、それはしていません。このプロセスは、生態系への窒素の主要な損失を意味するので脱窒の測定は、多くの異なる地上及び水中環境で行われています。多数のアプローチは、いくつかは、直接および間接的な15、脱窒測定を行うために使用されてきました。直接N 2フラックス測定は、高い大気コンテンツのN 2、および水16中に溶解し、その後の高濃度は非常に困難です。 2つのアプローチが、環境に関連する料金の最高の表現を持つものとして浮上している:Nを用いた同位体ペアは17とN 2の同位体:我々の研究室で使用されたAr比を。同位体のペアリング方法は、多くの環境で正常に使用され、低速度で、非常に高い感度を有するされています。我々は、Nを採用します2:アルゴン比理由は、そのシンプルさのアプローチ、それが影響を受ける環境では十分な感度であるため、私たちはしばしば研究しています。
本稿では、ガスや溶質の土砂水交換の測定を行うために過去20年間使用してきた技術的アプローチについて説明します。土砂・水交換のいずれかの測定は、考慮のフィールド条件および実験パラメータの数を考慮する必要があります。これらの要因は、温度、明/暗条件18、堆積物-水界面19でのミキシング/物理的な流れ、溶存酸素濃度20、及び良好な測定を行うことの重要な要素である他の要因が含まれます。コアは底生微細藻類の増殖のために十分な照明を受ける地域から収集された場合、明暗条件21の両方を含む実験を考案する必要があります。同様に、酸素上にある水を添加してコアを無酸素にします現場条件を複製しません。水界生態系の任意の部分の実験的エンクロージャは避けられない成果物22につながる可能性があり、堆積物 – 水交換測定プログラム1で使用されるアプローチは)各生態系における土砂水の交換を制御する要因を認識し、2)実験操作から派生成果物を最小限に抑えることが重要です。
ここに記載の技術は、浅い、深い両方水系、多数の種類に適用されており、我々はそれがほとんどの状況でうまく機能することがわかっています。このアプローチは、同僚が使用するアプローチから適合し、文献に発表されました。それは、膜の入口質量分析を介して脱窒の測定のために最適化されています。このアプローチの強みの一つは、同時に多数のコアを処理する能力です。別のアプローチは、これらの状況の下で、環境セグメントの平均値は、自然の中での変動をより表すことができる、より少ない複製を持つサイトを最大化することですが、重複または三重コアを持つ各サイトをレプリケートすると、測定値の信頼性を向上させます。季節の違いを解明するために、サイトの数が少ないでの測定時系列は有用な戦略かもしれません。
このプロトコルでは、いくつかの重要なステップがあります。作るのにパラマウントuccessful測定は、無傷の堆積物 – 水界面でのコアのコレクションです。フィールドにこの基準を満たしていない拒否のコアが疲れることができますが、貧しい人々のコアが悪く正確さと精度につながります。好気性のコアを維持する曝気とアーティファクトを最小限に抑え、健康、無傷の微生物や後生動物の個体群を維持する元のコレクションの温度に近いです。最後に、O 2及びN 2のサンプルに対して、塩化第二水銀保存剤の添加は重要です。我々は、これらのフラックスの測定値が損なわれる可能性があり、バイアルの過度の加熱と冷却を含むガスサンプルの不適切な保存を、観察しました。他の研究所が正常より低い廃棄物処理コストを持っている毒性の少ない防腐剤として7.0 MのZnCl 2を採用しています。 7のために30μlの添加が適切であるサンプルmLです。
N 2とArの比の精密かつ正確な分析は、N 2の決意の鍵であります</sUBは>フラックス。観測されたN 2:アルゴンの比は、一般に、加熱された銅28を用いて、分析前に酸素除去を提唱するためにいくつかの研究を主導した酸素濃度の関数として変化します。我々の研究室で使用される計測器をN 2で酸素の影響を決定するために使用した:アルゴン比23と効果が非常に小さいことが見出された、<適度な酸素欠乏のために0.03%。酸素「効果」を評価するためのアプローチの違いは、異なる研究者23,28,29によって異なる結論を導くように見えます。 N 2に大きな酸素効果:アルゴン比はN 2 -N流出の誤った高い率につながります。我々の経験では、我々は酸素欠乏の高レートの下で無視できるN 2 -N流出の多くの観測を持っています。ラボではそのN 2に酸素効果を:アルゴン比が大きく表示され、有用な代替は、電極またはオプトードと酸素を用いた酸素濃度の独立した測定値でありますインライン加熱のCuを用いた質量分析から除去します。
この技術をトラブルシューティングのみ土砂フラックスデータを精査することが可能です。回帰が悪いときに考慮すべき主な要因は、撹拌は、連続した、サンプルを採取し、正しく保存、およびかどうかを時間のコースは、低金利の推定を可能にするには短すぎるであったかどうかです。実験の長さは、一般に、経時退行に埋め込まれた信号対雑音比を増加させるために、より長いインキュベーションを必要とする代謝の低い速度で、酸素の経時変化によって設定されます。 O 2気泡を生じさせる酸素生成率の高さは、ガスフラックスが困難になるが、溶質フラックスは影響を受けない場合があります。
このアプローチの限界を理解することが必要です。小さなコアは、平方メートルの0.3%をカバーし、より大きなコアは0.6%をカバーしています。メートルスケールでの実質的な不均一性、アニメーションの不均一な分布を持つサイトでALSまたは植物は、1または2のコアが十分な表現ではないかもしれないことを示唆しているかもしれません。測定の困難を提示するいくつかの環境もあります。泡へのガスの差分取り込みによって影響を受けるのAr比:脱窒の測定のために、メタンや酸素の気泡の存在は、N 2で、技術を無効にすることができます。アルゴン比:底生微細藻類が定着堆積物では、酸素の生成はN 2のArに対する、及びN 2の減少優先剥離で結果を気泡。一般的に、我々は、フォームの泡の時点で脱窒を測定することはできません。嫌気性環境が異なる課題を提起し、コアの通気は、堆積物 – 水界面での酸化還元ダイナミクスを変更します。我々はすぐに収集した後、撹拌しながらトップとコアを封印し、完全に30水柱を交換せずにフラックスを開始します。照明された堆積物との我々の実験は、一般的に飽和またはほぼsaturatています照明31のレベルをる、したがって、底生微細藻類の効果を最大化します。
土砂・水交換の測定は、堆積物 – 水界面を横切る物質の正味フラックスの測定です。しかし、これらの測定だけでは、多くの場合、これらの界面の交換を制御するメカニズムを識別することはできません。研究の質問は理解のメカニズムが含まれている場合、有機物の反応性、末端電子受容帯状分布、bioirrigationとバイオターベーション、および光合成生物に関する他の情報が必要になることがあります。モデリングの取り組み7は、間隙水化学の決意、有機物の反応32の直接的な対策、動物集団、土砂バイオ灌漑、堆積物の付着、またはレドックスまたは上に重なる水化学13の実験操作の列挙が必要な場合があります。我々の研究では、良好な堆積物 – 水交換データは、水生堆積物の化学的性質を理解することの重要な構成要素です、および他の測定値と併せて、水生生物地球化学サイクルにおける土砂リサイクルプロセスの役割を識別します。
土砂取り扱いに関するケア、温度制御、および水柱混合しながら、コアインキュベーションは、堆積物 – 水界面における溶質およびガス交換の推定に有用なアプローチです。しかし、ここで使用される技術は、いくつかの環境のために、そのようなインキュベーション前延長期間などの困難な物流のための修正が必要な場合があります。これまでのところ、我々が正常に最小限の変更で、沿岸、湿地、湖、貯水池、河川および保持池環境の河口には、このインキュベーションのアプローチを適用しています。
The authors have nothing to disclose.
著者らは、環境科学のためのメリーランドセンターの大学でトッドかなで脱窒にウォルター・ボイントンとピートSampouと共同作業することにより行う作業の我々の観察を使用して、このアプローチを開発しました。私たちの脱硝アプローチの開発は、メリーランド州の海助成金プログラムと国立科学財団の支援なしには不可能でした。ここで使用される代表的なデータは、メリーランド州の海グラント(R / AQ-5C)からの資金で収集し、書き込み努力はメリーランド州の海グラント(R / SV-2)、NOAAチェサピーク湾事務所(NA13NMF4570210)、オイスター回復パートナーシップによってサポートされていました、国立科学財団(OCE1427019)、エクセロン社、およびメリーランド州環境サービス/メリーランド州ポート管理。
Multiparameter sonde – temperature, oxygen, salinity | YSI | " | Any high quality equipment will suffice |
PAR Measurement | Li-Cor | 6050000 | |
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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 | |
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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 |
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Plastic tubing | Tygon | ACF00004-CP | |
Compact Fluorescent Lights | Apollo Horticulture | CFL 8U 250W |