Aufbau und Betrieb einer Dauer

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Pflanzenmaterial zu erzeugen, das im gesamten Pflanzenkörper oder differenziell in strukturellen und metabolischen Geweben hochangereichert mit Kohlenstoff-13 und Stickstoff-15 ist. Dies wird erreicht, indem zunächst eine luftdichte Kammer für das Pflanzenwachstum konstruiert wird. Der zweite Schritt besteht darin, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidgehalt in der Kammer zu regulieren, um geeignete Wachstumsbedingungen für die Pflanzen aufrechtzuerhalten.

Anschließend werden die Pflanzen in einer geschlossenen Kammer mit Luft, die 13C-Kohlendioxid, sowie Bewässerung und Düngung mit Stickstoff-15 enthält, kultiviert. Im letzten Schritt wird die Markierung beendet, indem die unterschiedlich markierten Pflanzen wochenlang vor der Ernte aus der Kammer entfernt werden, sodass ihr metabolisches Material an 13C und 15N weniger angereichert wird. Im Vergleich zu den strukturellen Pflanzenbestandteilen werden nach der Ernte des Pflanzenmaterials, der Heißwasserextraktion und der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie die Gesamtisotopenmarkierung sowie Unterschiede in der Markierungsintensität gemessen.

Der Hauptvorteil der kontinuierlichen Markierung gegenüber anderen Methoden, wie beispielsweise der Blattapplikation oder wiederholten Puls-Markierung, liegt darin, dass sie gleichmäßig markiertes Pflanzenmaterial erzeugt, das in seinen metabolischen oder strukturellen Bestandteilen unterschiedlich markiert sein kann. Um dieses Verfahren zu beginnen, stellen Sie die Markierungskammer gemäß der beigefügten Textanleitung her, indem Sie transparente Acrylwände mit einer Dicke von 3,18 Millimetern und eine transparente Acryldecke mit einer Dicke von 6,35 Millimetern auf einem Aluminiumrahmen mit einem weiß lackierten Stahlboden montieren; die Abmessungen der Kammer können an spezifische Pflanzenwachstumsanforderungen angepasst werden. Die hier gezeigte Kammer misst 1,2 × 2,4 × 3,6 Meter und fasst 40 Töpfe mit je 15 Litern. Stellen Sie sicher, dass die Kammer luftdicht ist, indem Sie alle Fugen mit ausreichend Silikondichtmittel abdichten.

Befestigen Sie die Tür an Maschinenschrauben, die mit abnehmbaren Flügelmutter verschraubt und gelöst werden können. Dichten Sie die Tür mit einer Dichtleiste ab, um Luftleckagen in einem Bereich unmittelbar neben der Markierungskammer zu verhindern. Bringen Sie das Steuerzentrum am Monitor an und stellen Sie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidgehalt innerhalb der Kammer ein.

Stellen Sie sicher, dass die elektrischen Kabel und Gasschläuche, die in die Kammer führen, gut mit Silikon abgedichtet sind, um Luftleckagen zu verhindern. Optional können Lichtquellen in die Kammer eingebaut werden, um die Lichtdurchdringung zu erhöhen und die Tageslänge zu steuern, um die Kammertemperatur zu regulieren. Installieren Sie eine handelsübliche Split-Klimaanlage, bei der sich die Verdampferspulen innerhalb der Kammer und der Kompressor sowie die Kondensatorspulen außerhalb der Kammer befinden, um die Wärme abzuleiten.

Als Nächstes installieren Sie einen kleinen Raum-Luftentfeuchter in der Kammer. Bohren Sie ein Loch durch den Boden neben dem Luftentfeuchter und führen Sie das Abflussrohr des Luftentfeuchters durch das Loch in ein mit Wasser gefülltes Gefäß. Dadurch entsteht eine luftdichte Abdichtung für den Abfluss und es wird die Druckausgleichung ermöglicht, um die Luftfeuchtigkeit in der Kammer zu regulieren, indem ein programmierbarer Regler wie eine Omega-Eye-Serie mit einem Feuchtigkeitssensor mit dem Luftentfeuchter verbunden wird.

Danach installieren Sie einen Infrarot-Gasanalysator oder ER A mit einer Membranpumpe, die kontinuierlich Luft aus der Kammer durch den ER A und zurück in die Kammer zieht. Dadurch bleibt das System geschlossen, während die Kohlendioxidkonzentration in der Kammer kontinuierlich überwacht wird. Anschließend schließen Sie zwei Flaschen mit reinem Kohlendioxidgas an das Kohlendioxid-Regelungssystem an.

Einer der Tanks sollte 10 Atomprozent 13C-Kohlendioxid oder mehr enthalten, der andere sollte natürliche Häufigkeit an 13C-Kohlendioxid enthalten. Stellen Sie die Tankregler auf 20 PSI ein, nachdem die Regler elektromagnetische Ventile in die Gasleitungen eingefügt haben, um Kohlendioxid-Injektionen über die Ergo-Software zu steuern.

Steuern Sie das Öffnen und Schließen der Magnetventile, indem Sie diese über ein Halbleiterrelaisprogramm mit dem ER rga verbinden, wobei ein niedriger Alarm in der ergas-Software das Öffnen der Magnetventile auslöst, wenn die Kohlendioxidkonzentration in der Kammer unter einen bestimmten Wert fällt, sowie eine Totzone zum Schließen der Ventile, sobald die Kohlendioxidkonzentration einen oberen Sollwert erreicht. Befestigen Sie nach den Magnetventilen an jeder der beiden Gasflaschenleitungen ein Drosselventil und stellen Sie diese sorgfältig auf den gewünschten Anreicherungsgrad mit Kohlenstoff-13 in der Atmosphäre ein.

Hier verwenden wir eine Anreicherung von 4,4 Atomprozent Kohlenstoff-13. Verbinden Sie die Auslässe miteinander und leiten Sie die Leitung schließlich in die Mitte der Kammer zwischen den Ventilatoren, um das markierte Kohlendioxid gleichmäßig in der gesamten Kammer zu verteilen, um so das Bewässerungssystem einzurichten. Erstellen Sie zunächst einen Tropfbewässerungsring pro Topf und führen Sie die Bewässerungsschläuche durch ein kleines Loch in der Kammernwand nach außen.

Dann versiegeln Sie die Löcher um das Bewässerungsrohr mit Silikonkitt, um Luftaustritt am äußeren Rand der Kammer zu verhindern. Schließen Sie das Bewässerungsrohr an Schlauchmaterial einer peristaltischen Pumpe an und befestigen Sie eine kleine Schlauchklemme daran, um Luftaustritt zwischen den Bewässerungen zu verhindern. Keimen Sie die Samen vor dem Pflanzen in Töpfe, um die Keimfähigkeit sicherzustellen, und impfen Sie die Keimlinge mit frischem Bodenschlamm an. Um nützliche Mikroben einzuführen, füllen Sie die Töpfe mit einer erdfreien Blumenerde, um die Einführung nicht markierten Kohlenstoffs und Stickstoffs aus dem Boden auszuschließen.

Hier verwenden wir eine Mischung aus Sand, Vermiculit und einem porösen keramischen Profil. Sobald die Samen gekeimt sind, pflanzen Sie die Keimlinge vorsichtig mit minimalem Blumenerdeanteil in die Töpfe um. Anschließend stellen Sie die Töpfe in die Kammer und verbinden jeden Topf mit einem separaten Bewässerungsschlauch.

Schließlich verschließen Sie die Tür der Kammer und reinigen Sie das äußere Kohlendioxid, indem Sie einen Sodalime-Reiniger an die Luftpumpe anschließen, bis die Kohlendioxidkonzentration auf mindestens 200 bis 250 Teile pro Million abgesenkt ist. Bevor Sie die Kammer wieder auf 400 Teile pro Million auffüllen. Unter Verwendung des 13C-Kohlendioxid-Tankgemischs sollten Sie versuchen, die Kammer während der gesamten Wachstumsperiode geschlossen zu halten, um eine Kontamination durch natürlich vorkommendes Kohlendioxid zu minimieren.

Etikettieren Sie zunächst eine Hyland-Typ-Düngerlösung mit Stickstoff-15, indem Sie 98 Atomprozent Stickstoff-15 enthaltendes Kaliumnitrat mit Kaliumnitrat natürlicher Häufigkeit an Stickstoff-15 mischen und anschließend zur restlichen Hookin-Lösung geben. Hier verwenden wir eine Düngerlösung mit sieben Atomprozent Stickstoff-15. Verwenden Sie eine peristaltische Pumpe, um die mit Stickstoff-15 markierte Düngerlösung durch die Bewässerungsschläuche zu leiten.

UNC klemmt die Bewässerungsschläuche ab und gibt unterschiedliche Mengen Dünger je nach Bedarf und Versuchsplanung an die einzelnen Pflanzen ab. Anschließend wird Wasser durch die Schläuche gepumpt, um den Dünger aus den Bewässerungsschläuchen zu spülen. Die Gesamtmenge der zugegebenen Flüssigkeit sollte die Wasserspeicherkapazität der Töpfe nicht überschreiten, um Düngemittelverluste zu minimieren.

Rec-Vorrichtung, alle Schläuche nach der Befruchtung und Bewässerung, um Luftlecks in der Kammer zu vermeiden. Zur differenziellen Markierung struktureller und metabolischer Bestandteile die Pflanzen ein bis drei Wochen vor der Ernte aus der Markierungskammer entfernen. Pflanzen, die bis zur Ernte gleichmäßig markiert werden sollen, in der Kammer belassen.

Um die Seneszenz auszulösen, einfach die Bewässerung einstellen, sobald dies gewünscht ist. Ernten Sie die Pflanzen, indem Sie zuerst die oberirdische Biomasse abschneiden.

Nach der Ernte der oberirdischen Biomasse das Blumenerde-Substrat mit den Wurzeln auf ein Sechs-Millimeter-Kernsieb gießen, um die Wurzeln vom Substrat zu trennen. Anschließend die Wurzeln über einem Zwei-Millimeter-Sieb abspülen, um restliches Blumenerde-Substrat zu entfernen. Gegebenenfalls Pinzette verwenden, um an den Wurzeln haftende Substratreste zu entfernen, und danach die Wurzeln zur Vorbereitung auf zukünftige Experimente an der Luft trocknen lassen.

Während drei Vegetationsperioden hat die Kammer erfolgreich die Temperatur zwischen 26 und 29 Grad Celsius, die Luftfeuchtigkeit zwischen 36 und 56 % sowie die Kohlendioxidkonzentration zwischen 360 und 400 Teilen pro Million gehalten, wie im Steuerzentrum vorgegeben. Dargestellt sind hier repräsentative Ergebnisse aus der Vegetationsperiode 2011 von Andra Pogon Girard di. Der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration während der nächtlichen Atmung scheint die wachsenden Pflanzen nicht zu schädigen und wird nach Sonnenaufgang rasch wieder aufgenommen.

Die Stickstoff-15-Markierung über die gezielte 7 at-%-Stickstoff-15-Hoglin-Lösung ergab stark markiertes Pflanzenmaterial mit 6,7 at-% Stickstoff-15; eine leichte Verdünnung der gezielten Stickstoff-15-Markierung könnte durch natürliche Vorkommen von Stickstoff in der Blumenerde oder durch die Inokulation mit einheimischem Boden verursacht worden sein. Die Kohlenstoff-13-Markierung unter Verwendung eines gezielten 4,4 at-%-¹³C-Kohlendioxids führte zu 4,46 at-% Kohlenstoff-13. Innerhalb des gesamten Streus des einheitlich markierten Pflanzenmaterials wiesen die unterschiedlich markierten Pflanzen, die sieben, 14 oder 22 Tage vor der Ernte aus der Kammer entnommen wurden, signifikante Unterschiede in Kohlenstoff-13 und Stickstoff-15 auf.

Inhalt an metabolischen Komponenten, erhalten als Heißwasserextrakte, und strukturellen Komponenten, erhalten als Rückstände der Heißwasserextraktion, was auf eine differenzielle Markierung von metabolischen und strukturellen Pflanzenmaterialien hinweist. Nach ihrer Entwicklung hat die kontinuierliche Doppelisotopenmarkierung Forschern auf dem Gebiet der Biogeochemie den Weg geebnet, das Schicksal und die Umwandlung von Pflanzenbestandteilen in der Umwelt auf makro- und nanoskaliger Ebene zu untersuchen.