Методическая статья

Проектирование и строительство экспериментальной установки для усиления минерального выветривания за счет деятельности почвенных организмов

4.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/65563

⸱

10 ноября 2023 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем создание и работу экспериментальной установки для усиления минерального выветривания за счет активности почвенных организмов при одновременном манипулировании абиотическими переменными, которые, как известно, стимулируют выветривание. Репрезентативные результаты функционирования установки и анализа образцов обсуждаются вместе с замечаниями, требующими улучшения.

Аннотация

Улучшенное выветривание (EW) — это новая технология удаления углекислого газа (CO2), которая может способствовать смягчению последствий изменения климата. Эта технология основана на ускорении естественного процесса выветривания минералов в почвах путем манипулирования абиотическими переменными, которые управляют этим процессом, в частности, размером минеральных зерен и воздействием кислот, растворенных в воде. РЭБ в основном направлена на снижение концентрацииСО2 в атмосфере за счет усиления секвестрации неорганического углерода. До сих пор знания о РЭБ были получены в основном в ходе экспериментов, которые были сосредоточены на абиотических переменных, которые, как известно, стимулируют выветривание минералов, тем самым пренебрегая потенциальным влиянием биотических компонентов. В то время как известно, что бактерии, грибы и дождевые черви увеличивают скорость выветривания минералов, использование почвенных организмов в контексте РЭБ остается недостаточно изученным.

В этом протоколе описывается проектирование и строительство экспериментальной установки, разработанной для повышения скорости выветривания минералов через почвенные организмы при одновременном контроле абиотических условий. Установка спроектирована таким образом, чтобы максимизировать скорость выветривания при сохранении активности почвенных организмов. Он состоит из большого количества колонн, заполненных каменным порошком и органическим материалом, расположенных в климатической камере и подаваемых водой через систему орошения с нисходящим потоком. Колонны размещаются над холодильником с канистрами для сбора фильтрата. Репрезентативные результаты показывают, что эта установка подходит для обеспечения активности почвенных организмов и количественной оценки их влияния на секвестрацию неорганического углерода. По-прежнему существуют проблемы, связанные с минимизацией потерь фильтрата, обеспечением однородной вентиляции через климатическую камеру и предотвращением затопления колонн. При такой установке предлагается инновационный и перспективный подход к повышению скорости выветривания минералов за счет активности почвенной биоты и разделению влияния биотических и абиотических факторов как драйверов РЭБ.

Введение

Улучшенное выветривание (EW) – это относительно новая и низкотехнологичная технология удаления углекислого газа (CDR), обладающая значительным потенциалом для смягчения последствий изменения климата 1,2,3. Принцип этой технологии основан на ускорении естественного минерального процесса выветривания в почвах, приводящего к секвестрации углекислого газа (СО2) в виде неорганического углерода (ИК)3. Усиленное выветривание направлено на увеличение секвестрации IC путем искусственной оптимизации факторов, управляющих выветриванием минералов, тем самым увеличивая скорость, с которой происходит выветривание, до актуальных для человека временных масштабов3. Для того, чтобы РЭБ была наиболее эффективной, быстровыветривающиеся силикатные минералы измельчают в порошок с распределением зерен по размерам в диапазоне от микрометров до миллиметров для достижения высокой реакционноспособной площади поверхностив диапазоне ~1 м2·g-1 3,4.

До сих пор знания о РЭБ были получены в основном из экспериментов, в которых основное внимание уделялось абиотическим факторам, определяющимскорость растворения минералов. К ним относятся минеральная реакционная способность и площадь поверхности, температура, состав раствора, время пребывания в воде и кислотность 4,6,7, но в этом контексте еще предстоит провести исследования. Помимо влияния абиотических факторов, природные системы, в частности почвы, формируются огромным количеством организмов, начиная от микробов и заканчивая макрофауной, такой как дождевые черви. Несмотря на то, что некоторые исследования показали незначительное влияние биотической активности растворения минералов 8,9,10, другие исследования предоставили доказательства того, что почвенные организмы, такие как бактерии 11,12, грибы 13,14 и дождевые черви15,16 может увеличить скорость выветривания минералов. Таким образом, биотические компоненты могут быть ключом к пониманию фактического потенциала секвестрации IC EW5.

Первым распространенным механизмом, с помощью которого почвенные организмы могут ускорить растворение минералов, является высвобождениеСО2 во время дыхания, что увеличивает закисление почвы17. Кроме того, бактерии и грибы могут увеличивать выветривание минералов, выделяя протоны, хелаты, органические кислоты и ферменты, которые усиливают растворение минералов 18,19,20,21. Например, хелатирование через карбоксильные и гидроксильные группы может создавать ионный дисбаланс, транспортируя элементы с поверхности минералов и понижая состояния насыщения20,22. Это может привести к уменьшению образования вторичных минералов и повышению эффективности РЭБ. Кроме того, питаясь частицами почвы, сильное действие стенок тела дождевых червей может расщеплять минеральные зерна на более мелкие частицы, увеличивая их доступную реакционноспособную площадьповерхности 23. Микробы, обитающие в кишечнике дождевых червей и свежем помете, могут еще больше атаковать эти более мелкие частицы, которые дополнительно выделяют органические кислоты и ферменты24,25. Благодаря своей роющей активности, в дополнение к смешиванию органических и минеральных частиц, дождевые черви также создают макропоры, которые могут позволить потоку воды миновать насыщенное поровое пространство17. Это может позволить воде взаимодействовать с различными минеральными поверхностями и увеличить скорость контакта воды с горной породой.

До сих пор не было построено ни одной установки для изучения скорости РЭБ и, следовательно, секвестрации IC с использованием почвенных организмов, обеспечивая при этом возможность оптимизации различных соответствующих абиотических условий, таких как поступление воды, температура, тип минерала и размер минерального зерна. В данной статье представлен дизайн и объяснение этапов строительства инновационной установки, направленной на повышение скорости РЭБ за счет деятельности почвенных организмов в малых мезокосмах. Экспериментальная установка состоит из 203 колонн (длина 15 см, диаметр 7 см), помещенных в климатическую камеру (4,54 м х 2,72 м) при температуре 25 °C в течение 8 недель. 203 колонны разделены на 10 групп по 18 и 2 группы по 10 колонн, чтобы поместиться в климатической камере. Одна из двух групп по 10 столбцов используется для вставки еще трех столбцов, которые используются в качестве пробелов. Каждая группа размещается над холодильником и увенчана дистанционно управляемой системой орошения, которая позволяет изменять скорость полива внутри холодильников и между ними. Фильтрат каждой колонны собирается в канистру, хранящуюся при постоянной температуре в холодильнике (рис. 1). Один холодильник собирает фильтрат из группы колонн, что означает, что один холодильник можно рассматривать как единую систему из 18 или 10 колонн. Таким образом, количество столбцов в этой экспериментальной установке может быть скорректировано в соответствии с экспериментальными требованиями, но не более 203 столбцов.

figure-introduction-1
Рисунок 1: Схематическое изображение сбоку, показывающее 5 колонок, но учитывающее систему из 18 колонок. Каркас, удерживающий колонны, изготовлен из пластин из нержавеющей стали, винтов из нержавеющей стали и акриловых пластин. Колонны расположены в середине каркаса и увенчаны системой орошения. Под колоннами воронки соединены с канистрами через трубы для сбора фильтрата. Канистры находятся в холодильнике, который вмещает всю систему. Холодильник можно открыть, подняв крышку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

В этой установке использование силикатных каменных порошков определенного размера зерна обеспечивает высокую скорость выветривания, в то время как инокуляция специально подобранными бактериями, грибами и дождевыми червями обеспечивает биотическую активность в этой искусственной системе. Установка позволяет одновременно количественно определять углерод, секвестрированный в твердых и жидких образцах, путем измерения как растворенного, так и твердого IC, а также общей щелочности (TA). Кроме того, другие параметры, такие как pH, электропроводность (EC) и ионы, могут быть измерены в фильтрате в качестве индикаторов выветривания. Эта установка также позволяет оценить влияние выживания и активности почвенных организмов. Показано, что репрезентативные результаты доказывают пригодность этого протокола для построения системы, в которой увеличение скорости выветривания происходит не только от абиотических, но и от биотических факторов.

Протокол

Ниже описан подробный протокол построения различных частей установки с учетом системы из 18 колонн.

1. Построение каркаса, удерживающего колонны

  1. Подготовьте акриловые пластины для удержания системы орошения, колонн, воронок и труб для сбора фильтрата.
    1. Вырежьте три акриловые пластины (акриловые пластины 1-3) размерами 63 см х 67 см и одну акриловую пластину (акриловая пластина 4) размерами 45 см х 56 см.
    2. На каждой акриловой пластине вырежьте 18 отверстий, следуя инструкциям в шагах ниже.
      1. Акриловая пластина 1 - верхняя пластина: вырезать отверстия диаметром 0,7 см, чтобы вставить трубки системы орошения позже.
      2. Акриловая пластина 2 - вторая от верхней пластины: вырезаем отверстия диаметром 8 см, чтобы вставить столбики позже (рисунок 2).
      3. Акриловая пластина 3 – вторая от нижней пластины: вырезать отверстия диаметром 1,2 см, чтобы вставить воронки позже.
      4. Акриловая пластина 4 - нижняя пластина: вырезаем отверстия диаметром 1,2 см, чтобы вставить позже пластиковые трубы, которые подводят фильтрат к канистрам.
    3. Кроме того, вырежьте по одному отверстию диаметром 1,1 см в каждом углу и одно отверстие диаметром 1,1 см по бокам акриловых пластин 1-3, чтобы вставить винты из нержавеющей стали.
    4. Для каждой акриловой пластины распечатайте пластиковые этикетки с номерами столбцов (1-18) с помощью принтера этикеток и наклейте их ниже соответствующего отверстия.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Наклеивание этикеток на акриловые пластины 2, 3 и 4 в соответствии с количеством 18 столбцов помогает разместить различные части установки в соответствующих местах во время ее установки.
  2. Используйте пластины и винты из нержавеющей стали, чтобы удерживать акриловые пластины.
    1. Возьмем изготовленные по индивидуальному заказу пластины из нержавеющей стали, изготовленные по дизайну, показанному на рисунке 3, с размерами 63,6 см x 67,3 см x 4 см и толщиной 1,5 мм.
    2. Просверлите отверстия диаметром 1,1 см в каждом углу и по бокам каждой пластины из нержавеющей стали.
    3. Возьмите саморезы из нержавеющей стали (длиной 50 см).
    4. Вставьте акриловые пластины в порядке сверху вниз для акриловых пластин 1 (ирригационные трубки), 2 (колонны) и 3 (воронки) на винты из нержавеющей стали. Используйте две шестигранные гайки и две держатели шайбы для каждого угла, чтобы удерживать акриловую пластину на месте.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Соблюдайте достаточное расстояние между каждой акриловой пластиной, чтобы позже вставить различные компоненты. Соблюдайте расстояние ~19,5 см от акриловой пластины 1 до акриловой пластины 2, ~10,5 см от акриловой пластины 2 до акриловой пластины 3 и ~16,5 см от акриловой пластины 3 до акриловой пластины 4.
    5. Установите верхнюю и нижнюю пластины из нержавеющей стали на винты из нержавеющей стали, используя две шестигранные гайки и две держатели шайбы для каждого угла.
    6. Поместите всю систему на холодильник после завершения строительства холодильной системы.

figure-protocol-1
Рисунок 2: Схематический вид сверху конструкции акриловой пластины 2, где размещены колонны. Нумерованные метки указывают, где должны быть размещены соответствующие столбцы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

figure-protocol-2
Рисунок 3: Конструкция пластин из нержавеющей стали. (А,Б) Верхняя пластина. (С,Д) Нижняя пластина. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

2. Строительство холодильной системы для сбора фильтрата

  1. Установите холодильник, чтобы разместить канистры.
    1. Снимите обе крышки с холодильника и замените заднюю крышку акриловой пластиной 4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После установки эту акриловую пластину не нужно снимать. Для работы внутри холодильника снимите переднюю крышку, подняв ее.
    2. Поместите холодильник в климатическую камеру и включите его в розетку.
    3. Установите температуру холодильника на 4 °C и поместите регистратор данных внутрь холодильника.
    4. Закройте холодильник передней крышкой.
    5. Отслеживайте данные, записанные регистратором данных в течение ночи. Если температура отклоняется от нужного значения, снимите решетку в нижней части холодильника и отрегулируйте температуру. Повторяйте эту процедуру до тех пор, пока не будет достигнута желаемая температура.
  2. Используйте трубы из поливинилхлорида (ПВХ) для соединения воронок с канистрами.
    1. Отрежьте 18 труб из ПВХ (внутренний диаметр 0,8 см) соответствующей длины, чтобы добраться до каждой канистры из разных воронок в соответствии с соответствующими номерами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Длина варьируется от минимальных 38 см для самой короткой трубки до максимальных 81 см для самой длинной трубки.
    2. Промойте трубы в полуводе перед их первым использованием; в любом другом случае замочите их на 4 дня в 50 л воды, где было разведено 30 г лимоннокислого продукта для удаления карбонатных осадков. После этого снова промойте трубы полуводой.
      ВНИМАНИЕ: даже если средство для лимонной кислоты безопасно в использовании, избегайте попадания в глаза и длительного контакта с кожей, используя надлежащие защитные меры.
      ПРИМЕЧАНИЕ: если имеется сверхчистая вода, предпочтительнее использовать ее вместо полуводы.
    3. Дайте трубам высохнуть на воздухе в течение 24 часов.
    4. Вставьте трубы в акриловую пластину 4 в соответствии с их соответствующими номерами.
  3. Установите воронки для направления фильтрата в канистры.
    1. Протрите 18 воронок этанолом перед их первым использованием; в любом другом случае следуйте той же процедуре, что и для труб из ПВХ.
      ВНИМАНИЕ: Этанол легко воспламеняется и может вызвать раздражение глаз, кожи и дыхательных путей, головокружение и поверхностное дыхание. Этанол вреден при проглатывании, вдыхании или всасывании кожей.
    2. Вставьте воронки в акриловую пластину 3 и соедините их с соответствующими трубами в соответствии с их номерами.
  4. Установите канистры для сбора фильтрата.
    1. Возьмите 10 канистр из полиэтилена высокой плотности (ПНД) емкостью 10 л и 8 канистр из полиэтилена высокой плотности емкостью 5 л.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Канистры объемом 5 л используются для низких норм орошения, в то время как канистры объемом 10 л используются для высоких норм орошения (см. Таблицу 1). Канистры из ПНД выбирают, так как этот материал химически инертен.
    2. Разведите 50 мл мыла для посудомоечной машины в 10 л водопроводной воды. Промойте канистры один раз этим раствором, один раз водопроводной водой и один раз полуводой. Повторите эту процедуру очистки перед любым другим использованием.
      ПРИМЕЧАНИЕ: если имеется сверхчистая вода, предпочтительнее использовать ее вместо полуводы.
    3. Дайте канистрам высохнуть на воздухе в течение 24 часов.
    4. Просверлите в крышке каждой канистры отверстие диаметром 1,2 см, чтобы вставить пластиковую трубку для сбора фильтрата.
    5. Закройте канистры соответствующей крышкой.
    6. Поместите канистры в холодильник в два слоя по схеме, показанной на рисунке 4 , одновременно соединяя трубки с канистрами.

figure-protocol-3
Рисунок 4: Схематическое изображение канистр внутри холодильника на два слоя, нижний (левая сторона) и верхний слой (правая сторона). Черные круги обозначают направление крышек, а синие и зеленые прямоугольники обозначают канистры объемом 10 л и 5 л соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

3. Построение колонн и сетчатой системы

  1. Используйте колонны из ПВХ в качестве мезокосмов для инкубации каменного порошка и почвенных организмов
    1. Разрежьте трубки из ПВХ на 18 столбиков длиной 15 см.
    2. Очистите колонки в соответствии с процедурой 1, если она предназначена для их первого использования, и процедурой 2 в любом другом случае.
      1. Процедура 1:
        1. Замочите колонны в полуводе на 48 ч.
          ПРИМЕЧАНИЕ: если имеется сверхчистая вода, предпочтительнее использовать ее вместо полуводы.
        2. Промойте колонны полуводой. Высушите и протрите колонны этиловым спиртом.
        3. Пронумеруйте столбцы с помощью этикеток или непосредственно маркером на тюбике.
      2. Процедура 2:
        1. Замочите столбики в воде на 1 сутки.
        2. Используйте щетку, чтобы удалить остатки эксперимента.
        3. Высушите и протрите колонны этиловым спиртом.
  2. Используйте средние кольца, чтобы удерживать колонны над воронками.
    1. С помощью 3D-принтера спроектируйте кольцо (диаметр 8,5 см и толщина 0,5 см). Обязательно нарисуйте внизу еще одно кольцо, которое подходит к отверстиям акриловой пластины 2 для большей устойчивости колонн (Рисунок 5).
    2. Напечатайте 18 колец на 3D-принтере, используя материал термопластичный полиуретан (TPU) 95A.
    3. Расположите кольца на колоннах в положении, которое удерживает колонны на 2-3 см выше воронок.
  3. Используйте сетчатую систему в нижней части колонн для фильтрации фильтрата и минимизации потерь частиц.
    1. Разрежьте сетку (размер пор 10 мкм и 20 мкм) на квадраты 12 см х 12 см.
    2. Замочите сетку в сверхчистой воде на 2 дня. Дайте сетке высохнуть на воздухе.
    3. В нижней части столбика разместите первую ячейку 20 мкм. Поместите слой пластиковых шариков толщиной 1 см на сетку размером 20 мкм.
    4. Поместите вторую сетку размером 10 мкм поверх сетки размером 20 мкм и слоя пластиковых шариков.
    5. Установите две кабельные стяжки, чтобы сохранить сетчатую систему на месте. Затяните кабельные стяжки и обрежьте их края.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 6 показано, как должна быть собрана сетчатая система в нижней части колонны.
  4. Используйте верхнюю сетку, чтобы дождевые черви не убегали.
    1. Разрежьте сетку размером пор 1 мм на квадраты 12 см х 12 см.
    2. После того, как колонны будут заполнены каменным порошком и введены дождевые черви (раздел 7), поместите сетку поверх колонн.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта сетка должна быть размещена поверх колонн, чтобы дождевые черви не могли покинуть колонны. В случае, если дождевые черви не завезены, все равно рекомендуется использовать эту сетку для поддержания одинаковых условий для всех колонн.
    3. Обмотайте сетку резинкой, чтобы она оставалась на месте.

figure-protocol-4
Рисунок 5: Модель кольца для удержания колонн для 3D-принтера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-protocol-5
Рисунок 6: Схема построения сетчатой системы в нижней части колонны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

4. Строительство оросительной системы

  1. Проектирование и создание спринклеров для равномерного распределения воды по колоннам
    1. С помощью 3D-принтера создайте конструкцию спринклера в соответствии с моделью и относительными размерами, показанными на рисунке 7.
    2. Напечатайте 18 спринклеров на 3D-принтере из материала TPU 95A.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После печати дайте разбрызгивателям высохнуть не менее 24 часов, прежде чем вставлять их в микрошланги из полиэтилена, чтобы избежать их поломки.
  2. Установите систему полива: клапаны и трубы.
    1. Прикрутите два носовых элемента к передней части двух электромагнитных клапанов и прикрутите два Т-образных вставных фитинга в задней части электромагнитных клапанов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если вы хотите, чтобы водяной шланг заканчивался этой системой и не переходил к другим системам, прикрутите к задней части клапана, который будет расположен ближе к концу холодильника, вставной фитинг с двумя соединениями вместо тройника. Таким образом, подключение к воде заканчивается.
    2. Установите два электромагнитных клапана с одной стороны верхней пластины из нержавеющей стали.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Один клапан управляет одной оросительной трубкой, которая, в свою очередь, орошает 8 или 10 колонн из 18 колонн.
    3. Разрежьте оросительную трубу из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) на две трубки по 53 см.
    4. Закройте одну сторону каждой трубки торцевой крышкой.
    5. Другой конец трубок оберните лентой из политетрафторэтилена (ПФТЭ) и подсоедините ее к электромагнитным клапанам.
    6. Сделайте 8 отверстий в первой оросительной трубке ближе к передней части холодильника и 10 отверстий во второй оросительной трубке дальше от передней части холодильника.
      ПРИМЕЧАНИЕ: очень важно делать отверстия с помощью ручного перфоратора, так как это необходимо для правильного позиционирования и функционирования регуляторов давления. Использование других инструментов в качестве дрели не рекомендуется.
    7. Вставьте регуляторы давления в отверстия двух трубок.
    8. Разрежьте микрошланг из полиэтилена (ПЭ) на 18 небольших трубочек длиной 20 см, чтобы дотянуться до столбиков от оросительной трубы и прикрепить их к регуляторам давления.
    9. Вставьте маленькие трубочки в отверстия акриловой пластины 1.
    10. Вставьте разбрызгиватели в небольшие трубки горизонтально к поверхности колонн.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если вы столкнулись с проблемами в системе орошения (например, засорение потока воды или неконтролируемый поток воды), это может быть вызвано следующими причинами: (а) неисправности клапанов, (б) частиц, оставшихся в трубке; (c) Лента PFTE не намотана должным образом на конец трубки. Для точки А замените клапан. Для точек b и c убедитесь, что трубки очищены перед началом полива колонн и что с трубки не свисают остатки ленты PFTE соответственно. Важно избегать переноса частиц, которые могут помешать правильной работе клапана.
  3. Настройте подключение для транспортировки воды.
    1. Разрежьте полиуретановый шланг на три разных шланга для подключения воды. Точная длина шлангов варьируется в зависимости от конструкции системы и камеры. Используйте первый шланг для соединения тройника первого клапана с краном, второй шланг для соединения тройников каждого клапана и третий шланг для соединения тройника второго клапана со следующей системой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если нет необходимости в подключении к следующей системе, перерезать третий шланг не нужно.
    2. Подсоедините полиуретановые шланги к тройникам на задней стороне электромагнитных клапанов.
    3. Соедините полиуретановый шланг первого клапана с краном, вкрутив вставной штуцер с двумя соединениями на переходное кольцо.
    4. Откройте кран, чтобы вода стекала в трубки.
  4. Установите систему управления и настройте подключение к системе полива.
    1. Подключите веб-контроллер, модуль расширения с восемью реле и блок питания шины. Поместите их в корпус из поликарбоната, следуя инструкциям, предоставленным производителем.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Один модульный контроллер соответствует одному устройству, которое, в свою очередь, управляет восемью реле. Одно реле управляет открытием и закрытием одного конкретного клапана.
    2. Соедините два клапана друг с другом с помощью электрических кабелей и подсоедините кабель питания к каждому клапану.
    3. Подключите другой конец кабеля питания к веб-контроллеру.
    4. Подключите все к электрической вилке и подключите контроллер к Интернету.
  5. Настройте онлайн-управление настройками полива для установки норм полива.
    1. Следуйте инструкциям производителя по настройке и настройке. Для программирования и тестирования используйте веб-браузер.
    2. Перейдите в http://10.73.10.250/setup.html.
    3. Используйте имя пользователя и пароль для входа в систему.
    4. В меню слева перейдите в раздел Управление/ Логика, а затем в раздел Задачи/Функции.
    5. Одно реле управляет открытием и закрытием одного клапана. Для каждого реле есть две задачи, одна включает реле (клапан открыт), а другая выключает реле (клапан закрыт). Чтобы изменить настройки каждой задачи, нажмите « Редактировать».
      1. Когда задача ретранслятора должна быть установлена, установите дату и время, в которые реле должно начать работать, нажав на Start Date и Start Time (например,4 мая 2022 года в 7:45:00; см. рисунок 8). Чтобы установить частоту полива, нажмите на Set Repeat и Repeat Every (например, ежедневно каждые 1 день(а) для частоты полива один раз в день; см. рисунок 8). Чтобы установить дату, с которой реле перестает работать, нажмите на End Repeat Date (например, 20мая 2022 года в 23:59:59; см. рисунок 8).
      2. Когда задача для реле должна быть отключена, установите время, в которое реле должно прекратить работу. Это зависит от требуемой скорости полива водой и частоты полива, например, установите время 7:46:30 для ежедневного повторения. Это означает, что реле работает в течение 1 мин 30 с, для количества воды 50 мл·сут-1 при частоте полива один раз в сутки (см. таблицу 1). Даты начала и окончания совпадают с задачей по включению реле, а также частотой полива.
    6. Когда настройка каждого узла будет завершена, не забудьте нажать « Сохранить изменения».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Не все реле должны работать одновременно, чтобы предотвратить перегрузку системы. Всегда оставляйте не менее 30 секунд между задачами разных реле (например, реле 1 устройства 1 завершает свою работу в 07:46:30, реле 2 устройства 1 начинает свою работу в 07:47:00).
    7. Убедитесь, что в настройках каждого узла одинаковы даты начала и даты окончания. В таблице 1 приведен пример времени, необходимого для различных норм полива водой при разной частоте полива.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Система орошения допускает больше скоростей и частот полива, чем перечисленные, но ее необходимо протестировать на то, как долго клапаны должны оставаться открытыми для разных количеств воды. Для норм орошения, указанных в таблице 1, все же полезно проверить с помощью первого теста, действителен ли он, так как он может меняться в зависимости от давления воды и конструкции системы.

figure-protocol-6
Рисунок 7: Модель дождевателя для системы орошения с относительными размерами . (A) Вид сверху на разбрызгиватель. (B) Вид сбоку на спринклер. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

figure-protocol-7
Рисунок 8: Пример отображения настроек системы орошения для включения реле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Скорость полива водой (мл·сут-1)Частота полива (количество раз ·сут-1)Время работы реле (с)
    
50		195
250
523
    
100		1190
2100
545
    
150		1280
2140
555

Таблица 1: Указание времени, необходимого для того, чтобы клапаны были открыты, чтобы обеспечить различную скорость полива водой при разной частоте полива.

5. Выбор каменных порошков, органических материалов и почвенной биоты

ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого эксперимента каменные порошки, органические материалы и почвенные организмы выбираются на основе доступности, местной встречаемости и обзора литературы. Кроме того, микробы отбираются исходя из их непатогенности, определяемой классификацией технических правил для биологических агентов (TRBA)26,27,28. В зависимости от конкретного исследовательского вопроса эти факторы могут быть скорректированы.

  1. Выберите каменные порошки для экспериментов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Порошки горных пород, выбранные для этих экспериментов, являются как ультраосновными, так и мафическими породами различного минералогического состава, такими как дунит и диабаз. Каждая порода имеет два основных класса размеров зерна: мелкий (микрометровый диапазон) и крупный (миллиметровый диапазон).
  2. Выберите органические материалы для эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Органические материалы, выбранные для этих экспериментов в качестве источника пищи для почвенной биоты, - это пшеничная солома и дигестат из навоза и остатков корма для животных.
  3. Выберите бактерии для эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Бактерии, которые были выбраны для этих экспериментов, - это Bacillus subtilis и Cupriavidus metallidurans. Бактерии получены из Института Лейбница DSMZ (Германия).
    1. Выращивание бактерий в питательном бульоне, состоящем из бактопептона (10 г· L-1), экстракт мяса (3 г· L-1) и хлорид натрия (10 г· L-1) растворяют в сверхчистой воде (18,2 мОм) в соответствии с инструкциями поставщика.
    2. Автоклавировать все питательные среды при 121 °C в течение 20 мин перед инокуляцией старой культурой (объем = 1% новой культуры).
    3. Определите плотность клеток с помощью подсчета клеток с помощью гемацитометра и проверьте количество клеток с помощью проточной цитометрии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании использовался проточный цитометр, оснащенный фиолетовым (405 нм) и синим (488 нм) лазерами со скоростью потока 10 мкл/мин и детектируемый в канале FL1 (EX 488, EM 525/40).
  4. Выберите грибы для эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для этих экспериментов были выбраны грибы Knufia petricola, Suillus variegatus и Aerobasidium pullulans. Грибы поставляются из Института Лейбница DSMZ (Германия), за исключением K. petricola, который поступает из Института Вестердейка (Нидерланды).
    1. Выращивают культуры грибов в бульоне из солодового экстракта, состоящего из солодового экстракта (20 г· L-1), D-(+)-глюкоза (20 г· L-1) и гидролизат казеина (3 г· L-1) растворяют в сверхчистой воде (18,2 мОм) в соответствии с инструкциями поставщиков.
    2. Автоклавировать все питательные среды при 121 °C в течение 20 мин перед инокуляцией старой культурой (объем = 1% новой культуры). Определите плотность клеток путем подсчета клеток с помощью гемацитометра.
  5. Выберите дождевых червей для эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Дождевые черви, выбранные для этих экспериментов, являются эндогейными видами Aporrectodea caliginosa и Allolobophora chlorotica. Дождевые черви были собраны в парке Де Блауве Берген недалеко от Вагенингенского университета и исследовательских исследований в Нидерландах (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E) перед экспериментом.

6. Заполнение колонок

  1. Определите водоудерживающую способность (WHC) каменных порошков и органических материалов, предварительно высушив каждый материал при 105 °C. Затем поместите сухой материал в миску и запишите вес. Добавляйте воду понемногу, пока материалы не станут достаточно влажными, и запишите окончательный вес. Затем WHC определяется уравнением 1.
    figure-protocol-8 (1)
  2. Измельчите солому через кофемолку диаметром 6 мм.
  3. Высушите минералы и органические материалы в духовке при температуре 40 °C в течение 2 дней подряд.
  4. Взвесьте в миске 400 г минералов и 10 г органических материалов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Количество может быть адаптировано в соответствии с экспериментальными потребностями, но смесь материалов должна помещаться внутри колонны.
  5. Отрегулируйте WHC до 80% в зависимости от типа минерала, размера зерна минерала и присутствующего источника органических веществ.
  6. Все тщательно перемешайте металлической ложкой.
  7. Заполните столбики смесью.
  8. Поместите заполненные колонны в климатическую камеру в соответствующее место, как показано на рисунке 2. Если колонны не могут быть сразу помещены в климатическую камеру, храните их при температуре 15 °C и накройте пластиковым листом, чтобы предотвратить потери воды и ограничить изменения начальных условий.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Держите колонны внизу и осторожно вставляйте их в акриловые пластины, чтобы избежать потери их содержимого. На рисунке 9 схематично показаны шаги, которые необходимо выполнить для заполнения столбцов.

figure-protocol-9
Рисунок 9: Схематическое изображение различных шагов по заполнению столбцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

7. Инокуляция почвенной биоты

  1. Инокуляцию бактерий и грибков проводят в два момента во время заполнения колонок (Метод 1) или непосредственно перед добавлением дождевых червей (Метод 2).
    1. Способ 1
      1. В зависимости от желаемой плотности инокуляции (диапазон плотности клеток от 1,5 x 109 до 4,8 x 10 10 клеток на колонку для бактерий и от 5,5 x 107 до 5,5 x10 8 клеток на колонку для грибов) инокулируйте различные виды микробов в смесь минералов и органических материалов после добавления воды в соответствии с обработкой с помощью пипетки.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Добавленная вода должна быть соответствующим образом отрегулирована таким образом, чтобы количество (миллилитра), добавленное путем инокуляции, вычиталось из общего количества добавляемой воды, чтобы достичь 80% WHC.
      2. Все тщательно перемешайте металлической ложкой.
      3. Заполните столбики смесью.
      4. Протрите миску и ложку, используемые для смешивания материалов с этанолом, для последовательного использования.
      5. Накройте колонны верхней сеткой.
    2. Способ 2:
      1. В зависимости от желаемой плотности посева, посев различных видов микробов на поверхность колонок в соответствии с обработкой с помощью пипетки.
      2. Накройте колонны верхней сеткой.
  2. В зависимости от желаемой плотности (4, 8 или 10 дождевых червей на колонну) введите дождевых червей в колонны в соответствии с обработкой, аккуратно осаждая их на поверхности колонн. После этого накройте колонну верхней сеткой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: И микробы, и дождевые черви должны быть инокулированы за 1 день до начала полива, чтобы они могли адаптироваться к системе. Плотность посева может быть изменена в соответствии с экспериментальными потребностями. Имейте в виду, что это не стерильная среда, и может быть потенциальное заражение микроорганизмами, переносимыми по воздуху, водой или исходным материалом. Чтобы предотвратить бактериальное загрязнение при вентиляции, добавьте фильтр 0,2 мкм поверх колонн.

8. Отбор и анализ проб

  1. Извлеките колонны из камеры по окончании экспериментального периода.
    1. Соберите дождевых червей и подсчитайте их, чтобы определить их выживаемость и оценить их активность.
    2. Гомогенизируйте смесь каменного порошка и органических материалов и возьмите подобразцы для микробиологического анализа для дальнейшей характеристики присутствия и активности интересующих микроорганизмов.
    3. Высушите содержимое колонок при 40 °C в течение 5-7 дней для последующего анализа твердой фазы на твердый неорганический углерод (SIC).
  2. Взвесьте канистры, чтобы определить окончательный объем фильтрата, и соберите образцы фильтрата для дальнейших анализов, таких как TA, растворенный неорганический углерод (DIC), pH, EC и ионы.
  3. Конечная точка эксперимента состоит в том, чтобы определить, могут ли почвенные организмы повысить скорость выветривания в этой системе, и найти оптимальную комбинацию рассматриваемых переменных, которая приводит к наибольшему потенциалу секвестрации углерода. Определите это, сравнив результаты по анализируемым параметрам в соответствии с различными комбинациями.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Стратегия отбора проб и дальнейший анализ могут быть скорректированы в соответствии с экспериментальными условиями и потребностями исследований.

Результаты

Представленная установка состояла из 203 колонн, расположенных в климатической камере при температуре 25 °C (рис. 10). Выбор установки в климатической камере позволил контролировать постоянную температуру и относительную влажность. Помещение канистр в холодильник при температуре 4 °C гарантировало, что состав фильтрата не изменится с течением времени из-за микробной активности.

figure-results-1
Рисунок 10: Фотографии экспериментальной установки в климатической камере. (А) Обзор отдельной системы. (Б) Крупный план одной колонны. (C) Крупный план канистр в холодильнике. (D) Обзор всех систем в помещении с климат-контролем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Использование усовершенствованной автоматизированной системы орошения означало, что колонны можно было поливать с различной скоростью и частотой с помощью онлайн-системы управления (рис. 11). Система орошения позволяла изменять количество воды, которое получали колонны. Валидация системы показала, что она привела к минимальной разнице в 1% и максимальной разнице в 6% в количестве воды, подаваемой между различными колоннами (рис. 12). Меньшие различия были обнаружены для более низких норм орошения, в то время как большие различия были обнаружены для более высоких норм орошения. В целом, среднее значение было ниже для норм орошения 50 мл·сут-1 и 150 мл·сут-1, в то время как оно было выше для нормы орошения 100 мл·сут-1 (рисунок 12).

figure-results-2
Рисунок 11: Среднее количество воды в зависимости от времени. Среднее количество воды, измеренное для нормы орошения 50 мл·сут-1 , распределяется в течение 24 ч в соответствии с тремя частотами орошения: один раз в день, два раза в день и пять раз в день для 8 колонок. Столбцы указывают на стандартную ошибку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-3
Рисунок 12: Среднее количество воды в зависимости от скорости орошения. Среднее количество воды, измеренное для скорости орошения 50 мл·сут-1 в 8 колонках и для скорости орошения 100 мл·сут-1 и 150 мл·сут-1 в 10 колонках. Столбцы указывают на стандартную ошибку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Конструкция и конструкция данной установки позволила собрать как твердое содержание внутри колонн, состоящее из (обработанного) каменного порошка и органических материалов, так и общее количество фильтрата, стекавшего с колонн за весь период эксперимента (рис. 13). Несмотря на успешный сбор фильтрата, итоговое количество фильтрата, которое было собрано, было ниже, чем количество фильтрата, которое ожидалось собрать в конце экспериментов в соответствии с нормой орошения (рисунок 14). Уменьшение собранного фильтрата, скорее всего, было результатом прямого испарения и разлива фильтрата в нижней части колонн. Это следует учитывать при анализе результатов анализов.

figure-results-4
Рисунок 13: Репрезентативные изображения колонн и фильтрата. Колонны, заполненные каменным порошком и органическими материалами в начале экспериментов (слева) и фильтратом, собранным в канистры в конце экспериментов (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-5
Рисунок 14: Общее количество литров, собранных в конце экспериментов на одну норму полива. Пунктирными линиями показано ожидаемое количество фильтрата, собранного в соответствии с нормой орошения за экспериментальный период, обозначенное светло-голубой линией для 50 мл·сут-1, темно-синей линией для 100 мл·сут-1 и зеленой линией для 150 мл·сут-1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Смесь каменного порошка и органического материала была проанализирована для оценки успешности почвенной биоты с точки зрения состава микробного сообщества бактерий и грибов, а также выживаемости и активности дождевых червей (рис. 15).

figure-results-6
Рисунок 15: Рост грибов и выживание дождевых червей. В конце экспериментов и перед отбором проб в колоннах, заполненных каменным порошком и органическими материалами, наблюдались визуальные признаки роста грибков (слева) и выживания дождевых червей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Помимо других параметров, фильтрат был проанализирован на TA и DIC, так как TA и IC являются хорошими показателями для коэффициентов выветривания минералов 4,29,30,31. TA измеряли с помощью титратора Metrohm Titrando29,30, в то время как DIC — с помощью анализатора общего органического углерода (TOC) Skalar. С помощью анализатора TOC DIC рассчитывается на основе разницы между общим растворенным углеродом (DC) и растворенным органическим углеродом (DOC). На рисунках 16 и 17 показано кумулятивное распределение для некоторых примеров значений, полученных в результате этих анализов за один экспериментальный запуск. При использовании этой экспериментальной установки значения для ТА варьировались от 0,019 моль до 0,025 моль, в то время как значения для ДВС-синдрома варьировались от 7,352 мг С до 259,279 мг С (Рисунок 16 и Рисунок 17).

figure-results-7
Рисунок 16: Распределение вероятностей примерных значений, измеренных для ТА в фильтрате, собранном в конце периода эксперимента. Обработки, в которых колонны затоплены, не отображаются. Значения выражаются в молях и корректируются на общее количество фильтрата, собранного в конце экспериментов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-8
Рисунок 17: Распределение вероятностей примерных значений, измеренных для ДВС в фильтрате, собранном в конце экспериментального периода. Обработки, в которых колонны затоплены, не отображаются. Значения выражаются в мг углерода (С) и корректируются на общее количество фильтрата, собранного в конце экспериментов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Обсуждение

В контексте текущих исследований эта установка была уникально разработана для оптимизации секвестрации неорганического углерода путем усиления минерального выветривания за счет активности почвенной биоты при одновременном манипулировании абиотическими факторами, известными как стимулирующие выветривание. Возможность сбора как твердого обработанного материала, так и фильтрата позволяет получить полную характеристику обеих фракций. Несмотря на огромное количество столбцов, сбор образцов и проведенные анализы обеспечивают качественный сбор данных. Кроме того, наличие большого количества комбинаций в одном экспериментальном запуске очень важно для анализа собранных данных с помощью современных и продвинутых статистических методов, таких как машинное обучение. Эти методы могут быть использованы для определения основных переменных, приводящих к высокой скорости выветривания и дальнейшему поглощению углерода. Следовательно, такая установка дает возможность лучше понять эффекты, которые почвенные организмы могут оказывать на секвестрацию РЭБ и ИК. Это имеет основополагающее значение для установления более реалистичных ограничений на границы РЭБ и ее эффективности в снижении концентрацийСО2 в атмосфере. Эта установка имеет несколько оригинальных особенностей по сравнению с существующими исследованиями, изучающими РЭБ и влияние почвенных организмов.

Что касается влияния абиотических факторов на ЭВ, то они уже были изучены в предыдущих исследованиях 4,29,30,31,32,33,34. В некоторых из этих исследований сравнивались различные количества, типы и размеры зерен горных пород, но их установка состояла либо из эксперимента в горшке 32,33, либо включала смешивание каменного порошка с почвой34. Другие эксперименты были сосредоточены на одном типе породы с различными нормами орошения, но не имели возможности часто орошать с помощью автоматизированной системы или были сосредоточены на нескольких скоростях и частотах орошения35. В других исследованиях была представлена установка, аналогичная той, что представлена в текущем протоколе, с возможностью регулировки норм орошения и поддержания постоянной температуры, помимо различных размеров и типов зерен породы29,30. Кроме того, конструкция этих установок была сопоставима с той, которая была предложена в настоящей рукописи и была предназначена для сбора фильтрата для дальнейшего анализа29,30. Кроме того, концентрацииСО2 варьировались в этих исследованиях как еще один фактор, усиливающий выветривание29. Однако ни одно из этих предыдущих исследований не было сосредоточено на влиянии биотических факторов на развитие РЭБ. В этой установке цель состоит в том, чтобы улучшить процесс выветривания и дальнейшей секвестрации IC путем инокуляции конкретных бактерий, грибов и дождевых червей и определения того, в какой степени они могут ускорить EW.

Что касается влияния биотических факторов на РЭБ, то лишь немногие исследования не были специально сосредоточены на РЭБ, но изучали, могут ли почвенные организмы влиять на минеральное выветривание. В этих исследованиях в основном изучалось, как на выветривание влияют почвенные организмы с использованием питательных сред 19,21, чашек Петри 36, нейлоновых мешков, закопанных в почву14, или небольших количеств каменного порошка, смешанного с другими субстратами36,37. Использование таких небольших систем или установок затрудняет отделение влияния организмов от других переменных. В некоторых экспериментах использовалась установка, аналогичная предложенной здесь, но в меньшем масштабе, с заполненными каменным порошком колоннами, инокулированными почвенными организмами38,39,40. Однако в этих экспериментах либо одновременно выращивались растения и не фокусировалось на исключительном воздействии специфических почвенных организмов13,35, либо не собирали фильтрат 36. Кроме того, большинство исследований, которые показали, что бактерии, грибы и дождевые черви увеличивают минеральное выветривание, были сосредоточены на влиянии этих организмов на высвобождение питательных веществ в качестве показателя выветривания, а не на секвестрации IC 11,13,14,19,36,37,38 . Прежде всего, ни одно из этих ранних исследований не было направлено на развитие РЭБ и не представляло возможности корректировки и поддержания абиотических факторов на протяжении всего экспериментального периода. В этой установке, вместо того, чтобы поддерживать все абиотические факторы постоянными, множество комбинаций тестируются для четырех абиотических факторов, таких как скорость и частота орошения водой, тип каменного порошка и размер зерна, с целью содействия EW через активность почвенных организмов.

Кроме того, ни в одном из предыдущих исследований, посвященных влиянию абиотических или биотических факторов на РЭБ, не было представлено возможности получения чрезвычайно большого количества столбцов и переменных в рамках одного экспериментального запуска. В этой настройке можно протестировать несколько различных комбинаций различных переменных в течение одного запуска экспериментов благодаря впечатляющему количеству столбцов, для которых была разработана установка, обеспечивая при этом высококачественные результаты. Учитывая новизну установки, ниже представлены некоторые возможные улучшения и оставшиеся проблемы, которые могут быть учтены при проектировании будущих подобных установок.

В инкубационной камере должны быть обеспечены однородные условия воздуха. Размещение установки в климатической камере обеспечивало постоянную температуру и относительную влажность. Ограничения вентиляции (например, поток воздуха) могли создавать пространственную изменчивость атмосферных условий и, таким образом, приводить к непропорциональному испарению из колонн в определенных местах, что является обычным явлением в такого рода установках35. Чтобы справиться с этим недостатком, когда репликация и рандомизация невозможны, рекомендуется рассчитать водный баланс для колонок, размещенных в различных местах по всей камере.

Колонны должны быть тщательно выровнены по воронкам после вставки в акриловую пластину, чтобы избежать потерь фильтрата. В течение рассматриваемого периода эксперимента потери фильтрата происходили со дна колонн из-за неправильного расположения воронок или из-за засорения сеток. Вместе с испарением это может частично объяснить, почему собранный фильтрат был ниже ожидаемого (рис. 13). Чтобы свести эти потери к минимуму, важно убедиться, что воронки оптимально расположены под колоннами. Использование более широких воронок также является жизнеспособным вариантом. При этом следует обращать внимание на диаметр отверстий при возведении акриловых плит и расстояние между акриловыми плитами.

Замедление потока воды в экспериментах с толщей почвы, где вода применяется часто, является повторяющейся проблемой 7,30,40. В экспериментах, проведенных с представленной установкой, в ряде случаев использовались довольно высокие нормы орошения и очень мелкие размеры минеральных зерен, которые изначально не имеют структуры, обычно наблюдаемой в почвах. Это могло привести к тому, что поры сеток в нижней части колонн, содержащих только мелкие минералы, закупорились во время проведения экспериментов. Таким образом, вода поступала недостаточно быстро через колонны, что приводило как к затоплению колонн, снижая инфильтрацию воды и сбор фильтрата, так и к бескислородным условиям внутри колонн, влияя на биогеохимические процессы. Чтобы смягчить эту проблему, важно всегда смешивать определенный процент крупных и более мелких минеральных зерен и избегать 100% очень мелких смесей минеральных зерен. Другой вариант заключается в том, чтобы позволить колоннам пройти определенное количество циклов увлажнения/высыхания, чтобы инициировать формирование структуры почвы и, таким образом, улучшить инфильтрацию воды. Кроме того, перед началом эксперимента было бы полезно определить базовую динамику почвенных вод, такую как насыщенный и ненасыщенный сток и кривая водоудержания, в нескольких мезокосмах, чтобы лучше понять газовый поток, состояние насыщенности минералами и факторы активности организмов.

Представленная экспериментальная установка удобна в использовании, представляет собой простую установку и может быть скорректирована в соответствии с потребностями исследования. В контексте минерального выветривания, с необходимыми корректировками, его можно соединить с газовой камерой, чтобы не только охарактеризовать углерод в твердой и водной фазе, но и изучить динамику углерода в газовой фазе. Кроме того, эта установка может быть использована для изучения реалистичных скоростей инфильтрации воды с сухими и влажными последовательностями, поскольку эта временная динамика может сильно влиять на выветривание41. Использование этой установки не ограничивается экспериментами, которые сосредоточены исключительно на силикатных минералах, но может быть реализовано в экспериментах с колоннами, в которых используются различные субстраты. Кроме того, продолжительность экспериментов может быть сокращена или увеличена в соответствии с экспериментальными потребностями, а количество колонок может быть изменено. Возможность отбора проб как из твердых обработанных материалов, так и из фильтрата позволяет нам проводить различные анализы, чтобы сосредоточиться на одном из двух компонентов или на обоих. Для представления знаний, это единственная установка, которая была построена до сих пор с исключительным количеством колонн, которая направлена на использование почвенных организмов для улучшения минерального выветривания при одновременном контроле абиотических условий в системе, состоящей исключительно из силикатных минералов и органических материалов.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Выражаем признательность Тону ван дер Залму из Туполы за разработку ирригационной системы. Кроме того, мы благодарим Джако Баарса из Tupola за смех и психологическую поддержку, оказанную во время создания этой установки. Мы благодарим Петера Гарамсеги и Анхеля Веласко Санчеса за помощь в поливе колонн вручную, когда система орошения не функционировала. Мы также благодарим Стивена Хестермана, Сюмин Ли, Карен Моран Риверу, Йонну ван ден Берг и Канъин Се за помощь, оказанную во время отбора проб. Мы благодарим Пегги Барч, Тома Яппинена, Петера Нобеля, Брента Ротганса, Андре ван Леувена и Герлинду Винк за помощь в лаборатории, анализ образцов и плодотворные обсуждения. Наконец, мы благодарим Йеруна Зонневельда из «Юнифарм» за предоставление и обслуживание климатической камеры. Эта установка была построена в рамках проекта «Биоускоренное выветривание минералов» (BAM!), который финансируется рамочной программой исследований и инноваций Европейского союза «Горизонт 2020» в рамках грантового соглашения No 964545.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Акриловые листовые плитыWSV kunststoffen BVN/AИспользуются для удержания колонн, воронок, ирригационных труб и труб.
Переходное кольцоTamesonFL2S-FM-B-014G-034GИспользуется для изготовления системы для подключения полиуретанового шланга к крану.
Кабельные стяжкиGamma456196Используются для удержания сетчатой системы.
Лимонная кислотаNortembio (amazon.nl)  B01BDLOGW2Используется для чистки труб и воронок.
Проточный цитометр CytoFLEX Beckam CoulterCytoFLEX
Мыло для посудомоечной машиныBOOM77000307.9010Используется для чистки канистр.
Модуль расширения с восемью релеУправление полотномX-12sИспользуется для управления клапанами системы полива.
Торцевая заглушкаWildkamp819906Используется для закрытия одного конца основной трубы системы полива.
ХолодильникиHorecaGemakDIA-BVL031/6PИспользуются для хранения канистры.
ВоронкиPraxisdienst135864Используются для направления фильтрата от колонн к канистрам. Диаметр 75 мм.
Ручной перфораторWildkamp719928Используется для вырезания отверстий для небольших трубок в основной трубке ирригационной трубки.
Канистра HDPE 10 лGlas-shop.be105157Поставляется с крышкой. Используется для сбора фильтрата.
HDPE Jerrycan 5 лGlas-shop.be105156Поставляется с крышкой. Используется для сбора фильтрата.
Шестигранная гайкаFabory51080.100.001Используется для блокировки акриловых листов на металлических шурупах.
Принтер этикетокBrotherPT-H107B Используется для печати этикеток для наклеивания на акриловые листы.
Оросительная труба LDPEWildkamp15382585Используется для изготовления основной трубы оросительной системы.
Весы для багажаUnited Entertainment8718274546996Используются для взвешивания канистр.
Сетка 10 μ mFranz EckertPES-10/2Используется для сетчатой системы.
Сетка 20 μ mFranz EckertPES-20/13Используется для сетчатой системы.
Шурупы по металлуSchroeven goothandel.nl100975401010используются для установки акриловых листов.
Микрошланг для капельного поливаWildkamp15119128используется для изготовления небольших трубочек системы полива.
Среднее кольцосамодельно изготовлено на 3D-принтереИспользуется для удержания колонн на высоте нескольких сантиметров над воронками.
РевольверWildkamp15045986Используется для подключения электромагнитного клапана к оросительной трубе.
Нейлоновая сеткаСефарN/Aячейка 1 мм используется для верхней части колонн для предотвращения побега дождевых червей.
Пластиковые бусиныlyondelbasellTRC 352N C12507Используются для сетчатой системы.
Штекерный фитинг с 2-мя соединениямиTamesonF24V5Используется в конце системы для окончания полиуретанового шланга.
Корпус из поликарбонатаRS498-5387Используется для размещения электронных компонентов системы полива.
Силовой кабельRS775-6075Используется для подключения клапанов.
Полипропилен муфтаWildkamp719780Используется для изготовления системы подключения полиуретанового шланга к крану.
Регулятор давленияWildkamp719943Используется  для того, чтобы убедиться, что все маленькие трубки выпускают одинаковое количество воды.
Лента из фторопластаGAMMA237001используется для обмотки торца оросительной трубы.
Шланг полиуретановыйTamesonPU-8-1198-50-1Используется для соединения всех клапанов с другими и к крану.
Трубы из ПВХRubbermagazijn99001230Используются для подключения воронок к канистрам.
Трубки ПВХWildkamp91700Используются для изготовления колонн.
Рельсовый источник питанияRS145-7873Используется для питания восьми релейных модулей расширения.
РезинкиPasschierTerpo8714603820621Используются для удержания сетки для дождевых червей.
Электромагнитный клапанTamesonCM-DA014B020E-024DCИспользуется для открытия и закрытия потока воды.
Дождевателисамодельно изготовленные на 3D принтереизготовленные на 3D принтереИспользуются для равномерного распределения воды по колоннам.
Пластины из нержавеющей стали24/7 портновской сталиН/ДИспользуется в качестве каркаса для установки над холодильником.
Тройник в штуцереTamesonF25DTИспользуется для подключения электромагнитного клапана к полиуретановому шлангу.
Материал ТПУ 95А MakerPoint1756Используется для печати компонентов на 3D-принтере.
Держатели шайбFabory50095.100.001Используются для установки ниже шестигранной гайки.
Управление контроллером через вебX-400-I (9-28 VDC)Используется для обеспечения онлайн-контроля настроек полива.
Само

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Теги

Проектирование и строительство экспериментальной установки для усиления минерального выветривания за счет деятельности почвенных организмов
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.