Un tableau Gusseted thermogradient pour contrôler la température du sol pour l'évaluation de la croissance des plantes et de suivi des processus de sol

Tables thermogradient ne sont pas nouvelles et leur utilisation a été rapporté dans la littérature sur plusieurs décennies ^1-6. Les premiers tableaux ont été développés ostensiblement pour les tests de germination des graines de laboratoire souvent sur un substrat de papier sur une large plage de températures dans une seule expérience (figure 1). Il existe différents modèles de tables thermogradient mais l'un des plus commun est constitué d'une feuille rectangulaire relativement épaisse de métal, souvent en aluminium pour sa résistance à la corrosion, avec une boucle de tube carré soudé sur le fond aux extrémités opposées. Tubes en plastique relient la table d'entrée et de sortie des tuyaux à température contrôlée, des bains qui pompent le liquide refroidi et chauffé à travers les tuyaux sur les extrémités opposées sous la table de circulation. Le tuyau conduit mélange fluide, généralement une eau-antigel (éthylène glycol), pour empêcher le gel si le système doit être utilisé à proximité ou au-dessous des températures de congélation. Une autre conception consiste à souder des bandes de métal ensemble pour cremangé un réservoir de fluide à chaque extrémité de la table avec des entrées et des sorties pour la circulation des solutions chaudes et froides à chaque extrémité. Les bains de circulation peuvent être placés sur le plancher sous la table ou sur une table juxtaposée séparée. Tables thermogradient électriques avec des serpentins de chauffage et / ou de modules de refroidissement à effet Peltier ont été construits , mais le coût élevé, les défis générant de faibles températures constantes, et de fiabilité ont empêché l' utilisation commerciale à grande échelle ^8.

Les conceptions de fluide circulant créent passivement un gradient unidimensionnel par conduction thermique. Si la plaque d'aluminium est de forme et d' épaisseur uniforme et bien isolé, la chaleur circule uniformément de la chaleur à l'extrémité froide d'une table établissant un gradient de température à une dimension continue, après la deuxième loi de la thermodynamique ^7. Le gradient à travers la surface est une fonction de la longueur de la table, et les différences entre les températures extrêmes. Le tableau et plumbing sont généralement logés dans une enceinte isolée avec des couvercles d'accès. L'enceinte isole la table à partir de son environnement, en créant un gradient uniforme sur toute la surface avec une faible variation de température. L'enceinte isolée peut être supporté par des pieds ou posé sur une surface plane, comme une table ou un banc. Pour les applications où le contrôle de la température uniforme est nécessaire sans gradient, une table peut être mis en place pour produire des conditions isothermes si les deux extrémités circulent fluide à la même température.

Lorsque la table de gradient fonctionne correctement, des boîtes de Petri, des sacs en plastique scellés, des récipients à fond plat, etc., sont placés sur la surface et thermo-équilibrent aux différentes températures (figure 1). La température expérimentale dans chaque récipient dépend des espaces aériens qui peuvent exister entre le récipient et la surface de la table, et l'épaisseur et les propriétés isolantes de chaque récipient. Le tableau de gradient maintient efficacement l'échantillon temperatures proche de la surface, mais le contrôle est perdue au-dessus de la surface. Le manque de contrôle vertical de température limite les types d'expériences possibles sur une table de gradient traditionnel.

bandes d'aluminium ou goussets ont été ajoutés à la conception traditionnelle de la table de gradient pour améliorer le contrôle de la température au-dessus de la surface de la table. Goussets ont été soudées à des intervalles perpendiculairement à la surface de la table. Les goussets facilitent le flux de chaleur convective verticalement au-dessus de la surface de la table plate. Les échantillons placés entre goussets, ont des surfaces thermorégulées sur trois côtés assurant le contrôle de la température plus efficace. Clegg et Eastin ² placés sable de quartz sur une surface de table gradient pour créer un contrôle de température en profondeur. Clegg et Eastin ² ont également expérimenté de placer l' isolation sur le dessus de la table. Webb et al. ⁹ placé les tuyaux remplis de terre sur une table dans un effort pour uniformément la température de contrôle.

Le nouveau tala conception able rapportée ici a neuf 7,6 cm (3 pouces) de haut goussets (bandes d'aluminium) qui sont soudées à la surface sur la longueur de la table (figure 2). luminaires LED émettant photosynthétique actif fréquences sont installées sur les côtés de la table pour soutenir la croissance des semis lorsque la table est fermée. L'enceinte isolée pour la table de thermogradient gousset est constitué d'un blanc panneaux de PVC qui sont l'eau, la chaîne, et le crack résistant. Le but de cet article est de décrire la nouvelle conception de la table de gradient gusseted et les applications possibles.

1. Préparation des Bains circulants et Table

1. Acquérir deux bains à circulation avec des réservoirs qui pompent au moins 10 L / min pour contrôler la température à chaque extrémité de la table de thermogradient.
   NOTE: L'un des bains à circulation doivent réfrigérer le réservoir tandis que les autres besoins seulement à la chaleur.
2. Inspecter circulation des bains pour faire en sorte que leurs filtres et réservoirs sont propres.
3. Identifier un emplacement pour la table et les bains. Positionner les bains sous la table aussi longtemps que la pompe peut circuler un fluide à travers le tableau ci-dessus. Placez la table de gradient à une hauteur convenable pour enlever les couvercles et atteindre toutes les positions sur la surface.
   REMARQUE: L'emplacement de la table et des bains doit être bien aéré, exempt de températures extrêmes, relativement exempte de poussière, et avoir accès aux circuits électriques pour alimenter adéquatement les bains et le système d'éclairage.
4. Remplir chaque bain à la partie supérieure du réservoir avec un mélange d'eau et d'antigel (1: 1ratio) pour améliorer l'échange de chaleur et éviter le gel.
   NOTE: La concentration d'antigel dépend des spécifications de bain et la température de la solution. Des concentrations élevées d'antigel ne sont pas nécessaires, sauf si des températures inférieures à zéro sont générés. antigel pur peut endommager certaines pompes à bain d'eau.
5. Connecter les entrées et sorties des bains avec un tube flexible à la sortie et d'entrée des tuyaux sur la table, respectivement, pour créer un modèle de flux continu aux deux extrémités opposées chaudes et froides de la table.
6. Utiliser un tube en plastique souple à paroi épaisse avec des murs inélastiques qui ne se dilatent sous pression ou kink lorsqu'il est plié. Utilisez-vis à collier, colliers de serrage au niveau des syndicats de tube pour maintenir une connexion sans goutte lorsque le système est sous pression. Envelopper le tube de circulation avec l'isolation des tuyaux en mousse pour réduire l'échange de chaleur avec l'entoure.
7. Avec les valves de tuyauterie ouverte, tourner momentanément sur les pompes de circulation pour vérifier les fuites et les tubes affaisséequi peut réduire le débit. Régler colliers à vis si des fuites se produisent. Vérifiez les appareils d'éclairage pour vous assurer qu'ils fonctionnent correctement.

2. Préparation de la Table pour Expérimentation

1. Tapisser le fond de la table de thermogradient entre goussets avec un matériau hydrophile tel que le tapis serre capillaire, serviettes en papier, ou d'un journal nonglossy pour distribuer l'eau de manière plus uniforme.
2. Remplir uniformément la table avec un milieu de croissance au-dessous ou même avec les sommets des goussets. Emballez les médias assez serré pour éliminer les poches d'air qui interfèrent avec l'équilibrage de la température de croissance.
   REMARQUE: le sol natif peut également être utilisé.
3. Avec l'entrée de table et de vannes de conduites de sortie ouverte, activer le bain en circulation en mettant un bain à une température de 5 ° C au-dessous et le bain opposé à une température de 5 ° C au-dessus des températures minimales et maximales désirées (5 à 40 ° C), respectivement, pour tenir compte de la perte et le gain de chaleur pendant la circulation. Monitor les bains de réservoir et ajouter un mélange d'eau et d'antigel (éthylène glycol) selon les besoins lorsque les niveaux diminuent à mesure que la solution en circulation se remplit les tubes de la table.
4. Ajuster la température du bain jusqu'à la température désirée de milieux de culture (5 à 40 ° C ou à d'autres températures expérimentales désirées) sont réalisées sur le tableau de gradient.
   NOTE: La température exacte est obtenue par un processus itératif de mesurer la température du milieu de culture et en ajustant les bains jusqu'à ce que les températures souhaitées des médias de plus en plus sont atteints à travers la table.
5. dataloggers Lieu de température à différentes positions sur la table pour enregistrer les températures des milieux ou de la terre de plus en plus au cours d'une expérience. Les enregistreurs de données recommandées sont de taille similaire à une batterie de plaquette ronde miniature. Envelopper les dataloggers dans Parafilm pour prévenir les dégâts d'eau et lieu à des positions expérimentales dans le milieu de culture.
6. Mouiller les milieux de culture uniformément à 70-80% de la capacité de rétention d'eau maximaledes médias. sols Wetter conduisent la chaleur plus efficacement entre les goussets.
   NOTE: L'eau tend à évaporer plus rapidement à partir de l'extrémité chaude de la table, de sorte que les applications les plus fréquents peuvent être nécessaires pour remplacer les pertes par évaporation. la capacité de rétention d'eau maximale est la quantité d'eau retenue dans le milieu de culture après saturation et le drainage de l'eau gravitationnelle pendant 2 jours à travers un récipient avec un fond perforé. La teneur en humidité a été déterminée par gravimétrie avant et après séchage à l'étuve à 105 ° C pendant 72 heures.
7. Laisser la table à équilibrer pendant 24 heures pour assurer les températures souhaitées (5 à 40 ° C) sont atteints tout au long avant de commencer une expérience.
8. Inclinez la table en ajustant les pieds à chaque coin jusqu'à ce que la table des pentes très légèrement vers le coin avec le drain. Cela supprime l'excès d'humidité, empêche les taches d'humidité sur la table, et encourage le contenu uniforme de l'humidité des médias. Placer un récipient sous le drain pour attraper le ruissellement.
NOTE: A titre d'exemple de la façon dont les tests de germination peut être effectuée, nous avons planté 25 graines de tomate (. Solanum lycopersicum L. cv Legend), le melon (Cucumis melo cv Hales Best Jumbo.), La laitue (Lactuca sativa L. cv noir ensemencée. Simpson), et d' avoine (Avena sativa L. cv Swan) 2 cm de profondeur.
9. Comptez le nombre de plantules émergées par jour pour calculer le temps moyen de levée selon l'équation:
     Σ (n _i xt _i)
   MTE = -------------
   Σ (n _i) ,
   NOTE: Où n i; t est le nombre de jours depuis le début de l'émergence; et Σ n _i est le nombre total de graines émergé.

3. Utilisation de la Table thermogradient

1. Après avoir ajusté les bains à la température souhaitée, remplacer les deux couvercles thermogradient de table, les couvercles en tôle interne acryliques transparents et d'un couvercle plus substantielle du chlorure de polyvinyle (PVC) isolés avec du polystyrène, pour entourer la table. Les deux couvercles en place fournissent les meilleures propriétés d'isolation pour réduire la chaleur et la perte d'eau au cours des essais.
   NOTE: Si la lumière ambiante ou de l'éclairage auxiliaire est monté au-dessus de la table, seul le couvercle intérieur peut être utilisé pour transmettre la lumière.
2. Retirez le couvercle extérieur pour vérifier la table à travers les couvercles interne acryliques. Retirez le couvercle intérieur temporairement pour ajouter des entrées d'eau ou d'autres, vérifier la température, ou des données d'enregistrement.
   REMARQUE: À des températures plus élevées, l'eau s'évapore rapidement du sol humide et condenses sur le fond du couvercle intérieur, car la surface est plus froide.
3. Surveiller le système de près au cours des expériences pour des pannes de courant, les dysfonctionnements de bain, de fuites ou de fluctuations excessives des températures de table. Surveiller le niveau du réservoir de bain et périodiquement ajouter du liquide pour remplacer les pertes par évaporation.

Les récipients peu profonds, comme des boîtes de Pétri, peuvent être positionnés sur une table traditionnelle unidimensionnel gradient de sorte que les effets de multiples températures expérimentales peuvent être évaluées simultanément (Figure 1). Pour accroître la diversité des applications de recherche possible sur une table de thermogradient, 7,6 cm (3 pouces) goussets en aluminium hautes ont été point soudées en alternance sur les deux côtés de sorte que chaque gousset se perpendiculaire à la surface de 10,9 cm (4,2 pouces) en contact intime avec la surface (figure 2). Bien qu'une large gamme d'espacements de gousset sont possibles, 10,9 cm a été choisi pour accueillir en plastique "sandwich" boîtes carrées ou des récipients similaires de taille souvent utilisés pour tester la germination des espèces de semences petites ou d' autres échantillons biologiques (figure 3). Contrairement à une table de gradient plat classique, la conception de gousset accueille les sols et autres matériaux friables amorphes pour tempera contrôléeture des expériences. Pour enlever l'excès d'eau, un trou de drainage projeté et filtré a été construit dans un coin. Cales ou «pieds» à chaque coin peuvent être ajustés pour incliner la table pour faciliter le drainage par gravité. Un petit espace entre les extrémités de gousset et l'extérieur de la table permet à l'eau de circuler le long d'un côté au drain du coin.

Les températures du sol ont été mesurés à 70-80% d'humidité du sol après les bains avaient circulé à température constante pendant 24 heures avec les couvercles en place (Figure 4). La variation de température mesurée après une période d'équilibrage de 12 heures à quatre positions différentes dans la table était de 0,4 ° C ou moins (figure 4). Variation des températures de profil du sol mesurées à trois profondeurs du sol était supérieure aux extrêmes. A une température cible de 13 ° C, dataloggers placés sur la surface d'aluminium entre les goussets ont enregistré une moyenne de 11,0 ± 0,0 ° C. Bûcherons placed sur la surface du sol en moyenne de 13,5 ± 0,1 ° C. La température moyenne du sol globale à tous les trois niveaux pour la température de consigne de 13 ° C était de 12,3 ± 0,1 ° C. A une température cible de 18 ° C, la température moyenne dans l'ensemble du profil du sol était de 19,1 ± 0,1 ° C. Variation à la température cible de 23 ° C est supérieure à 18 ° C avec une moyenne de 23,8 ± 0,2 ° C. A l'autre extrême température, 29 ° C, la température de surface de table en aluminium était de 30,8 ± 0,2 ° C tandis que la température de la surface du sol était de 25,7 ± 0,4 ° C. La température moyenne du sol global à 29 ° C était de 28,2 ± 0,3 ° C (Figure 4).

espèces de semences peuvent être testés pour leurs températures de germination et de croissance des semis optimales sur une table de thermogradient avec goussets. Tomate et le melon, les deux cultures de saison chaude considérées, ont germé sur une plage de 14,1 à 40.2 ° C (tableau 1, figure 3). Les réseaux de DEL montées dans le couvercle de table et / ou sur les côtés émettent le spectre photosynthétique permettant de cultiver des plantes dans le sol à des températures du sol expérimentales lorsque la table est fermée (figure 3). La croissance des semis optimale pour la tomate a eu lieu à 29,6 ° C avec un pourcentage d'émergence de 100% et un temps moyen d'apparition de 5,3 jours (tableau 1, figure 5). Emergence a été plus lente à d'autres températures. Pour le melon, le pourcentage optimal d'émergence était de 96% et le temps moyen d'apparition était de 5,1 jours deux à 24,7 ° C (tableau 1). Les deux laitue et l'avoine sont considérés comme des cultures de saison fraîche. Graines d'avoine ont germé sur une plage de 5,1 à 40,2 ° C , la plus large de toute semence testée (tableau 1, figure 5). Pour l' avoine, le pourcentage le plus élevé d'émergence a été de 100% à 24,7 ° C et l'émergence plus rapide était de 3,4 jours à 29,6 ° C (tableau 1, (tableau 1).

Figure 1: Une table de thermogradient plat traditionnel avec les couvercles isolés enlevés , mais avec un couvercle acrylique revêtement interne ½ la table Les traditionnels table plate tests de conception effets de la température sur des échantillons dans des contenants peu profonds.. Contrôle de la température du gradient est rapidement perdu à des distances supérieures à la surface car il n'y a pas de barrière à un mélange d'air. Les expériences qui exige une température constante en profondeur ne sont pas réalisables en utilisant cette conception. S'il vous plaît cliquer ici pour voir a laversion rger de ce chiffre.

Figure 2: Schéma d'une plaque thermogradient avec goussets goussets sont STITCH soudés longitudinalement à travers la table perpendiculaire à la surface.. Un drain dans un coin enlève l'excès d' eau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3:. Illumination table thermogradient avec goussets remplis de terre, le gazon et les conteneurs pour des expériences de germination Le gradient dans ce tableau est mis en place de gauche (extrémité chaude) à droite (extrémité froide). Bien que la conception de gousset a été développé pour une utilisation avec le sol, les conteneurspeut être placé entre les goussets pour des expériences avec de petits échantillons. L'usine de LED élèvent des lumières peuvent être montés dans les couvercles ou périphérie et émettent photosynthétique fréquences actives et laisser les plantes à cultiver à l' intérieur de l'enceinte. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. Les lectures de température à partir de différentes positions du sol sur une table de thermogradient goussets. Les enregistreurs de température ont été placés dans le sol à travers la table à la paroi de gauche, centre gauche (20 cm du mur à gauche), au centre à droite (40 cm du mur à gauche) et, à la mi-chemin de la paroi droite entre goussets. positionnement bas de l'enregistreur de température était proche de la surface de la table en aluminium de 8 cm en dessous de la surface du sol tandis que le placement centre était approximately 4 cm au-dessous du sol. Les enregistreurs de température placés au-dessus du sol ont été découverts. Les valeurs supérieures à barres indiquent les températures moyennes globales ± erreur standard de la moyenne (n = 72). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5:. Plantules d'avoine et de tomates cultivées pendant 14 jours sur thermogradient tables sur une plage de température de 5 à 40 ° C L'image illustre comment la germination et la croissance des semis de plusieurs espèces peuvent être évaluées dans le sol en même temps sur une plage de températures dans un expérience unique pour simuler les conditions de terrain. Top (gauche et droite) images montrent la table thermogradient lorsqu'on regarde verticalement. Bottom (gauche et droite) montrent des images de la table d'orientation horizontale. alcool thermomètres ont été placés dans le sol pour contrôler rapidement la température tout au long de l'expérience.

Tableau 1: Germination de tomate, le melon, la laitue et avoine Semences dans le sol à huit températures sur une table thermogradient. Les chiffres en gras indiquent les valeurs optimales pour chaque espèce et illustrent la dépendance de la température des espèces cultivées différentes. L'expérience a été menée pendant 14 jours dans le terreau et les médias a été arrosé tous les jours ou au besoin pour garder le sol visiblement humide. Les données sont basées sur les 25 graines pour chaque espèce.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.