Summary
Bir mikrodiyaliz profilcisi, çözünmüş gözenek suyu çözünen maddeleri oksik-anoksik toprak-su arayüzü boyunca in situ olarak minimum rahatsızlıkla örneklemek için tanımlanmıştır. Bu cihaz, toprak-su arayüzündeki ve ötesindeki rahatsızlıkların neden olduğu konsantrasyon derinliği profillerindeki hızlı değişiklikleri yakalamak için tasarlanmıştır.
Abstract
Biyojeokimyasal süreçler, rahatsızlıklara yanıt olarak oksik-anoksik arayüzde hem mekansal (milimetre ölçeği) hem de zamansal (saat ölçeğinden güne ölçek) boyutlarda hızla değişmektedir. Hızlı biyojeokimyasal değişikliklerin deşifre edilmesi, yüksek uzamsal ve zamansal örnekleme çözünürlüğüne sahip in situ, minimal invaziv aletler gerektirir. Bununla birlikte, mevcut pasif numune alma cihazları, tek kullanımlık olmaları veya numune hazırlama konusundaki karmaşıklık ve kapsamlı iş yükleri nedeniyle birçok durumda çok kullanışlı değildir.
Bu sorunu çözmek için, tek boyutlu iskelete (60 mm) entegre edilmiş 33 ayrı polietersülfon nanomembran tüpüne (yarı geçirgen, <20 nm gözenek boyutu) sahip bir mikrodiyaliz profilleyicisi, gözenek suyundaki çözünmüş bileşikleri toprak-su arayüzü boyunca 1.8 mm'lik yüksek bir çözünürlükte (dış çap artı bir aralık, yani problar arasında 0.1 mm) yinelemeli olarak örneklemek için kurulmuştur. Örnekleme mekanizması, konsantrasyon gradyanı difüzyonu prensibine dayanmaktadır. Gazdan arındırılmış suyun otomatik olarak yüklenmesi, oksik-anoksik arayüz boyunca kimyasal türlere minimum rahatsızlık verir.
Bu yazıda, günlük olarak toprak-su arayüzü boyunca cihaz kurulumu ve sürekli gözenek suyu örneklemesi prosedürleri açıklanmaktadır. Konsantrasyon-derinlik profilleri, sulamanın neden olduğu rahatsızlıklardan önce (6. günde) ve sonra (7. günde) seçici olarak ölçüldü. Sonuçlar, konsantrasyon derinliği profillerinin, özellikle redoksa duyarlı elementler (yani demir ve arsenik) için hızlı değişiklikler geçirdiğini gösterdi. Bu protokoller, fiziksel, kimyasal ve biyolojik faktörlerin neden olduğu çeşitli rahatsızlıklar altında toprak-su arayüzündeki biyojeokimyasal tepkilerin araştırılmasına yardımcı olabilir. Makale, çevre bilimlerinde potansiyel kullanım için bu yöntemin avantajlarını ve dezavantajlarını kapsamlı bir şekilde tartışmaktadır.
Introduction
Bir oksik-anoksik arayüz, biyojeokimyasal döngü1 için hayati önem taşıyan biyosferdeki genel bir özelliktir. Bu arayüz oldukça heterojendir, uzaysal aralık tortu / toprak-su arayüzündeki milimetrelerden 1,2'den okyanus anoksik bölgesi 3,4'teki binlerce metreye kadar uzanır. Bu arayüz, temel biyojeokimyanın karmaşıklığını incelemek için ideal bir yaşam alanıdır.
Toprak-su arayüzleri, santimetre içinde tipik bir oksik-anoksik gradyan özelliğine sahiptir ve mezokozmos deneylerinde kolayca kurulur. Yüzey suyundan moleküler oksijen tüketiminden başlayarak, tabakalaşmış fonksiyonel mikrobiyal topluluklar, milimetre ölçeğinde1 milimetre ölçeğindeO2, pH ve Eh gradyanları gibi çeşitli gradyanların gelişimini yönlendirir. Oksik-anoksik arayüzdeki biyojeokimyasal döngü, doğadaki çeşitli bozulmalara duyarlıdır 5,6. Tortular ve çeltik tarlaları söz konusu olduğunda, çöp ve saman, periyodik sel ve drenaj, sıcaklık dalgalanmaları ve aşırı uçlar ve biyotürbasyon gibi taze organik maddelerin girişi, oksik-anoksik arayüzdeki biyojeokimyasal döngüde değişikliklere neden olabilir ve muhtemelen sera gazı emisyonları, ötrofikasyon ve belirli bir yerde kirlenme gibi kalıcı etkilere neden olabilir. Bu nedenle, toprak-su arayüzündeki oksik-anoksik gradyan, küresel, büyük ölçekli, biyojeokimyasal döngülerin incelenmesi için bir pencere sağlar. Toprak-su arayüzü boyunca çözünmüş maddelerin yüksek çözünürlükte mekansal zamansal örneklemesi ve analizi her zaman ilgi çekici olmuştur; ancak, metodolojide sınırlı ilerleme kaydedilmiştir.
Tahribatlı gözenek suyu ekstraksiyonunun dezavantajlarını ortadan kaldıran tahribatsız pasif numune alma, gözenek suyu kimyasındaki değişiklikleri önlemek ve numune hazırlamanın karmaşıklığını ele almak için giderek daha fazla kullanılmaktadır7. Yerinde diyaliz örnekleyicileri (gözetleyiciler olarak bilinir)8, ince filmlerde difüzif denge (DET)9 ve ince filmlerde difüzif gradyan (DGT)10 dahil olmak üzere yüksek hassasiyetli, yerinde örnekleme (mikrometreden santimetre ölçeğine) yapabilen çeşitli cihazlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Çözünmüş maddeler, difüzyon ve adsorpsiyon işlemleri mekanizması ile pasif olarak örneklenir. Oksik-anoksik kimyasal profilleri tanımlamada yararlı oldukları kanıtlanmış olsa da, hala tek kullanımlıktırlar ve bu da daha geniş uygulamalarını sınırlar.
Son zamanlarda, mikrodiyaliz tekniği, topraktaki çözünür bileşik dinamiklerini dakikalar ila11,12,13,14 arasındaki zamansal ölçeklerde izlemek için kullanılabilecek hassas bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Tıp ve çevre bilimlerinde mikrodiyaliz kullanan tipik bir senaryo için, metabolik süreçler ve kimyasal türleşme15,16 üzerinde önemli rahatsızlıkları önlemek için interstisyel sıvı veya toprak çözeltilerini araştırmak için yarı geçirgen boru şeklindeki bir zardan (yani bir mikrodiyalizör) oluşan minyatür, konsantrik tip bir prob kullanılır. Mikrodiyalizin en büyük doğal avantajlarından biri, toprak veya biyolojik dokulardaki zamana bağlı konsantrasyon değişikliklerinin yerinde yakalanmasıdır15,16.
Mikrodiyaliz konseptine dayanarak, daha önce entegre gözenek suyu enjeksiyonu (IPI) profilleyicisi olarak adlandırılan, konsantrasyon gradyanı difüzyonu2 prensibine dayanarak gözenek suyu soluyanların sürekli denge diyalizini gerçekleştirebilen, kullanımı daha kolay bir mikrodiyaliz profilleyicisi geliştirdik. Mikrodiyaliz cihazı, çözünmüş çözünürlerin perfüzyon ve pasif difüzyonunun aktif ön yüklemesi için içi boş nanomembran tüpleri kullanır; bu, gözetleyicilerde, Rhizon örnekleyici gibi basınç filtrelerinde ve birikim bazlı DGT'de kullanılan dökme gözenek suyu difüzyonundan farklıdır. Cihaz, hem yayla hem de su basmış topraklarda hem katyonik hem de anyonik elementlerin zamansal ve mekansal örneklemesinde test edilmiş ve doğrulanmıştır (Şekil 1A-1)13,15,16. Basit pompa giriş ve çıkış mikrodiyalizi, numune hazırlamadaki adım sayısını en aza indirir 2,15.
Bir dizi örnekleyiciyi tek boyutlu bir destek iskeletine entegre ederek bir mikrodiyaliz profilleyicisi ürettik ve bu profilleyici toprak-su arayüzünde ve rizosfer 2,15,17'de yüksek çözünürlüklü örnekleme elde etti. Bu çalışmada, aşağı akış element analizi için minimum rahatsızlıkla toprak-su arayüzünde (60 mm dikey derinlik) 33 gözenekli su numunesinin toplanmasına izin vermek için örnekleme cihazında ve örnekleme yönteminde önemli değişiklikler yapılmıştır. Tüm örnekleme prosedürü ~ 15 dakika sürer. Mikrodiyaliz profilcisi çevre bilimi topluluğu için yeni olduğundan, toprak-su arayüzündeki kimyasal sinyallerdeki değişikliklerin izlenmesinde mikrodiyaliz potansiyelini göstermek için cihaz bileşenlerinin ve örnekleme prosedürlerinin ayrıntılarını sunuyoruz.
Mikrodiyaliz profil oluşturucusunun tanımı
Mikrodiyaliz profil oluşturucu cihaz, önceki tasarım2'nin uygun modifikasyonları ile Şekil 1'de gösterilmiştir. Nanomembranın etkili gözenek boyutunun (Şekil 1C-1), büyük moleküllerin ve mikrobiyal hücrelerin difüzyonunu önlemek için sadece birkaç nanometre olduğu tahmin edilmektedir. Önceki bir test, 6 aylık su basmış bir inkübasyonun, tüp yüzeyinin içinde veya dışında herhangi bir demir birikintisine neden olmadığını göstermiştir15. Kavisli, içi boş bir iskelet tasarlandı (Şekil 1C-2) ve kararlı bir naylon malzeme kullanılarak 3D baskılandı. İskelet üzerine ve PVC kabın bir tarafına eşleşen politetrafloroetilen (PTFE) borularla (uzunluk: 18 cm x 2 cm çap Şekil 1C-1) bağlı toplam 33 nanomembran tüp (polietersülfon; yüzey gözenek boyutu: 0-20 nm; iç çap x dış çap x etkili örnekleme uzunluğu: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teorik hacim: 42,4 μL) monte edilmiştir (Şekil 1B). Bu cihaz için, numune alma bileşeni (Şekil 1B-1) PVC kabın yan duvarından 2 cm uzaklıktadır. Enjeksiyon tarafı için (Şekil 1B-4), tüm tüpler, hava geçirmez bir şekilde tamponlama kabına sabitlenmiş bire çok konektöre bağlanmıştır (Şekil 1B-7). Tamponlama kabına üç bir valf ile bağlanmak için bir tıbbi infüzyon torbası (Şekil 1B-11) kullanıldı. Sistemin hava sızdırmazlığı, daha sonraki deneysel işlemlerden önce suda dikkatlice incelenmiştir. Tıbbi infüzyon torbasına önceden yüklenmiş su (18.2 MΩ, 500 mL) her zaman oksijensizdir (Şekil 1C-8). Detaylı cihaz kurulumu ve gözenek suyu örneklemesi aşağıdaki gibi açıklanmıştır.
Protocol
1. Bireysel mikrodiyaliz numune alma cihazı hazırlığı
- Bozulmamış nanomembran tüplerini (iç çap x dış çap x uzunluk: 1,0 mm x 1,7 mm) toplam 33 kısa tüpe (58 mm uzunluğunda) doğru bir şekilde kesin.
- PTFE borusunu seramik bir bıçakla 66 boruya (180 mm uzunluğunda) doğru bir şekilde kesin.
NOT: Herhangi bir kontaminasyonu önlemek için metal bazlı bıçaklar kullanmayın. - İki parçalı (AB) epoksi yapıştırıcıyı herhangi bir temiz plastik plaka üzerinde tamamen karıştırın ve yapışkan hale gelene kadar 30 dakika bekletin. AB epoksi yapıştırıcıyı PTFE borunun üst kısmının dış yüzeyine dikkatlice uygulayın. AB epoksi yapıştırıcının tüpün yalnızca 4 mm uzunluğunu kapsadığından ve ek yapışkan bloke edici tüpler olmadığından emin olun.
- Adım 1.2-1.4'te hazırlanan iki PTFE borusunu, PTFE borularını nanomembran tüpüne hafifçe vidalayarak adım 1.1'de hazırlanan her bir nanomembran tüpüne bağlayın.
NOT: Fazla yapıştırıcının eklem üzerinde birikmesine izin vermeyin. Hiçbir yapıştırıcının nanomembran tüpünü kirletmediğinden emin olun. - 33 bozulmamış mikrodiyaliz numune alma cihazının tümünü tamamen monte etmek için adım 1.4'ü tekrarlayın.
- Yapıştırıcının tam kürlenmesini ve stabilizasyonunu sağlamak için adım 1.6'da monte edilen numune alma cihazlarının gece boyunca durmasına izin verin.
- Hidrofilisiteyi artırın ve mikrodiyaliz numune alma cihazlarını 1 saat boyunca etanol (% 99,5 saflıkta) içine batırarak temizleyin, ardından% 2 seyreltilmiş HNO3 ve her biri 15 dakika boyunca ultra saf su ile ultrasonik temizleme (oda sıcaklığı) yapın.
- 5 mL'lik bir şırınga kullanarak suda köpürerek mikrodiyaliz numune alma cihazının açıklığını ve hava sızdırmazlığını kontrol edin.
2. Mikrodiyaliz profil oluşturucusunun montajı
- Naylon malzeme kullanılarak önceden tasarlanmış iskeleti yazdırmak için ekteki CAD dosyasını (Ek Dosya 1) kullanın (Şekil 1C-2).
- İskelet boyutuna uyması için iki paralel yuvaya (5 cm aralıkla) sahip bir PVC kabın (asitle yıkanmış) içini boşaltın. Oluk açmak için 3B yazıcıdaki gravür modülünü kullanın.
- Epoksi yapıştırıcıyı 50 mL'lik bir santrifüj tüpünün kapağı şeklinde stabilize ederek bire çok konektör oluşturun. Kürlemeden önce epoksi yapıştırıcıya 33 silikon kapak (1 cm uzunluğunda) yerleştirin ve gece boyunca bekletin.
- Bire çok konektörü tüp kapağından çıkarın.
- Kürlenmiş epoksi yapıştırıcıyı kesmek için seramik bir bıçak kullanın, böylece tüm silikon kapak uçları engellenmez.
- Bire çok konektörü, her biri 15 dakika boyunca% 2 seyreltilmiş HNO3 ve ultra saf su ile iyice durulayın. Bire çok konektörü ortam koşullarında kurutun.
- Bir tamponlama kabı olarak hizmet etmek için tüpün altına üç bir valf bağlayın.
- AB epoksi yapıştırıcı kullanarak 50 mL'lik bir santrifüj tüpüne bire çok konektör takarak tamponlama kabını monte edin.
- Bölüm 1'de hazırlanan bireysel mikrodiyaliz numune alma cihazlarını iskelet üzerinde bir araya getirin (adım 2.1). Bu adımda, her bir örnekleyicinin iskeletin üst/alt kenarına paralel olması için sabitlemeye yardımcı olması için sıcak eriyik yapıştırıcı kullanın.
- Tüm mikrodiyaliz örnekleyicileri (n = 33) iskelete takılana kadar adım 2.9'u tekrarlayın.
- İskeletin her iki tarafındaki 33 örnekleyicinin PVC yuvalardan geçtiğinden emin olun. İskeletin ve yuvaların eklemlerindeki boşlukları AB epoksi yapıştırıcı ile kapatın.
- İskeletin bir tarafındaki 33 numune alma cihazını, 50 mL'lik bir santrifüj tüpüne önceden monte edilmiş bire çok bağlantı valfi aracılığıyla hava geçirmez bir şekilde tamponlama kabına bağlayın (adım 2.8)
- Su (18,3 MΩ) ile önceden doldurulmuş bir tıbbi infüzyon torbasını, üç valf aracılığıyla tampon kabına bağlayın.
- Örnekleme tarafındaki 33 örnekleyiciyi kapatmak için silikon kapaklar kullanın. Üç valfi çevirerek her bir mikrodiyaliz numune alma cihazının açıklığını ve hava geçirmezliğini iki kez kontrol edin, böylece suyun tıbbi infüzyon torbasından numune alma cihazına akmasına izin verin. Tüm kontrolleri tamamladıktan sonra, tamponlama kabı üzerindeki tüm numune alma cihazlarını ve vanayı kapatın ve kapatın.
3. Toprak inkübasyonu
- Su basmış toprağın inkübasyonundan önce, oksijeni gidermek için tıbbi infüzyon torbasındaki suyun gazını giderin. Yüksek saflıkta azot gazı hattının tıbbi infüzyon torbasına giden yolunda gece boyunca kabarcık azot gazı (Şekil 1-C8).
- Profil oluşturucu ile gazdan arındırılmış torba arasındaki bağlantıyı kapatmak için üç bir valf kullanın.
- Bir PVC kaba dikkatlice 450 g elenmiş, hava ile kurutulmuş toprak (partikül boyutu < 2 mm) ekleyerek beş mikrodiyaliz numune alma cihazının toprak yüzeyinin üzerinde kalmasını sağlayın.
- Toprak yüzeyini örtmek için bir doku kullanın ve daha sonra su basması için toprağa ultra saf su (18.3 MΩ) dökün. Toprak tamamen toprak yüzeyinden 5 cm yukarıda su bastığında dokuyu çıkarın.
- Toprak inkübasyonu başlatıldıktan hemen sonra sistemi önceden yüklenmiş çözelti ile temizleyin. Numune alma sistemini yıkamak için anaerobik torba ile diyaliz numune alma cihazı arasındaki bağlantıyı açın. Her bir örnekleyiciyi suyla temizlerken örnekleyicinin toplam hacminin 10 katını kullanın.
- Bir örnekleyicinin temizlenmesini bitirirken, temiz bir silikon kapak kullanarak kapatın.
- Tüm örnekleyiciler temizlenene kadar adım 3.6'yı yineleyin. Şu anda, bir su basmış toprak inkübasyon ve örnekleme sistemi kurulmuştur.
- Anaerobik torbayı su yüzeyinin yüksekliğine ayarlayın.
- Tüm tüplerin suyla dolu olduğundan emin olun. Değilse, kapağı çıkarın ve tüpün üst kısmını indirin, böylece suyun anaerobik torbadan dışarı akmasına izin verin.
- Tüm kapakları ve vanaları kapatın.
- Kuluçka sırasında anaerobik torba ile diyaliz numune alma cihazı arasındaki bağlantıyı 7 gün boyunca kapatın.
4. Mikrodiyaliz profilleyici örneklemesi
- Numune almadan önce, belirgin şekilde farklı su potansiyellerini önlemek için toprak kabındaki, örnekleme üstlerindeki ve anaerobik torbadaki su seviyelerini benzer bir yüksekliğe ayarlayın. Bu uygulamayı her zaman toprak inkübasyonu süresince sürdürün.
- Anaerobik torba ile tampon kabı arasındaki bağlantıyı açın.
- İlk örnekleyicinin kapağını yukarıdan aşağıya doğru çıkarın.
- Numune alma cihazından 133 μL'yi, muhafaza için 133 μL'lik %2HNO3 ile önceden yüklenmiş bir şişeye (0,6 mL) doğru bir şekilde aspire etmek için bir pipet kullanın.
- Örnekleme işlemi sırasında, anaerobik torbanın gözlem odasındaki mikrodiyaliz örnekleyicisine doğru yavaş fakat düzgün bir su damlacığı akışı gözlemleyin (Şekil 1A-9).
- Tüpün üstünü silikon bir kapakla kapatın. Bir sonraki örnekleme tüpüne geçin.
NOT: Demir Fe gibi redoksa duyarlı elementlerin analizi için, gazdan arındırılmış (10 mM) EDTA çözeltisi gibi farklı bir koruma yöntemi kullanılmalı ve numune alma işlemi azot temizleme koşulları altında gerçekleştirilmelidir. - 33 örneğin tümü toplanana kadar adım 4.6'yı yineleyin. Anaerobik torba ile tampon kabı arasındaki bağlantıyı kapatın.
NOT: Örnekleme genellikle 15 dakika içinde bitirilebilir. Mevcut tasarımda, tüpler arasında çapraz kontaminasyonu önlemek için numune alma günlük olarak gerçekleştirilir. Tüp boyunca çözünen difüzyon yavaş olmasına rağmen, tampon kabına yayılır ve diğer tüpleri kirletir. - 6. Gündeki örneklemeden hemen sonra, toprak yüzeyinde rahatsızlığa neden olacak su basmış suyu doldurun.
- Gözenek suyu numunesi aktarılmadan önce ve sonra numune şişesini tartarak numune hacmi geri kazanımını hesaplayın.
- Gözenek suyundaki elementlerin toplam çözünmüş konsantrasyonlarını ölçmek için endüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICP-MS) kullanın.
NOT: Konsantrasyon ölçümü için harici bir standart eğri kullanılırken, ICP-MS operasyonel kararlılığını izlemek için dahili standart Rh kullanılmıştır.
Representative Results
Bu protokolü takiben, Şekil 1'de açıklandığı gibi bir mikrodiyaliz profil oluşturucu sistemi kuruldu. Toprak inkübasyonu sel koşullarında gerçekleştirildi (24 ° C, ışıktan açığa çıkarıldı). 6. Gün ve 7. Gün'deki örnekler, su basmış suyun yenilenmesi uygulaması nedeniyle toprak yüzeyindeki potansiyel rahatsızlığı belirtmek için seçici olarak ölçülmüştür.
Her örnekleme sırasında, gözlem odasında mikrodiyaliz numune alma cihazına doğru akan tutarlı sayıda su damlacığı gözlenmiştir, bu da aktarılan numune çözeltisinin anaerobik torbadaki çözelti tarafından sürekli olarak yenilendiğini göstermektedir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, numune hacminin geri kazanım yüzdesi ortalama% 101.4 ±% 0.9 ve% 100.2 ila% 103.6 arasında değişmiştir. Numune hacminin biraz daha yüksek bir geri kazanımı, anaerobik torba ile numune alma tüpünün üst kısmı arasında bir su seviyesi farkı olduğunu gösterebilir.
6. ve 7. Günde toplanan toprak-su arayüzündeki örnekler kullanılarak, gözenek suyundaki toplam çözünmüş demir (Fe), manganez (Mn), arsenik (As), kadmiyum (Cd), bakır (Cu), kurşun (Pb), nikel (Ni) ve çinko (Zn) konsantrasyonları belirlenmiştir (Şekil 3). Konsantrasyon-derinlik profilleri, temel tipe bağlı olarak ve su basmış suyun yenilenmesi uygulamasından önce ve sonra büyük ölçüde değişmiştir. Bu çalışmada gradyan tabanlı deneysel bir tasarım kullanıldığı için burada replikasyon yapmamış olsak da, önceki çalışmamız derinliğe bağlı kimyasal sinyallerdeki değişikliklerin iyi replikasyonlarını göstermiştir18.
6. günde, çözünmüş Mn, Fe ve As konsantrasyonları toprak derinliği ile birlikte artarken, Cu ve Pb'ninkiler toprak derinliğinin artmasıyla azaldı. Sonuçlar, toprak-su arayüzlerindeki genel prensipler ve gözlemlerle tutarlıdır; Spesifik olarak, daha derin topraklarda daha azaltılmış bir ortam, daha az çözünür minerallerin oluşumu nedeniyle katyonik metallerin salınımını inhibe ederken, Mn15, Fe ve As'ın indirgeyici salınımının artmasına neden olacaktır. Bununla birlikte, Cd, Ni ve Zn için, konsantrasyon-derinlik profilleri farklı bir desene işaret ediyordu, çünkü çözünmüş konsantrasyonlar yaklaşık -20 mm derinlikten daha derin yerlere kadar artan bir eğilime sahipti.
Fe'nin konsantrasyon-derinlik profilleriyle karşılaştırıldığında (4.95 mg· L−1) ve As (3,3 μg· L-1) 6. günde -12 mm derinlikte, Fe konsantrasyonları (1.46 mg · L−1) ve As (0,8 μg· L-1) 7. günde anlamlı derecede düşüktü; Bununla birlikte, Fe ve As konsantrasyonları -18 mm ila -50 mm derinliklerden anlamlı derecede yüksekti (derinliğe bağlı eğim, p < 0.001). Mn hariç, belirlenen çoğu element için, yüzey suyundaki çözünmüş konsantrasyonlar ve -15 mm derinlikteki eşit yüzey toprağı, aerobik su ikmalinden sonra değişen derecelerde önemli ölçüde daha düşüktü. 7. Günde yaklaşık -10 mm derinlikte Pb için bir konsantrasyon zirvesi olduğu ve 6. Günde gözlemlenenle zıt bir model gösterdiği belirtildi. Bu tutarsız sonuçlar muhtemelen su ikmalinin bozulmasından ve toprak-su arayüzü boyunca biyojeokimyanın zamansal evriminden kaynaklanmaktadır. Her iki durumda da, mikrodiyaliz profilcisi, toprak-su arayüzü boyunca kimyasal profillerdeki zamansal uzamsal değişiklikleri izlemek için büyük potansiyelini gösterdi.
Şekil 1: 50 mm'lik toprak derinliğine kadar toprak-su arayüzlerinde kimyasal dinamikleri izlemek için mikrodiyaliz profilleyici kurulumu. (A) 50 mm derinlikte kullanılan bir profil oluşturucu için, ayrıca Ek Şekil S1'e bakınız. Ana bileşenler arasında (B1,C1) 33 mikrodiyaliz numune alma cihazı (B2,C2) 3D baskılı bir iskelet üzerine monte edilmiş, ayrıca bir (B3) inkübasyon kabına (50 mL'lik bir numune tüpü), (B4,B7,C4) bire çok tamponlama kabına monte edilmiş, (B9-B12) gazdan arındırılmış su tedarikçisi olarak kullanılan bir tıbbi infüzyon torbası ve bir (C5) çevrimdışı örnekleme pipeti. (B5) 33 numune alma cihazının tümünün örnekleme yerleri, (B6) plastik bir şeritle aynı yüksekliğe hizalanır. Oksijensiz su, (C8) azotun su kaynağına ters yönde köpürmesiyle hazırlanır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Perfüzyon olarakH2O kullanarak hacim geri kazanımını örnekleme. Hata çubukları, iki bağımsız profil oluşturucu örneklemesinin standart sapmasını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Konsantrasyon derinliği profilleri . (A) Manganez, (B) demir, (C) arsenik, (D) kadmiyum, (E) bakır, (F) kurşun, (G) nikel ve (H) çinko, 6. ve 7. günlerde ölçülmüştür. Y eksenindeki negatif kene etiketleri, su-toprak sınırının altındaki derinlikleri gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Numune alma cihazlarının içinde demir çökelmesine neden olan sızıntı arızası durumu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: Önceden tasarlanmış iskeletin çıktısı için bilgisayar destekli tasarım dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S1: Kullanılmakta olan profil oluşturucu. (A) Su basmış topraklarda. (B-E) Üst ve yan görünümlerin fotoğrafları ve bağlantı ayrıntıları ayrı ayrı sunulur. (E) Tampon kabı ve tıbbi infüzyon torbasını bağlamak için üç valfler kullanılır. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Discussion
Önceki deneylere ve uygulamalaradayanarak 2, mikrodiyaliz profilleyici montajı ve gözenek suyu örneklemesi sırasında bazı hususlara özel dikkat gösterilmesi gerekmektedir. İlk olarak, nanomembran tüpü ve bağlantı tüpü, bağlantıdaki tıkanmaları veya sızıntıları önlemek için dikkatlice bağlanmalıdır. Toprak su basmış koşullar altında inkübe edildiğinden, oksijenin girmesi diyaliz tüpünde demir demiri hızla oksitleyecek ve çökeltecektir (Şekil 4). Bu nedenle, mikrodiyaliz profilleyicisini monte etmeden önce, her bir mikrodiyaliz tüpünün bütünlüğü (hasar yok), bağlantıların hava sızdırmazlığı ve borunun açıklığı açısından kontrol edilmelidir. Benzer şekilde, destek çerçevesinin inkübasyon kabının yan duvarına bağlantısı, sızıntıyı önlemek için dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Resmi deneylerden önce, çeşitli bağlantı yerlerindeki sızıntı kontrolleri her zaman bir önceliktir. İkincisi, anaerobik torbadaki perfüzyonat yeterince oksijenden arındırılmalıdır. Aksi takdirde, gözenek suyundaki demirli demir, çözünmeyen çökeltiler oluşturmak için perfüzyonattaki oksijenle reaksiyona girer (Şekil 4). Bu, çözünen türleşme ve konsantrasyonu ve nanomembran tüplerine doğru difüzyon işlemlerini ciddi şekilde değiştirecektir. Üçüncüsü, düşük örnekleme sıklığı (günler ve haftalar) çözünenin tampon bölgeye yayılmasına neden olacaktır. Bu, tüm profil numunesini kirletebilir. Bu sorunu çözmek için üç olası çözüm düşünülebilir: (1) günde bir kez gibi yüksek bir frekansta örnekleme (ancak bu, birden fazla örnekleme yapıldığında diyaliz örnekleyicisinin yakınında çözünmüş tükenmeye neden olabilir); (2) enjeksiyon alanındaki bağlantı borusunun uzunluğunu gerektiği gibi uzatmak; (3) tek bir boru hattının tek bir kontrolünü elde etmek için örnekleme boru hattının yeniden tasarlanması. Bunlar aynı zamanda gelecekte cihazın iyileştirilmesi için talimatlardır. Dördüncüsü, numune alma işlemi sırasında, su basıncını dengelemek için anaerobik torbadaki su yüzeyinin, su basmış toprağın ve numune alma borusunun seviyesinin yaklaşık olarak aynı yükseklikte olması sağlanmalıdır. Aksi takdirde, membran tüpünün içindeki ve dışındaki bir su potansiyeli farkı, çözünen difüzyonda bir azalmaya veya artışa neden olacaktır.
Sınırlama
İlk olarak, mikrodiyaliz profilleyicisi ticari olarak temin edilemediğinden, yöntem cihazın hazırlanması açısından zaman alıcı olmaya devam etmektedir. Destek iskeletinin basılması, cihaz montajı ve temizliği de dahil olmak üzere tek bir diyaliz tüpünün hazırlanması günler sürdü. Ancak sonraki yeniden kullanılabilir özellikler bu boşluğu tamamen kapatır. İkincisi, cihazın18 için gözetleyicilerin kullanılabileceği su basmamış toprak senaryolarına uygulanmasında belirli sınırlamalar vardır. Kuru toprakta membran borusunun içi ve dışı arasındaki önemli su potansiyeli farkı nedeniyle, önceden yüklenmiş çözelti difüzyon kaybı yaşar; Gerçekten de, ön testte% 10 -% 36 aralığında çeşitli örnekleme hacmi iyileşmeleri gözlenmiştir (ayrıntılı veriler gösterilmemiştir), bu da sonuçlar hakkında belirsizlik yaratmaktadır.
Yöntemin mevcut veya alternatif yöntemlerle karşılaştırılması
Bu yöntem kısmen mevcut pasif numune alma cihazlarının tekrar tekrar numune alamayacağı gerçeğini ele alır ve özellikle anoksik gözenek suyu numunesi almave koruma 2 için numune hazırlama iş yükünü en aza indirir. Diyalize çözünen maddelerin konsantrasyonundaki ve türleşmesindeki anlık değişiklikler, oksik-anoksik arayüzün herhangi bir çevresel rahatsızlığa tepkisini hassas bir şekilde yansıtabilir. Teorik olarak, dakikalar, saatler veya günler frekansında örnekleme, arayüzde hızla değişen süreçlerin yakalanmasını sağlar. Günlerce konuşlandırılması gereken pasif numune alma cihazları için bazı sıcak anlar ve sıcak noktalarkaçırılabilir 6,19.
Çevre bilimlerindeki önemi ve potansiyel uygulamaları
Bu yaklaşım, örneğin belirli Eh-pH koşulları altında biyojeokimyasal işlemlerin sıcak anlarını ve sıcak noktalarını bulmak için oksik-anoksik arayüzlerde biyojeokimya çalışmalarını ilerletebilir. Redoks süreci, yaşam aktivitelerinin temel sürecidir1. Mikroorganizmalar, özellikle, optimal yaşam ortamı koşullarına ihtiyaç duyarlar ve çevresel rahatsızlıklara karşı çok hassastırlar1. Bu, heterojen ortamlarda mikrobiyal toplulukların ve biyojeokimyasal süreçlerin oldukça dinamik bir şekilde gelişmesiyle sonuçlanır20. Doğrudan örnekleme, yüksek heterojenliği dikkate almadan, çeşitli çevresel koşullardan karışık bir numune elde etme eğilimindedir. Bu, ölçülen kimyasal bilgi ile anahtar mikroorganizmalar arasında uyumsuzluklara neden olur20. Tipik bir su basmış çeltik tarlasındaki toprak veya tortu yüzey tabakasının birkaç santimetre içinde, dik redoks gradyanlarının yanı sıra çeşitli fiziksel, kimyasal21 ve biyolojik gradyanlar1 vardır. Teknoloji, milimetre ölçekli biyojeokimyasal sinyalleri yakalayabilmelidir; Aksi takdirde, gerçek ölçekle eşleşmeyen veriler belirsiz sonuçlara yol açabilir. Mikrodiyaliz profil oluşturucu, toprak-su arayüzündeki milimetre ölçekli biyokimyasal sinyalleri günler veya saatler içinde minimum rahatsızlıkla izleyebilir. Bu çalışmada, 48 saatlik bir süre boyunca farklı elementlerin mekansal zamansal dinamikleri, muhtemelen su ikmalinin bozulmasıyla ilişkili olarak gözlemlenmiştir. Bu nedenle, mikrodiyaliz profil oluşturucusunun daha geniş bir uygulaması, bozuklukların değişen bir dünyada anahtar biyojeokimyasal süreçleri nasıl etkilediğini anlamaya yardımcı olabilir.
Disclosures
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (41977320, 41571305) ve XJTLU Anahtar Program Özel Fonu (KSF-A-20) tarafından finanse edilmektedir.
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 |
References
- Brune, A., Frenzel, P., Cypionka, H. Life at the oxic-anoxic interface: Microbial activities and adaptations. FEMS Microbiology Reviews. 24 (5), 691-710 (2000).
- Yuan, Z. -F., et al. Tracing the dynamic changes of element profiles by novel soil porewater samplers with ultralow disturbance to soil-water interface. Environmental Science & Technology. 53 (9), 5124-5132 (2019).
- Henkel, S., et al. Diagenetic barium cycling in Black Sea sediments - A case study for anoxic marine environments. Geochimica et Cosmochimica Acta. 88, 88-105 (2012).
- Zhong, H., et al. Novel insights into the Thaumarchaeota in the deepest oceans: Their metabolism and potential adaptation mechanisms. Microbiome. 8 (1), 78 (2020).
- Lueder, U., et al. Influence of physical perturbation on Fe(II) supply in coastal marine sediments. Environmental Science & Technology. 54 (6), 3209-3218 (2020).
- Sharma, N., Wang, Z., Catalano, J. G., Giammar, D. E. Dynamic responses of trace metal bioaccessibility to fluctuating redox conditions in wetland soils and stream sediments. ACS Earth and Space Chemistry. 6 (5), 1331-1344 (2022).
- Vrana, B., et al. Passive sampling techniques for monitoring pollutants in water. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 24 (10), 845-868 (2005).
- VanOploo, P., White, I., Macdonald, B. C. T., Ford, P., Melville, M. D. The use of peepers to sample pore water in acid sulphate soils. European Journal of Soil Science. 59 (4), 762-770 (2008).
- Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Temporal, spatial, and resolution constraints for in situ sampling devices using diffusional equilibration: Dialysis and DET. Environmental Science & Technology. 31 (11), 3110-3119 (1997).
- Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Estimation of pore water concentrations from DGT profiles: a modelling approach. Aquatic Geochemistry. 5 (4), 337-355 (1999).
- Gao, S., DeLuca, T. H. Use of microdialysis to assess short-term soil soluble N dynamics with biochar additions. Soil Biology and Biochemistry. 136, 107512 (2019).
- Buckley, S., Brackin, R., Jämtgård, S., Näsholm, T., Schmidt, S. Microdialysis in soil environments: Current practice and future perspectives. Soil Biology and Biochemistry. 143, 107743 (2020).
- Miró, M., Jimoh, M., Frenzel, W. A novel dynamic approach for automatic microsampling and continuous monitoring of metal ion release from soils exploiting a dedicated flow-through microdialyser. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 382 (2), 396-404 (2005).
- Maddala, S., Savin, M. C., Stenken, J. A., Wood, L. S. Nitrogen dynamics: Quantifying and differentiating fluxes in a riparian wetland soil. ACS Earth and Space Chemistry. 5 (5), 1254-1264 (2021).
- Yuan, Z. -F., et al. Simultaneous measurement of aqueous redox-sensitive elements and their species across the soil-water interface. Journal of Environmental Sciences. 102, 1-10 (2021).
- Hamilton, E. M., Young, S. D., Bailey, E. H., Humphrey, O. S., Watts, M. J. Online microdialysis-high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry (MD-HPLC-ICP-MS) as a novel tool for sampling hexavalent chromium in soil solution. Environmental Science & Technology. 55 (4), 2422-2429 (2021).
- Yuan, Z. -F., et al. Distinct and dynamic distributions of multiple elements and their species in the rice rhizosphere. Plant and Soil. 471 (1), 47-60 (2022).
- Teasdale, P. R., Batley, G. E., Apte, S. C., Webster, I. T. Pore water sampling with sediment peepers. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 14 (6), 250-256 (1995).
- Wey, H., Hunkeler, D., Bischoff, W. -A., Bünemann, E. K. Field-scale monitoring of nitrate leaching in agriculture: assessment of three methods. Environmental Monitoring and Assessment. 194 (1), (2021).
- Cai, Y. -J., et al. Microbial community structure is stratified at the millimeter-scale across the soil-water interface. ISME Communications. 2 (1), 53 (2022).
- Jones, M. E., et al. Manganese-driven carbon oxidation at oxic-anoxic interfaces. Environmental Science & Technology. 52 (21), 12349-12357 (2018).
