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.
Los sedimentos son componentes críticos biogeoquímicos de los ecosistemas acuáticos y, a menudo son importantes sumideros de nutrientes y contaminantes. Estudios pioneros de nutrientes, el gas y la biogeoquímica de metales de transición en los sedimentos lacustres revelan el intercambio de sedimentos de solutos y gases con agua suprayacente que había diferentes condiciones redox 1,2. Para los elementos de nutrientes, los sedimentos pueden ser una fuente de fósforo y nitrógeno fijado después de la remineralización de la materia orgánica, y un sumidero de oxígeno en ambientes no fotosintéticos 3,4. La fotosíntesis de los macrófitos sumergidos, macroalgas y microalgas bentónicas puede tener una profunda influencia sobre el intercambio de sustancias disueltas a través de la interfase agua-sedimento 5,6.
Las mediciones del intercambio de solutos y gases a través de la interfase agua-sedimento se llevan a cabo tanto para la ciencia básica y ciencia aplicada propósitos, incluyendo la calibración de la ingeniería y científica water modelos de calidad 7,8. El objetivo de estos métodos, en la mayor medida posible, es proporcionar los tipos de cambio de sedimentos de agua fiable y precisa. Una amplia variedad de enfoques se han utilizado para evaluar intercambio químico en la interfase agua-sedimento. La acumulación de agua de fondo de los gases y solutos en sistemas estratificados puede ser útil 9, pero no es válido para el intercambio de sedimento-agua por encima de la termoclina o pycnoclines. correlación Eddy requiere mediciones de alta frecuencia de los gases, generalmente oxígeno, en combinación con la medición de alta frecuencia de las velocidades verticales de agua; esta técnica tiene una enorme promesa, pero actualmente no pueden proporcionar datos para estudios de intercambio de nutrientes. En cúpulas situ o cámaras son un método muy preferida, con la ventaja de cubrir una mayor superficie de los sedimentos y el mantenimiento de las temperaturas in situ, las presiones de aguas profundas y los niveles de luz 10. En la práctica, se trata de medidas muy costosas que requieren tiempo extensoen los buques de investigación más grandes; la mayoría de las aplicaciones son las zonas costeras o en los sedimentos oceánicos profundos. Utilizando técnicas de incubación núcleo flujo a través de las cámaras que alcanzan el estado estacionario son excelentes para mantener la química del agua suprayacente relativamente constante, incluyendo oxígeno, durante las incubaciones 11. Debido a que la tasa se determina en estado estacionario por las diferencias de concentración entre entrante y el agua que fluye hacia fuera, y por los tipos de cambio de agua, estas incubaciones pueden tomar una cantidad considerable de tiempo.
El enfoque básico de incubación del curso del tiempo utilizado por nuestro laboratorio fue adaptado de enfoques utilizados por un número de diferentes laboratorios en América del Norte y Europa, y hay una cantidad considerable de la literatura sobre la base de este enfoque general. Se adaptó este método para la medición de los flujos de N 2 N 12, a menudo referida como la desnitrificación, y hemos aplicado a entornos fotosintéticos y sedimentos no fotosintética, incluyendo estuaries 13, lagos, embalses y humedales 14. A través de estos estudios hemos encontrado muchos entornos en los que nuestro enfoque general funciona bien, y algunos en los que no ocurre. La medición de la desnitrificación se ha realizado en muchos entornos terrestres y acuáticos diferentes porque este proceso representa una pérdida clave de nitrógeno a los ecosistemas. Numerosos enfoques se han utilizado para realizar mediciones de desnitrificación, algunos directa y algunos indirecta 15. Mediciones de flujo N 2 directos son muy difícil debido a la alta contenido atmosférico N 2, y altas concentraciones posteriores disueltos en agua 16. Dos enfoques han surgido como tener la mejor representación de las tasas relativas al medio ambiente: el emparejamiento de isótopos usando N isótopos 17 y la N proporción de 2: Ar utilizado en nuestro laboratorio. El método de isótopos de emparejamiento se ha utilizado con éxito en muchos entornos y tiene una sensibilidad muy alta a tasas bajas. Empleamos el N2: Enfoque Ar relación debido a su simplicidad, y porque es lo suficientemente sensible en los entornos afectados a menudo estudio.
En este trabajo se describe el enfoque técnico que hemos utilizado durante las últimas dos décadas para hacer la medición del cambio de agua-sedimento de gases y solutos. Cualquier medida de intercambio de agua-sedimento deben tener en cuenta las condiciones de campo y una serie de parámetros experimentales. Estos factores incluyen la temperatura, condiciones de luz / oscuridad de 18, el flujo de la mezcla / física en la interfase agua-sedimento 19, 20 concentraciones de oxígeno disuelto, y otros factores que son elementos clave de la toma de buenas mediciones. Por ejemplo, si los núcleos son recogidos de las zonas que reciben la suficiente iluminación para el crecimiento de microalgas bentónicas, es necesario diseñar experimentos que incluyen tanto condiciones de luz y oscuridad de 21. Del mismo modo, la adición de agua oxigenada al suprayacente anóxica núcleosno replica las condiciones del campo. Recinto experimental de cualquier parte de los ecosistemas acuáticos pueden dar lugar a artefactos inevitables 22; es fundamental que los enfoques utilizados en un programa de medición de intercambio agua-sedimento 1) reconocen los factores que controlan el intercambio de agua-sedimento en cada ecosistema y 2) reducir al mínimo los artefactos derivados de la manipulación experimental.
La técnica descrita aquí se ha aplicado a numerosos tipos de sistemas acuáticos, tanto superficiales y profundas, y hemos encontrado que funciona bien en la mayoría de las circunstancias. Este enfoque fue adaptado de los enfoques utilizados por los colegas y presentados en la literatura; que está optimizado para la medición de desnitrificación a través de membrana de espectrometría de masas de entrada. Uno de los puntos fuertes de este método es la capacidad de manejar un gran número de núcleos de forma simultánea. Replicación de cada sitio con duplicado o triplicado núcleos aumenta la confianza en las mediciones, aunque un enfoque alternativo es el de maximizar los sitios con menos de replicación, bajo estas circunstancias, el valor medio para un segmento del medio ambiente puede ser más representativo de la variabilidad en la naturaleza. Para dilucidar las diferencias estacionales, una serie de tiempo de medición en un menor número de sitios puede ser una estrategia útil.
En este protocolo, hay varios pasos críticos. De suma importancia para hacer smediciones Uccessful es la colección de núcleos con una interfaz agua-sedimento intactos. Aunque el rechazo de los núcleos que no cumplan este criterio en el campo puede ser agotador, núcleos pobres conducirán a una mala exactitud y precisión. Mantener núcleos aeróbicas airea y cerca de la temperatura colección original reducirá al mínimo los artefactos y mantener las poblaciones microbianas y metazoos sanas, intactas. Por último, para O 2 y N 2 muestras, la adición de conservante cloruro de mercurio es crítica. Hemos observado que la preservación inadecuada de las muestras de gas, incluyendo el calentamiento excesivo y el enfriamiento de los viales, puede poner en peligro estas mediciones de flujo. Otros laboratorios han empleado con éxito 7.0 M ZnCl2 como conservante menos tóxico que tiene menores costes de eliminación de residuos; para un 7 ml de muestra de una adición de 30 l es la adecuada.
El análisis preciso y exacto de la relación de N 2 y Ar es clave para la determinación de la N 2 </sub> fundentes. Observada N 2: Ar proporciones cambian en función de la concentración de oxígeno que lleva a algunos investigadores a abogar por la eliminación de oxígeno antes del análisis, en general, el uso de cobre calentada 28. La instrumentación utilizada en nuestro laboratorio se utilizó para determinar el efecto del oxígeno en N 2: Ar relaciones 23 y se encontró que el efecto sea muy pequeño, <0,03% para el agotamiento del oxígeno modesto. Las diferencias en el enfoque para evaluar el oxígeno "efecto" parecen conducir a conclusiones diferentes por diferentes investigadores 23,28,29. Una gran efecto del oxígeno en N 2: relaciones Ar erróneamente conducirían a altas tasas de flujo de salida de N 2 N; en nuestra experiencia, tenemos muchas observaciones de N 2 insignificante -N flujo de salida a alta tasa de agotamiento de oxígeno. En los laboratorios en los que el efecto del oxígeno en N 2: relaciones de Ar aparecen grande, una alternativa útil es la medición independiente de las concentraciones de oxígeno usando electrodos o optodes y oxígenola eliminación a partir del análisis de espectrometría de masas utilizando Cu climatizada en línea.
Solución de problemas de esta técnica es posible sólo después de un examen de los datos de flujo de sedimentos. Los factores clave a considerar cuando se regresiones son pobres si están agitación fue continua, se tomaron muestras y se conservan correctamente, y si el tiempo cursos eran demasiado corto para permitir la estimación de las tasas bajas. La longitud de experimentos generalmente se establece mediante el curso temporal de oxígeno, con bajas tasas de metabolismo que requiere incubaciones más largas para aumentar la relación señal a ruido incorporado en las regresiones del curso de tiempo. Las altas tasas de producción de oxígeno que producen O 2 burbujas hacen que los flujos de gases difícil, pero los flujos de soluto no pueden ser afectados.
Es necesario comprender las limitaciones de este enfoque. Los pequeños núcleos cubren el 0,3% de un metro cuadrado y los núcleos más grandes cubren el 0,6%. En sitios con una heterogeneidad significativa en la escala del medidor, las distribuciones heterogéneas de animELA o plantas pueden sugerir que uno o dos núcleos pueden no ser una representación suficiente. También hay algunos entornos que presentan dificultades de medición. Para la medición de la desnitrificación, la presencia de metano o de oxígeno burbujas puede invalidar la técnica, con N 2: relaciones de Ar influenciados por la incorporación diferencial de los gases en las burbujas. En sedimentos colonizados por microalgas bentónicas, la formación de los resultados de burbujas de oxígeno en un decapado preferencial de N 2 con respecto a Ar, y la disminución de la N 2: relación de Ar. En general, no podemos medir la desnitrificación en el punto donde se forman burbujas. ambientes anaeróbicos plantean diferentes desafíos, y la aireación de núcleos cambia la dinámica redox en la interfase agua-sedimento. Sellamos hasta núcleos con las tapas de agitación inmediatamente después de la recolección y comenzamos los flujos sin tener que reemplazar la columna de agua por completo 30. Nuestros experimentos con sedimentos iluminados típicamente han saturación o casi saturacing niveles de iluminación 31, y por lo tanto maximizar el efecto de microalgas bentónicas.
mediciones de cambio de sedimentos de agua son una medida del flujo neto de materiales a través de la interfaz agua-sedimento. Sin embargo, estas mediciones solo a menudo no pueden identificar los mecanismos que controlan estos intercambios interfaciales. Si la pregunta de investigación implica la comprensión de los mecanismos, otra información sobre la reactividad de la materia orgánica, la terminal de zonificación receptor de electrones, bioirrigation y bioturbación y organismos fotosintéticos que sean necesarias. Modelado esfuerzos 7 pueden requerir la determinación de la composición química del agua de los poros, las mediciones directas de la reactividad de la materia orgánica de 32 años, el número de poblaciones de animales, los sedimentos bio-irrigación, la acumulación de sedimentos, o manipulaciones experimentales de redox o que recubre la química del agua 13. En nuestros estudios, el intercambio de datos buena sedimento-agua es un componente clave de la comprensión de la química de los sedimentos acuáticos,y en conjunción con otras mediciones, se identifica el papel de los procesos de reciclaje de sedimentos en los ciclos biogeoquímicos acuáticos.
Con el cuidado con respecto a la manipulación de sedimentos, control de temperatura, y la mezcla de columna de agua, las incubaciones núcleo son un enfoque útil para la estimación de la intercambio de solutos y gases en la interfase agua-sedimento. Sin embargo, las técnicas utilizadas aquí pueden necesitar modificaciones para algunos ambientes y para la logística difíciles, como los períodos de tiempo prolongados antes de la incubación. Hasta el momento, hemos aplicado con éxito este enfoque, a las desembocaduras de incubación,, humedal, lago, embalse, río y laguna de retención ambientes costeros con modificaciones mínimas.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desarrollaron este enfoque utilizando nuestras observaciones del trabajo llevado a cabo por Walter Boynton y Pete Sampou y el trabajo cooperativo en la desnitrificación con Todd Kana en la Universidad de Maryland Centro de Ciencia Ambiental. Desarrollo de nuestros enfoques de desnitrificación no habría sido posible sin el apoyo del Programa Sea Grant de Maryland y la Fundación Nacional de Ciencia. Los datos representativos utilizados aquí fueron recogidos con fondos de Maryland Sea Grant (R / AQ-5c) y la escritura de los esfuerzos fueron apoyados por Maryland Sea Grant (R / SV-2), la Oficina de NOAA Chesapeake Bay (NA13NMF4570210), la Asociación para la Recuperación de la ostra , la Fundación Nacional de Ciencia (OCE1427019), Exelon Corporation, y el Servicio de Medio Ambiente de Maryland / Maryland Administración de los Puertos.
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