Summary
미세 투석 프로파일러는 최소한의 방해로 현장에서 산화-무산소 토양-물 경계면에 용해된 공극수 용질을 샘플링하는 것으로 설명됩니다. 이 장치는 토양-물 경계면 및 그 너머의 교란으로 인해 유발된 농도-깊이 프로파일의 급격한 변화를 포착하도록 설계되었습니다.
Abstract
생지 화학적 과정은 교란에 대한 반응으로 산화 - 무산소 계면에서 공간 (밀리미터 규모) 및 시간적 (시간 척도에서 일 척도) 차원으로 빠르게 변화합니다. 급격한 생지화학적 변화를 해독하려면 높은 공간 및 시간 샘플링 분해능을 갖춘 현장 최소 침습 도구가 필요합니다. 그러나 사용 가능한 수동 샘플링 장치는 일회용 특성이나 샘플 준비를 위한 복잡성 및 광범위한 작업량으로 인해 많은 경우에 그다지 유용하지 않습니다.
이 문제를 해결하기 위해 1차원 골격(60mm)에 통합된 33개의 개별 폴리에테르설폰 나노멤브레인 튜브(반투과성, <20nm 공극 크기)가 있는 미세 투석 프로파일러를 구축하여 1.8mm(외경에 1개의 간격, 즉 프로브 사이의 0.1mm)의 고분해능으로 토양-물 경계면을 가로질러 공극수에 용해된 화합물을 반복적으로 샘플링했습니다. 샘플링 메커니즘은 농도 구배 확산의 원리를 기반으로 합니다. 탈기된 물의 자동 로딩은 산화-무산소 계면을 가로질러 화학종에 대한 방해를 최소화합니다.
이 백서는 매일 토양-물 경계면을 가로지르는 장치 설정 및 지속적인 공극수 샘플링 절차를 설명합니다. 농도-깊이 프로파일은 관개에 의해 유도된 교란 전(6일) 및 후(7일)를 선택적으로 측정했습니다. 결과는 농도-깊이 프로파일이 특히 산화 환원에 민감한 원소(즉, 철 및 비소)에 대해 급격한 변화를 겪고 있음을 보여주었습니다. 이러한 프로토콜은 물리적, 화학적 및 생물학적 요인으로 인한 다양한 교란 하에서 토양-물 경계면에 걸친 생지 화학적 반응을 조사하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 논문은 환경 과학에서 잠재적으로 사용할 수 있는 이 방법의 장점과 단점에 대해 철저히 논의합니다.
Introduction
산화-무산소 계면(oxic-anoxic interface)은 생지화학적 순환1에 필수적인 생물권의 일반적인 특징 중 하나이다. 이 계면은 매우 이질적이며, 공간 범위는 퇴적물/토양-물 계면 1,2의 밀리미터에서 해양 무산소 구역 3,4의 수천 미터까지 확장됩니다. 이 인터페이스는 원소 생지 화학의 복잡성을 연구하는 데 이상적인 서식지입니다.
토양-물 계면은 센티미터 이내의 전형적인 산화-무산소 구배 특징을 가지며 mesocosm 실험에서 쉽게 확립됩니다. 지표수에서 분자 산소의 소비에서 시작하여 층화된 기능성 미생물 군집은 밀리미터 규모1에서 O2, pH 및 Eh 구배와 같은 다양한 구배의 발달을 주도합니다. 산화-무산소 계면에서의 생지 화학적 순환은 자연의 다양한 교란에 민감합니다 5,6. 퇴적물과 논밭의 경우, 깔짚과 짚과 같은 신선한 유기물의 유입,주기적인 홍수 및 배수, 온도 변동 및 극한, 생물 교란은 산화 – 무산소 계면에서 생지 화학적 순환의 변화를 일으킬 수 있으며, 온실 가스 배출, 부영양화 및 오염과 같은 지속적인 영향을 초래할 수 있습니다 주어진 위치에서. 따라서 토양-물 계면에서의 산화-무산소 구배는 전 지구적, 대규모의 생지화학적 순환을 연구할 수 있는 창을 제공합니다. 토양-물 경계면을 따라 용해된 물질의 시공간 샘플링 및 고해상도의 분석은 항상 관심의 대상이었습니다. 그러나 방법론에는 제한된 진전이 있었습니다.
비파괴 수동수 채취법의 단점을 극복하기 위해 비파괴 수동수 채취는 기극수 화학의 변화를 방지하고 시료 전처리의 복잡성을 해결하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다7. 현장 투석 샘플러(peepers로 알려짐)8, 박막의 확산 평형(DET)9 및 박막의 확산 그래디언트(DGT)10를 포함하여 고정밀 현장 샘플링(마이크로미터에서 센티미터 단위까지)을 수행할 수 있는 여러 장치가 널리 사용되었습니다. 용해된 물질은 확산 및 흡착 과정의 메커니즘을 통해 수동적으로 샘플링됩니다. 산화 무산소 화학 프로파일을 설명하는 데 유용한 것으로 입증되었지만 여전히 일회용이므로 광범위한 적용이 제한됩니다.
최근에, 미세 투석 기술은 11,12,13,14 일의 시간적 규모로 토양의 용해성 화합물 역학을 모니터링하는 데 사용할 수있는 민감한 도구로 등장했습니다. 의료 및 환경 과학에서 미세 투석을 사용하는 일반적인 시나리오의 경우, 반투과성 관형 멤브레인(즉, 미세 투석기)으로 구성된 소형 동심형 프로브를 사용하여 간질액 또는 토양 용액을 조사하여 대사 과정 및 화학적 종분화에 대한 심각한 교란을 방지합니다15,16. 미세투석의 가장 큰 내재적 이점 중 하나는 토양 또는 생물학적 조직의 시간 의존적 농도 변화를 현장에서 포착하는 것입니다15,16.
미세 투석 개념을 기반으로 농도 구배확산 2의 원리에 따라 공극수 용질의 연속 평형 투석을 수행할 수 있는 보다 사용하기 쉬운 미세 투석 프로파일러(이전에는 통합 기공수 주입(IPI) 프로파일러)를 개발했습니다. 미세 투석 장치는 관류액의 능동 예압 및 용해된 용질의 수동 확산을 위해 중공 나노멤브레인 튜브를 사용하며, 이는 엿보기, Rhizon 샘플러와 같은 압력 필터 및 축적 기반 DGT에 사용되는 벌크 기공수 확산과 다릅니다. 이 장치는 고지대와 침수된 토양 모두에서 양이온 및 음이온 원소의 시간적 및 공간적 샘플링에서 테스트 및 검증되었습니다(그림 1A-1)13,15,16. 간단한 펌프 인-아웃-미세 투석은 샘플 준비 2,15의 단계 수를 최소화합니다.
우리는 샘플러 세트를 1차원 지지 골격에 통합하여 미세 투석 프로파일러를 제작했으며, 이 프로파일러는 토양-물 경계면과 근권 2,15,17에서 고해상도 샘플링을 달성했습니다. 이 연구에서는 하류 원소 분석을 위한 방해를 최소화하면서 토양-물 경계면(60mm 수직 깊이)에서 33개의 공극수 샘플을 수집할 수 있도록 샘플링 장치 및 샘플링 방법을 상당히 수정했습니다. 전체 샘플링 절차는 ~15분이 소요됩니다. 미세 투석 프로파일러는 환경 과학 커뮤니티에 새로운 것이기 때문에 토양-물 계면에서 화학 신호의 변화를 모니터링하는 데 미세 투석의 가능성을 나타내기 위해 장치 구성 요소 및 샘플링 절차에 대한 세부 정보를 제시합니다.
미세 투석 프로파일러에 대한 설명
이전 설계2를 적절히 수정한 미세 투석 프로파일러 장치는 그림 1에 나와 있습니다. 나노 멤브레인 (그림 1C-1)의 효과적인 기공 크기는 큰 분자 및 미생물 세포의 확산을 방지하기 위해 수 나노 미터에 불과한 것으로 추정됩니다. 이전의 시험은 6개월간의 침수 배양이 튜브 표면의 내부 또는 외부에 어떠한 철 침전물도 초래하지 않는다는 것을 시사하였다15. 구부러진 속이 빈 골격이 설계되었으며(그림 1C-2) 안정적인 나일론 소재를 사용하여 3D 프린팅되었습니다. 총 33개의 나노멤브레인 튜브(폴리에테르설폰, 표면 기공 크기: 0-20nm, 내경 x 외경 x 유효 샘플링 길이: 1.0mm x 1.7mm x 54mm, 이론적 부피: 42.4μL)를 일치하는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 파이프(길이: 18cm x 2cm 직경 그림 1C-1)와 연결된 골격과 PVC 용기의 한 면을 가로질러 설치했습니다(그림 1B). 이 장치의 경우 샘플링 구성 요소(그림 1B-1)는 PVC 용기의 측벽에서 2cm 떨어져 있습니다. 주입면(그림 1B-4)의 경우 모든 튜브를 일대다 커넥터에 연결하고 기밀 방식으로 완충 용기에 고정했습니다(그림 1B-7). 의료용 주입 백(그림 1B-11)을 사용하여 3방향 밸브로 완충 용기와 연결했습니다. 시스템의 기밀성은 추가 실험 작업 전에 물에서 주의 깊게 검사되었습니다. 의료용 주입 백에 미리 로드된 물(18.2MΩ, 500mL)은 항상 산소가 없습니다(그림 1C-8). 자세한 장치 설정 및 기공 샘플링은 다음과 같이 설명됩니다.
Protocol
1. 개별 미세 투석 샘플러 준비
- 깨끗한 나노멤브레인 튜브(내경 x 외경 x 길이: 1.0mm x 1.7mm)를 총 33개의 짧은 튜브(길이 58mm)로 정확하게 절단합니다.
- 세라믹 나이프로 PTFE 파이프를 66개의 파이프(길이 180mm)로 정확하게 자릅니다.
알림: 오염을 방지하기 위해 금속 기반 칼을 사용하지 마십시오. - 깨끗한 플라스틱 판에 두 액형(AB) 에폭시 접착제를 완전히 혼합하고 끈적끈적해질 때까지 30분 동안 그대로 두십시오. AB 에폭시 접착제를 PTFE 파이프 상단의 외부 표면에 조심스럽게 바릅니다. AB 에폭시 접착제가 튜브의 4mm 길이만 덮고 추가 접착 차단 튜브가 없는지 확인하십시오.
- 1.2-1.4 단계에서 준비된 두 개의 PTFE 파이프를 1.1 단계에서 준비된 각 나노 멤브레인 튜브와 PTFE 파이프를 나노 멤브레인 튜브에 부드럽게 나사로 고정하여 연결합니다.
알림: 조인트에 과도한 접착제가 쌓이지 않도록 하십시오. 접착제가 나노멤브레인 튜브를 오염시키지 않는지 확인하십시오. - 1.4단계를 반복하여 33개의 깨끗한 미세 투석 샘플러를 모두 완전히 조립합니다.
- 1.6단계에서 조립된 샘플러를 밤새 방치하여 접착제의 완전한 경화 및 안정화를 보장합니다.
- 친수성을 높이고 미세 투석 샘플러를 에탄올 (순도 99.5 %)에 1 시간 동안 담근 다음 2 % 희석 된 HNO3 및 초순수로 각각 15 분 동안 초음파 세척 (실온)을 실시하여 세척합니다.
- 5mL 주사기를 사용하여 물에 버블링하여 미세 투석 샘플러의 개통성과 기밀성을 확인합니다.
2. 미세투석 프로파일러의 조립
- 첨부된 CAD 파일(보충 파일 1)을 사용하여 나일론 재질을 사용하여 미리 설계된 뼈대를 인쇄합니다(그림 1C-2).
- 골격 크기와 일치하도록 두 개의 평행 슬롯(5cm 간격)이 있는 PVC 용기(산 세척)를 속을 비웁니다. 슬롯을 위해 3D 프린터의 조각 모듈을 사용합니다.
- 50mL 원심분리기 튜브의 캡 모양으로 에폭시 접착제를 안정화하여 일대다 커넥터를 구성합니다. 경화하기 전에 에폭시 접착제에 33개의 실리콘 캡(길이 1cm)을 삽입하고 밤새 그대로 두십시오.
- 튜브 캡에서 일대다 커넥터를 꺼냅니다.
- 세라믹 나이프를 사용하여 경화된 에폭시 접착제를 절단하여 모든 실리콘 캡 끝이 막히지 않도록 합니다.
- 일대다 커넥터를 2% 희석된 HNO3 와 초순수로 각각 15분 동안 철저히 헹굽니다. 주변 조건에서 일대다 커넥터를 건조시키십시오.
- 3방향 밸브를 튜브 바닥에 연결하여 완충 용기 역할을 합니다.
- AB 에폭시 접착제를 사용하여 50mL 원심분리기 튜브에 일대다 커넥터를 설치하여 완충 용기를 조립합니다.
- 섹션 1에서 준비한 개별 미세 투석 샘플러를 골격에 조립합니다(2.1단계). 이 단계에서는 핫멜트 접착제를 사용하여 각 샘플러가 골격의 상단/하단 가장자리와 평행하도록 고정합니다.
- 모든 미세 투석 샘플러(n = 33)가 골격에 설치될 때까지 2.9단계를 반복합니다.
- 스켈레톤 양쪽에 있는 33개의 샘플러가 PVC 슬롯을 통과하는지 확인하십시오. 골격과 슬롯의 접합부에 있는 틈을 AB 에폭시 접착제로 밀봉합니다.
- 33mL 원심분리기 튜브에 사전 설치된 일대다 연결 밸브를 통해 골격 한쪽에 있는 50개의 샘플러를 밀폐된 방식으로 완충 용기에 연결합니다(2.8단계).
- 물(18.3MΩ)이 미리 채워진 의료용 주입 백을 3방향 밸브를 통해 버퍼 용기에 연결합니다.
- 실리콘 캡을 사용하여 샘플링 측의 33개 샘플러를 닫습니다. 3방향 밸브를 돌려 각 미세 투석 샘플러의 개통성과 기밀성을 다시 확인하여 의료용 주입 백에서 샘플러로 물이 흐르도록 합니다. 모든 점검을 완료한 후 버퍼링 용기의 모든 샘플러와 밸브를 닫고 끕니다.
3. 토양 배양
- 침수 된 토양을 부화하기 전에 의료용 주입 백의 물을 탈기하여 산소를 제거하십시오. 의료용 주입 백으로 가는 고순도 질소 가스 라인의 경로에서 밤새 질소 가스를 버블링합니다(그림 1-C8).
- 3방향 밸브를 사용하여 프로파일러와 탈기된 백 사이의 연결을 닫습니다.
- 체질되고 공기 건조된 토양(입자 크기 < 2mm)의 450g을 PVC 용기에 조심스럽게 추가하여 5개의 미세 투석 샘플러가 토양 표면 위에 남아 있도록 합니다.
- 티슈를 사용하여 토양 표면을 덮은 다음 초순수(18.3MΩ)를 토양에 부어 범람시킵니다. 토양이 토양 표면에서 5cm 위로 완전히 침수되면 조직을 제거하십시오.
- 토양 배양이 초기화되는 즉시 사전 로드된 용액으로 시스템을 퍼지합니다. 혐기성 백과 투석 샘플러 사이의 연결을 켜서 샘플링 시스템을 세척합니다. 각 샘플러를 물로 퍼지할 때 샘플러의 총 부피의 10배를 사용하십시오.
- 하나의 샘플러의 퍼지를 마칠 때 깨끗한 실리콘 캡을 사용하여 캡을 씌우십시오.
- 모든 샘플러가 제거될 때까지 3.6단계를 반복합니다. 이때 하나의 침수 토양 배양 및 샘플링 시스템이 구축됩니다.
- 혐기성 백을 수면 높이로 조정하십시오.
- 모든 튜브에 물이 가득 차 있는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 캡을 제거하고 튜브 상단을 내려 혐기성 백에서 물이 흘러나오도록 합니다.
- 모든 캡과 밸브를 닫습니다.
- 7 일 동안 배양하는 동안 혐기성 백과 투석 샘플러 사이의 연결을 끕니다.
4. 미세 투석 프로파일러 샘플링
- 샘플링하기 전에 토양 용기, 샘플링 상단 및 혐기성 백의 수위를 비슷한 높이로 조정하여 현저하게 다른 수분 잠재력을 피하십시오. 토양 배양 기간 동안 항상이 관행을 유지하십시오.
- 혐기성 백과 버퍼 용기 사이의 연결을 켭니다.
- 첫 번째 샘플러의 캡을 위에서 아래로 제거합니다.
- 피펫을 사용하여 보존을 위해 133μL의 2%HNO3 가 미리 로드된 바이알(0.6mL)로 샘플러에서 133μL를 정확하게 흡인합니다.
- 샘플링 과정에서 혐기성 백의 관찰 챔버(그림 1A-9)에 있는 미세 투석 샘플러를 향한 느리지만 균일한 물방울의 흐름을 관찰합니다.
- 실리콘 캡으로 튜브 상단을 닫습니다. 다음 샘플링 튜브로 이동합니다.
참고: 철 Fe와 같은 산화 환원에 민감한 원소를 분석하려면 탈기(10mM) EDTA 용액과 같은 다른 보존 방법을 사용해야 하며 샘플링은 질소 퍼지 조건에서 수행해야 합니다. - 4.6개의 샘플이 모두 수집될 때까지 33단계를 반복합니다. 혐기성 백과 버퍼 용기 사이의 연결을 끕니다.
참고: 샘플링은 일반적으로 15분 안에 완료될 수 있습니다. 현재 설계에서는 튜브 간의 교차 오염을 방지하기 위해 샘플링이 매일 수행됩니다. 튜브를 따라 용질 확산은 느리지만 버퍼 용기로 확산되어 다른 튜브를 오염시킵니다. - 6 일째 샘플링 직후, 침수 된 물을 보충하면 토양 표면에 교란을 일으킬 수 있습니다.
- 공극수 샘플이 이송되기 전과 후에 샘플 바이알의 무게를 측정하여 샘플 부피 회수율을 계산합니다.
- 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)을 사용하여 공극수에 용해된 총 원소 농도를 측정합니다.
참고: 농도 정량화에는 외부 표준 곡선이 사용되었고, ICP-MS 작동 안정성을 모니터링하기 위해 내부 표준 Rh가 사용되었습니다.
Representative Results
이 프로토콜에 따라 그림 1에 설명된 대로 미세 투석 프로파일러 시스템이 구축되었습니다. 토양 배양은 홍수 조건(24°C, 빛으로부터 노출되지 않음) 하에서 수행되었습니다. 6일차와 7일차의 샘플을 선택적으로 측정하여 침수된 물을 보충하는 관행으로 인한 토양 표면의 잠재적 교란을 나타냈습니다.
각 샘플링 동안, 미세 투석 샘플러 쪽으로 흐르는 관찰 챔버 내의 일정한 수의 물방울이 관찰되었으며, 이는 이송된 샘플 용액이 혐기성 백의 용액에 의해 연속적으로 보충되었음을 나타낸다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 샘플 부피의 회수율은 평균 101.4% ± 0.9%였으며 범위는 100.2%에서 103.6%였습니다. 샘플 부피의 약간 더 높은 회수율은 혐기성 백과 샘플링 튜브의 상단 사이에 수위 차이가 있음을 나타낼 수 있습니다.
6일차와 7일차에 수집된 토양-물 계면의 샘플을 사용하여 다공수에서 철(Fe), 망간(Mn), 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 니켈(Ni) 및 아연(Zn)의 총 용해 농도를 결정했습니다(그림 3). 농도-깊이 프로파일은 원소 유형과 범람된 물을 보충하기 전과 후에 따라 크게 다릅니다. 이 연구는 그래디언트 기반 실험 설계를 사용했기 때문에 여기에서 복제를 수행하지 않았지만, 이전 연구에서는 깊이 의존적 화학 신호18의 변화에 대한 좋은 복제를 보여주었습니다.
6일째에 Mn, Fe 및 As의 용해 농도는 토양 깊이에 따라 증가한 반면 Cu 및 Pb의 용해 농도는 토양 깊이가 증가함에 따라 감소했습니다. 결과는 토양-물 경계면의 일반 원칙 및 관찰과 일치합니다. 특히, 더 깊은 토양에서 더 감소된 환경은 덜 용해되는 미네랄의 형성으로 인해 양이온성 금속의 방출을 억제하면서Mn15, Fe 및 As의 향상된 환원 방출을 유발할 것입니다. 그러나, Cd, Ni 및 Zn의 경우, 용해 된 농도가 약 -20 mm의 깊이에서 더 깊은 위치로 증가하는 경향을 보였기 때문에 농도 깊이 프로파일은 다른 패턴을 나타냈다.
Fe의 농도-깊이 프로파일과 비교(4.95mg· L−1) 및 As(3.3μg· L-1) 6일째 -12mm 깊이에서 Fe(1.46mg· L−1) 및 As(0.8μg· L-1)은 7일째에 유의하게 낮았다. 그러나, Fe 및 As 농도는 -18 mm에서 -50 mm의 깊이로부터 유의하게 더 높았다 (깊이 의존적 기울기, p < 0.001). Mn을 제외한 대부분의 원소에서 -15 mm 깊이의 지표수와 균일 한 지표 토양의 용해 농도는 호기성 물 보충 후 다양한 정도로 현저히 낮았다. 7일째에 약 -10mm 깊이에서 Pb에 대한 농도 피크가 있었고, 6일째에 관찰된 것과 대조되는 패턴을 나타내는 것으로 나타났습니다. 이러한 일관되지 않은 결과는 물 보충의 교란과 토양-물 경계면을 가로지르는 생지화학의 시간적 진화로 인해 발생할 수 있습니다. 두 경우 모두 미세 투석 프로파일러는 토양-물 경계면에서 화학적 프로파일의 시간공간적 변화를 모니터링할 수 있는 큰 잠재력을 나타냈습니다.
그림 1: 토양 깊이 50mm에 대한 토양-물 경계면에서 화학 역학을 모니터링하기 위한 미세 투석 프로파일러 설정. (A) 50mm 깊이에서 사용 중인 프로파일러의 경우 보충 그림 S1도 참조하십시오. 주요 구성 요소는 (B1,C1) 3D 프린팅 골격에 설치된 33개의 미세 투석 샘플러(B2,C2)를 포함하며, 이는 (B3) 배양 용기(50mL 샘플 튜브), (B4,B7,C4) 일대다 완충 용기, (B9-B12) 탈기수 공급업체로 사용되는 의료용 주입 백 및 (C5) 오프라인 샘플링 피펫. (나5) 33개 샘플러 모두의 샘플링 위치는 플라스틱 스트립(B6)과 동일한 높이로 정렬됩니다. 탈산소화된 물은 (C8) 물 공급과 반대 방향으로 질소 버블링에 의해 제조됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 관류액으로H2O를 사용한 샘플링 부피 회복. 오차 막대는 두 개의 독립적인 프로파일러 샘플링의 표준 편차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 농도-깊이 프로파일 . (A) 망간, (B) 철, (C) 비소, (D) 카드뮴, (E) 구리, (F) 납, (G) 니켈 및 (H) 아연은 6일과 7일에 측정되었습니다. Y축의 음수 눈금 레이블은 수질 토양 경계 아래의 깊이를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 샘플러 내부에 철 침전을 초래하는 누출 실패 사례. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 미리 디자인된 골격의 인쇄물을 위한 컴퓨터 지원 설계 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 S1: 사용 중인 프로파일러입니다. (A) 침수된 토양에서. (B-E) 상단 및 측면 뷰의 사진과 연결 세부 정보는 별도로 제공됩니다. (E) 3방향 밸브는 버퍼 용기와 의료용 주입 백을 연결하는 데 사용됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
이전 실험 및 관행2에 기초하여, 미세 투석 프로파일러 조립 및 공극수 샘플링 중에 몇 가지 고려 사항에 특별한 주의가 필요합니다. 첫째, 나노멤브레인 튜브와 연결 튜브는 연결부에서 막힘이나 누출을 방지하기 위해 조심스럽게 연결해야 합니다. 토양이 침수된 조건에서 배양될 때 산소가 유입되면 투석 튜브에서 철이 빠르게 산화되고 침전됩니다(그림 4). 이러한 이유로 미세 투석 프로파일러를 조립하기 전에 각 미세 투석 튜브의 무결성(손상 없음), 연결부의 기밀성 및 튜브의 개통성을 확인해야 합니다. 유사하게, 부화 용기의 측벽에 지지 프레임을 연결하는 것은 누출을 방지하기 위해 조심스럽게 이루어져야 합니다. 공식적인 실험에 앞서 다양한 연결 위치에서의 누출 점검이 항상 우선 순위입니다. 둘째, 혐기성 백의 관류액은 적절하게 탈산소화되어야 합니다. 그렇지 않으면 공극수의 철이 관류액의 산소와 반응하여 불용성 침전물을 형성합니다(그림 4). 이것은 용질 종 분화 및 농도와 나노 멤브레인 튜브로의 확산 과정을 심각하게 변화시킬 것이다. 셋째, 샘플링 빈도가 낮으면(일 및 주) 용질이 완충 영역으로 확산됩니다. 이로 인해 전체 프로파일 샘플이 오염될 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 세 가지 가능한 해결책이 고려될 수 있다: (1) 하루에 한 번과 같은 고주파에서의 샘플링 (그러나, 이것은 다중 샘플링이 수행될 때 투석 샘플러 근처에서 용질 고갈을 초래할 수 있다); (2) 필요에 따라 사출 영역에서 연결 파이프의 길이를 연장하는 단계; (3) 단일 파이프라인의 단일 제어를 달성하기 위해 샘플링 파이프라인을 재설계합니다. 이는 향후 장치 개선을 위한 방향이기도 합니다. 넷째, 샘플링 과정에서 혐기성 백의 수면 수위, 침수 된 토양 및 샘플링 파이프가 수압의 균형을 맞추기 위해 거의 같은 높이에 있는지 확인해야합니다. 그렇지 않으면 멤브레인 튜브 내부와 외부의 물 전위차로 인해 용질 확산이 감소하거나 증가합니다.
제한
첫째, 미세 투석 프로파일러가 상업적으로 이용 가능하지 않기 때문에, 이 방법은 장치의 제조 측면에서 여전히 시간이 많이 소요된다. 단일 투석 튜브를 준비하는 데 며칠이 걸렸으며, 여기에는 지지대 골격 인쇄, 장치 조립 및 청소가 포함되었습니다. 그러나 후속 재사용 가능한 기능은 이러한 격차를 완전히 해소합니다. 둘째, 침수되지 않은 토양 시나리오에 장치를 적용하는 데는 일정한 제한이 있으며,18 세에 사용할 수 있습니다. 건조한 토양에서 멤브레인 튜브의 내부와 외부 사이의 상당한 물 전위차로 인해 예압 된 용액은 확산 손실을 경험합니다. 실제로, 예비 테스트에서 10%-36% 범위의 다양한 샘플링 볼륨 회수가 관찰되었으며(자세한 데이터는 표시되지 않음) 결과에 대한 불확실성이 발생합니다.
기존 또는 대체 방법과 방법 비교
이 방법은 기존의 수동 샘플러가 반복적으로 샘플링할 수 없다는 사실을 부분적으로 해결하고 특히 무산소 공극수 샘플링 및 보존을 위한 샘플 준비 작업량을 최소화합니다2. 투석된 용질의 농도 및 종분화의 즉각적인 변화는 모든 환경 교란에 대한 산화-무산소 계면의 반응을 민감하게 반영할 수 있습니다. 이론적으로 몇 분, 몇 시간 또는 며칠의 빈도로 샘플링하면 인터페이스에서 빠르게 변화하는 프로세스를 캡처할 수 있습니다. 며칠 동안 배포해야 하는 패시브 샘플러의 경우 일부 핫 모멘트와 핫스팟을 놓칠 수 있습니다 6,19.
환경 과학의 중요성과 잠재적 응용
이 접근법은 예를 들어, 특정 Eh-pH 조건 하에서 생지 화학적 과정의 뜨거운 순간과 핫스팟을 찾기 위해 oxic-anoxic 인터페이스에서 생지 화학 연구를 발전시킬 수 있습니다. 산화 환원 과정은 생명 활동의 기본 과정이다1. 특히 미생물은 최적의 생활환경 조건을 필요로 하며 환경교란에 매우 민감하다1. 그 결과 이질적인 환경에서 미생물 군집과 생지화학적 과정이 매우 역동적으로 발전한다20. 높은 이질성을 고려하지 않고 직접 샘플링하면 다양한 환경 조건에서 혼합 샘플을 얻는 경향이 있습니다. 이로 인해 측정된 화학 정보와 주요 미생물 사이에 불일치가 발생한다(20). 전형적인 침수된 논에서 토양 또는 퇴적물의 표층으로부터 수 센티미터 이내에는 가파른 산화환원 구배와 다양한 물리적, 화학적 구배(21) 및 생물학적 구배(21)가 있다. 기술은 밀리미터 단위의 생지화학적 신호를 포착할 수 있어야 합니다. 그렇지 않으면 실제 배율과 일치하지 않는 데이터로 인해 모호한 결론이 도출될 수 있습니다. 미세 투석 프로파일러는 최소한의 방해로 며칠 또는 몇 시간 내에 토양-물 계면에서 밀리미터 단위의 생화학 신호를 모니터링할 수 있습니다. 이 연구에서, 48 시간 동안 다른 요소의 시공간 역학이 관찰되었으며, 아마도 물 보충의 교란과 관련이있을 수 있습니다. 따라서 미세 투석 프로파일러를 더 광범위하게 적용하면 교란이 변화하는 세계에서 주요 생지화학적 과정에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Disclosures
저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (41977320, 41571305)과 XJTLU의 주요 프로그램 특별 기금 (KSF-A-20)의 자금 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | Snapmaker, United States | Snapmaker 2.0 | Model: A250 |
| 3M DP190 Scotch-Weld Gray | 3M United States | 489-483 | Gray |
| Centrifuge tube | Titan, China | SWLX-JZ050-ZX | 50 mL, Sterilized DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Free |
| Ceramic knife | R felngli, China | N.A. | General |
| EDTA FREE ACID | Sigma-Aldrich | CAS 60-00-4 | Sigma-Aldrich#EDS-1KG |
| Ethanol | Adamas | CAS 64-17-5 | Water ≤ 50 ppm (by K.F.), 99.5%, SafeDry, with molecular sieves, Safeseal |
| Hot melt adhesive | Magic Dragon, China | N.A. | JTWJRRJB001 |
| Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry | PerkinElmer, Inc., Shelton, CT USA | N.A. | Model: NexION 350X |
| Medical Infusion Bag | Hunan Kanglilai Medical Equipment Co., Ltd | N.A. | 250 Ml, Sterlized |
| Milli-Q water system | Mingche, Inc., China | N.A. | 18.3 MΩ, water purification system model: 24UV |
| Nanomembrane Tube (polyethersulfone) | Motimo Membrane Technology Co., Ltd., Tianjin, China | N.A. | Polyethersulfone, inner diameter 1 mm, poresize <20 nm, pretreated with ethanol (99.5%) |
| Nitrogen gas | Suzhou Gas, Chuina | N.A. | High puriety |
| Nitrotic acid (Concentrated) | Adamas | CAS 7697-37-2 | 69%,Single Metal < 50 ppt, PFA Bottle |
| Nylon Fiber | Soumiety | 10052076600273 | For 3D-printing |
| Pipette | Bond A3 Pipette | N.A. | 200 μL |
| Pipette Tip | Titan | T2-H-T0200 | 200 μL, 300 μL Tip Box Non-sterile|200 μL|Titan |
| Polytetrafluoroethylene Tube | ROHS, China | CJ-TTL | Out diameter 1 mm |
| Sample vial | Titan, China | EP0060-B-N | 0.6 mL, Sterilized DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Free |
| Silicon cap | Fuchenxiangsu, China | N.A. | Inner diameter 1 mm, length 1 cm |
| Sonicator | Elma | N.A. | model:E120H |
| Square PVC water pipe | Taobao.com | N.A. | hight x width, 12 cm x 15 cm |
| Three-way valve for infusion | OEM, China | N.A. | Medical level; Valve body: PC material; valve core: PE material; screw cap: ABS material |
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