Methodenartikel

Monstername van opgeloste opgeloste opgeloste stoffen over een oxisch-anoxische bodem-waterinterface met behulp van microdialyseprofilers

DOI:

10.3791/64358

⸱

24 maart 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Geography and Planning, University of Liverpool, 2Department of Health and Environmental Sciences, Xi’an Jiaotong-Liverpool University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een microdialyseprofiler wordt beschreven om opgeloste poriewateropgeloste stoffen over een oxisch-anoxische bodem-waterinterface in situ te bemonsteren met minimale verstoring. Dit apparaat is ontworpen om snelle veranderingen in concentratiediepteprofielen op te vangen die worden veroorzaakt door verstoringen op het grensvlak tussen bodem en water en daarbuiten.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biogeochemische processen verschuiven snel in zowel ruimtelijke (millimeterschaal) als temporele (uurschaal tot dagschaal) dimensies op de oxic-anoxische interface als reactie op verstoringen. Het ontcijferen van de snelle biogeochemische veranderingen vereist in situ, minimaal invasieve hulpmiddelen met een hoge ruimtelijke en temporele bemonsteringsresolutie. De beschikbare passieve bemonsteringsapparatuur is echter in veel gevallen niet erg nuttig, hetzij vanwege hun wegwerpkarakter, hetzij vanwege de complexiteit en de uitgebreide werklast voor de monstervoorbereiding.

Om dit probleem aan te pakken, werd een microdialyseprofiler met 33 individuele polyethersulfon nanomembraanbuizen (semipermeabel, <20 nm poriegrootte) geïntegreerd in het eendimensionale skelet (60 mm) opgericht om de opgeloste verbindingen in poriënwater over de bodem-waterinterface te bemonsteren met een hoge resolutie van 1,8 mm (buitendiameter plus één afstand, d.w.z. 0,1 mm tussen sondes). Het bemonsteringsmechanisme is gebaseerd op het principe van de diffusie van de concentratiegradiënt. De automatische belasting van ontgast water zorgt voor minimale verstoring van de chemische soorten over de oxisch-anoxische interface.

Dit artikel beschrijft de procedures voor het instellen van het apparaat en continue poriewaterbemonstering over de bodem-waterinterface op een dagelijkse basis. Concentratiediepteprofielen werden selectief gemeten vóór (op dag 6) en na (op dag 7) verstoringen veroorzaakt door irrigatie. De resultaten toonden aan dat concentratiediepteprofielen snelle veranderingen ondergingen, vooral voor redoxgevoelige elementen (d.w.z. ijzer en arseen). Deze protocollen kunnen helpen bij het onderzoeken van de biogeochemische reacties op het grensvlak tussen bodem en water onder verschillende verstoringen veroorzaakt door fysische, chemische en biologische factoren. Het artikel bespreekt grondig de voor- en nadelen van deze methode voor mogelijk gebruik in de milieuwetenschappen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een oxisch-anoxische interface is een algemeen kenmerk in de biosfeer dat van vitaal belang is voor de biogeochemische cyclus1. Deze interface is zeer heterogeen, waarbij het ruimtelijke bereik zich uitstrekt van millimeters in de sediment/bodem-water interface1,2 tot duizenden meters in de oceanische anoxische zone 3,4. Deze interface is een ideale habitat voor het bestuderen van de complexiteit van elementaire biogeochemie.

Bodem-water interfaces hebben een typisch oxisch-anoxisch gradiëntkenmerk binnen centimeters en zijn gemakkelijk vast te stellen in mesokosmosexperimenten. Uitgaande van het verbruik van moleculaire zuurstof uit oppervlaktewater, stimuleren de gestratificeerde functionele microbiële gemeenschappen de ontwikkeling van verschillende gradiënten, zoals O2, pH en Eh-gradiënten, op de millimeterschaal1. Biogeochemische cycli op het oxic-anoxische grensvlak zijn gevoelig voor verschillende verstoringen in de natuur 5,6. In het geval van sedimenten en rijstvelden kan de inbreng van vers organisch materiaal zoals strooisel en stro, periodieke overstromingen en drainage, temperatuurschommelingen en extremen, en bioturbatie veranderingen in de biogeochemische cyclus op het oxisch-anoxische grensvlak veroorzaken, wat waarschijnlijk resulteert in blijvende effecten, zoals broeikasgasemissies, eutrofiëring en verontreiniging op een bepaalde locatie. Daarom biedt de oxisch-anoxische gradiënt op de bodem-waterinterface een venster voor de studie van wereldwijde, grootschalige, biogeochemische cycli. De spatiotemporele bemonstering en analyse van opgeloste stoffen langs het grensvlak tussen bodem en water in hoge resolutie zijn altijd van belang geweest; Er is echter beperkte vooruitgang geboekt in de methodologie.

Om de nadelen van destructieve poriewaterextractie te omzeilen, wordt niet-destructieve passieve bemonstering steeds vaker gebruikt om veranderingen in de poriewaterchemie te voorkomen en de complexiteit van de monstervoorbereiding aan te pakken7. Verschillende apparaten die zeer nauwkeurige, in situ bemonstering (van de micrometer tot op centimeterschaal) kunnen uitvoeren, zijn op grote schaal gebruikt, waaronder in situ dialyse-samplers (bekend als peepers)8, diffusieve equilibratie in dunne films (DET)9 en diffusieve gradiënt in dunne films (DGT)10. Opgeloste stoffen worden passief bemonsterd via het mechanisme van diffusie- en adsorptieprocessen. Hoewel ze nuttig zijn gebleken bij het beschrijven van oxisch-anoxische chemische profielen, zijn ze nog steeds voor eenmalig gebruik, wat hun bredere toepassing beperkt.

Onlangs is de microdialysetechniek naar voren gekomen als een gevoelig hulpmiddel dat kan worden gebruikt om de oplosbare samengestelde dynamiek in de bodem te volgen op temporele schalen van minuten tot dagen11,12,13,14. Voor een typisch scenario met behulp van microdialyse in de medische en milieuwetenschappen, wordt een miniatuur, concentrische sonde bestaande uit een semipermeabel buismembraan (d.w.z. een microdialyzer) gebruikt om de interstitiële vloeistof of bodemoplossingen te onderzoeken om significante verstoringen op, metabole processen en chemische speciatie te voorkomen15,16. Een van de grootste inherente voordelen van microdialyse is het in situ vastleggen van tijdsafhankelijke concentratieveranderingen in bodem of biologische weefsels15,16.

Op basis van het microdialyseconcept ontwikkelden we een meer gebruiksvriendelijke microdialyseprofiler, voorheen de geïntegreerde poriënwaterinjectie (IPI) profiler genoemd, die continue evenwichtsdialyse van poriewateropgeloste stoffen kan uitvoeren op basis van het principe van concentratiegradiëntdiffusie2. Het microdialyseapparaat maakt gebruik van holle nanomembraanbuizen voor actieve voorspanning van het perfusaat en passieve diffusie van de opgeloste opgeloste stoffen, wat verschilt van de bulkporiewaterdiffusie die wordt gebruikt in gluurders, drukfilters zoals de Rhizon-sampler en op accumulatie gebaseerde DGT. Het apparaat is getest en gevalideerd in de temporele en ruimtelijke bemonstering van zowel kationische als anionische elementen in zowel hoogland- als overstroomde bodems (figuur 1A-1)13,15,16. Eenvoudige pomp in-en-uit microdialyse minimaliseert het aantal stappen in de monstervoorbereiding 2,15.

We fabriceerden een microdialyseprofiler door een set samplers te integreren in een eendimensionaal ondersteuningsskelet, en deze profiler bereikte een hoge resolutie bemonstering op de bodem-waterinterface en rhizosfeer 2,15,17. In deze studie werden aanzienlijke wijzigingen aangebracht in de bemonsteringsapparatuur en de bemonsteringsmethode om het verzamelen van 33 poriewatermonsters op het grensvlak tussen bodem en water (60 mm verticale diepte) mogelijk te maken met minimale verstoring voor stroomafwaartse elementaire analyse. De hele bemonsteringsprocedure duurt ~ 15 minuten. Omdat de microdialyseprofiler nieuw is voor de gemeenschap van de milieuwetenschap, presenteren we details van de apparaatcomponenten en bemonsteringsprocedures om het potentieel van microdialyse aan te geven bij het monitoren van de veranderingen in chemische signalen op de bodem-waterinterface.

Beschrijving van de microdialyseprofiler
Het microdialyseprofielapparaat, met de juiste aanpassingen van het vorige ontwerp2, wordt weergegeven in figuur 1. De effectieve poriegrootte van het nanomembraan (figuur 1C-1) wordt geschat op slechts enkele nanometers om de diffusie van grote moleculen en microbiële cellen te voorkomen. Een eerdere test suggereerde dat een overstroomde incubatie van 6 maanden niet resulteerde in ijzerafzettingen aan de binnen- of buitenkant van het buisoppervlak15. Een gebogen, hol skelet werd ontworpen (figuur 1C-2) en 3D-geprint met behulp van een stabiel nylon materiaal. Een totaal van 33 nanomembraanbuizen (polyethersulfon; oppervlakte poriegrootte: 0-20 nm; binnendiameter x buitendiameter x effectieve bemonsteringslengte: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; theoretisch volume: 42,4 μL) verbonden met bijpassende polytetrafluorethyleen (PTFE) buizen (lengte: 18 cm x 2 cm diameter Figuur 1C-1) werden geïnstalleerd op het skelet en aan één kant van een PVC-container (figuur 1B). Voor dit apparaat bevindt de bemonsteringscomponent (figuur 1B-1) zich op 2 cm afstand van de zijwand van de PVC-container. Voor de injectiezijde (figuur 1B-4) waren alle buizen aangesloten op een één-op-veel connector, die luchtdicht in een buffercontainer werd bevestigd (figuur 1B-7). Een medische infuuszak (figuur 1B-11) werd gebruikt om verbinding te maken met de buffercontainer door middel van een driewegklep. De luchtdichtheid van het systeem werd zorgvuldig onderzocht in water voordat verdere experimentele operaties werden uitgevoerd. Het voorgeladen water (18,2 MΩ, 500 ml) in de medische infuuszak is altijd zuurstofvrij (figuur 1C-8). Gedetailleerde apparaatinstellingen en poriewatermonsters worden als volgt beschreven.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Individuele microdialyse sampler voorbereiding

  1. Snijd onberispelijke nanomembraanbuizen (binnendiameter x buitendiameter x lengte: 1,0 mm x 1,7 mm) nauwkeurig in in totaal 33 korte buizen (58 mm lang).
  2. Snijd de PTFE-buis nauwkeurig in 66 pijpen (180 mm lang) met een keramisch mes.
    OPMERKING: Gebruik geen messen op basis van metaal om besmetting te voorkomen.
  3. Meng de tweedelige (AB) epoxylijm volledig op een schone plastic plaat en laat deze 30 minuten staan totdat deze plakkerig wordt. Breng de AB-epoxylijm voorzichtig aan op het buitenoppervlak van de bovenkant van de PTFE-buis. Zorg ervoor dat AB epoxylijm alleen de 4 mm lengte van de buis bedekt en dat er geen extra lijmwerende buizen zijn.
  4. Verbind de twee PTFE-buizen die zijn voorbereid in stappen 1.2-1.4 met elke nanomembraanbuis die is voorbereid in stap 1.1 door de PTFE-buizen voorzichtig in de nanomembraanbuis te schroeven.
    OPMERKING: Laat overtollige lijm zich niet ophopen op het gewricht. Zorg ervoor dat er geen lijm de nanomembraanbuis verontreinigt.
  5. Herhaal stap 1.4 om alle 33 ongerepte microdialyse samplers volledig samen te stellen.
  6. Laat de in stap 1.6 geassembleerde samplers een nacht staan om de volledige uitharding en stabilisatie van de lijm te garanderen.
  7. Verbeter de hydrofilie en reinig de microdialysemonsternemers door ze gedurende 1 uur in ethanol (99,5% zuiverheid) te weken, gevolgd door ultrasoon reinigen (kamertemperatuur) met 2% verdund HNO3 en ultrapuur water gedurende 15 minuten elk.
  8. Controleer de doorgankelijkheid en luchtdichtheid van de microdialyse-sampler door in water te borrelen met een spuit van 5 ml.

2. Montage van de microdialyseprofiler

  1. Gebruik het bijgevoegde CAD-bestand (aanvullend bestand 1) om het vooraf ontworpen skelet af te drukken met nylonmateriaal (figuur 1C-2).
  2. Hol een PVC-container (zuurgewassen) uit met twee parallelle sleuven (interval van 5 cm) om overeen te komen met de skeletgrootte. Gebruik de graveermodule in de 3D-printer voor het plaatsen van sleuven.
  3. Bouw een één-op-veel connector door epoxylijm te stabiliseren in de vorm van de dop van een centrifugebuis van 50 ml. Steek voor het uitharden 33 siliconen doppen (1 cm lang) in de epoxylijm en laat een nacht staan.
  4. Haal de één-op-veel connector uit de buisdop.
  5. Gebruik een keramisch mes om de uitgeharde epoxylijm te snijden, zodat alle uiteinden van de siliconen dop onbelemmerd zijn.
  6. Spoel de één-op-veel connector grondig af met 2% verdund HNO3 en ultrapuur water gedurende elk 15 minuten. Droog de één-op-veel connector onder omgevingsomstandigheden.
  7. Sluit een driewegklep aan op de bodem van de buis om als buffercontainer te dienen.
  8. Monteer de buffercontainer door een één-op-veel connector te installeren op een centrifugebuis van 50 ml met AB-epoxylijm.
  9. Monteer de afzonderlijke microdialysemonsternemers die in punt 1 zijn voorbereid op het skelet (stap 2.1). Gebruik in deze stap smeltlijm om te helpen bij het bevestigen, zodat elke sampler evenwijdig is aan de boven- / onderrand van het skelet.
  10. Herhaal stap 2.9 totdat alle microdialysemonsters (n = 33) op het skelet zijn geïnstalleerd.
  11. Zorg ervoor dat de 33 samplers aan beide zijden van het skelet door de PVC-sleuven gaan. Dicht de openingen bij de voegen van het skelet en de sleuven af met AB epoxylijm.
  12. Sluit de 33 samplers aan één kant van het skelet luchtdicht aan op een buffercontainer via een één-op-veel aansluitklep die vooraf is geïnstalleerd in een centrifugebuis van 50 ml (stap 2.8)
  13. Sluit een medische infuuszak voorgevuld met water (18,3 MΩ) aan op de buffercontainer via de driewegklep.
  14. Gebruik siliconen doppen om de 33 samplers aan de bemonsteringszijde te sluiten. Controleer de doorgankelijkheid en luchtdichtheid van elke microdialyse-sampler door de driewegklep te draaien, waardoor water uit de medische infuuszak naar de sampler kan stromen. Nadat u alle controles hebt voltooid, sluit u alle samplers en de klep op de buffercontainer en schakelt u deze uit.

3. Incubatie van de bodem

  1. Ontgast vóór de incubatie van overstroomde grond het water in de medische infuuszak om zuurstof te verwijderen. Bellenstikstofgas 's nachts in de baan van de lijn van zeer zuiver stikstofgas naar de medische infuuszak (figuur 1-C8).
  2. Gebruik een driewegklep om de verbinding tussen de profiler en de ontgaste zak te sluiten.
  3. Voeg voorzichtig 450 g gezeefde, aan de lucht gedroogde grond (deeltjesgrootte < 2 mm) toe aan een PVC-container, zodat vijf microdialyse-monsternemers boven het bodemoppervlak kunnen blijven.
  4. Gebruik een tissue om het bodemoppervlak te bedekken en giet vervolgens ultrapuur water (18,3 MΩ) op de grond om het te laten overstromen. Verwijder het weefsel wanneer de grond volledig is overstroomd met 5 cm boven het grondoppervlak.
  5. Spoel het systeem met de voorgeladen oplossing onmiddellijk nadat de bodemincubatie is geïnitialiseerd. Schakel de verbinding tussen de anaerobe zak en de dialysebemonsteraar in om het bemonsteringssysteem door te spoelen. Gebruik 10-voudig het totale volume van de sampler bij het afspoelen van elke sampler met water.
  6. Wanneer u klaar bent met het afspoelen van één sampler, sluit u deze af met een schone siliconen dop.
  7. Herhaal stap 3.6 totdat alle samplers zijn verwijderd. Op dit moment wordt één overstroomd bodemincubatie- en bemonsteringssysteem opgezet.
  8. Stel de anaerobe zak in op de hoogte van het wateroppervlak.
  9. Zorg ervoor dat alle buizen vol water zitten. Zo niet, verwijder dan de dop en laat de bovenkant van de buis zakken, zodat het water uit de anaerobe zak kan stromen.
  10. Sluit alle doppen en kleppen.
  11. Schakel de verbinding tussen de anaerobe zak en de dialyse-sampler uit tijdens de incubatie gedurende 7 dagen.

4. Microdialyse profiler sampling

  1. Stel vóór de bemonstering de waterniveaus in de bodemcontainer, de bemonsteringstoppen en de anaerobe zak op een vergelijkbare hoogte aan om duidelijk verschillende waterpotentialen te voorkomen. Houd deze praktijk altijd aan gedurende de periode van bodemincubatie.
  2. Schakel de verbinding tussen de anaerobe zak en de buffercontainer in.
  3. Verwijder de dop van de eerste sampler van boven naar beneden.
  4. Gebruik een pipet om nauwkeurig 133 μL van de sampler af te zuigen naar een injectieflacon (0,6 ml) die is voorgeladen met 133 μL 2% HNO3 voor conservering.
  5. Observeer tijdens het bemonsteringsproces een langzame maar uniforme stroom van waterdruppels naar de microdialyse-sampler in de observatiekamer (figuur 1A-9) van de anaerobe zak.
  6. Sluit de bovenkant van de buis met een siliconen dop. Ga naar de volgende bemonsteringsbuis.
    OPMERKING: Voor de analyse van redoxgevoelige elementen zoals ferro-Fe moet een andere conserveringsmethode worden gebruikt, zoals ontgaste (10 mM) EDTA-oplossing, en de bemonstering moet worden uitgevoerd onder stikstofzuiveringsomstandigheden.
  7. Herhaal stap 4.6 totdat alle 33 monsters zijn verzameld. Schakel de verbinding tussen de anaerobe zak en de buffercontainer uit.
    OPMERKING: De bemonstering kan over het algemeen in 15 minuten worden voltooid. Met het huidige ontwerp wordt de bemonstering dagelijks uitgevoerd om kruisbesmetting tussen buizen te voorkomen. Hoewel de opgeloste diffusie langs de buis langzaam is, zou het in de buffercontainer diffunderen en andere buizen verontreinigen.
  8. Vul onmiddellijk na de bemonstering op dag 6 het overstroomde water aan, wat een verstoring van het bodemoppervlak zal veroorzaken.
  9. Bereken de terugwinning van het monstervolume door de injectieflacon voor en na het overbrengen van het poriënwatermonster te wegen.
  10. Gebruik inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (ICP-MS) om de totale opgeloste concentraties van elementen in het poriewater te meten.
    OPMERKING: Voor de concentratiekwantificering werd een externe standaardcurve gebruikt, terwijl de interne standaard Rh werd gebruikt voor het bewaken van de operationele stabiliteit van ICP-MS.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Naar aanleiding van dit protocol werd een microdialyseprofilersysteem opgezet, zoals beschreven in figuur 1. Bodemincubatie werd uitgevoerd onder overstromingsomstandigheden (24 °C, blootgelegd door licht). Monsters op dag 6 en dag 7 werden selectief gemeten om mogelijke verstoring van het bodemoppervlak aan te geven als gevolg van de praktijk van het aanvullen van het overstroomde water.

Tijdens elke bemonstering werd een consistent aantal waterdruppels in de observatiekamer waargenomen die naar de microdialysemonsternemer stroomden, wat aangeeft dat de overgebrachte monsteroplossing continu werd aangevuld door de oplossing in de anaërobe zak. Zoals te zien is in figuur 2, bedroeg het herstelpercentage van het monstervolume gemiddeld 101,4% ± 0,9% en varieerde van 100,2% tot 103,6%. Een iets hogere terugwinning van het monstervolume kan erop wijzen dat er een verschil in waterniveau was tussen de anaerobe zak en de bovenkant van de bemonsteringsbuis.

Met behulp van de monsters over het bodem-water grensvlak verzameld op dag 6 en dag 7, werden de totale opgeloste concentraties van ijzer (Fe), mangaan (Mn), arseen (As), cadmium (Cd), koper (Cu), lood (Pb), nikkel (Ni) en zink (Zn) in het poriewater bepaald (figuur 3). De concentratiediepteprofielen varieerden sterk, afhankelijk van het elementaire type en voor en na de praktijk van het aanvullen van het overstroomde water. Hoewel we hier geen replicaties hebben uitgevoerd omdat deze studie een op gradiënt gebaseerd experimenteel ontwerp gebruikte, toonde onze vorige studie goede replicaties van veranderingen in diepteafhankelijke chemische signalen18.

Op dag 6 namen de opgeloste concentraties van Mn, Fe en As toe samen met de bodemdiepte, terwijl die van Cu en Pb afnamen met toenemende bodemdiepte. De resultaten zijn in overeenstemming met de algemene beginselen en waarnemingen op het raakvlak tussen bodem en water; in het bijzonder zou een meer gereduceerd milieu in de diepere bodem een verbeterde reductieve afgifte van Mn15, Fe en As veroorzaken, terwijl de afgifte van kationische metalen wordt geremd als gevolg van de vorming van minder oplosbare mineralen. Voor Cd, Ni en Zn wezen de concentratiediepteprofielen echter op een ander patroon, aangezien de opgeloste concentraties een stijgende trend vertoonden van een diepte van ongeveer −20 mm naar diepere locaties.

Vergeleken met de concentratiediepteprofielen van Fe (4,95 mg· L−1) en As (3,3 μg· L−1) op een diepte van −12 mm op dag 6, de concentraties Fe (1,46 mg· L−1) en As (0,8 μg· L−1) waren significant lager op dag 7; de Fe- en As-concentraties waren echter significant hoger (diepteafhankelijke helling, p < 0,001) vanaf de diepten van −18 mm tot −50 mm. Voor de meeste bepaalde elementen, met uitzondering van Mn, waren de opgeloste concentraties in het oppervlaktewater en de gelijkmatige oppervlaktegrond op een diepte van −15 mm significant lager, in verschillende mate, na aerobe wateraanvulling. Er werd opgemerkt dat er een concentratiepiek voor Pb was op een diepte van ongeveer −10 mm op dag 7, wat een contrasterend patroon liet zien met dat waargenomen op dag 6. Deze inconsistente resultaten worden waarschijnlijk veroorzaakt door de verstoring van de wateraanvulling en de temporele evolutie van de biogeochemie over het grensvlak tussen bodem en water. In beide gevallen gaf de microdialyseprofiler aan dat het een groot potentieel heeft om de temporospatiale veranderingen in chemische profielen over de bodem-waterinterface te volgen.

figure-results-1
Figuur 1: Microdialyseprofiler voor het monitoren van de chemische dynamiek op bodem-waterinterfaces tot de bodemdiepte van 50 mm. (A) Voor een profiler in gebruik op 50 mm diepte, zie ook aanvullende figuur S1. De belangrijkste componenten omvatten (B1, C1) 33 microdialyse samplers (B2, C2) geïnstalleerd op een 3D-geprint skelet, dat verder wordt geïnstalleerd op een (B3) incubatiecontainer (een 50 ml monsterbuis), (B4, B7, C4) een één-op-veel buffercontainer, (B9-B12) een medische infuuszak die wordt gebruikt als leverancier van ontgast water, en een (C5) offline bemonsteringspipet. (B5) De bemonsteringslocaties van alle 33 samplers zijn op dezelfde hoogte uitgelijnd met (B6) een plastic strip. Zuurstofarm water wordt bereid door (C8) stikstof die in omgekeerde richting naar de watertoevoer borrelt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Bemonsteringsvolumeterugwinning met H2O als perfusaat. De foutbalken geven de standaarddeviatie van twee onafhankelijke profilermonsters aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Concentratiediepteprofielen . (A) Mangaan, (B) ijzer, (C) arseen, (D) cadmium, (E) koper, (F) lood, (G) nikkel en (H) zink gemeten op dag 6 en dag 7. De negatieve tekenlabels op de Y-as geven de diepten onder de water-bodemgrens aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Storingsgeval van lekkage resulterend in ijzerneerslag in de monsternemers. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullend dossier 1: Computerondersteund ontwerpbestand voor een afdruk van het vooraf ontworpen skelet. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur S1: De profiler in gebruik. (A) Op ondergelopen grond. (B-E) Foto's van boven- en zijaanzichten en verbindingsdetails worden afzonderlijk weergegeven. (E) Driewegkleppen worden gebruikt om de buffercontainer en de medische infuuszak met elkaar te verbinden. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Op basis van eerdere experimenten en praktijken2 vereisen sommige overwegingen speciale aandacht tijdens de assemblage van de microdialyseprofiler en de bemonstering van het poriewater. Ten eerste moeten de nanomembraanbuis en de verbindingsbuis zorgvuldig worden aangesloten om verstoppingen of lekkages bij de verbinding te voorkomen. Omdat de bodem onder overstroomde omstandigheden wordt geïncubeerd, zal de introductie van zuurstof snel oxideren en ijzer in de dialysebuizen neerslaan (figuur 4). Om deze reden moet elke microdialysebuis vóór het monteren van de microdialyseprofiler worden gecontroleerd op integriteit (geen schade), de luchtdichtheid van de verbindingen en de doorgankelijkheid van de slang. Evenzo moet de aansluiting van het steunframe op de zijwand van de incubatiecontainer zorgvuldig worden gedaan om lekkage te voorkomen. Voorafgaand aan formele experimenten zijn lekcontroles op de verschillende aansluitlocaties altijd een prioriteit. Ten tweede moet het perfusaat in de anaerobe zak voldoende worden gedeoxygeneerd. Anders zal ijzer in poriewater reageren met de zuurstof in het perfusaat om onoplosbare neerslag te vormen (figuur 4). Dit zal de speciatie en concentratie van opgeloste stoffen en de diffusieprocessen naar de nanomembraanbuizen ernstig veranderen. Ten derde zal een lage bemonsteringsfrequentie (dagen en weken) ervoor zorgen dat de opgeloste stof in het buffergebied diffundeert. Dit kan het hele profielmonster besmetten. Om dit probleem aan te pakken, kunnen drie mogelijke oplossingen worden overwogen: (1) bemonstering met een hoge frequentie, zoals eenmaal per dag (dit kan echter leiden tot uitputting van opgeloste stoffen in de buurt van de dialysebemonsteraar wanneer meerdere bemonsteringen worden uitgevoerd); (2) indien nodig de lengte van de verbindingsleiding in het injectiegebied verlengen; (3) het herontwerpen van de bemonsteringspijpleiding om één enkele leiding te bereiken. Dit zijn ook aanwijzingen voor de verbetering van het apparaat in de toekomst. Ten vierde moet er tijdens het bemonsteringsproces voor worden gezorgd dat het niveau van het wateroppervlak in de anaërobe zak, de overstroomde grond en de bemonsteringsleiding ongeveer op dezelfde hoogte liggen om de waterdruk in evenwicht te brengen. Anders zal een waterpotentiaalverschil binnen en buiten de membraanbuis resulteren in een afname of toename van de verspreiding van opgeloste stoffen.

Beperkingen
Ten eerste, omdat de microdialyseprofiler niet in de handel verkrijgbaar is, blijft de methode tijdrovend in termen van de voorbereiding van het apparaat. Het duurde dagen om een enkele dialysebuis voor te bereiden, inclusief het afdrukken van het ondersteuningsskelet, de assemblage van het apparaat en het reinigen. Maar de daaropvolgende herbruikbare functies overbruggen deze kloof volledig. Ten tweede zijn er bepaalde beperkingen bij het toepassen van het apparaat op niet-overstroomde bodemscenario's, die gluurders kunnen worden gebruikt voor18. Vanwege het aanzienlijke waterpotentiaalverschil tussen de binnen- en buitenkant van de membraanbuis in droge grond, ervaart de voorgeladen oplossing diffusieverlies; In de voorlopige test werden inderdaad verschillende bemonsteringsvolumeterugnames in het bereik van 10% -36% waargenomen (gedetailleerde gegevens niet getoond), wat onzekerheid over de resultaten creëert.

Vergelijking van de methode met bestaande of alternatieve methoden
De methode pakt gedeeltelijk het feit aan dat de bestaande passieve monsternemers niet herhaaldelijk kunnen bemonsteren en minimaliseert de werklast van de monstervoorbereiding, met name voor anoxische poriënwaterbemonstering en conservering2. De onmiddellijke veranderingen in concentratie en soortvorming van gedialyseerde opgeloste stoffen kunnen de reactie van de oxic-anoxische interface op eventuele omgevingsverstoringen gevoelig weerspiegelen. Theoretisch maakt bemonstering met een frequentie van minuten, uren of dagen het mogelijk om de snel veranderende processen op de interface vast te leggen. Voor passieve samplers die dagenlang in gebruik moeten zijn, kunnen sommige hot moments en hotspots worden gemist 6,19.

Belang en mogelijke toepassingen in de milieuwetenschappen
Deze aanpak zou biogeochemische studies op oxisch-anoxische interfaces kunnen bevorderen, bijvoorbeeld om hete momenten en hotspots van biogeochemische processen onder specifieke Eh-pH-omstandigheden te vinden. Het redoxproces is het basisproces van levensactiviteiten1. Vooral micro-organismen vereisen optimale leefomstandigheden en zijn zeer gevoelig voor verstoringen van de omgeving1. Dit resulteert in een zeer dynamische ontwikkeling van microbiële gemeenschappen en biogeochemische processen in heterogene omgevingen20. Directe bemonstering, zonder rekening te houden met de hoge heterogeniteit, heeft de neiging om een gemengd monster te verkrijgen uit verschillende omgevingsomstandigheden. Dit veroorzaakt mismatches tussen de gemeten chemische informatie en belangrijke micro-organismen20. Binnen een paar centimeter van de oppervlaktelaag van grond of sediment in een typisch overstroomd rijstveld, zijn er steile redoxgradiënten, evenals verschillende fysische, chemische21 en biologische gradiënten1. Technologie moet biogeochemische signalen op millimeterschaal kunnen opvangen; Anders kunnen gegevens die niet overeenkomen met de werkelijke schaal tot dubbelzinnige conclusies leiden. De microdialyseprofiler is in staat om biochemische signalen op millimeterschaal op het grensvlak tussen bodem en water in dagen of uren te monitoren met minimale verstoring. In deze studie werd de spatiotemporele dynamiek van verschillende elementen over een periode van 48 uur waargenomen, mogelijk gerelateerd aan de verstoring van wateraanvulling. Daarom kan een bredere toepassing van de microdialyseprofiler helpen om te begrijpen hoe verstoringen belangrijke biogeochemische processen in een veranderende wereld beïnvloeden.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren geen belangenverstrengeling te hebben.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk wordt gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) en het Key Programme Special Fund van XJTLU (KSF-A-20).

Materialen

```html

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D PrinterSnapmaker, Verenigde StatenSnapmaker 2.0 Model: A250
3M DP190 Scotch-Weld Grijs 3M Verenigde Staten489-483Grijs
CentrifugebuisTitan, ChinaSWLX-JZ050-ZX50 mL, Gesteriliseerd DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Vrij
Keramisch mesR felngli, ChinaN.V.T.Algemeen
EDTA VRIJ ZUURZSigma-AldrichCAS 60-00-4Sigma-Aldrich#EDS-1KG
EthanolAdamasCAS 64-17-5Water ≤ 50 ppm (door K.F.), 99,5%, SafeDry, met moleculaire zeef, Safeseal
Heetmeltlijm Magic Dragon, ChinaN.V.T.JTWJRRJB001
Inductief Gekoppelde Plasma Massaspectrometrie PerkinElmer, Inc., Shelton, CT VSN.V.T.Model: NexION 350X
Medische infuuszak Hunan Kanglilai Medical Equipment Co., LtdN.V.T.250 Ml, Gesteriliseerd
Milli-Q watersysteemMingche, Inc., ChinaN.V.T.18.3 MΩ, waterzuiveringssysteem model: 24UV
Nanomembraanbuis (polyethersulfon)Motimo Membrane Technology Co., Ltd., Tianjin, ChinaN.V.T.Polyethersulfon, binnendiameter 1 mm, poriegrootte <20 nm, voorbehandeld met ethanol (99,5%)
StikstofgasSuzhou Gas, ChuinaN.V.T.Hoge zuiverheid
Nitreuzuur (Geconcentreerd)AdamasCAS 7697-37-269%, Enkel metaal < 50 ppt, PFA-fles
NylonvezelSoumiety10052076600273Voor 3D-printen
Pipet Bond A3 PipetN.V.T.200 μL
PipettipTitanT2-H-T0200200 μL, 300 μL Tip Box Niet-sterieel|200 μL|Titan
PolytetrafluorethyleenbuisROHS, ChinaCJ-TTLUitdiameter 1 mm
MonstervialTitan, ChinaEP0060-B-N0,6 mL, Gesteriliseerd DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Vrij
Siliconen dopFuchenxiangsu, ChinaN.V.T.Binnendiameter 1 mm, lengte 1 cm
SonicatorElmaN.V.T.model:E120H
Vierkante PVC waterbuisTaobao.comN.V.T.hoogte x breedte, 12 cm x 15 cm
Driewegklep voor infusieOEM, ChinaN.V.T.Medisch niveau; Klephuis: PC-materiaal; klepkern: PE-materiaal; schroefdop: ABS-materiaal
```

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Brune, A., Frenzel, P., Cypionka, H. Life at the oxic-anoxic interface: Microbial activities and adaptations. FEMS Microbiology Reviews. 24 (5), 691-710 (2000).
  2. Yuan, Z. -F., et al. Tracing the dynamic changes of element profiles by novel soil porewater samplers with ultralow disturbance to soil-water interface. Environmental Science & Technology. 53 (9), 5124-5132 (2019).
  3. Henkel, S., et al. Diagenetic barium cycling in Black Sea sediments - A case study for anoxic marine environments. Geochimica et Cosmochimica Acta. 88, 88-105 (2012).
  4. Zhong, H., et al. Novel insights into the Thaumarchaeota in the deepest oceans: Their metabolism and potential adaptation mechanisms. Microbiome. 8 (1), 78(2020).
  5. Lueder, U., et al. Influence of physical perturbation on Fe(II) supply in coastal marine sediments. Environmental Science & Technology. 54 (6), 3209-3218 (2020).
  6. Sharma, N., Wang, Z., Catalano, J. G., Giammar, D. E. Dynamic responses of trace metal bioaccessibility to fluctuating redox conditions in wetland soils and stream sediments. ACS Earth and Space Chemistry. 6 (5), 1331-1344 (2022).
  7. Vrana, B., et al. Passive sampling techniques for monitoring pollutants in water. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 24 (10), 845-868 (2005).
  8. VanOploo, P., White, I., Macdonald, B. C. T., Ford, P., Melville, M. D. The use of peepers to sample pore water in acid sulphate soils. European Journal of Soil Science. 59 (4), 762-770 (2008).
  9. Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Temporal, spatial, and resolution constraints for in situ sampling devices using diffusional equilibration: Dialysis and DET. Environmental Science & Technology. 31 (11), 3110-3119 (1997).
  10. Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Estimation of pore water concentrations from DGT profiles: a modelling approach. Aquatic Geochemistry. 5 (4), 337-355 (1999).
  11. Gao, S., DeLuca, T. H. Use of microdialysis to assess short-term soil soluble N dynamics with biochar additions. Soil Biology and Biochemistry. 136, 107512(2019).
  12. Buckley, S., Brackin, R., Jämtgård, S., Näsholm, T., Schmidt, S. Microdialysis in soil environments: Current practice and future perspectives. Soil Biology and Biochemistry. 143, 107743(2020).
  13. Miró, M., Jimoh, M., Frenzel, W. A novel dynamic approach for automatic microsampling and continuous monitoring of metal ion release from soils exploiting a dedicated flow-through microdialyser. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 382 (2), 396-404 (2005).
  14. Maddala, S., Savin, M. C., Stenken, J. A., Wood, L. S. Nitrogen dynamics: Quantifying and differentiating fluxes in a riparian wetland soil. ACS Earth and Space Chemistry. 5 (5), 1254-1264 (2021).
  15. Yuan, Z. -F., et al. Simultaneous measurement of aqueous redox-sensitive elements and their species across the soil-water interface. Journal of Environmental Sciences. 102, 1-10 (2021).
  16. Hamilton, E. M., Young, S. D., Bailey, E. H., Humphrey, O. S., Watts, M. J. Online microdialysis-high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry (MD-HPLC-ICP-MS) as a novel tool for sampling hexavalent chromium in soil solution. Environmental Science & Technology. 55 (4), 2422-2429 (2021).
  17. Yuan, Z. -F., et al. Distinct and dynamic distributions of multiple elements and their species in the rice rhizosphere. Plant and Soil. 471 (1), 47-60 (2022).
  18. Teasdale, P. R., Batley, G. E., Apte, S. C., Webster, I. T. Pore water sampling with sediment peepers. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 14 (6), 250-256 (1995).
  19. Wey, H., Hunkeler, D., Bischoff, W. -A., Bünemann, E. K. Field-scale monitoring of nitrate leaching in agriculture: assessment of three methods. Environmental Monitoring and Assessment. 194 (1), (2021).
  20. Cai, Y. -J., et al. Microbial community structure is stratified at the millimeter-scale across the soil-water interface. ISME Communications. 2 (1), 53(2022).
  21. Jones, M. E., et al. Manganese-driven carbon oxidation at oxic-anoxic interfaces. Environmental Science & Technology. 52 (21), 12349-12357 (2018).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Oxische anoxische interfacebiogeochemische processenconcentratiegradi ntdiffusieporiewaterbemonsteringinductief gekoppeld plasmaredoxgevoelige elementenhoge resolutiebemonstering

Gerelateerde artikelen