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.
영양분과 오염 물질의 중요 싱크는 퇴적물은 종종 수중 생태계의 중요한 생물 지구 화학적 구성 요소와 있습니다. 호수의 퇴적물에서 영양, 가스 및 전이 금속 생지 화학의 선구적인 연구는 산화 환원 조건 1, 2를 변경했다 위에 놓인 물과 용질 및 가스의 퇴적물 교환 한 것으로 밝혀졌습니다. 영양 요소의 경우, 퇴적물 인의 소스와 유기물의 재석 회화 후 고정 질소, 비 – 광합성 환경 3,4에서 산소 싱크 할 수있다. 침수 해조류, 해조류 및 저서 미세 조류의 광합성은 퇴적물 – 물 인터페이스 5,6에서 용해 물질의 교환에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
퇴적물 – 물 인터페이스에서 용질 및 가스 교환의 측정은 엔지니어링 및 과학 와트의 교정을 포함, 기초 과학 및 응용 과학의 목적을 모두 수행품질 모델 7,8 어. 이러한 방법의 목적은 가능한 한 가장 큰 정도로 안정적이고 정확한 퇴적 물 환율을 제공하는 것이다. 다양한 접근 방식이 퇴적물 – 물 계면에서 화학 교환을 평가하기 위해 사용되었다. 계층화 된 시스템의 가스와 용질의 바닥 물 축적 9 유용 할 수 있지만, thermoclines 또는 pycnoclines 위의 퇴적물 – 물 교환 유효하지 않습니다 수 있습니다. 에디 상관 수직 물의 속도 높은 주파수 측정과 결합 된 가스, 일반적으로 산소, 고주파 측정을 요구한다; 이 기법은 동일계 돔있다. 영양 과거의 연구에 대한 데이터를 제공 할 수없는 현재 엄청난 약속하지만이 있거나 챔버 시츄 온도 심해 압력과 광 레벨을 침전물의 더 큰 표면적을 덮는에서 유지할 수 있다는 장점과 함께, 매우 바람직한 방법이다 10. 실제로, 이러한 방대한 시간을 필요로하는 매우 고가의 측정이다더 큰 연구 선박에; 대부분의 응용 프로그램은 해안 지역 또는 해양 퇴적물 깊은이다. 정상 상태에 도달 챔버를 통해 유동하여 코어 배양 기술은 배양 11 일 동안 산소를 포함한 비교적 일정한 상부 화학 물을 유지 우수하다. 속도가 유입 및 유출되는 물 및 물 환율에 의해 사이의 농도 차이에 의해 정상 상태에서 결정되기 때문에,이 배양은 상당한 시간이 걸릴 수있다.
실험실에서 사용하는 타임 코스 코어 배양 방법은 북아메리카와 유럽에서 다른 많은 실험실에서 사용 방법에서 적응시키고, 일반적인 방법이 문헌에 기초하여 상당량있다. 우리는 종종 탈질이라 -N 12 플럭스 N (2)의 측정에이 방법을 채택하고, 광합성 비 광합성 퇴적물 환경에 적용한 포함 estuarieS (13), 호수, 저수지, 습지 14. 이러한 연구를 통해 우리는 우리의 전반적인 접근 방식은 잘 작동하는 많은 환경을 발견, 일부는 그것을하지 않습니다. 이 프로세스는 생태계 질소의 주요 감소를 나타 내기 때문에 탈질 측정은 다양한 지상 및 수중 환경에서 수행되었다. 다양한 접근법 탈질 측정 일부 직 간접적 인 15을 만들기 위해 사용되었다. 다이렉트 N 2 광속 측정 높기 때문에 대기 콘텐츠 N 2, 물 (16)에 용해 된 이후 고농도 매우 어렵다. 두 가지 방법은 환경 관련 요금의 최고의 표현을 필요로 등장 : N을 사용하여 동위 원소 페어링 (17)와 N (2) 동위 원소 : 우리의 실험실에서 사용되는 아르곤의 비율. 동위 원소 페어링 방법은 많은 환경에서 성공적으로 사용하고 낮은 속도에서 매우 높은 감도를 가지고있다. 우리는 N을 사용2 : 아르곤 비 때문에 간단하게 접근하고,이 영향 환경에서 충분히 민감하기 때문에 우리는 종종 공부한다.
본 논문에서는, 우리는 우리가 가스와 용질의 퇴적물 – 물 교환의 측정을 위해 지난 20 년 동안 사용한 기술적 인 접근 방식을 설명합니다. 퇴적물 – 물 교환의 측정은 고려의 현장 조건 및 실험 매개 변수의 수를 고려해야합니다. 이러한 요인은 온도, 빛 / 어둠 조건 (18), 퇴적물 – 물 인터페이스 (19)에서 혼합 / 물리적 흐름, 용존 산소 농도 (20), 좋은 측정을의 핵심 요소 다른 요소를 포함한다. 심재 저서 미세 조류의 성장을 위해 충분한 조명을 수신 지역으로부터 수집되는 경우, 예를 들어, 어두운 광 조건 (21)을 모두 포함 실험을 고안 할 필요가있다. 마찬가지로, 산소 상부의 물을 첨가하면 코어를 무산소하기현장 조건을 복제하지 않습니다. 피할 수없는 유물 (22)로 이어질 수 생태계의 어떤 부분의 실험 케이스; 이는 침전물 물 교환 측정 프로그램 (1)에 사용하는 방식)의 각 에코 퇴적물 환수 제어 요소를 인식하고, 2) 실험 조작으로부터 유도 된 아티팩트를 최소화하는 것이 중요하다.
여기에 설명 된 기술은 얕은 깊이와 모두 수계의 여러 가지에 적용되었고, 우리는 대부분의 상황에서 잘 동작하는 것으로했다. 이 방법은 동료에 의해 사용 및 문헌에 제시된 방법에서 적응시켰다 그것은 막 입구 질량 분석을 통해 탈질의 측정에 최적화되어 있습니다. 이 방법의 장점 중 하나는 동시에 코어의 다수를 처리하는 능력이다. 또 다른 방법은 적은 복제 사이트를 극대화하는 것입니다하지만 중복 또는 세중 코어와 각 사이트를 복제하면 환경 세그먼트에 대한 평균값이 자연의 변화를보다 잘 나타내는하고있을 가능성이있는 상황에서, 측정의 신뢰도를 증가시킨다. 계절 차이를 밝히기 위해, 사이트 적은 수의 측정 시계열 유용한 전략이 될 수있다.
이 프로토콜에서 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 만드는 s의 파라마운트uccessful 측정은 그대로 퇴적물 – 물 인터페이스 코어의 모음입니다. 현장에서이 기준이 피로 할 수 있습니다에 부합하지 않는 코어를 거부하지만, 가난한 코어는 가난한 정확도와 정밀도로 이어질 것입니다. 에어로빅 코어를 유지하는 것은 탄산과 유물을 최소화하고 건강한 그대로 미생물과 후생 동물 인구를 유지 원래 수집 온도 부근에 있습니다. 마지막으로, O 2, N 2 샘플, 염화 수은 방부제의 첨가는 중요하다. 우리는 이러한 플럭스 측정을 손상시킬 수, 유리 병의 과도한 가열 및 냉각을 포함한 가스 샘플의 부적절한 보존을 관찰했다. 다른 실험실이 성공적으로 채용 한 7.0 M ZnCl이 낮은 폐기물 처리 비용이 덜 독성 방부제와 같은; 7에 대한 30 ㎕를 첨가가 적절한 샘플 ㎖로.
N 2, 아르곤의 비율의 정밀하고 정확한 분석은 N (2)의 결정에 중요 </sUB는> 플럭스. 관찰 된 N 2 : 아르곤 비율은 일반적으로 가열 구리 (28)를 사용하여 분석하기 전에 산소 제거를 옹호하는 일부 연구자를 선도하는 산소 농도의 함수로 변경합니다. 실험실에서 사용되는 기기는 N 2 산소의 영향을 측정 하였다 : 아르곤 비 23 및 효과는 크지 산소 고갈 매우 <작은 0.03 %였다. 산소 "효과"평가에 대한 접근 방식의 차이는 다른 연구자 23,28,29에 의해 다른 결론으로 이어질 것으로 보인다. N 2에 큰 산소 효과 : 아르곤 비율이 N 2 -N 유출의 잘못 빠른 속도로 이어질 것이다 우리의 경험, 우리는 무시할 N의 많은 관찰 산소 고갈의 높은 비율에 따라 2 -N 유출 있습니다. 실험실되는 N 2 산소 효과 : 아르곤 비율이 큰 표시 유용한 대안 전극 또는 optodes와 산소를 이용한 산소 농도의 측정은 독립적인라인 가열 된 구리를 이용하여 질량 분석으로부터 제거.
이 기술을 문제 해결에만 퇴적물 플럭스 데이터의 검사에 가능하다. 회귀 교반 연속인지, 샘플이 제대로 수집하고 보존하고있다 가난한 때 중요한 요소는 고려, 시간 여부 코스는 낮은 비율의 추정을 허용하기에 너무 짧은했다. 실험의 길이는 일반적으로 시간 경과에 매립 회귀 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해 더 긴 배양을 필요 대사 낮은 비율의 산소 시간 경과에 의해 설정된다. O 2 거품을 생성 산소 생산의 높은 비율은 가스 플럭스 어렵게하지만, 용질 플럭스는 영향을받지 않을 수 있습니다.
또한이 접근 방식의 한계를 이해하는 것이 필요하다. 작은 코어는 평방 미터의 0.3 %를 커버하고 큰 코어는 0.6 %를 커버합니다. 미터 규모에서 상당한 이질성, ANIM의 이기종 배포판 사이트에서ALS 또는 식물은 하나 또는 두 개의 코어가 충분히 표현하지 않을 것을 제안 할 수있다. 측정 어려움을 제시 일부 환경도있다. 기포로 가스 차동 혼입 영향 아르곤 비율 : 탈질 측정 용 메탄 또는 산소 기포의 존재는 N이 가진 기술을 무효화 할 수있다. 저서 미세 조류 식민지 퇴적물에서, N 2 N 2 아르곤에 대하여, 그리고 감소 우선적 박리 산소 기포 결과의 형성 : 아르곤 비. 일반적으로, 우리는 양식을 거품 시점에서 탈질을 측정 할 수 없습니다. 혐기성 환경은 다른 문제를 제기하고, 코어의 포기는 퇴적물 – 물 계면에서의 산화 환원 역학을 변경합니다. 우리는 즉시 수집 한 후 교반 상판과 함께 코어를 밀봉 완전히 30 물 컬럼을 교체하지 않고 플럭스를 시작합니다. 조명 퇴적물과 우리의 실험은 일반적으로 포화 또는 한 거의 saturat조명 (31)의 레벨을 보내고, 이에 저서 미세 조류의 효과를 극대화.
퇴적물 – 물 교환 측정은 퇴적물 – 물 인터페이스를 통해 재료의 순 플럭스의 측정이다. 그러나, 이러한 측정은 단독 종종 이러한 계면 교환을 제어하는 메커니즘을 식별 할 수있다. 연구 문제는 이해 메커니즘, 유기 물질의 반응성에 대한 다른 정보 터미널 전자 수용체의 띠 모양, bioirrigation 및 bioturbation 및 광합성 생물을 포함하는 경우 필요할 수 있습니다. 기공 물 화학, 유기 물질의 반응성 (32)의 직접 측정, 동물 인구의 열거, 퇴적물 바이오 관개, 침전물의 증가, 또는 산화 환원 또는 물 화학 (13) 위에 놓인의 실험 조작의 결정을해야 할 수 있습니다 노력 7 모델링. 우리의 연구에서 좋은 퇴적물 – 물 교환 데이터가 수중 퇴적물의 화학적 성질을 이해의 핵심 구성 요소이며,다른 측정 값과 함께 수중 생화학 사이클 침전물 재활용 공정의 역할을 식별한다.
침전 처리에 관한 케어, 온도 제어 및 물을 칼럼 혼합하면서 코어 인큐베이션 퇴적물 – 물 계면에서 용질 및 가스 교환의 추정에 유용한 방법이다. 그러나, 여기에 사용되는 기술은 일부 환경 및 배양 전에 연장 기간 어려운 물류에 대한 수정이 필요할 수 있습니다. 지금까지, 우리는 성공적으로 최소한의 수정과, 해안, 습지, 호수, 저수지, 강, 보존 연못 환경을 하구이 배양 방법을 적용했습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 환경 과학 메릴랜드 센터의 대학에서 토드 가나와 탈질에 월터 보인 톤과 피트 Sampou과 협동 작업에 의해 수행 작업의 우리의 관찰을 사용하여이 방법을 개발했다. 우리의 탈질 방법의 개발은 메릴랜드 바다 그랜트 프로그램 및 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 지원없이 불가능했을 것입니다. 여기에 사용되는 대표적인 데이터는 메릴랜드 바다 그랜트에 의해 지원되었다 메릴랜드 바다 그랜트 (R / AQ-5C)와 쓰기 활동 자금으로 수집 (R / SV-2) NOAA 체사 피크 베이 사무소 (NA13NMF4570210), 굴 복구 파트너십 , 국립 과학 재단 (OCE1427019), 엑셀론 공사 및 메릴랜드 환경 서비스 / 메릴랜드 포트 관리.
Multiparameter sonde – temperature, oxygen, salinity | YSI | " | Any high quality equipment will suffice |
PAR Measurement | Li-Cor | 6050000 | |
Pole corer | Built by machine shop | ||
Box corer | DK-Denmark | HAPS Corer | We also use light box coring equipment |
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 | |
Butyl stopper size 13.5 | generic | ||
Stirring turntable | Built by machine shop | ||
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 |
20 mL plastic syringe | generic | ||
Syringe filters | |||
Plastic tubing | Tygon | ACF00004-CP | |
Compact Fluorescent Lights | Apollo Horticulture | CFL 8U 250W |