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

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.

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.

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.

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.

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 единице (рис. 4). Наклоны регрессий в трех экспериментах были статистически схожими (F(2) = 0,478, p = 0,623), что свидетельствует о воспроизводимости результатов. Важно отметить, что наклоны во всех трех случаях были больше единицы, что указывает на то, что в среднем можно ожидать незначительного занижения концентраций газов, измеренных с помощью оптического анализатора, по сравнению с концентрациями, полученными с помощью хроматографии. Тем не менее, пересечения на нуле различаются (F(1) = 1648,49, p <0,0001), что предупреждает об осторожности при интерпретации низких концентраций_CH4 (т.е. <10 мкмоль/моль). Фактически, при этих самых низких концентрациях оптический анализатор и хроматография показали наибольшие относительные ошибки (Таблица 1), что свидетельствует о проблемах измерения при низких концентрациях.

Полевые испытания: использование протокола для определения концентрации метана в поровой воде на двух участках растительности в прибрежных водно-болотных угодьях Луизианы
Концентрации CH₄ в поровой воде, определенные из полевых проб, демонстрируют отчетливую вертикальную и временную динамику (рис. 5). Эти закономерности ожидаются в экогидрологических условиях водно-болотных угодий, подобных тем, которые были отобраны, где разнообразная растительность водно-болотных угодий может модулировать производство и окисление_CH4 и, как следствие, газообмен с атмосферой^17,18. ОД составил ± 10,03%, что меньше 15%, обычно используемых в качестве порогового значения в протоколах контроля и обеспечения качества (QC/QA) с использованием хроматографии при анализе парниковых газов¹⁹.

Рисунок 1: Обзор протокола. Схема, показывающая основные этапы протокола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Компоненты системы. (А) Основные компоненты и (Б) подробный вид камеры впрыска. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Концентрации во время инъекций. Концентрации_CH4 в камере впрыска во время выбранного измерения показывают типичную реакцию после впрыска пробы. Выделенные области указывают на концентрации до и после закачки, учитываемые для расчетов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Сравнение измерений с помощью этого метода и хроматографии. Линейные зависимости между концентрациями_CH4 в свободном пространстве, определенными с помощью газовой хроматографии (GC-FID), и концентрациями, определенными этим методом для трех экспериментов, показали хорошие линейные аппроксимации (т.е. r² > 0,98). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Демонстрация сценария использования. Концентрация поровой воды на участках с преобладанием (A) Sagittaria lancifolia, и (B) смеси Sagittaria lancifolia и Typha latifolia. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Таблица 1: Относительная погрешность (%). Измерения методом газовой хроматографии (ГХ) и оптического анализатора одного и того же контрольного стандартного флакона.

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 сосредоточена на_CH4, но протокол может быть применен для анализа других соответствующих парниковых газов, таких как CO₂ и N₂O⁸. Цель состояла в том, чтобы расширить предыдущие систематические оценки этих систем замкнутого цикла, которые представляют собой альтернативную аналитическую платформу традиционной газовой хроматографии в исследованиях по измерению концентрации парниковых газов.

Как и в случае с газовой хроматографией, в этом подходе крайне важно использовать стандарты проверки для обеспечения контроля качества и оценки в процессе анализа. Стандарты, проанализированные с помощью метода, были сопоставимы с эталонами стандартной хроматографии (рис. 4). Тем не менее, к основным предполагаемым преимуществам можно отнести отсутствие газов-носителей или частых процедур калибровки. Пользователи также могут запускать пробы сразу после отбора проб в полевых условиях, сокращая время, необходимое для микробного окисления реакционноспособных веществ, таких как CH₄ , в пробах воды. Даже когда газ без выбросов парниковых газов для создания свободного пространства, необходимого для подготовки образцов, недоступен, пользователи все равно могут создать свободное пространство с использованием окружающего воздуха, предполагая, что концентрация в интересующей воде выше концентрации воздуха²⁰. Существуют также очевидные недостатки, такие как время, необходимое для измерения больших наборов образцов. Несмотря на то, что анализ одного образца может занимать столько же времени, сколько и при использовании ГХ-ФИД, в оптических анализаторах не существует автоматизированных способов проведения инжекций, и для этого подхода требуется больше времени работы, чем для более устоявшихся систем ГХ-автоподатчиков.

Основное различие между этим подходом и другими системами с замкнутым контуром и встроенными отверстиями впрыска (например, ⁸) заключается в добавлении камеры впрыска. В нем пробы высокой концентрации могут быть разбавлены в рамках обычной операции во время анализа, избегая дополнительных этапов разбавления проб перед их впрыском в контур. На практике оператор может продолжать впрыскивание из свободного пространства в камеру вместо создания разведений для образцов с предполагаемыми высокими концентрациями. Объем камеры может быть изменен и увеличен для размещения образцов с высокой концентрацией или меньше для образцов с низкой концентрацией. Еще одним преимуществом данного метода по сравнению с другими системами замкнутого контура с поточным впрыском с точки зрения эффективности при анализе нескольких образцов является возможность стековых впрысков без промывки камеры сразу после каждого впрыска. Разбавление в камере впрыска позволило концентрации метана в контуре постоянно оставаться ниже 100 ppm_CH4 во время тестируемого нами подхода с 20-уровневой закачкой, который в предыдущей работе был определен как порог концентрации в контуре, при котором точность анализа_CH4 начинает^{снижаться3}.

В целом, этот метод подходит для анализа образцов в удаленных местах или в случаях, когда хроматографы, в том числе портативные²¹, невозможны или недоступны. Например, ученые, участвующие в полевых экспедициях в отдаленных местах, смогут определить фактические концентрации парниковых газов в водоемах и водных системах после выполнения некоторых простых шагов для создания пространства для анализа и принятия решений относительно приоритетов и потребностей отбора проб на месте, вместо того чтобы доставлять образцы обратно в лабораторию или полевую станцию, оснащенную хроматографом.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Эта работа финансировалась за счет наград Министерства энергетики DE-SC0021067, DE-SC0023084 и DE-SC0022972. Данные о концентрации поровых вод на участках отбора проб на болоте находятся в открытом доступе в архиве данных ESS-DIVE (https://data.ess-dive.lbl.gov/view/doi:10.15485/1997524 , по состоянию на 21 июня 2024 года)