Ультра-чистой многослойных аппарат для сбора размер фракционированный морской планктон и взвешенных частиц

Частицы в океане играют важную роль в морских биогеохимических циклов¹. Большинство свойств частиц, такие как размер, минералогии и композиции, можно изменить глубоко от одного параметра геологических или гидрографические еще². Кроме того, распределение элементов в океане также связаны с жизненным циклом морской фитопланктон: рост, смерть, гибель и Реминерализация^3,4. Морских частицы охватывают по крайней мере 4 порядков в размерах, начиная от субмикронных частиц больших агрегатов (> 5 мм). Большинство частиц являются биологически производными от процессов, таких как вирусный лизиса, экссудацию, секрецию, фекальные пеллеты производства и т.д. Другие частицы образуются из физических коагуляции клеток, сотовой мусора или литогенные материалы¹. Различные химические и биологические характеристики частиц управления геохимические циклы и биологических процессов, происходящих на и внутри частицы^4,5,6. Эти частицы являются важные места обитания, а также источников питания для некоторых организмов, таких как зоопланктона или сапротрофы. Соответственно судьба частиц часто связана с их размер, который может быть изменен биологические процессы на и вокруг частиц.

Отбор проб морской частицы обычно требует фильтрации, но этот подход представляет определенная двусмысленность в определении свойств частиц, поскольку морской частицы не являются однородной по составу и размер. Взвешенных частиц, в основном состоит из мелких и низкой плотности частиц, которые являются почти постоянно в суспензии, смешиваются с различное количество крупных и плотнее частиц во взвешенном состоянии только на короткий период времени, в зависимости от гидродинамических условий ⁷. первые сообщения о трассировки металла состав планктона образцы были собраны буксирами планктона или приостановки планктона сеток на научно-исследовательских судна⁸. Авторы часто нашли частицы металла и краски чипов в образцах, предложив серьезные проблемы загрязнения морской частиц проб для химического анализа. Другие усилия включают чистый буксировкой резиновых плотах или использования поливинилхлорида (ПВХ)-ручная лебедка³. Трудность надежного отбора проб частиц делает более трудным, особенно для микроэлементов прогресс в нашем понимании химического состава морской частиц. Таким образом наиболее важной информации о концентрации микроэлементов в фитопланктона пришло от культуры исследования^9,10. Это признание побудило мореведов для создания новых методов для изучения частиц в море за последние тридцать лет¹¹.

Океанографы использовали различные методы отбора проб, включая судовые фильтрации, фильтрации на месте , и отложения ловушки¹¹. Обработка больших объемов морской воды для сбора-загрязненных образцов может быть сложным, особенно для открытого океана и глубоких водах, в которых концентрации частиц являются очень низкими (0,001 - 0,1 мг/Л). Это также необходимо для фильтрации больших объемов морской воды, чтобы получить достаточное количество частиц для измерения концентрации металлов трассировки. Некоторые исследователи использовали метод фракционирования размер для отделения взвешенных частиц от потопления частиц. Однако размер частиц, пористость, плотности и формы можно все влияние частиц, тонущий скоростей. Седиментационными ловушками не являются практические инструменты для сбора взвешенных частиц, так как те предназначены для проходки частиц. Таким образом важно разработать методы выборки и лечения, которые можно собрать достаточное количество взвешенных частиц с минимальным загрязнением. Следовательно размер фракционирование в situ фильтрацией по-прежнему перспективным инструментом в океанограф выборки элементов, так как он может раскрыть важную информацию о динамике морской частиц. Здесь, мы описываем успешно испытанных трассировки очистке металла, тяжести многослойной фильтрации проб морской воды на борту в один проход из политетрафторэтилена (ПТФЭ) аппарат, который может обрабатывать большие объемы (120-240 Л) с покрытием бутылки для отбора проб воды в массив многолетних бутылка выборки. Этот аппарат выборки использует кислоты промывают синтетические нейлоновые сетки в последовательности, и сети заключаются в контейнере поликарбоната аккуратно собирать размер фракционированный взвешенных частиц и фитопланктона^{12,13, 14,15} (рис. 1). Целью этой работы является обеспечить более эффективный инструмент для изучения порошковых ассоциаций и их реакция динамика в морской среде, и улучшить наше понимание судьбы широкий спектр планктон, частиц и микроконцентрации металлов в этих среды.

Следующий протокол включает работу с вредных химических веществ. Пожалуйста, внимательно прочитайте листы данных безопасности (SDS) и руководящим принципам институциональных химической безопасности.

1. многослойных тяжести фильтрации сборники подготовка

1. Сборники очистка
   1. Заполнить трубы и фильтрации блок с 1% (w/v) анионные протеазы фермента моющего раствора и замочить его на 24 ч. флеш тяжести многослойной фильтрации сборники с двойной дистиллированной воды обратного осмоса (RO-DDW) тщательно, а затем заполнить его с 0,1% (v/v) Хлористоводородная кислота (HCl, реагент класс) и Выдержите в течение 72 ч.
   2. Тщательно промойте сборники фильтрации многослойных гравитации с обратным осмосом двойной дистиллированной деионизированной воды (RO-DD-DIW) три-пять раз, по крайней мере 20 литров каждый раз и хранить сборки в пластиковых мешках.
2. Частица контейнера очистки/Подготовка образца
   1. Использование полиэтилена низкой плотности (LDPE, 125 мл) или фторированные этилен пропилен (FEP, 125 мл) бутылки как контейнеры для частиц. Экологически чистые бутылки путем замачивания их сначала в щелочных моющих средств (микро, 1%), затем в 50% (v/v) азотная кислота (HNO₃, класс реагент), затем 10% (v/v) HCl решения для по крайней мере 24, 48 и 24 h, соответственно. Промойте бутылки с деионизированной воды (RO-DD-DIW) между двумя замачивания шаги.
   2. После окончательного HCl замачивания бутылки с деионизированной воды (RO-DD-DIW) тщательно ополосните и сухие бутылки в чистой комнате или класс 100 чистого скамейке.
      Прикрепить уборка бутылку к фильтрации сборники многослойных гравитации, или печать очищены для бутылок в молнии мешки PE и двойной мешок их для транспорта.
3. Ассамбляж тяжести многослойной фильтрации сборники
   1. Шесть 4 м длиной химстойкие Термопластоэластомер трубы (наружным диаметром 0,635 см) подключиться к шести направленного заливов на вершине сэмплер.
   2. Соберите три различных сетка нейлон фильтры с полиэтилен образца контейнеров (125 мл LDPE) в последовательности в чистой комнате (стенд) после того, как они убираются (см. ниже), с 10 мкм сетчатый фильтр, расположенный на улице, 63 мкм сетчатый фильтр в Средний и 153 мкм сетчатый фильтр на внутренней стороне. Для транспортировки хранения тяжести многослойной фильтрации сборники в два слоя, сумки из полиэтилена (ПЭ), а затем поместить его в контейнере из полипропилена (PP).

2. отбор проб

1. Сбор образцов
   1. По прибытии на участке отбора проб у одного человека удалить тяжести многослойной фильтрации сборники из контейнера судоходства на борту исследовательского судна и открыть сумку с сэмплер. Затем у них надеть перчатки PE, подключить шесть Термопластоэластомер трубы 4 m к spigots воды шести 20 L PTFE-покрытием выборки бутылок на массиве повышенных мульти бутылка выборки и направлять в этот блок фильтрации морской воды. Морская вода будет течь через направленного бухтами, и планктона частицы будет аккуратно отделена/фракционированный через сети и поселиться в 125 мл бутылки LDPE, которые крепятся на базе сетей.
   2. После того, как морская вода вытекала через (обычно 120 для прибрежной морской воды и 240 Л для открытого океана воды), удалите каждой сети в последовательности (во-первых, 153 мкм, то 63 мкм и наконец 10 мкм) в класс 100 чистого скамейке, а затем спрей сеть с трассировки очистке металла 0,4 мкм f iltered морской воды, чтобы промыть любой планктона, застрял на внутренней поверхности сетки. Собирайте с морской водой с концентрированной частиц/планктона в 125 мл пластиковых бутылок.
   3. Отвинтить эти бутылки от сетки и фильтровать решения с концентрированной частиц/планктона снова через аппарат кислоты промывают вакуумной фильтрации с предварительно весил, кислоты промывают 47 мм, 10 мкм-поры поликарбоната фильтры под низким вакуума условия (< 5 кПа).
   4. Для сбора частиц/планктона меньше 10 мкм, ждать по крайней мере 20 Л морской воды течь через пробоотборник, тогда после этого, собирать 2-5 Л воды в контейнере 5 L PE и фильтровать эти образцы воды, кислоты промывают вакуумной фильтрации аппарат с Фильтры поликарбоната размер поры предварительно взвешенный, кислоты промывают, 47-мм, 0,4 мкм.
   5. После вакуумной фильтрации фильтры для отбора проб немедленно промойте высокой чистоты DDW водой для удаления остатков морской воды, свести к минимуму влияние морской соли на определение сухого веса частиц/планктона. Сохраняйте объем промывки лишь несколько миллилитров предотвратить ущерб хрупкой планктона.
   6. Затем, после этого полоща шаг, тщательно удалить фильтр из блока вакуумной фильтрации, хранить фильтры забора проб в кислоты промывают, предварительно взвешенный акрилового пластика Петри и запечатать в закрывающейся пластиковые мешки. Держите мешки в морозильной камере-20 градусов на борту до возвращения обратно в лабораторию на суше для дальнейшего анализа предварительной обработки и химических проб.

3. пример лечения

1. Замораживание сушки и пищеварение частиц
   1. Установите фильтры с образцами частиц в коллектор камеру Плаурайта машины и включите машину. Как машина температура достигает 40 ° C, включите вакуумный насос машины и начать процессы сушки замораживанием.
      Примечание: Уровень вакуума следует неуклонно ниже 0.12 мбар. Пожалуйста, внимательно прочтите руководство пользователя и следуйте рекомендациям изготовителя для каждого шага.
   2. После 72 ч выключите Плаурайта машину, удалить сухие фильтры и взвесить их. Затем место сухих образцов фильтров в предварительно весил perfluoroalkoxy алканов (PFA) сосуды (емкостью 60 мл) и добавить 3 мл концентрированной сверхчистого азотной кислоты в сосуды^2,3,6,7.
   3. Затяните судов динамометрическим ключом к постоянный крутящий момент 2,5 кг-м и место судов в обычной духовке при 130 ° C на 12 ч для первой последовательности пищеварение. После охлаждения, удалите судов из духовки, открыть судов и добавить 2 мл сверхчистого плавиковой кислоты в сосуды^2,3,6,7.
   4. Затяните судов с крутящим моментом 2,5 кг м и место судов в обычной духовке при 130 ° C для 12 h, который является второй последовательности пищеварение. После охлаждения, откройте судов и добавьте 16 мл раствора 4,5% ультра-чистой борной кислоты в сосуды^2,3,6,7.
   5. Затяните судов на постоянный крутящий момент 2,5 кг-м и усвоить образцы в духовке при 130 ° C в течение 12 ч для окончательного пищеварение последовательности. После охлаждения, весят каждое судно и определить окончательный массы и удельная масса каждого переваривается решения произвести окончательный digestant тома.
      Примечание: Удельная масса определяется путем измерения веса точно 1,00 мл digestant.
   6. Осторожно наливайте digestant в 30 мл кислоты очищенные PE бутылки для дальнейшего анализа металла трассировки.
2. Металлический анализ трассировки
   1. Определение трассировки концентрации металлов (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni и Аль) в переваривается решения частиц с помощью графит печи атомно-абсорбционный спектрометр (ААС)⁶.
   2. Как тест точность, использовать сертифицированные справочные материалы (CRM), например морских отложений справочные материалы из национального исследовательский совет Канады, отложениях эстуария стандартных справочных материалов от национального института стандартов и технологии США и планктона справочный материал от науки и знаний службы Европейской Комиссии. Этот процесс дает 95-107% восстановления аттестованного значения для микроконцентрации металлов в CRM.

С развитием современной океанографии, это теперь обычной практикой для использования «чистые технологии» для получения точных трассировки концентрации металлов в морской частиц или планктона. Поскольку большинство частиц в природных водах находятся в низких мг/Л в мкг/л, обработка больших объемов морской воды необходимо исследовать геохимической и биологической последствия микроконцентраций металлов на различных частиц в окружающей среде. С использованием методов выборки чистого, многослойная гравитации фильтрации («CATNET») (рис. 1) было найдено хорошее согласие между концентрации частиц определяется с использованием обычных под давлением тупик фильтрации и те, собранные CATNET, с помощью набора данных прибрежной морской воды, пробы с Западного побережья от Тайвань (рис. 2). Более 90% этих частиц были небольшими (0.4 - 10 мкм). Когда по сравнению нефильтрованное морской воды для CATNET фильтрации морской воды (< 10 мкм), используя этот Протокол производства очень низкой заготовок и без заметного загрязнения (Таблица 1). Для частиц, собранных на глубине максимума хлорофилла а в Южно-Китайском море между 3/26/2002 и 3/28/2002, большинство частиц (> 80%) проживают в небольших (0.4 - 10 мкм) частиц. Более крупные частицы, то есть, зоопланктон (> 153 мкм), ясно показал суточный вертикальной миграции, в то время как концентрации мелких частиц остается практически неизменным (рис. 3). Живой зоопланктона, наблюдаемые в бутылки выборки указано мягкости процесса фильтрации10. В поверхностных водах в Тайваньском проливе аналитическая химия мокрой и описанные здесь методы выборки используются для измерения распределения морских частиц и композиции. Гистограмма средней концентрации металлов в взвешенных частиц (мкг/г) среди различных размерных фракций собраны разнообразные резко, охватывающих более чем пять порядков. Концентрации существенно различаются в разных частиц размер группы: 0.4 - 10 мкм, 10-63 мкм, мкм 63-153, и > 153 мкм. Как правило, большинство частиц обогатились в Fe и Al, и концентрации, уменьшается с увеличением размера, за исключением Cd, который увеличился с увеличением размера, возможно вызванной био концентрация процесс3,10, 14 (рис. 4).

Рисунок 1: ультра-чистой многослойных тяжести фильтрации сборники для сбора размер фракционированный морской планктон и взвешенные частицы (CATNET). Эта частица коллекции сборники изготовлен из поликарбоната и полипропиленовых материалов и оснащен, в последовательности, с 153 мкм, 63 мкм и 10 мкм сменными нейлоновые сетки. Пробы воды взяты из шести выборки PTFE-покрытием 20-литровых бутылки на массиве повышенных мульти бутылка выборки, подключенных к концам приток аппарата размер фракционированный фильтрации через кислоты промывают Термопластоэластомер трубы. Эта система фильтрации эффективно предотвращает возможного загрязнения во время сбора образцов на борту, и частицы мягко отделены в разных размерах последовательно через сети, погружаясь в ПВД бутылки в нижней части каждой сети. «CATNET» был прозван соавтор Мисс Ли Вэнь-проповедовавший для короткой аббревиатуры «Д-р Cat ультра-чистой многослойных коллекции net», таким образом, чтобы пользователи могли отличить метод аппарат и фильтрации отношении дизайнер/изобретатель, д -р Лян-пила «КОШКА» Вэнь. Это устройство было запатентовано до 9 маяth, 2015-12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: сравнение общего взвешенных материалов (TSM), собранных из прибрежных вод два независимых фильтрации методами. Пробы воды в прибрежной зоне на глубине 5 метров были собраны на борту на R/V океана исследований II в апреле 2007 года (OR2-1432, 2007/4/21-4/23). () станций отбора проб, (b) схемы процедуры отбора проб, (c) различных размеров частиц концентрации каждого образца сайтов методом CATNET и (d) сравнение частиц концентрация определяется обычные фильтрации метод (TSM) и метод CATNET (TTSM). Планки погрешностей являются стандартные отклонения дублируется образцов измеряемый TSM. Очень хорошие соглашения выявлена между концентрации взвешенных частиц определяется с помощью двух независимых методов в отдельных аликвоты же образцов. Там были 22 участков отбора проб, и два образца для каждого сайта были собраны и фильтруют непосредственно на часто используемые, под давлением тупик фильтрации устройства7,11,16 (всего взвешенных материалов, «ТСМ», частица вес больше, чем 0,4 мкм), и еще один образец была собрана CATNET следуют низкого давления вакуумной фильтрации (общее количество взвешенных материалов, «TTSM», сумма весов 0.4 - 10, 10-63, 63-153, и > 153 частиц мкм; сделано только один раз из-за время работы). Большая концентрация диапазона подразумевает, что методы подходят для исследования частиц в различных средах, где концентрации показывают существенные различия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Таблица 1: питательных веществ и трассировки концентрации металлов в процедуре пустой вод, морской воды и CATNET фильтрацию воды. Иллюстрация питательных веществ и трассировки концентраций металлов в 3 местах заготовок (высокой чистоты воды, рассматривать в качестве образцов в поле) и окружающего воды (115˚34' Е, 18˚15'N; глубина 80 метров) до и после фильтрации CATNET, которые показывают эффективность описал протокол. Не было никаких свидетельств для увеличения концентрации из-за родов стресс эффекты (неестественным экскреции из-за столкновения, неестественно освещенности, температурного шока, энергичные смешения, разрушения клеток и т.д.) или загрязнения (микроконцентрации металлов в моет и коллекции бутылки, коллекция передач, арматуры и проводов, пластиковых колпачков, и т.д.). Также были достигнуты низких местах заготовок. Не обнаружено: н.д.

Рисунок 3: временные вариации () хлорофилловое свечение в эуфотической зоне и (b) различных размеров частиц, собранных на глубинах максимума хлорофилла а. Образцы были собраны на борту на R/V океанографических исследований в марте 2002 года (или1-639, 2002/3/21-3/30)13. Пунктирные линии с треугольниками в () указывают CTD раз удрученный и гидрографических данных поиска; твердых треугольники обозначают время отбора проб частиц на глубинах хлорофилла максимум для CATNET развертывания. Хотя некоторые концентрации мелких частиц остается практически неизменным, зоопланктон (> 153 мкм) ясно показали ночной вертикальные миграции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: сравнение средних концентраций металлов в высушенных взвешенные частицы (мкг/г) среди разных размеров. () образцы были собраны на борту на R/V океана исследований II летом 2007 года (OR2-1444, 2007/5/31-6/6). (b) в среднем металла концентрации с стандартных отклонений высохший взвешенные частицы (мкг/г) для всех 35 пробах среди разных размеров. В целом след металл композиции разнообразны резко, охватывающих более чем пять порядков. Концентрации металлов трассировки также существенно различаются в по-разному размера частиц, собранных (0.4 - 10, 10-63, 63-153, и > 153 мкм) в поверхностных водах Тайваньского пролива; как правило, концентрации уменьшается с увеличением размера, за исключением Cd. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Соавтор, г-н Алан Chuang является патент совладелец и Генеральный менеджер компании (китайско инструментов Co., Ltd.), который изготовлен аппарат этой коллекции для заинтересованных пользователей. Патента закончился в мае 9^тыс, 2015-¹².