Измерение содержания растворенного метана в водных экосистемах с помощью газоанализатора методом оптической спектроскопии

Резюме

В данном исследовании демонстрируется подход к измерению концентраций метана в водных пробах с помощью портативных оптических анализаторов, соединенных с камерой впрыска в замкнутом контуре. Результаты аналогичны результатам традиционной газовой хроматографии, представляя собой практичную и недорогую альтернативу, особенно подходящую для дистанционных полевых исследований.

Аннотация

Измерение потоков парниковых газов (ПГ) и пулов в экосистемах становится все более распространенным в экологических исследованиях из-за их актуальности для изменения климата. Вместе с этим растет и потребность в аналитических платформах, адаптируемых к измерению различных пулов и потоков в исследовательских группах. Данное исследование направлено на разработку процедуры использования портативных газоанализаторов на основе оптической спектроскопии, первоначально разработанных и продаваемых для измерения газовых потоков, для измерения концентраций парниковых газов в водных пробах. Протокол включает в себя традиционный метод уравновешивания свободного пространства с последующим впрыском подпробы газа в камеру, соединенную через замкнутый контур с входным и выходным отверстиями газоанализатора. Камера изготовлена из обычной каменной банки и простых лабораторных принадлежностей и является идеальным решением для образцов, которые могут потребовать предварительного разбавления. Концентрации метана, измеренные с помощью камеры, тесно коррелируют (r² > 0,98) с концентрациями, определенными отдельно с помощью газовой хроматографии и пламенной ионизационной детекции (GC-FID) на подобразцах из тех же флаконов. Эта процедура особенно актуальна для полевых исследований в отдаленных районах, где хроматографическое оборудование и расходные материалы недоступны, предлагая практичное, более дешевое и эффективное решение для измерения концентраций метана и других растворенных парниковых газов в водных системах.

Введение

Экосистемы на стыке наземных и водных организмов, такие как водно-болотные угодья, озера, водохранилища, реки и ручьи, являются важными поглотителями и источниками парниковых газов (ПГ), таких как углекислый газ (CO₂), метан (CH₄) и закись азота (N₂O)^1,2. _CH4, в частности, образуется при анаэробном дыхании в насыщенных поровых пространствах осадочных пор. После его производства часть окисляется и превращается в CO₂, в то время как остальная часть в конечном итоге диффундирует через толщу воды и растительность или взрывается в^{пузырьки.} Концентрация_CH4 в воде, насыщающей поры осадочных пород (т.е. в поровой воде) в данный момент времени, дает представление о балансе между_CH4, производимым, потребляемым и транспортируемым4. При измерении по вертикальным профилям или во времени концентрация поровой воды также позволяет определить зоны, более активные в производстве и потреблении CH₄, а также их сезонные колебания.

Традиционно методы определения концентрации парниковых газов из поровых вод в экосистемах включают обработку проб воды, собранных в полевых условиях, для уравновешивания газов в созданном пространстве. Затем пространство для головного убора анализируется с помощью газовой хроматографии для определения концентраций⁵. Несмотря на то, что этот метод широко применяется в экологических исследованиях, он требует настольных систем газовой хроматографии и пламенно-ионизационного детектирования (GC-FID), которые требуют выделения обычного лабораторного пространства и высокой степени экспертных знаний для калибровки и эксплуатации (например,⁶). Это также требует использования специализированных расходных материалов, таких как большие резервуары с газами-носителями (т. е. азотом (N₂) и гелием (He)), которые не всегда доступны в отдаленных местах. Эти требования и связанная с ними логистика транспортировки образцов в лабораторию могут ограничивать разработку образцов и, в некоторых случаях, ограничивать объем исследования при отсутствии хроматографического оборудования.

Целью данного исследования была разработка альтернативного метода измерения концентраций растворенных парниковых газов в пробах водных растворов в открытом космосе с помощью портативных газоанализаторов на основе оптической спектроскопии. Этот тип оптического газоанализатора является экономичной альтернативой стандартным системам GC-FID, а его портативность делает его идеальным выбором для полевых работ. Портативные газоанализаторы на основе оптической спектроскопии позволяют проводить высокочастотные измерения концентрации газа (т.е. ~ 1 ^с-1) с временем отклика от 2 до 5 с, в зависимости от марки и модели. Эти приборы разработаны и продаются в первую очередь для определения газовых потоков с поверхностей, выбрасывающих ПГ, таких как почва, вода и растительность ^7,8,9. Оптические анализаторы позволяют рассчитывать поток на основе непрерывных измерений концентрации в нестационарных камерах свободного пространства, развернутых на излучающих поверхностях. При их регулярном использовании в поверхностных камерах высокочастотные измерения скорости изменения концентраций, наблюдаемых в камере, и известных размеров камеры, давления и температуры, позволяют интерпретировать эти данные как скорость излучения (или поглощения) на площадь поверхности (т.е. поверхностные потоки)¹⁰. Тем не менее, портативные газоанализаторы не оборудованы и не оптимизированы для концентраций растворенных в водных средах, что требует дополнительной адаптации и интерпретации для этого типа анализа.

Используя предыдущие демонстрации использования оптических анализаторов для определения концентраций в дискретных образцах из свободного пространства⁸, мы разработали небольшую закрытую камеру (т.е. без излучающих поверхностей), которая подключается к анализатору в замкнутом контуре. Изменение концентраций после закачки подпробы газа из свободного пространства с последующим расчетом разбавления позволяет определить исходные концентрации в свободном пространстве. Точность данного подхода оценивалась путем сравнения его результатов с результатами, полученными с помощью GC-FID в тех же образцах. Этот метод был дополнительно продемонстрирован на примере использования, в котором были проанализированы вертикальные профили_CH4 в пробах поровой воды, собранных на экспериментальных участках в пресноводном болоте в Луизиане.

протокол

1. Отбор проб и анализ поровых вод

1. Соберите образцы с помощью пробоотборников для диализа поровой воды (глазок)¹¹. Разверните гляделки в соответствующих местах исследуемого участка. В демонстрационном исследовании 6 глазков были размещены на двух доминирующих участках растительности пресноводного болота: три на участке с преобладанием Sagitaria lancifolia , а остальные три на участке с совместным преобладанием растительности S. lancifolia и Typha latifolia .
2. Собирайте образцы 4 раза в июне, сентябре, октябре и декабре. Соберите образцы на 10 различных глубинах от поверхности почвы до ~50 см ниже нее. Отбор проб проводился по методу, описанному в^12,13.
   1. Заполните ячейки для отбора проб 61 мл деионизированной воды ~ за 20 дней до отбора проб. Пузырьковая деионизированная вода с_N2 в течение 5 минут в лаборатории для удаления кислорода перед использованием в полевых условиях.
   2. Во время отбора проб следует извлечь 25 мл воды из камеры с помощью шприца, подключенного к линии экстракции клетки. Затем наполните ячейки свежей деионизированной водой, предварительно пузырчатой_N2 , через вторичную линию подпитки ячеек. Если измерения концентрации требуются сразу после сбора, перейдите к шагу 2.1.
   3. Экстрагированную воду добавить в стеклянные флаконы объемом 10 мл, законсервированные 0,2 мл 0,1 М HCl, закрыть перегородкой и поставить в холодильник до анализа в лаборатории.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователи этого метода могут изменять глубину сбора, график отбора проб и частоту в зависимости от конкретных потребностей исследования.

2. Измерение концентрации парниковых газов

1. Выполнение балансировки пробы поровой воды в шприце
   1. Создание образцов газа в открытом пространстве с использованием метода уравновешивания¹⁴. С помощью шприца объемом 30 мл наберите 5 мл воды (V_pw) из образцов, собранных в поле, а затем добавьте 15 мл N₂ (сверхвысокая чистота 99,999%), чтобы создать свободное пространство (V_hs).
   2. Энергично и последовательно помешивайте шприц в течение 5 минут, вручную или с помощью качалки (при наличии). Введите 12 мл подпробы газа в свободное пространство в предварительно вакуумированный флакон объемом 10 мл, используемый для измерения концентрации газа с помощью оптического анализатора, в следующих шагах (рис. 1). Откачайте флаконы перистальтическим насосом¹⁵ или вручную потяните поршень шприца объемом 60 мл на закрытый флакон и откачайте воздух 3 раза.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Его можно использовать вместо N₂ для создания свободного пространства. Процедура добавления N₂ или He в шприц зависит от конкретной адаптации или регулятора фактического бака, доступного пользователям. Это дополнение обычно включает в себя соединение шприца с резервуаром с помощью подходящей трубки или экстракцию со шприцем из отверстия для отбора проб, адаптированного к резервуару. В зависимости от условий на площадке и связанной с этим логистики пользователи могут использовать окружающий воздух для создания свободного пространства.
2. Создание камеры впрыска
   1. Изготовьте камеру впрыска, которая может принимать небольшой объем воздуха (~1 - 5 мл) в герметичный объем воздуха, который соединяется с входом и выходом газоанализатора, образуя замкнутый контур (Таблица материалов). Камера впрыска и анализатор являются двумя основными элементами системы (Рисунок 2).
   2. Модифицируйте металлическую крышку каменной банки объемом 365 мл, просверлив одно отверстие диаметром 11 мм, чтобы вместить одну перегородку в качестве порта впрыска, и два отверстия диаметром 7 мм, чтобы вставить клапаны запорного крана, которые соединяются с анализатором. Используйте эпоксидный клей для затяжки отверстия впрыска и фитингов и обеспечения герметизации камеры.
3. Подключите камеру впрыска к оптическому анализатору
   1. Соедините банку с входными и выходными отверстиями оптического анализатора, используя внутренний диаметр 5/32 дюйма (I.D.) и 1/4 дюйма внешний диаметр (O.D.) Пластиковые трубки PFA и их дополнительный объем. Убедитесь, что трубка соответствует рекомендациям производителя прибора и является чистой и сухой без образования конденсата.
   2. Откройте клапаны, соединяющие камеру впрыска с прибором, чтобы создать замкнутый воздушный контур. Подождите, пока концентрация газа стабилизируется.
4. Введение образца в камеру
   1. Когда концентрация в камере и сигнал в анализаторе стабилизируются (т.е. стандартное отклонение <0,03 ppm), введите 2 мл подпробы из флаконов, содержащих пробу свободного пространства, созданную на шаге 2.1.2. Подождите, пока концентрации в анализаторе снова стабилизируются, прежде чем вводить следующую подпробу (рис. 3).
   2. Вводите до 20 подобразцов последовательно или меньше, если концентрация приближается к 100 ppm (см.⁸для влияния на точность выше этого порога). Проанализируйте стандарты CH₄ для проверки каждых 5 образцов и оцените разницу с помощью фактических измерений с использованием относительного стандартного отклонения (RSD).
   3. После завершения работы с набором штабелированных впрысков отсоедините одну из линий, подключенных к прибору, чтобы сбросить камеру на давление окружающей среды и избежать значительного повышения давления и концентрации метана.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На основе многочисленных тестовых прогонов было определено, что сигнал стабилизировался через ~15 с после инжекции, но может потребоваться другое время в ответ на другие спецификации записи прибора (Рисунок 3). Расход используемого прибора составлял ~1 л/мин с временем отклика 5 с и давлением в полости во время различных анализов в разные дни в диапазоне от 720 до 745 мм рт. ст.
5. Рассчитать концентрацию_CH4 в свободном пространстве
   1. Для каждой подпробы рассчитать концентрацию целевого ПГ (например, CH₄, CO_2, N₂O) в свободном пространстве (C_hs - μмоль/моль) с помощью уравнения 1:
      уравнение [1]
      Где V_hs — объем подвыборки свободного пространства.
   2. Рассчитайте концентрации до (C_bi - μmol ^mol-1) и после (C_ai - μmol ^mol-1) впрыскиваний как среднее значение 15 измерений (~15 с) до впрыска и 15 после стабилизации сигнала после впрыска. Рассчитаем объемы в мл до (V_bi) и после (V_ai) инъекций с помощью уравнений 2 и 3:
      [2]
      и
      [3]
      Где V_j (мл) – добавленный объем банки (365 мл) и шланга (125,4 мл), а V_i (мл) – накопленный объем введенных подобразцов.
6. Рассчитать концентрацию поровых вод
   1. Рассчитать парциальное давление (P_i - МПа) CO₂, CH₄ или N₂O в свободном пространстве с использованием молярной доли газа в свободном пространстве и атмосферного давления (P) во время обработки образца с помощью уравнения 4:
      [4]
   2. Рассчитайте водный эквивалент концентрации ПГ в поровой воде с помощью уравнения разбавления (уравнение 5) с учетом свободного пространства и водных эквивалентных концентраций и объемов:
      [5]
      Где R — универсальная газовая постоянная (0,008314 л МПа моль⁻¹ K⁻¹), — температура воздуха (K), V_hs — объем свободного пространства (мл), K_H^cp — постоянная летучести Генри CO₂,_CH4 или N₂O (2,96, 67,13 и 3,82 л МПа/моль соответственно)¹⁶, а V_pw — объем жидкого подобразца, используемого для создания свободного пространства (мл).
   3. Используйте записанные T и P во время измерений. Средние Т и Р при анализе образцов демонстрационного проекта составили 295,15 К и 0,101325 МПа соответственно.

3. Валидация по стандартным хроматографическим измерениям

1. Проанализируйте различные известные концентрации CH₄ во флаконах объемом 10 мл на обычном газовом хроматографе. Используйте три одинаковые группы по 20 стандартов в каждой. Самые низкие концентрации варьировались от 5 до 100 ppm и увеличивались с шагом 5 ppm.
2. Определение концентрации_CH4 с помощью пламенно-ионизационного детектирования на газовом хроматографе. В хроматографе использовалась пористая полимерная абсорбирующая колонка с He (25 мл/мин) в качестве газа-носителя. Для проведения измерений концентраций эталонов откалибруйте хроматограф в соответствии с аппроксимацией кривой (r²) > 0,99.
3. После хроматографии приступают к определению концентрации CH₄ в тех же стандартных флаконах с помощью описанного выше метода, с использованием откалиброванного производителем оптического анализатора (т.е. прецизионный (300 с, 1σ): 0,3 ppb CH₄).
4. Оценить точность метода путем подгонки линейной регрессии к результатам хроматографии и оптического анализатора трех стандартных групп. Оценка воспроизводимости метода путем сравнения наклонов и пересечений регрессий, выполненных в рамках каждой группы стандартов. Оцените сравнение, используя стандартную модель наименьших квадратов с акцентом на рычаг эффекта. Оценивайте все регрессии и сравнения с уровнем значимости 0,05.

Результаты

Оптический анализатор в сравнении с газовой хроматографией
Результаты, полученные с помощью газовой хроматографии и оптического анализатора для трех групп стандартов, показали хорошие линейные аппроксимации ( т.е. r² > 0,98) с наклонами, близкими к ?...

Обсуждение

Это исследование продемонстрировало применимость портативных газоанализаторов на основе оптической спектроскопии в сочетании с специально изготовленной камерой впрыска для анализа свободного пространства, созданного из проб воды. Демонстрация была сосредоточен?...

Материалы

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.