Aerobe biologische Abbaubarkeitsprüfung von Materialien mit einem natürlichen Meerwasser-Inokulum und einem Respirometer mit geschlossenem Regelkreis

Unsere Forschung quantifiziert die aerobe biologische Abbaurate und das Ausmaß natürlicher Materialien in der marinen Umwelt mithilfe natürlicher Meerwasserinokulum zum Datenvergleich. Unsere aktuellen experimentellen Herausforderungen umfassen begrenzte Testkapazitäten und einen Mangel an Infrastruktur, um der wachsenden Nachfrage nach biologischen Abbautests gerecht zu werden, während einheitliche und transparente Methoden in allen Laboren sichergestellt werden. Zu Beginn sammeln Sie 10 bis 20 Liter Meerwasser in einem 20-Liter-Säure-Laug-Ballon mit einer großen Niskin-Flasche.

Transportiere den gefüllten Ballon zurück ins Labor. Übertragen Sie einen Liter vollständiges Meerwasser aus dem Milchbalon in eine säureausgelaugte, ein Liter bernsteinfarbene HDPE-Flasche zur Analyse von Partikelkohlenstoff und Stickstoff. Filtern Sie es durch eine 0,2-Mikrometer-Membran mit niedrigem Stickstoff und Celluloseacetat.

Fülle jetzt eine Ein-, Zwei- oder Vierliter-Volumenflasche halb mit Meerwasser. Wenn das Meerwasser organische Substanz mit hohem Partikel enthält, wird es durch ein 20-Mikrometer-Netz gesiebt, um große heterogene Partikel zu entfernen. Anschließend sammeln Sie 60 Milliliter Filtrat in eine säureausgewaschene Polyethylenflasche zur Analyse von gelöstem anorganischem und organischem Stickstoff und Phosphor.

Decken Sie die Öffnung des Ballons locker ab, um aerobe Bedingungen zu ermöglichen. Lagern Sie bis zu sieben Tage im Dunkeln bei 30 Grad Celsius. Als Nächstes geben Sie 10 bis 15 Gramm des Versuchssubstrats in ein 50-Milliliter-Edelstahlfräsglas.

Mit einer 20-Millimeter-Stahlkugel. Tauchen Sie das Mahlglas 15 Minuten lang in flüssigen Stickstoff ein, um es zu sprühen. Sichern Sie das Fräsglas im Kugelmühlenaufsatz.

Dann stellst du das Instrument auf 30 Hertz und zwei Minuten und 30 Sekunden ein und drückst Start. Führen Sie das Mahlen viermal mit 30 Sekunden Abkühlung in flüssigem Stickstoff zwischen jedem Zyklus durch. Mahlen Sie das Substrat vor Beginn des Tests auf eine gleichmäßige Partikelgröße zwischen 0,10 und 0,25 Millimetern.

Mit einer Präzisionsbalance und einer Empfindlichkeit von 0,001 Gramm sollten Sie 0,5 Gramm pro Liter Ammoniumchlorid und 0,1 Gramm pro Liter monobasisches Kaliumphosphat wiegen. Gib die anorganischen Nährstoffe in die Flasche. Bringen Sie das Volumen zum Markieren mit Meerwasser.

Dann in eine Rührstange geben und auf einer Rührplatte umrühren, bis alle Salze sich aufgelöst haben. Im analytischen Zusammenhalt sollten 20 Milligramm des experimentellen oder Kontrollsubstrats abgewogen werden. Zeichnen Sie das vollständige Gewicht der Anzeige auf und legen Sie das Fläschchen beiseite.

Um die Reaktorbehälter aufzustellen, verwenden Sie eine säureausgelaugte 75-Milliliter-Volumenpipette mit motorisiertem Pipettenregler und saugen Sie das Meerwasser ab, um 75 Milliliter des nährstoffgefüllten Meerwassers in jedes Reaktorbehälter zu dosieren. Entfernen Sie etwa drei Milliliter Meerwasser aus jedem Gefäß. Dann legen Sie es auf eine saubere Oberfläche neben dem Gefäß, um das gemahlene Substrat vom zerrissenen Fläschchen abzuspülen.

Nun wird das gemahlene Substrat vom zerrissenen Fläschchen in das entsprechende Reaktorgefäß übertragen. Setze einen O-Ring am Rand des Reaktorbehälters. Dann setzen Sie einen Zwei-Port-Deckel über den O-Ring und sichern Sie ihn mit einem Schraubverschluss.

Verbinden Sie jedes Reaktorgefäß mit seinen passenden Gas- oder Kondensationsleitungen. Stecken Sie die Gasleitungen fest in die entsprechenden Ein- und Auslasskanäle des Deckels. Schalte die Shaker-Plattform auf 0,05G im kontinuierlichen Modus ein.

Überprüfen Sie visuell, ob alle Behälter gesichert sind, und schließen Sie dann die Inkubatortür. Navigiere in der Instrumentensoftware zu Experimentieren und klicke auf Einrichten. Geben Sie die Start- und Endkanalnummern in den Dropdown-Menüs ein, die den belegten Kanälen entsprechen.

Setze die Bildwiederholschwelle auf 0,50. Erneuerungsintervall auf NA und Aktualisierungsfenster auf Auto. Dann prüfe das Kästchen für Purge-Sensoren unter Sonstiges Setup.

Stellen Sie sicher, dass die automatische Volumenmessung, der Sauerstoffverbrauch positiv und der Open-Flow-Modus nicht ausgewählt sind. Stellen Sie das Abtastintervall auf 8,00 ein. Dann stellen Sie die Gas- und Zeiteinheiten nach Bedarf ein.

Wenn Sie eine primäre Temperaturprobe zur Korrektur der Inkubationstemperatur verwenden, stellen Sie sicher, dass "Manuell Kammertemperaturen eingeben" nicht ausgewählt ist. Kreuze das Kästchen für Entlüftungsmodus an und stelle sicher, dass der Abflussmodus nicht ausgewählt ist. Wählen Sie nun Chamber Setup aus und geben Sie die beschreibenden Kanalbezeichnungen ein.

Wenn ein Leck angezeigt wird, stellen Sie sicher, dass der O-Ring sauber, sitzend und frei von Partikeln oder Fasern ist. Zieh den Schraubverschluss fest. Inspiziere die Rohranschlüsse an Ein- und Auslass.

Abgenutzte oder verformte Rohre enden mit einer scharfen Klinge, um saubere Schnitte zu erzielen. Im Menü wählen Sie Werkzeuge, klicken Sie dann auf Servicemenü und bestätigen, dass die primäre Temperaturmesser 30 Grad Celsius mit zwei Gradvariationen misst und stabil ist. Klicken Sie auf Run, um das Experiment zu starten.

Speichere die Experimentdatei unter einem beschreibenden Namen, einschließlich des Datums, und notiere den Dateinamen im Datenblatt. Die kumulierte Kohlendioxidproduktion über 84 Tage bestätigte die erwartete Leistung. Über 84 Tage hinweg zeigte Cellulose nach kurzer Verzögerung eine schnelle Kohlendioxidproduktion und erreichte etwa 700 Mikromol.

PHA zeigte eine langsamere Anfangsrate über drei Tage. Und die Meerwasserkontrolle blieb bei 150 Mikromol niedrig. Einzelne negative Kontrollreplikate zeigten eine geringe Variabilität, wobei alle Kurven dicht beieinander blieben.

Cellulose-Replikate mit positiver Kontrolle zeigten durchgehend eine geringe Variabilität und bestätigten eine stabile Leistung über alle vier Replikate. Im negativen Datensatz zeigte Replikat fünf einen anomalen Anstieg der Kohlendioxidproduktion, wahrscheinlich aufgrund labiler organischer Substanz, doch die kumulative Produktion begann bei 100 Mikromol zu stagnieren. Einer von sechs Replikaten hatte eine geringere kumulative Kohlendioxidproduktion als andere, was auf mögliche technische Probleme hindeutet.

Der Standardfehler der durchschnittlichen kumulativen Kohlendioxidproduktion in der negativen Kontrollgruppe lag bei 2,5 %, was auf eine geringe Variabilität zwischen den Replikaten hindeutet. Der Standardfehler für die positive Zellulosekontrolle betrug 0,83 %, was die hohe Reproduzierbarkeit des biologischen Abbautests weiter bestätigt. PHA weist eine hohe Mineralisierung nahe der positiven Kontrolle auf, mit einem Standardfehler, der mit der Kontrolle vergleichbar ist.

Dieses Protokoll adressiert die Lücke in standardisierten, zugänglichen Methoden zur Überprüfung der biologischen Abbaubarkeit von Materialien in der Meeresumgebung für Industrie, Wissenschaft und Regulierungsbehörden. Das Protokoll bietet eine schnellere standardisierte Methode, um diesen biologischen Abbau direkt zu messen, mit kürzerer Testdauer bei gleichzeitiger Probenbewertung. Das Protokoll ermöglicht standardisierte Hochdurchsatztests für Material- und Laborvergleichbarkeit für maschinelles Lernen und prädiktive Modellierung der Materialleistung.