토양의 2차원 시각화 및 래빌, 무기 식물 영양소 및 오염 물질의 정량화

토양 내 원소의 바이오 대 화학적 순환은 환경 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 이 프로토콜을 사용하면 DGT 질량 분석 이미징을 사용하여 식물 사용 가능한 원소 분획의 분포를 2D로 이미지화할 수 있습니다. 이 방법은 용질 계면에서 여러 무기 용질 종의 초미량 수준을 시각화하고 정량화하는 능력이 독특하여 대체 방법의 공간 분해능을 크게 초과합니다.

토양과 퇴적물에서 노동 및 용질 플럭스를 조사하는 것 외에도 이 방법은 식물 뿌리가 영양분 및 오염 요소를 어떻게 흡수하는지 조사하는 데 적용할 수 있습니다. DGT 젤 제조를 위해, 첫째로 유리판에 폴리우레탄 기초를 두는 혼합 음이온 및 양이온 결합 젤 현탁액의 박막을 입히고, 용매 증발에 의하여 젤 대형을 시작하기 위하여 오븐으로 판을 두십시오. 적용과 증발을 세 번 반복한 후, 생성된 삼중 코팅 유리판을 수조에서 수화하여 0.1mm 두께의 찢어짐 방지, 혼합 음이온 및 양이온 결합 젤을 얻습니다.

rhizotron을 조립하려면 두 개의 클램프를 사용하여 rhizotron 프레임에 향하는 클램프의 압력으로 rhizotron 상승 바닥에 하나의 작은 아크릴 블레이드를 부착하여 플레이트가 안쪽으로 구부러지지 않도록 합니다. 뿌리 줄기를 작은 플라스틱 판 쪽으로 약간 기울이고 미리 적신 흙으로 뿌리 줄기를 약 4cm 높이까지 채웁니다. 뿌리 줄기를 약간 교반하여 토양을 고르게 분포시키고 압축 도구를 사용하여 토양을 몇 밀리미터 부드럽게 압축합니다.

뿌리 줄기가 흙으로 채워질 때까지 채우기와 압축을 반복하여 상단에 3cm의 간격을 남겨 둡니다. 테이프를 사용하여 13 x 22cm 크기의 PTFE 호일 조각을 한 번에 한 모서리씩 리조트론 프레임에 조심스럽게 고정하고 장력을 가하여 평평한 호일 표면을 확보합니다. PTFE 호일이 평평하고 토양 표면과 인접 할 때, 같은 방식으로 상부 PTFE 호일 조각을 1cm 겹치게하여 뿌리 줄기의 하단에 두 번째 호일 조각을 부착합니다.

두 번째 부품이 고정되면 보호용 플라스틱 호일 덮개를 적용합니다. 흙으로 채워지고 호일로 덮인 뿌리 줄기 위에 전면 플레이트를 놓고 뿌리 줄기의 각 측면에 하나의 레일을 놓습니다. 그런 다음 나사를 손으로 조여 전면 플레이트의 레일을 리조트론에 고정하고 나사 위치가 리조트론의 닫힌 면을 향하도록 합니다.

토양에 물을 주려면 피펫 팁을 급수 구멍에 밀어 넣고 물이 중력에 의해 토양으로 흐르도록 합니다. 식물을 키우려면 뿌리 줄기에 최대 2 개의 묘목을 심고 묘목에 직접 5ml의 물을 추가하여 성장을 지원합니다. 심은 후 처음 이틀 동안은 뿌리 줄기의 상단 개구부를 투명 수분 유지 필름으로 덮고 뿌리 줄기 기둥을 알루미늄 호일로 싸서 미생물 성장을 방지합니다.

그런 다음 심은 뿌리 줄기를 특정 식물 요구 사항에 맞게 환경 조건으로 설정된 성장실에 놓고 뿌리 줄기를 25-35도 기울여 중력을 통해 전면 플레이트를 따라 뿌리가 자랄 수 있도록합니다. 제작된 DGT 젤을 적용하기 위해는, 0.2 미크론 기공 크기를 가진 10 미크론 두께의 폴리카보네이트 멤브레인을 겔 각 측면의 폭 및 길이 1cm 이상으로 자르고 멤브레인을 겔에 놓습니다. 물을 뿌려 스택에서 기포를 제거하고 비닐 전기 테이프를 사용하여 젤의 네 가장자리를 따라 멤브레인을 플레이트에 고정합니다.

전면 플레이트와 보호 호일을 제거한 후 매크로 렌즈가 장착된 디지털 일안 리플렉스 카메라의 뷰파인더를 젤의 관심 영역 중앙에 정렬하고 이미지에 눈금 막대를 포함하여 관심 영역의 직교 사진을 획득합니다. 그런 다음 겔 멤브레인 스택이 장착된 플레이트의 한쪽 가장자리를 열린 뿌리 줄기의 가장자리와 정렬합니다. 플레이트를 흙 쪽으로 부드럽게 구부리고 레일과 나사를 사용하여 플레이트를 뿌리 줄기에 부착합니다.

고독 샘플링 기간이 끝나면 겔 멤브레인 스택 면이 위를 향하도록 하여 리조트론에서 전면 플레이트를 층류 후드로 옮기고 겔을 덮고 있는 테이프와 폴리카보네이트 멤브레인을 조심스럽게 제거합니다. 토양 접촉면이 위를 향하도록 플레이트의 얇은 물막에 겔이 자유롭게 떠다닐 수 있도록 물을 바르고 0.45미크론 공극 크기와 압지 지지체가 있는 폴리에테르설폰 멤브레인으로 겔을 옮깁니다. 젤 스택을 보호 호일로 덮은 후 스택을 진공 젤 건조기에 넣습니다.

젤이 완전히 건조되면 양면 접착 테이프를 사용하여 드라이 젤을 다른 젤 샘플과 함께 유리판에 고정합니다. 건조 DGT 겔의 레이저 절제 유도 결합 플라즈마 질량 분석 라인 스캔 분석을 수행하려면 먼저 샘플 블랭크와 표준물질을 레이저 절제 시료 스테이지에 고정하고 레이저 스테이지를 레이저 절제 시스템의 절제 셀에 고정합니다. 레이저 어블레이션 소프트웨어에서 겔 표면의 관심 영역을 이동하고 겔 표준물질 표면을 가로질러 약 1ml 길이의 단일 선을 그립니다.

스캔 패턴 창에서 선을 마우스 오른쪽 버튼으로 튕겨 레이저 절제 매개변수가 설정 및 채택되었는지 확인하고 중복 스캔 도구를 사용하여 스폿 직경보다 큰 인터라인 거리로 이 라인을 4번 복제합니다. 각 겔 표준물질 검량 블랭크 및 분석법 블랭크에 대해 이 선을 반복한 후, 분석할 겔 샘플의 직사각형 영역의 상단 가장자리를 따라 단일 선을 그리고 300 - 400 마이크로미터의 인터라인 거리를 사용하여 시연된 대로 전체 샘플 영역에 대한 평행선을 만들기 위해 선을 복제합니다. 각 라인의 각 시작점과 끝점이 겔 표면에 적절하게 초점이 맞춰져 있는지 확인하고 배치 분석을 클릭하여 유도 결합 플라즈마 질량 분석기에서 샘플 염기서열을 시작합니다.

레이저 에너지 창에서 방출을 클릭하여 레이저 헤드를 재충전합니다. 실행을 클릭하여 실험 실행 창을 열고 선택한 패턴만 선택합니다. 세척 지연을 20-30초로 설정합니다.

스캔 중 활성화된 레이저를 선택하고 레이저 예열 시간을 10초로 설정합니다. 그런 다음 Run and OK(실행 및 확인)를 클릭하여 라인 스캔 분석을 시작하고 유도 결합 플라즈마 질량 분석기에서 각 동위원소에 대한 원시 신호 강도를 초당 카운트로 실시간으로 모니터링합니다. 각 라인은 가스 블랭크로 시작하고 끝나야 합니다.

분석 후 절제된 각 라인에 대한 원시 데이터 파일을 스프레드시트로 가져옵니다. 원시 데이터 테이블은 각 동위원소에 대한 유도 결합 플라즈마 질량 분석 판독값을 초당 카운트 단위로 보여주고, 해당 시점을 초 단위로 보여줍니다. 서로 다른 열에서 나란히 있는 모든 줄을 나열합니다.

라인 절제 전에 기록된 모든 가스 블랭크 값에서 각 동위원소에 대한 평균 가스 블랭크를 계산하고 각 동위원소에 대한 해당 원시 강도에서 평균 가스 블랭크를 빼서 백그라운드 신호를 보정합니다. 내부 정규화를 적용하려면 각 동위원소의 기체 블랭크 보정 신호 강도를 각 데이터 포인트에 대한 내부 표준 탄소 13의 기체 블랭크 보정 신호 강도로 나누어 절제된 물질의 양과 기기 드리프트의 변동을 보정합니다. 각 절제 라인의 시작 전과 후 데이터를 잘라 가스 블랭크 배경 신호를 제거하고, 데이터 테이블을 전치하여 각 행이 절제된 선에 해당하고 각 열이 정규화된 동위원소 강도 값에 해당하는 그리드 행렬을 얻습니다.

그런 다음 겔 표준물질 분석에서 얻은 보정 기능을 적용하고 보정된 데이터 매트릭스를 텍스트 파일로 저장합니다. 이미지를 생성하려면 보정된 샘플 데이터 매트릭스를 이미지 분석 소프트웨어에 텍스트 이미지로 가져오고 종횡비 보정 계수와 룩업 테이블을 적용하여 용질 이미지의 화학적 기울기를 시각화합니다. 이미지 색상 균형을 조정하여 디스플레이 범위의 하한과 상한을 제어하고, 보정 막대를 추가하고, 용질 이미지를 TIF 파일로 저장합니다.

시스템에 복사 명령을 사용하여 솔리드 이미지를 복사하고 탁상 출판 소프트웨어에 붙여 넣습니다. 그런 다음 확장 일치, 정렬 및 관심 영역의 사진과 다른 용질 이미지로 솔리드 이미지를 구성합니다. 용질 이미지를 관심 영역의 사진 이미지와 정렬하면 서로 다른 원소의 밀리미터 미만의 2D 고체 플럭스 분포가 토양 구조와 뿌리 형태에 따라 매우 다양하다는 것을 알 수 있습니다.

예를 들어, 탄산염이 없는 토양에서 자란 어린 메밀 뿌리에 대한 이 분석에서 질산암모늄으로 비옥하게 만든 이 분석에서 밀리미터 미만의 용질 분포는 뿌리 흡수로 인해 오래된 뿌리 부분과 함께 알루미늄, 인 및 철 플럭스가 감소한 영역을 보여주었고, 영양분 동원 과정의 국부화로 인해 뿌리 정점에서 마그네슘, 알루미늄, 인, 망간 및 철 플럭스가 크게 증가했음을 보여주었습니다. 이 분석에서 아연, 카드뮴 및 납의 뚜렷한 고갈이 바로 뿌리 위치에서 관찰될 수 있으며, 이는 금속에 내성이 있는 버드나무 종인 Salix smithiana의 뿌리가 오염된 토양에서 불안정한 미량 금속의 국부적인 흡수원 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 이 분석에서 Salix smithiana의 뿌리와 함께 불안정한 미량 금속의 분포는 결합된 단층 평면 optode-DGT 양이온 결합 겔을 사용하여 pH 분포와 함께 국소화되었습니다.

이 방법 조합은 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 및 납의 용질 플럭스 증가가 pH 감소와 약 1단위 감소와 관련이 있음을 밝혀 pH 유도 금속 가용화를 시사합니다. 분석 아티팩트를 방지하기 위해 DGT 도구와 고체 표면 사이의 긴밀하고 안정적인 접촉을 보장하는 것이 중요합니다. 의심스러우면 젤 도포 절차를 반복하십시오.

이 방법은 평면 옵토데스와 같은 다른 확산 기반 고체 이미징 기술과 결합하여 식물 요소 흡수와 관련된 다양한 매개변수를 동시에 평가할 수 있습니다.