التصور ثنائي الأبعاد والتخصيص الكمي للمغذيات النباتية غير العضوية والملوثات في التربة

يلعب الدوران الحيوي إلى الكيميائي للعناصر في التربة دورا مهما في النظم البيئية. باستخدام هذا البروتوكول ، يمكن تصوير توزيع كسور العناصر المتاحة للنبات في 2D باستخدام تصوير قياس الطيف الكتلي DGT. هذه الطريقة فريدة من نوعها في قدرتها على تصور وقياس مستويات التتبع الفائق للعديد من الأنواع المذابة غير العضوية في واجهة المذاب ، مما يتجاوز بشكل كبير الدقة المكانية للطرق البديلة.

بالإضافة إلى التحقيق في تدفقات العمالة والمذاب في التربة والرواسب ، يمكن تطبيق هذه الطريقة للتحقيق في كيفية امتصاص جذور النباتات للعناصر الغذائية والملوثات. لتصنيع هلام DGT ، قم أولا بتغطية طبقة رقيقة من الأنيون المختلط القائم على البولي يوريثين وتعليق جل الربط الكاتيوني على صفيحة زجاجية ، ثم ضع اللوحة في فرن لبدء تكوين الهلام عن طريق تبخر المذيبات. بعد تكرار التطبيق والتبخر ثلاث مرات ، قم بترطيب اللوح الزجاجي المطلي الثلاثي الناتج في حمام مائي للحصول على جل أنيون مختلط وملزم بسمك 0.1 ملم ومقاوم للتمزق ومختلط من الأنيون.

لتجميع الجذور ، استخدم مشابك لإرفاق شفرة أكريليك صغيرة واحدة في الجزء السفلي من ارتفاع الجذور مع ضغط المشابك الموجهة إلى إطار الجذور ، بحيث لا تنحني اللوحة إلى الداخل. قم بإمالة الجذور قليلا نحو الصفيحة البلاستيكية الصغيرة واملأ الجذر بتربة مبللة مسبقا يصل ارتفاعها التقريبي إلى أربعة سنتيمترات. حرك الجذر قليلا لتوزيع التربة بالتساوي واستخدم أداة ضغط لضغط التربة برفق ببضعة ملليمترات.

كرر الحشو والضغط حتى يمتلئ الجذر بالتربة ، تاركا فجوة ثلاثة سنتيمترات في الأعلى. استخدم شريطا لتثبيت قطعة من رقائق PTFE مقاس 13 × 22 سم بعناية على إطار الجذر زاوية واحدة في كل مرة ، مع تطبيق الشد لضمان سطح رقائق معدنية مستو. عندما تكون رقائق PTFE مسطحة ومتجاورة مع سطح التربة ، قم بإرفاق قطعة ثانية من رقائق الألومنيوم على الطرف السفلي من الجذر ، متداخلة مع قطعة رقائق PTFE العلوية بمقدار سنتيمتر واحد بنفس الطريقة.

عندما يتم تأمين القطعة الثانية ، ضع غطاء رقائق بلاستيكية واقية. ضع صفيحة أمامية على الجذور المملوء بالتربة والمغطاة بورق الألمنيوم ، وضع سكة واحدة حول كل جانب من جوانب الجذور. ثم شد البراغي يدويا لتثبيت القضبان الموجودة في اللوحة الأمامية على الجذور مع وضع البراغي باتجاه الجانب المغلق من الجذور.

لسقي التربة ، ادفع أطراف الماصة في فتحات الري واترك الماء يتدفق إلى التربة عن طريق الجاذبية. لزراعة النباتات ، قم بزراعة ما يصل إلى شتلتين في الجذور وأضف خمسة ملليلتر من الماء مباشرة إلى الشتلات لدعم نموها. قم بتغطية الفتحة العلوية للجذور في اليومين الأولين بعد الزراعة بغشاء شفاف للاحتفاظ بالرطوبة ولف الجذور بورق الألمنيوم لمنع نمو النباتات الدقيقة.

ثم ضع الجذور المزروع في غرفة نمو مع ضبط الظروف البيئية على متطلبات النبات المحددة وإمالة الجذور من 25 إلى 35 درجة لضمان نمو الجذر على طول الصفيحة الأمامية عن طريق الجاذبية. لتطبيق جل DGT المصنع ، قم بقص غشاء بولي كربونات بسمك 10 ميكرون بحجم مسام 0.2 ميكرون إلى عرض وطول أكبر من سنتيمتر واحد على الأقل لكل جانب من جوانب الجل وضع الغشاء على الجل. ضع الماء لإزالة فقاعات الهواء من المكدس واستخدم شريطا كهربائيا من الفينيل لتثبيت الغشاء على اللوحة على طول الحواف الأربعة للجل.

بعد إزالة اللوحة الأمامية والرقائق الواقية ، قم بمحاذاة عدسة الكاميرا الرقمية ذات العدسة الواحدة المزودة بعدسة ماكرو إلى مركز المنطقة التي تهم الجل وبما في ذلك شريط مقياس في الصورة للحصول على صورة متعامدة لمنطقة الاهتمام. ثم قم بمحاذاة حافة واحدة من اللوحة المجهزة بكومة غشاء الهلام مع حافة الجذور المفتوح. ثني اللوحة برفق نحو التربة واستخدم القضبان والبراغي لربط اللوحة بالجذور.

بعد فترة أخذ العينات بالعزلة ، انقل اللوحة الأمامية من جذور الجذور إلى غطاء التدفق الصفحي مع توجيه جانب مكدس غشاء الجل لأعلى ، وقم بإزالة الشريط وغشاء البولي كربونات الذي يغطي الجل بعناية. ضع الماء لمساعدة الجل على الطفو بحرية على طبقة رقيقة من الماء على اللوحة بحيث يكون جانب ملامسة التربة متجها لأعلى وانقل الجل إلى غشاء بولي إيثر سلفون بحجم مسام 0.45 ميكرون ودعم ورق نشاف. بعد تغطية كومة الجل بورق واقي ، ضع المكدس في مجفف جل مفرغ من الهواء.

عندما يجف الجل تماما ، استخدم شريطا لاصقا على الوجهين لتثبيت الجل الجاف مع عينات الجل الأخرى على لوح زجاجي. لإجراء تحليل مسح خط قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن بالحث بالليزر للمواد الهلامية الجافة DGT ، قم أولا بإصلاح فراغات العينة والمعايير على مرحلة عينة الاستئصال بالليزر ، وقفل مرحلة الليزر في خلية الاستئصال لنظام الاستئصال بالليزر. في برنامج الاستئصال بالليزر ، قم بتحريك منطقة الاهتمام على سطح الهلام وارسم خطا واحدا بطول مليلتر تقريبا عبر سطح معيار الهلام.

قم بلعق الخط بزر الماوس الأيمن في نافذة أنماط المسح للتحقق من تعيين معلمات الاستئصال بالليزر واعتمادها واستخدم أداة المسح المكررة لتكرار هذا الخط أربع مرات بمسافة بين الخطوط أكبر من قطر البقعة. بعد تكرار هذا الخط لكل معايرة قياسية هلامية فارغة وطريقة فارغة ، ارسم خطا واحدا على طول الحافة العلوية للمنطقة المستطيلة لعينة الهلام المراد تحليلها وقم بتكرار الخط لإنشاء خطوط متوازية لمنطقة العينة بأكملها كما هو موضح ، باستخدام مسافة بين الخط من 300 إلى 400 ميكرومتر. تحقق من أن كل نقطة بداية ونهاية لكل سطر مركزة بشكل صحيح على سطح الهلام وانقر فوق تحليل الدفعة لبدء تسلسل العينة على مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث.

انقر فوق الانبعاث في نافذة طاقة الليزر لإعادة شحن رأس الليزر. انقر فوق تشغيل لفتح نافذة تجربة التشغيل وتحديد الأنماط المحددة فقط. اضبط تأخير الغسيل على 20 إلى 30 ثانية.

حدد الليزر الممكن أثناء صندوق المسح واضبط وقت الإحماء بالليزر على 10 ثوان. ثم انقر فوق تشغيل وموافق لبدء تحليل مسح الخط ومراقبة شدة الإشارة الأولية بالأعداد في الثانية لكل نظير على مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث في الوقت الفعلي. يجب أن يبدأ كل سطر وينتهي بفارغ غاز.

بعد التحليل، قم باستيراد ملف البيانات الأولية لكل سطر تم شطبه إلى جدول بيانات. يوضح جدول البيانات الأولية قراءات قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترنة بالحث لكل نظير بالعدد في الثانية ، والنقاط الزمنية المقابلة بالثواني. قم بإدراج جميع الأسطر المجاورة لبعضها البعض في أعمدة مختلفة.

احسب متوسط فارغ الغاز لكل نظير من جميع القيم الفارغة للغاز المسجلة قبل استئصال الخط واطرح متوسط الغاز الفارغ من الشدة الأولية المقابلة لكل نظير لتصحيح إشارة الخلفية. لتطبيق التطبيع الداخلي ، اقسم شدة الإشارة المصححة بالغاز الفارغة لكل نظير على شدة الإشارة المصححة بالغاز الفارغة للكربون القياسي الداخلي 13 لكل نقطة بيانات لتصحيح الاختلافات في كمية المواد التي تم استئصالها والانجراف الأدواتي. قم بقص البيانات قبل بدء وبعد نهاية كل سطر مفصول لإزالة إشارة خلفية الغاز الفارغة وتبديل جدول البيانات للحصول على مصفوفة شبكية يتوافق فيها كل صف مع خط مفصول ويتوافق كل عمود مع قيمة شدة النظير الطبيعي.

ثم قم بتطبيق وظيفة المعايرة التي تم الحصول عليها من تحليل معايير الهلام واحفظ مصفوفة البيانات المعايرة كملف نصي. لإنشاء صورة ، قم باستيراد مصفوفة بيانات العينة المعايرة إلى برنامج تحليل الصور كصورة نصية وقم بتطبيق عامل تصحيح نسبة العرض إلى الارتفاع وجدول البحث لتصور التدرجات الكيميائية في الصورة المذابة. اضبط توازن ألوان الصورة للتحكم في الحدود الدنيا والعليا لنطاق العرض ، وأضف شريط معايرة واحفظ الصورة المذابة كملف TIF.

استخدم الأمر copy to system لنسخ الصورة الصلبة ولصقها في برنامج النشر المكتبي. ثم قم بمطابقة الصورة الصلبة ومحاذاتها وتركيبها مع صورة لمنطقة الاهتمام والصور المذابة الأخرى. تكشف محاذاة الصور المذابة مع صورة فوتوغرافية للمنطقة محل الاهتمام أن توزيع التدفق الصلب 2D دون المليمتر للعناصر المختلفة متغير للغاية وفقا لبنية التربة ومورفولوجيا الجذر.

على سبيل المثال ، في هذا التحليل لجذر الحنطة السوداء الصغير المزروع في تربة خالية من الكربونات ، ومخصب بنترات الأمونيوم ، أظهر توزيع المذاب دون المليمتر مناطق من انخفاض تدفقات الألمنيوم والفوسفور والحديد جنبا إلى جنب مع أقسام الجذر القديمة بسبب امتصاص الجذور ، وزيادة كبيرة في تدفقات المغنيسيوم والألمنيوم والفوسفور والمنغنيز والحديد في قمة الجذر بسبب عمليات تعبئة المغذيات الموضعية. في هذا التحليل ، يمكن ملاحظة استنفاد واضح للزنك والكادميوم والرصاص في موضع الجذر المباشر ، مما يوضح أن جذور أنواع الصفصاف التي تتحمل المعادن Salix smithiana تعمل كحوض موضعي للمعادن النزرة المتقلبة في التربة الملوثة. في هذا التحليل ، تم توطين توزيع المعادن النزرة المتقابلة جنبا إلى جنب مع جذور Salix smithiana مع توزيع الأس الهيدروجيني ، باستخدام جل ربط كاتيون مستقيم أحادي الطبقة

كشفت هذه الطريقة أن زيادة التدفقات المذابة للمنغنيز والحديد والكوبالت والنيكل والنحاس والرصاص ارتبطت بانخفاض الأس الهيدروجيني بمقدار وحدة واحدة تقريبا ، مما يشير إلى إذابة المعادن الناجم عن الأس الهيدروجيني. من الأهمية بمكان ضمان اتصال وثيق ومستقر بين أداة DGT والسطح الصلب لتجنب القطع الأثرية التحليلية. إذا كنت في شك ، كرر إجراء تطبيق الجل.

يمكن دمج هذه الطريقة مع تقنيات التصوير الصلبة الأخرى القائمة على الانتشار ، مثل البصريات المستوية لتقييم مجموعة من المعلمات المشاركة في امتصاص العناصر النباتية في نفس الوقت.