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. Monoliti suolo Raccogliere da utilizzare come un peso lisimetri <ol><li> Costruire scatole d&#39;acciaio a tempo indeterminato 1 x 1 m quadrati di 1,5 metri di profondità da 8 millimetri in acciaio di spessore. </li><li> Premere le caselle aperte verticalmente nel terreno, con presse idrauliche montate su ancoraggi ad elica forato 3 metri di profondità nel terreno. </li><li> Scavare il monolito incassato utilizzando un escavatore o di apparecchiature simili. </li><li> Inserire uno stoppino in fibra di vetro in contatto con il suolo alla base del monolito. Passare lo stoppino attraverso la base di acciaio in un serbatoio 10 L per drenare il monolito, e poi saldare la base di acciaio sul fondo della scatola. </li><li> Uccidi vegetazione esistente sui monoliti applicando un erbicida non residua, come glifosato. </li></ol> 2. Stabilire comunità vegetali su monoliti del suolo <ol><li> Pianta i monoliti con otto piantine ciascuna di sette specie di Tallgrass Prairie erbe e forbs, per una densità totale di 56 piante per m 2. <ol><li&gt; Vegetali i seguenti Erbe: Bouteloua curtipendula (grama laterale avena), Schizachyrium scoparium (poco bluestem), nutans Sorghastrum (Indiangrass), Tridens albescens (tridens bianchi)]. </li><li> Pianta i seguenti forbs: azurea Salvia (lanciatore salvia), Solidago canadensis (Canada verga d&#39;oro), Desmanthus illinoensis (Illinois bundleflower, un legume). </li></ol></li><li> Piantine di piante in un design quadrato latino, ri-randomizzati per ciascun monolite. </li><li> Annaffiare le trapianti per circa 2 mesi dopo la semina. L&#39;obiettivo è quello di ridurre al minimo lo stress idrico durante la definizione iniziale. Utilizzare qualsiasi metodo conveniente come una bacchetta a mano o spruzzatore del giardino. La frequenza di irrigazione dipende clima e sulle previsioni meteo, in particolare la presenza di precipitazioni ambiente. </li><li> Dopo la fase iniziale establishment trapianto, mantenere i trapianti sotto precipitazioni ambiente per il tempo necessario, mentre le camere (Sezione3) sono costruiti. Rimuovere specie indesiderate che emergono nei monoliti durante istituzione, da parte a mano diserbo. </li></ol> 3. Camera design <ol><li> Costruire due camere ogni 1,2 m di larghezza, 1,5 m di altezza e 60 m di lunghezza, diviso in dieci sezioni lunghe 5 m. Costruire sezioni da pesante acciaio di dimensioni 5 mx 1,2 mx 1,6 m di profondità, sepolto a 1,5 m. <ol><li> Installare quattro monoliti in ogni sezione, due monoliti ciascuno dei due tipi di suolo, in ordine casuale. Installare ogni monolite in cima ad una capacità di 4.540 kg equilibrio. </li><li> Includere monoliti Bastsil nelle abbinamenti nelle sezioni pari. </li></ol></li><li> Unitevi sezioni adiacenti in superficie con 1 m di lunghezza x 1 m di larghezza x 0,3 m condotto lamiera alto per fornire un percorso per il flusso d&#39;aria. <ol><li> Alimentazione refrigerante a 10 ° C da una unità di refrigerazione 161,4 kW ad una serpentina di raffreddamento all&#39;interno di ogni canale. </li><li> Racchiudere la vegetazione con pellicola trasparente serra (spessore 0,006 &quot;/. 15 mm), come ad esempio utilizzato in altriesperimenti di manipolazione climatica 23. </li><li> Montare ogni coperchio con apertura zip sostenuta da un progetto di falda per consentire l&#39;accesso ai monoliti di campionamento. </li><li> Rimuovere il polietilene copre al termine della stagione di crescita. </li></ol></li></ol> 4. CO 2 e Air misura di temperatura; Controllo della temperatura <ol><li> L&#39;ingresso e l&#39;uscita del campione C A su entrambe le camere ogni 2 minuti attraverso linee di campionamento aria filtrata situati all&#39;entrata e all&#39;uscita di superambient e subambient camere. Questi dati informano iniezione di CO 2 e ventilatore controllo della velocità. <ol><li> Esempio C A e tenore di vapore acqueo, e la temperatura dell&#39;aria misura (T A) all&#39;entrata e all&#39;uscita di ciascuna sezione 5 m ad intervalli di 20 min. </li><li> Misurare tutti i campioni di aria per il CO 2 e il contenuto di vapore acqueo in tempo reale utilizzando analizzatori di gas infrarossi secondo il protocollo del produttore. </li><li> Misurare T A all&#39;ingresso, punto medio, und uscita di ogni sezione con schermati termocoppie filo sottile. </li></ol></li><li> Regolare il flusso di refrigerante attraverso la serpentina di raffreddamento all&#39;ingresso di ogni sezione di mantenere una media costante (sezione centrale) T A da sezione a sezione vicino alla T ambiente A. </li><li> Posizionare un sensore di quantum di avere una visione chiara del cielo e misurare fotosintetica fotone densità di flusso secondo il protocollo del produttore. Livello di luce è un input per l&#39;algoritmo di controllo del ventilatore. </li></ol> 5. C Un&#39;applicazione Trattamento <ol><li> Giorno <ol><li> Mescolare anidride carbonica pura (CO 2) con aria ambiente in ingresso a 500 microlitri L -1 C A utilizzando un controllore di flusso di massa nel condotto di ingresso della gamba superambient. Vedere la Sezione 4 per C A misura dei particolari. </li><li> Advect l&#39;aria arricchita attraverso le camere utilizzano ventole all&#39;ingresso al punto 1 e nelle sezioni a valle. </li><li> Mantenere il desiderato uscita C A di 390 microlitri L -1 (aria ambiente) regolando la velocità della ventola. <ol><li> Aumentare la velocità del ventilatore, se l&#39;uscita C A è al di sotto del set point. Questo permette meno tempo per la pianta l&#39;assorbimento di CO 2, con conseguente uscita superiore C A. </li><li> Diminuire la velocità del ventilatore se uscita C A è al di sopra del set point. </li></ol></li><li> Utilizzare lo stesso approccio nella camera subambient tranne introdurre e il controllo dell&#39;aria ambiente per raggiungere l&#39;uscita C A di 250 microlitri L -1. </li></ol></li><li> Ore notturne <ol><li> Invertire la direzione del flusso d&#39;aria. </li><li> Iniettare CO 2 in fine di uscita diurna della camera superambient per ottenere 530 microlitri L -1 C A, ei tassi di controllo di avvezione di mantenere 640 microlitri L -1 all&#39;uscita notte (ingresso diurno. </li><li> Introdurre all&#39;aria libera a ~ 390 microlitri L -1 CO 2 in ingresso notturno(uscita di giorno) del tasso di avvezione da camera e di controllo subambient mantenere 530 microlitri L -1 all&#39;uscita notte. </li></ol></li></ol> 6. precipitazione Ingressi <ol><li> Applicare la quantità delle precipitazioni stagione di crescita media per ogni monolite. <ol><li> Fornire acqua ad ogni monolite da una fonte di acqua per uso domestico attraverso un sistema di irrigazione a goccia. Pianificare gli eventi di irrigazione e gli importi delle applicazioni per approssimare il modello di pioggia stagionale per la posizione esperimento. Il calendario esatto dipende dal clima locale. </li></ol></li><li> Controllare i tempi di applicazione con un data logger e misurare i volumi di applicazioni con misuratori di portata. </li></ol> 7. Campionamento <ol><li> Misura profili verticali di volumetrica contenuto idrico del suolo (vSWC) settimanale durante il periodo di CO 2 di controllo, con un calibro attenuazione di neutroni o altra sonda appropriata. <ol><li> Incrementi profilo consigliati sono 20 cm di profondità con incrementi di 1 m depth, e una 50 cm incremento inferiore a 1 m. </li></ol></li><li> Misura monolite fuori terra produttività primaria netta (ANPP) raccogliendo tutti in piedi biomassa epigea alla fine della stagione di crescita. <ol><li> Tutti biomassa epigea è stato rimosso ogni anno, quindi in piedi la biomassa rappresenta la produzione primaria corrente. </li><li> Ordina la biomassa campionato da specie e asciutto per massa costante e pesare. </li><li> Utilizzare biomassa delle singole specie di quantificare specie vegetali contributi al ANPP. </li></ol></li></ol>

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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increase+in+C3+plant+water-use+efficiency+and+biomass+over+glacial+to+present+CO2+concentrations.">Increase in C3 plant water-use efficiency and biomass over glacial to present CO2 concentrations.</a> Nature. 361 (6407), 61-64 (1993).</li><li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+CO2:+comparative+responses+of+the+C4+grass+Schizachyrium.+and+grassland+invader+Prosopis.">Increasing CO2: comparative responses of the C4 grass Schizachyrium. and grassland invader Prosopis.</a> Ecology. 75 (4), 976-988 (1994).</li><li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. 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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. 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The authors have nothing to disclose.

L&#39;impianto LYCOG raggiunge il suo obiettivo operativo di mantenere un 250-500 microlitri L -1 gradiente continuo delle concentrazioni C A sulle comunità praterie sperimentali stabilite su tre tipi di suolo. La variazione C A è lineare nell&#39;intervallo prescritto. Temperatura dell&#39;aria aumenta all&#39;interno di ogni sezione, ma è stato azzerato dalle spire tra sezione di raffreddamento nella maggior parte delle sezioni. Come risultato, l&#39;obiettivo operativo di mantenere...

Concentrazione di anidride carbonica atmosferica (C A) ha recentemente aumentato passato 400 microlitri L -1 da circa 270 microlitri L -1 prima della rivoluzione industriale. C A si prevede che raggiungerà almeno 550 ml L -1 entro il 2100 1. Questo tasso di crescita supera qualsiasi modifica C A osservati nel corso degli ultimi 500.000 anni. Il tasso di cambiamento senza precedenti in C A solleva la possibilità di risposte non lineari o soglia degli ecosistemi ad accrescere C A. Più ecosistema scala C A esperimenti di arricchimento applica solo due trattamenti, un solo livello di arricchito C A e un controllo. Questi esperimenti hanno notevolmente ampliato la nostra comprensione degli impatti sugli ecosistemi di C A arricchimento. Tuttavia, un approccio alternativo che può rivelare la presenza di risposte dell&#39;ecosistema non lineari crescenti C A è studiare ecosistemi attraverso un intervallo continuo di subambient asuperambient C A. Subambient C A è difficile da mantenere in campo, ed è stato il più delle volte studiata utilizzando camere di crescita 2. Superambient C A è stata studiata utilizzando camere di crescita, aperto-camere superiori, e le tecniche di arricchimento senza aria 3, 4. C A arricchimento avviene attraverso paesaggi che contengono molti tipi di terreno. Suoli proprietà possono influenzare fortemente le risposte degli ecosistemi a C A arricchimento. Ad esempio, la struttura del terreno determina la ritenzione di acqua e nutrienti nel profilo del suolo 5, la loro disponibilità a piante 6, e la quantità e qualità di materia organica 7-9. La disponibilità di umidità del suolo è un mediatore cruciale della risposta degli ecosistemi alla C A di arricchimento nei sistemi idrici limitati, tra cui la maggior parte delle praterie 10. Campo Passato C A esperimenti di arricchimento sono in genere esaminato un solo tipo di terreno, e controllato prove di continuo vtipi arying C Un arricchimento su più suolo sono carenti. Se gli effetti di C A arricchimento sui processi ecosistemici differenziano il tipo di suolo, vi è una forte ragione di aspettarsi variazione spaziale nelle risposte degli ecosistemi a C Un arricchimento e cambiamenti conseguenti climatici 11, 12. Il biossido di carbonio lisimetro Gradient (LYCOG) impianto è stato progettato per rispondere alle domande di variazione spaziale nelle risposte non lineari e soglia degli ecosistemi a livelli C A che vanno da ~ 250 a 500 microlitri L -1. LYCOG crea il gradiente prescritto di C A sulle comunità vegetali praterie perenni che crescono su terreni che rappresentano la vasta gamma di texture, N e C, i contenuti e le proprietà idrologiche di praterie nella parte meridionale degli Stati Uniti Pianure Centrali. Serie terreni specifici utilizzati nella struttura sono di Houston nero argilla (32 monoliti), un Vertisol (udico Haplustert) tipico della pianura; Austin (32 monoliti), un alto carbonate, argilla limosa mollisol (Udorthentic Haplustol) tipico di altipiani; e Bastsil (16 monoliti), un alluvionali terriccio sabbioso Alfisol (udico Paleustalf). Il principio operativo impiegato in LYCOG è quello di sfruttare la capacità fotosintetica delle piante di esaurire C A da particelle d&#39;aria si muovevano direzionale attraverso le camere chiuse. L&#39;obiettivo di trattamento è mantenere una pendenza costante diurna lineare C A da 500 a 250 microlitri L -1. Per fare questo, LYCOG consiste di due camere lineari, una camera superambient mantenendo la porzione del gradiente da 500 al 390 (ambiente) microlitri L -1 C A, e una camera di subambient mantenendo il 390 al 250 microlitri L -1 porzione pendenza. Le due camere sono situate una accanto all&#39;altra, orientato su un asse nord-sud. Il C Un gradiente viene mantenuta durante la parte dell&#39;anno quando la capacità fotosintetica vegetazione è adeguata; tipicamente dafine aprile ai primi di novembre. Le camere contengono sensori e strumentazione necessari per regolare la C Un gradiente, il controllo della temperatura dell&#39;aria (T A) nei pressi di valori ambientali, e applicare importi precipitazione uniforme per tutti i terreni. I suoli sono monoliti intatte raccolti dalla vicina prateria Blackland installato in lisimetri pesatura idrologicamente isolate strumentati per determinare tutte le componenti del bilancio idrico. L&#39;acqua viene applicato a eventi di volume e tempistica che approssimano la stagionalità degli eventi di pioggia e ammonta nel corso di un anno medio di precipitazione. Così, LYCOG è in grado di valutare gli effetti a lungo termine di subambient per superambient C A e tipo di suolo sulla funzione degli ecosistemi prateria tra cui bilanci idrici e del carbonio. LYCOG è la terza generazione di C A esperimenti gradiente condotti da USDA ARS Grassland suolo e delle acque Research Laboratory. La prima generazione era un prototipo di subambientgradiente ambientale che ha stabilito la fattibilità dell&#39;approccio pendenza 13 e avanzato la nostra comprensione delle risposte fisiologiche a livello foglia di piante a subambient variazione C A 14-20. La seconda generazione è stato un campo di applicazione scala del concetto di perenne C 4 prati, con il gradiente esteso a 200-550 ml L -1 21. Questo esperimento campo scala fornito la prima evidenza che la produttività aumenta pascoli con C A arricchimento può saturare vicino concentrazioni nell&#39;ambiente attuali 20, in parte perché la disponibilità di azoto può limitare la produttività degli impianti a superambient C A 22. LYCOG estende questo esperimento di seconda generazione, incorporando terreni replicate di varia consistenza, permettendo robusta prova per effetti interattivi dei suoli sul C Una risposta delle comunità prateria.

<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

I continui aumenti delle concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica (C A) tecniche di mandato per l&#39;esame impatti sugli ecosistemi terrestri. La maggior parte degli esperimenti di esaminare solo due o alcuni livelli di C Una concentrazione e un solo tipo di terreno, ma se C A può essere variata come un gradiente da subambient a superambient concentrazione su più terreni, siamo in grado di capire se le risposte degli ecosistemi ultimi possono continuare linearmente nel future e se le risposte possono variare attraverso il paesaggio. Il lisimetro Anidride carbonica gradiente strumento applica un 250-500 microlitri L -1 C Un gradiente di Blackland comunità vegetali prateria stabiliti lisimetri contenenti argilla, argilla limosa, e terreni sabbiosi. Il gradiente viene creato come la fotosintesi da vegetazione racchiusa in in camere a temperatura controllata esaurisce progressivamente l&#39;anidride carbonica dall&#39;aria che fluisce direzionale attraverso le camere. Mantenere una corretta portata d&#39;aria, adeguato photosycapacità di nthetic, e il controllo della temperatura sono fondamentali per superare le principali limitazioni del sistema, che sono in calo i tassi fotosintetici e aumento dello stress idrico durante l&#39;estate. La struttura è un&#39;alternativa economica ad altre tecniche di C A arricchimento, discerne con successo la forma delle risposte degli ecosistemi a subambient a superambient C A arricchimento, e può essere adattato per testare le interazioni di anidride carbonica con altri gas serra come il metano o l&#39;ozono.

I superambient e subambient porzioni del gradiente sono mantenute in camere separate (Figura 1). Tuttavia, in sette anni di funzionamento (2007 - 2013), le camere di mantenuto un gradiente lineare C Una concentrazione da 500 al 250 microlitri L -1 (Figura 2), con solo una piccola discontinuità C A tra l&#39;uscita delle camere arricchite (Monolith 40) e l&#39;ingresso della porzione subambient del gradiente (monolito 41). Te...

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

Il lisimetro Anidride carbonica gradiente strumento crea un 250-500 microlitri L -1 anidride carbonica sfumatura lineare nella comunità vegetali camere abitazioni prateria a temperatura controllata in argilla, argilla limosa, e monoliti di sabbia del suolo. L&#39;impianto viene utilizzato per determinare come i livelli di biossido di carbonio passati e futuri influenzano ciclo del carbonio pascoli.

A CO<sub&gt; 2</sub&gt; Gradiente di concentrazione strumento per il test di CO<sub&gt; 2</sub&gt; Arricchimento e del suolo Effetti sulla Prateria Ecosistema Funzione

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

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Research

JoVE Journal

Environment

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

11.4K Views.  Grassland Soil and Water Research Laboratory.  Il lisimetro Anidride carbonica gradiente strumento crea un 250-500 microlitri L -1 anidride carbonica sfumatura lineare nella comunità vegetali camere abitazioni prateria a temperatura controllata in argilla, argilla limosa, e monoliti di sabbia del suolo. L'impianto viene utilizzato per determinare come i livelli di biossido di carbonio passati e futuri influenzano ciclo del carbonio pascoli. 

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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.

High-throughput fluorometrica misura del potenziale di suolo extracellulari enzimi Attività

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

Ricerca

Ambiente

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.

Progettazione e funzionamento di un continuo<sup&gt; 13</sup&gt; C e<sup&gt; 15</sup&gt; N Etichettatura Camera di Uniform o differenziale, metaboliche e strutturali, Flora 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.

Misura del flusso di gas serra da terreni agricoli Uso statici 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.

Misurazione di carbonio a base di contaminanti mineralizzazione Utilizzando combinata CO<sub&gt; 2</sub&gt; flusso e radiocarbonio analisi

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.

Misurazioni di flussi di CO2 in siti di covarianza Eddy non ideali

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.

Accoppiamento della cattura del carbonio da una centrale elettrica con stagni semi-automatizzati Open Raceway per la coltivazione di microalghe

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.

Monitoraggio dell'accumulo di carbonio inorganico pedogenico a causa dell'erosione dei minerali silicati modificati nei suoli agricoli.

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>Modellazione di nicchie metanotrope - L'ecosistema del modello di siringa a gradiente

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>Autore in primo piano: Progettazione di tecniche semplici ed economiche per la coltivazione di batteri metano-ossidanti in laboratorio

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.

Ecosistema modello basato sull'agarosio per la coltivazione di metanotrofi in un gradiente contatore metano-ossigeno

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

A CO

Riepilogo

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High-throughput fluorometrica misura del potenziale di suolo extracellulari enzimi Attività

Progettazione e funzionamento di un continuo

Misura del flusso di gas serra da terreni agricoli Uso statici Chambers

Misurazione di carbonio a base di contaminanti mineralizzazione Utilizzando combinata CO

Misurazioni di flussi di CO₂ in siti di covarianza Eddy non ideali

Accoppiamento della cattura del carbonio da una centrale elettrica con stagni semi-automatizzati Open Raceway per la coltivazione di microalghe

Monitoraggio dell'accumulo di carbonio inorganico pedogenico a causa dell'erosione dei minerali silicati modificati nei suoli agricoli.

Ecosistema modello basato sull'agarosio per la coltivazione di metanotrofi in un gradiente contatore metano-ossigeno

Ecosistema modello basato sull'agarosio per la coltivazione di metanotrofi in un gradiente contatore metano-ossigeno

Ecosistema modello basato sull'agarosio per la coltivazione di metanotrofi in un gradiente contatore metano-ossigeno