Name: a co2 concentration gradient facility for testing co2 enrichment and soil effects on grassland ecosystem function
Uploaded: 2015-11-21T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function at JoVE.com

We thank Anne Gibson, Katherine Jones, Chris Kolodziejczyk, Alicia Naranjo, Kyle Tiner, and numerous students and temporary technicians for operating the LYCOG facility, conducting sampling, and data processing. L.G.R. acknowledges USDA-NIFA (2010-65615-20632).

1. Sammeln Bodenmonolithen als Wiege Lysimeter eingesetzt werden <ol><li> Konstruieren Sie offene Stahlboxen 1 x 1 m Platz, der von 1,5 m tief aus 8 mm starkem Stahl. </li><li> Drücken Sie die offenen Boxen vertikal in den Boden, mit hydraulischen Pressen auf Spiralanker befestigt gebohrt 3 m tief in den Boden. </li><li> Auszugraben die eingehüllte Monolithen mit einem Bagger oder ähnliche Geräte. </li><li> Platzieren einer Glasfaserdocht in Kontakt mit dem Erdreich an der Basis des Monolithen. Übergeben Sie den Docht durch das Stahlgestell in einen 10 L Reservoir, um den Monolithen entleeren und dann schweißen die Stahlbasis auf den Boden der Box. </li><li> Tötet vorhandene Vegetation auf den Monolithen durch Aufbringen einer nicht-Herbizid mit wie Glyphosat. </li></ol> 2. Stellen Pflanzen Gemeinschaften für Bodenmonolithen <ol><li> Pflanze die Monolithen mit je sieben Arten von tallgrass acht Sämlinge Gräsern und gras forbs, für eine Gesamtdichte von 56 Pflanzen pro m 2. <ol><li&gt; Pflanzen folgende Grasses: Bouteloua curtipendula (side-Hafer grama), Schizachyrium scoparium (kleine bluestem), Sorghastrum nutans (Indiangrass), Tridens albescens (weiß tridens)]. </li><li> Pflanzen Sie die folgenden Forbs: Salvia azurea (Pitcher Salbei), Solidago canadensis (Kanadische Goldrute), Desmanthus illinoensis (Illinois bundle, eine Hülsenfrucht). </li></ol></li><li> Pflanzenkeimlingen in einem lateinischen Quadrats, für jedes Monolithen erneut randomisiert. </li><li> Wasser Die Transplantate für ca. 2 Monate nach der Pflanzung. Ziel ist es, Wasserstress während der anfänglichen Einrichtung zu minimieren. Verwenden Sie ein beliebiges geeignetes Verfahren, wie beispielsweise einer Hand Zauberstab oder Gartensprenger. Die Häufigkeit der Bewässerung hängt von den örtlichen Klima- und Wetter, insbesondere das Auftreten von Umgebungs Niederschläge. </li><li> Nach der ersten Transplantation Gründungsphase, pflegen die Transplantate unter Umgebungsniederschlag für so lange wie nötig, während Kammern (Abschnitt3) ausgebildet sind. Entfernen Sie unerwünschte Arten, die während der Einrichtung durch das Jäten von Hand in den Monolithen entstehen. </li></ol> 3. Kammer Entwurf <ol><li> Konstruieren Sie zwei Kammern jeweils 1,2 m breit, 1,5 m hoch und 60 m lang, in zehn 5 m lange Abschnitte unterteilt. Konstruieren Sie Ausschnitte aus schwerem Stahl mit den Abmessungen 5 mx 1,2 mx 1,6 m tief, bis 1,5 m begraben. <ol><li> Legen Sie vier Monolithen in jedem Abschnitt, die jeweils von zwei der Bodenarten, in zufälliger Reihenfolge zwei Monolithen. Installieren Sie jedes Monolithen auf einem 4540 kg Tragkraft Gleichgewicht. </li><li> Fügen Bastsil Monolithen in den Paarungen in geraden Abschnitten. </li></ol></li><li> Registriert benachbarten Abschnitten mit einem 1 m langen x 1 m Breite x 0,3 m groß Blechkanal oberirdisch, einen Weg für die Luftzirkulation sorgen. <ol><li> Zufuhrkühlmittel bei 10 ° C aus einem 161,4 kW Kälteeinheit mit einer Kühlspule in jedem Kanal. </li><li> Schließen Sie die Vegetation mit klaren Gewächshaus-Film (Dicke 0,006 &quot;/. 15 mm), wie in anderen verwendetKlima Manipulationsexperimente 23. </li><li> Passen jede Abdeckung mit einem Reissverschluss gesichert durch eine Windleiste, um den Zugang zu den Monolithen für die Probenahme zu ermöglichen. </li><li> Entfernen Sie den Deckel aus Polyäthylen am Ende der Vegetationsperiode. </li></ol></li></ol> 4. CO2 und Lufttemperaturmessung; Temperaturkontrolle <ol><li> Probe-und Ausstieg C A auf beiden Kammern alle 2 min durch gefilterte Luft Probenleitungen an der Ein- und Ausreise von superambient und unter Umgebungskammern befinden. Diese Daten informieren CO 2 Einspritzung und Steuerung der Lüftergeschwindigkeit. <ol><li> Probe C A und Wasserdampfgehalt, und messen Lufttemperatur (T A) an der Ein- und Ausreise von jeweils 5 m Schnitt bei 20 min-Takt. </li><li> Messen alle Luftproben für CO 2 und Wasserdampfgehalt in Echtzeit unter Verwendung von Infrarot-Gasanalysatoren nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Messen Sie T A am Eingang, Mittelpunkt, eind Ausgang jedes Abschnitts mit geschirmten Feindrahtthermoelementen. </li></ol></li><li> Regulieren die Strömung des Kühlmittels durch die Kühlschlange am Eingang eines jeden Abschnitts, um eine konsistente Mittelwert (Mittelteil) T A von Abschnitt zu Abschnitt in der Nähe der Umgebungs T A zu erhalten. </li><li> Positionieren Sie einen Quantensensor, um eine freie Sicht auf den Himmel haben, und messen photosynthetischen Photonendichte nach dem Protokoll des Herstellers. Lichtstärke ist ein Eingang zu dem Gebläse-Regelalgorithmus. </li></ol> 5. C A Behandlung Anwendungs <ol><li> Daytime <ol><li> Mischungs reinem Kohlendioxid (CO 2) durch Umgebungsluft auf 500 &amp; mgr; L -1 C A, unter Verwendung eines Massenflussreglers im Eingangskanal der superambient Bein. Siehe Abschnitt 4 C A Mess Details. </li><li> Advektieren die angereicherte Luft durch die Kammern mit Gebläse Fans am Eingang Nummer 1 und in nachgelagerten Bereiche. </li><li> Maintain den gewünschten Ausgang C A von 390 &amp; mgr; L -1 (Umgebungsluft) durch Einstellung der Gebläsedrehzahl. <ol><li> Erhöhen Sie die Gebläsedrehzahl, wenn der Ausgang C A ist unter den Sollwert. Dies erlaubt, dass weniger Zeit für die Aufnahme durch Pflanzen aus CO 2, was zu einer höheren Austritts C A. </li><li> Verringern Sie die Gebläsedrehzahl, wenn die Ausfahrt C A ist über dem Sollwert. </li></ol></li><li> Verwenden Sie die gleiche Vorgehensweise in der unter Umgebungskammer mit Ausnahme einzuführen Umgebungsluft und Kontrolle, um die Ausfahrt C A von 250 &amp; mgr; L -1 zu erreichen. </li></ol></li><li> Nachtzeit <ol><li> Kehren Sie die Richtung des Luftstroms. </li><li> Injizieren CO 2 in die Tagesaustrittsende der superambient Kammer bis 530 &amp; mgr; L -1 C A zu erreichen, und die Steuerung Advektion Raten bis 640 &amp; mgr; L zu erhalten -1 bei der nächtlichen Ausfahrt (tags Eingang. </li><li> Einzuführen Umgebungsluft bei ~ 390 &amp; mgr; L -1 CO 2 in die Nachteingang(tagsüber exit) des unter Umgebungskammer und Steuer Advektion Rate bis 530 &amp; mgr; L zu erhalten -1 bei der nächtlichen Ausgang. </li></ol></li></ol> 6. Niederschlag Eingänge <ol><li> Übernehmen Sie die mittlere Wachstumssaison Regenmenge zu jeder Monolith. <ol><li> Liefern Wasser in jedes Monolithen aus einer Hauswasserquelle durch eine Tröpfchenbewässerung. Planen Sie die Bewässerungs Veranstaltungen und Aufwandmengen, um die saisonalen Niederschläge Muster für das Experiment Ort anzunähern. Der genaue Zeitplan hängt von den örtlichen Klima. </li></ol></li><li> Steuerungsanwendung Timing mit einem Datenlogger und messen Anwendungs-Volumes mit Durchflussmessern. </li></ol> 7. Sampling <ol><li> Messen Sie Vertikalprofile der volumetrischen Bodenwassergehalt (vSWC) wöchentlich während der Zeit der CO 2-Steuerung, mit einer Neutronendämpfungsmessgerät oder eine andere geeignete Sonde. <ol><li> Empfohlen Profil Schritten sind 20 cm Tiefe Schritten zu 1 m dePTH und ein 50 cm Schrittweite unter einer 1 m. </li></ol></li><li> Maßnahme Monolithen oberirdisch Nettoprimärproduktivität (ANPP) durch Ernten aller ständigen oberirdischen Biomasse am Ende der Vegetationsperiode. <ol><li> Alle oberirdischen Biomasse wird jedes Jahr entfernt, daher stehen Biomasse stellt aktuelle Primärproduktion. </li><li> Sortieren Sie die abgetasteten Biomasse nach Arten, trocken bis zur Massenkonstanz und wägt. </li><li> Verwenden Biomasse der einzelnen Arten an Pflanzenarten Beiträge zu ANPP quantifizieren. </li></ol></li></ol>

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A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+grassland+responses+to+past+and+future+atmospheric+CO2.">Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2.</a> Nature. 417 (6886), 279-282 (2002).</li><li>Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Blair, J. M., Collins, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Productivity+responses+to+altered+rainfall+patterns+in+a+C4-dominated+grassland.">Productivity responses to altered rainfall patterns in a C4-dominated grassland.</a> Oecologia. 137 (2), 245-251 (2003).</li><li>Miglietta, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+and+temporal+performance+of+the+miniface+(free+air+CO2+enrichment)+system+on+bog+ecosystems+in+northern+and+central+Europe.">Spatial and temporal performance of the miniface (free air CO2 enrichment) system on bog ecosystems in northern and central Europe.</a> Environmental Monitoring and Assessment. 66 (2), 107-127 (2001).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Die LYCOG Anlage erreicht ihre operative Ziel der Aufrechterhaltung einer 250 bis 500 &amp; mgr; L -1 kontinuierlichen Gradienten von C A-Konzentrationen auf experimentellen Grünland Gemeinschaften auf drei Bodentypen etabliert. Die Veränderung der C A ist linear über den vorgegebenen Bereich. Lufttemperatur in jedem Abschnitt erhöht, jedoch wurde von den zwischen Schnitt Kühlschlangen in den meisten Abschnitten zurückgesetzt. Als Ergebnis wurde die Betriebs Ziel der Beibehaltung e...

Atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration (C A) hat vor kurzem erhöhte letzten 400 &amp; mgr; L -1 von etwa 270 &amp; mgr; L -1 vor der industriellen Revolution. C A voraussichtlich um mindestens 550 &amp; mgr; L -1 bis 2100 1 zu erreichen. Diese Steigerungsrate übertrifft alle in den letzten 500.000 Jahre beobachtet C A ändert. Die beispiellose Änderungsrate der C A wirft die Möglichkeit der nicht-linearen oder Schwellen Reaktionen von Ökosystemen zur Steigerung C A. Die meisten Ökosystem-Skala C Ein Anreicherungsversuche gelten nur zwei Behandlungen, eine einzige Ebene der angereicherten C A und Kontrolle. Diese Experimente haben stark unser Verständnis der Auswirkungen auf das Ökosystem des C Eine Bereicherung erweitert. Ist jedoch ein alternativer Ansatz, der das Vorhandensein von nichtlinearen Ökosystem Reaktionen auf steigende C A offenbaren kann die Ökosysteme in einem kontinuierlichen Bereich von unter Umgebungs zu studierensuperambient C A. Unter Umgebungs C A ist schwierig, auf dem Gebiet zu halten und wurde am häufigsten unter Verwendung von Wachstumskammern 2 untersucht. Superambient C A wurde unter Verwendung von Wachstumskammern, Open-Top-Kammern und Freiluftanreicherungstechniken 3, 4 untersucht. C Eine Anreicherung erfolgt über Landschaften viele Bodentypen enthalten. Böden Eigenschaften stark beeinflussen Ökosystem antwortet C Eine Bereicherung. Beispielsweise bestimmt Bodentextur die Retention von Wasser und Nährstoffe im Bodenprofil 5, ihre Verfügbarkeit für Pflanzen 6, und die Menge und Qualität der organischen Substanz 7-9. Die Verfügbarkeit von Bodenfeuchtigkeit ist ein entscheidender Vermittler der Ökosystem antwortet C Eine Anreicherung in Wasser beschränkt Systeme, darunter die meisten Grasland 10. Historische Feld C Ein Anreicherungsversuche haben in der Regel untersucht nur eine Bodenart, und kontrollierte Tests kontinuierlich varying C Eine Bereicherung über mehrere Bodentypen fehlen. Wenn Auswirkungen der C Eine Anreicherung auf Ökosystemprozesse unterscheiden sich Bodentyp, gibt es guten Grund zu räumliche Variation in Reaktionen Ökosystem C Eine Bereicherung und anschließenden Änderungen im Klima 11, 12 zu erwarten. Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient (LYCOG) Anlage wurde entworfen, um Fragen der räumlichen Variation in nicht-linearen und Schwellen Reaktionen von Ökosystemen, in C A Mengen im Bereich von ~ 250 bis 500 &amp; mgr; L -1 anzugehen. LYCOG schafft die vorgeschriebenen Gradienten von C A auf mehrjähriger Grünland Pflanzengemeinschaften wachsen auf Böden, die die breite Palette von Textur, N und C-Gehalte und hydrologischen Eigenschaften von Grasland im südlichen Teil des US Central Plains. Spezifische Böden Serie in der Anlage verwendet werden, sind Houston Schwarz-Ton (32 Monolithen), ein Vertisol (Udic Haplustert) typisch für Niederungen; Austin (32 Monolithen), einen Hoch carbonate, schluffiger Ton Mollisol (Udorthentic Haplustol) typischen Hochland; und Bastsil (16 Monolithen), eine alluviale sandiger Lehm Alfisol (Udic Paleustalf). Das Funktionsprinzip in LYCOG eingesetzt wird, um die Photosyntheseleistung von Pflanzen, um C Ein Abbau von Paketen von Luft bewegt gerichtet durch die geschlossenen Kammern zu nutzen. Das Ziel der Behandlung ist es, eine konstante lineare Tagesverlauf in C A 500 ​​bis 250 &amp; mgr; L -1 erhalten. Um dies zu erreichen, LYCOG besteht aus zwei linearen Kammern eine superambient Kammer Aufrechterhalten der Phase des Gradienten 500-390 (Umgebungs-) ul L -1 C A und einem bei unter Umgebungskammer Beibehaltung der 390 bis 250 &amp; mgr; L -1 Abschnitt des Gradient. Die beiden Kammern nebeneinander angeordnet sind, auf eine Nord-Süd-Achse ausgerichtet ist. Der C ein Gradient während des Teils des Jahres, wenn Vegetation Photosyntheseleistung ist ausreichend gehalten wird; typischerweise vonEnde April bis Anfang November. Die Kammern enthalten Sensorik und Messtechnik erforderlich, um die C regulieren eine Steigung, Kontrolle der Lufttemperatur (T A) in der Nähe von Umgebungswerte und gelten einheitliche Niederschlagsmengen auf allen Böden. Die Böden sind intakten Monolithen aus dem nahe gelegenen Blackland Grasland in hydrologisch-isoliert mit einem Gewicht von Lysimeter instrumentiert, um alle Komponenten des Wasserhaushalt bestimmen installiert gesammelt. In Ereignisse des Volumen und der Zeitpunkt, die die Saisonalität des regen Veranstaltungen anzunähern und beträgt bei einer durchschnittlichen Niederschlags Jahr wird Wasser eingesetzt. Somit ist LYCOG in der Lage ist die Bewertung der langfristigen Auswirkungen der unter Umgebungs bis C A superambient und Bodentyp auf Grünland Ökosystemfunktionen einschließlich Wasser und Kohlenstoffbudgets. LYCOG ist die dritte Generation der C Ein Gradient Experimente von USDA ARS Grünland Soil and Water Research Laboratory durchgeführt. Die erste Generation war ein Prototyp, um unter UmgebungsUmgebungs Gradienten, die die Lebensfähigkeit des Gradienten Ansatz 13 gegründet und erweiterte unser Verständnis der Blattebene physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Variation in C unter Umgebungs A 14-20. Die zweite Generation war ein Feld angelegte Anwendung des Konzepts bis C4-Grasland Mehrjährige Pflanze, mit dem Farbverlauf, um 200 bis 550 &amp; mgr; L -1 21 erweitert. Dieses Feld angelegte Experiment lieferte den ersten Beweis, dass Grünland Produktivitätssteigerungen mit C Eine Anreicherung kann sättigen in der Nähe von Strom die Konzentrationen 20, zum Teil, weil die Stickstoffverfügbarkeit kann die Produktivität der Anlage bei superambient C A 22 zu begrenzen. LYCOG erweitert diese zweite Generation experimentieren, indem repliziert Böden unterschiedlicher Textur, so dass robuste Tests für interaktive Effekte der Böden auf dem C Eine Antwort von Grünland Gemeinden.

<table><tbody><tr><td>Dataloggers, multiplexers</td><td>Campell Scientific, Logan, UT, USA</td><td>CR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T</td><td></td></tr><tr><td>Thermocouples: Copper-constantan</td><td>Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, USA</td><td>TT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE</td><td></td></tr><tr><td>Quantum sensor</td><td>Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA</td><td>LI-190SB</td><td></td></tr><tr><td>CO2/H2O analyzer</td><td>Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA</td><td>LI-7000</td><td></td></tr><tr><td>Lysimeter scales</td><td>Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, USA</td><td>DSL-3636-10</td><td></td></tr><tr><td>Air sampling pump</td><td>Grace Air Components, Houston, TX, USA</td><td>VP 0660</td><td></td></tr><tr><td>Dew-point generator</td><td>Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA</td><td>LI-610</td><td></td></tr><tr><td>Cold water chiller</td><td>AEC Application Engineering, Wood Dale, IL, USA</td><td>CCOA-50</td><td></td></tr><tr><td>Chilled water flow control values</td><td>Belimo Air Controls, Danbury, CT, USA</td><td>LRB24-SR</td><td></td></tr><tr><td>Chilled-water cooling coils</td><td>Coil Company, Paoli, PA, USA</td><td>WC12-C14-329-SCA-R</td><td></td></tr><tr><td>Carbon dioxide refrigerated liquid</td><td>Temple Welding Supply, Temple, TX, USA</td><td>UN2187</td><td></td></tr><tr><td>Polyethylene film</td><td>AT Plastics, Toronto, ON, Canada</td><td>Dura-film Super Dura 4</td><td></td></tr><tr><td>Blower motor/controller</td><td>Dayton Electric, Lake Forest, IL, USA</td><td>2M168C/4Z829</td><td></td></tr><tr><td>Solenoids</td><td>Industrial Automation, Cornelius, NC, USA</td><td>U8256B046V-12/DC</td><td></td></tr><tr><td>Leachate collection pump</td><td>Gast Manufacturing, Benton Harbor, MI, USA</td><td>0523-V191Q-G588DX</td><td></td></tr></tbody></table>

a co2 concentration gradient facility for testing co2 enrichment and soil effects on grassland ecosystem function

Weiter steigenden atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen (C A) Mandat Techniken zur Untersuchung von Auswirkungen auf terrestrische Ökosysteme. Die meisten Experimente untersuchen, nur zwei oder ein paar Ebenen der C eine Konzentration und eine einzige Bodentyp, aber wenn C A kann als ein Gradient von unter Umgebungskonzentrationen auf mehreren Böden superambient variiert werden, können wir erkennen, ob Vergangenheit Ökosystem Antworten können linear in der weiterhin Zukunft und ob Antworten können über die Landschaft verändern. Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Fazilität gilt eine 250 bis 500 &amp; mgr; L -1 C einen Verlauf Blackland Grasland Pflanzengesellschaften auf Lysimeter Ton, schluffiger Ton und Sandböden enthalten, etabliert. Der Gradient wird als Photosynthese durch die Vegetation in in temperaturgeregelten Kammern eingeschlossen erstellt schrittweise verbraucht Kohlendioxid aus der Luft gerichtet durch die Kammern strömt. Ausreichender Luftdurchsatz, angemessene photosynth e tisches Kapazität und Temperaturkontrolle sind entscheidend, um die wichtigsten Einschränkungen des Systems, die rückläufigen werden Photosyntheseraten und erhöhte Wasserstress im Sommer zu überwinden. Die Anlage ist eine kostengünstige Alternative zu anderen Techniken der C A Anreicherung, erfolgreich erkennt die Form der Antworten Ökosystem unter Umgebungs zu superambient C eine Bereicherung, und kann angepasst werden, um Wechselwirkungen von Kohlendioxid mit anderen Treibhausgase wie Methan und Ozon zu testen.

Die superambient und unter Umgebungsabschnitte der Gradient in separaten Kammern (1) gehalten wird. Jedoch mehr als sieben Jahren Betrieb (2007 - 2013), erhalten die Kammern eines linearen Gradienten in C A-Konzentration von 500 bis 250 &amp; mgr; L -1 (Abbildung 2) mit einer nur geringen Diskontinuität in C A zwischen dem Austritt der angereicherten Kammern (Monolith 40) und dem Eingang des unter Umgebungsabschnitt des Gradienten (Monolith 41). <p ...

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A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Einrichtung schafft ein 250 bis 500 &amp; mgr; L -1 linearen Kohlendioxid-Gradienten in temperaturgeregelten Kammern Gehäuse Grünlandpflanzengemeinschaften auf Sand, schluffiger Ton und Sandbodenmonolithen. Die Anlage wird verwendet, um festzustellen, wie Vergangenheit und Zukunft Kohlendioxidspiegel beeinflussen Grünland Kohlenstoffkreislauf.

Ein CO<sub&gt; 2</sub&gt; Konzentration Gradient Facility for Testing CO<sub&gt; 2</sub&gt; Enrichment und Boden Auswirkungen auf Grünland-Ökosystemen Funktion

Continuing increases in atmospheric carbon dioxide concentrations (CA) mandate techniques for examining impacts on terrestrial ecosystems. Most ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Environment

A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

11.4K Aufrufe.  Grassland Soil and Water Research Laboratory.  Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Einrichtung schafft ein 250 bis 500 & mgr; L -1 linearen Kohlendioxid-Gradienten in temperaturgeregelten Kammern Gehäuse Grünlandpflanzengemeinschaften auf Sand, schluffiger Ton und Sandbodenmonolithen. Die Anlage wird verwendet, um festzustellen, wie Vergangenheit und Zukunft Kohlendioxidspiegel beeinflussen Grünland Kohlenstoffkreislauf. 

Serie: A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

High-throughput Fluorometric Measurement of Potential Soil Extracellular Enzyme Activities

Microbes in soils and other environments produce extracellular enzymes to depolymerize and hydrolyze organic macromolecules so that they can be assimilated for energy and nutrients. Measuring soil microbial enzyme activity is crucial in understanding soil ecosystem functional dynamics. The general concept of the fluorescence enzyme assay is that synthetic C-, N-, or P-rich substrates bound with a fluorescent dye are added to soil samples. When intact, the labeled substrates do not fluoresce. Enzyme activity is measured as the increase in fluorescence as the fluorescent dyes are cleaved from their substrates, which allows them to fluoresce. Enzyme measurements can be expressed in units of molarity or activity. To perform this assay, soil slurries are prepared by combining soil with a pH buffer. The pH buffer (typically a 50 mM sodium acetate or 50 mM Tris buffer), is chosen for the buffer&#39;s particular acid dissociation constant (pKa) to best match the soil sample pH. The soil slurries are inoculated with a nonlimiting amount of fluorescently labeled (i.e. C-, N-, or P-rich) substrate. Using soil slurries in the assay serves to minimize limitations on enzyme and substrate diffusion. Therefore, this assay controls for differences in substrate limitation, diffusion rates, and soil pH conditions; thus detecting potential enzyme activity rates as a function of the difference in enzyme concentrations (per sample).
Fluorescence enzyme assays are typically more sensitive than spectrophotometric (i.e. colorimetric) assays,&#160;but can suffer from interference caused by impurities and the instability of many fluorescent compounds when exposed to light; so caution is required when handling fluorescent substrates. Likewise, this method only assesses potential enzyme activities under laboratory conditions when substrates are not limiting. Caution should be used when interpreting the data representing cross-site comparisons with differing temperatures or soil types, as in situ soil type and temperature can influence enzyme kinetics.

To measure potential rates of soil extracellular enzyme activities, synthetic substrates that are bound to a fluorescent dye are added to soil samples. Enzyme activity is measured as the fluorescent dye is released from the substrate by an enzyme-catalyzed reaction, where higher fluorescence indicates more substrate degradation.

Hochdurchsatz-Fluorometric Messung der Boden Mögliche Extrazelluläre Enzymaktivitäten

Microbes in soils and other environments produce extracellular enzymes to depolymerize and hydrolyze organic macromolecules so that they can be ...

Forschung

Umwelt

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes and soil organic matter formation to small-scale stable-isotope biomarker probing. Coupling multiple stable isotopes such as 13C with 15N, 18O or&#160;2H has the potential to reveal even more information about complex stoichiometric relationships during biogeochemical transformations. Isotope labeled plant material has been used in various studies of litter decomposition and soil organic matter formation1-4. From these and other studies, however, it has become apparent that structural components of plant material behave differently than metabolic components (i.e. leachable low molecular weight compounds) in terms of microbial utilization and long-term carbon storage5-7. The ability to study structural and metabolic components separately provides a powerful new tool for advancing the forefront of ecosystem biogeochemical studies. Here we describe a method for producing 13C and 15N labeled plant material that is either uniformly labeled throughout the plant or differentially labeled in structural and metabolic plant components.
Here, we present the construction and operation of a continuous 13C and 15N labeling chamber that can be modified to meet various research needs. Uniformly labeled plant material is produced by continuous labeling from seedling to harvest, while differential labeling is achieved by removing the growing plants from the chamber weeks prior to harvest. Representative results from growing Andropogon gerardii Kaw demonstrate the system&#39;s ability to efficiently label plant material at the targeted levels. Through this method we have produced plant material with a 4.4 atom%13C and 6.7 atom%15N uniform plant label, or material that is differentially labeled by up to 1.29 atom%13C and 0.56 atom%15N in its metabolic and structural components (hot water extractable and hot water residual components, respectively). Challenges lie in maintaining proper temperature, humidity, CO2 concentration,&#160;and light levels in an airtight 13C-CO2 atmosphere for successful plant production. This chamber description represents a useful research tool to effectively produce uniformly or differentially multi-isotope labeled plant material for use in experiments on ecosystem biogeochemical cycling.

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

This method explains how to build and operate a continuous 13C and 15N isotope labeling chamber for uniform or differential plant tissue labeling. Representative results from metabolic and structural labeling of Andropogon gerardii are discussed.

Aufbau und Betrieb einer Dauer<sup&gt; 13</sup&gt; C und<sup&gt; 15</sup&gt; N Labeling Kammer für Uniform oder Differential, Stoffwechsel-und Struktur, Pflanze Isotope Labeling

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the biogeochemical drivers of climate change and to the development and evaluation of GHG mitigation strategies based on modulation of landscape management practices. The static chamber-based method described here is based on trapping gases emitted from the soil surface within a chamber and collecting samples from the chamber headspace at regular intervals for analysis by gas chromatography. Change in gas concentration over time is used to calculate flux. This method can be utilized to measure landscape-based flux of carbon dioxide, nitrous oxide, and methane, and to estimate differences between treatments or explore system dynamics over seasons or years. Infrastructure requirements are modest, but a comprehensive experimental design is essential. This method is easily deployed in the field, conforms to established guidelines, and produces data suitable to large-scale GHG emissions studies.

This article showcases the static chamber-based method for measurement of greenhouse gas flux from soil systems. With relatively modest infrastructure investments, measurements may be obtained from multiple treatments/locations and over timeframes ranging from hours to years.

Messung der Treibhausgas-Flux aus landwirtschaftlichen Böden mit statischer Chambers

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the ...

Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses

A method is described which uses the absence of radiocarbon in industrial chemicals and fuels made from petroleum feedstocks which frequently contaminate the environment. This radiocarbon signal &#8212; or rather the absence of signal &#8212; is evenly distributed throughout a contaminant source pool (unlike an added tracer) and is not impacted by biological, chemical or physical processes (e.g., the 14C radioactive decay rate is immutable). If the fossil-derived contaminant is fully degraded to CO2, a harmless end-product, that CO2 will contain no radiocarbon. CO2 derived from natural organic matter (NOM) degradation will reflect the NOM radiocarbon content (usually &#60;30,000 years old). Given a known radiocarbon content for NOM (a site background), a two end-member mixing model can be used to determine the CO2 derived from a fossil source in a given soil gas or groundwater sample. Coupling the percent CO2 derived from the contaminant with the CO2 respiration rate provides an estimate for the total amount of contaminant degraded per unit time. Finally, determining a zone of influence (ZOI) representing the volume from which site CO2 is collected allows determining the contaminant degradation per unit time and volume. Along with estimates for total contaminant mass, this can ultimately be used to calculate time-to-remediate or otherwise used by site managers for decision-making.

Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses

A protocol is described wherein CO2 mineralized from organic contaminant (derived from petroleum feedstocks) biodegradation is trapped, quantified, and analyzed for 14C content. A model is developed to determine CO2 capture zone's spatial extent. Spatial and temporal measurements allow integrating contaminant mineralization rates for predicting remediation extent and time.

Messen auf Kohlenstoffbasis Contaminant Mineralisation mit kombinierten CO<sub&gt; 2</sub&gt; Flux und Radiokarbon-Analysen

A method is described which uses the absence of radiocarbon in industrial chemicals and fuels made from petroleum feedstocks which frequently contaminate ...

Measurements of CO2 Fluxes at Non-Ideal Eddy Covariance Sites

This protocol is an example of utilizing the eddy covariance (EC) technique to investigate spatially and temporally averaged net CO2 fluxes (net ecosystem production, NEP), in non-typical ecosystems, on a currently reforested windthrow area in Poland. After a tornado event, a relatively narrow &#8220;corridor&#8221; was created within surviving forest stands, which complicates such kind of experiments. The application of other measuring techniques, such as the chamber method, is even more difficult under these circumstances, because especially at the beginning, fallen trees and in general great heterogeneity of the site provide a challenging platform to perform flux measurements and then to properly upscale obtained results. In comparison with standard EC measurements carried out in untouched forests, the case of windthrow areas requires special consideration when it comes to the site location and data analysis in order to ensure their representativeness. Therefore, here we present a protocol of real-time, continuous CO2 flux measurements at a dynamically changing, non-ideal EC site, which includes (1) site location and instrumentation setup, (2) flux computation, (3) rigorous data filtering and quality control, and (4) gap filling and net fluxes partitioning into CO2 respiration and absorption. The main advantage of the described methodology is that it provides a detailed description of the experimental setup and measurement performance from scratch, which can be applied to other spatially limited ecosystems. It can also be viewed as a list of recommendations on how to deal with unconventional site operation, providing a description for non-specialists. Obtained quality-checked, gap filled, half-hour values of net CO2, as well as absorption and respiration fluxes, can be finally aggregated into daily, monthly, seasonal or annual totals.

Measurements of CO2 Fluxes at Non-Ideal Eddy Covariance Sites

The presented protocol uses the eddy covariance method at non-typical locations, applicable to all types of short-canopy ecosystems with limited area, on a currently reforested windthrow site in Poland. Details of measuring site setup rules, flux calculations and quality control, and final result analysis, are described.

Messungen von CO2-Flüssen an nicht-idealen Eddy-Kovarianzstellen

This protocol is an example of utilizing the eddy covariance (EC) technique to investigate spatially and temporally averaged net CO2 fluxes (net ecosystem ...

Coupling Carbon Capture from a Power Plant with Semi-automated Open Raceway Ponds for Microalgae Cultivation

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas electricity generation. Microalgae can biofix CO2 10 to 15 times faster than plants and convert algal biomass to products of interest, such as biofuels. Thus, this study presents a protocol that demonstrates the potential synergies of microalgae cultivation with a natural gas power plant situated in the southwestern United States in a hot semi-arid climate. State-of-the-art technologies are used to enhance carbon capture and utilization via the green algal species Chlorella sorokiniana, which can be further processed into biofuel. We describe a protocol involving a semi-automated open raceway pond and discuss the results of its performance when it was tested at the Tucson Electric Power plant, in Tucson, Arizona. Flue gas was used as the main carbon source to control pH, and Chlorella sorokiniana was cultivated. An optimized medium was used to grow the algae. The amount of CO2 added to the system as a function of time was closely monitored. Additionally, other physicochemical factors affecting algal growth rate, biomass productivity, and carbon fixation were monitored, including optical density, dissolved oxygen (DO), electroconductivity (EC), and air and pond temperatures. The results indicate that a microalgae yield of up to 0.385 g/L ash-free dry weight is attainable, with a lipid content of 24%. Leveraging synergistic opportunities between CO2 emitters and algal farmers can provide the resources required to increase carbon capture while supporting the sustainable production of algal biofuels and bioproducts.

A protocol is described to utilize the carbon dioxide in natural gas power plant flue gas to cultivate microalgae in open raceway ponds. Flue gas injection is controlled with a pH sensor, and microalgae growth is monitored with real time measurements of optical density.

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

In the United States, 35% of the total carbon dioxide (CO2) emissions come from the electrical power industry, of which 30% represent natural gas ...

Monitoring Pedogenic Inorganic Carbon Accumulation Due to Weathering of Amended Silicate Minerals in Agricultural Soils.

The present study aims to demonstrate a systematic procedure for monitoring inorganic carbon induced by enhanced weathering of comminuted rocks in agricultural soils. To this end, the core soil samples taken at different depth (including 0-15 cm, 15-30 cm, and 30-60 cm profiles) are collected from an agriculture field, the topsoil of which has already been enriched with an alkaline earth metal silicate containing mineral (such as wollastonite). After transporting to the laboratory, the soil samples are air-dried and sieved. Then, the inorganic carbon content of the samples is determined by a volumetric method called calcimetry. The representative results presented herein showed five folded increments of inorganic carbon content in the soils amended with the Ca-silicate compared to control soils. This compositional change was accompanied by more than 1 unit of pH increase in the amended soils, implying high dissolution of the silicate. Mineralogical and morphological analyses, as well as elemental composition, further corroborate the increase in the inorganic carbon content of silicate-amended soils. The sampling and analysis methods presented in this study can be adopted by researchers and professionals looking to trace pedogenic inorganic carbon changes in soils and subsoils, including those amended with other suitable silicate rocks such as basalt and olivine. These methods can also be exploited as tools for verifying soil inorganic carbon sequestration by private and governmental entities to certify and award carbon credits.

The verification method described here is adaptable for monitoring pedogenic inorganic carbon sequestration in various agricultural soils amended with alkaline earth metal silicate-containing rocks, such as wollastonite, basalt, and olivine. This type of validation is essential for carbon credit programs, which can benefit farmers that sequester carbon in their fields.

Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.

The present study aims to demonstrate a systematic procedure for monitoring inorganic carbon induced by enhanced weathering of comminuted rocks in ...

<meta charset="utf8"></head><body>Modellierung methanotropher Nischen – Das Modell-Ökosystem für Gradientenspritzen

Agarose-Based Model Ecosystem for Cultivating Methanotrophs in a Methane-Oxygen Counter Gradient

Aerobic methane-oxidizing bacteria, known as methanotrophs, serve important roles in biogeochemical cycling. Methanotrophs occupy a specific environmental niche within methane-oxygen counter gradients found in soils and sediments, which influences their behavior on an individual and community level. However, conventional methods to study the physiology of these greenhouse gas-mitigating microorganisms often use homogeneous planktonic cultures, which do not accurately represent the spatial and chemical gradients found in the environment. This hinders scientists' understanding of how these bacteria behave in situ. Here, a simple, inexpensive model ecosystem called the gradient syringe is described, which uses semi-solid agarose to recreate the steep methane-oxygen counter gradients characteristic of methanotrophs' natural habitats. The gradient syringe allows for the cultivation of methanotrophic strains and the enrichment of mixed methane-oxidizing consortia from environmental samples, revealing phenotypes only visible in this spatially resolved context. This protocol also reports various biochemical assays that have been modified to be compatible with the semi-solid agarose matrix, which may be valuable to researchers culturing microorganisms within other agarose-based systems.

<meta charset="utf8"></head><body>Autor im Rampenlicht: Entwicklung einfacher und kostengünstiger Techniken zur Züchtung von Methan-oxidierenden Bakterien im Labor

A protocol is described for preparing a simple model ecosystem that recreates the methane-oxygen counter gradient found in the natural habitat of aerobic methane-oxidizing bacteria, enabling the study of their physiology in a spatially resolved context. Modifications to common biochemical assays for use with the agarose-based model ecosystem are also described.

Agarose-basiertes Modellökosystem für die Kultivierung von Methanotrophen in einem Methan-Sauerstoff-Gegengradienten

Aerobic methane-oxidizing bacteria, known as methanotrophs, serve important roles in biogeochemical cycling. Methanotrophs occupy a specific environmental ...

Ein CO

Zusammenfassung

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Hochdurchsatz-Fluorometric Messung der Boden Mögliche Extrazelluläre Enzymaktivitäten

Aufbau und Betrieb einer Dauer

Messung der Treibhausgas-Flux aus landwirtschaftlichen Böden mit statischer Chambers

Messen auf Kohlenstoffbasis Contaminant Mineralisation mit kombinierten CO

Messungen von CO2-Flüssen an nicht-idealen Eddy-Kovarianzstellen

Kopplung der Kohlenstoffabscheidung aus einem Kraftwerk mit halbautomatischen offenen Laufsteichen für die Mikroalgenzucht

Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.

Agarose-basiertes Modellökosystem für die Kultivierung von Methanotrophen in einem Methan-Sauerstoff-Gegengradienten

Agarose-basiertes Modellökosystem für die Kultivierung von Methanotrophen in einem Methan-Sauerstoff-Gegengradienten

Agarose-basiertes Modellökosystem für die Kultivierung von Methanotrophen in einem Methan-Sauerstoff-Gegengradienten