Visualisation et quantification bidimensionnelles de Labile, nutriments et contaminants des plantes inorganiques dans le sol

Le cycle bio-chimique des éléments du sol joue un rôle crucial dans les systèmes environnementaux. Grâce à ce protocole, la distribution des fractions d’éléments disponibles dans les plantes peut être imagée en 2D à l’aide de l’imagerie par spectrométrie de masse DGT. Cette méthode est unique dans sa capacité à visualiser et à quantifier les niveaux ultra-traces de plusieurs espèces de solutés inorganiques à l’interface du soluté, dépassant considérablement la résolution spatiale des méthodes alternatives.

En plus de l’étude des flux de main-d’œuvre et de soluté dans les sols et les sédiments, cette méthode peut être appliquée pour étudier comment les racines des plantes absorbent les éléments nutritifs et contaminants. Pour la fabrication de gel DGT, appliquez d’abord une fine couche de suspension de gel liant anions et cationiques mélangés à base de polyuréthane sur une plaque de verre, puis placez la plaque dans un four pour initier la formation de gel par évaporation du solvant. Après avoir répété l’application et l’évaporation trois fois, hydratez la plaque de verre triple couche obtenue dans un bain-marie pour obtenir un gel de liaison d’anions et de cations de 0,1 millimètre d’épaisseur, résistant à la déchirure.

Pour assembler le rhizotron, utilisez deux pinces pour fixer une petite lame acrylique au bas de la montée du rhizotron avec la pression des pinces dirigée sur le cadre du rhizotron, de sorte que la plaque ne se plie pas vers l’intérieur. Inclinez légèrement le rhizotron vers la petite plaque en plastique et remplissez le rhizotron avec de la terre pré-humidifiée jusqu’à une hauteur approximative de quatre centimètres. Agitez légèrement le rhizotron pour répartir uniformément le sol et utilisez un outil de compactage pour comprimer doucement le sol de quelques millimètres.

Répétez le remplissage et la compression jusqu’à ce que le rhizotron soit rempli de terre, en laissant un espace de trois centimètres en haut. À l’aide de ruban adhésif, fixez soigneusement un morceau de feuille de PTFE de 13 x 22 centimètres au cadre du rhizotron, un coin à la fois, en appliquant une tension pour assurer une surface de feuille plane. Lorsque la feuille de PTFE est plate et contiguë à la surface du sol, fixez un deuxième morceau de feuille à l’extrémité inférieure du rhizotron, en chevauchant la pièce supérieure de la feuille de PTFE d’un centimètre de la même manière.

Lorsque la deuxième pièce a été fixée, appliquez une housse de protection en plastique. Placez une plaque avant sur le rhizotron rempli de sol et recouvert de papier d’aluminium, et placez un rail de chaque côté du rhizotron. Serrez ensuite les vis à la main pour fixer les rails de la plaque avant au rhizotron avec les vis en position vers le côté fermé du rhizotron.

Pour arroser le sol, enfoncez les pointes des pipettes dans les trous d’eau et laissez l’eau s’écouler dans le sol par gravité. Pour faire pousser des plantes, plantez jusqu’à deux semis dans le rhizotron et ajoutez cinq millilitres d’eau directement aux semis pour soutenir leur croissance. Couvrez l’ouverture supérieure du rhizotron pendant les deux premiers jours après la plantation avec un film transparent retenant l’humidité et enveloppez le rhizotron dans du papier d’aluminium pour éviter la croissance microphytique.

Ensuite, placez le rhizotron planté dans une salle de croissance avec les conditions environnementales adaptées aux exigences spécifiques de la plante et inclinez le rhizotron de 25 à 35 degrés pour assurer le développement des racines le long de la plaque frontale par gravitropisme. Pour appliquer le gel DGT fabriqué, coupez une membrane en polycarbonate de 10 microns d’épaisseur avec une taille de pores de 0,2 micron à une largeur et une longueur d’au moins plus d’un centimètre de chaque côté du gel et placez la membrane sur le gel. Appliquez de l’eau pour éliminer les bulles d’air de la pile et utilisez du ruban électrique en vinyle pour fixer la membrane à la plaque le long des quatre bords du gel.

Après avoir retiré la plaque frontale et les feuilles de protection, alignez le viseur d’un appareil photo reflex numérique mono-objectif équipé d’un objectif macro au centre de la région d’intérêt dans le gel et en incluant une barre d’échelle dans l’image pour acquérir une photo orthogonale de la région d’intérêt. Alignez ensuite un bord de la plaque équipée de la pile de membranes de gel avec un bord du rhizotron ouvert. Pliez doucement la plaque vers le sol et utilisez les rails et les vis pour fixer la plaque au rhizotron.

Après la période d’échantillonnage en solitaire, transférez la plaque avant du rhizotron dans une hotte à flux laminaire avec la membrane de gel côté pile vers le haut, et retirez soigneusement le ruban et la membrane de polycarbonate recouvrant le gel. Appliquez de l’eau pour aider le gel à flotter librement sur une fine pellicule d’eau sur la plaque avec le côté contact du sol vers le haut et transférez le gel sur une membrane en polyéthersulfone avec une taille de pores de 0,45 micron et un support en papier buvard. Après avoir recouvert la pile de gel d’une feuille protectrice, placez la pile dans un séchoir à gel sous vide.

Lorsque le gel est complètement sec, utilisez du ruban adhésif double face pour fixer le gel sec avec d’autres échantillons de gel sur une plaque de verre. Pour effectuer une analyse par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif laser des gels DGT secs, fixez d’abord les blancs d’échantillons et les étalons sur la platine d’échantillonnage d’ablation laser, puis verrouillez la platine laser dans la cellule d’ablation du système d’ablation laser. Dans le logiciel d’ablation laser, déplacez la région d’intérêt sur la surface du gel et tracez une seule ligne d’environ un millilitre de long sur la surface de l’étalon de gel.

Léchez la ligne avec le bouton droit de la souris dans la fenêtre des motifs de balayage pour vérifier que les paramètres d’ablation laser ont été définis et adoptés, et utilisez l’outil de numérisation en double pour dupliquer cette ligne quatre fois avec une distance entre les lignes supérieure au diamètre du spot. Après avoir répété cette ligne pour chaque blanc d’étalonnage d’étalon de gel et chaque blanc de méthode, tracez une seule ligne le long du bord supérieur de la zone rectangulaire de l’échantillon de gel à analyser et dupliquez la ligne pour créer des lignes parallèles pour toute la surface de l’échantillon, comme illustré, en utilisant une distance interligne de 300 à 400 micromètres. Vérifiez que chaque point de départ et d’arrivée de chaque ligne est correctement focalisé sur la surface du gel et cliquez sur Analyser le lot pour lancer la séquence d’échantillons sur le spectromètre de masse à plasma à couplage inductif.

Cliquez sur l’émission dans la fenêtre d’énergie laser pour recharger la tête laser. Cliquez sur Exécuter pour ouvrir la fenêtre Exécuter l’expérience et sélectionner uniquement les motifs sélectionnés. Réglez le délai de lavage sur 20 à 30 secondes.

Sélectionnez la case laser activée pendant les balayages et réglez le temps de préchauffage du laser sur 10 secondes. Cliquez ensuite sur exécuter et OK pour démarrer l’analyse par balayage linéaire et surveiller l’intensité du signal brut en comptages par seconde pour chaque isotope sur le spectromètre de masse à plasma à couplage inductif en temps réel. Chaque ligne doit commencer et se terminer par une ébauche de gaz.

Après l’analyse, importez le fichier de données brutes de chaque ligne ablate dans une feuille de calcul. Le tableau des données brutes montre les lectures de spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif pour chaque isotope en nombre par seconde, et les points temporels correspondants en secondes. Énumérez toutes les lignes les unes à côté des autres dans différentes colonnes.

Calculez un blanc de gaz moyen pour chaque isotope à partir de toutes les valeurs de blanc de gaz enregistrées avant les ablations de ligne et soustrayez le blanc de gaz moyen des intensités brutes correspondantes pour chaque isotope afin de corriger le signal de fond. Pour appliquer la normalisation interne, divisez l’intensité du signal corrigée du blanc de gaz de chaque isotope par l’intensité du signal corrigé du blanc de gaz du carbone 13 de l’étalon interne pour chaque point de données afin de corriger les variations de la quantité de matériau ablaté et de la dérive instrumentale. Recadrez les données avant le début et après la fin de chaque ligne ablate pour supprimer le signal de fond de vide gazeux et transposez la table de données pour obtenir une matrice de grille dans laquelle chaque ligne correspond à une ligne ablate et chaque colonne correspond à une valeur d’intensité isotopique normalisée.

Appliquez ensuite la fonction d’étalonnage obtenue à partir de l’analyse des étalons de gel et enregistrez la matrice de données étalonnée sous forme de fichier texte. Pour générer une image, importez la matrice de données de l’échantillon calibré dans le logiciel d’analyse d’images sous forme d’image texte et appliquez le facteur de correction du rapport hauteur/largeur et une table de correspondance pour visualiser les gradients chimiques dans l’image du soluté. Ajustez la balance des couleurs de l’image pour contrôler les limites inférieure et supérieure de la plage d’affichage, ajoutez une barre d’étalonnage et enregistrez l’image du soluté sous forme de fichier TIF.

Utilisez la commande copier dans le système pour copier l’image solide et collez-la dans un logiciel de publication assistée par ordinateur. Ensuite, adaptez-le, alignez-le et composez l’image solide avec une photo de la région d’intérêt et les autres images de soluté. L’alignement des images de solutés avec une image photographique de la région d’intérêt révèle que la distribution submillimétrique du flux solide 2D des différents éléments est très variable en fonction de la structure du sol et de la morphologie des racines.

Par exemple, dans cette analyse d’une jeune racine de sarrasin cultivée dans un sol exempt de carbonate, fertilisée avec du nitrate d’ammonium, la distribution submillimétrique des solutés a montré des zones de diminution des flux d’aluminium, de phosphore et de fer le long des sections de racines plus anciennes en raison de l’absorption des racines, et une forte augmentation des flux de magnésium, d’aluminium, de phosphore, de manganèse et de fer à l’apex de la racine en raison de la localisation des processus de mobilisation des nutriments. Dans cette analyse, on peut observer un appauvrissement distinct en zinc, en cadmium et en plomb à la position immédiate de la racine, ce qui montre que les racines de l’espèce de saule Salix smithiana, tolérante aux métaux, agissent comme un puits localisé pour les métaux traces labiles dans les sols contaminés. Dans cette analyse, la distribution des métaux traces labiles le long des racines de Salix smithiana a été co-localisée avec la distribution du pH, en utilisant un gel de liaison cationique monocouche optode-DGT monocouche.

Cette combinaison de méthodes a révélé que l’augmentation des flux de solutés de manganèse, de fer, de cobalt, de nickel, de cuivre et de plomb était associée à une diminution du pH d’environ une unité, ce qui suggère une solubilisation des métaux induite par le pH. Il est essentiel d’assurer un contact étroit et stable entre l’outil DGT et la surface solide pour éviter les artefacts analytiques. En cas de doute, répétez la procédure d’application du gel.

Cette méthode peut être combinée avec d’autres techniques d’imagerie solide basées sur la diffusion, telles que les optodes planes, pour évaluer simultanément une gamme de paramètres impliqués dans l’absorption des éléments végétaux.