Planning v. spontaneity (and the nitrogen gas excess in the ETSP)

by Rachel Horak

I have never spent so much time preparing for a single event as I have done for this cruise. I spent the better part of December through June helping to organize the entire cruise effort. This included applying for necessary permits to sample in Chile through the US State Department, communicating with the ship’s crew to ensure that our research needs were met, organizing and communicating with all 31 scientists (on 3 different continents), and getting 8000 pounds of science gear from Seattle into a foreign country (Chile). It was all more difficult than I thought, but it worked out okay. These types of tasks suit me well because I prefer to have things planned out and done early so that I don’t have to stress out over things at the last minute.

Rachel collecting seawater for N/Ar gas ratios. The collection bottle is at the bottom of the picture (it has a red top)

Rachel collecting seawater for N/Ar gas ratios. The collection bottle is at the bottom of the picture (it has a red top)

If only I could do my research without stress at the last minute, things would be great. This is rarely the case. My project, conducted with Al Devol at University of Washington, involves studying the total nitrogen gas excess in this part of the ocean, the ETSP. For this project, I collect samples of water from many depths and analyze the concentration of nitrogen and argon gas in the sample. Nitrogen gas is the end product of denitrification, a type of oxygen-free microbial physiology that uses inorganic nitrogen (ammonia, nitrite, or nitrate) for respiration. Just as we humans and other animals (like penguins, which I saw today) breathe out carbon dioxide gas, the microbes we study “breathe” out pure nitrogen gas. I can actually measure the build-up of this waste product by comparing it to the concentration of argon, an inert gas. Argon isn’t used as an element in nature because it does not participate in chemical reactions, although it is sometimes used in incandescent and fluorescent lighting. Because argon concentrations are the same throughout the ocean, I can measure the ratio of nitrogen:argon, find the predicted argon ratio, and voila – calculate the nitrogen gas in a water sample.

This measurement is useful to the entire project because it measures the total amount of denitrification in the water without relying on experiments to measure rates of microbial physiology, although it is nice to compare data with those experiments. We have taken samples at 9 different stations throughout our journey, and have one more station to sample. At each station, we sample 10-15 depths. The depths vary from station to station and depend on the oxygen concentration and nutrient content of the water. Picking the depths quickly after I see the oxygen profile has proved to be tough exercise in spontaneity for me.

Preparing these bottles for the journey to sea was no quick and easy task. The nature of the task required me to wait until the last minute to prepare the bottles; this was difficult for someone who likes to get things done early! The o-rings, which are essential to maintaining a tight seal and keeping the seawater from exchanging gas with the air, are not perfect and have a natural leak rate. To prepare them, I spent at least 25 hours cleaning, inspecting, and greasing all the o-rings. Then, I thoroughly washed the bottles and dried them with a small amount of microbial poison (mercuric chloride). Finally, I vacuumed all the air out of them, so that every last bit of air we breathe (with is 79% nitrogen and 0.93% argon) does not contaminate the dissolved gas concentration of the collected seawater (which has a higher nitrogen concentration). I brought 206 of these bottles on the plane with me, and I was a very happy person to see that American Airlines delivered them all to me.

We collect the seawater directly out of the Niskin bottle from the CTD rosette (see picture), and we take great care to not allow the seawater to come into contact with the atmosphere. I will analyze the nitrogen:argon gas ratios in the lab with a mass spectrometer when I return from my next cruise. The method that I use only allows me to analyze approximately 5 samples per day, so I already know what work waits for me the first 41 days back ashore! My lab did similar measurements in this part of the ocean a few years ago, and we hope to build upon those measurements at more stations to learn about how much nitrogen is being lost from the ocean as nitrogen gas.

Nunca he pasado tanto tiempo preparándose para un solo evento, como he hecho para este crucero. Pasé la mayor parte de diciembre y junio de ayudar a organizar todo el esfuerzo de crucero. Esto incluyó la solicitud de los permisos necesarios para la muestra en Chile a través del Departamento de Estado de EE.UU., la comunicación con la tripulación del buque para asegurarse de que se cumplen nuestras necesidades de investigación, la organización y la comunicación con los 31 científicos (en 3 continentes diferentes), y conseguir 8.000 libras de la ciencia equipo de Seattle en un país extranjero (Chile). Todo era más difícil de lo que pensaba, pero todo salió bien. Estos tipos de tareas me quedan bien porque prefiero tener las cosas planeadas y hecho antes para que yo no tengo que destacar a lo largo de las cosas en el último minuto.

Si yo pudiera hacer mi investigación sin la tensión en el último minuto, las cosas serían grandes. Esto es raramente el caso. Mi proyecto, llevado a cabo con Al Devol en la Universidad de Washington, consiste en estudiar el exceso total de gas nitrógeno en esta parte del océano, la ETSP. Para este proyecto, recoger muestras de agua de varias profundidades y analizar la concentración de nitrógeno y argón en la muestra. El gas nitrógeno es el producto final de la desnitrificación, un tipo de fisiología microbiana libre de oxígeno que utiliza nitrógeno inorgánico (amoníaco, nitrito, nitrato o) para la respiración. Así como los seres humanos y otros animales (como los pingüinos, que vi hoy) exhalan dióxido de carbono, los microbios que estudiamos “respirar” a gas nitrógeno puro. En realidad puedo medir la acumulación de este producto de desecho por comparación con la concentración de argón, un gas inerte. El argón no se utiliza como un elemento en la naturaleza, ya que no participa en las reacciones químicas, a pesar de que a veces se usa en la iluminación incandescente y fluorescente. Dado que las concentraciones de argón son los mismos en todo el océano, que puede medir la proporción de nitrógeno: argón, encontrar la relación de argón se predijo, y voila – calcular el gas nitrógeno en una muestra de agua.

Esta medida es útil para todo el proyecto, ya que mide la cantidad total de desnitrificación en el agua sin depender de los experimentos para medir las tasas de fisiología microbiana, aunque es bueno comparar los datos con los experimentos. Hemos tomado muestras en 9 estaciones diferentes a lo largo de nuestro viaje, y tienen una más estación de muestreo. En cada estación, nos muestra 10-15 profundidades. Las profundidades varían de estación a estación y dependen de la concentración de oxígeno y el contenido de nutrientes del agua. Recogiendo las profundidades rápidamente después de ver el perfil de oxígeno ha demostrado ser un ejercicio difícil en la espontaneidad para mí.

Preparación de las botellas para el viaje al mar no fue una tarea fácil y rápida. La naturaleza de la tarea requiere que espere hasta el último minuto para preparar las botellas, lo que fue difícil para alguien que le gusta hacer las cosas pronto! Las juntas tóricas, que son esenciales para mantener un sello hermético y mantener el agua de mar del intercambio de gases con el aire, no son perfectos y tienen una tasa de fugas natural. Para prepararlos, pasé al menos 25 horas de limpieza, inspección y engrase todas las juntas tóricas. Entonces, se lavó a fondo de las botellas y los secó con una pequeña cantidad de veneno microbiana (cloruro de mercurio). Por último, la aspiradora todo el aire de ellos, por lo que hasta la última gota de aire que respiramos (con un 79% de nitrógeno y 0,93% de argón) no contamina la concentración de gas disuelto en el agua de mar recogidos (que tiene una concentración de nitrógeno superior) . Traje 206 de estas botellas en el avión conmigo, y yo era una persona muy feliz de ver que American Airlines entregó a todos ellos a mí.

Nosotros recogemos el agua de mar directamente de la botella Niskin del CTD roseta (ver foto), y tenemos mucho cuidado de no permitir que el agua de mar que entra en contacto con la atmósfera. Voy a analizar el nitrógeno: relaciones de gas argón en el laboratorio con un espectrómetro de masas cuando regrese de mi próximo crucero. El método que yo uso sólo me permite analizar aproximadamente 5 muestras por día, así que ya sabe lo que el trabajo me espera los primeros 41 días atrás en tierra! Mi laboratorio hizo mediciones similares en esta parte del océano hace unos años, y esperamos construir sobre esas medidas a más estaciones para aprender acerca de la cantidad de nitrógeno que se está perdiendo en el mar como gas nitrógeno.

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