Rumsliga variationer i den molekylära mångfalden av löst organiskt material i vatten som rör sig genom en boreal skog i östra Finland | vetenskapliga rapporter

Rumsliga variationer i den molekylära mångfalden av löst organiskt material i vatten som rör sig genom en boreal skog i östra Finland | vetenskapliga rapporter

Anonim

Abstrakt

Löst organiskt material (DOM) påverkar starkt vattenkvaliteten i boreala skosekosystem. Hur kvaliteten på själva DOM ändras rumsligt förstås dock inte. I denna studie, för att undersöka hur mångfalden av DOM-molekyler varierar i vatten som rör sig genom en boreal skog, bestämdes antalet DOM-molekyler i olika vattenprover, dvs. regnvatten, genomfall, markvatten, grundvatten och strömvatten med hjälp av Fourier-transform joncyklotronresonansmasspektrometri (FT-ICR MS) i gran och skotsk tallar i östra Finland under maj och juni 2010. Antalet molekylära föreningar identifierade av FT-ICR MS (molekylär mångfald) varierade från 865 till 2 194, vilket avslöjade stora DOM molekylär mångfald i vattenproverna. Dessutom delades några av molekylföreningarna mellan olika vattenprover. DOM-molekylär mångfald korrelerade linjärt med antalet lågbiologiskt nedbrytbara molekyler, såsom ligninliknande molekyler (ligniner), men inte med upplöst organisk kolkoncentration. Antalet ligniner som delades mellan olika provtagningsplatser var större än för någon annan biomolekylär klass. Våra resultat antyder att lågbiologiskt nedbrytbara molekyler, särskilt ligniner, reglerar rumsliga variationer i DOM-molekylär mångfald i boreala skogar.

Introduktion

Löst organiskt material (DOM) spelar en central roll i förändringar i vattenkemi inom boreala skosekosystem. Det påverkar surheten och färgen på vattnet som passerar genom trädtaket eller skogsbotten 1, 2, 3, 4, 5 . Det bildar komplex med många näringsämnen och metaller och transporterar dem från skogens ekosystem till vattendrag 6, 7, 8, 9, 10 . Dessutom påverkar förändringar i kvaliteten och kvantiteten på DOM ekologiska processer, eftersom DOM är en energikälla och lätt modifieras av mikroorganismer 11, 12 .

Boreala skogar innehåller mer än en tredjedel av kolet som finns kvar i skogsvegetation och jordar över hela världen 13 . Enligt en nyligen inventerad organisk kolpool i boreal skogsmark i Fennoscandia finns 70–80% av det organiska kolet i de övre 100 cm mineraljord 14 . Tidigare studier visade att koncentrerat upplöst organiskt kol (DOC) var fem gånger högre i genomfall än i bulkavlagring och också fem gånger högre i markvatten i O-horisonten än i genomfall 15, 16 . Detta beror på att DOM läcker ut i vattnet från växtvävnader och döda organiska ämnen och dessutom mikrobiellt sönderdelas i jord. DOM kan dessutom kvarhållas i mineraljord eftersom humiska ämnen förknippas med amorft järn och aluminium 17 . Frigörandet och kvarhållandet av DOM genom biogeokemiska processer bör inte bara förändra mängden DOM utan också dess sammansättning. Hydrofob DOM adsorberas företrädesvis av skogsmarkpartiklar, vilket kan öka den relativa mängden hydrofila föreningar i jordvatten 18 . En ökning av DOC-koncentrationen i markvatten efter klippning rapporterades också, vilket tyder på att skogsbruk påverkar den kemiska sammansättningen av DOM 19 . Med tanke på resultaten som rapporterats av Bourbonniere och Creed 20 att fräschare och yngre skogsgolvmaterial släppte mer biologiskt nedbrytbart DOM än äldre, är det möjligt att DOM som frigörs från avverkningsrester eller skräp i nyplanterade skogstativ har en labil egenskap. Men några studier har fokuserat på hur den kemiska sammansättningen av DOM förändras i vatten när den rör sig genom skogens ekosystem 21 .

De senaste framstegen i den kemiska karaktäriseringen av DOM har gjort det möjligt för oss att få en helhetsbild av molekylära förändringar / övergångar av DOM i vatten som samlats in från skogar. Fourier-transform-cyklotronresonansmasspektrometri (FT-ICR MS) är en av de mest innovativa metoderna och gör det möjligt för oss att detektera olika typer av molekyler i DOM baserat på cyklotronfrekvensen för laddade joner i ett magnetfält. Denna metod har tillhandahållit reproducerbara och tillförlitliga data angående massspektrumet för DOM i flod- och marina vattenprover, som består av mer än hundra olika typer av DOM-molekyler 22, 23, 24, 25 . Förutom information om antalet och typerna av DOM-molekyler möjliggör van Krevelen-diagram 26 att dela upp varje molekyl som detekteras av FT-ICR MS i olika biomolekylära klasser, såsom ligninliknande molekyler, proteiner och tanninliknande molekyler, för beskrivande syften 27, 28 . Detaljerad information om DOM kan hjälpa oss att förstå de processer som driver förändringar i den kemiska sammansättningen av DOM och de faktorer som styr dem. Kalbitz et al . 29 undersökte förändringar i den kemiska sammansättningen av DOM-prover extraherade från olika material, inklusive majsstrå, skoggolv, torv och jordbruksjord, under en 90-dagars inkubation med användning av flera metoder, såsom ultraviolett absorbans, fluorescensemissionsspektroskopi och Fourier-transform Infraröd spektroskopi. Deras resultat indikerade att den partiella nedbrytningen av föreningar med högre molekylvikt, såsom lignindimerer och alkylaromater, ökar andelen lägre molekylviktsföreningar, såsom ligninmonomerer och fenoler, som är biologiskt nedbrytningsprodukter. De indikerar också att biologisk nedbrytning av DOM kan resultera i relativ anrikning av aromatiska föreningar, som är relativt stabila och långsamt mineraliserade. Dessa resultat antyder att kemisk sammansättning av DOM varierar huvudsakligen via biotiska processer, medan det finns molekylära föreningar som är mer stabila och rör sig tillsammans med vattnet genom ekosystemet. Det förväntas att FT-ICR MS-analys och efterföljande klassificering av biomolecuar ökar vår förståelse inte bara av kemiska aspekter utan också av biotiska processer i molekyländring / övergång av DOM förknippat med vattenrörelsen.

Målen med denna studie var (1) att utvärdera variationer i molekylär mångfald och molekylföreningarna uppdelade i specifika biomolekylära klasser i regnvatten som passerar genom en boreal skog med hjälp av FT-ICR MS och van Krevelen-diagram, och (2) att undersöka hur provtagningsläge påverkar molekylära DOM-föreningar i ett boreaalt skogsavfall i östra Finland.

Våra hypoteser var följande:

  1. Antalet molekylära föreningar som kan detekteras med FT-ICR MS (dvs. molekylär mångfald) och därefter antalet för varje biomolekylär klass varierar med vattenrörelse (dvs. regnvatten för att strömma vatten via genomgång, markvatten och grundvatten).

  2. Molekylföreningarna identifierade som samma DOM-förening finns vid olika provtagningsplatser.

  3. DOM-molekylär mångfald ökar med ökande DOC-koncentration.

Resultat

Molekylär mångfald och biomolekylklassificering av DOM

Antalet DOM-molekylära föreningar detekterade som m / z-toppar (molekylär mångfald) var i genomsnitt 1 293 ± 307 SD över alla vattenproven och sträckte sig från 865 till 2 194 (fig. La). Variationskoefficienten (CV) för den molekylära mångfalden var 23%. Den molekylära mångfalden skilde sig inte signifikant mellan provtagningsplatser ( p > 0, 05).

( a ) Medelvärden för antalet m / z-toppar och ( b ) DOC-koncentration i bulkavsättning, genomfall, markvatten, grundvatten och strömvatten under studietiden. Felstänger representerar standardavvikelser. Värden med samma bokstav indikerar ingen signifikant skillnad ( p > 0, 05). F O och F Y representerar gamla odlingsskog respektive unga plantager. Se Metoder för förkortningar av grundvatten.

Bild i full storlek

Varje DOM-molekylförening tilldelades en av sju biomolekylära klasser (dvs. lipider, proteiner, aminosugarer / kolhydrater (As / Ch), omättade kolväten (UH), ligninliknande molekyler (ligniner), tanninliknande molekyler (tanniner), eller kondenserade aromatiska strukturer (CAS)), eller det noterades att det inte kunde tilldelas någon klass. Våra resultat avslöjade att antalet ligniner var större än i någon annan klass och att endast ett fåtal molekyler av As / Ch hittades i varje prov förutom bulkuppsättningsprovet som erhölls i maj (Fig. 2). Antalet ligniner var särskilt stort i genomgång, grundvatten-PT och strömvattenprover i juni. Antalet lipider eller proteiner var det näst största efter ligniner i majoriteten av vattenproverna; I vissa prover var antalet CAS dock andra än ligniner.

F O och F Y representerar gamla odlingsskog respektive unga plantager. n- värden representerar antalet lysimetrar som samlade markvatten. Medelvärdena visas för markvattenprover med n = 2 eller n = 3. Se Metoder för förkortningarna för grundvatten och biomolekylär klasser och se figurerna S1 och S2 för variationer i antalet m / z-toppar för varje biomolekylär klass i jord vattenprover.

Bild i full storlek

Förhållanden mellan biomolekylära klasser och DOC-koncentration till molekylär mångfald

DOM-molekylär mångfald ökade signifikant med ökande antal ligniner, tanniner och CAS i både maj och juni (fig. 3a: r = 0, 83, p <0, 001 i maj, r = 0, 77, p <0, 001 i juni; 3b: r = 0, 86 p = 0, 001 i maj, r = 0, 77, p <0, 001 i juni; 3c: r = 0, 77, p <0, 01 i maj, r = 0, 76, p <0, 001 i juni). Andelen ligniner, tanniner och CAS i molekylär mångfald i markvatten var i allmänhet hög (28–56%) jämfört med de i bulldeponering och genomfall (20–31%), men inte i jämförelse med genomfallet i juni (56%).

( a ) Förhållande mellan det totala antalet m / z-toppar (molekylär mångfald) och antalet toppar som representerar ligninliknande molekyler (ligniner), ( b ) tanninliknande molekyler (tanniner) och ( c ) kondenserade aromatiska strukturer ( CAS). Solida och trasiga linjer representerar regressionslinjer för data erhållna i maj respektive juni.

Bild i full storlek

DOC-koncentrationen över alla vattenproven var i genomsnitt 11, 2 ± 10, 4 mgC l –1, från 0, 7 till 36, 4 mgC l –1 (fig. 1b). CV för DOC-koncentration var 93%. DOC-koncentrationen skilde sig signifikant mellan provtagningsplatserna (fig. 1b: p <0, 01). Det fanns ingen korrelation mellan DOC-koncentration och DOM-molekylär mångfald (fig. 4: r = 0, 09, p = 0, 742 i maj, r = 0, 09, p = 0, 722 i juni).

Bild i full storlek

Rumslig variation i molekylkompositionen DOM

Antalet molekylära föreningar detekterade som samma m / z-topp mellan olika vattenprover varierade från 153 till 1010. Andelen av dessa föreningar i molekylär mångfald varierade från 10% till 60% beroende på provtagningslokalitet. Dessutom var antalet ligniner som delades mellan olika vattenprover större än för någon annan biomolekylär klass och varierade från 52 till 445.

Dendrogrammet inklusive alla arter av molekylföreningar som detekterades av FT-ICR MS i maj (fig. 5a) visade att bulkavsättning och genomfall bildade ett litet kluster, vilket indikerar att dessa prover i maj hade många molekylära föreningar gemensamt. Dendrogrammen för de sju biomolekylära klasserna i maj (fig. 5b – h) visade också att ligniner som upptäcktes i bulldeponering och genomfall bildade ett litet kluster. Jordvatten O-horisont (SWO (O1), SW Y (O1) och SW Y (O2) i fig. 5), grundvatten-PT och strömvatten grupperades i samma kluster i ligniner, tanniner och CAS-dendrogram i Maj (Fig. 5f – h). Bulkavsättningen och genomfallet bildade inte ett litet kluster i dendrogrammet inklusive alla molekylära föreningar identifierade i juni (fig. 6a); emellertid grupperades de i samma kluster när dendrogrammet klipptes vid olika nivå av 0, 95. Å andra sidan visade dendrogrammen för de sju biomolekylära klasserna i juni (fig. 6b – h) att ligininer som upptäcktes i bulkavsättningen och genomfallet separerades i de olika klusterna. Grundfall, grundvatten-PT och strömvatten bildade ett kluster i ligniner, tanniner och CAS-dendrogram (fig. 6f – h), som uppvisade liknande mönster som dendrogrammet inklusive alla molekylära föreningar som identifierades i juni. Starka positiva korrelationer hittades mellan de kofenetiska matriserna på Jaccards avstånd för alla molekylära föreningar och för ligniner både i maj och juni (Fig. 7: r = 0, 84, p <0, 001 i maj, r = 0, 87, p <0, 001 i juni).

( a ) Klusterdendrogram av olika provtagningsplatser för alla identifierade molekylföreningar och ( b - h ) för de sju biomolekylära klasserna i maj. Figuren i parentesen representerar identifieringsnumret för de tre lysimetrarna (L1 – L3). Se Metoder för förkortningar av biomolekylära klasser.

Bild i full storlek

( a ) Klusterdendrogram av olika provtagningsplatser för alla identifierade molekylföreningar och ( b - h ) för de sju biomolekylära klasserna i juni. Figuren i parentesen representerar identifieringsnumret för de tre lysimetrarna (L1 – L3). Se Metoder för förkortningar av biomolekylära klasser.

Bild i full storlek

Se Metoder för förkortningar av biomolekylära klasser.

Bild i full storlek

Diskussion

Resultaten av FT-ICR MS-analysen avslöjade att tusentals olika DOM-molekyler fanns i varje vattenprov som samlats in från vår undersökningsplats, dvs. Kangasvaara-avrinningen (Fig. 1a). FT-ICR MS är ett av de mest avancerade instrumenten som är tillgängliga för upptäckt av joniserbar DOM eftersom den har ultrahög massupplösning och ofta är kopplad till en icke-förstörande jonkälla, dvs. elektrosprayjonisering (ESI) 30 . Kim et al . 31 analyserade molekylkompositionen för DOM i en svartvattensström belägen i Pinelands of New Jersey, USA med hjälp av FT-ICR MS och upptäckte 18 toppar som kan tilldelas molekylformler inom området m / z 469, 0–469, 3. Dessutom har Witt et al . 32 undersökte molekylkompositionen av fulvinsyra i ett vattenprov samlat från Suwannee River, USA, med användning av FT-ICR MS och detekterade 21 toppar ungefär vid m / z 411 inom 0, 35 i massspektrumet. Dessa tidigare studier indikerade att FT-ICR MS möjliggör detektering av DOM-molekylföreningar inom ett smalt intervall av m / z-värden. Kim et al . 33 detekterade över 3 000 molekylära föreningar i masspektrumet för vattenproven erhållna i tropiska och tempererade skogar. Dessutom har Wozniak et al . 34 detekterade över 3 000 molekylära föreningar i aerosol-härledd vattenlösligt organiskt kol som samlats in från landsbygden i Virginia och New York, USA. Mazzoleni et al . 35 detekterade 1 368 molekylära föreningar i vattenlösligt atmosfäriskt organiskt material som finns i dimma vatten. Antalet molekylära föreningar detekterade som m / z-toppar (molekylär mångfald) i denna studie var jämförbart med de som observerades i de tidigare studierna. Å andra sidan observerades ingen tydlig trend i molekylär mångfald enligt provtagningsläget, även om molekylföreningarna kunde delas in i biomolekylära klasser, där antalet ligniner var störst (Fig. 2) (hypotes 1).

De linjära förhållandena mellan DOM-molekylär mångfald och antalet ligniner, tanniner och CAS (fig. 3) antyder att lågbiologiskt nedbrytbara molekyler reglerar förändringar i DOM-molekylär mångfald 36, 37 . Bionedbrytbara molekyler, såsom hydrofilt organiskt material som lakas ut från träd, används företrädesvis av mikroorganismer, vilket resulterar i ett överflöd av lågbiologiskt nedbrytbara molekyler, såsom hydrofoba aromatiska föreningar som är kvar i jord 29, 38 . Hur et al . 39 föreslog att mikrobiellt utnyttjande av labila komponenter, såsom enkla kolhydrater och aminosyror, gav humiska liknande aromatiska komponenter i DOM extraherat från bladskräp. Dessa skulle också återspeglas i den generellt högre andelen summan av ligniner, tanniner och CAS i den molekylära mångfalden i markvatten än i bulkavsättning och genomfall. Emellertid kan vissa lågbiologiskt nedbrytbara molekyler företrädesvis adsorberas av jordpartiklar 18, 40 . Detta kan återspeglas i variationerna i antalet lågbiologiskt nedbrytbara molekyler bland replikat av markvattenprover (se figurerna S1 och S2). Liknande mönster hittades bland ligninerna, tanninerna och CAS-dendrogrammen (fig 6 och 7), vilket antydde att dynamiken hos lågbiologiskt nedbrytbara molekyler var likartad inom boreala skosekosystem.

Jämförelser av m / z-värdet mellan olika vattenprover avslöjade att vanliga molekylära föreningar fanns vid olika provtagningsplatser (hypotesen 2). Vi fann att antalet ligniner som delades mellan olika provtagningsplatser var större än för någon annan biomolekylär klass. Dessutom visade korrelationsanalyser mellan de kofenetiska matriserna på Jaccards avstånd (fig. 7) att mönstret för likhetsgraden mellan samplingsplatser för ligniner återspeglar det för alla molekylföreningar som detekteras av FT-ICR MS. I själva verket hittades liknande mönster mellan dendrogrammen för ligniner och alla molekylära föreningar i maj och juni (fig 5 och 6). Dessa resultat indikerar att ligniner kan reglera rumsliga variationer i antalet vanliga molekylföreningar. Ligniner är fenolpolymerer som huvudsakligen härstammar från kärlväxter i terrestriska ekosystem och anses vara upprepande organiska ämnen eftersom de nedbryts i lägre takt än andra ämnen som härstammar från växter, såsom cellulosahaltiga och icke-cellulosa polysackarider och proteiner 41, 42 . Detta möjliggör förmodligen ligniner att existera som de molekylära föreningar som är gemensamma för olika provtagningsplatser på vår studieplats.

Å andra sidan fanns ett antal olika molekylföreningar mellan provtagningsplatser eftersom vanliga molekylära föreningar stod för mindre än 50% av molekylär mångfalden i majoriteten av vattenproverna. Detta kan relateras till det faktum att kvaliteten på DOM förändras av flera processer. Exempelvis släpper trädkardiner och skogsmark DOM-molekylföreningar i regnvatten; medan i regnvatten omvandlas de mikrobiellt till föreningar med lägre molekylvikt och / eller vissa kvarhålls i mineraljord via samutfällning 40, 43, 44, 45 . Sleighter and Hatcher 46 noterade att kemiska strukturer kan skilja sig fast även om de tilldelade molekylformlerna är desamma mellan olika vattenprover för FT-ICR MS-analysen. De visade också olika kemiska strukturer för C26H32O11 som ett exempel på isomerer, som representerar två huvudsakliga eldfasta ämnen, dvs. lignin och karboxylrik alicyklisk molekyl, och förklarade att dessa ämnen har olika reaktiviteter och källor men de har samma molekylär formel. Därför är det möjligt att till och med molekylföreningar som betraktades som ligniner i van Krevelen-diagrammet var felaktigt identifierade och följaktligen fanns ett större antal olika molekylföreningar mellan provtagningsplatser än observerade. Detta skulle också stödjas av Reetsma 47 som säger att molekylen som plottas in i en av de biomolekylära klasserna i diagrammet inte nödvändigtvis tillhör den klassen eftersom O / C och H / C förhållandena är otillräckliga kriterier för att tillskriva en molekyl till en viss biomolecuar-klass. Flera studier beskrev emellertid att ligniner är huvudkomponenter i eldfast DOM i det terrestriska sötvattnet 12, 30, 48 . I skogar anses skräp vara en viktig källa till jord DOM 49 och särskilt barrtrö, såsom gran- och tallnålströ kan frigöra lignin-härledda DOM-komponenter med en hög aromitet i jordarna via mikrobiell sönderdelning 50 . Dessa stödjer vår slutsats att ligniner kan reglera rumsliga variationer i antalet vanliga molekylära föreningar och följaktligen molekylär mångfald i boreala skogar.

Vertikala profiler i DOM-molekylär mångfald och DOC-koncentration inom Kangasvaara-avrinningen (fig. 1) avslöjade att variationer i DOM-molekylär mångfald var mycket mindre än de i DOC-koncentrationen. Förmodligen återspeglar detta resultat förändrades inte molekylär mångfald i samband med DOC-koncentration (fig. 4) (hypotes 3). Dessa resultat visar att enbart DOC-koncentration inte tillräckligt förklarar rumsliga variationer i molekylär mångfald. Detta kan tillskrivas det faktum att molekylkompositioner detekterade av FT-ICR MS inte ger kvantitativ information om molekylföreningarna som finns i DOM 51 . Alternativt kan det hänföras till det faktum att inte alla DOM-molekylföreningar i vattenprover är detekterbara på grund av att anrikningsförfarandet för DOM från vattenprover, såsom C18-fastfas-extraktionsmetoden som används, är ofullständig 47 och även på grund av att det inte är joniserbart organiska föreningar kännetecknas inte av FT-ICR MS 30 . Reemtsma och dessa 52 föreslog möjligheten att komponenter med hög molekylvikt av humiska och fulvinsyror joniserades mindre effektivt av ESI än komponenter med låg molekylvikt. Dessutom uppgav Piccolo och Spiteller 53 att vid användning av ESI för att detektera DOM-molekylföreningar kan dominansen av hydrofoba föreningar i humiska substanser hämma ESI för hydrofila föreningar på grund av supramolekylära föreningar av lågmolekylära organiska föreningar. Stenson et al . 54 använde ESI kopplat till FT-ICR MS för att detektera molekylföreningar i Suwannee River fulvinsyror och rapporterade att joner som genererats av ESI delvis var representativa för hela de humiska ämnena som studerades. I vilket fall som helst antyder våra resultat att DOM-molekylär mångfald inte ökar eller minskar med DOC-koncentrationen i vattenprover som samlats in från boreala skogar.

Denna studie presenterar preliminära men aldrig tidigare skådade resultat om förändringar i molekylär mångfald och sammansättning av DOM över vattenrörelse i en boreal skog. I det här skedet kunde vi inte undersöka temporära variationer i kvaliteten på DOM. Vanliga DOM-molekylföreningar detekterades emellertid på samma plats mellan maj och juni och antalet ligniner som var gemensamma för både maj och juni var större än för någon annan biomolekylär klass för något vattenprov (fig. S3). Därför är det möjligt att ligniner reglerar inte bara rumsliga utan också temporära variationer i molekylär mångfald. Ytterligare forskning behövs om de temporära variationerna och om de faktorer som driver de rumsliga och temporära variationerna i molekylär mångfald och mekanismerna för bevarande och förändring av DOM-molekylföreningar över vattenrörelse under året i boreala ekosystem.

metoder

Webbplatsbeskrivning

Denna studie genomfördes i Kangasvaara-avrinningen (fig. S4) i östra Finland (63 ° 51′N, 28 ° 58′E). Avrinningsområdet och medelhöjden är 56 ha respektive 187 m hög. Avrinningsområdet har en flerårig bäck. Avrinningsgradens medelvärdeslutning är 7%. Från 1981 till 2000 var den genomsnittliga årliga lufttemperaturen 2, 3 ° C och nederbörden var 527 mm, varav 35% var snöfall 55 . Jordar i avrinningsområdet består huvudsakligen av järnpodzoler (hapliska podzoler) och fibriska histosoler (torv), som har utvecklats på stenigt material. Den underliggande berggrunden består av gneissgranit och granodiorit. Andelen torvmark är 8% av avrinningsområdet 56 . De flesta av skogarna på mineralmarken på upplandet (97%) var gamla tillväxtskogar dominerade av den norska gran ( Picea abies L. Karst.), Skotsk tall ( Pinus sylvestris L.) och vit- och silverbjörk ( Betula pubescens Ehrh. respektive Betula pendula Roth. Europeisk asp ( Populus tremula L.) hittades också i avrinningsområdet 56 .

De experimentella ställningarna i avrinningen var gammal tillväxtblandad skog (F O ) dominerad av den norska gran och 12-åriga skotska tallplantage (F Y ). Plantagen etablerades efter skörd av en del av Norges granstativ (fig. S4). En tomt på 50 × 50 m upprättades i varje monter. Norges gran, skotsk tall och lövträd stod för 53%, 33% respektive 14% av den totala ståvolymen på 260 m 3 ha –1 i F O. Fältlagervegetationen dominerades av dvärgbuskar ( Vaccinium vitis-idaea L. och V. myrtillus L.) och bottenlagret av fjädermossor ( Pleurozium schreberi Brid. Och Hylocomium splendens (Hedw.) BS & G.). Skogsbotten bestod av strö och mor humus. 1996 gjordes endast skörd av skörden i 35% av avrinningsområdet och därefter planterades Scots tallplantor. Grenar, löv och trädtoppar, vars diametrar var mindre än 8 cm, lämnades på plats. Fältlagervegetationen dominerades av gräs ( Deschampsia flexuosa (L.) Trin.) Och örter ( Epilobium angustifolium L.), och det undre lagret av pionjärmossor ( Dicranum sp. Och Polytrichum sp.) I F Y. Den genomsnittliga tjockleken för det överliggande mor humuslagret (O-horisonten), den eluviala (E) horisonten och den övre illuviala (B) horisonten var 5, 7, 6, 8 respektive 13, 9 cm.

Provtagning av vatten

Bulkavsättning, genomgång, markvatten, grundvatten och strömvatten provades i maj efter snösmältning och i juni före de torra sommarmånaderna 2010. Bulkavlagring togs med hjälp av fem öppna samlare (vardera 130, 7 cm 2 ) i ett öppet område inom 500 m av de experimentella tomterna (fig. S4). Genomgångsprov togs med användning av 20 samlare av samma typ som användes för bulkdeponering, systematiskt placerade runt FO- tomterna. Bulkavsättning och genomgångsprov samlades in en vecka i varje månad och tömdes efter veckan.

Jordvattnet samlades upp under O-horisonten, på ett djup av 15 cm som var jämförbart med E-horisonten och på ett djup på 35 cm som var jämförbart med B-horisonten genom spänning (60 kPa) lysimetrar som bestod av 67 mm långa porösa koppar med en ytterdiameter på 12 mm (P80, Hoechst CeramTec AG, Tyskland). Tre lysimetrar (L1, L2 och L3) placerades 1–2 m från varandra i varje horisont och varje stativ och markvatten från varje plats samlades upp under samma vecka som bulkutfällning och genomgång. I maj erhölls inga vattenprover från två lysimetrar i E- och B-horisonterna i FO, en lysimeter i O-horisonten, tre lysimetrar i E-horisonten och två lysimetrar i B-horisonten i FY på grund av liten nederbörd. I juni erhölls inga vattenprover från tre lysimetrar i O-horisonten i FO, tre lysimetrar i O-horisonten och en lysimeter i B-horisonten i FY .

Grundvattnet erhölls från ett grundvattenrör installerat på ett djup av 0, 7 m i torvskiktet (grundvatten-PT), 2, 5 m i moränen (grundvatten-MO) och 2, 4 m i mineraljorden under torvskiktet (grundvatten- MI). Torvskiktets djup runt grundvattnet-PT varierade från 1, 5 till 2, 1 m. Grundvattenröret var tillverkat av polyamid och hade en inre diameter på 30 mm och en ytterdiameter av 40 mm. Strömvattenproverna uppsamlades vid utloppet av Kangasvaara-avrinningen (Fig. S4). Grundvatten- och strömvattenprover togs samma dag som andra vattenprover, där temperatur, nederbörd och 10-dagars antecedent nederbörd var 8, 1 ° C i maj och 13, 5 ° C i juni, 0, 8 mm i maj och 0 mm i juni och 27, 3 mm i maj respektive 57, 3 mm.

Alla prover filtrerades med användning av förbrända glasfiberfilter med en nominell porstorlek av 0, 7 um (GF / F, Whatman, Japan) och frystes tills analys.

Kemiska och dataanalyser

DOC-koncentrationer mättes med användning av förbränningskatalytisk oxidationsmetod (TOC-5000; SHIMADZU Corp., Japan). DOM-molekylföreningar analyserades med användning av elektrosprayjonisering (ESI) kopplad till högupplösta FT-ICR MS. I denna studie användes en FT-ICR-masspektrometer med ett 9, 4-T magnetfält (APEX-Q-94e, Bruker Daltonics Inc., MA, USA). Filtrerade prover behandlades med metoden C18 fast fasekstraktion (SPE) för att avlägsna oorganiska salter 57 . Vattenprover extraherade med denna metod utspäddes med avjoniserat vatten och metanol för att ge en slutlig provkomposition av 50/50 (v / v) metanol till vatten. Extraktionseffektiviteten varierade från 32% till 64%. Joniseringseffektiviteten förbättrades genom tillsats av ammoniumhydroxid före ESI 23 . Prover injicerades i FT-ICR-masspektrometern med hjälp av en sprutpump med en infusionshastighet av 100 pl tim –1 . Alla prover analyserades i det negativa jonläget. Elektrosprejspänningen optimerades för varje prov. Joner ackumulerades i en hexapol i 2 s innan de överfördes till ICR-cellen, och de 100 transienter som samlades in med användning av en 2 M Word-tidsdomän tillsattes. Alla spektra (fig. S5) kalibrerades externt med användning av en argininstandard och kalibrerades internt med användning av fettsyror. Masslistor framställdes med användning av ett signal-till-brusförhållande (S / N) avstängning av 4. Isotoptoppar togs bort från listan. Den molekylära formelberäknaren (Molecular Formula Calculator ver. 1.0; © NHMFL, 1998) användes för att tilldela en förväntad molekylformel för varje m / z-värde med en massnoggrannhet ≤1 ppm 23, 27 . Endast m / z-värden i intervallet 180–500 infördes i räknaren för molekylformel. Följande villkor användes för formeltilldelning: C = 0 – ∞; H = 0 – ∞; O = 0 – ∞; N = 0–5; S = 0–3; P = 0–3; DBE ≥ 0 27 . Efter formeltilldelningen av räknaren för molekylformel eliminerades vissa formler som inte kan observeras i naturligt vatten baserat på regler som beskrivs i Kujawinski och Behn 58 och Wozniak et al . 34 .

För att identifiera vilken biomolekylär klass varje molekylförening tillhörde användes ett van Krevelen-diagram baserat på grundförhållandena i de förväntade molekylformlerna, dvs syre-till-kol (O / C) och väte-till-kol-förhållanden (H) / C) 26 (fig. S6). Här uteslutte vi molekylerna som tilldelades flerkandidatformler och därmed inte hade ett visst intervall av O / C- och H / C-värden som faller in i en biomolekylär klass. De uteslutna molekylerna stod i genomsnitt för 40% av de totala m / z-topparna med en variation mellan 19 och 55% och tenderade att öka med ökande molekylvikt. Efter de protokoll som Grannas et al . Föreslog. 27 och Hockaday et al . 28 delades varje molekylförening i sju biomolekylära klasser baserat på ett visst intervall av O / C- och H / C-värden. Dessa inkluderade lipider: H / C> 1, 5, 0 <O / C 1, 5, 0, 3 <O / C <0, 67; aminosugarer / kolhydrater (As / Ch): H / C> 1, 5, O / C> 0, 67; omättade kolväten (UH): 0, 7 <H / C <1, 5, O / C <0, 1; ligninliknande molekyler (ligniner): 0, 7 <H / C <1, 5, 0, 1 <O / C <0, 67; tanninliknande molekyler (tanniner): 0, 5 <H / C <1, 5, 0, 67 <O / C; och kondenserade aromatiska strukturer (CAS): 0, 2 <H / C <0, 7, O / C <0, 67.

DOC-koncentration och antalet detekterade molekylföreningar jämfördes mellan provtagningsplatser med användning av en enkelriktad ANOVA. Antalet kopior varierade från 2 till 4 på varje plats. Tukey-Kramer post-hoc-test användes för att jämföra provmedel. Normalitet (Shapiro-Wilk-test) och homogenitet (Bartlett-test) kontrollerades i förväg. Jaccard-likhetskoefficienter beräknades för att undersöka hur många molekylföreningar som var desamma mellan olika provtagningsplatser, där koefficient = 1 indikerar att två vattenprover delar alla molekylföreningarna medan koefficient = 0 indikerar att det inte finns några vanliga molekylföreningar. Därefter erhölls dendrogram av olika provtagningsplatser för alla molekylära föreningar som kan detekteras med FT-ICR MS och för varje biomolekylär klass genom att beräkna Jaccards avstånd mellan prover och därefter med användning av Ward's metod. Dessutom beräknades korrelationskoefficienter mellan kofenetiska matriser med Jaccards avstånd för alla molekylära föreningar och för varje biomolekylär klass för att undersöka vilket biomolekylärt klass dendrogram uppvisar ett liknande mönster som dendrogrammet för alla molekylära föreningar. Statistiska analyser i denna studie utfördes med R (version 2.13.1 59 ).

ytterligare information

Hur man citerar denna artikel: Ide, J. et al . Rumsliga variationer i molekylär mångfald av upplöst organiskt material i vatten som rör sig genom en boreal skog i östra Finland. Sci. Rep 7, 42102; doi: 10.1038 / srep42102 (2017).

Förlagets anmärkning: Springer Nature förblir neutral när det gäller jurisdiktionskrav i publicerade kartor och institutionella anslutningar.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

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