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Method Article
この研究では、閉ループの注入チャンバーに結合されたポータブル光学分析計を使用して、水性サンプル中のメタンガス濃度を測定するアプローチを示しています。結果は従来のガスクロマトグラフィーと同様であり、特に遠隔地でのフィールド研究に適した実用的で低コストの代替手段を提供します。
生態系における温室効果ガス(GHG)フラックスとプールの測定は、気候変動との関連性から、生態学的研究においてますます一般的になりつつあります。それに伴い、研究グループ内のさまざまなプールやフラックスの測定に適応できる分析プラットフォームの必要性も高まっています。本研究では、ガスフラックス測定用に設計・販売された携帯型光学分光法を用いたガス分析計を用いて、水溶液中のGHG濃度を測定する方法を開発することを目的としています。このプロトコルには、従来のヘッドスペース平衡化技術と、それに続くガス分析器の入口ポートと出口ポートに閉ループで接続されたチャンバーにヘッドスペースガスサブサンプルを注入することが含まれます。チャンバーは、一般的なメイソンジャーと簡単な実験用品から製造されており、注射前の希釈が必要なサンプルに最適なソリューションです。チャンバーで測定されたメタン濃度は、同じバイアルのサブサンプルに対するガスクロマトグラフィー-水素炎イオン化検出(GC-FID)によって個別に決定された濃度と密接に相関しています(r2 > 0.98)。この手順は、クロマトグラフィー装置や消耗品が容易に入手できない遠隔地でのフィールド研究に特に関連しており、水系内のメタンやその他の溶存温室効果ガス濃度を測定するための実用的で安価で効率的なソリューションを提供します。
湿地、湖沼、貯水池、河川、小川などの陸生-水生間期の生態系は、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)、亜酸化窒素(N2O)1,2などの温室効果ガス(GHG)の重要な吸収源および発生源です。CH4は、特に、沈殿物細孔の飽和細孔空間での嫌気性呼吸中に生成されます。それが生成されると、画分は酸化されてCO2に変換され、残りは最終的に水柱や植生を通じて拡散するか、泡3に噴出します。ある時点で堆積物の細孔(すなわち、間隙水)を飽和させる水中のCH4の濃度は、CH4が生成、消費、および輸送される4のバランスを垣間見ることができます。垂直方向のプロファイルまたは時間で測定すると、間隙水濃度により、CH4の生産と消費、およびそれらの季節変動により活発なゾーンを特定することもできます。
従来、生態系の細孔水からのGHG濃度を決定する方法は、野外で収集された水サンプルを処理して、作成されたヘッドスペース内のガスを平衡化することを含みました。次に、ヘッドスペースをガスクロマトグラフィーで分析して、濃度を決定します5。この方法は生態学的研究に広く適用されていますが、ベンチトップガスクロマトグラフィー-水素炎イオン化検出(GC-FID)システムが必要であり、従来のラボスペースと、キャリブレーションと操作に高度な専門知識(例6)を割り当てる必要があります。また、キャリアガス(窒素(N2)やヘリウム(He)など)の大型タンクなど、遠隔地では容易に入手できない特殊な消耗品の使用も必要です。これらの要件と、それに伴うラボへのサンプル輸送のロジスティクスがサンプリング設計を制約し、場合によっては、クロマトグラフィー装置が利用できない場合に研究の範囲を制限する可能性があります。
この研究は、ポータブル光学分光法ベースのガス分析計を使用して、水溶液のヘッドスペースサンプルから溶存温室効果ガス濃度を測定するための代替方法を開発することを目的としています。このタイプの光ガス分析器は、標準的なGC-FIDシステムに代わる費用対効果の高いシステムであり、その携帯性により、フィールドワークアプリケーションに最適です。ポータブル光学分光法ベースのガス分析計は、ブランドやモデルにもよりますが、2〜5秒の応答時間で高周波ガス濃度測定(~1 s-1)を行います。これらの機器は、主に土壌、水、植生などのGHG排出表面からのガスフラックスを測定するために設計および販売されています7,8,9。光学分析装置は、対象の発光面上に展開された非定常状態のヘッドスペースチャンバーでの連続濃度測定から磁束計算を可能にします。表面チャンバでの通常の使用意図では、チャンバ内で観察される濃度の変化率、および既知のチャンバの寸法、圧力、および温度の高周波測定により、表面積(すなわち、表面フラックス)当たりの放出(または取り込み)の速度に関するこれらのデータの解釈が可能になる10。しかし、ポータブルガス分析計は、水性媒体中の溶存濃度に対応できておらず、最適化もされていないため、この種の分析には追加の適応と解釈が必要です。
ヘッドスペース8からの離散サンプルの濃度を決定するために光学分析器を使用するという以前のデモンストレーションを活用して、閉じたループで分析器に接続する小さな閉じたチャンバー(つまり、放出面がない)を設計しました。ヘッドスペースガスサブサンプルの注入後の濃度の変化とそれに続く希釈計算により、元のヘッドスペースの濃度を決定することができます。このアプローチの精度は、同じサンプルでGC-FIDによって得られた結果と結果を比較することによって評価されました。この方法は、ルイジアナ州の淡水湿地の実験サイトから収集された間孔水サンプル中のCH4 の垂直プロファイルを分析したユースケースを通じてさらに実証されています。
1. 間隙水のサンプリングと分析
2. 温室効果ガス濃度測定
3. 標準的なクロマトグラフィー測定に対するバリデーション
光学分析装置とガスクロマトグラフィーの比較
3 つの標準グループのガスクロマトグラフィーと光学分析装置で得られた結果は、傾きが 1 に近い良好な線形近似( r2 > 0.98)を示しました(図 4)。3つの実験における回帰の傾きは統計的に類似しており(F(2) = 0.478、p = 0.623)、結果の再現性が示唆されました。3つのケースす...
この研究では、カスタムメイドの注入チャンバーと組み合わせたポータブル光学分光法ベースのガス分析計が、水サンプルから作成されたヘッドスペースを分析するための適用性を実証しました。このデモンストレーションはCH4に焦点を当てていましたが、このプロトコルは、CO2やN2O8などの他の関連するGHGの分析にも適用できます。
著者は、利益相反を宣言しません。
この研究は、DOE の賞 DE-SC0021067、DE-SC0023084、および DE-SC0022972 を通じて資金提供されました。湿原で採取した地点の間間水濃度データは、ESS-DIVE Data Archive(https://data.ess-dive.lbl.gov/view/doi:10.15485/1997524、2024年6月21日アクセス)で公開されています
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1/4 in. I.D. x 3/8 in. O.D. Clear Vinyl Tubing | Home Depot | SKU # 702098 | Use to couple stopcocks and tubing connected to the instrument. Two short pieces (~4 cm). |
5/16 - 5/8 in. Stainless Steel Hose Clamp | Everbilt | 6260294 | Use to secure tubing connecting the stopcock valves and tubing connected to the instrument. |
Crack-Resistant Teflon PFA Semi-Clear Tube for chemicals, 5/32" ID, 1/4" OD | McMaster-Carr | 51805K86 | Use to connect the injection chamber to the inlet and outlet ports of the instrument. We used two 0.68 m-long tubing in our experiment. |
Drill with titanium step drillbit | Multiple companies | Use to drill the holes for septum and stopcocks in the jar's metallic lid. | |
Gay butyl septum (stopper) | Weathon Microliter | 20-0025-B | Use as injection port and as vial septum (if compatible). |
Headspace vials 20ml (23x75mm), Clear, Crimp Rounded Bottom | Restek | 21162 | Use to store the headspace sample. |
Heavy Duty Steel Bond Epoxy GorillaWeld | Gorilla | 4330101 | Use to glue stopcock valves and septum to the jar's metallic lid. |
Hypodermic Needles | Air-Tite Products Co. | N221 | Use to extract water from field vials, inject heaspace sample in vial and inject subsample to the injection chamber. |
Mason jar (12 oz) | Ball, Kerr, Jarden | Larger or smaller chamber volumes can be chosen depending on sample concentrations. | |
Optical spectroscopy-based gas analyzer | Multiple companies | Picarro G4301, Licor 7810, Licor 7820, ABB GLA131-GGA | These are some specific examples of analyzers that could be coupled to the injection chamber. We recognize that it is not an extensive list and other optical spectroscopy analyzers may also be suitable for the method. |
Stopcock valve | DWK Life Sciences | 420163-0001 | Keep the valves open during normal operation. |
Syringe (2.5 mL) | Air-Tite Products Co. | R2 | Use to extract subsamples from the headspace vials and inject them in the injecion chamber for analysis. |
Syringe (30 mL) | Air-Tite Products Co. | R30HJ | Use to create headspace for gas analysis. |
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