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设计与构建通过土壤生物活动增强矿物风化的实验装置

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DOI：

10.3791/65563

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2023年11月10日

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1Soil Biology Group, Wageningen University & Research, 2Soil Chemistry and Chemical Soil Quality, Wageningen University & Research, 3Department of Earth Sciences, Uppsala University, 4Institute for Geology, Center for Earth System Research and Sustainability, University of Hamburg, 5Tupola, Wageningen University & Research, 6IDLab - Department of Computer Science, University of Antwerp - imec, 7Plants and Ecosystems (PLECO), Biology Department, University of Antwerp, 8Research Group of Sustainable Energy, Air and Water Technology, University of Antwerp, 9Department of Mathematics, University of Antwerp - imec

本文内容

摘要

本文介绍了通过土壤生物活动增强矿物风化的实验装置的构建与操作方法，同时调控已知可促进风化的非生物变量。讨论了该装置运行及样品分析的代表性结果，并提出了改进方向。

摘要

强化风化（EW）是一种新兴的二氧化碳（CO2）清除技术，有助于减缓气候变化。该技术通过调控控制矿物风化过程的非生物变量，特别是矿物颗粒大小和与溶于水中的酸接触的程度，来加速土壤中矿物的自然风化过程。EW的主要目标是通过增强无机碳封存来降低大气中CO2的浓度。迄今为止，关于EW的认识主要来自聚焦于已知促进矿物风化的非生物变量的实验，因而忽视了生物组分可能产生的影响。尽管已知细菌、真菌和蚯蚓能够提高矿物风化速率，但在EW背景下利用土壤生物的研究仍较为匮乏。

本方案描述了一种实验装置的设计与构建方法，该装置旨在通过土壤生物增强矿物风化速率，同时控制非生物条件。该装置的设计目标是在维持土壤生物活性的前提下最大化风化速率。装置由大量装有岩石粉末和有机材料的柱体组成，置于气候室中，并通过下流式灌溉系统加水。柱体放置于一个冰箱上方，冰箱内放置有储液罐用于收集淋滤液。代表性结果表明，该装置能够有效维持土壤生物的活性，并量化其对无机碳封存的影响。目前仍存在的挑战包括尽量减少淋滤液损失、确保气候室内通风均匀，以及避免柱体发生淹水。该装置提出了一种创新且具有前景的方法，可通过土壤生物群的活动增强矿物风化速率，并解析生物与非生物因素作为增强风化（EW）驱动因子的各自作用。

引言

强化风化（Enhanced weathering, EW）是一种相对较新且技术门槛较低的二氧化碳移除（carbon dioxide removal, CDR）技术，具有显著缓解气候变化的潜力1,2,3。该技术的原理在于加速土壤中矿物的自然风化过程，从而将二氧化碳（CO2）以无机碳（inorganic carbon, IC）的形式封存3。强化风化旨在通过人为优化控制矿物风化的各种因素，使风化过程的速度提升至与人类活动相关的时间尺度3。为了使强化风化达到最佳效果，通常将易于风化的硅酸盐矿物研磨成粉末，其粒径分布在微米至毫米范围内，以实现约1 m2·g-1量级的高反应表面积3,4。

到目前为止，关于风化层（EW）的知识主要来自聚焦于非生物因素的实验，这些因素控制着矿物溶解的速率。5这些因素包括矿物反应活性和表面积、温度、溶液组成、水体滞留时间以及酸度4,6,7，但在此背景下仍需开展进一步研究。除了受到非生物因素的影响外，自然系统尤其是土壤，还受到从微生物到蚯蚓等大型动物在内的大量生物的塑造作用。尽管已有部分研究表明生物活动对矿物溶解的影响较小或无显著影响8,9,10，其他研究已提供证据表明，土壤生物（如细菌）11,12，真菌13,14, 和蚯蚓15,16 可能会提高矿物风化速率。因此，生物组分可能是理解增强风化（EW）实际无机碳（IC）封存潜力的关键5.

土壤生物加速矿物溶解的第一种常见机制是通过呼吸作用释放CO2，从而增强土壤酸化17。此外，细菌和真菌可通过分泌质子、螯合剂、有机酸和酶来促进矿物风化，这些物质均能增强矿物溶解18,19,20,21。例如，羧基和羟基基团的螯合作用可导致离子失衡，将元素从矿物表面运移出去，并降低饱和度状态20,22。这可能导致更少的次生矿物形成，从而提高增强风化（EW）的效率。此外，蚯蚓通过摄食土壤颗粒，其体壁的强烈作用可将矿物颗粒破碎成更细小的颗粒，增加其可反应的表面积23。栖息在蚯蚓肠道及其新鲜排泄物中的微生物可进一步攻击这些较小颗粒，并分泌更多的有机酸和酶24,25。通过掘穴活动，蚯蚓不仅促进了有机质与矿物颗粒的混合，还形成了大孔隙，使水流能够绕过饱和的孔隙空间17。这有助于水与不同矿物表面接触，提高水-岩接触速率。

迄今为止，尚未建立能够在确保优化多种相关非生物条件（如水分输入、温度、矿物类型和矿物粒径）的同时，利用土壤生物研究强化风化（EW）速率及由此带来的碳封存（IC sequestration）的实验装置。本文介绍了一种创新性实验装置的设计及其构建步骤，该装置旨在通过小型中宇宙系统中土壤生物的活动来提高强化风化速率。该实验系统包含203个圆柱形反应柱（长度15 cm，直径7 cm），置于一个气候培养箱（4.54 m × 2.72 m）中，在25 °C条件下持续运行8周。这203个反应柱被分为10组（每组18个）和2组（每组10个），以适应气候培养箱的空间布局。其中一组10个反应柱预留出空间，用于插入3个作为空白对照的额外反应柱。每组反应柱下方放置一个冰箱，并在上方配备可远程控制的灌溉系统，从而实现不同冰箱之间以及同一冰箱内各反应柱的可变灌溉速率。每个反应柱的淋滤液被收集于置于冰箱中并保持恒定低温的储液罐中（图1）。每个冰箱负责收集一组反应柱的淋滤液，因此可将每个冰箱视为一个独立系统，其包含18个或10个反应柱。由此，该实验装置中的反应柱数量可根据具体实验需求进行调整，最多可容纳203个反应柱。

带有柱体、漏斗、水桶、管道流和亚克力板的DIY冰箱灌溉系统示意图。
图1：装置的侧视示意图，显示5个柱体，但实际系统包含18个柱体。 支撑柱体的框架由不锈钢板、不锈钢螺钉和亚克力板制成。柱体位于框架中央，顶部设有灌溉系统。柱体下方，漏斗通过管道与水桶相连，用于收集淋滤液。水桶置于冰箱内，整个系统由冰箱承载。冰箱可通过抬起盖子打开。 请点击此处查看此图的放大版本。

在此实验装置中，使用特定粒径的硅酸盐岩石粉末可确保实现较高的风化速率，同时通过接种特定筛选的细菌、真菌和蚯蚓，赋予该人工系统以生物活性。该装置可通过测定溶解态和固态无机碳以及总碱度（TA），同步量化固体和液体样品中封存的碳。此外，还可测定淋滤液中的pH、电导率（EC）和离子等其他参数，作为风化作用的指示指标。该装置还可用于评估土壤生物的存活状况及其活性影响。文中展示了代表性实验结果，以证明本方案适用于构建一种风化速率的提升不仅来源于非生物因素、也来源于生物因素的实验系统。

方案

以下详细描述了包含18根色谱柱的系统中各部件组装的实验方案。

1. 构建用于固定层析柱的框架

  1. 准备丙烯酸板，用于固定灌溉系统、柱体、漏斗以及收集淋滤液的管道。
    1. 切割三块尺寸为 63 cm × 67 cm 的丙烯酸板（丙烯酸板 1–3），以及一块尺寸为 45 cm × 56 cm 的丙烯酸板（丙烯酸板 4）。
    2. 在每块丙烯酸板上按照以下步骤说明切割 18 个孔。
      1. 丙烯酸板 1 — 顶板：切割直径为 0.7 cm 的孔，用于后续插入灌溉系统的管道。
      2. 丙烯酸板 2 — 自上而下第二块板：切割直径为 8 cm 的孔，用于后续插入柱体（图 2）。
      3. 丙烯酸板 3 — 自下而上第二块板：切割直径为 1.2 cm 的孔，用于后续插入漏斗。
      4. 丙烯酸板 4 — 底板：切割直径为 1.2 cm 的孔，用于后续插入将淋滤液导流至油桶的塑料管。
    3. 此外，在丙烯酸板 1–3 的每个角落及侧边各切割一个直径为 1.1 cm 的孔，用于插入不锈钢螺钉。
    4. 对于每块丙烯酸板，使用标签打印机打印标有柱体编号（1–18）的塑料标签，并将其粘贴在对应孔的下方。
      注：根据 18 个柱体的编号，在丙烯酸板 2、3 和 4 上粘贴标签，有助于在安装过程中将装置各部件准确放置到相应位置。
  2. 使用不锈钢板和螺钉固定丙烯酸板。
    1. 取定制的不锈钢板，其设计依据为 图 3 所示，尺寸为 63.6 cm × 67.3 cm × 4 cm，厚度为 1.5 mm。
    2. 在每块不锈钢板的每个角落及侧边钻直径为 1.1 cm 的孔。
    3. 取长度为 50 cm 的不锈钢螺钉。
    4. 按照从上到下的顺序，将丙烯酸板 1（灌溉管）、丙烯酸板 2（柱体）和丙烯酸板 3（漏斗）套入不锈钢螺钉。每个角落使用两个六角螺母和两个垫圈固定，以确保丙烯酸板位置稳定。
      注：各丙烯酸板之间需预留足够空间以便后续安装不同组件。保持丙烯酸板 1 与丙烯酸板 2 之间距离约为 19.5 cm，丙烯酸板 2 与丙烯酸板 3 之间约为 10.5 cm，丙烯酸板 3 与丙烯酸板 4 之间约为 16.5 cm。
    5. 在不锈钢螺钉的顶部和底部安装上下不锈钢板，每个角落使用两个六角螺母和两个垫圈固定。
    6. 在完成冷藏系统构建后，将整个装置放置于冰箱顶部。

网格布局示意图，18个开口；尺寸为63x67厘米；用于结构分析。
图2：丙烯酸板2上柱体布置的设计示意图（俯视图）。 编号标签指示相应柱体应放置的位置。请点击此处查看该图的放大版本。

静力平衡，刚性框架示意图，用于说明力的分布与结构稳定性。
图3：不锈钢板的设计。（A、B）上板。（C、D）下板。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 构建渗滤液收集用的制冷系统

  1. 设置冰箱以放置运水罐。
    1. 移除冰箱的前后盖板，并将后盖板替换为亚克力板4。
      注意：安装完成后，该亚克力板不应再被移除。如需在冰箱内部操作，请通过向上提起的方式移除前盖板。
    2. 将冰箱放入气候室中并接通电源。
    3. 将冰箱温度设定为 4 °C，并在冰箱内放置一个数据记录仪。
    4. 使用前盖板关闭冰箱。
    5. 整夜监测数据记录仪所记录的数据。若温度偏离设定值，需移除冰箱底部的格栅并调节温度。重复此步骤直至达到目标温度。
  2. 使用聚氯乙烯（PVC）管将漏斗连接至运水罐。
    1. 根据各漏斗与对应运水罐之间的距离，截取18根适当长度的PVC管（内径0.8 cm）。
      注意：管长范围从最短38 cm至最长81 cm不等。
    2. 首次使用前，用去离子水冲洗管道；其他情况下，将管道浸泡于50 L水中，其中已溶解30 g柠檬酸产品，以去除碳酸盐沉淀物，持续浸泡4天。之后再次用去离子水冲洗管道。
      警告：尽管柠檬酸产品使用相对安全，但仍应采取适当的防护措施，避免接触眼睛及长时间接触皮肤。
      注意：如有超纯水可用，建议优先使用超纯水而非去离子水。
    3. 让管道在空气中干燥24小时。
    4. 根据编号将管道插入亚克力板4中。
  3. 安装漏斗以引导淋滤液进入运水罐。
    1. 首次使用前，用乙醇擦拭18个漏斗；其他情况下，参照PVC管的处理流程进行操作。
      警告：乙醇易燃，可能引起眼睛、皮肤和呼吸道刺激，并导致头晕和呼吸浅表。乙醇经吞食、吸入或皮肤吸收后对人体有害。
    2. 将漏斗插入亚克力板3中，并根据编号连接至相应的管道。
  4. 安装运水罐以收集淋滤液。
    1. 准备10个容量为10 L的高密度聚乙烯（HDPE）运水罐和8个容量为5 L的HDPE运水罐。
      注意：5 L运水罐用于低灌溉速率实验，而10 L运水罐用于高灌溉速率实验（见表1）。选用HDPE材质的运水罐是因为该材料具有化学惰性。
    2. 将50 mL洗碗液稀释于10 L自来水之中。先用该溶液冲洗运水罐一次，再用自来水冲洗一次，最后用去离子水冲洗一次。每次使用前均需重复此清洗流程。
      注意：如有超纯水可用，建议优先使用超纯水而非去离子水。
    3. 让运水罐在空气中干燥24小时。
    4. 在每个运水罐盖上钻一个直径为1.2 cm的孔，用于插入塑料管以收集淋滤液。
    5. 用对应的盖子密封运水罐。
    6. 按照图4所示布局，将运水罐分两层放置于冰箱内，同时将管道连接至各运水罐。

冰箱内部容器分两层存放的布局示意图，容器标有编号。
图4：冰箱内储液桶的示意图，分为上下两层，底层（左侧）和上层（右侧）。 黑色圆圈表示桶盖的朝向，蓝色和绿色矩形分别表示10 L和5 L的储液桶。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 构建柱体与网格系统

  1. 使用PVC柱作为中宇宙系统孵育岩石粉末和土壤生物
    1. 将PVC管切割成18根长度为15 cm的柱子。
    2. 首次使用时按照步骤1清洁柱子，其他情况下按照步骤2清洁。
      1. 步骤1：
        1. 将色谱柱浸泡于去离子水中 48 h。
          注意：如果有超纯水，建议使用超纯水代替去离子水。
        2. 用去离子水冲洗色谱柱，然后用乙醇干燥并擦拭色谱柱。
        3. 使用标签或直接在管子上用记号笔标记列号。
      2. 步骤2：
        1. 将层析柱浸泡在水中1天。
        2. 使用刷子刷去所有实验残留物。
        3. 用乙醇干燥并擦拭柱子。
  2. 使用中号环固定柱子，使其位于漏斗上方。
    1. 使用3D打印机设计一个环形结构（直径8.5 cm，厚度0.5 cm）。确保在底部绘制另一个环，使其能够嵌入亚克力板2的孔中，以增强柱体的稳定性（图5).
    2. 使用热塑性聚氨酯（TPU）95A材料通过3D打印机打印18个环状结构。
    3. 将环放置在柱子上，使柱子保持在漏斗上方2-3 cm的位置。
  3. 在柱子底部使用筛网系统过滤淋滤液，以减少颗粒物的流失。
    1. 剪裁网片（10 µm 和 20 µm 孔径）裁剪为 12 cm × 12 cm 的正方形。
    2. 将网片浸泡于超纯水中2天。让网片自然风干。
    3. 在柱子底部放置第一层筛网 20 µm. 在上方放置一层1 cm厚的塑料小珠 20 µm 网孔
    4. 放置第二层网筛 10 µm 在……之上 20 µm 网筛和塑料珠层
    5. 使用两条扎带固定网状系统。拉紧扎带并剪去其边缘。
      注意： 图6 显示了网格系统在柱底部的组装方式。
  4. 使用上层网罩以防止蚯蚓逃逸。
    1. 将孔径为1 mm的网片裁剪成12 cm × 12 cm的正方形。
    2. 待柱体填满岩石粉末并引入蚯蚓后（第7节），将网筛置于柱体顶部。
      注意：应将此网筛置于柱体顶部，以防止蚯蚓逃逸。即使不引入蚯蚓，也建议使用该网筛，以保持所有柱体条件一致。
    3. 用橡皮筋将网固定住以保持其位置。

静力平衡；横截面示意图；环形尺寸：直径 8.5 cm，厚度 0.5 cm。
图 5：用于 3D 打印机柱体固定的环形模型。 请点击此处查看此图的放大版本。

带有PVC柱、网格过滤器和用于分离过程的塑料珠的色谱图。
图6：柱底部网格系统构建示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

4. 构建灌溉系统

  1. 设计并制作喷头，以均匀地向各列喷洒水
    1. 使用3D打印机，根据所示模型及相对尺寸设计一个喷头 图7.
    2. 使用 TPU 95A 材料通过 3D 打印机打印 18 个喷头。
      注意：打印后，需将喷头干燥至少24小时，再插入聚乙烯微管中，以避免损坏。
  2. 安装灌溉系统：阀门和管道。
    1. 在两个电磁阀的前端各拧上两个鼻形接头，并在电磁阀后端各拧上两个T形插装接头。
      注意：如果希望水管在此系统终止，不再连接其他系统，请在朝向冰箱末端的阀门后端拧上一个带有两个接口的连接件，而不是T型接口连接件。这样，水路连接将在此处终止。
    2. 将两个电磁阀安装在顶部不锈钢板的一侧。
      注意：一个阀门控制一根灌溉管，每根灌溉管负责对总共18列中的8列或10列进行灌溉。
    3. 将低密度聚乙烯（LDPE）灌溉管切成两段，每段长53 cm。
    4. 用端帽封闭每根管子的一端。
    5. 用聚四氟乙烯（PFTE）胶带包裹管子的另一端，并将其连接至电磁阀。
    6. 在靠近冰箱前部的第一根灌溉管上打8个孔，在远离冰箱前部的第二根灌溉管上打10个孔。
      注意：必须使用手动打孔器制备孔洞，因为这是确保压力调节器正确安装和正常工作的必要步骤。不建议使用电钻等其他工具。
    7. 将压力调节器插入两根管子的孔中。
    8. 将聚乙烯（PE）微管剪成18段，每段长20 cm，用于连接灌溉管与柱体，并将其连接至压力调节器。
    9. 将小管插入亚克力板1的孔中。
    10. 将喷头水平插入柱体表面的小管中。
      注意：如果灌溉系统出现问题（例如水流堵塞或水流无法控制），可能原因包括：(a) 阀门故障，(b) 管道中残留颗粒物；(c) 聚四氟乙烯（PFTE）胶带未正确缠绕在管道末端。针对情况 a，应更换阀门；针对情况 b 和 c，务必在开始对土柱进行灌溉前确保管道已清洁，并确保管道上无残留的 PFTE 胶带碎片。必须避免任何颗粒物的转移，以防影响阀门正常工作。
  3. 建立用于水运输的连接。
    1. 将聚氨酯（PU）软管截成三段，用于水路连接。软管的具体长度取决于系统和腔室的设计。使用第一段软管将第一个阀门的三通接头连接至水龙头，第二段软管连接各阀门的三通接头，第三段软管将第二个阀门的三通接头连接至下一个系统。
      注意：如果无需连接下一系统，则无需切断第三根软管。
    2. 将PU软管连接到电磁阀背面的T型接头插件上。
    3. 将第一个阀门的PU软管通过双接口插头接头旋紧在适配环上，连接至水龙头。
    4. 打开旋塞，使水流入管中。
  4. 安装控制系统并建立与灌溉系统的连接。
    1. 连接网络控制器、八通道继电器扩展模块和轨道电源。根据制造商提供的说明，将它们安装到聚碳酸酯外壳中。
      注意：一个模块化控制器对应一个设备，该设备可控制八个继电器。每个继电器控制一个特定阀门的开启与关闭。
    2. 使用电缆将两个阀门相互连接，并将电源线连接到每个阀门。
    3. 将电源线的另一端连接到支持网络的控制器上。
    4. 将所有设备连接至电源插座，并为支持网络的控制器建立互联网连接。
  5. 设置灌溉参数的在线控制以设定灌溉速率。
    1. 按照制造商提供的说明进行配置和设置。编程与测试时，请使用网络浏览器。
    2. 前往 http://10.73.10.250/setup.html。
    3. 使用用户名和密码登录。
    4. 在左侧菜单中，前往 对照/逻辑 然后到 任务/功能.
    5. 一个继电器控制一个阀门的开启与关闭。对于每个继电器，存在两个任务，一个用于开启继电器（阀门打开），另一个用于关闭继电器（阀门关闭）。要更改每个任务的设置，请点击 编辑.
      1. 当继电器的任务需要启动时，通过点击来设置继电器开始工作的时间和日期 开始日期 和 开始时间 （例如，4th 2022年5月，7:45:00；参见 图8）。要设置浇水频率，请点击 设置重复次数 和 重复每次 （例如，每天浇水一次的频率为每1天一次；参见 图8）。要设置继电器停止工作的时间，请点击 结束重复日期 （例如，20th 2022年5月，23:59:59；参见 图8).
      2. 当需要设置继电器启动任务时，设定继电器停止工作的时间。该时间取决于所需的灌溉速率和浇水频率，例如，设置时间为7:46:30，表示每日重复，即继电器工作1分30秒，提供50 mL·day的水量-1 每天浇水一次的频率下（参见 表1开始和结束日期与设置继电器开启的任务相同，浇水频率也相同。
    6. 当每个继电器的设置完成后，请记得点击 保存更改.
      注意：并非所有继电器必须同时工作，以防止系统过载。不同继电器的任务之间应始终间隔至少30秒（例如，设备1的继电器1在07:46:30结束任务，设备1的继电器2在07:47:00开始任务）。
    7. 检查每个继电器的设置是否相同 开始日期 和 结束日期. 表1 展示了不同灌溉频率下，不同灌溉速率所需时间的示例。
      注意：灌溉系统支持除所列之外的更多灌溉速率和浇水频率，但需测试阀门在不同灌溉水量下所需的开启时间。对于所列的灌溉速率， 表1，但最好通过首次测试来验证其有效性，因为这可能会因水压和系统设计的不同而有所变化。

显示径向对称性和精确尺寸的工程组件示意图。
图7：灌溉系统喷头的模型及其相对尺寸。（A）喷头的俯视图。（B）喷头的侧视图。请点击此处查看此图的放大版本。

用于自动设备控制的 X400 调度界面，显示带有日期和继电器选项的任务设置。
图 8：灌溉系统设置界面示例，用于设置继电器开启。 请点击此处查看此图的放大版本。

灌溉水量（mL·day-1）浇水频率（次·day-1）继电器工作时间（s）
    
50		195
250
523
    
100		1190
2100
545
    
150		1280
2140
555

表1：在不同浇水频率下，为实现不同灌溉水量所需阀门开启时间的参考值。

5. 选择岩石粉末、有机物质和土壤生物

注意：本实验所选用的岩石粉末、有机材料和土壤生物基于其可获得性、当地自然分布情况以及文献综述结果。此外，微生物的选择依据其非致病性，该特性根据生物制剂技术规范（TRBA）的分类确定26,27,28。具体研究问题不同时，上述因素可作相应调整。

  1. 选择用于实验的岩石粉末。
    注意：本实验所选用的岩石粉末包括不同矿物组成的超镁铁质岩和镁铁质岩，例如纯橄榄岩和辉绿岩。每种岩石均具有两种主要的粒径范围：细粒（微米级）和粗粒（毫米级）。
  2. 选择用于实验的有机材料。
    注意：本实验中作为土壤生物食物来源的有机材料为小麦秸秆以及来自动物粪便和饲料残渣的消化残余物。
  3. 选择用于实验的细菌。
    注意：本实验所选用的细菌为 Bacillus subtilis 和 Cupriavidus metallidurans。细菌来源于德国莱布尼茨生物资源中心（Leibniz Institute DSMZ）。
    1. 根据供应商说明，将细菌在营养肉汤中培养，营养肉汤由蛋白胨（10 g·L-1）、牛肉提取物（3 g·L-1）和氯化钠（10 g·L-1）溶于超纯水（18.2 mΩ）中配制而成。
    2. 接种前，将所有培养基在121 °C下高压灭菌20分钟（接种量为新培养液体积的1%）。
    3. 使用血细胞计数板进行细胞计数以确定细胞密度，并通过流式细胞术验证细胞数量。
      注意：本研究使用的流式细胞仪配备紫色（405 nm）和蓝色（488 nm）激光器，流速为10 µL/min，在FL1通道（EX 488，EM 525/40）进行检测。
  4. 选择用于实验的真菌。
    注意：本实验所选用的真菌为 Knufia petricola、Suillus variegatus 和 Aerobasidium pullulans。真菌来源于德国莱布尼茨生物资源中心（Leibniz Institute DSMZ），其中 K. petricola 来自荷兰西弗第克真菌研究所（Westerdijk Institute）。
    1. 根据供应商说明，将真菌培养于麦芽提取物肉汤中，该培养基由麦芽提取物（20 g·L-1）、D-(+)-葡萄糖（20 g·L-1）和酪蛋白水解物（3 g·L-1）溶于超纯水（18.2 mΩ）中配制而成。
    2. 接种前，将所有培养基在121 °C下高压灭菌20分钟（接种量为新培养液体积的1%）。使用血细胞计数板进行细胞计数以确定细胞密度。
  5. 选择用于实验的蚯蚓。
    注意：本实验所选用的蚯蚓为内栖型物种 Aporrectodea caliginosa 和 Allolobophora chlorotica。实验前，蚯蚓采集自荷兰瓦赫宁根大学与研究机构附近的德布劳韦贝尔根公园（De Blauwe Bergen）（51°58'51.8"N 5°39'38.0"E）。

6. 填充色谱柱

  1. 通过在105 °C下烘干每种材料，测定岩石粉末和有机材料的持水能力（WHC）。然后将干燥的材料放入碗中并记录重量。逐滴加水直至材料充分湿润，并记录最终重量。持水能力由公式1给出。
    持水能力公式，WHC计算，材料重量比较，方程，分析方法 (1)
  2. 使用6 mm研磨机将秸秆粉碎。
  3. 将矿物和有机材料在40 °C下连续烘干两天。
  4. 在碗中称取400 g矿物和10 g有机材料。
    注意：可根据实验需求调整用量，但材料混合物应能装入柱中。
  5. 根据矿物类型、矿物粒径和有机来源，将持水能力调节至80%。
  6. 使用金属勺子仔细混合所有材料。
  7. 用该混合物填充柱子。
  8. 将装填好的柱子放置在气候室中的相应位置，如图2所示。若无法立即放入气候室，应将柱子储存在15 °C环境中，并用塑料薄膜覆盖，以防止水分流失并限制初始条件的变化。
    注意：应握住柱子底部，小心将其插入亚克力板中，以避免内容物损失。图9示意性地展示了填充柱子时应遵循的步骤。

岩石粉末混合过程示意图；WHC，40°C，容器步骤，说明组分制备过程。
图9：填充色谱柱各步骤的示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

7. 土壤生物接种

  1. 在填装柱体时的两个时间点接种细菌和真菌（方法1），或在添加蚯蚓前立即接种（方法2）。
    1. 方法1
      1. 根据所需的接种密度（细菌每柱细胞密度范围为1.5 × 109 至 4.8 × 1010 个细胞，真菌每柱细胞密度范围为5.5 × 107 至 5.5 × 108 个细胞），在按处理要求加水后，使用移液器将不同微生物种类接种至矿物与有机材料的混合物中。
        注意：需相应调整所加水量，使接种过程中加入的液体体积（毫升）从最终达到田间持水量（WHC）80%所需的总加水量中扣除。
      2. 用金属勺子小心混合所有成分。
      3. 用该混合物填装柱体。
      4. 用乙醇擦拭用于混合材料的碗和勺子，以便后续重复使用。
      5. 用顶部筛网覆盖柱体。
    2. 方法2：
      1. 根据所需的接种密度，使用移液器将不同微生物种类按处理要求接种到柱体表面。
      2. 用顶部筛网覆盖柱体。
  2. 根据所需密度（每柱4、8或10条蚯蚓），按处理要求将蚯蚓轻轻放置于柱体表面并引入其中。随后，用顶部筛网覆盖柱体。
    ​注意：微生物和蚯蚓均应在开始浇水前1天接种，以使其适应系统环境。接种密度可根据实验需求进行调整。需注意本系统并非无菌环境，可能存在通过空气、水或输入材料带入的微生物污染风险。为防止通风引起的细菌污染，应在柱体顶部加装0.2 µm滤膜。

8. 样品采集与分析

  1. 在实验周期结束时，从反应室中取出反应柱。
    1. 收集蚯蚓并计数，以确定其存活率并评估其活动状态。
    2. 将岩石粉末与有机材料的混合物均质化，并取亚样品进行微生物分析，以进一步表征目标微生物的存在及其活性。
    3. 将反应柱内容物在 40 °C 下干燥 5–7 天，用于后续的固相分析，测定固相无机碳（SIC）。
  2. 称量储液罐以确定最终淋滤液体积，并采集淋滤液样品进行进一步分析，如总碱度（TA）、溶解性无机碳（DIC）、pH、电导率（EC）和离子成分。
  3. 实验终点是确定土壤生物是否能够增强该系统中的风化速率，并找出所考虑变量的最佳组合，从而实现最高的碳封存潜力。通过比较不同组合下各分析参数的结果来确定这一点。
    注意：采样策略和进一步分析可根据实验设置和研究需求进行调整。

结果

本实验装置共包含203根柱子，置于25 °C的气候箱内（图10）。将装置置于气候箱中可实现对温度和相对湿度的精确控制。将漏液收集罐置于4 °C冰箱中，可防止微生物活动导致渗滤液成分随时间发生变化。

水产养殖循环系统设置；水箱、过滤器；水质、鱼类生长分析。
图10：气候室中实验装置的照片。（A）单个系统的概览。（B）单个柱体的特写。（C）冰箱中塑料桶的特写。（D）温控室内所有系统的整体视图。请点击此处查看此图的放大版本。

采用先进的自动灌溉系统后，可通过在线控制系统以不同的速率和频率对各土柱进行灌溉（图11）。该灌溉系统能够调节土柱接收到的水量。系统验证结果表明，不同土柱之间的实际给水量差异最小为1%，最大为6%（图12）。较低的灌溉速率下差异较小，而较高的灌溉速率下差异较大。总体而言，50 mL·day-1 和 150 mL·day-1 灌溉速率下的平均差异较低，而 100 mL·day-1 灌溉速率下的差异较高（图12）。

灌溉频率图表；每日一次、两次、五次的水量随时间变化比较。
图11：平均水量随时间的变化。在24小时内，8个土柱分别按照每日灌溉一次、两次和五次的频率，分配总灌溉量为50 mL·day-1时测得的平均水量。误差线表示标准误。请点击此处查看该图的放大版本。

水量与灌溉速率（mL/天）的柱状图，显示灌溉效率随灌溉速率增加而提高。
图12：平均水量与灌溉速率的关系。在8个柱上测得灌溉速率为50 mL·day-1时的平均水量，以及在10个柱上测得灌溉速率为100 mL·day-1和150 mL·day-1时的平均水量。柱上误差线表示标准误。请点击此处查看该图的放大版本。

该装置的构建和设计使得能够收集柱内固体物质（包括经处理的岩石粉末和有机材料）以及整个实验期间从柱中滴出的全部淋滤液（图13）。尽管成功收集了淋滤液，但最终收集到的淋滤液量低于根据灌溉速率在实验结束时预期应收集到的量（图14）。收集量减少很可能是因为水分直接蒸发以及淋滤液在柱底部的溢出。在分析实验结果时应考虑这一因素。

生物降解实验装置；容器中的有机废物；液体发酵结果；堆肥研究。
图13：反应柱及渗滤液的代表性图像。 实验开始时填充了岩粉和有机材料的反应柱（左侧），以及实验结束时在储液罐中收集到的渗滤液（右侧）。请点击此处查看该图的放大版本。

灌溉速率与总升数、箱形图、数据分析、农业用水量。
图14：不同灌溉速率下实验结束时收集的总升数。 虚线表示根据每个实验周期的灌溉速率预期收集到的淋出液体积，浅蓝色线代表 50 mL·day-1，深蓝色线代表 100 mL·day-1，绿色线代表 150 mL·day-1。 请点击此处查看该图的放大版本。

通过分析岩石粉末与有机物质的混合物，评估土壤生物群在细菌和真菌微生物群落组成以及蚯蚓存活与活性方面的成功率（图15）。

分解实验装置中蚯蚓与有机废弃物的堆肥过程。
图15：真菌生长与蚯蚓存活情况。实验结束并采样前，填充了岩粉和有机材料的柱体中观察到的真菌生长（左侧）和蚯蚓存活（右侧）的视觉迹象。请点击此处查看该图的放大版本。

除其他参数外，还对渗滤液的总碱度（TA）和溶解无机碳（DIC）进行了分析，因为TA和无机碳（IC）是矿物风化速率的良好替代指标4,29,30,31。TA采用Metrohm Titrando进行测定29,30，而DIC则使用Skalar总有机碳（TOC）分析仪测定。通过使用TOC分析仪，DIC由总溶解碳（DC）与溶解有机碳（DOC）之间的差值计算得出。图16 和 图17 展示了在一次实验运行中通过上述分析获得的部分示例值的累积分布。采用该实验装置，TA的数值范围为0.019 mol至0.025 mol，而DIC的数值范围为7.352 mg C至259.279 mg C（图16 和 图17）。

总碱度概率图；数据点，化学浓度的统计分析。
图16：实验周期结束时所收集淋滤液中总碱度（TA）测定示例值的概率分布。 洪水处理组未显示。数值以 mol 表示，并根据实验结束时收集的淋滤液总量进行了校正。 请点击此处查看该图的放大版本。

概率与DIC关系图，展示统计分析中的数据分布。
图17：实验周期结束时收集的淋滤液中DIC测定值示例的概率分布。 洪水处理的组别未显示。数值以毫克碳（C）表示，并根据实验结束时收集的淋滤液总量进行了校正。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

在当前的研究背景下，该实验装置经过独特设计，旨在通过土壤生物的活动增强矿物风化，从而优化无机碳封存，同时调控已知可促进风化的非生物因素。该装置能够同时收集经过处理的固体物质和淋滤液，从而对两相组分进行全面表征。尽管实验柱数量庞大，但样品的采集与分析过程确保了高质量的数据获取。此外，在单次实验运行中设置大量处理组合，对于利用现代先进的统计方法（如机器学习）分析所获得的数据具有重要意义。这些方法可用于确定导致高风化速率及进一步碳封存的关键变量。因此，该实验装置为深入理解土壤生物对增强风化（EW）及无机碳（IC）封存的影响提供了可能。这对于建立更符合实际的增强风化作用边界及其降低大气中CO2浓度效率的评估至关重要。与现有研究相比，该装置在探究增强风化及土壤生物影响方面展现出多项创新性。

关于非生物因素对增强风化（EW）的影响，此前已有研究对此进行了探讨4,29,30,31,32,33,34。其中一些研究比较了不同数量、类型和粒径的岩石，但其实验设置要么采用盆栽实验32,33，要么将岩石粉末与土壤混合34。其他实验则聚焦于单一岩石类型但不同灌溉速率的条件，但无法通过自动化系统实现频繁灌溉，或仅关注多种灌溉速率和频率的组合35。另有研究提出了与本实验方案类似的装置，能够调节灌溉速率并保持恒定温度，同时可改变岩石颗粒大小和类型29,30。此外，这些装置的设计与本文所提出的方案相似，均设计用于收集淋滤液以进行后续分析29,30。在这些研究中，还改变了CO2浓度，作为促进风化作用的另一影响因素29。然而，以往的研究均未关注生物因素在促进增强风化中的作用。本实验装置的目标是通过接种特定的细菌、真菌和蚯蚓，评估它们在多大程度上能够加速增强风化过程，从而进一步提高无机碳（IC）的封存效率。

关于生物因素对增强风化（EW）的影响，很少有研究直接聚焦于EW本身，而是探讨了土壤生物是否能够影响矿物风化过程。这些研究主要通过使用培养基19,21、培养皿36、埋入土壤中的尼龙袋14，或与其他基质混合的少量岩石粉末36,37等方法，来探究土壤生物对风化过程的影响。由于这些系统或实验装置规模较小，难以将生物因素的作用与其他变量分离开来。部分实验采用了与本研究相似的装置，但规模更小，例如用岩石粉末填充的柱体并接种土壤生物38,39,40。然而，这些实验要么同时种植了植物，因而未能专注于特定土壤生物的独立作用13,35，要么未收集淋滤液36。此外，大多数表明细菌、真菌和蚯蚓可促进矿物风化的研究，主要关注的是这些生物对养分释放的影响，以此作为风化作用的指标，而非关注无机碳（IC）的封存11,13,14,19,36,37,38。最重要的是，此前没有任何研究旨在促进增强风化作用，或提出在整个实验期间调节和维持非生物因素的可能性。在本实验设计中，不追求保持所有非生物因素恒定，而是针对四种非生物因素——如灌溉水的速率与频率、岩石粉末类型及颗粒大小——测试多种组合，以期通过土壤生物的活动促进增强风化作用。

此外，以往专注于非生物或生物因素对EW影响的研究均未实现在一次实验运行中容纳数量极多的列和变量的可能性。在此实验装置中，由于设计时包含了数量众多的列，因此可以在一次实验运行中同时测试多种不同变量组合，同时仍能获得高质量的结果。鉴于该装置具有新颖性，下文列出了一些在设计未来类似装置时可考虑的可能改进方向和尚未解决的挑战。

应确保培养室内的空气条件均一。将实验装置置于气候室中，可保证温度和相对湿度恒定。通风条件（如气流）的限制可能导致室内大气条件的空间异质性，从而引起某些位置土柱水分蒸发不均，这在此类实验设置中是一种常见现象35。为克服这一缺陷，在无法进行重复实验和随机化处理的情况下，建议对放置在室内不同位置的土柱分别进行水量平衡计算。

将柱体插入亚克力板后，应仔细对准漏斗，以避免淋滤液损失。在本实验期间，由于漏斗位置不当或筛网堵塞，淋滤液从柱体底部发生流失。除蒸发因素外，这在一定程度上解释了所收集的淋滤液量低于预期的原因（图13）。为尽量减少此类损失，必须确保漏斗在柱体下方处于最佳位置。使用更宽的漏斗也是一种可行方案。在此情况下，应特别注意亚克力板制作过程中孔洞的直径以及亚克力板之间的间距。

在频繁施水的土柱实验中，水流速度较慢是一个反复出现的问题7,30,40。在采用本方案进行的实验中，某些情况下使用了较高的灌溉速率和非常细的矿物颗粒，而这些颗粒最初缺乏土壤中通常存在的结构。这可能导致仅含有细颗粒矿物的土柱底部筛网孔隙在实验过程中发生堵塞。因此，水分无法快速通过土柱，导致土柱积水，降低了水分入渗和淋溶液的收集效率，同时在柱内形成厌氧条件，影响了生物地球化学过程。为缓解这一问题，重要的是始终将一定比例的粗颗粒与细颗粒矿物混合，避免使用100%极细矿物颗粒的组合。另一种方法是让土柱经历一定次数的干湿循环，以促进土壤结构的形成，从而改善水分入渗。此外，在实验开始前，可在少量中型生态系统（mesocosms）中测定基本的土壤水分动态参数，如饱和与非饱和水流特性及水分持留曲线，以更深入地理解气体流动、矿物饱和状态以及生物活性的驱动因素。

该实验装置使用方便，安装简单，可根据研究需求进行调整。在矿物风化研究背景下，经过必要的调整后，该装置可与气体室联用，不仅能够表征固相和水相中的碳，还能同时考察气相中碳的动态变化。此外，该装置可用于研究干湿交替条件下的真实水分入渗速率，因为这些时间动态过程可能对风化作用产生显著影响41。该装置的应用不仅限于仅关注硅酸盐矿物的实验，也可应用于使用不同基质的土柱实验。同时，实验时长可根据实际需要缩短或延长，土柱数量也可调整。该系统能够同时采集处理后的固体材料和淋滤液样品，使我们可针对其中某一组分或两者同时开展多种分析。据目前所知，这是迄今唯一构建的、拥有大量土柱的实验装置，旨在利用土壤生物促进矿物风化，同时在仅含硅酸盐矿物和有机物质的系统中控制非生物条件。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢Tupola的Ton van der Zalm在灌溉系统开发中的贡献。同时，感谢Tupola的Jaco Baars在搭建该装置期间给予的欢笑与精神支持。当灌溉系统无法正常运行时，我们感谢Peter Garamszegi和Ángel Velasco Sánchez协助手动浇灌土柱。我们还感谢Steven Heesterman、Xuming Li、Karen Morán Rivera、Jonna van den Berg和Kangying Xie在取样过程中提供的帮助。我们感谢Peggy Bartsch、Tom Jäppinen、Peter Nobels、Brent Rotgans、Andre van Leeuwen和Gerlinde Vink在实验室工作、样品分析以及富有成效的讨论中提供的协助。最后，我们感谢Unifarm的Jeroen Zonneveld提供并维护气候室。该装置的搭建是“生物加速矿物风化”（BAM!）项目的一部分，该项目由欧盟“地平线2020”研究与创新框架计划资助，资助协议编号为964545。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
丙烯酸板WSV kunststoffen BVN/A用于固定色谱柱、漏斗、灌溉管和管道。
接头环TamesonFL2S-FM-B-014G-034G用于将PU软管连接至水龙头。
扎带Gamma456196用于固定筛网系统。
柠檬酸Nortembio (amazon.nl) B01BDLOGW2用于清洗管道和漏斗。
CytoFLEX流式细胞仪 Beckam CoulterCytoFLEX
洗碗机清洁剂BOOM77000307.9010用于清洗储液桶。
八通道继电器扩展模块Control by webX-12s用于控制灌溉系统的阀门。 
端盖Wildkamp819906用于封闭灌溉系统主管的一端。 
冰箱HorecaGemakDIA-BVL031/6P用于储存储液桶。
漏斗Praxisdienst135864用于将色谱柱中的淋滤液引导至储液桶。直径75 mm。
手动打孔器Wildkamp719928用于在灌溉系统的主管上为小管打孔。 
高密度聚乙烯（HDPE）储液桶 10 LGlas-shop.be105157带盖。用于收集淋滤液。
高密度聚乙烯（HDPE）储液桶 5 LGlas-shop.be105156带盖。用于收集淋滤液。
六角螺母Fabory51080.100.001用于将丙烯酸板固定在金属螺钉上。 
标签打印机BrotherPT-H107B 用于打印并粘贴在丙烯酸板上的标签。
低密度聚乙烯（LDPE）灌溉管Wildkamp15382585用于制作灌溉系统的主管。
行李秤United Entertainment8718274546996用于称量储液桶。
筛网 10 μmFranz EckertPES-10/2用于筛网系统。
筛网 20 μmFranz EckertPES-20/13用于筛网系统。
金属螺钉Schroeven goothandel.nl100975401010用于安装丙烯酸板。
滴灌用微管Wildkamp15119128用于制作灌溉系统的小管。
中间环使用3D打印机自制使用3D打印机自制用于将色谱柱置于漏斗上方数厘米处。 
接头Wildkamp15045986用于将电磁阀连接至灌溉管。 
尼龙筛网SefarN/A1 mm孔径筛网，用于色谱柱顶部，防止蚯蚓逃逸。
塑料珠lyondelbasellTRC 352N C12507用于筛网系统。
带两个接口的插接接头TamesonF24V5用于系统末端，封闭PU软管。 
聚碳酸酯外壳RS498-5387用于容纳灌溉系统的电子元件。 
电源线RS775-6075用于连接阀门。 
聚丙烯（PP）接头Wildkamp719780用于将PU软管连接至水龙头。 
压力调节器Wildkamp719943用于 确保所有小管释放相同量的水。 
聚四氟乙烯（PTFE）胶带GAMMA237001用于缠绕灌溉管末端。
聚氨酯（PU）软管TamesonPU-8-1198-50-1用于将所有阀门相互连接，并连接至水龙头。 
聚氯乙烯（PVC）管Rubbermagazijn99001230用于连接漏斗和储液桶。
聚氯乙烯（PVC）管材Wildkamp91700用于制作色谱柱。 
导轨式电源RS145-7873用于为八通道继电器扩展模块供电。 
橡胶圈PasschierTerpo8714603820621用于固定蚯蚓用筛网。 
电磁阀TamesonCM-DA014B020E-024DC用于开启和关闭水流。
喷头使用3D打印机自制使用3D打印机自制用于将水均匀分布至各色谱柱。 
不锈钢板24/7 tailor steelN/A用作冰箱上方装置的框架。 
三通插接接头TamesonF25DT用于将电磁阀连接至PU软管。
热塑性聚氨酯（TPU）95A材料 MakerPoint1756用于使用3D打印机打印组件。 
垫圈卡扣Fabory50095.100.001用于放置在六角螺母下方。
网络控制器Control by webX-400-I(9-28 VDC)用于实现灌溉设置的在线控制。 

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