הבנה מומס אורגני Biogeochemistry דרך
29 באוקטובר 2016
חומר אורגני מומס מהווה מקור חשוב של אנרגיה וחומרים מזינים להזרים מערכות אקולוגיות. כאן אנו מדגימים שיטה מבוססת בשטח כדי לתפעל את ברכת הסביבה של חומר אורגני מומס באתרו באמצעות פולסים מזינים לשכפול בקלות.
המטרה הכללית של שיטת דחף החומרי הזנה זו היא להשפיע בעקיפין על מאגר החומר האורגני המומס בסביבה, כדי להבין כיצד מאגר חומר אורגני זה מגיב לשינויים בריכוז החומרים המזינים. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הביוגיאוכימיה של נחלים, כגון האופן שבו מחזורי החומר האורגני והחומרים המזינים קשורים זה לזה. היתרון המרכזי של שיטה זו הוא שהיא מהווה מניפולציה של מערכת אקולוגית שלמה וניתן לשחזר אותה בקלות.
ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על ייצוא פחמן וחנקן מאגן הניקוז, שכן האינטראקציה בין יסודות אלו קובעת כיצד הם נשמרים בתוך הנחל. הרעיון לטכניקה זו עלה לראשונה כאשר הבנו שגישת "slug" של חומרים מזינים יצרה טווח דינמי של ריכוזי חומרים מזינים, וכי ריכוזי החומר האורגני המומס היו רגישים לשינויים אלו. כדי להתחיל, פרסו את מד המוליכות השטחית, ובחרו מיקום במרחק של כ-0.5 עד 1.0 מטרים במעלה הזרם מאתר איסוף הדגימות.
המד יישאר במקומו לאורך כל הניסוי. לאחר מכן, שטפו שלוש פעמים בקבוקי פוליאתילן בצפיפות גבוהה שנשטפו בחומצה, והשתמשו בהם לאיסוף שלוש דגימות רקע בנפח של 125 milliliters באתר ההוספה ולאחר מכן באתר האיסוף של המקטע הניסויי. דגימות אלה משמשות לקביעת הריכוזים הסביבתיים לפני הוספת התמיסה.
יש לרשום את המוליכות הבסיסית בזרם לפני הוספת המומסים. לאחר מכן, רשמו את זמן הדגימה ואת המוליכות של דגימות הרקע שנאספו. ראשית, אספו מי נחל באמצעות מכל גדול.
לאחר מכן הוסיפו את כל الريאגנטים וודאו כי המומסים התמוססו לחלוטין. עקבו אחר כמות המים שהוספה. שטפו את כלי הריאגנטים שלוש פעמים עם מים זורמים נוספים ושפכו את מי השטיפה אל תוך מיכל התמיסה.
ערבבו את התמיסה בעזרת מקל ערבוב נקי עד להמסה מלאה של כל הרכיבים. סמנו באופן מתאים בקבוק פוליאתילן בעץיות גבוהה בנפח 60 milliliter, והעבירו אליו את המנה (aliquot) של 60 milliliter מתמיסת התוספת. אחסנו את הבקבוק בנפרד מדגימות אחרות כדי למנוע זיהום.
בשלב הבא, שפכו את הדגימה לאתר ההוספה בתנועה חלקה ומהירה כדי למזער את זמן השיהוי ולהימנע מהתיזה. שטפו מיד את המיכל וערבבו את המקל בזרם שלוש פעמים כדי לשחרר את כל הריאגנטים. רשמו את הזמן בשעות, דקות ושניות.
רשמו את המסה של הסמנים שהתווספו, יחד עם זמן השחרור, והקפידו לא להפריע לבנתוס (קרקעית) הנחל או לתמיסה עד לסיום הניסוי. באתר האיסוף, סדרו תחילה את בקבוקי הדגימה המסומנים בסדר עולה בזמן ההמתנה לתמיסה. השתמשו במד מוליכות שדה כדי לבצע מדידות באתר האיסוף.
הגעת התמיסה תזוהה על ידי עלייה במוליכות. ברגע שתזוהה הגעת התמיסה, קחו בקבוק נקי של 125 מיליליטר ושטפו אותו בזרם המים. השליכו את מי השטיפה במורד זרם אתר הדגימה, ולאחר מכן אספו את הדגימה על ידי החזקת הבקבוק בתוך זרימת המים הראשית בנקודת הדגימה.
חזור על תהליך איסוף זה, תוך שימוש בבקבוק חדש אחד אחרי השני לאורך מעבר התמיסה, ורשום את זמן האיסוף והמוליכות של כל דגימה. המשך בדגימה עד שהמוליכות תחזור לרמה של חמישה microsiemens per centimeter מהרמת הרקע. סגור את הדגימות במכסה ואחסן אותן בקירור.
ראשית, סדרו את הדגימות לסינון כך שה-rising lim יסונן בסדר עולה של מוליכות סגולית עד להגעה לשיא. לאחר מכן, סדרו את דגימות ה-falling lim כך שיסוננו בסדר עולה של מוליכות סגולית. כדי לסנן דגימות, קחו מזרק בנפח 60 milliliter, הסירו את הבוכנה ואז סגרו את הברז.
מזגו כ-10 milliliters של הדגם אל תוך המזרק והחזירו את הבוכנה למקומה. נערו את המזרק כך שהדגם ישטוף את הדפנות הפנימיות. לאחר מכן, חברו מחזיק מסנן למזרק ופתחו את הברז.
דחפו את הדגימה דרך המסנן על ידי לחיצה על הבוכנה והשליכו את נוזל השטיפה. הסירו את הבוכנה וסגרו את הברז. הפעם, שפכו 30 milliliters של אותה דגימה לתוך המזרק והחזירו את הבוכנה למקומה.
כאשר המזרק ממוקם להזרקה לתוך בקבוק דגימה נקי בנפח 60 milliliter, פתח את הברז ודחף כ-10 milliliters דרך המסנן. סגור את הבקבוק עם פקק, סובב אותו ושלח את התסנין לאשפה. חזר על הפעולה שלוש פעמים כדי להבטיח שזיהומים הוסרו מהבקבוק ושהדפנות מצופות בדגימה.
הוצאו שוב את הבוכנה וסגרו את הברז. שפכו דגימה של כ-60 מיליליטר לתוך המזרק והחזירו את הבוכנה למקומה. דחפו את הדגימה דרך מחזיק המסנן אל תוך בקבוק דגימה של 60 מיליליטר.
יש למלא את הבקבוקים עד לגובה הכתף לכל היג不多, לסגור אותם במכסה ולהניח את הדגימות בתוך צידנית. לבסוף, יש לנתח את הדגימות לקביעת ריכוזי פחמן וחנקן אורגניים מומסים וכל פרמטר אחר בעל עניין, לפי סדר עולה של מוליכות. גרפים אלו הם רגרסיות ליניאריות של מדידות ריכוזי חנקן אורגני מומס, או DON, לאחר הוספת חנקן (nitrate) באמצעות שיטת הפעימה (pulse method).
התוצאות מראות כי ריכוזי חנקן אורגני מומס משתנים בתגובה להוספת חנקה. נצפתה שונות בתגובת החנקן האורגני המומס גם בתוך אתרים בזמני דגימה שונים, דבר המצביע על כך שקהילות מיקרוביאליות מימיות עשויות להשתמש ברכיבים שונים של החומר האורגני המומס בזמנים שונים של עונת הגדילה. מתאמים חיוביים מפורשים כמשקפים את תפקידו של החנקן האורגני המומס כמקור רכיבי תזונה, בעוד שמתאמים שליליים מפורשים כמשקפים את תפקודו של החנקן האורגני המומס כמקור אנרגיה.
ניסויים שהראו קשרים שאינם מובהקים משקפים מאגר DON שאינו מגיב, או מאגר שבו תהליכים מבוססי חומרי הזנה ותהליכים מבוססי אנרגיה מקזזים זה את זה. כאן, הגרפים מראים רגרסיות ליניאריות של פחמן אורגני מומס, או DOC, לאחר הוספת חנקטים. בניגוד לגרפים של ה-DON, אלה מראים מקרים מעטים של שינויים מובהקים בריכוז ה-DOC כתוצאה מהוספת חנקטים.
ייתכן כי הדבר מעיד על כך שלחלקיקים העשירים בחנקן ובפחמן של מאגר החומר האורגני המומס יש סט ייחודי של בקרות אקולוגיות וביוגאוכימיות, וכי מאגר ה-DOC הסביבתי הוא עמיד מאוד לפירוק. לאחר רכישת מיומנות, ביצוע טכניקה זו עשוי להימשך בין שלוש לשש שעות, תלוי במערכת. בעת ביצוע שיטה זו, חשוב למנוע זיהום של דגימות בעלות מוליכות נמוכה על ידי דגימות בעלות מוליכות גבוהה.
בעקבות נוהל זה, ניתן לחשב שיטות אחרות, כגון קינטיקה של ספיגת חומרי הזנה, כדי לקבוע כיצד קצב וזרימת ספיגת חומרי ההזנה קובעים את ריכוזי הפחמן האורגני המומס והחנקן האורגני המומס. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום הביוגאוכימיה של מיים לחקור את הגורמים השולטים בשימור חומרי הזנה בתוך מערכות אקולוגיות של נחלים. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי מחזורי חומרי הזנה בנחלים, ניתן להחיל אותה פוטנציאלית על סביבות אחרות, כגון מי תהום ומערכות פיסוריות.
לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה של אופן ביצוע ניסויי הוספת חומרי הזנה במערכות אקולוגיות של נחלי ראש.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה מבוססת שטח להשפעה על מאגר החומר האורגני המומס בסביבת מערכות אקולוגיות של נחלים באמצעות פולסים של חומרי הזנה. השיטה שואפת להבין את תגובת החומר האורגני לשינויים בריכוז חומרי ההזנה, ובכך לספק תובנות לגבי הביוגיאוכמיה של הנחלים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- אקולוגיה של נחלים
- ביוגאוכימיה
- מדעי הסביבה
רקע
- חומר אורגני מומס הוא קריטי לאספקת אנרגיה וחומרים מזינים במערכות אקולוגיות של נחלים.
- הבנת הקשר בין חומר אורגני למחזור חומרי הזנה היא חיונית.
- שיטת דחף חומרי ההזנה (nutrient pulse method) מאפשרת מניפולציה של המערכת האקולוגית כולה.
- ניתן לשכפל טכניקה זו בקלות במסגרות שונות.
מטרת המחקר
- לשלוט במאגר החומר האורגני המומס in situ.
- לבחון כיצד חומר אורגני מגיב לשינויים בריכוז הנוטריינטים.
- לחקור את ההשלכות על ייצוא פחמן וחנקן באגני ניקוז.
שיטות שהשתמשו בהן
- פריסה של מד מוליכות שטח.
- בחירת נקודות דגימה במעלה הזרם של אתר האיסוף.
- החלת פולסים של חומרי הזנה ליצירת ריכוזי חומרי הזנה דינמיים.
- ניטור שינויים בריכוזים של חומר אורגני מומס.
תוצאות עיקריות
- שיטת פולס החומרי הזנה מניפולית באופן יעיל את רמות החומר האורגני המומס.
- ריכוזי החומר האורגני רגישים לשינויים בחומרי הזנה.
- שיטה זו מספקת גישה חדשה לחקר הביוגוכימיה של נחלים.
- לממצאים יש השלכות על הבנת שימור חומרי הזנה בנחלים.
מסקנות
- שיטת פולס החומרים המזינים היא כלי בעל ערך למחקרי מערכת אקולוגית.
- היא משפרת את ההבנה של מחזור החומר האורגני והחומרים המזינים.
- הטכניקה יכולה לספק מידע עבור שיטות ניהול לבריאות אגן ניקוז.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למשקיעים ומנהלים
הבנת הביוגאוכימיה של חומר אורגני מומס (DOM) היא קריטית לחיזוי מחזורי רכיבי תזונה ויצוא פחמן במערכות מימיות, דבר המנחה הערכות סיכונים סביבתיים ומידול של מערכות אקולוגיות בתחומים הרלוונטיים לביופארמה, כגון טיפול בששפכים וב bioremediation. שיטת פולס רכיבי התזונה (nutrient pulse method) מאפשרת מניפולציה של מאגרי DOM במערכת אקולוגית שלמה, ומספקת תובנות מכניסטיות לגבי האופן שבו תנודות ברכיבי תזונה משנות את הרכבו ותפקודו של החומר האורגני. גישה זו תומכת בתיקוף מטרות בביוטכנולוגיה סביבתית על ידי קישור קלט של רכיבי תזונה לפלטים ביוגאוכימיים, ובכך מפחיתה סיכונים ביישומים תרגומיים של התערבויות בקנה מידה של מערכת אקולוגית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: בוחן כיצד ריכוזי רכיבי תזונה מווסתים את הרכב ה-DOM, מה שמאפשר בדיקת השערות לגבי ניצול מיקרוביאלי של פראקציות אורגניות ספציפיות.
- ערך תפעולי: מספק שיטה שמימה בשטח להערכת התגובתיות של ה-DOM לפולסי רכיבי תזונה, ובכך תומך בסריקה סטנדרטית של משתנים סביבתיים.
- ערך ניבוי: מאפשר להסיק אילו פראקציות של ה-DOM משמשות כמקורות תזונה לעומת מקורות אנרגיה, דבר המסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים בניתוח מסלולי ביודגרדציה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מדידות כמותיות של פחמן אורגני מומס (DOC) וחנקן אורגני מומס (DON) לאורך מדרגות של רכיבי תזונה, דבר המאפשר בניית פרופיל של תגובה למינון.
- ערך תפעולי: משתמש בדגימה המופעלת על ידי מוליכות כדי להבטיח רזולוציה זמנית אחידה, ובכך משפר את הדירות הבדיקה בתנאי שטח דינמיים.
- יכולת הרחבה: הסתמכות השיטה על ציוד נייד (מד מוליכות, בקבוקי HDPE) מאפשרת פריסה במערכות נחלים מגוונות לצורך סריקה השוואתית.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מקשרת בין מניפולציות תזונתיות קצרות טווח לבין תפקודי מערכת אקולוגית ארוכי טווח, כגון ייצוא פחמן וחנקן מאגן הניקוז, ובכך תומכת בהכללה למודלים בקנה מידה רחב יותר.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מבדילה בין פרקציוני DOM המגיבים להזנה לבין פרקציונים עמידים, ובכך מפחיתה את אי-הוודאות בחיזוי תוצרי ביו-דגרדציה תחת עומסים תזונתיים משתנים.
- קידום מותאם סיכונים: מזהה תנאים שבהם מאגרי DOM מראים תגובה שאינה מובהקת, ובכך מסייעת במיון סביבות שבהן הוספת חומרי הזנה עשויה שלא לשנות את מחזור החומר האורגני.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילויים של הביוטכנולוגיה הסביבתית, ומקשרת בין סריקה מכניסטית בשלב מוקדם לבין מידול חיזוי של יחסי גומלין בין חומרי הזנה לחומר אורגני בממשקים יבשתיים-מימיים.
- ביולוגיה של גילוי: בוחן את ההשערה שדחפי חומרי הזנה משנים את הזמינות הביולוגית של DOM, ובכך מבהיר את הגורמים השולטים בעיבוד חומר אורגני בקהילות מיקרוביאליות.
- סריקה: מאפשר מדידה כמותית וסטנדרטית של שטפי DOC ו-DON, ובכך תומך בדגימה זמנית ברזולוציה גבוהה במהלך מעבר חומרי הזנה.
- אנליזה: מפיק פלטי רגרסיה לינארית של ריכוזי DOC ו-DON לאחר הוספת חנקות, מה שמקל על השוואה סטטיסטית של השפעות הטיפול בין אתרים ועונות שונות.
- מחקר תרגומי: מקשר בין תגובות מיידיות של DOM להשלכות במורד הזרם על אגירה וייצוא של חומרי הזנה, ובכך מספק מידע למודלים ביו-גיאו-כימיים בקנה מידה של אגן ניקוז.
- שימוש חוזר בארגון: פשטות הפרוטוקול וההסתמכות על כלים הניתנים לפריסה בשטח מאפשרות התאמה למערכות אקולוגיות שונות (למשל, מי תהום, פיורד/מstuaries) ליישום דמוי-פלטפורמה בתוכניות לניטור סביבתי.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: פותר עמימות מכניסטית באינטראקציות בין חומר אורגני מומס (DOM) לרכיבי תזונה, על ידי הבחנה בין פראקציות לביליות (labile) לפראקציות עמידות (refractory) באמצעות תבניות תגובה אמפיריות.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות דגימה מונחית-מוליכות ומדידות רקע בשלוש חזרות, ובכך ממזער את השונות בהערכות המבוססות על השטח.
- ערך אסטרטגי: תומך בהחלטות "המשך/עצור" (go/no-go) בבחירת יעדים לביורמדיאציה, על ידי זיהוי סביבות שבהן סטימולציה של רכיבי תזונה גורמת למובליזציה יעילה של מאגרי חומר אורגני.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תיעוד ותיעוד של סדרי עדיפויות מותאמי-סיכון עבור אתרי שטח או קונסורציומים מיקרוביאליים על בסיס התגובתיות של ה-DOM, ובכך משפר את היעילות של קמפיינים בביוטכנולוגיה סביבתית.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בתחום הביוגאוכימיה של השטח וטיפול בחומרי הזנה כדי למנוע זיהום של הדגימות ולהבטיח הכנה מדויקת של המומסים.
- תלוי בשימוש במד-מוליכות נייד ובחומרי דגימה מסוג HDPE ששטופים בחומצה, על מנת לשמור על תקינות המדידות בתנאים של מוליכות נמוכה.
- מחייב פרוטוקולים סטנדרטיים של תזמון ביחס להגעה ולעזיבה של המומס, כפי שנקבע על ידי ספי מוליכות, כדי להבטיח מערכי נתונים ברי-השוואה.
- חייבים להתחשב בשונות מיקרוביאלית עונתית, שכן הניצול של רכיבי ה-DOM משתנה עם הזמן, מה שמשפיע על השחזור בין קמפיינים של דגימה.
- מוגבל למערכות אקולוגיות שבהן פולסים של חומרי הזנה יוצרים שינויים ניתנים לזיהוי במוליכות; עשוי לדרוש התאמה ברקעים בעלי חוזק יוני גבוה.
שאלות נפוצות על ביו-פרמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:02
Background Recording and Setup
2:01
Addition of Solutes to the Stream
3:25
Field Sample Collection
4:32
Sample Filtration and Analysis
6:38
Results: Nutrient Pulse Method Demonstrates How Concentrations of Dissolved Organic Carbon and Dissolved Organic Nitrogen Respond Across a Dynamic Range of Nutrient Concentrations
8:25
Conclusion
