Articolo metodologico

Progettazione e realizzazione di un setup sperimentale per il miglioramento dell'alterazione dei minerali attraverso l'attività degli organismi del suolo

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DOI:

10.3791/65563

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10 novembre 2023

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1Soil Biology Group, Wageningen University & Research, 2Soil Chemistry and Chemical Soil Quality, Wageningen University & Research, 3Department of Earth Sciences, Uppsala University, 4Institute for Geology, Center for Earth System Research and Sustainability, University of Hamburg, 5Tupola, Wageningen University & Research, 6IDLab - Department of Computer Science, University of Antwerp - imec, 7Plants and Ecosystems (PLECO), Biology Department, University of Antwerp, 8Research Group of Sustainable Energy, Air and Water Technology, University of Antwerp, 9Department of Mathematics, University of Antwerp - imec

In questo articolo

Sommario

Qui presentiamo la costruzione e il funzionamento di un setup sperimentale per migliorare l'alterazione minerale attraverso l'attività degli organismi del suolo manipolando contemporaneamente variabili abiotiche note per stimolare l'erosione. Vengono discussi i risultati rappresentativi del funzionamento del setup e delle analisi del campione, insieme ai punti di miglioramento.

Abstract

L'Enhanced Weathering (EW) è una tecnologia emergente di rimozione dell'anidride carbonica (CO2 ) che può contribuire alla mitigazione dei cambiamenti climatici. Questa tecnologia si basa sull'accelerazione del processo naturale di alterazione dei minerali nei suoli manipolando le variabili abiotiche che governano questo processo, in particolare la granulometria dei minerali e l'esposizione agli acidi disciolti nell'acqua. L'EW mira principalmente a ridurre le concentrazioni atmosferiche di CO2 migliorando il sequestro del carbonio inorganico. Fino ad ora, la conoscenza dell'EW è stata acquisita principalmente attraverso esperimenti che si sono concentrati sulle variabili abiotiche note per stimolare l'erosione minerale, trascurando così la potenziale influenza delle componenti biotiche. Mentre batteri, funghi e lombrichi sono noti per aumentare i tassi di alterazione dei minerali, l'uso di organismi del suolo nel contesto dell'EW rimane poco esplorato.

Questo protocollo descrive la progettazione e la costruzione di un setup sperimentale sviluppato per migliorare i tassi di alterazione dei minerali attraverso gli organismi del suolo, controllando contemporaneamente le condizioni abiotiche. L'installazione è progettata per massimizzare i tassi di alterazione degli agenti atmosferici mantenendo l'attività degli organismi del suolo. È costituito da un gran numero di colonne riempite con polvere di roccia e materiale organico, situate in una camera climatica e con acqua applicata tramite un sistema di irrigazione a flusso discendente. Le colonne sono poste sopra un frigorifero contenente taniche per raccogliere il percolato. Risultati rappresentativi dimostrano che questa configurazione è adatta a garantire l'attività degli organismi del suolo e a quantificare il loro effetto sul sequestro del carbonio inorganico. Le sfide rimangono nel ridurre al minimo le perdite di percolato, garantire una ventilazione omogenea attraverso la camera climatica ed evitare l'allagamento delle colonne. Con questa configurazione, viene proposto un approccio innovativo e promettente per migliorare i tassi di alterazione minerale attraverso l'attività del biota del suolo e districare l'effetto dei fattori biotici e abiotici come driver dell'EW.

Introduzione

L'Enhanced Weathering (EW) è una tecnologia relativamente nuova e a bassa tecnologia per la rimozione dell'anidride carbonica (CDR) con un potenziale significativo per mitigare il cambiamento climatico 1,2,3. Il principio di questa tecnologia si basa sull'accelerazione del processo naturale di alterazione dei minerali nel suolo, portando al sequestro dell'anidride carbonica (CO2 ) come carbonio inorganico (IC)3. L'invecchiamento potenziato mira ad aumentare il sequestro dell'IC ottimizzando artificialmente i fattori che governano l'erosione minerale, aumentando così la velocità con cui si verifica l'alterazione atmosferica a scale temporali umanamente rilevanti3. Affinché l'EW sia più efficace, i minerali silicati a rapida alterazione atmosferica vengono macinati in una polvere con una distribuzione granulometrica nell'intervallo da micrometri a millimetri per raggiungere un'elevata area superficiale reattiva nell'intervallo ~1 m2·g-1 3,4.

Finora, la conoscenza dell'EW è stata fornita principalmente da esperimenti che si concentrano sui fattori abiotici che governano la velocità con cui i minerali vengono disciolti5. Questi includono la reattività minerale e l'area superficiale, la temperatura, la composizione della soluzione, il tempo di permanenza dell'acqua e l'acidità 4,6,7, ma la ricerca deve ancora essere fatta in questo contesto. Oltre ad essere influenzati da fattori abiotici, i sistemi naturali, e i suoli in particolare, sono modellati da un vasto numero di organismi, che vanno dai microbi alla macrofauna come i lombrichi. Nonostante alcuni studi abbiano mostrato poca o nessuna influenza dell'attività biotica della dissoluzione minerale 8,9,10, altri studi hanno fornito prove che gli organismi del suolo come batteri 11,12, funghi 13,14 e lombrichi15,16 potrebbe aumentare i tassi di alterazione dei minerali. Pertanto, i componenti biotici potrebbero essere la chiave per comprendere l'effettivo potenziale di sequestro dell'ICdi EW 5.

Il primo meccanismo comune attraverso il quale gli organismi del suolo potrebbero accelerare la dissoluzione dei minerali è attraverso il rilascio di CO2 durante la respirazione, che aumenta l'acidificazione del suolo17. Inoltre, batteri e funghi potrebbero aumentare l'erosione minerale trasudando protoni, chelati, acidi organici ed enzimi, che migliorano la dissoluzione minerale 18,19,20,21. Ad esempio, la chelazione attraverso i gruppi carbossilici e ossidrilici può creare squilibri ionici, trasportando elementi lontano dalle superfici dei minerali e abbassando gli stati di saturazione20,22. Ciò potrebbe portare a una minore formazione di minerali secondari e a una maggiore efficienza dell'EW. Inoltre, nutrendosi di particelle di suolo, le forti azioni delle pareti del corpo dei lombrichi potrebbero scomporre i granuli minerali in particelle più fini, aumentando la loro superficie reattiva disponibile23. I microbi che vivono nell'intestino dei lombrichi e negli escrementi freschi potrebbero attaccare ulteriormente queste particelle più piccole, che essudano ulteriormente gli acidi organici e gli enzimi24,25. Attraverso la loro attività di scavo, oltre a contribuire alla miscelazione di particelle organiche e minerali, i lombrichi creano anche macropori che potrebbero consentire al flusso d'acqua di bypassare lo spazio poroso saturo17. Ciò potrebbe consentire all'acqua di interagire con diverse superfici minerali e migliorare il tasso di contatto acqua-roccia.

Fino ad ora, non è stata costruita alcuna configurazione per studiare i tassi di EW e quindi il sequestro di IC utilizzando organismi del suolo, garantendo al contempo la possibilità di ottimizzare diverse condizioni abiotiche rilevanti, come gli apporti idrici, la temperatura, il tipo di minerale e la dimensione dei grani minerali. Qui vengono presentati il progetto e la spiegazione delle fasi di costruzione di un setup innovativo che mira ad aumentare i tassi di EW attraverso l'attività degli organismi del suolo in piccoli mesocosmi. L'allestimento sperimentale consiste in 203 colonne (lunghezza 15 cm, diametro 7 cm) poste in una camera climatica (4,54 m x 2,72 m) a 25 °C per 8 settimane. Le 203 colonne sono divise in 10 gruppi da 18 e 2 gruppi da 10 per adattarsi alla camera climatica. Uno dei due gruppi di 10 colonne viene utilizzato per consentire l'inserimento di altre tre colonne che vengono utilizzate come spazi vuoti. Ogni gruppo è posizionato sopra un frigorifero ed è sormontato da un sistema di irrigazione controllabile a distanza, che consente velocità di irrigazione variabili all'interno e tra i frigoriferi. Il percolato di ogni colonna viene raccolto in una tanica mantenuta a temperatura costante in frigorifero (Figura 1). Un frigorifero raccoglie il percolato di un gruppo di colonne, il che significa che un frigorifero può essere considerato come un unico sistema di 18 o 10 colonne. Pertanto, il numero di colonne in questa configurazione sperimentale può essere regolato in base ai requisiti sperimentali con un massimo di 203 colonne.

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Figura 1: Vista laterale schematica della configurazione che mostra 5 colonne ma considerando un sistema di 18 colonne. Il telaio che sostiene le colonne è costituito da piastre in acciaio inox, viti in acciaio inox e lastre in acrilico. Le colonne sono posizionate al centro del telaio e sono sormontate da un sistema di irrigazione. Al di sotto delle colonne, gli imbuti sono collegati alle taniche attraverso tubi per raccogliere il percolato. Le taniche si trovano in un frigorifero che contiene l'intero sistema. Il frigorifero può essere aperto sollevando il coperchio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In questo allestimento, l'utilizzo di polveri di roccia silicatica di granulometrie specifiche garantisce il raggiungimento di elevati tassi di invecchiamento, mentre l'inoculo con batteri, funghi e lombrichi appositamente selezionati garantisce l'attività biotica in questo sistema artificiale. La configurazione consente la quantificazione simultanea del carbonio sequestrato nei campioni solidi e liquidi misurando sia l'IC disciolto che quello solido, nonché l'alcalinità totale (TA). Inoltre, altri parametri come il pH, la conducibilità elettrica (EC) e gli ioni possono essere misurati nel percolato come indicatori di agenti atmosferici. Questa configurazione consente anche di valutare l'impatto della sopravvivenza e dell'attività degli organismi del suolo. Sono stati mostrati risultati rappresentativi che dimostrano l'idoneità di questo protocollo a costruire una configurazione in cui l'aumento dei tassi di alterazione atmosferica deriva non solo da fattori abiotici ma anche da fattori biotici.

Protocollo

Di seguito, viene descritto un protocollo dettagliato per la costruzione delle diverse parti dell'allestimento considerando un sistema di 18 colonne.

1. Costruzione del telaio che regge le colonne

  1. Preparare lastre acriliche per contenere l'impianto di irrigazione, le colonne, gli imbuti e i tubi per raccogliere il percolato.
    1. Tagliare tre lastre acriliche (lastre acriliche 1-3) di dimensioni 63 cm x 67 cm e una lastra acrilica (lastra acrilica 4) di dimensioni di 45 cm x 56 cm.
    2. Su ogni piastra acrilica, praticare 18 fori seguendo le istruzioni nei passaggi seguenti.
      1. Piastra acrilica 1 - piastra superiore: praticare dei fori di diametro 0,7 cm per inserire successivamente i tubi dell'impianto di irrigazione.
      2. Lastra acrilica 2 - secondo dalla piastra superiore: praticare dei fori di diametro 8 cm per inserire le colonne in un secondo momento (Figura 2).
      3. Piastra acrilica a 3 secondi dalla piastra inferiore: praticare dei fori di diametro 1,2 cm per inserire gli imbuti in un secondo momento.
      4. Piastra in acrilico 4 - piastra inferiore: praticare dei fori di diametro 1,2 cm per inserire successivamente i tubi di plastica che portano il percolato alle taniche.
    3. Inoltre, praticare un foro di diametro 1,1 cm in ogni angolo e un foro di diametro 1,1 cm sui lati delle lastre acriliche 1-3 per inserire le viti in acciaio inossidabile.
    4. Per ogni lastra acrilica, stampare etichette di plastica con i numeri delle colonne (1-18) utilizzando una stampante per etichette e incollarle sotto il rispettivo foro.
      NOTA: L'incollaggio di etichette sulle piastre acriliche 2, 3 e 4 in base al numero delle 18 colonne aiuta a posizionare le diverse parti della configurazione nella rispettiva posizione durante l'installazione.
  2. Utilizzare piastre e viti in acciaio inossidabile per tenere le piastre acriliche.
    1. Prendiamo ad esempio le piastre in acciaio inossidabile su misura, che sono state realizzate seguendo il design mostrato nella Figura 3 con dimensioni 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm e uno spessore di 1,5 mm.
    2. Praticare fori di diametro 1,1 cm in ogni angolo e sui lati di ogni piastra in acciaio inossidabile.
    3. Prendi le viti in acciaio inossidabile (50 cm di lunghezza).
    4. Inserire le piastre acriliche seguendo l'ordine dall'alto verso il basso per le piastre acriliche 1 (tubi di irrigazione), 2 (colonne) e 3 (imbuti) sulle viti in acciaio inossidabile. Utilizzare due dadi esagonali e due supporti rondella per ogni angolo per mantenere la piastra acrilica in posizione.
      NOTA: Mantenere una distanza sufficiente tra ciascuna lastra acrilica per inserire i diversi componenti in un secondo momento. Mantenere una distanza di ~19,5 cm dalla lastra acrilica 1 alla lastra acrilica 2, ~10,5 cm dalla lastra acrilica 2 alla lastra acrilica 3 e ~16,5 cm dalla lastra acrilica 3 alla lastra acrilica 4.
    5. Installare le piastre in acciaio inossidabile superiore e inferiore sulle viti in acciaio inossidabile utilizzando due dadi esagonali e due supporti rondella per ciascun angolo.
    6. Posizionare l'intero sistema sopra il frigorifero dopo che la costruzione del sistema frigorifero è stata completata.

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Figura 2: Vista schematica dall'alto del disegno della lastra acrilica 2 dove sono posizionate le colonne. Le etichette numerate indicano dove devono essere posizionate le colonne corrispondenti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Progettazione delle piastre in acciaio inossidabile. (A,B) Piastra superiore. (C,D) Piastra inferiore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Realizzazione dell'impianto frigorifero per la raccolta del percolato

  1. Prepara il frigorifero per posizionare le taniche.
    1. Rimuovere entrambi i coperchi dal frigorifero e riposizionare il coperchio posteriore con una piastra acrilica 4.
      NOTA: Una volta installata, questa piastra acrilica non deve essere rimossa. Per lavorare all'interno del frigorifero, rimuovere il coperchio anteriore sollevandolo.
    2. Posizionare il frigorifero nella camera climatica e collegarlo.
    3. Impostare la temperatura del frigorifero a 4 °C e posizionare un datalogger all'interno del frigorifero.
    4. Chiudere il frigorifero con il coperchio anteriore.
    5. Monitorare i dati registrati dal datalogger durante la notte. Se la temperatura si discosta dal valore desiderato, rimuovere il reticolo nella parte inferiore del frigorifero e regolare la temperatura. Ripetere questa procedura fino al raggiungimento della temperatura desiderata.
  2. Utilizzare tubi in cloruro di polivinile (PVC) per collegare gli imbuti alle taniche.
    1. Tagliare 18 tubi in PVC (diametro interno 0,8 cm) di lunghezza adeguata per raggiungere ogni tanica dai diversi imbuti secondo i rispettivi numeri.
      NOTA: La lunghezza varia da un minimo di 38 cm per il tubo più corto ad un massimo di 81 cm per il tubo più lungo.
    2. Sciacquare i tubi in acqua semi-bassa prima del loro primo utilizzo; in ogni altro caso, immergerli per 4 giorni in 50 L di acqua dove sono stati diluiti 30 g del prodotto a base di acido citrico per eliminare i precipitati carbonatici. Successivamente, sciacquare nuovamente i tubi con acqua semi-acqua.
      ATTENZIONE: anche se il prodotto per l'acido citrico è sicuro da usare, evitare il contatto con gli occhi e il contatto prolungato con la pelle utilizzando adeguate misure protettive.
      NOTA: se è disponibile acqua ultrapura, è preferibile utilizzarla al posto dell'acqua semi.
    3. Lasciare asciugare i tubi all'aria per 24 ore.
    4. Inserire i tubi nella piastra acrilica 4 secondo i rispettivi numeri.
  3. Installare imbuti per dirigere il percolato verso le taniche.
    1. Pulire 18 imbuti con etanolo prima del loro primo utilizzo; in tutti gli altri casi, seguire la stessa procedura indicata per i tubi in PVC.
      ATTENZIONE: L'etanolo è infiammabile e può causare irritazione agli occhi, alla pelle e alle vie respiratorie, vertigini e respirazione superficiale. L'etanolo è dannoso per ingestione, inalazione o assorbimento cutaneo.
    2. Inserire gli imbuti nella piastra acrilica 3 e collegarli ai rispettivi tubi in base al loro numero.
  4. Installare taniche per raccogliere il percolato.
    1. Prendi 10 taniche in polietilene ad alta densità (HDPE) con una capacità di 10 L e 8 taniche in HDPE con una capacità di 5 L.
      NOTA: Le taniche da 5 L vengono utilizzate per basse velocità di irrigazione, mentre le taniche da 10 L vengono utilizzate per alte velocità di irrigazione (vedi Tabella 1). Vengono scelte le taniche in HDPE in quanto questo materiale è chimicamente inerte.
    2. Diluire 50 ml di sapone per lavastoviglie in 10 L di acqua di rubinetto. Sciacquare le taniche una volta con questa soluzione, una volta con acqua di rubinetto e una volta con acqua demi-water. Ripetere questa procedura di pulizia prima di qualsiasi altro utilizzo.
      NOTA: se è disponibile acqua ultrapura, è preferibile utilizzarla al posto dell'acqua semi.
    3. Lasciare asciugare le taniche all'aria per 24 ore.
    4. Praticare un foro nel coperchio di ogni tanica di diametro 1,2 cm per inserire il tubo di plastica per raccogliere il percolato.
    5. Chiudere le taniche con il rispettivo coperchio.
    6. Disporre le taniche in frigorifero in due strati seguendo lo schema mostrato nella Figura 4 collegando contemporaneamente i tubi alle taniche.

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Figura 4: Panoramica schematica delle taniche all'interno del frigorifero in due strati impilati, inferiore (lato sinistro) e strato superiore (lato destro). I cerchi neri indicano la direzione dei coperchi, mentre i rettangoli blu e verde indicano rispettivamente taniche da 10 L e 5 L. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Costruzione delle colonne e del sistema a maglie

  1. Utilizzare le colonne in PVC come mesocosmi per incubare la polvere di roccia e gli organismi del suolo
    1. Tagliare i tubi di PVC in 18 colonne con una lunghezza di 15 cm.
    2. Pulire le colonne seguendo la procedura 1 se è per il loro primo utilizzo e la procedura 2 in tutti gli altri casi.
      1. Procedura 1:
        1. Immergere le colonne in semi-acqua per 48 ore.
          NOTA: se è disponibile acqua ultrapura, è preferibile utilizzarla al posto dell'acqua semi.
        2. Risciacquare le colonne con acqua semi. Asciugare e pulire le colonne con etanolo.
        3. Numerare le colonne utilizzando etichette o direttamente con un pennarello sul tubo.
      2. Procedura 2:
        1. Immergere le colonne in acqua per 1 giorno.
        2. Usa la spazzola per rimuovere eventuali residui sperimentali.
        3. Asciugare e pulire le colonne con etanolo.
  2. Usa gli anelli centrali per sostenere le colonne sopra gli imbuti.
    1. Con una stampante 3D, disegna un anello (diametro di 8,5 cm e spessore di 0,5 cm). Assicurati di disegnare un altro anello nella parte inferiore che si inserisca nei fori della piastra acrilica 2 per una maggiore stabilità delle colonne (Figura 5).
    2. Stampa 18 anelli con la stampante 3D utilizzando materiale in poliuretano termoplastico (TPU) 95A.
    3. Posiziona gli anelli sulle colonne in una posizione che mantenga le colonne 2-3 cm sopra gli imbuti.
  3. Utilizzare un sistema a rete nella parte inferiore delle colonne per filtrare il percolato e ridurre al minimo le perdite di particelle.
    1. Tagliare la rete (pori da 10 μm e 20 μm) in quadrati di 12 cm x 12 cm.
    2. Immergere la rete in acqua ultrapura per 2 giorni. Lasciare asciugare la rete all'aria.
    3. Nella parte inferiore della colonna, posizionare la prima maglia di 20 μm. Posizionare uno strato di 1 cm di perline di plastica sulla rete da 20 μm.
    4. Posizionare la seconda maglia da 10 μm sopra la maglia da 20 μm e lo strato di perline di plastica.
    5. Posizionare due fascette per mantenere il sistema a rete in posizione. Stringere le fascette e tagliarne i bordi.
      NOTA: La Figura 6 mostra come deve essere assemblato il sistema a rete nella parte inferiore della colonna.
  4. Usa una rete superiore per evitare la fuga dei lombrichi.
    1. Tagliare la maglia di 1 mm di dimensione dei pori in quadrati di 12 cm x 12 cm.
    2. Una volta che le colonne sono state riempite di polvere di roccia e sono stati introdotti i lombrichi (sezione 7), posizionare la rete sopra le colonne.
      NOTA: Questa rete deve essere posizionata sopra le colonne per evitare che i lombrichi fuoriescano dalle colonne. Nel caso in cui i lombrichi non vengano introdotti, si consiglia comunque di utilizzare questa rete per mantenere le stesse condizioni per tutte le colonne.
    3. Posiziona un elastico attorno alla rete per tenerla in posizione.

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Figura 5: Modello dell'anello per sostenere le colonne per la stampante 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 6: Schema di costruzione del sistema mesh nella parte inferiore della colonna. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Costruzione dell'impianto di irrigazione

  1. Progettare e realizzare irrigatori per distribuire l'acqua in modo uniforme sulle colonne
    1. Con una stampante 3D, realizzare un progetto per un irrigatore seguendo il modello e le relative dimensioni mostrate nella Figura 7.
    2. Stampa 18 irrigatori con la stampante 3D utilizzando il materiale TPU 95A.
      NOTA: Dopo la stampa, lasciare asciugare gli irrigatori per almeno 24 ore prima di inserirli nei microtubi in PE per evitare di romperli.
  2. Installare l'impianto di irrigazione: valvole e tubi.
    1. Avvitare due naselli sulla parte anteriore di due elettrovalvole e avvitare due raccordi plug-in con raccordo a T sul retro delle elettrovalvole.
      NOTA: Se si desidera che il tubo dell'acqua termini con questo sistema e non continui con altri sistemi, avvitare sul retro della valvola che verrà posizionata verso l'estremità del frigorifero un raccordo a innesto con due connessioni invece del raccordo a innesto a T. In questo modo, l'allacciamento idrico termina qui.
    2. Installare le due elettrovalvole su un lato della piastra superiore in acciaio inossidabile.
      NOTA: Una valvola controlla un tubo di irrigazione, che a sua volta irriga 8 o 10 colonne delle 18 colonne totali.
    3. Tagliare il tubo di irrigazione in polietilene a bassa densità (LDPE) in due tubi da 53 cm.
    4. Chiudere un lato di ogni tubo con un tappo terminale.
    5. Avvolgere l'altra estremità dei tubi in nastro di politetrafluoroetilene (PFTE) e collegarla alle elettrovalvole.
    6. Fai 8 fori nel primo tubo di irrigazione più vicino alla parte anteriore del frigorifero e fai 10 fori nel secondo tubo di irrigazione più lontano dalla parte anteriore del frigorifero.
      NOTA: è molto importante eseguire i fori utilizzando un punzone manuale, in quanto necessario per il corretto posizionamento e funzionamento dei regolatori di pressione. L'uso di altri strumenti come trapano è sconsigliato.
    7. Inserire i regolatori di pressione nei fori dei due tubi.
    8. Tagliare il microtubo in polietilene (PE) in 18 tubicini di lunghezza 20 cm per raggiungere le colonne dal tubo di irrigazione e collegarli ai regolatori di pressione.
    9. Inserire i tubicini nei fori della lastra acrilica 1.
    10. Inserire gli irrigatori nei tubicini orizzontalmente rispetto alla superficie delle colonne.
      NOTA: Se si verificano problemi con il sistema di irrigazione (ad es. blocchi nel flusso d'acqua o flusso d'acqua incontrollabile), ciò può essere dovuto a: (a) malfunzionamento delle valvole, (b) particelle rimaste nel tubo; (c) Nastro PFTE non avvolto correttamente attorno all'estremità del tubo. Per il punto a, sostituire la valvola. Per i punti b e c, assicurarsi che i tubi siano puliti prima di iniziare l'irrigazione delle colonne e che non pendano residui del nastro PFTE rispettivamente dal tubo. È importante evitare qualsiasi trasferimento di particelle che potrebbero impedire il corretto funzionamento della valvola.
  3. Predisporre l'allacciamento per il trasporto dell'acqua.
    1. Tagliare il tubo in poliuretano (PU) in tre diversi tubi per il collegamento dell'acqua. Le lunghezze esatte dei tubi flessibili variano a seconda del design del sistema e della camera. Utilizzare il primo tubo per collegare il raccordo a T della prima valvola al rubinetto, il secondo tubo per collegare i raccordi a T di ciascuna valvola e il terzo tubo per collegare il raccordo a T della seconda valvola al sistema successivo.
      NOTA: Se non è necessario un collegamento al sistema successivo, non è necessario tagliare il terzo tubo.
    2. Collegare i tubi in PU ai raccordi a innesto a T sul retro delle elettrovalvole.
    3. Collegare il tubo in PU della prima valvola con il rubinetto avvitando un raccordo a innesto con due connessioni sull'anello adattatore.
    4. Aprire il rubinetto per consentire all'acqua di fluire nei tubi.
  4. Installare il sistema di controllo e impostare il collegamento all'impianto di irrigazione.
    1. Collegare il controller abilitato per il Web, il modulo di espansione a otto relè e l'alimentatore su rotaia. Inserirli nell'involucro in policarbonato seguendo le istruzioni fornite dal produttore.
      NOTA: Un controller modulare corrisponde a un dispositivo, che a sua volta controlla otto relè. Un relè controlla l'apertura e la chiusura di una valvola specifica.
    2. Collegare le due valvole tra loro utilizzando i cavi elettrici e collegare il cavo di alimentazione a ciascuna valvola.
    3. Collegare l'altra estremità del cavo di alimentazione al controller abilitato per il Web.
    4. Collega tutto a una presa elettrica e stabilisci una connessione Internet per il controller abilitato al web.
  5. Impostare il controllo online delle impostazioni di irrigazione per impostare le velocità di irrigazione.
    1. Seguire le istruzioni fornite dal produttore per la configurazione e l'installazione. Per la programmazione e il test, utilizzare il browser Web.
    2. Vai a http://10.73.10.250/setup.html.
    3. Usa un nome utente e una password per accedere.
    4. Nel menu a sinistra, vai su Controllo/Logica e poi su Attività/Funzioni.
    5. Un relè controlla l'apertura e la chiusura di una valvola. Per ogni relè, ci sono due compiti, uno accende il relè (valvola aperta) e l'altro spegne il relè (valvola chiusa). Per modificare l'impostazione di ciascuna attività, fare clic su Modifica.
      1. Quando il task del relè deve essere attivato, impostare la data e l'ora in cui il relè deve iniziare a funzionare facendo clic su Data di inizio e Ora di inizio (ad esempio,4 maggio 2022 alle 7:45:00; vedere la Figura 8). Per impostare la frequenza di irrigazione, fare clic su Imposta ripetizione e Ripeti ogni (ad esempio, ogni giorno ogni 1 giorno/i per una frequenza di irrigazione di una volta al giorno; vedere la Figura 8). Per impostare la data in cui il relè smette di funzionare, fare clic su Termina data di ripetizione (ad esempio, 20maggio 2022 alle 23:59:59; vedere la Figura 8).
      2. Quando il task per il relè deve essere disattivato, impostare l'ora in cui il relè deve smettere di funzionare. Ciò dipende dalla velocità di irrigazione dell'acqua richiesta e dalla frequenza di irrigazione, ad esempio, impostare l'ora alle 7:46:30 per una ripetizione giornaliera. Ciò significa che il relè funziona per 1 min 30 s, per una quantità d'acqua di 50 mL·giorno-1 alla frequenza di irrigazione di una volta al giorno (vedi Tabella 1). Le date di inizio e fine sono le stesse dell'attività per l'accensione del relè, così come la frequenza di irrigazione.
    6. Al termine della configurazione di ciascun relè, ricordarsi di fare clic su Salva modifiche.
      NOTA: Non tutti i relè devono funzionare contemporaneamente, per evitare di sovraccaricare il sistema. Lasciare sempre almeno 30 s tra le attività dei diversi relè (ad esempio, il relè 1 del dispositivo 1 termina la sua attività alle 07:46:30, il relè 2 del dispositivo 1 inizia la sua attività alle 07:47:00).
    7. Verificare che le impostazioni di ciascun relè abbiano la stessa data di inizio e la stessa data di fine. La tabella 1 mostra un esempio del tempo necessario per diverse velocità di irrigazione dell'acqua a diverse frequenze di irrigazione.
      NOTA: Il sistema di irrigazione consente più velocità di irrigazione dell'acqua e frequenze di irrigazione oltre a quelle elencate, ma deve essere testato per quanto tempo le valvole devono rimanere aperte per diverse quantità d'acqua. Per le portate irrigue elencate nella Tabella 1 è comunque bene verificare con una prima prova se questa è valida, in quanto potrebbe variare in base alla pressione dell'acqua e alla progettazione dell'impianto.

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Figura 7: Modello dell'irrigatore per l'impianto di irrigazione con le relative dimensioni. (A) Vista dall'alto dell'irrigatore. (B) Vista laterale dell'irrigatore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 8: Esempio di visualizzazione delle impostazioni dell'impianto di irrigazione per l'accensione del relè. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tasso di irrigazione dell'acqua (mL·giorno-1)Frequenza di irrigazione (numero di volte ·giorno-1)Tempo di funzionamento del relè (s)
    
50		195
250
523
    
100		1190
2100
545
    
150		1280
2140
555

Tabella 1: Indicazioni dei tempi di apertura delle valvole per consentire diverse portate di irrigazione dell'acqua a diverse frequenze di irrigazione.

5. Selezione delle polveri di roccia, dei materiali organici e del biota del suolo

NOTA: Per questo esperimento, le polveri di roccia, i materiali organici e gli organismi del suolo vengono selezionati in base alla disponibilità, alla presenza locale e alla revisione della letteratura. Inoltre, i microbi sono selezionati in base alla loro non patogenicità, determinata dalla classificazione delle regole tecniche per gli agenti biologici (TRBA)26,27,28. A seconda dell'esatta domanda di ricerca, questi fattori possono essere modificati.

  1. Selezionare le polveri di roccia per gli esperimenti.
    NOTA: Le polveri di roccia selezionate per questi esperimenti sono rocce sia ultramafiche che mafiche di varie composizioni mineralogiche, come la dunite e la diabase. Ogni roccia ha due classi principali di granulometria, fine (gamma micrometrica) e grossolana (gamma millimetrica).
  2. Seleziona materiali organici per l'esperimento.
    NOTA: I materiali organici selezionati per questi esperimenti come fonte di cibo per il biota del suolo sono la paglia di grano e il digestato da letame e residui di mangimi per animali.
  3. Seleziona i batteri per l'esperimento.
    NOTA: I batteri selezionati per questi esperimenti sono Bacillus subtilis e Cupriavidus metallidurans. I batteri provengono dall'Istituto Leibniz DSMZ (Germania).
    1. Far crescere i batteri in brodo nutritivo, costituito da bactopeptone (10 g· L-1), estratto di carne (3 g· L-1) e cloruro di sodio (10 g· L-1) disciolto in acqua ultrapura (18,2 mΩ), seguendo le istruzioni del fornitore.
    2. Autoclavare tutti i terreni di coltura a 121 °C per 20 minuti prima dell'inoculazione con la vecchia coltura (volume = 1% della nuova coltura).
    3. Determinare la densità cellulare tramite il conteggio delle cellule con un ematotometro e verificare la conta cellulare tramite citometria a flusso.
      NOTA: Questo studio ha utilizzato un citometro a flusso dotato di laser viola (405 nm) e blu (488 nm), con una velocità di flusso di 10 μL/min, e rilevato nel canale FL1 (EX 488, EM 525/40).
  4. Seleziona i funghi per l'esperimento.
    NOTA: I funghi selezionati per questi esperimenti sono Knufia petricola, Suillus variegatus e Aerobasidium pullulans. I funghi provengono dall'Istituto Leibniz DSMZ (Germania), ad eccezione di K. petricola, che proviene dall'Istituto Westerdijk (Paesi Bassi).
    1. Coltivare le colture di funghi in brodo di estratto di malto, costituito da estratto di malto (20 g· L-1), D-(+)-glucosio (20 g· L-1) e idrolizzato di caseina (3 g· L-1) disciolto in acqua ultrapura (18,2 mΩ), seguendo le istruzioni del fornitore.
    2. Autoclavare tutti i terreni di coltura a 121 °C per 20 minuti prima dell'inoculazione con la vecchia coltura (volume = 1% della nuova coltura). Determinare la densità delle cellule tramite il conteggio delle cellule con un ematotometro.
  5. Seleziona i lombrichi per l'esperimento.
    NOTA: I lombrichi selezionati per questi esperimenti sono le specie endogeiche Aporrectodea caliginosa e Allolobophora chlorotica. I lombrichi vengono raccolti dal parco De Blauwe Bergen vicino alla Wageningen University & Research nei Paesi Bassi (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E) prima dell'esperimento.

6. Riempimento delle colonne

  1. Determinare la capacità di ritenzione idrica (WHC) delle polveri di roccia e dei materiali organici essiccando prima ciascun materiale a 105 °C. Quindi, metti il materiale secco in una ciotola e registra il peso. Aggiungere acqua poco alla volta fino a quando i materiali non sono abbastanza bagnati e registrare il peso finale. Il WHC è quindi dato dall'equazione 1.
    figure-protocol-8 (1)
  2. Macinare la cannuccia attraverso una smerigliatrice da 6 mm.
  3. Essiccare in forno i minerali e le sostanze organiche a 40 °C per 2 giorni consecutivi.
  4. Pesare 400 g di minerali e 10 g di materiali organici in una ciotola.
    NOTA: Le quantità possono essere adattate in base alle esigenze sperimentali, ma la miscela di materiali deve adattarsi all'interno della colonna.
  5. Regolare il WHC all'80% in base al tipo di minerale, alla granulometria del minerale e alla fonte organica presente.
  6. Mescolate il tutto con cura con un cucchiaio di metallo.
  7. Riempi le colonne con il composto.
  8. Posizionare le colonne riempite nella camera climatica nella rispettiva posizione, come mostrato nella Figura 2. Se le colonne non possono essere posizionate immediatamente nella camera climatica, conservarle a 15 °C e coprirle con un telo di plastica per evitare perdite d'acqua e limitare le variazioni delle condizioni iniziali.
    NOTA: Tenere le colonne nella parte inferiore e inserirle con cura nelle piastre acriliche per evitare la perdita del loro contenuto. Nella Figura 9 vengono illustrati schematicamente i passaggi da seguire per riempire le colonne.

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Figura 9: Panoramica schematica dei diversi passaggi per il riempimento delle colonne. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

7. Inoculo del biota nel suolo

  1. Inoculare batteri e funghi in due momenti durante il riempimento delle colonne (Metodo 1) o appena prima dell'aggiunta di lombrichi (Metodo 2).
    1. Metodo 1
      1. A seconda della densità di inoculo desiderata (un intervallo di densità cellulare compreso tra 1,5 x 109 e 4,8 x 10 10 cellule per colonna per i batteri e tra 5,5 x 107 e 5,5 x10 8 cellule per colonna per i funghi), inoculare le diverse specie microbiche nella miscela di minerali e materiali organici una volta aggiunta l'acqua secondo il trattamento utilizzando una pipetta.
        NOTA: L'acqua aggiunta deve essere regolata di conseguenza in modo che la quantità (millilitri) che viene aggiunta attraverso l'inoculazione venga sottratta dalla quantità totale di acqua che viene aggiunta per raggiungere l'80% del WHC.
      2. Mescolate il tutto con cura con un cucchiaio di metallo.
      3. Riempi le colonne con il composto.
      4. Pulisci la ciotola e il cucchiaio utilizzati per mescolare i materiali con etanolo per un uso successivo.
      5. Copri le colonne con la rete superiore.
    2. Metodo 2:
      1. A seconda della densità di inoculazione desiderata, inoculare le diverse specie microbiche sulla superficie delle colonne secondo il trattamento utilizzando una pipetta.
      2. Copri le colonne con la rete superiore.
  2. A seconda della densità desiderata (4, 8 o 10 lombrichi per colonna), introdurre i lombrichi nelle colonne secondo il trattamento depositandoli delicatamente sulla superficie delle colonne. Successivamente, copri la colonna con la mesh superiore.
    NOTA: Sia i microbi che i lombrichi devono essere inoculati 1 giorno prima dell'inizio dell'irrigazione per consentire loro di adattarsi al sistema. La densità di inoculo può essere modificata in base alle esigenze sperimentali. Tenere presente che non si tratta di un ambiente sterile e che può verificarsi una potenziale contaminazione con microrganismi trasportati dall'aria, dall'acqua o dal materiale in ingresso. Per prevenire la contaminazione batterica dovuta alla ventilazione, aggiungere un filtro da 0,2 μm sulla parte superiore delle colonne.

8. Raccolta e analisi dei campioni

  1. Rimuovere le colonne dalla camera alla fine del periodo sperimentale.
    1. Raccogli i lombrichi e contali per determinare il loro tasso di sopravvivenza e valutare la loro attività.
    2. Omogeneizzare la miscela di polvere di roccia e materiali organici e prelevare sottocampioni per analisi microbiche per caratterizzare ulteriormente la presenza e l'attività dei microrganismi di interesse.
    3. Essiccare il contenuto delle colonne a 40 °C per 5-7 giorni per successive analisi in fase solida del carbonio inorganico solido (SIC).
  2. Pesare le taniche per determinare il volume finale del percolato e raccogliere campioni di percolato per ulteriori analisi, come TA, carbonio inorganico disciolto (DIC), pH, EC e ioni.
  3. L'endpoint sperimentale è determinare se gli organismi del suolo possono aumentare i tassi di alterazione in questo sistema e trovare la combinazione ottimale delle variabili considerate, che porta al più alto potenziale di sequestro del carbonio. Determinalo confrontando i risultati per i parametri analizzati in base alle diverse combinazioni.
    NOTA: La strategia di campionamento e le ulteriori analisi possono essere adattate in base alle impostazioni sperimentali e alle esigenze di ricerca.

Risultati

La configurazione presentata consisteva in un totale di 203 colonne situate in una camera climatica a 25 °C (Figura 10). La scelta di collocare l'impianto in una camera climatica ha permesso di controllare la temperatura e l'umidità relativa. La conservazione delle taniche in frigorifero a 4 °C ha garantito che la composizione del percolato non venisse alterata nel tempo a causa dell'attività microbica.

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Figura 10: Immagini dell'allestimento sperimentale nella camera climatica. (A) Panoramica di un singolo sistema. (B) Primo piano di una singola colonna. (C) Primo piano delle taniche nel frigorifero. (D) Panoramica di tutti gli impianti della stanza climatizzata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'uso di un avanzato sistema di irrigazione automatizzato ha permesso di innaffiare le colonne con velocità e frequenze variabili utilizzando il sistema di controllo online (Figura 11). Il sistema di irrigazione permetteva di modificare la quantità d'acqua che le colonnine ricevevano. La validazione del sistema ha mostrato che ha portato a una differenza minima dell'1% e a una differenza massima del 6% nella quantità di acqua data tra le diverse colonne (Figura 12). Differenze minori sono state riscontrate per i tassi di irrigazione più bassi, mentre differenze maggiori sono state riscontrate per i tassi di irrigazione più elevati. Nel complesso, la media era più bassa per i tassi di irrigazione di 50 mL·giorno-1 e 150 mL·giorno-1, mentre era più alta per un tasso di irrigazione di 100 mL·giorno-1 (Figura 12).

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Figura 11: Quantità media di acqua rispetto al tempo. Quantità media di acqua misurata per una velocità di irrigazione di 50 mL·giorno-1 distribuita su un periodo di 24 ore secondo tre frequenze di irrigazione di una volta al giorno, due volte al giorno e cinque volte al giorno per 8 colonne. Le barre indicano l'errore standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 12: Quantità media di acqua rispetto alla velocità di irrigazione. Quantità media di acqua misurata per una velocità di irrigazione di 50 mL·giorno-1 su 8 colonne e per velocità di irrigazione di 100 mL·giorno-1 e 150 mL·giorno-1 su 10 colonne. Le barre indicano l'errore standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La costruzione e la progettazione di questo setup hanno permesso di raccogliere sia il contenuto solido all'interno delle colonne, costituito da polvere di roccia (lavorata) e materiali organici, sia la quantità totale di percolato che è gocciolata dalle colonne durante l'intero periodo sperimentale (Figura 13). Nonostante il successo nella raccolta del percolato, la quantità finale di percolato raccolta è stata inferiore alla quantità di percolato che ci si aspettava di raccogliere alla fine degli esperimenti in base alla velocità di irrigazione (Figura 14). La riduzione del percolato raccolto era molto probabilmente il risultato dell'evaporazione diretta e delle fuoriuscite di percolato sul fondo delle colonne. Questo dovrebbe essere preso in considerazione quando si analizzano i risultati delle analisi.

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Figura 13: Immagini rappresentative delle colonne e del percolato. Colonne riempite con polvere di roccia e materiali organici all'inizio degli esperimenti (lato sinistro) e percolato raccolto nelle taniche alla fine degli esperimenti (lato destro). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 14: Litri totali raccolti alla fine degli esperimenti per tasso di irrigazione. Le linee tratteggiate indicano la quantità prevista di percolato raccolto in base alla velocità di irrigazione per periodo sperimentale, indicata dalla linea azzurra per 50 mL·giorno-1, dalla linea blu scuro per 100 mL·giorno-1 e dalla linea verde per 150 mL·giorno-1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La miscela di polvere di roccia e materiale organico è stata analizzata per valutare il tasso di successo del biota del suolo in termini di composizione della comunità microbica di batteri e funghi e di sopravvivenza e attività per i lombrichi (Figura 15).

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Figura 15: Crescita fungina e sopravvivenza dei lombrichi. Al termine degli esperimenti e prima del campionamento, segni visivi di crescita fungina (lato sinistro) e di sopravvivenza dei lombrichi (lato destro) nelle colonne riempite con polvere di roccia e materiali organici. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Oltre ad altri parametri, il percolato è stato analizzato per TA e DIC, poiché TA e IC sono buoni proxy per i tassi di alterazione minerale 4,29,30,31. Il TA è stato misurato con un Metrohm Titrando29,30, mentre il DIC è stato misurato con un analizzatore di carbonio organico totale (TOC) Skalar. Utilizzando un analizzatore di TOC, il DIC viene calcolato dalla differenza tra carbonio totale disciolto (DC) e carbonio organico disciolto (DOC). La Figura 16 e la Figura 17 mostrano la distribuzione cumulativa di alcuni valori di esempio ottenuti da queste analisi per un ciclo sperimentale. Utilizzando questa configurazione sperimentale, i valori per TA variavano da 0,019 mol a 0,025 mol, mentre i valori per DIC variavano da 7,352 mg C a 259,279 mg C (Figura 16 e Figura 17).

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Figura 16: Distribuzione di probabilità dei valori di esempio misurati per TA nel percolato raccolto alla fine del periodo sperimentale. I trattamenti in cui le colonne sono allagate non vengono visualizzati. I valori sono espressi in mol e sono corretti per la quantità totale di percolato raccolta al termine degli esperimenti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 17: Distribuzione di probabilità dei valori di esempio misurati per DIC nel percolato raccolto alla fine del periodo sperimentale. I trattamenti in cui le colonne sono allagate non vengono visualizzati. I valori sono espressi in mg di carbonio (C) e sono corretti per la quantità totale di percolato raccolta al termine degli esperimenti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

All'interno dell'attuale contesto di ricerca, questa configurazione è stata progettata in modo univoco per ottimizzare il sequestro del carbonio inorganico migliorando l'erosione minerale attraverso l'attività del biota del suolo, manipolando contemporaneamente fattori abiotici noti per stimolare gli agenti atmosferici. La possibilità in questa configurazione di raccogliere sia il materiale solido lavorato che il percolato consente una caratterizzazione completa di entrambe le frazioni. Nonostante l'enorme quantità di colonne, la raccolta dei campioni e le analisi effettuate garantiscono una raccolta dati di alta qualità. Inoltre, avere un gran numero di combinazioni in un'unica esecuzione sperimentale è molto importante per analizzare i dati raccolti con metodi statistici moderni e avanzati, come il machine learning. Questi metodi possono essere utilizzati per determinare le principali variabili che portano ad alti tassi di invecchiamento e a un ulteriore sequestro del carbonio. Di conseguenza, questa configurazione offre l'opportunità di migliorare la comprensione degli effetti che gli organismi del suolo possono avere sul sequestro di EW e IC. Questo è fondamentale per stabilire vincoli più realistici sui confini dell'EW e sulla sua efficienza nel ridurre le concentrazioni atmosferiche di CO2 . Questa configurazione presenta diverse originalità rispetto agli studi esistenti che indagano l'EW e l'effetto degli organismi del suolo.

Per quanto riguarda gli effetti dei fattori abiotici sull'EW, questi sono già stati studiati in precedenti studi 4,29,30,31,32,33,34. Alcuni di questi studi hanno confrontato diverse quantità, tipi e granulometrie di rocce, ma la loro configurazione consisteva in un esperimento in vaso 32,33 o includeva la miscelazione di polvere di roccia con terreno34. Altri esperimenti si sono concentrati su un tipo di roccia con diverse velocità di irrigazione, ma non hanno avuto la possibilità di irrigare frequentemente con un sistema automatizzato o si sono concentrati su più velocità e frequenzedi irrigazione 35. Altri studi hanno presentato una configurazione simile a quella presentata nell'attuale protocollo, con la possibilità di regolare le portate di irrigazione e mantenere costante la temperatura, oltre a variare le dimensioni e i tipi di grani di roccia29,30. Inoltre, il disegno di questi allestimenti era paragonabile a quello proposto nel presente manoscritto e progettato per raccogliere il percolato per ulteriori analisi29,30. Inoltre, le concentrazioni di CO2 sono state variate in questi studi come un altro fattore che migliora l'invecchiamento29. Tuttavia, nessuno di questi studi precedenti si è concentrato sull'effetto dei fattori biotici sulla promozione dell'EW. In questa configurazione, l'obiettivo è quello di migliorare il processo di alterazione e l'ulteriore sequestro dei circuiti integrati, inoculando batteri, funghi e lombrichi specifici e determinando in che misura possono accelerare l'EW.

In relazione all'effetto dei fattori biotici sull'EW, pochi studi non si sono concentrati specificamente sull'EW, ma hanno indagato se gli organismi del suolo possono influenzare l'erosione minerale. Questi studi hanno esplorato principalmente come gli agenti atmosferici siano influenzati dagli organismi del suolo utilizzando terreni di coltura 19,21, piastre di Petri 36, sacchi di nylon sepolti nel terreno14 o piccole quantità di polvere di roccia mescolata con altri substrati36,37. L'utilizzo di sistemi o configurazioni così piccoli rende difficile distinguere l'effetto degli organismi da altre variabili. Alcuni esperimenti hanno utilizzato una configurazione simile a quella qui proposta, ma su scala più piccola, con colonne piene di polvere di roccia inoculate con organismi del suolo38,39,40. Tuttavia, questi esperimenti hanno coltivato contemporaneamente piante e non si sono concentrati sull'effetto esclusivo di specifici organismi del suolo13,35, o non hanno raccolto il percolato 36. Inoltre, la maggior parte degli studi che hanno dimostrato che batteri, funghi e lombrichi aumentano l'erosione minerale si sono concentrati sull'effetto di questi organismi sul rilascio di nutrienti come indicazione di agenti atmosferici piuttosto che sul sequestro di IC 11,13,14,19,36,37,38 . Soprattutto, nessuno di questi studi precedenti mirava a promuovere l'EW o presentava la possibilità di regolare e mantenere i fattori abiotici durante tutto il periodo sperimentale. In questa configurazione, invece di mantenere costanti tutti i fattori abiotici, viene testata una moltitudine di combinazioni per quattro fattori abiotici, come i tassi e le frequenze di irrigazione dell'acqua, il tipo di polvere di roccia e la dimensione dei grani, con l'obiettivo di promuovere l'EW attraverso l'attività degli organismi del suolo.

Inoltre, nessuno degli studi precedenti che si sono concentrati sull'effetto di fattori abiotici o biotici sull'EW ha presentato la possibilità di avere un numero estremamente elevato di colonne e variabili all'interno di un ciclo sperimentale. In questa configurazione, è possibile testare più combinazioni diverse di varie variabili durante un'esecuzione di esperimenti grazie all'impressionante numero di colonne per le quali è stata progettata la configurazione, fornendo comunque risultati di alta qualità. Data la novità della configurazione, di seguito vengono presentati alcuni possibili miglioramenti e sfide rimanenti che potrebbero essere prese in considerazione durante la progettazione di future configurazioni simili.

Devono essere garantite condizioni omogenee dell'aria nella camera di incubazione. Il posizionamento dell'impianto in una camera climatica ha garantito temperatura e umidità relativa costanti. I vincoli di ventilazione (ad esempio, il flusso d'aria) possono aver creato variabilità spaziale nelle condizioni atmosferiche e quindi portato a un'evaporazione sproporzionata dalle colonne in determinati punti, che è un fenomeno comune in questo tipo di configurazione35. Per gestire questo inconveniente, quando la replicazione e la randomizzazione non sono possibili, si consiglia di calcolare un bilancio idrico per colonne posizionate in vari punti della camera.

Le colonne devono essere accuratamente allineate con gli imbuti una volta inserite nella piastra acrilica per evitare la perdita di percolato. Durante il periodo sperimentale considerato, si sono verificate perdite di percolato dal fondo delle colonne a causa di un errato posizionamento degli imbuti o a causa dell'intasamento delle maglie. Insieme all'evaporazione, questo può in parte spiegare perché il percolato raccolto è stato inferiore rispetto alle aspettative (Figura 13). Per ridurre al minimo queste perdite, è importante assicurarsi che gli imbuti siano posizionati in modo ottimale sotto le colonne. Anche l'utilizzo di imbuti più larghi è un'opzione praticabile. In questo caso, è necessario prestare attenzione al diametro dei fori durante la costruzione delle lastre acriliche e alla distanza tra le lastre acriliche.

Il flusso d'acqua più lento negli esperimenti sulla colonna del suolo in cui l'acqua viene applicata frequentemente è un problema ricorrente 7,30,40. Negli esperimenti effettuati con l'impianto presentato, in alcuni casi sono state utilizzate velocità di irrigazione piuttosto elevate e granulometrie minerali molto fini, che inizialmente mancano di una struttura come normalmente osservata nei terreni. Ciò potrebbe aver causato l'ostruzione dei pori delle maglie nella parte inferiore delle colonne contenenti solo minerali fini durante l'esecuzione degli esperimenti. Pertanto, l'acqua non scorreva abbastanza velocemente attraverso le colonne, il che ha provocato sia l'allagamento delle colonne, riducendo l'infiltrazione dell'acqua e la raccolta del percolato, sia le condizioni anossiche all'interno delle colonne, con un impatto sui processi biogeochimici. Per mitigare questo problema, è importante miscelare sempre una certa percentuale di granulometrie minerali grossolane con granulometrie minerali più fini ed evitare miscele di granulometrie minerali molto fini al 100%. Un'altra opzione è quella di consentire alle colonne di sperimentare un certo numero di cicli di bagnatura/essiccazione per avviare la formazione della struttura del suolo e quindi migliorare l'infiltrazione dell'acqua. Inoltre, prima dell'inizio dell'esperimento, sarebbe utile determinare le dinamiche idriche di base del suolo, come il flusso saturo e insaturo e la curva di ritenzione idrica, in alcuni mesocosmi per comprendere meglio il flusso di gas, lo stato di saturazione minerale e i driver dell'attività degli organismi.

La configurazione sperimentale presentata è comoda da usare, presenta un'installazione semplice e può essere regolata in base alle esigenze di ricerca. Nel contesto dell'alterazione minerale, con i necessari aggiustamenti, può essere accoppiato con una camera a gas per caratterizzare non solo il carbonio nella fase solida e acquosa, ma anche per osservare la dinamica del carbonio nella fase gassosa. Inoltre, questa configurazione può essere utilizzata per studiare tassi di infiltrazione d'acqua realistici con sequenze secco-umido, poiché queste dinamiche temporali potrebbero influenzare fortemente l'erosione41. L'uso di questa configurazione non è limitato agli esperimenti che si concentrano esclusivamente sui minerali silicati, ma può essere implementato in esperimenti su colonna che utilizzano substrati diversi. Inoltre, la durata degli esperimenti può essere ridotta o estesa in base alle esigenze sperimentali e il numero di colonne può essere modificato. La possibilità di prelevare campioni sia dai materiali solidi lavorati che dal percolato ci permette di effettuare diverse analisi per focalizzarci su uno dei due componenti o su entrambi. Per quanto riguarda le conoscenze, questa è l'unica configurazione che è stata costruita finora con un numero eccezionale di colonne che mira a utilizzare gli organismi del suolo per migliorare l'erosione minerale controllando contemporaneamente le condizioni abiotiche in un sistema fatto di soli minerali silicati e materiali organici.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Ringraziamo Ton van der Zalm di Tupola per lo sviluppo del sistema di irrigazione. Inoltre, ringraziamo Jaco Baars di Tupola per le risate e il supporto mentale dato durante la costruzione di questa configurazione. Ringraziamo Peter Garamszegi e Ángel Velasco Sánchez per averci aiutato ad innaffiare manualmente le colonne quando il sistema di irrigazione non funzionava. Ringraziamo anche Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg e Kangying Xie per l'aiuto fornito durante il campionamento. Ringraziamo Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen e Gerlinde Vink per l'assistenza in laboratorio, le analisi dei campioni e le fruttuose discussioni. Infine, ringraziamo Jeroen Zonneveld di Unifarm per la fornitura e la manutenzione della camera climatica. Questa configurazione è stata realizzata nell'ambito del progetto Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), finanziato dal programma quadro dell'Unione europea Horizon 2020 per la ricerca e l'innovazione nell'ambito dell'accordo di sovvenzione n. 964545.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Lastre in lamiera acrilicaWSV kunststoffen BVN/AUtilizzate per il supporto di colonne, imbuti, tubi e tubi per l'irrigazione.
Anello adattatoreTamesonFL2S-FM-B-014G-034GUtilizzato per realizzare il sistema di collegamento del tubo in PU al rubinetto.
FascetteGamma456196Utilizzate per sostenere il sistema a rete.
Acido citricoNortembio (amazon.nl)  B01BDLOGW2Utilizzato per la pulizia di tubi e imbuti.
Citometro a flusso CytoFLEX Beckam CoulterCytoFLEX
Sapone per lavastoviglieBOOM77000307.9010Utilizzato per la pulizia delle taniche.
Modulo di espansione a otto relèControllo tramite webX-12sUtilizzato per controllare le valvole del sistema di irrigazione.
Tappo terminaleWildkamp819906Utilizzato per chiudere un'estremità del tubo principale del sistema di irrigazione.
FrigoriferiHorecaGemakDIA-BVL031/6PUtilizzato per la conservazione delle taniche.
ImbutiPraxisdienst135864Utilizzato per dirigere il percolato dalle colonne alle taniche. Diametro 75 mm.
Punzone a manoWildkamp719928Utilizzato per tagliare fori per piccoli tubi nel tubo principale del tubo di irrigazione.
HDPE Tanica 10 LGlas-shop.be105157Vieni con coperchio. Utilizzato per raccogliere il percolato.
Tanica in HDPE 5 LGlas-shop.be105156Vieni con coperchio. Utilizzato per raccogliere il percolato.
Dado esagonaleFabory51080.100.001Utilizzato per bloccare fogli acrilici su viti metalliche.
Stampante per etichetteBrotherPT-H107B Utilizzato per la stampa di etichette da incollare su fogli acrilici.
Tubo di irrigazione in ldpeWildkamp15382585Utilizzato per realizzare il tubo principale del sistema di irrigazione.
Bilancia per bagagliUnited Entertainment8718274546996Utilizzata per pesare le taniche.
Maglia 10 μ mFranz EckertPES-10/2Utilizzato per il sistema a rete.
Maglia 20 μ mFranz EckertPES-20/13Utilizzato per il sistema a rete.
Viti metallicheSchroeven goothandel.nl100975401010Utilizzato per installare lastre acriliche.
Micro tubo per irrigazione a gocciaWildkamp15119128Utilizzato per realizzare piccoli tubi del sistema di irrigazione.
Anello centraleautocostruito con stampante 3Dautocostruito con stampante 3DUtilizzato per tenere le colonne a pochi centimetri sopra gli imbuti.
RevolverWildkamp15045986Utilizzato per collegare l'elettrovalvola al tubo di irrigazione.
Rete in nylonSefarN/AMaglia da 1 mm utilizzata per la parte superiore delle colonne per impedire la fuga dei lombrichi.
Perline in plasticalyondelbasellTRC 352N C12507Utilizzato per il sistema a rete.
Raccordo a innesto con 2 connessioniTamesonF24V5Utilizzato all'estremità del sistema per terminare il tubo in PU. 
Custodia in policarbonatoRS498-5387Utilizzato per alloggiare i componenti elettronici del sistema di irrigazione.
Cavo di alimentazioneRS775-6075Utilizzato per collegare le valvole.
raccordo in ppWildkamp719780Utilizzato per realizzare il sistema per collegare il tubo in PU al rubinetto.
Regolatore di pressioneWildkamp719943Usato  per assicurarsi che tutti i piccoli tubi rilasciassero la stessa quantità d'acqua. 
Nastro in PTFEGAMMA237001Utilizzato per avvolgere l'estremità del tubo di irrigazione.
Tubo flessibile in PUTamesonPU-8-1198-50-1Utilizzato per collegare tutte le valvole con l'altro e al rubinetto.
Tubi in PVCRubbermagazijn99001230Utilizzato per collegare gli imbuti alle taniche.
Tubi in PVCWildkamp91700Utilizzato per realizzare le colonne.
Alimentatore ferroviarioRS145-7873Utilizzato per alimentare il modulo di espansione a otto relè.
ElasticiPasschierTerpo8714603820621Utilizzato per tenere la rete per i lombrichi.
ElettrovalvolaTamesonCM-DA014B020E-024DCUtilizzata per l'apertura e la chiusura del flusso d'acqua.
Irrigatoriautocostruiti con stampante 3Dautocostruiti con stampante 3DUtilizzati per distribuire uniformemente l'acqua sulle colonne.
Piastre in acciaio inox24/7 su misura in acciaioN/AUtilizzato come cornice per l'allestimento sopra il frigorifero.
Raccordo a TTamesonF25DTUtilizzato per collegare l'elettrovalvola al tubo in PU.
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Riferimenti

  1. Beerling, D. J., et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature. 583 (7815), 242-248 (2020).
  2. Fuss, S., et al. Negative emissions - Part 2: Costs, potentials and side effects. Environmental Research Letters. 13, 063002(2018).
  3. Goll, D. S., et al. Potential CO2 removal from enhanced weathering by ecosystem responses to powdered rock. Nature Geoscience. 14 (8), 545-549 (2021).
  4. Hartmann, J., et al. Enhanced chemical weathering as a geoengineering strategy to reduce atmospheric carbon dioxide, supply nutrients, and mitigate ocean acidification. Reviews of Geophysics. 51 (2), 113-149 (2013).
  5. Vicca, S., et al. Is the climate change mitigation effect of enhanced silicate weathering governed by biological processes. Global Change Biology. 28 (3), 711-726 (2022).
  6. Strefler, J., Amann, T., Bauer, N., Kriegler, E., Hartmann, J. Potential and costs of carbon dioxide removal by enhanced weathering of rocks. Environmental Research Letters. 13 (3), 034010(2018).
  7. te Pas, E. E., Hagens, M., Comans, R. N. Assessment of the enhanced weathering potential of different silicate minerals to improve soil quality and sequester CO2. Frontiers in Climate. 4, 954064(2023).
  8. Jordan, G., Pokrovsky, O. S., Guichet, X., Schmahl, W. W. Organic and inorganic ligand effects on magnesite dissolution at 100 °C and pH = 5 to 10. Chemical Geology. 242 (3-4), 484-496 (2007).
  9. Shirokova, L. S., et al. Experimental study of the effect of heterotrophic bacterium (Pseudomonas reactans) on olivine dissolution kinetics in the context of CO2 storage in basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 80, 30-50 (2012).
  10. Pokrovsky, O. S., Shirokova, L. S., Zabelina, S. A., Jordan, G., Bénézeth, P. Weak impact of microorganisms on Ca, Mg-bearing silicate weathering. npj Materials Degradation. 5, 51(2021).
  11. Basak, B. B., Biswas, D. R. Influence of potassium solubilizing microorganism (Bacillus mucilaginosus) and waste mica on potassium uptake dynamics by sudan grass (Sorghum vulgare Pers.) grown under two Alfisols. Plant and Soil. 317 (1-2), 235-255 (2009).
  12. Gouda, S., et al. Revitalization of plant growth promoting rhizobacteria for sustainable development in agriculture. Microbiological Research. 206, 131-140 (2018).
  13. Burghelea, C. I., et al. Trace element mobilization during incipient bioweathering of four rock types. Geochimica et Cosmochimica Acta. 234, 98-114 (2018).
  14. Wild, B., Imfeld, G., Daval, D. Direct measurement of fungal contribution to silicate weathering rates in soil. Geology. 49 (9), 1055-1058 (2021).
  15. Hu, L., et al. Earthworm gut bacteria increase silicon bioavailability and acquisition by maize. Soil Biology and Biochemistry. 125, 215-221 (2018).
  16. Liu, D., Lian, B., Wang, B., Jiang, G. Degradation of potassium rock by earthworms and responses of bacterial communities in its gut and surrounding substrates after being fed with mineral. PLoS ONE. 6 (12), e28803(2011).
  17. Schwartzman, D. The geobiology of weathering: a 13th hypothesis. arXiv. , (2015).
  18. Buss, H. L., Lüttge, A., Brantley, S. L. Etch pit formation on iron silicate surfaces during siderophore-promoted dissolution. Chemical Geology. 240 (3-4), 326-342 (2007).
  19. Sun, L. L., et al. Differences in the gene expressive quantities of carbonic anhydrase and cysteine synthase in the weathering of potassium-bearing minerals by Aspergillus niger. Science China Earth Sciences. 56 (12), 2135-2140 (2013).
  20. Van Hees, P. A. W., et al. Oxalate and ferricrocin exudation by the extramatrical mycelium of an ectomycorrhizal fungus in symbiosis with Pinus sylvestris. New Phytologist. 169 (2), 367-378 (2006).
  21. Xiao, L., Lian, B., Hao, J., Liu, C., Wang, S. Effect of carbonic anhydrase on silicate weathering and carbonate formation at present day CO2 concentrations compared to primordial values. Scientific Reports. 5, 7733(2015).
  22. Welch, S. A., Taunton, A. E., Banfield, J. F. Effect of microorganisms and microbial metabolites on apatite dissolution. Geomicrobiology Journal. 19 (3), 343-367 (2002).
  23. Suzuki, Y., Matsubara, T., Hoshino, M. Breakdown of mineral grains by earthworms and beetle larvae. Geoderma. 112 (1-2), 131-142 (2003).
  24. Carpenter, D., Hodson, M. E., Eggleton, P., Kirk, C. The role of earthworm communities in soil mineral weathering: a field experiment. Mineralogical Magazine. 72 (1), 33-36 (2008).
  25. Georgiadis, A., Marhan, S., Lattacher, A., Mäder, P., Rennert, T. Do earthworms affect the fractionation of silicon in soil. Pedobiologia. 75, 1-7 (2019).
  26. Committee for Biological Agents (ABAS). TRBA 450 classification criteria for biological agents. , https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRBA/TRBA-450.html (2016).
  27. Committee for Biological Agents (ABAS). TRBA 466 Classification of prokaryotes (bacteria and archaea) into risk groups. , https://www.baua.de/EN/Service/Legislative-texts-and-technical-rules/Rules/TRBA/TRBA-466.html (2010).
  28. Committee for Biological Agents (ABAS). TRBA 460 Classification of fungi in risk groups. , https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRBA/TRBA-460.html (2016).
  29. Amann, T., Hartmann, J. Carbon accounting for enhanced weathering. Frontiers in Climate. 4, 849948(2022).
  30. Amann, T., Hartmann, J., Hellmann, R., Pedrosa, E. T., Malik, A. Enhanced weathering potentials-the role of in situ CO2 and grain size distribution. Frontiers in Climate. 4, 929268(2022).
  31. Vienne, A., et al. Enhanced weathering using basalt rock powder: carbon sequestration, co-benefits and risks in a mesocosm study with Solanum tuberosum. Frontiers in Climate. 4, 869456(2022).
  32. Ten Berge, H. F., et al. Olivine weathering in soil, and its effects on growth and nutrient uptake in ryegrass (Lolium perenne L.): a pot experiment. PLoS ONE. 7 (8), e42098(2012).
  33. Amann, T., et al. Enhanced weathering and related element fluxes-a cropland mesocosm approach. Biogeosciences. 17 (1), 103-119 (2020).
  34. Dietzen, C., Harrison, R., Michelsen-Correa, S. Effectiveness of enhanced mineral weathering as a carbon sequestration tool and alternative to agricultural lime: an incubation experiment. International Journal of Greenhouse Gas Control. 74, 251-258 (2018).
  35. Wood, C., Harrison, A. L., Power, I. M. Impacts of dissolved phosphorus and soil-mineral-fluid interactions on CO2 removal through enhanced weathering of wollastonite in soils. Applied Geochemistry. 148, 105511(2023).
  36. Carpenter, D., Hodson, M. E., Eggleton, P., Kirk, C. Earthworm induced mineral weathering: preliminary results. European Journal of Soil Biology. 43, S176-S183 (2007).
  37. De Souza, M. E. P., et al. Vermicomposting with rock powder increases plant growth. Applied Soil Ecology. 69, 56-60 (2013).
  38. Burghelea, C., et al. Mineral nutrient mobilization by plants from rock: influence of rock type and arbuscular mycorrhiza. Biogeochemistry. 124, 187-203 (2015).
  39. Zaharescu, D. G., et al. Ecosystem composition controls the fate of rare earth elements during incipient soil genesis. Scientific Reports. 7, 43208(2017).
  40. Van Grinsven, J. J. M., Van Riemsdijk, W. H. Evaluation of batch and column techniques to measure weathering rates in soils. Geoderma. 52 (1-2), 41-57 (1992).
  41. Calabrese, S., et al. Nano-to global-scale uncertainties in terrestrial enhanced weathering. Environmental Science & Technology. 56 (22), 15261-15272 (2022).

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