Biotiska och abiotiska kontroller av samtidigt förekommande kvävcykelprocesser i grunda arktiska hyllsediment | naturkommunikation

Biotiska och abiotiska kontroller av samtidigt förekommande kvävcykelprocesser i grunda arktiska hyllsediment | naturkommunikation

Anonim

ämnen

  • Elementcykler
  • Marin kemi

Abstrakt

De processer som omvandlar biotillgängligt oorganiskt kväve till inert kvävgas är framträdande i sediment av kontinentala hyllor och representerar en kritisk global sjunka, men lite är känt om dessa vägar i Arktis där 18% av världens kontinentalshyllor finns. Dessutom finns det få data från Arktis som skiljer förlustprocesser som denitrifikation och anaerob ammoniumoxidation (anammox) från återvinningsvägar som reducerande nitratreduktion till ammonium (DNRA) eller källvägar som kvävefixering. Här presenterar vi mätningar av dessa samtidigt förekommande processer med 15 N spårare. Denitrifikationen var heterogen bland stationerna och en storleksordning större än anammox och DNRA, medan kvävefixering inte kunde upptäckas. Inga abiotiska faktorer korrelerade med interstationsvariabilitet i biogeokemiska hastigheter; emellertid förklarade bioturbationspotentialen större delen av variationen. Fauna-förbättrad denitrifikation är en potentiellt viktig men förbisett process i arktiska hyllor och belyser Arktis roll som ett betydande globalt kvävfat.

Introduktion

Eftersom kväve är ett viktigt näringsämne som stödjer marin primärproduktion är kontrollerna för dess borttagnings- och återvinningsvägar avgörande för att förstå globala biogeokemiska cykler. Kväveförlustprocesser som omvandlar fixerat biotillgängligt kväve till inert dinitrogengas (N 2 ) är den framstående globala kväveuttaget 1 . Uppskattningsvis 44% av världens fasta N2-förluster inträffar på kontinentala hyllor 2, som endast utgör 7, 5% av den globala havsbotten 3 . Arktiska havet och dess omgivande grunt hav representerar en oproportionerlig 18% av världens kontinentala hyllor, trots att den bara täcker 2, 6% av det globala havet 3, 4 . Därför kan arktiska hyllor ha en avgörande roll i den globala kvävcykeln och står för nästan 10% av de globala N2-förlusterna.

Dominansen av specifika kväveomvandlingsvägar i marina sediment avgör om ett system tar bort fast kväve eller behåller det i ekosystemet. Kanonisk heterotrofisk denitrifikation (nedan, denitrifikation), den mikrobiellt medierade anaeroba omvandlingen av nitrat (NO 3 - ) till inert N2-gas, är den viktigaste avlägsningsvägen för kväve och är utbredd i kontinentala hylsediment 5, 6 . Anaerob ammoniumoxidation (anammox) är en kemoautotrofisk väg som tar bort oorganiskt kväve som kan driva primärproduktionen (NH4 + och NO 2 - ) som N2. Även om anammox inte är en allestädes närvarande process 7, kan den konkurrera med denitrifikation genom att producera upp till 80% av den totala N2 under vissa förhållanden 8, 9 . Dissimilerande nitratreduktion till ammonium (DNRA) är en mikrobiellt medierad anaerob väg som behåller biotillgängligt kväve i systemet, med användning av NO 3 - och producerar NH4 + . Slutligen representerar kvävefixering den mikrobiella omvandlingen av inert N2 till biotillgängligt kväve. Kontrollerna av den miljömässigt variabla kvävefixeringsprocessen är inte väl förståda men verkar regleras av kväve, fosfor och järntillgänglighet 10 . Utan kvävefixering förlitar ett ekosystem antingen allokton tillförsel av upplöst oorganiskt kväve (DIN) eller återvinning och frisättning av biotillgängligt kväve från sediment genom DNRA, ammonifiering (heterotrofisk omvandling av organiskt material till NH4 + ) eller nitrifikation (aerob mikrobiellt medierad transformation av NH4 + till NO 3 - ).

Omfattningen och geokemiska kontrollerna av denitrifikation och anammox är inte nödvändigtvis förutsägbar. Både denitrifikation och anammox kräver suboxiska förhållanden, men skillnader i koncentrationerna av NO 3 -, NO 2 - och NH4 +, närvaron av H2S och mängden och kvaliteten av organiskt kol (OC) kan gynna en väg över den andra 1, 11, 12, 13, 14, 15 . Således är fraktionen (%) av den totala N2-produktionen som kan hänföras till anammox ( ra ) variabel över miljögradienter 1, 12 . Grundare platser som får högre och mer lila OC-belastningar gynnade denitrifikation, medan mer stabila och organiskt fattiga platser, belägna djupare än 700 m, uppvisade en ra på minst 67%, om än med lägre absoluta hastigheter för båda potentiellt konkurrerande processer 14 . NO 3 - koncentrationer korrelerar ofta positivt med ra , även om flera miljöfaktorer i samverkan, inklusive sedimentreaktivitet, kan förklara ra bättre än någon enda faktor 15 . Temperaturen kan också ha en reglerande roll för de två processerna eftersom den optimala temperaturen för polaranpassade denitrifierande bakterier är 20–25 ° C, medan den optimala temperaturen för polaranpassade anammoxbakterier är lägre, vid 9–12 ° C (ref 16) 17). Medan dessa data antyder att anammox kan ha en konkurrensfördel i fleråriga kalla arktiska sediment, visade resultaten från temperaturblocksexperiment ra vid 2, 5 ° C endast var ∼ 22% (ref. 16).

Abiotiska miljöfaktorer styr inte biogeokemi helt. Biogeokemiska processer kan förbättras genom aktiviteterna med bioturbating och rörtunnande sediment infauna 18 . Eftersom hålor effektivt ökar gränssnittet mellan sediment och vatten, och vissa infauna aktivt ventilerar sina hålor och sedan förstärker lösta utbyte, kan bioirrigering förbättra denitrifikationsgraden två till femfaldig 18, 19, 20 . Även om överflöd av rörboendeorganismer kan räcka för att beskriva bioturbationseffekter 20, innehåller ett användbart index för potentiell bioturbation (BPc) artens överflöd, biomassa, rörlighet och sedimentbearbetningssätt i en metrisk 21 .

Chukchi-havet anses vara Stillahavets ”port” till resten av Arktiska havet och fungerar som en av två förbindelser till det globala havet. Genom Beringsundet får Chukchi-havet nordligt förespråkat djupt Stillahavsvatten som innehåller relativt höga koncentrationer av NO 3 - som därefter bränsle en del av den högsta primära produktionen i hela Arktis 22, 23 . En stor del av denna primära produktion deponeras på sediment och till slut levererar mat till bentiska makrofaunal- och mikrobiella livsmedelsbanor 24, 25 . Hanna Shoal-regionen är en ekologisk hotspot, eftersom strömmar vasslar runt stimen och deponerar organiskt material till havsbotten 26, 27, 28 . Den nordöstra Chukchi havshyllan, som kan innehålla> 100 miljarder fat olja och> 2, 8 biljoner m 3 naturgas, är ett område med möjlig framtida utveckling 29 . Att förstå den biogeokemiska funktionen i området är brådskande. Relativt höga halter av denitrifikation mättes i den närliggande hyllan i Bering Sea, vilket antyder att kalla, höga latitudsediment kan ha en viktig roll i kvävcykling och i slutändan modulera globala elementära cykler 30 .

Målet med denna forskning var att kvantifiera denitrifikations-, anammox-, DNRA- och kvävefixeringshastigheter samtidigt i sediment nära Hanna Shoal i Chukchi-havet, och sedan relatera dessa hastighetsvariationer mellan dessa hastigheter till miljöfaktorer som kan underlätta och reglera processerna längs hyllan . Tidigare mätningar av N2-flödet från sediment indikerar att Chukchi Sea-sediment är ett sjunker för biotillgängligt kväve 31, 32, 33 . Utan att använda 15 N-isotoptilläggsexperiment kunde dessa studier emellertid inte samtidigt mäta flera vägar, skilja denitrifikation från anammox eller skilja denitrifikation som drivs med NO 3 - från vattenspelaren kontra nitrifikation i sedimenten. Vidare belyser kvantifiering av återvinningsvägen för DNRA graden av att sediment bidrar med DIN för primärproduktion kontra tjänar som ett nettosänk av kväve. Dessa fyra kväveomvandlingsprocesser har sällan mäts samtidigt och aldrig i Arktis 34, 35, 36 . Så vitt vi vet har endast denitrifikationsgraden rapporterats i Chukchi-havet, och DNRA-priser har ännu inte rapporterats någonstans i Arktis på detekterbara nivåer. Här visar vi att denitrifikering är den viktigaste borttagningsvägen i Chukchi-havet, som dominerar anammox och DNRA, medan kvävefixering inte kunde upptäckas. Kvävcykelhastigheterna är starkt korrelerade med BPc, medan vi inte hittade någon relation med abiotiska faktorer. Genom att utvidga våra resultat hävdar vi att arktiska hyllor spelar en viktig roll i den globala kvävcykeln.

Resultat

Webbplatsegenskaper

Provtagningsstationernas fysikalisk-kemiska egenskaper var relativt enhetliga mellan stationerna (tabell 1). Provtagningsstationer (fig. 1) sträckte sig mellan djup 41 och 66 m. Bottenvattentemperaturer (-1, 7 till -1, 6 ° C) och salthalt (32, 7–32, 8) var lika på alla stationer. Ytans (0–2 cm) sediment C: N-förhållanden varierade mellan 8, 2 och 9, 6. Sedimentets OC-koncentration sträckte sig från 0, 65–1, 79%, medan den totala kvävekoncentrationen varierade mellan 0, 09 och 0, 23%. Porvatten NH 4 + (0–5 cm) varierade från de lägsta koncentrationerna vid CBL13 (38, 7 ± 2, 1 μM) till de högsta koncentrationerna vid CBL11 (85, 5 ± 35, 2 μM). Omgivande NO 3 - koncentrationer av bottenvatten varierade mellan 4, 7 och 6, 8 μM, medan NH4 + -koncentrationerna var lägre, mellan 1, 4 och 2, 6 μM. Löst syreinnehåll i bottenvatten reflekterade väl syresatt vatten, från 74, 3 till 83, 9% mättnad.

Full storlek bord

Röda cirklar representerar delmängden av stationer från Hanna Shoal Ecosystem Study där kärnor samlades in för kvävebiogeokemiundersökningar. Färggradient representerar badymetri. Landmassa (ljusgrön) är nordvästra Alaska, USA med byar märkta.

Bild i full storlek

Biogeokemiska hastigheter

Genom att använda isotopkopplingstekniken kan vi rapportera alla kväveomvandlingsprocesser i termer av de omgivande 14 N-hastigheterna 37, vilket är kritiskt av två skäl: för det första återspeglar de in situ- hastigheter för studieområdet och påverkas inte av tillsatsen av 15 N spårare, och för det andra är de olika hastigheterna jämförbara. Denitrifikation, anammox och DNRA rapporteras respektive D 14, A 14 och DNRA 14 .

D 14 uppvisade interstationsvariabilitet över Hanna Shoal. De lägsta hastigheterna (medelvärde ± sem) mättes vid H29 (4, 5 ± 0, 5 μmol N m −2 h −1 ), medan CBL13 hade den högsta hastigheten på 20, 4 ± 3, 0 μmol N m −2 h −1 (Tabell 2, Fig. 2a). På alla fem stationerna var medelhastigheten D 14 9, 3 ± 6, 3 μmol N m −2 h −1 . NO 3 - framställt av sedimentnitrifikation drev 58–92% av denitrifikationen ( Dn ; tabell 2, fig. 2b). Även om hastigheterna för denitrifikation av 15 NO 3 - spårämnet ( D 15 ) inte återspeglar denitrififieringen in situ , visar de potentiella denitrififieringsförmågor hos den denriffriserande mikrobiella gemenskapen 38 . D 15 och D 14 korrelerade ( r 2 = 0, 81), D15 speglade således D 14- hastigheter genom att de lägsta hastigheterna (1, 5 ± 0, 5 μmol N m −2 h −1 ) mättes vid H29, medan de högsta hastigheterna (20, 4 ± 3, 5 μmol N m −2 h −1 ) observerades vid CBL13 (tabell 2). Därför toppade den totala potentiella denitrifikationen ( D tot = D 14 + D 15 ) vid 40, 8 μmol N m −2 h −1 i CBL13 sediment. 14 kurser var en till två storleksordrar lägre än D 14 . Medelhastigheten A 14 över stationerna var 0, 22 ± 0, 02 μmol N m −2 h −1 (tabell 2, fig. 2c). En 14 bidrog mellan 1, 4 ± 0, 1 till 3, 2 ± 1, 1% av den totala N2-produktionen (fig. 2d). De högsta ra- värdena observerades där D14 var låg jämfört med andra stationer. DNRA 14 var, liksom A 14, en till två storleksordningar lägre än D 14 (tabell 2, fig. 2e). Den genomsnittliga hastigheten för DNRA 14 på alla stationer var 0, 23 ± 0, 05 μmol N m −2 h −1 . DNRA 14 kunde inte påvisas under vissa provtagningshändelser, men var också så hög som 0, 80 μmol N m −2 h −1 vid CBL13. Det genomsnittliga syrebehovet för sediment (SOD) från mörka inkubationer var −290, 8 ± 33, 3 μmol O 2 m −2 h −1 (tabell 2, fig. 2f). Denna uppskattning varierade mellan stationer där de högsta hastigheterna uppmätt vid H33 var mer än fem gånger större än de lägsta priserna, som observerades vid H29. Kvävefixering detekterades inte vid någon station.

Full storlek bord

Satser (medelvärde ± sem) av ( a ) Denitrifikation av 14 NO 3 - ( D 14 ), ( b ) mängd D 14 som drivs av nitrifikations-härledd NO 3 - ( Dn ), ( c ) anammox ( A 14 ), ( d ) andel N2 producerad av A 14, ( e ) dissimilerande 14 NO 3 - reduktion till NH4 + (DNRA 14 ) och ( f ) sedimentoxyterbehov (SOD). Notera olika y- skalor.

Bild i full storlek

Förhållandet mellan hastigheter och miljövariabler

Provtagningsdesignen för denna studie bevarade flera miljöfaktorer som kan kontrollera kvävetransformationer. Temperatur, salthalt, djup och latitud var enhetliga över de provade stationerna och kunde inte driva heterogen interstationsvariabilitet för D 14 (tabell 1). Bottenvatten NO 3 -, NH4 + och koncentration av upplöst syre, porvatten NH4 + -koncentrationer och sedimentkolbarhetsindikatorer (OC-innehåll och C: N) var varierande mellan stationerna men visade inga signifikanta trender med några biogeokemiska processhastigheter (tabell 3) .

Full storlek bord

Diskussion

Denitrifikation var den dominerande kväveborttagningsprocessen, med hastigheter som överskred anammox vid alla stationer under sommarprovtagning (Fig. 2a, c). Sådana låga ra (1, 4 ± 0, 1 till 3, 2 ± 1, 1%) för studieområdet kan förklaras genom att undersöka källorna till OC till sedimentet. Under våren och sommaren i Chukchi-havet når en stor del av den höga primära produktionen havsbotten obehandlad som en säsongspuls 22, 39 . Denna labila kolkälla bränsle den bentiska livsmedelsbanan, inklusive heterotrofiska mikrobiella processer som denitrifikation. Paradoxalt nog observerades en obemärkt stående bestånd av OC (0, 65–1, 79%), även om den är typisk för arktiska hyllor 40, 41, vid provtagningen. Stående bestånd kan ha dåligt bedömt den dynamiska leveransen och efterföljande nedbrytning av organiskt material på havsbotten med tanke på de relativt höga syreförbrukningstakten (Fig. 2f). Hur som helst, den säsongsmässiga höga avsättningen av organiskt material gynnar troligtvis denitrifierare jämfört med anammoxbakterier under sommarmånaderna, eftersom denitrifikationen vanligtvis gynnar platser med högre OC-leverans jämfört med anammox, som tenderar att inträffa under organiska fattiga förhållanden 8, 42, 43 . Anammox kan vara mer utbredd nedför sluttningen eller i bassängen i Arktiska havet på djupare djup där tillförsel av organiska ämnen är mer dämpad 44 och där denitrifikation sker i lägre hastigheter 32, efter trenden med ra som observerats i andra hyllningstranspektioner 14 ; emellertid krävs ytterligare studier för att validera denna hypotes. Tidigare forskning tyder på att netto N 2- flödet från sediment inte förändrades signifikant mellan isfria och isbelagda säsonger på Alaskas arktiska kontinentalsockel, vilket indikerar en brist på säsongsmetod i processen 32, 40 . Hur ra kan variera under en årlig cykel eftersom OC-kvantitet och kvalitetsförändring i Arktis är okänd. Macrofauna underhåller året runt från den intensiva och säsongsbetonade pulserande primärproduktionen eftersom polära hyllsediment är långsiktiga förvar av organiskt material 25, 45 . Kanske bibehåller den mikrobiella livsmedelswebben konsekventa aktivitetsnivåer året runt från denna 'matbank'.

DNRA, som antas för att gynna organiska rika sediment 42, kan inte förekomma i Chukchi Sea-hyllesediment som vanligtvis har <2% OC-innehåll 23 . Tidigare försök av Gihring et al . 41 kunde inte mäta DNRA vid detekterbara nivåer i Svalbardfjordarna på sommaren (djup = 51–211 m, temperatur = 1-2 ° C, 0, 30–1, 45% OC). Vi presenterar här de första mätbara hastigheterna för DNRA i Arktis, om än alla var <1 μmol N m −2 h −1 . Andra har föreslagit att temperaturen verkar vara viktig för DNRA, eftersom temperaturen modulerar sedimentets syreförbrukning som i slutändan ger en gynnsam anoxisk miljö 34, 46 . Även om DNRA har rapporterats som den primära NO 3 - reduktionsvägen i tropiska flodmynningar 7 och försumbar i kalla sediment 47, kan en linjär temperaturgradient inte enbart förklara dess globala prevalens. Exempelvis rapporterar bara en tredjedel av studierna i tempererat träsk och tropiska mangrovesystem DNRA-hastigheter som överskrider denitrifikationen, vilket antyder att andra faktorer förutom temperatur har en roll i dess variation 48 . Ett högt förhållande av OC kontra NO 3 - tillgänglighet har varit användbar för att förutsäga DNRA-prevalensen 42, 43, 48, men inte utan undantag. DNRA dominerade denitrifikationen i hypoxiska sediment i Östersjön, där det organiska materialet i sedimentet var lågt jämfört med relativt höga NO 3 - koncentrationer 49 . Stora salthaltssvingningar kan också gynna DNRA framför denitrifikation 38, 50 . På vår undersökning kontrollerade OC-ackumuleringar med lågt sediment året runt, NO 3 - tillgänglighet i bottenvatten och brist på drastiska salthaltförändringar sannolikt DNRA snarare än temperatur eftersom SOD var hög. Fortfarande var denitrifikationen en till två storleksordningar större, och DNRA verkar inte vara kvantitativt viktigt i Hanna Shoals sediment.

Ingen kvävefixering upptäcktes i Chukchi Sea sediment. Vissa fixeringar är fotoautotrofiska, vilket skulle ha upphört i våra mörka inkubationer. Låga kvävefixeringsnivåer, uppmätt med acetylenreduktion, inträffade i arktiska kontinentalsockelsediment inklusive 0, 24 μmol N m −2 h −1 i det kanadensiska Beaufort Sea 51, 0, 04–0, 33 μmol N m −2 h −1 i Elson Lagoon i Alaskan Beaufort Sea 52, och 0–0, 83 μmol N m −2 h −1 i Svalbard fjordar 41 . I jämförelse med N2-produktion är dessa hastigheter obetydliga. Exempelvis rapporterar de högsta kvävefixeringsgraden rapporterade av Gihring et al . 41 var bara ∼ 6% av den kombinerade N2-produktionen som de mätte från denitrifikation och anammox.

Primärproduktionen med hög vattenspelare i Chukchi-havet drivs av NO 3 - uppvuxen från det djupa Stilla havet på Beringhyllan och fördes norrut genom Beringsundet 22 . Ändå var möjligheten att sedimentera DIN för primärproduktion rimlig. Sediment bidrog lite NH4 + till vattenspelaren via DNRA (fig. 2e), men mängden NH4 + -bidrag från sediment-remineralisering testades inte och kan vara en källa till DIN till det överliggande vattnet. Hanna Shoal-sediment var en stark kvävesänk med denitrifikation som dvärgade DNRA. Detta bekräftar observationer från de få andra studier som har undersökt kvävecykling i Chukchi-havet, som visade en nettoförlust av N2 från sediment 31, 32, 33 . Vi avstår från att direkt jämföra våra denitrifikationsdata med priser från dessa tidigare studier som använde olika metoder. Isotoparningstekniken producerar konsekvent hastigheter som är lägre än de som mäts med N2: Ar-flöde, särskilt där bioturbation är framträdande 53 ; Därför skulle direkt jämförelse vara vilseledande. Oavsett jämförbarhet konvergerar alla mätningar från flera studier i Chukchi-havet på samma övergripande trend som sedimenten är starka sänkor för fast kväve.

En stor fraktion av NO 3 - som denitrififieras till inert N2 är kopplad till nitrifikation (Dn) av porvatten NH4 + (tabell 2). Med tanke på måttligt höga porvatten NH4 + -koncentrationer och lågbottenvatten NO 3 - koncentrationer (tabell 1), visar vi att åtminstone hälften av DIN som bränsle denitrifikation är från remineralisering av organiska ämnen och efterföljande nitrifikation i sedimenten, och inte från vattnet kolumn NO 3 - som potentiellt skulle kunna driva primärproduktionen. Även om vi inte mätte det direkt, måste sedimentnitrifikering vara relativt aktivt eftersom Dn , som hänger på nitrifikering för att ge NO 3 -, var 58–92%.

Medan våra provtagningsstationer sträckte sig över nordöstra Chukchi Sea-hyllan nära Hanna Shoal, var många miljöparametrar som har rapporterats påverka kvävcykling (till exempel temperatur, salthalt, djup, säsong) enhetliga och kunde inte kontrollera variationen i biogeokemiska hastigheter (tabell 1). Temperaturen i inkubationskammaren hölls vid 4 ° C, vilket var något varmare än havsbotten temperatur på plats. Även om detta skulle kunna öka de biogeokemiska hastigheterna, men inte troligt att uppdelningen mellan vägarna, var skillnaderna mellan interstationsfrekvenser inte temperaturinducerade. Dessutom visade några parametrar som var varierande mellan stationer (till exempel C: N, bottenvatten NO 3 -, porvatten NH4 + ) ingen korrelation med kväveomvandling och syrebehovshastigheter (tabell 3).

Stökiometri av organiska ämnen (det vill säga elementära C: N-förhållanden) är en stark prediktor för ra i syrebristzoner (ODZs) i det öppna havet där anammox troligen är NH4 + begränsad 13 . Eftersom labilt organiskt material (uppvisar lägre C: N-förhållanden) ger mer NH4 + än mer eldfast organiskt material (uppvisar högre C: N-förhållanden) vid heterotrof nedbrytning, Babbin et al . 13 visade att ra var direkt relaterat till organisk materialstökiometri. Det är svårt att direkt jämföra resultaten från den aktuella studien, som presenterar grova mått på sediment C: N-förhållanden (0–2 cm, tabell 1) som sammanslager de organiska rika ytsedimenten med den smala horisonten för nitratreduktionszonen, till de trender som rapporteras av Babbin et al . 13 . Sediment kan också kränka vissa av antagandena om att använda stökiometri av organiskt material för att förutsäga ra . Till skillnad från ODZ: er, i sediment ofta ofullständig oxidation av organiskt material, NH4 + kan ackumuleras i porvatten (tabell 1), och NH4 + som produceras i nitratreduktionszonen kan föras in i de oxiska nitrifikationszonerna eller utflödet i det överliggande vattnet . Medan vår experimentella design inte uttryckligen testade om samma kontroller på ra i ODZ: er gäller för sediment, är de troligen mer relaterade till alternativa miljökontroller som temperatur 15, NO 2 - och NO 3 - tillgänglighet 15, 16 eller sulfidkoncentration 11 12 givna märkbara koncentrationer av porvatten NH4 + i sediment. Slutligen kan närvaron av bentisk infauna ytterligare förändra stökiometrin för organiskt material från sediment på oförutsägbara sätt genom att förändra kvaliteten och mängden OC och antingen koncentrera eller ta bort DIN från nitratreduktionszonen.

Eftersom abiotiska faktorer inte korrelerade med kväveomvandlingsprocesser undersöktes i stället biotiska faktorer som regulatorer, speciellt oavsiktlig bioturbation eftersom det tidigare har visat sig förbättra P (ref. 54) och N (ref 20, 55, 56) cykling i andra bentiska ekosystem. Infauna samlades och katalogiserades för en parallell forskningskomponent i Hanna Shoal Ecosystem Study enligt metodiken som beskrivits av Schonberg et al . 27 . Ovanligt överflöd och uppgifter om biomassa som är allmänt tillgängliga på //arcticstudies.org/hannashoal/index.html (sammanfattat i tilläggstabell 1) undersöktes som faktorer som kan korrelera med kväveomvandlingshastigheter och användes sedan för att beräkna ett gemenskapsindex för potentiell bioturbation (BPc) för varje station 21 . BPc-indexet väger mängden och biomassan av bioturbatoriska organismer högre än de som inte modifierar sedimentet. Infauna-överflöd och biomassa korrelerade starkt med hastigheterna D 14, A 14, DNRA 14 och SOD inom vår studieplats (Tabell 3, Fig. 3). BPc visade det starkaste förhållandet med D14 och DNRA 14 ( r = 0, 97 respektive 0, 95) av alla uppmätta parametrar. Polychaete-överflöd korrelerade med D 14 och DNRA 14 ( r = 0, 92 respektive 0, 95), även om totala överflödet hade ett starkare samband med de två processerna ( r = 0, 95 respektive 0, 97). A 14 och SOD korrelerade med vanlig biomassa ( r = 0, 94 och 0, 99), men inte överflöd. SOD samvarierades med A 14 ( P <0, 05, r = 0, 91), vilket antyder att anammox var mest aktivt i de minst oxiska sedimenten, eventuellt modulerad genom faunainformation. Tvåvägs- och amfipod-överflöd enbart relaterade inte signifikant till några processer.

Genomsnittlig (± sem) mängd och index för potentiell bioturbation (BPc) jämfört med denitrifikationshastighet ( D 14 ) vid varje station. Totalt infanal överflöd och BPc beräknades från alla taxor som samlats in vid varje station.

Bild i full storlek

Det slående höga infauna-överflödet vid CBL13 drevs av rörbostaden polychaete Maldane sarsi , med en densitet av 5 057 ± 484 individer m −2, medan den enda andra stationen som innehöll M. sarsi var H17 med en densitet av 3, 3 ± 5, 8 individer m - 2 (kompletterande tabell 1). Den täta populationen av den tubikolösa polychaeten M. sarsi vid CBL13 ändrade fysiskt livsmiljön för denitrifiering och DNRA-mikrober (kompletterande fig. 1). Rören själva ökade funktionellt ytan mellan sediment och vatten, vilket skapade mer volym sediment där denitrifikering eller DNRA skulle kunna inträffa. Rören fungerade också som ventilerade ledningar för utbyte av lösta ämnen, vilket skulle påskynda leveransen av antingen NO 3 - från vattenspelaren till bränsle DNRA och direkt denitrifikation ( Dw ), eller omvänt, syre till bränslenitrifikation för Dn (ref 19, 20). Eftersom Dn var relativt hög (58–92%) postulerar vi att infauna ökade syretransporten och därefter underlättade nitrifikation. Kopplingen mellan nitrifikation och fauna har observerats i sydöstra Chukchi-havet där relativt höga nivåer av sedimentnitrifikation (41, 7–50, 0 μmol N m −2 h −1 ) inträffade i bivalvdominerade sediment relativt fauna-depauperat sediment 57 .

Top-down utfodring av polychaeter (till exempel M. Sarsi ) konsumerar syre i sedimentet och utvidgar gynnsamma förhållanden för suboxiska processer för denitrifikation och DNRA. Organiska rika utsöndringar av polychaete (till exempel slem, avföring) är vanligtvis lila och omvandlas lätt till NH4 + för att förstärka nitrifikation 58 . Vid stationerna H17 och H33 representerade toskallar ∼ 70% av det totala infaunaöverskottet (Fig. 3, kompletterande tabell 1). I detta fall förbättrade aktiviteter förknippade med utfodring av bivalver, inte den fysiska närvaron av rör, denitrifikationen. Därför kanske en specifik taxonomisk grupp inte påverkar mängden lika mycket som mängden och biomassan av havsmodellmodifierande organismer. En ny studie har visat att bioturbation från meiofauna (ryggradslösa djur <1 mm) fördubblade denitrifikationsgraden, och de additiva effekterna av både meiofauna och makrofauna förbättrade DNRA och metanutflöde 56 . Dessutom ökar makrofaunal injektion av organiska rika biodepositioner (avföring och pseudo-avföring) heterotrof denitrifikation genom att tillhandahålla ytterligare kolsubstrat för heterotrofa processer 59 .

Medan infaunal bioturbationsindex (BPc) var den starkaste korrelerande faktorn i vår studie, är det möjligt att trenden inte är allestädes närvarande i hela Chukchi-havet. Till exempel Braeckman et al . 55 visade nyligen att överflöd var en avgörande prediktor för biogeokemiska processer på vissa platser i Nordsjön, medan abiotiska faktorer var viktigare i leriga sediment.

För att jämföra våra uppmätta hastigheter av D 14, A 14 och DNRA 14 med andra system globalt planerades medelhastigheter (med standardavvikelser om de ges) mot temperaturen vid vilken de samlades in eller inkuberades om de tillhandahölls (Fig. 4a, kompletterande tabell) 2). För att göra meningsfulla jämförelser inkluderade vår litteraturöversikt endast marina studier där sediment inte ändrades experimentellt förutom tillägg av 15 N-spårämnen, och denitrifikationsgraden uttrycktes som D 14 (ref. 37, 60). Om studier rapporterade hastigheter på volym- eller massbasis kunde de inte direkt jämföras med våra arealhastigheter, men deras andelar av NO 3 - reduktion ansågs giltiga för jämförelse (Fig. 4b). D 14- graden från Chukchi Sea-sedimenten föll inom intervallet för den undersökta litteraturen (Fig. 4a). Priser från vår höga latitudstudie och de från arbete som utfördes på Svalbard (∼ 80 ° N, 0–2 ° C) visade att fleråriga kalla arktiska hyllor är minst lika viktiga för denitrifikation som kontinentala hyllor i lägre breddegrader. Alla 14 och DNRA 14 var relativt låga i den undersökta litteraturen men av liknande storlek som Chukchi Sea priserna, och ingen märkbar trend med temperaturen var uppenbar. Det fanns en indikation på att ra kan ha ett omvänt förhållande till temperaturen (fig. 4b), vilket visas av Brin et al . 15, men det finns många fall där ra var lågt vid låga temperaturer. Jämförelsevis dominerades Hanna Shoal-regionen konsekvent av denitrifikation, med låga ra och relativa DNRA-proportioner. Experiment med temperaturblock har visat att denitrifikationsgraden för arktiska anpassade mikrober är högst vid temperaturer mellan 20 och 25 ° C (ref. 17), men många andra faktorer in situ kan reglera processen. I den undersökta litteraturen finns det således ingen tydlig temperaturreglering av denitrifikation, anammox eller DNRA. Detta bevis tyder på att temperaturen inte är en begränsande faktor för kvävcykling, och att det oproportionerligt stora kontinentalsockelområdet kring Arktiska havet är viktigt för global modulering av elementcykling.

( a ) Denitrifikationsgraden ( D 14, cirklar), anammox ( A 14, trianglar) och DNRA 14 (kvadrater), och ( b ) andelen anammox jämfört med total N2-flöde ( ra ) (trianglar) eller andel av NO 3 - som genomgick DNRA 14 jämfört med denitrifikation (kvadrater) planerad med temperatur. Priser från denna studie (svarta symboler) jämfördes med undersökta litteratur. Hänvisningar och värden listas i tilläggstabell 2. Alla värden bestämdes med användning av isotopkopplingstekniken 37, 60 . Priser och proportioner är medelvärden och felstänger är sd, om de tillhandahålls.

Bild i full storlek

Biogeokemiska hastighetsmätningar är logistiskt komplexa och tidskrävande, och ofta måste några stationer representera ett expansivt område. Utforska korrelativa parametrar kan emellertid bidra till att minska felet i samband med interpolering av data inom ett studieområde genom att tillhandahålla en finare upplösning för att uppskatta processen. Till exempel, i sin studie som transekterade hyllan, sluttningen och bassängen, Chang och Devol 32 härledde ett samband mellan netto N 2- flöde, djup och exportproduktion för Chukchi-havet, och extrapolerade förhållandet till varje arktiskt hav för att uppskatta ett globalt bidrag av 4–13% för arktisk denitrifikation. Författarna betonar den potentiella rollen i Arktiska havet i global denitrifikation och behovet av mycket större rumslig och temporär täckning av kvävcykelmätningar.

På samma sätt stod den aktuella studien inför en gemensam utmaning när det gäller att skala upp mätningar till hela regionen. Vi använde det starka signifikanta förhållandet mellan D 14- hastigheter och BPc ( P <0, 01, r = 0, 97; tabell 3) mätt vid Hanna Shoal för att extrapolera våra hastigheter till regionen. Beräkningen av BPc över nordöstra Chukchi-havet åstadkoms genom att använda data från tidigare multidisciplinära, fleråriga projekt i nordöstra Chukchi-havet, där> 100 bottenstationer var upptagna, av vilka många inkluderar infauna-överflöd och biomassa (//www.arcticstudies) .org). Med hjälp av dessa tidigare rapporterade data beräknade vi BPc på över 50 stationer och använde den linjära regression som härrör från våra stationer ( D 14 = 0, 0026 × BPc + 4, 76) för att förutsäga D 14- hastigheter över Chukchi-hyllan som en rumsligt heterogen yta (fig. 5 ). Detta tillvägagångssätt minskar behovet av att grovt uppskatta ett områdes denitrifikationsbidrag genom att använda en medelhastighet, som inte bara försummar den rumsliga variationen i D 14 utan kan allvarligt överskatta eller underskatta de hastigheter som extrapoleras över studieområdet.

Interpolerad yta med hjälp av empirisk Bayesian kriging för förutsagd denitrifikationsgrad ( D 14 ) över nordöstra Chukchi-havet med användning av förhållandet D 14 = 0, 0026 × BPc + 4, 76. Uppgifter om otillräcklig mängd och biomassa samlades in på alla planerade stationer för beräkning av ett samhällsomfattande index för potentiell bioturbation (BPc).

Bild i full storlek

Tre olika tekniker jämfördes för att uppskatta regional biogeokemi och för att visa fördelen med att korrelera biogeokemiska hastigheter med andra parametrar (tabell 4). Först använde vi medelhastigheten (± sd) härledd från våra fem ockuperade stationer (9, 25 ± 6, 27 μmol N m −2 h −1 ) för att extrapolera D 14 över studieområdet (65 500 km 2 ). För den andra och tredje metoden använde vi förhållandet mellan D 14 och BPc för att uppskatta denitrifikation vid 51 ytterligare stationer i nordöstra Chukchi-havet. En interpolerad, inskjuten yta av denitrifikationsgraden (fig. 5) skapades av empirisk Bayesian kriging. Den andra tekniken använde medelhastigheten i varje fack som en representativ hastighet för det angivna området. Summan av alla fack användes som en integrerad uppskattning av D 14 för hela studieområdet baserat på BPc. För den tredje tekniken tilldelades ett slumpmässigt genererat nummer inom det specificerade området för varje fack till varje m 2 och summerades över området. Denna process upprepades under 100 000 iterationer för att erhålla en medelhastighet.

Full storlek bord

Den tredje tekniken gav en särskilt annan uppskattning än teknik 1 och reducerade osäkerheten i uppskattningen kraftigt (tabell 4). Om vi ​​antar att det starka förhållandet mellan D 14 och BPc inträffar i hela nordöstra Chukchi-havet, skulle vi förvänta oss lägre denitrifikation i mycket av den västra delen av regionen eftersom infauna-överflöd och biomassa, alltså BPc, var lägre där än i den östra delen av regionen område av studieområdet (Fig. 5). Regionen sydost om Hanna Shoal och nära munningen av Barrow Canyon förutspåddes enligt vår modell med de högsta denitrifikationsgraden i nordöstra Chukchi-havet på grund av det stora bottenmängden av infauna, men rumsligt är det en liten del av studieområdet. I den första tekniken representerar således de högre hastigheterna som mäts vid CBL13 en femtedel av området och viktas lika mot de låga hastigheterna som uppmättes vid H29. I den tredje tekniken representerade de höga hastigheterna (> 20 μmol N m −2 h −1 ) endast ∼ 5% av studieområdet, medan hastigheter <5, 3 μmol N m −2 h −1 förutsägs uppgå till ∼ 60% av havsbotten. Denna övning ger både en geografisk fördelning av potentiell denitrifikationsaktivitet och en bättre ungefärlig regional hastighet där lite experimentella data finns.

En viktig förbehåll för detta förfarande ligger i det förenklade antagandet att D 14 är lika relaterad till BPc över hela nordöstra Chukchi-havet, eftersom det har visats att styrkan i förhållandet mellan BPc och biogeokemiska hastigheter kan variera över en hel region 55 . Oöverträffande överflöd integrerar olika viktiga ekosystemdrivare (till exempel primärproduktion, hydrografi, sedimenttyp) vilket gör det tillräckligt robust för att representera komplexiteten på en hel kontinentalsockel. BPc är kanske inte en globalt transcendent förutsägare för denitrifikation, men var den överlägset viktigaste faktorn i vår studie (tabell 3), även om alla parametrar bör beaktas när man skapar samband mellan hastigheter och biotiska eller abiotiska faktorer 15, 55 .

Med hjälp av de lägsta och högsta hastigheterna för denitrifikering som vi modellerade för det nordöstra Chukchi-havet (fig. 5) som gränser för möjliga hastigheter i arktiska hyllor extrapolerades ett antal årliga denitrifikeringar för hela arktiska hyllområdet (5.052 × 10 6 km 2 ) . Fler säsongsarbete har inte visat någon skillnad mellan sommar och vinter / vår denitrifikation 32, 40, så vi antar att priserna här bibehålls under ett år. Årspriserna för arktiska hyllor begränsades mellan 2, 8 och 15, 7 Tg N år −1, vilket står för mellan 0, 5 och 2, 7% av den globala denitrifikationen (573 Tg N år −1 ; ref. 2). Dessa årliga kurser står för 0, 8 till 4, 6% av marin denitrifikation trots att de bara täcker 1, 4% av det globala havet 2, 4 . Hastigheter uppmätta med isotopkopplingstekniken är ofta lägre än de som kvantifieras med N2-flödesmetoder 61, så dessa uppskattningar är konservativa jämfört med metoder som använder den senare metoden. Det högre intervallet som förutses här överlappar med andra trans-arktiska årliga uppskattningar av denitrifikation (6–29 Tg N år −1 ; ref. 32). Även om dessa uppskattningar är relativt grova på grund av bristen på faktiskt provtagning som har inträffat i Arktis, tyder resultaten på att Chukchi-havet är en aktiv plats för kvävcykling, och vi misstänker att resten av arktiska hyllorna kan uppvisa ett liknande intervall av priser. Eftersom det inte fanns någon märkbar skillnad mellan denitrifikationsgraden i Arktis jämfört med lägre breddegrader (Fig. 4a) och eftersom arktiska hyllor utgör nästan 20% av de globala kontinentalsocklarna, borde de ständigt kalla grunt hyllorna kring Arktiska havet erkännas för deras potentiellt kritiska roll i den globala kvävcykeln.

metoder

Studieplats och provsamling

Dessa experiment var en del av Hanna Shoal Ecosystem Study i nordöstra Chukchi-havet, Alaska (www.arcticstudies.org/hannashoal). Prover samlades mellan 2–10 augusti 2013 ombord USCGC Healy vid fem stationer som sträckte sig över Hanna Shoal från 158, 3 ° W till 165, 5 ° W men begränsades i längdriktningen mellan 71, 3 ° N och 72, 1 ° N (fig 1). Sex intakta kärnor (7, 6 cm i diameter; 20 cm djupa) uppsamlades från bottenvåningen på varje station med användning av en rostfritt stål HYPOX corer 34 som bevarade integriteten hos sediment-vattengränssnittet. Efter insamling lagrades kärnorna i en miljöstyrd kammare vid 4 ° C tills experimentet började (<4 timmar). Alla prover underkastades samma behandlingar. Sextio liter nästan bottenvatten (inom 3 m) uppsamlades från varje station genom lednings-temperatur-djup (CTD) rosettgjutning och luftades kontinuerligt.

Inkubationer av sedimentkärnor

Kärnor inkuberades ombord i en 4 ° C miljöstyrd kammare för att mäta upplösta gasflöden ( 28 N2, 29 N2, 30 N2, 32O2, 40 Ar) och 15 NH4 + produktion vid sediment-vattengränssnittet. Inkubationer genomfördes i ett genomströmningssystem där bottenvattnet pumpades över kärnor med användning av en flerkanals peristaltisk pump som upprätthöll 1, 0–1, 4 ml min-1-flöde efter Gardner och McCarthy 34 . En acetolkolv med en Viton-o-ring infördes i varje kärna till ca 5 cm från sediment-vattengränssnittet, vilket lämnade ∼ 230 ml överliggande vatten. Polyetereterketonrör (PEEK) anslöt varje kolvns inloppsport till ofiltrerat bottenvatten via en flerkanals peristaltisk pump och utloppsporten till ett uppsamlingskärl. De 60 liter bottenvattnet delades upp i tre separata kolhydrater så att en carboy matade två replikerade kärnor. En carboy berikades med 15 N-NO 3 - (98, 2% 15 N-KNO 3 ) till slutkoncentrationer av 29, 1–34, 4 μM NO 3 - beroende på bakgrundskoncentrationer (tabell 1). Den andra carboy spikades med 15 N-NH4 + (99, 9% 15 N-NH4Cl) till slutkoncentrationer mellan 15, 1–17, 7 μM NH4 + . Den tredje carboyen lämnades obemannad som en kontrollbehandling. Kärnor lindades i aluminiumfolie för att säkerställa mörker under hela experimentet.

Inflödes- och utflödesprover uppsamlades en gång var 24 timme i 4 dagar efter en initial inkubation över natten för att tillåta de experimentella enheterna att nå jämvikt. Prover för upplösta gaser uppsamlades i 13 ml Exetainers (Labco Limited, Storbritannien) genom att låta flaskorna flyta över från botten tre gånger, så att inga luftbubblor fångades. Varje uppsamlat prov injicerades med 200 ul mättad ZnCl2 för att stoppa mikrobiell aktivitet. Exetainers täcktes, förseglades med parafilm och förvarades under vatten vid 4 ° C. Cirka 30 ml utflödesvatten från kontrollen och 15 NO 3 - behandling uppsamlades för att mäta 15 NH4 + produktion. Provvatten filtrerades omedelbart genom ett 0, 2 μm filter i en Whirl-pak-påse och frystes sedan vid -20 ° C. Alla prover transporterades till University of Texas Marine Science Institute för analyser.

Bottenflöden och kvävetransformationer

Duplicerade prover för koncentrationer av upplöst gas ( 28 N2, 29 N2, 30 N2, 32O2 och 40 Ar) mättes med användning av membraninloppsmassespektrometri 62, 63 . Analytiska replikat ( n = 3) för upplösta gaser hade en variationskoefficient <0, 04%. H20 och C02 avlägsnades kryogent i linje med en vätskeformig kvävefälla innan löst gas infördes till kvadrupolmasspektrometern. Andelen 15 NH4 + från den totala ammoniumpoolen bestämdes genom ammoniumisotopretentionstidsskift med högpresterande vätskekromatografi 64 . Duplicerade prover injicerades tre gånger för att mäta genomsnittlig retentionstidsförskjutning i prover inkuberade med 15 NO 3 - (variationskoefficient <5%). Löst gas och näringsflöden beräknades som

där C o är utflödeskoncentrationen (μM), Ci är inloppskoncentrationen (μM), F är flödeshastigheten (l h −1 ), och A är kärnans ytarea (m 2 ). På detta sätt är ett positivt flöde ut ur sedimentet i vattenspelaren, som vi omväxlande kallar produktion. Denitrifikationsgraden beräknades baserat på förhållandet mellan 14 NN2 och 15 NN2 produktion i 15 NO 3 - behandlingarna, efter isotopkopplingstekniken 37 . Att lägga till 15 NO 3 - ökar den totala denitrifikationsgraden, men isotopparningstekniken skiljer mellan denitrifikationen av den tillsatta spåraren och in situ 14 NO 3 - . Ett av de viktigaste antagandena med isotopkopplingstekniken är att det tillsatta nitratet inte inducerade högre hastigheter på 14 NO 3 - denitrifikering genom att fördjupa nitratpenetrationsdjupet i sediment. Testning av detta antagande skulle kräva mätningshastigheter vid flera nitratkoncentrationer. Även om detta var logistiskt omöjligt för vårt projekt, antas antagandet i de flesta studier som använder isotopparningstekniken vid flera nitratkoncentrationer.

Denitrifikation av 15 NO 3 - ( D 15 ) och 14 NO 3 - ( D 14 ) beräknades med användning av produktionen av 29 N2 (p29 NO3 - ) och 30 N2 (p30) från 15 NO 3 - behandlingen med användning av ekvationerna

och

bestämdes efter avlägsnande av det mindre 29 N2-bidraget från anammox (modifierad från Risgaard-Petersen et al . 60 ; se kompletterande metoder). Andelen denitrififiering in situ från det överliggande vattenpelarsnitratet ( Dw ) bestämdes med följande ekvation från Nielsen 37 :

Koncentrationen av 14 NO 3 - bestämdes från omgivande bottenvatten och 15 NO 3 - bestämdes som skillnaden mellan NO 3 - koncentration efter tillsats av 15 N spårämne och omgivningsnivåer. Den återstående andelen denitrifikation tillskrivades därför kopplad nitrifikations-denitrifikation ( Dn ) och beräknades som

Totala uppskattningar av anammox ( A tot ) beräknades från produktion av 29 N2 i 15 NH4 + -behandlingen (

) av

där FA är förhållandet 15 NH4 + till totalt NH4 + i det överliggande vattnet. Vi rapporterar anammox som A 14, eller bidraget från 14 NH 4 + och 14 NO 2 - till anammox eftersom 15 NH 4 + spårämnet kan inducera högre än naturliga hastigheter med hjälp av ekvationen

där A 15 är lika

. Denna metod antar att märkt ammonium inte nitreras och därefter denitrififieras (se kompletterande metoder). I scenariot med nitrifikation - denitrifikation av 15 NH4 + skulle anammoxgraden överskattas eftersom anammox och denitrifikation skulle ge 29 N2.

Kvävefixering mättes med användning av proceduren enligt An et al . 62, som använder koncentrationerna och flödena av 28 N2, 29 N2 och 30 N2 i 15 NO 3 - behandlingen för att upptäcka samtidig fixering i närvaro av denitrifikation.

DNRA beräknades genom att mäta produktionen av 15 NH4 + (p 15 NH4 + ) från 15 NO 3 - behandlingen. Vi rapporterar DNRA som:

där FN är andelen 15 NO 3 - i den totala nitratpoolen 65 .

D 14, A 14 och DNRA 14 är alla konservativa uppskattningar av de sanna in situ- hastigheterna eftersom porvatten, som kunde behålla transformerade kvävearter, inte extraherades från sediment. D 14 kan också underskatta denitrifikation i närvaro av bioturbatorer 53, men vi tillät en jämvikt över natten under 15 NO 3 - och 15 NH4 + införlivande i porvattnet och uppmätta hastigheter under 4 dagar. Dessutom är DNRA 14 konservativ eftersom katjonutbyte i sediment kan behålla 15 NH4 +, och vi extraherade inte vattenvatten från den genomströmmande experimentella designen. Genom att använda termer som är standardiserade till de omgivande 14 N-koncentrationerna istället för de som induceras genom tillsats av 15 N-spårämnet, kan hastigheterna jämföras som samtidigt förekommande processer.

Sedimentkemi

Prover för karaktärisering av ytsediment samlades in separat från varje station med användning av en van Veen-grip (0, 1 m 2 ). Prover för elementär C- och N-analys uppsamlades från de övre 2 cm sedimentet med en 10 ml spruttrumma och överfördes omedelbart till en behållare och frystes vid -20 ° C. Två intilliggande alikvoter provades från de övre 5 cm av ostörd sediment med en 60 ml spruttrumma, placerades i en Whirl-pak-påse och frystes vid -20 ° C för sediment porvatten NH4 + -analys.

För att avlägsna karbonater som skulle skeva OC-analys blöts sediment i 1 N HCl tills bubblingen slutade, sköljdes sedan i avjoniserat vatten och torkades vid 60 ° C till en konstant vikt. Sediment analyserades på en elementanalysator (CE Instruments, NC 2500). C: N-värden presenteras som mol: mol-förhållanden.

näringsämnen

Prover för NO3- och NH4 + -koncentrationer från stationens bottenvatten bereddes med användning av nedskalade volymer av prov och reaktanter lämpliga för en 96-brunnars platta och avlästes på en mikroplatta spektrofotometer vid 543 respektive 640 nm, följt av Mooney och McClelland 66 . NO 2 - koncentrationer bestämdes genom kolorimetrisk spektrofotometrisk analys 67 . NOx mättes efter Cd-reduktion av NO 3 - till NO 2 - efter ett modifierat förfarande enligt Jones 68 . NO 3 - rapporteras som skillnaden mellan NO x och NO 2 - . NH4 + -koncentrationer mättes kolorimetriskt med indofenolblå metod 69 . För att erhålla prover för porvatten NH4 + tinades sediment och centrifugerades medan det fortfarande var kallt vid 5 000 varv per minut under 20 minuter. Supernatanten dekanterades och analyserades på en Shimadzu UV-2401PC-spektrofotometer.

Statistiska analyser och databehandling

All statistik beräknades med R 3.1.1 (www.r-project.org). To ensure the isotope tracers had reached the zone of NO 3 reduction after the overnight pre-incubation period, steady-state equilibrium was tested with a repeated-measures analysis of variance ( lme function from the nlme package). For each station, dissolved gas or nutrient fluxes were the dependent variable, sampling time point was the group, and core was a random factor. The results underwent post-hoc tests using the glht function from the multcomp package that performed multiple comparisons for linear mixed effects models using Tukey's all-pair comparisons. Significantly different rates were excluded from analysis since they violated steady-state equilibrium assumptions. Before determining the rates of A 14 and DNRA 14, we determined if the respective production of 29 N 2 and 15 NH 4 + was significantly higher than the control treatment using a one-way analysis of variance ( aov function from the MASS package). A Pearson correlation matrix was created using mean rates and environmental parameters from each station by the rcorr function in the Hmisc package. Linear regressions were computed using the lm function from the MASS package. Values are reported as mean±sem For all tests, alpha was set at 0.05. Spatial analysis was completed in ArcMap 10.3 (Esri, Redlands, CA) using the Geostatistical Analyst Toolbox function empirical Bayesian kriging, which creates an interpolated surface by accounting for the error in estimating the underlying semivariogram though iterative simulations 70 .

Data tillgänglighet

The data that support the findings of this study are available at //arcticstudies.org/hannashoal or can be requested from NDM

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

    Supplementary Figure 1, Supplementary Tables 1-2, Supplementary Methods and Supplementary References

  2. 2.

    Peer review-fil

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.