Summary
En mikrodialyseprofiler er beskrevet for å prøve oppløste porevannsoppløsninger over et oksisk-anoksisk jord-vanngrensesnitt in situ med minimal forstyrrelse. Denne enheten er designet for å fange opp raske endringer i konsentrasjon-dybdeprofiler indusert av forstyrrelser i jord-vann-grensesnittet og utover.
Abstract
Biogeokjemiske prosesser skifter raskt i både romlige (millimeterskala) og tidsmessige (timeskala til dagskala) dimensjoner ved det oksisk-anoksiske grensesnittet som respons på forstyrrelser. Dekryptering av de raske biogeokjemiske endringene krever in situ, minimalt invasive verktøy med høy romlig og tidsmessig prøvetakingsoppløsning. Imidlertid er de tilgjengelige passive prøvetakingsenhetene ikke veldig nyttige i mange tilfeller, enten på grunn av deres engangs natur eller kompleksiteten og omfattende arbeidsbelastning for prøvepreparering.
For å løse dette problemet ble det etablert en mikrodialyseprofiler med 33 individuelle polyetersulfon nanomembranrør (semipermeable, <20 nm porestørrelse) integrert i det endimensjonale skjelettet (60 mm) for iterativt å prøve de oppløste forbindelsene i porevann over jord-vanngrensesnittet med en høy oppløsning på 1,8 mm (ytre diameter pluss en avstand, dvs. 0,1 mm mellom sonder). Prøvetakingsmekanismen er basert på prinsippet om konsentrasjonsgradientdiffusjon. Den automatiske lastingen av avgasset vann gir minimal forstyrrelse av de kjemiske artene over det oksisk-anoksiske grensesnittet.
Dette dokumentet beskriver prosedyrene for enhetsoppsett og kontinuerlig porevannsprøvetaking over jord-vann-grensesnittet på daglig basis. Konsentrasjonsdybdeprofiler ble selektivt målt før (på dag 6) og etter (på dag 7) forstyrrelser indusert av irrigasjon. Resultatene viste at konsentrasjonsdybdeprofilene gjennomgikk raske endringer, spesielt for redoksfølsomme elementer (dvs. jern og arsen). Disse protokollene kan bidra til å undersøke de biogeokjemiske responsene over jord-vann-grensesnittet under ulike forstyrrelser forårsaket av fysiske, kjemiske og biologiske faktorer. Papiret diskuterer grundig fordelene og ulempene ved denne metoden for potensiell bruk i miljøvitenskapen.
Introduction
Et oksisk-anoksisk grensesnitt er et generelt trekk i biosfæren som er avgjørende for den biogeokjemiske syklusen1. Dette grensesnittet er svært heterogent, med det romlige området som strekker seg fra millimeter i sediment/jord-vann-grensesnittet 1,2 til tusenvis av meter i den oseanoksiske sonen 3,4. Dette grensesnittet er et ideelt habitat for å studere kompleksiteten til elementær biogeokjemi.
Jord-vann-grensesnitt har en typisk oksisk-anoksisk gradientfunksjon i centimeter og etableres lett i mesokosmoseksperimenter. Med utgangspunkt i forbruket av molekylært oksygen fra overflatevann, driver de stratifiserte funksjonelle mikrobielle samfunnene utviklingen av forskjellige gradienter, for eksempelO2, pH og Eh-gradienter, på millimeterskala1. Biogeokjemisk syklus ved oksisk-anoksisk grensesnitt er følsom for ulike forstyrrelser i naturen 5,6. Når det gjelder sedimenter og rismarker, kan tilførsel av ferskt organisk materiale som søppel og halm, periodisk flom og drenering, temperatursvingninger og ekstremer og bioturbasjon forårsake endringer i den biogeokjemiske syklusen ved det oksisk-anoksiske grensesnittet, noe som sannsynligvis resulterer i varige virkninger, for eksempel klimagassutslipp, eutrofiering og forurensning på et gitt sted. Derfor gir den oksisk-anoksiske gradienten ved jord-vanngrensesnittet et vindu for studiet av globale, store, biogeokjemiske sykluser. Den spatiotemporale prøvetaking og analyse av oppløste stoffer langs jord-vann-grensesnittet i høy oppløsning har alltid vært av interesse; Det har imidlertid vært begrenset fremgang i metodikken.
Ved å omgå ulempene ved destruktiv porevannsekstraksjon, brukes ikke-destruktiv passiv prøvetaking i økende grad for å unngå endringer i porevannskjemi og adressere kompleksiteten i prøvepreparering7. Flere enheter som kan utføre høy presisjon, in situ prøvetaking (fra mikrometer til centimeter skala) har blitt mye brukt, inkludert in situ dialyse samplere (kjent som peepers)8, diffusiv likevekt i tynne filmer (DET) 9, og diffusiv gradient i tynne filmer (DGT) 10. Oppløste stoffer blir passivt samplet via diffusjons- og adsorpsjonsprosessene. Selv om de har vist seg nyttige for å beskrive oksisk-anoksiske kjemiske profiler, er de fortsatt engangsbruk, noe som begrenser deres bredere anvendelse.
Nylig har mikrodialyseteknikken dukket opp som et følsomt verktøy som kan brukes til å overvåke løselig forbindelsesdynamikk i jord på tidsskalaer fra minutter til dag11,12,13,14. For et typisk scenario ved bruk av mikrodialyse i medisinsk og miljøvitenskap, brukes en miniatyr, konsentrisk type sonde bestående av en semipermeabel rørformet membran (dvs. en mikrodialyser) for å undersøke interstitiell væske eller jordløsninger for å forhindre betydelige forstyrrelser på, metabolske prosesser og kjemisk spesiering15,16. En av de største iboende fordelene ved mikrodialyse er in situ fangst av tidsavhengige konsentrasjonsendringer i jord eller biologisk vev15,16.
Basert på mikrodialysekonseptet utviklet vi en mer brukervennlig mikrodialyseprofiler, tidligere kalt integrated porewater injection (IPI) profilerer, som kan utføre kontinuerlig likevektsdialyse av porevannsoppløsninger basert på prinsippet om konsentrasjonsgradientdiffusjon2. Mikrodialyseenheten bruker hule nanomembranrør for aktiv forhåndsbelastning av perfusatet og passiv diffusjon av oppløste løsemidler, noe som er forskjellig fra bulk porevannsdiffusjon som brukes i peepers, trykkfiltre som Rhizon sampler og akkumuleringsbasert DGT. Enheten er testet og validert i tidsmessig og romlig prøvetaking av både kationiske og anioniske elementer i både høyland og oversvømmet jord (figur 1A-1) 13,15,16. Enkel pump inn og ut mikrodialyse minimerer antall trinn i prøvepreparering 2,15.
Vi fremstilte en mikrodialyseprofiler ved å integrere et sett med prøvetakere på et endimensjonalt støtteskjelett, og denne profileren oppnådde høyoppløselig prøvetaking ved jord-vann-grensesnittet og rhizosfæren 2,15,17. I denne studien ble det gjort betydelige modifikasjoner av prøvetakingsenheten og prøvetakingsmetoden for å tillate innsamling av 33 porevannsprøver ved jord-vann-grensesnittet (60 mm vertikal dybde) med minimal forstyrrelse for nedstrøms elementanalyse. Hele prøvetakingsprosedyren tar ~15 min. Siden mikrodialyseprofilen er ny for miljøvitenskapen, presenterer vi detaljer om enhetens komponenter og prøvetakingsprosedyrer for å indikere potensialet for mikrodialyse ved overvåking av endringene i kjemiske signaler ved jord-vann-grensesnittet.
Beskrivelse av mikrodialyseprofileren
Mikrodialyseprofileringsapparatet, med riktige modifikasjoner av forrige design2, er vist i figur 1. Den effektive porestørrelsen til nanomembranen (figur 1C-1) anslås å være bare flere nanometer for å forhindre diffusjon av store molekyler og mikrobielle celler. En tidligere test antydet at en 6 måneders oversvømmet inkubasjon ikke resulterte i noen jernavleiringer på verken innsiden eller utsiden av røroverflaten15. Et buet, hult skjelett ble designet (figur 1C-2) og 3D-trykt ved hjelp av et stabilt nylonmateriale. Totalt 33 nanomembranrør (polyetersulfon; overflateporestørrelse: 0-20 nm; indre diameter x ytre diameter x effektiv prøvetakingslengde: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teoretisk volum: 42,4 μL) forbundet med matchede polytetrafluoretylenrør (PTFE) (lengde: 18 cm x 2 cm diameter figur 1C-1) ble installert på skjelettet og på den ene siden av en PVC-beholder (figur 1B). For denne enheten er prøvetakingskomponenten (figur 1B-1) 2 cm fra sideveggen til PVC-beholderen. For injeksjonssiden (figur 1B-4) var alle rør koblet til en en-til-mange-kontakt, som ble festet i en bufferbeholder på en lufttett måte (figur 1B-7). En medisinsk infusjonspose (figur 1B-11) ble brukt til å koble til bufringsbeholderen med en treveisventil. Systemets lufttetthet ble nøye undersøkt i vann før videre eksperimentelle operasjoner. Det forhåndslastede vannet (18,2 MΩ, 500 ml) i den medisinske infusjonsposen er alltid oksygenfritt (figur 1C-8). Detaljert enhetsoppsett og porevannsprøvetaking er beskrevet som følger.
Protocol
1. Individuell klargjøring av mikrodialyseprøvetaking
- Nøyaktig kuttet uberørte nanomembranrør (indre diameter x ytre diameter x lengde: 1,0 mm x 1,7 mm) i totalt 33 korte rør (58 mm i lengde).
- Klipp PTFE-røret nøyaktig i 66 rør (180 mm i lengden) med en keramisk kniv.
MERK: Ikke bruk metallbaserte kniver for å unngå forurensning. - Bland det todelte (AB) epoksylimet helt på en ren plastplate, og la det stå i 30 minutter til det blir klebrig. Påfør AB-epoksylimet forsiktig på den ytre overflaten på toppen av PTFE-røret. Forsikre deg om at AB-epoksylim bare dekker rørets 4 mm lengde, og at det ikke er noen ekstra klebende blokkeringsrør.
- Koble de to PTFE-rørene som er utarbeidet i trinn 1.2-1.4 med hvert nanomembranrør fremstilt i trinn 1.1 ved å skru PTFE-rørene forsiktig inn i nanomembranrøret.
NOTAT: Ikke la overflødig lim samle seg på skjøten. Pass på at ingen lim forurenser nanomembranrøret. - Gjenta trinn 1.4 for å montere alle de 33 uberørte mikrodialyseprøvetakerne fullstendig.
- La prøvetakerne som er samlet i trinn 1.6 stå over natten for å sikre fullstendig herding og stabilisering av limet.
- Forbedre hydrofiliteten og rengjør mikrodialyseprøvetakerne ved å suge dem i etanol (99,5% renhet) i 1 time, etterfulgt av ultralydrengjøring (romtemperatur) med 2% fortynnet HNO3 og ultrarent vann i 15 minutter hver.
- Kontroller mikrodialyseprøvetakerens åpenhet og lufttetthet ved å boble i vann med en 5 ml sprøyte.
2. Montering av mikrodialyseprofileren
- Bruk den vedlagte CAD-filen (tilleggsfil 1) til å skrive ut det forhåndsdesignede skjelettet ved hjelp av nylonmateriale (figur 1C-2).
- Uthul en PVC-beholder (syrevasket) med to parallelle spor (5 cm intervall) for å matche skjelettstørrelsen. Bruk graveringsmodulen i 3D-skriveren til slotting.
- Konstruer en en-til-mange-kontakt ved å stabilisere epoksylim i form av hetten på et 50 ml sentrifugerør. Sett inn 33 silikonhetter (1 cm i lengden) i epoksylimet før herding, og la stå over natten.
- Ta ut en-til-mange-kontakten fra rørhetten.
- Bruk en keramisk kniv til å kutte det herdede epoksylimet slik at alle silikonhettendene er uhindret.
- Skyll en-til-mange-koblingen grundig med 2 % fortynnet HNO3 og ultrarent vann i 15 minutter hver. Tørk én-til-mange-kontakten under omgivelsesforhold.
- Koble en treveisventil til bunnen av røret for å tjene som en bufferbeholder.
- Monter bufringsbeholderen ved å installere en en-til-mange-kontakt til et 50 ml sentrifugerør ved hjelp av AB-epoksylim.
- Sett sammen de individuelle mikrodialyseprøvetakerne fremstilt i avsnitt 1 på skjelettet (trinn 2.1). I dette trinnet bruker du smeltelim for å hjelpe til med å feste slik at hver prøvetaker er parallell med den øverste / nederste kanten av skjelettet.
- Gjenta trinn 2.9 til alle mikrodialyseprøvetakerne (n = 33) er installert på skjelettet.
- Pass på at de 33 prøvetakerne på begge sider av skjelettet passerer gjennom PVC-sporene. Forsegl hullene i skjøtene i skjelettet og sporene med AB epoksylim.
- Koble de 33 prøvetakerne på den ene siden av skjelettet til en bufringsbeholder på en lufttett måte via en en-til-mange-tilkoblingsventil forhåndsinstallert i et 50 ml sentrifugerør (trinn 2.8)
- Koble en medisinsk infusjonspose forhåndsfylt med vann (18,3 MΩ) til bufferbeholderen gjennom treveisventilen.
- Bruk silikonhetter til å lukke de 33 prøvetakerne på prøvetakingssiden. Dobbeltsjekk patensen og lufttettheten til hver mikrodialyseprøvetaker ved å vri på treveisventilen, slik at vann kan strømme fra den medisinske infusjonsposen til prøvetakeren. Etter å ha fullført alle kontrollene, lukk og slå av alle prøvetakerne og ventilen på bufferbeholderen.
3. Jord inkubasjon
- Før inkubasjon av oversvømmet jord, degas vannet i den medisinske infusjonsposen for å fjerne oksygen. Boble nitrogengass over natten i banen til linjen med nitrogengass med høy renhet til den medisinske infusjonsposen (figur 1-C8).
- Bruk en treveis ventil for å lukke forbindelsen mellom profileringen og den avgassede posen.
- Tilsett forsiktig 450 g siktet, lufttørket jord (partikkelstørrelse < 2 mm) i en PVC-beholder, slik at fem mikrodialyseprøvetakere forblir over jordoverflaten.
- Bruk et vev til å dekke jordoverflaten, og hell deretter ultrarent vann (18,3 MΩ) på jorden for å oversvømme det. Fjern vevet når jorda er helt oversvømmet med 5 cm over jordoverflaten.
- Rens systemet med den forhåndslastede løsningen umiddelbart når jordinkubasjonen er initialisert. Slå på forbindelsen mellom den anaerobe posen og dialyseprøvetakeren for å skylle prøvetakingssystemet. Bruk 10 ganger det totale volumet på prøvetakeren når du renser hver prøvetaker med vann.
- Når du er ferdig med rensingen av en prøvetaker, må du kappe den med en ren silikonhette.
- Gjenta trinn 3.6 til alle prøvetakerne er renset. På dette tidspunktet etableres et oversvømmet jordinkubasjons- og prøvetakingssystem.
- Juster den anaerobe posen til høyden på vannoverflaten.
- Pass på at alle rørene er fulle av vann. Hvis ikke, fjern hetten og senk rørtoppen, slik at vannet kan strømme ut fra den anaerobe posen.
- Lukk alle dekslene og ventilene.
- Slå av forbindelsen mellom den anaerobe posen og dialyseprøvetakeren under inkubasjonen i 7 dager.
4. Mikrodialyse profiler prøvetaking
- Før prøvetaking, juster vannstanden i jordbeholderen, prøvetakingstoppene og den anaerobe posen til en lignende høyde for å unngå markant forskjellige vannpotensialer. Oppretthold alltid denne praksisen i perioden med jordinkubasjon.
- Slå på forbindelsen mellom den anaerobe posen og bufferbeholderen.
- Fjern hetten på den første prøvetakeren fra topp til bunn.
- Bruk en pipette til å aspirere 133 mikrol nøyaktig fra prøvetakeren til et hetteglass (0,6 ml) som er forhåndslastet med 133 mikrol 2 % HNO3 for konservering.
- Under prøvetakingsprosessen, observer en langsom, men jevn strøm av vanndråper mot mikrodialyseprøvetakeren i observasjonskammeret (figur 1A-9) i den anaerobe posen.
- Lukk rørtoppen med en silikonhette. Gå til neste prøvetakingsrør.
MERK: For analyse av redoksfølsomme elementer som jernholdig Fe, må en annen konserveringsmetode som avgasset (10 mM) EDTA-løsning brukes, og prøvetakingen skal utføres under nitrogenrenseforhold. - Gjenta trinn 4.6 til alle de 33 prøvene er samlet inn. Slå av forbindelsen mellom den anaerobe posen og bufferbeholderen.
MERK: Prøvetakingen kan vanligvis være ferdig på 15 minutter. Med dagens design utføres prøvetakingen daglig for å unngå krysskontaminering mellom rør. Selv om løsemiddeldiffusjonen langs røret er langsom, vil den diffundere inn i bufferbeholderen og forurense andre rør. - Umiddelbart etter prøvetakingen på dag 6, fyll på det oversvømmede vannet, noe som vil forårsake forstyrrelser på jordoverflaten.
- Beregn gjenvinning av prøvevolum ved å veie prøvehetteglasset før og etter at porevannsprøven er overført.
- Bruk induktivt koblet plasmamassespektrometri (ICP-MS) for å måle de totale oppløste konsentrasjonene av elementer i porevannet.
MERK: En ekstern standardkurve ble brukt for konsentrasjonskvantifiseringen, mens den interne standarden Rh ble brukt for overvåking av ICP-MS operasjonell stabilitet.
Representative Results
Etter denne protokollen ble det etablert et mikrodialyseprofilsystem som beskrevet i figur 1. Jordinkubasjon ble utført under flomforhold (24 °C, avdekket for lys). Prøvene på dag 6 og dag 7 ble selektivt målt for å indikere potensiell forstyrrelse på jordoverflaten på grunn av praksisen med å etterfylle det oversvømmede vannet.
Under hver prøvetaking ble det observert et konsistent antall vanndråper i observasjonskammeret som strømmet mot mikrodialyseprøvetakeren, noe som indikerer at den overførte prøveoppløsningen kontinuerlig ble etterfylt av løsningen i den anaerobe posen. Som vist i figur 2 var utvinningsprosenten av prøvevolumet i gjennomsnitt 101,4 % ± 0,9 % og varierte fra 100,2 % til 103,6 %. En noe høyere gjenvinning av prøvevolumet kan tyde på at det var en vannstandsforskjell mellom den anaerobe posen og toppen av prøvetakingsrøret.
Ved å bruke prøvene over jord-vann-grensesnittet samlet på dag 6 og dag 7, ble de totale oppløste konsentrasjonene av jern (Fe), mangan (Mn), arsen (As), kadmium (Cd), kobber (Cu), bly (Pb), nikkel (Ni) og sink (Zn) i porevannet bestemt (figur 3). Konsentrasjonsdybdeprofilene varierte sterkt avhengig av elementtypen og før og etter praksisen med å etterfylle det oversvømmede vannet. Selv om vi ikke utførte replikasjoner her siden denne studien brukte en gradientbasert eksperimentell design, viste vår tidligere studie gode replikasjoner av endringer i dybdeavhengige kjemiske signaler18.
På dag 6 økte de oppløste konsentrasjonene av Mn, Fe og As sammen med jorddybden, mens de av Cu og Pb ble redusert med økende jorddybde. Resultatene er i samsvar med de generelle prinsippene og observasjonene i jord-vann-grensesnitt; Spesielt vil et mer redusert miljø i dypere jord føre til en forbedret reduktiv frigjøring av Mn15, Fe og As mens det hemmer frigjøringen av kationiske metaller på grunn av dannelsen av mindre løselige mineraler. For Cd, Ni og Zn indikerte imidlertid konsentrasjonsdybdeprofilene et annet mønster, siden de oppløste konsentrasjonene hadde en økende trend fra en dybde på rundt -20 mm til dypere steder.
Sammenlignet med konsentrasjonsdybdeprofilene til Fe (4,95 mg· L−1) og As (3,3 μg· L-1) på dybden av -12 mm på dag 6, konsentrasjonene av Fe (1,46 mg· L−1) og As (0,8 μg· L-1) var signifikant lavere på dag 7; Fe- og As-konsentrasjonene var imidlertid signifikant høyere (dybdeavhengig helning, p < 0,001) fra dypet av −18 mm til −50 mm. For de fleste elementene som ble bestemt, unntatt Mn, var de oppløste konsentrasjonene i overflatevannet og den jevne overflatejorden på dybden på -15 mm signifikant lavere, i varierende grad, etter aerob vannpåfylling. Det ble notert at det var en konsentrasjonstopp for Pb på dybden på ca. −10 mm på dag 7, noe som viser et kontrastmønster til det som ble observert på dag 6. Disse inkonsekvente resultatene er sannsynligvis forårsaket av forstyrrelsen av vannpåfylling og den tidsmessige utviklingen av biogeokjemi over jord-vann-grensesnittet. I begge tilfeller indikerte mikrodialyseprofilen sitt store potensial for å overvåke de temporospatiale endringene i kjemiske profiler over jord-vann-grensesnittet.
Figur 1: Mikrodialyseprofiloppsett for overvåking av kjemisk dynamikk ved jord-vann-grenseflater til jorddybden på 50 mm. (A) For en profiler i bruk på 50 mm dyp, se også tilleggsfigur S1. Hovedkomponentene inkluderer (B1, C1) 33 mikrodialyseprøvetakere (B2, C2) installert på et 3D-trykt skjelett, som videre er installert på en (B3) inkubasjonsbeholder (et 50 ml prøverør), (B4, B7, C4) en en-til-mange bufferbeholder, (B9-B12) en medisinsk infusjonspose som brukes som leverandør av avgasset vann, og en (C5) Frakoblet prøvetakingspipette. (B5) Prøvetakingsstedene til alle de 33 prøvetakerne er justert til samme høyde med (B6) en plaststrimmel. Deoksygenert vann fremstilles ved at (C8) nitrogen bobler i motsatt retning av vannforsyningen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Gjenvinning av prøvetakingsvolum med H2O som perfusat. Feilfeltene angir standardavviket for to uavhengige profileringsprøver. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Konsentrasjonsdybdeprofiler . (A) Mangan, (B) jern, (C) arsen, (D) kadmium, (E) kobber, (F) bly, (G) nikkel og (H) sink målt på dag 6 og dag 7. De negative flåttmerkene på Y-aksen indikerer dybden under vann-jordgrensen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Svikt ved lekkasje som fører til jernutfelling inne i prøvetakerne. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tilleggsfil 1: Dataassistert designfil for utskrift av det forhåndsdesignede skjelettet. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfigur S1: Profileringen i bruk. (A) På oversvømt jord. (VG Nett) Bilder av topp- og sidevisninger og tilkoblingsdetaljer presenteres separat. (E) Treveisventiler brukes til å koble bufferbeholderen og den medisinske infusjonsposen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Basert på tidligere eksperimenter og praksis2, krever noen hensyn spesiell oppmerksomhet under mikrodialyseprofilering og porevannsprøvetaking. Først bør nanomembranrøret og tilkoblingsrøret kobles nøye til for å unngå blokkeringer eller lekkasjer ved tilkoblingen. Siden jordsmonnet inkuberes under oversvømmede forhold, vil innføringen av oksygen raskt oksidere og utfelle jern i dialyseslangen (figur 4). Av denne grunn, før montering av mikrodialyseprofileren, må hvert mikrodialyserør kontrolleres for integritet (ingen skade), lufttettheten til tilkoblingene og slangens patency. På samme måte må tilkoblingen av støtterammen til inkubasjonsbeholderens sidevegg gjøres nøye for å unngå lekkasje. Før formelle eksperimenter er lekkasjekontroll på de forskjellige tilkoblingsstedene alltid en prioritet. For det andre må perfusatet i den anaerobe posen være tilstrekkelig deoksygenert. Ellers vil jern i porevann reagere med oksygenet i perfusatet og danne uløselige utfellinger (figur 4). Dette vil alvorlig endre løsemiddelspesieringen og konsentrasjonen og diffusjonsprosessene mot nanomembranrørene. For det tredje vil en lav samplingsfrekvens (dager og uker) føre til at løsemiddelet diffunderer inn i bufferområdet. Dette kan forurense hele profilprøven. For å løse dette problemet kan tre mulige løsninger vurderes: (1) prøvetaking med høy frekvens, for eksempel en gang daglig (dette kan imidlertid føre til løsemiddeluttømming nær dialyseprøvetakeren når flere prøvetakinger utføres); (2) forlenge lengden på tilkoblingsrøret i injeksjonsområdet etter behov; (3) redesigne prøvetakingsrørledningen for å oppnå enkelt kontroll av en enkelt rørledning. Dette er også retninger for forbedring av enheten i fremtiden. For det fjerde, under prøvetakingsprosessen, må det sikres at nivået på vannoverflaten i den anaerobe posen, den oversvømmede jorda og prøvetakingsrøret er omtrent i samme høyde for å balansere vanntrykket. Ellers vil en vannpotensialforskjell i og utenfor membranrøret resultere i en reduksjon eller økning i løsemiddeldiffusjon.
Begrensninger
For det første, siden mikrodialyseprofileren ikke er kommersielt tilgjengelig, forblir metoden tidkrevende når det gjelder fremstilling av enheten. Det tok dager å forberede et enkelt dialyserør, inkludert utskrift av støtteskjelettet, enhetsmontering og rengjøring. Men de påfølgende gjenbrukbare funksjonene bygger fullstendig bro over dette gapet. For det andre er det visse begrensninger i å bruke enheten på ikke-oversvømmede jordscenarier, som peepers kan brukes til18. På grunn av den betydelige vannpotensialforskjellen mellom innsiden og utsiden av membranrøret i tørr jord, opplever den forhåndslastede løsningen diffusjonstap; Faktisk ble ulike prøvetakingsvolumgjenopprettinger i området 10% -36% observert i den foreløpige testen (detaljerte data ikke vist), noe som skaper usikkerhet om resultatene.
Sammenligning av metoden med eksisterende eller alternative metoder
Metoden adresserer delvis det faktum at de eksisterende passive prøvetakerne ikke kan prøve gjentatte ganger og minimerer arbeidsbelastningen ved prøvepreparering, spesielt for anoksisk porevannsprøvetaking og konservering2. De umiddelbare endringene i konsentrasjon og spesiering av dialyserte oppløsninger kan sensitivt reflektere responsen til det oksisk-anoksiske grensesnittet til eventuelle miljøforstyrrelser. Teoretisk sett tillater prøvetaking med en frekvens på minutter, timer eller dager fangst av de raskt skiftende prosessene ved grensesnittet. For passive prøvetakere som må være i distribusjon i flere dager, kan noen varme øyeblikk og hotspots bli savnet 6,19.
Betydning og potensielle anvendelser i miljøvitenskap
Denne tilnærmingen kan fremme biogeokjemiske studier ved oksisk-anoksiske grensesnitt, for eksempel for å finne varme øyeblikk og hotspots av biogeokjemiske prosesser under spesifikke Eh-pH-forhold. Redoksprosessen er den grunnleggende prosessen med livsaktiviteter1. Spesielt mikroorganismer krever optimale levekår og er svært følsomme for miljøforstyrrelser1. Dette resulterer i en svært dynamisk utvikling av mikrobielle samfunn og biogeokjemiske prosesser i heterogene miljøer20. Direkte prøvetaking, uten å vurdere den høye heterogeniteten, har en tendens til å oppnå en blandet prøve fra forskjellige miljøforhold. Dette fører til misforhold mellom den målte kjemiske informasjonen og nøkkelmikroorganismer20. Innenfor noen få centimeter av overflatelaget av jord eller sediment i et typisk oversvømmet rismark, er det bratte redoksgradienter, samt forskjellige fysiske, kjemiske21 og biologiske gradienter1. Teknologien må kunne fange opp biogeokjemiske signaler i millimeterskala; Ellers kan data som ikke samsvarer med den faktiske skalaen, føre til tvetydige konklusjoner. Mikrodialyseprofileren er i stand til å overvåke biokjemiske signaler i millimeterskala ved jord-vann-grensesnittet i dager eller timer med minimal forstyrrelse. I denne studien ble den spatiotemporale dynamikken til forskjellige elementer over en 48 timers periode observert, muligens relatert til forstyrrelsen av vannpåfylling. Derfor kan en bredere anvendelse av mikrodialyseprofileren bidra til å forstå hvordan forstyrrelser påvirker viktige biogeokjemiske prosesser i en verden i endring.
Disclosures
Forfatterne oppgir ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Dette arbeidet er finansiert av National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) og Key Programme Special Fund of XJTLU (KSF-A-20).
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).
