Name: 设计和建造实验装置，通过土壤生物的活动增强矿物风化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-11-10T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 22 s
Description: 了解如何通过蚯蚓和微生物增强矿物风化以捕获二氧化碳的实验装置设计。该方法帮助研究人员在受控条件下测试生物与非生物因素的最佳组合，从而优化碳去除效率并评估土壤生物对全球变暖缓解的潜在贡献。

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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。

Enhancing CO2 Sequestration: A Soil Biota Approach to Boost Mineral Weathering

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<li>Shirokova, L. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+the+effect+of+heterotrophic+bacterium+%28Pseudomonas+reactans%29+on+olivine+dissolution+kinetics+in+the+context+of+CO2+storage+in+basalts%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Experimental study of the effect of heterotrophic bacterium (Pseudomonas reactans) on olivine dissolution kinetics in the context of CO2 storage in basalts.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 80, 30-50 (2012).</li>
<li>Pokrovsky, O. S., Shirokova, L. S., Zabelina, S. A., Jordan, G., Bénézeth, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Weak+impact+of+microorganisms+on+Ca%2C+Mg-bearing+silicate+weathering%5BTitle%5D)+AND+%22npj+Materials+Degradation%22%5BJournal%5D)">Weak impact of microorganisms on Ca, Mg-bearing silicate weathering.</a> npj Materials Degradation. 5, 51(2021).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。

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。
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
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。

<table><tbody><tr><td>丙烯酸板</td><td>WSV kunststoffen BV</td><td>N/A</td><td>用于固定色谱柱、漏斗、灌溉管和管道。</td></tr><tr><td>接头环</td><td>Tameson</td><td>FL2S-FM-B-014G-034G</td><td>用于将PU软管连接至水龙头。</td></tr><tr><td>扎带</td><td>Gamma</td><td>456196</td><td>用于固定筛网系统。</td></tr><tr><td>柠檬酸</td><td>Nortembio (amazon.nl)</td><td>&amp;nbsp;B01BDLOGW2</td><td>用于清洗管道和漏斗。</td></tr><tr><td>CytoFLEX流式细胞仪&amp;nbsp;</td><td>Beckam Coulter</td><td>CytoFLEX</td><td></td></tr><tr><td>洗碗机清洁剂</td><td>BOOM</td><td>77000307.9010</td><td>用于清洗储液桶。</td></tr><tr><td>八通道继电器扩展模块</td><td>Control by web</td><td>X-12s</td><td>用于控制灌溉系统的阀门。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>端盖</td><td>Wildkamp</td><td>819906</td><td>用于封闭灌溉系统主管的一端。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>冰箱</td><td>HorecaGemak</td><td>DIA-BVL031/6P</td><td>用于储存储液桶。</td></tr><tr><td>漏斗</td><td>Praxisdienst</td><td>135864</td><td>用于将色谱柱中的淋滤液引导至储液桶。直径75 mm。</td></tr><tr><td>手动打孔器</td><td>Wildkamp</td><td>719928</td><td>用于在灌溉系统的主管上为小管打孔。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>高密度聚乙烯（HDPE）储液桶 10 L</td><td>Glas-shop.be</td><td>105157</td><td>带盖。用于收集淋滤液。</td></tr><tr><td>高密度聚乙烯（HDPE）储液桶 5 L</td><td>Glas-shop.be</td><td>105156</td><td>带盖。用于收集淋滤液。</td></tr><tr><td>六角螺母</td><td>Fabory</td><td>51080.100.001</td><td>用于将丙烯酸板固定在金属螺钉上。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>标签打印机</td><td>Brother</td><td>PT-H107B&amp;nbsp;</td><td>用于打印并粘贴在丙烯酸板上的标签。</td></tr><tr><td>低密度聚乙烯（LDPE）灌溉管</td><td>Wildkamp</td><td>15382585</td><td>用于制作灌溉系统的主管。</td></tr><tr><td>行李秤</td><td>United Entertainment</td><td>8718274546996</td><td>用于称量储液桶。</td></tr><tr><td>筛网 10 &amp;mu;m</td><td>Franz Eckert</td><td>PES-10/2</td><td>用于筛网系统。</td></tr><tr><td>筛网 20 &amp;mu;m</td><td>Franz Eckert</td><td>PES-20/13</td><td>用于筛网系统。</td></tr><tr><td>金属螺钉</td><td>Schroeven goothandel.nl</td><td>100975401010</td><td>用于安装丙烯酸板。</td></tr><tr><td>滴灌用微管</td><td>Wildkamp</td><td>15119128</td><td>用于制作灌溉系统的小管。</td></tr><tr><td>中间环</td><td>使用3D打印机自制</td><td>使用3D打印机自制</td><td>用于将色谱柱置于漏斗上方数厘米处。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>接头</td><td>Wildkamp</td><td>15045986</td><td>用于将电磁阀连接至灌溉管。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>尼龙筛网</td><td>Sefar</td><td>N/A</td><td>1 mm孔径筛网，用于色谱柱顶部，防止蚯蚓逃逸。</td></tr><tr><td>塑料珠</td><td>lyondelbasell</td><td>TRC 352N C12507</td><td>用于筛网系统。</td></tr><tr><td>带两个接口的插接接头</td><td>Tameson</td><td>F24V5</td><td>用于系统末端，封闭PU软管。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚碳酸酯外壳</td><td>RS</td><td>498-5387</td><td>用于容纳灌溉系统的电子元件。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>电源线</td><td>RS</td><td>775-6075</td><td>用于连接阀门。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚丙烯（PP）接头</td><td>Wildkamp</td><td>719780</td><td>用于将PU软管连接至水龙头。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>压力调节器</td><td>Wildkamp</td><td>719943</td><td>用于&amp;nbsp;确保所有小管释放相同量的水。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚四氟乙烯（PTFE）胶带</td><td>GAMMA</td><td>237001</td><td>用于缠绕灌溉管末端。</td></tr><tr><td>聚氨酯（PU）软管</td><td>Tameson</td><td>PU-8-1198-50-1</td><td>用于将所有阀门相互连接，并连接至水龙头。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚氯乙烯（PVC）管</td><td>Rubbermagazijn</td><td>99001230</td><td>用于连接漏斗和储液桶。</td></tr><tr><td>聚氯乙烯（PVC）管材</td><td>Wildkamp</td><td>91700</td><td>用于制作色谱柱。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>导轨式电源</td><td>RS</td><td>145-7873</td><td>用于为八通道继电器扩展模块供电。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>橡胶圈</td><td>PasschierTerpo</td><td>8714603820621</td><td>用于固定蚯蚓用筛网。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>电磁阀</td><td>Tameson</td><td>CM-DA014B020E-024DC</td><td>用于开启和关闭水流。</td></tr><tr><td>喷头</td><td>使用3D打印机自制</td><td>使用3D打印机自制</td><td>用于将水均匀分布至各色谱柱。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>不锈钢板</td><td>24/7 tailor steel</td><td>N/A</td><td>用作冰箱上方装置的框架。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>三通插接接头</td><td>Tameson</td><td>F25DT</td><td>用于将电磁阀连接至PU软管。</td></tr><tr><td>热塑性聚氨酯（TPU）95A材料&amp;nbsp;</td><td>MakerPoint</td><td>1756</td><td>用于使用3D打印机打印组件。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>垫圈卡扣</td><td>Fabory</td><td>50095.100.001</td><td>用于放置在六角螺母下方。</td></tr><tr><td>网络控制器</td><td>Control by web</td><td>X-400-I(9-28 VDC)</td><td>用于实现灌溉设置的在线控制。&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

设计与构建通过土壤生物活动增强矿物风化的实验装置

Design and Construction of an Experimental Setup to Enhance Mineral Weathering through the Activity of Soil Organisms

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。

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。
<img alt="水产养殖循环系统设置；水箱、过滤器；水质、鱼类生长分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig10.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图10"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig10large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
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）。
<img alt="灌溉频率图表；每日一次、两次、五次的水量随时间变化比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig11.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图11"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig12.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 12"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig12large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
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。
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig13.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 13"> 
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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig13large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="灌溉速率与总升数、箱形图、数据分析、农业用水量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig14.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图14"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig14large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
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）。
<img alt="分解实验装置中蚯蚓与有机废弃物的堆肥过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig15.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图15"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig15large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
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）。
<img alt="总碱度概率图；数据点，化学浓度的统计分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig16.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图16"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig16large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="概率与DIC关系图，展示统计分析中的数据分布。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65563/65563fig17.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图17"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65563/65563fig17large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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。

增强风化（Enhanced weathering, EW）是一种新兴的二氧化碳（CO₂）移除技术，有助于减缓气候变化。该技术依赖于……

强化风化是一种二氧化碳清除技术，涉及硅酸盐岩石与二氧化碳和水的反应。微生物及其他土壤生物可以促进这一风化反应，但其对强化风化的潜在影响尚不明确。本文旨在揭示各类土壤生物对强化风化的影响。我们感兴趣的一种土壤生物是蚯蚓。蚯蚓在土壤中起着基础性作用。它们可通过呼吸作用、摄食土壤、分泌黏液或刺激微生物活性来促进风化作用。本研究旨在检验蚯蚓是否能够增强主要由矿物组成的人工系统中的风化作用。准确量化风化速率及相关联的二氧化碳捕获量是实验中最大的挑战。不同的指标显示出不同的风化速率，且并不总是与二氧化碳的捕获量成比例。在此实验设置中，我们可以测量多个指标。本实验方案的目的是了解蚯蚓、细菌和真菌对风化速率的影响，同时研究促进风化的非生物因素。然而，该实验方案的最终目标是找到生物与非生物因素的最佳组合，以实现二氧化碳清除量的最大化。主要优势在于实验的规模和控制水平。现在我们能够在相同的实验条件下测试大量土壤生物与矿物的组合，这使我们能够发现协同效应和相互作用，而这些效应在传统的小规模实验设计中是无法被察觉的。我们的研究结果将展示土壤生物从大气中吸收二氧化碳的潜力，如果我们能够证实这一点，那将在探索缓解全球变暖的方法上迈出巨大的一步。首先，在气候室中安装好冰箱及用于固定层析柱的框架。打开冰箱盖，将第四块亚克力板向前移动。取出已预先切割成不同长度、可连接至油桶的管道，并根据编号将其插入第四块亚克力板中。将丙烯酸板向后移动四个位置。取干净的漏斗，小心地将其插入丙烯酸板三的指定位置，并根据其标定的编号连接到相应的管道。然后将高密度聚乙烯桶放入腔室内。根据此处所示方案，将这些油桶在冰箱中堆叠成两层，并同时将管路连接到油桶上。完成制冷装置的搭建后，关闭冰箱。首先，构建用于渗滤液收集的制冷装置。使用PVC柱来孵育岩石粉末和土壤生物。同时准备金属环，用于将柱子固定在漏斗上方。将金属环置于距离柱子底部几厘米的位置。获取材料以在柱底部构建筛网系统，用于过滤淋滤液。将20微米筛网置于柱子底部，并在该筛网上添加一层1厘米厚的塑料小珠。接着将10微米筛网放置在20微米筛网之上。使用两根扎带将网片固定到位，牢固收紧后剪去多余部分。此时装置已准备就绪，可填入有机矿物混合物并接种土壤生物。首先，构建用于渗滤液收集的制冷装置以及柱体底部的网状系统。根据所需的处理条件，将400克矿物质和10克有机材料称重后放入容器中。然后使用此处所示公式计算持水能力。根据矿物类型、粒径和有机质来源，将持水能力调整至80%。使用金属勺小心混合所有组分，并用充分混匀的混合物填充柱子。将装填好的柱子置于气候室中。 然后取准备好的微生物培养物。使用移液器，根据所需的处理方式将选定的培养物接种到柱状容器的表面。按照所需的密度获取蚯蚓，并根据所需的处理方式小心地将其放置在柱状容器的表面。将网格放置在柱体顶部，以防止引入蚯蚓后其逃逸，同时将无蚯蚓的柱体也加盖网格以保持相同条件。然后将柱体插入亚克力板二上对应的位置。安装好灌溉与控制系统后，点击编辑按钮以修改每项任务的设置。要激活继电器，只需点击需要开启继电器的任务。然后在开始日期和开始时间字段中输入首选设置。若要设定操作的开始日期和时间，请点击“设置重复”和“每隔”以设定浇水频率。要指定继电器停止运行的日期和时间，请点击结束重复日期和结束重复时间字段。输入所需数值后，点击保存更改按钮。以关闭继电器。单击需要关闭特定继电器的任务。根据灌溉水速率和浇水频率，按照与开启继电器相同的命令设置继电器停止工作的时间。每个继电器设置完成后，单击保存更改。灌溉系统将根据设定的流速和频率开始对土柱进行灌溉。该灌溉系统允许对土柱的供水量进行微调，从而导致灌溉速率存在微小差异。在每日50和150毫升的灌溉速率下，平均供水量较低，而在每日100毫升的灌溉速率下，平均供水量较高。实验结束时测得的溶解性无机碳含量范围为 7.352 C 至 259.279 毫克碳。实验周期结束时，蚯蚓在该有机-矿物体系中成功存活，并可观察到微生物生长的明显迹象。

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结构相似的蛋白质通常发挥不同的生物学功能。通过交换这些蛋白质的对应区域以构建嵌合蛋白，是一种鉴定决定其功能差异的关键蛋白区域的创新方法。...

通过嵌合蛋白构建鉴定功能蛋白区域

了解如何通过蚯蚓和微生物增强矿物风化以捕获二氧化碳的实验装置设计。该方法帮助研究人员在受控条件下测试生物与非生物因素的最佳组合，从而优化碳去除效率并评估土壤生物对全球变暖缓解的潜在贡献。

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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