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Biochemistry

Konzeption und Aufbau eines Versuchsaufbaus zur Verbesserung der Mineralverwitterung durch die Aktivität von Bodenorganismen

Published: November 10, 2023 doi: 10.3791/65563
Automatic Translation
1,2, 2, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 7, 4, 6, 3, 7, 4, 4, 7, 8, 6, 9, 8, 7, 1
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

Summary

In dieser Arbeit stellen wir den Aufbau und Betrieb eines Versuchsaufbaus vor, um die Mineralverwitterung durch die Aktivität von Bodenorganismen zu verbessern und gleichzeitig abiotische Variablen zu manipulieren, von denen bekannt ist, dass sie die Verwitterung stimulieren. Repräsentative Ergebnisse aus der Funktionsweise des Aufbaus und Probenanalysen werden zusammen mit Verbesserungspunkten diskutiert.

Abstract

Enhanced Weathering (EW) ist eine neue Technologie zur Entfernung von Kohlendioxid (CO2 ), die zur Eindämmung des Klimawandels beitragen kann. Diese Technologie beruht auf der Beschleunigung des natürlichen Prozesses der Mineralverwitterung in Böden durch die Manipulation der abiotischen Variablen, die diesen Prozess steuern, insbesondere der Größe der mineralischen Körnung und der Exposition gegenüber im Wasser gelösten Säuren. EW zielt hauptsächlich darauf ab, die atmosphärischen CO2 - Konzentrationen durch eine verbesserte Bindung von anorganischem Kohlenstoff zu reduzieren. Bisher wurden Erkenntnisse über EW hauptsächlich durch Experimente gewonnen, die sich auf die abiotischen Variablen konzentrierten, die für die Stimulierung der Mineralverwitterung bekannt sind, wodurch der potenzielle Einfluss biotischer Komponenten vernachlässigt wurde. Während Bakterien, Pilze und Regenwürmer dafür bekannt sind, die Verwitterungsraten von Mineralien zu erhöhen, ist die Nutzung von Bodenorganismen im Zusammenhang mit EW noch wenig erforscht.

Dieses Protokoll beschreibt das Design und den Aufbau eines Versuchsaufbaus, der entwickelt wurde, um die Mineralverwitterungsraten durch Bodenorganismen zu erhöhen und gleichzeitig die abiotischen Bedingungen zu kontrollieren. Der Aufbau ist so konzipiert, dass die Verwitterungsraten maximiert und gleichzeitig die Aktivität der Bodenorganismen erhalten bleibt. Es besteht aus einer großen Anzahl von Säulen, die mit Gesteinsmehl und organischem Material gefüllt sind, sich in einer Klimakammer befinden und mit Wasser versorgt werden, das über ein Downflow-Bewässerungssystem zugeführt wird. Über einem Kühlschrank mit Kanistern werden Säulen aufgestellt, in denen das Sickerwasser aufgefangen wird. Repräsentative Ergebnisse zeigen, dass dieser Aufbau geeignet ist, die Aktivität von Bodenorganismen sicherzustellen und deren Wirkung auf die Bindung von anorganischem Kohlenstoff zu quantifizieren. Die Herausforderungen bestehen nach wie vor darin, Sickerwasserverluste zu minimieren, eine homogene Belüftung durch die Klimakammer zu gewährleisten und eine Überflutung der Kolonnen zu vermeiden. Mit diesem Aufbau wird ein innovativer und vielversprechender Ansatz vorgeschlagen, um die Mineralverwitterungsraten durch die Aktivität von Bodenbiota zu erhöhen und die Wirkung biotischer und abiotischer Faktoren als Treiber von EW zu entwirren.

Introduction

Enhanced Weathering (EW) ist eine relativ neue Technologie zur Entfernung von Kohlendioxid (CDR) mit einem erheblichen Potenzial zur Eindämmung des Klimawandels 1,2,3. Das Prinzip dieser Technologie beruht auf der Beschleunigung des natürlichen mineralischen Verwitterungsprozesses in Böden, der zur Sequestrierung von Kohlendioxid (CO2) als anorganischer Kohlenstoff (IC) führt3. Die verstärkte Verwitterung zielt darauf ab, die IC-Sequestrierung zu erhöhen, indem die Faktoren, die die Mineralverwitterung bestimmen, künstlich optimiert werden, wodurch die Geschwindigkeit, mit der die Verwitterung erfolgt, auf für den Menschen relevante Zeitskalen erhöhtwird 3. Damit EW am effektivsten ist, werden schnell verwitternde Silikatmineralien zu einem Pulver mit einer Korngrößenverteilung im Mikrometer- bis Millimeterbereich gemahlen, um eine hohe reaktive Oberfläche im Bereich von ~1 m2·g-1 zu erreichen 3,4.

Bisher wurde das Wissen über EW hauptsächlich durch Experimente gewonnen, die sich auf abiotische Faktoren konzentrieren, die die Löserate von Mineralien bestimmen5. Dazu gehören die Reaktivität und Oberfläche von Mineralien, die Temperatur, die Zusammensetzung der Lösung, die Verweilzeit des Wassers und der Säuregehalt 4,6,7, aber in diesem Zusammenhang muss noch Forschung betrieben werden. Natürliche Systeme und insbesondere Böden werden nicht nur von abiotischen Faktoren beeinflusst, sondern auch von einer Vielzahl von Organismen geprägt, von Mikroben bis hin zu Makrofauna wie Regenwürmern. Obwohl einige Studien einen geringen oder keinen Einfluss der biotischen Aktivität der Mineralauflösunggezeigt haben 8,9,10, haben andere Studien Hinweise darauf geliefert, dass Bodenorganismen wie Bakterien 11,12, Pilze 13,14 und Regenwürmer 15,16 könnte die Verwitterungsraten von Mineralien erhöhen. Daher könnten biotische Komponenten der Schlüssel zum Verständnis des tatsächlichen IC-Sequestrierungspotenzials von EW5 sein.

Der erste gemeinsame Mechanismus, durch den Bodenorganismen die Mineralauflösung beschleunigen könnten, ist die Freisetzung von CO2 während der Atmung, die die Bodenversauerung verstärkt17. Außerdem könnten Bakterien und Pilze die Mineralverwitterung erhöhen, indem sie Protonen, Chelate, organische Säuren und Enzyme ausscheiden, die alle die Mineralauflösung verbessern 18,19,20,21. Zum Beispiel kann die Chelatbildung durch Carboxyl- und Hydroxylgruppen zu Ionenungleichgewichten führen, Elemente von den Oberflächen der Mineralien wegtransportieren und die Sättigungszustände senken20,22. Dies könnte zu einer geringeren sekundären Mineralbildung und einer höheren Effizienz von EW führen. Darüber hinaus könnten die starken Einwirkungen der Körperwände von Regenwürmern durch den Verzehr von Bodenpartikeln Mineralkörner in feinere Partikel zerlegen und so ihre verfügbare reaktive Oberfläche vergrößern23. Mikroben, die im Darm von Regenwürmern und frischem Kot leben, könnten diese kleineren Partikel weiter angreifen, die wiederum organische Säuren und Enzyme ausscheiden24,25. Durch ihre Wühlaktivität tragen Regenwürmer nicht nur zur Vermischung organischer und mineralischer Partikel bei, sondern bilden auch Makroporen, die es dem Wasserfluss ermöglichen könnten, den gesättigten Porenraum zu umgehen17. Dies könnte es dem Wasser ermöglichen, mit verschiedenen mineralischen Oberflächen zu interagieren und die Kontaktrate zwischen Wasser und Gestein zu erhöhen.

Bisher wurde kein Aufbau aufgebaut, um EW-Raten und damit die IC-Sequestrierung unter Verwendung von Bodenorganismen zu untersuchen und gleichzeitig die Möglichkeit zu gewährleisten, verschiedene relevante abiotische Bedingungen wie Wassereinträge, Temperatur, Mineraltyp und Mineralkorngröße zu optimieren. Hier werden das Design und die Erläuterung der Konstruktionsschritte eines innovativen Aufbaus vorgestellt, der darauf abzielt, EW-Raten durch die Aktivität von Bodenorganismen in kleinen Mesokosmen zu erhöhen. Der Versuchsaufbau besteht aus 203 Säulen (Länge 15 cm, Durchmesser 7 cm), die 8 Wochen lang bei 25 °C in einer Klimakammer (4,54 m x 2,72 m) platziert werden. Die 203 Säulen sind in 10 Gruppen à 18 und 2 Gruppen à 10 unterteilt, um in die Klimakammer zu passen. Eine der beiden Gruppen von 10 Spalten wird verwendet, um das Einfügen von drei weiteren Spalten zu ermöglichen, die als Leerzeichen verwendet werden. Jede Gruppe befindet sich über einem Kühlschrank und wird von einem fernsteuerbaren Bewässerungssystem gekrönt, das variable Bewässerungsraten innerhalb und zwischen Kühlschränken ermöglicht. Das Sickerwasser jeder Säule wird in einem Kanister gesammelt, der im Kühlschrank bei konstanter Temperatur aufbewahrt wird (Abbildung 1). Ein Kühlschrank sammelt das Sickerwasser einer Gruppe von Kolonnen, was bedeutet, dass ein Kühlschrank als ein einziges System mit 18 oder 10 Kolonnen betrachtet werden kann. Daher kann die Anzahl der Säulen in diesem Versuchsaufbau je nach experimentellen Anforderungen mit maximal 203 Säulen angepasst werden.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Seitenansicht des Aufbaus mit 5 Säulen, aber unter Berücksichtigung eines Systems von 18 Spalten. Der Rahmen, der die Säulen hält, besteht aus Edelstahlplatten, Edelstahlschrauben und Acrylplatten. Die Säulen sind in der Mitte des Rahmens positioniert und werden von einem Bewässerungssystem gekrönt. Unterhalb der Kolonnen sind Trichter über Rohre mit Kanistern verbunden, um das Sickerwasser aufzufangen. Kanister befinden sich in einem Kühlschrank, in dem das gesamte System untergebracht ist. Der Kühlschrank kann durch Anheben des Deckels geöffnet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

In diesem Aufbau sorgt die Verwendung von Silikatgesteinspulvern mit spezifischen Korngrößen dafür, dass hohe Verwitterungsraten erreicht werden können, während die Inokulation mit speziell ausgewählten Bakterien, Pilzen und Regenwürmern die biotische Aktivität in diesem künstlichen System gewährleistet. Der Aufbau ermöglicht die gleichzeitige Quantifizierung des in den festen und in den flüssigen Proben gebundenen Kohlenstoffs durch Messung sowohl des gelösten als auch des festen IC sowie der Gesamtalkalinität (TA). Darüber hinaus können andere Parameter wie pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit (EC) und Ionen im Sickerwasser als Indikatoren für die Verwitterung gemessen werden. Dieser Aufbau ermöglicht auch die Bewertung der Auswirkungen des Überlebens und der Aktivität von Bodenorganismen. Repräsentative Ergebnisse belegen die Eignung dieses Protokolls für den Aufbau eines Aufbaus, bei dem Erhöhungen der Verwitterungsraten nicht nur von abiotischen, sondern auch von biotischen Faktoren abgeleitet werden.

Protocol

Im Folgenden wird ein detailliertes Protokoll für den Aufbau der verschiedenen Teile des Aufbaus unter Berücksichtigung eines Systems von 18 Säulen beschrieben.

1. Konstruktion des Rahmens, der die Säulen hält

  1. Bereiten Sie Acrylplatten vor, um das Bewässerungssystem, die Säulen, die Trichter und die Rohre zum Auffangen des Sickerwassers zu halten.
    1. Schneiden Sie drei Acrylplatten (Acrylplatten 1-3) mit den Maßen 63 cm x 67 cm und eine Acrylplatte (Acrylplatte 4) mit den Maßen 45 cm x 56 cm zu.
    2. Schneiden Sie auf jeder Acrylplatte 18 Löcher und folgen Sie den Anweisungen in den folgenden Schritten.
      1. Acrylplatte 1 - obere Platte: Schneiden Sie Löcher mit einem Durchmesser von 0,7 cm, um später die Schläuche des Bewässerungssystems einzuführen.
      2. Acrylplatte 2 - zweite von der oberen Platte: Schneiden Sie Löcher mit einem Durchmesser von 8 cm, um später die Säulen einzusetzen (Abbildung 2).
      3. Acrylplatte 3 - zweite von der Bodenplatte: Schneiden Sie Löcher mit einem Durchmesser von 1,2 cm, um später die Trichter einzusetzen.
      4. Acrylplatte 4 - Bodenplatte: Schneiden Sie Löcher mit einem Durchmesser von 1,2 cm, um später die Kunststoffrohre einzusetzen, die das Sickerwasser zu den Kanistern bringen.
    3. Schneiden Sie zusätzlich ein Loch mit einem Durchmesser von 1,1 cm an jeder Ecke und ein Loch mit einem Durchmesser von 1,1 cm an den Seiten der Acrylplatten 1-3, um die Edelstahlschrauben einzusetzen.
    4. Drucken Sie für jede Acrylplatte mit einem Etikettendrucker Kunststoffetiketten mit den Nummern der Spalten (1-18) aus und kleben Sie diese unter das jeweilige Loch.
      HINWEIS: Das Aufkleben von Etiketten auf die Acrylplatten 2, 3 und 4 entsprechend der Anzahl der 18 Säulen hilft dabei, die verschiedenen Teile des Setups während der Installation an ihrem jeweiligen Standort zu platzieren.
  2. Verwenden Sie Edelstahlplatten und Schrauben, um die Acrylplatten zu halten.
    1. Nehmen wir die maßgefertigten Edelstahlplatten, die nach dem in Abbildung 3 gezeigten Design mit den Maßen 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm und einer Dicke von 1,5 mm hergestellt wurden.
    2. Bohren Sie Löcher mit einem Durchmesser von 1,1 cm an jeder Ecke und an den Seiten jeder Edelstahlplatte.
    3. Nehmen Sie Edelstahlschrauben (50 cm lang).
    4. Setzen Sie die Acrylplatten 1 (Spülrohre), 2 (Säulen) und 3 (Trichter) der Reihenfolge von oben nach unten auf die Edelstahlschrauben ein. Verwenden Sie zwei Sechskantmuttern und zwei Unterlegscheibenträger für jede Ecke, um die Acrylplatte an Ort und Stelle zu halten.
      HINWEIS: Halten Sie genügend Abstand zwischen den einzelnen Acrylplatten, um die verschiedenen Komponenten später einzusetzen. Halten Sie einen Abstand von ~19,5 cm von Acrylplatte 1 zu Acrylplatte 2, ~10,5 cm von Acrylplatte 2 zu Acrylplatte 3 und ~16,5 cm von Acrylplatte 3 zu Acrylplatte 4 ein.
    5. Montieren Sie die oberen und unteren Edelstahlplatten mit zwei Sechskantmuttern und zwei Unterlegscheibenträgern für jede Ecke an den Edelstahlschrauben.
    6. Stellen Sie das gesamte System auf den Kühlschrank, nachdem der Bau des Kühlsystems abgeschlossen ist.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Draufsicht auf das Design der Acrylplatte 2, auf der die Säulen platziert sind. Nummerierte Beschriftungen zeigen an, wo die entsprechenden Spalten platziert werden müssen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Aufbau der Edelstahlplatten. (A,B) Deckplatte. (C,D) Bodenblech. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Aufbau der Kühlanlage für die Sickerwassersammlung

  1. Stellen Sie den Kühlschrank auf, um die Kanister aufzustellen.
    1. Entfernen Sie beide Deckel aus dem Kühlschrank und ersetzen Sie den hinteren Deckel durch eine Acrylplatte 4.
      HINWEIS: Nach der Installation darf diese Acrylplatte nicht mehr entfernt werden. Um im Kühlschrank zu arbeiten, entfernen Sie den Frontdeckel, indem Sie ihn anheben.
    2. Stellen Sie den Kühlschrank in die Klimakammer und schließen Sie ihn an die Steckdose an.
    3. Stellen Sie die Kühlschranktemperatur auf 4 °C ein und stellen Sie einen Datenlogger in den Kühlschrank.
    4. Schließen Sie den Kühlschrank mit dem Frontdeckel.
    5. Überwachen Sie die vom Datenlogger aufgezeichneten Daten über Nacht. Wenn die Temperatur vom gewünschten Wert abweicht, entfernen Sie das Gitter am Boden des Kühlschranks und passen Sie die Temperatur an. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist.
  2. Verwenden Sie Rohre aus Polyvinylchlorid (PVC), um die Trichter mit den Kanistern zu verbinden.
    1. Schneiden Sie 18 PVC-Rohre (Innendurchmesser 0,8 cm) mit einer entsprechenden Länge zu, um jeden Kanister aus den verschiedenen Trichtern entsprechend der jeweiligen Anzahl zu erreichen.
      HINWEIS: Die Länge variiert von einem Minimum von 38 cm für das kürzeste Rohr bis zu einem Maximum von 81 cm für das längste Rohr.
    2. Spülen Sie die Rohre vor dem ersten Gebrauch mit Halbwasser aus. in allen anderen Fällen werden sie 4 Tage lang in 50 l Wasser eingeweicht, in dem 30 g des Zitronensäureprodukts verdünnt wurden, um Karbonatausfällungen zu entfernen. Danach spülen Sie die Rohre erneut mit Halbwasser aus.
      VORSICHT: Auch wenn das Produkt für Zitronensäure sicher in der Anwendung ist, vermeiden Sie den Kontakt mit den Augen und den längeren Kontakt mit der Haut, indem Sie geeignete Schutzmaßnahmen ergreifen.
      HINWEIS: Wenn Reinstwasser verfügbar ist, ist es vorzuziehen, es anstelle von Halbwasser zu verwenden.
    3. Lassen Sie die Rohre 24 Stunden an der Luft trocknen.
    4. Setzen Sie die Rohre entsprechend ihrer jeweiligen Anzahl in die Acrylplatte 4 ein.
  3. Installieren Sie Trichter, um das Sickerwasser zu den Kanistern zu leiten.
    1. Wischen Sie 18 Trichter vor dem ersten Gebrauch mit Ethanol ab; In allen anderen Fällen ist das gleiche Verfahren wie für die PVC-Rohre zu befolgen.
      VORSICHT: Ethanol ist brennbar und kann Augen-, Haut- und Atemwegsreizungen, Schwindel und flache Atmung verursachen. Ethanol ist schädlich durch Verschlucken, Einatmen oder Hautabsorption.
    2. Setzen Sie die Trichter in die Acrylplatte 3 ein und verbinden Sie sie entsprechend ihrer Anzahl mit den jeweiligen Rohren.
  4. Installieren Sie Kanister, um das Sickerwasser aufzufangen.
    1. Nehmen Sie 10 Kanister aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) mit einem Fassungsvermögen von 10 l und 8 HDPE-Kanister mit einem Fassungsvermögen von 5 l.
      HINWEIS: Kanister von 5 l werden für niedrige Bewässerungsraten verwendet, während Kanister von 10 l für hohe Bewässerungsraten verwendet werden (siehe Tabelle 1). Kanister aus HDPE werden gewählt, da dieses Material chemisch inert ist.
    2. Verdünnen Sie 50 ml Spülmittel in 10 l Leitungswasser. Spülen Sie die Kanister einmal mit dieser Lösung, einmal mit Leitungswasser und einmal mit Halbwasser. Wiederholen Sie diesen Reinigungsvorgang vor jeder anderen Verwendung.
      HINWEIS: Wenn Reinstwasser verfügbar ist, ist es vorzuziehen, es anstelle von Halbwasser zu verwenden.
    3. Die Kanister 24 h an der Luft trocknen lassen.
    4. Bohren Sie ein Loch in den Deckel jedes Kanisters mit einem Durchmesser von 1,2 cm, um das Kunststoffrohr zum Auffangen des Sickerwassers einzuführen.
    5. Verschließen Sie die Kanister mit dem jeweiligen Deckel.
    6. Stellen Sie die Kanister in zwei Schichten in den Kühlschrank nach dem in Abbildung 4 gezeigten Schema und verbinden Sie gleichzeitig die Röhrchen mit den Kanistern.

Figure 4
Abbildung 4: Schematische Darstellung der Kanister im Inneren des Kühlschranks in zwei gestapelte Schichten, untere (linke Seite) und obere Schicht (rechte Seite). Schwarze Kreise zeigen die Richtung der Deckel an, während die blauen und grünen Rechtecke 10-Liter- bzw. 5-Liter-Kanister anzeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Konstruktion der Stützen und des Gittersystems

  1. Verwenden Sie PVC-Säulen als Mesokosmen zur Inkubation von Gesteinsmehl und Bodenorganismen
    1. Die PVC-Rohre in 18 Spalten mit einer Länge von 15 cm schneiden.
    2. Reinigen Sie die Säulen gemäß Prozedur 1, wenn es sich um die erste Verwendung handelt, und nach Prozedur 2 in einem anderen Fall.
      1. Prozedur 1:
        1. Die Säulen 48 Stunden lang in Halbwasser einweichen.
          HINWEIS: Wenn Reinstwasser verfügbar ist, ist es vorzuziehen, es anstelle von Halbwasser zu verwenden.
        2. Spülen Sie die Säulen mit Halbwasser ab. Trocknen und wischen Sie die Säulen mit Ethanol ab.
        3. Nummerieren Sie die Spalten mit Etiketten oder direkt mit einem Marker auf der Röhre.
      2. Prozedur 2:
        1. Die Säulen 1 Tag lang in Wasser einweichen.
        2. Verwende die Bürste, um alle experimentellen Überreste wegzuschrubben.
        3. Trocknen und wischen Sie die Säulen mit Ethanol ab.
  2. Verwenden Sie mittlere Ringe, um Säulen über den Trichtern zu halten.
    1. Entwerfen Sie mit einem 3D-Drucker einen Ring (Durchmesser 8,5 cm und Dicke 0,5 cm). Achten Sie darauf, dass Sie unten einen weiteren Ring zeichnen, der in die Löcher der Acrylplatte 2 passt, um die Stabilität der Säulen zu erhöhen (Abbildung 5).
    2. Drucken Sie 18 Ringe mit dem 3D-Drucker aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) 95A-Material.
    3. Platzieren Sie die Ringe auf den Säulen in einer Position, in der die Säulen 2-3 cm über den Trichtern bleiben.
  3. Verwenden Sie ein Netzsystem am Boden der Säulen, um das Sickerwasser zu filtern und Partikelverluste zu minimieren.
    1. Schneiden Sie das Netz (10 μm und 20 μm Porengröße) in Quadrate von 12 cm x 12 cm.
    2. Weichen Sie das Netz 2 Tage lang in Reinstwasser ein. Lassen Sie das Netz an der Luft trocknen.
    3. Platzieren Sie am unteren Rand der Säule das erste Netz von 20 μm. Legen Sie eine 1 cm dicke Schicht Kunststoffperlen über die 20 μm Maschenweite.
    4. Platzieren Sie das zweite Netz von 10 μm auf das 20-μm-Netz und die Schicht aus Kunststoffperlen.
    5. Platzieren Sie zwei Kabelbinder, um das Mesh-System an Ort und Stelle zu halten. Ziehen Sie die Kabelbinder fest und schneiden Sie ihre Kanten ab.
      HINWEIS: Abbildung 6 zeigt, wie das Netzsystem am unteren Rand der Säule zusammengebaut werden sollte.
  4. Verwenden Sie ein oberes Netz, um das Entweichen von Regenwürmern zu verhindern.
    1. Schneiden Sie das Netz mit einer Porengröße von 1 mm in Quadrate von 12 cm x 12 cm.
    2. Sobald die Säulen mit Gesteinsmehl gefüllt sind und Regenwürmer eingeführt sind (Abschnitt 7), legen Sie das Netz auf die Säulen.
      HINWEIS: Dieses Netz sollte auf die Säulen gelegt werden, um zu verhindern, dass Regenwürmer aus den Säulen entkommen. Für den Fall, dass keine Regenwürmer eingeführt werden, wird dennoch empfohlen, dieses Netz zu verwenden, um die gleichen Bedingungen für alle Säulen aufrechtzuerhalten.
    3. Lege ein Gummiband um das Netz, um es an Ort und Stelle zu halten.

Figure 5
Abbildung 5: Modell des Rings zur Aufnahme der Säulen für den 3D-Drucker. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Schema des Aufbaus des Netzsystems am unteren Rand der Säule. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

4. Bau des Bewässerungssystems

  1. Entwerfen und erstellen Sie Sprinkler, um das Wasser gleichmäßig über die Säulen zu verteilen
    1. Erstellen Sie mit einem 3D-Drucker einen Entwurf für einen Sprinkler, der dem Modell und den relativen Abmessungen in Abbildung 7 folgt.
    2. Drucken Sie 18 Sprinkler mit dem 3D-Drucker aus TPU 95A-Material.
      HINWEIS: Lassen Sie die Regner nach dem Drucken mindestens 24 Stunden trocknen, bevor Sie sie in die PE-Mikroschläuche einführen, um einen Bruch zu vermeiden.
  2. Installieren Sie das Bewässerungssystem: Ventile und Schläuche.
    1. Schrauben Sie zwei Nasenstücke an der Vorderseite von zwei Magnetventilen und zwei T-Stück-Steckverschraubungen an der Rückseite der Magnetventile.
      HINWEIS: Wenn Sie möchten, dass der Wasserschlauch mit diesem System endet und nicht zu anderen Systemen fortfährt, schrauben Sie auf der Rückseite des Ventils, das am Ende des Kühlschranks platziert wird, eine Steckarmatur mit zwei Anschlüssen anstelle der T-Stück-Steckverschraubung. Auf diese Weise endet hier der Wasseranschluss.
    2. Montieren Sie die beiden Magnetventile auf einer Seite der oberen Edelstahlplatte.
      HINWEIS: Ein Ventil steuert einen Bewässerungsschlauch, der wiederum 8 oder 10 der insgesamt 18 Säulen bewässert.
    3. Schneiden Sie das Bewässerungsrohr aus Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) in zwei Rohre von 53 cm.
    4. Verschließen Sie eine Seite jedes Röhrchens mit einer Endkappe.
    5. Wickeln Sie das andere Ende der Röhrchen mit Polytetrafluorethylen-Klebeband (PFTE) um und verbinden Sie es mit den Magnetventilen.
    6. Mache 8 Löcher in das erste Bewässerungsrohr näher an der Vorderseite des Kühlschranks und 10 Löcher in das zweite Bewässerungsrohr weiter von der Vorderseite des Kühlschranks entfernt.
      HINWEIS: Es ist sehr wichtig, die Löcher mit einer Handstanze zu bohren, da dies für die korrekte Positionierung und Funktion der Druckregler erforderlich ist. Es wird davon abgeraten, andere Werkzeuge als Bohrmaschine zu verwenden.
    7. Setzen Sie die Druckregler in die Löcher der beiden Rohre ein.
    8. Schneiden Sie den Mikroschlauch aus Polyethylen (PE) in 18 kleine Röhrchen mit einer Länge von 20 cm, um die Säulen vom Bewässerungsrohr aus zu erreichen, und befestigen Sie sie an den Druckreglern.
    9. Stecken Sie die kleinen Röhrchen in die Löcher der Acrylplatte 1.
    10. Setzen Sie die Sprinkler in die kleinen Röhrchen waagerecht zur Oberfläche der Säulen ein.
      HINWEIS: Wenn Probleme mit dem Bewässerungssystem auftreten (z. B. Verstopfungen des Wasserflusses oder unkontrollierbarer Wasserfluss), kann dies folgende Gründe haben: (a) Fehlfunktionen der Ventile, (b) Partikel, die im Rohr verbleiben; (c) PFTE-Klebeband, das nicht richtig um das Ende des Rohrs gewickelt ist. Für Punkt a das Ventil ersetzen. Bei den Punkten b und c ist darauf zu achten, dass die Röhrchen vor Beginn der Bewässerung der Säulen gereinigt werden bzw. keine Rückstände des PFTE-Bandes am Röhrchen hängen. Es ist wichtig, die Übertragung von Partikeln zu vermeiden, die die ordnungsgemäße Funktion des Ventils beeinträchtigen könnten.
  3. Richten Sie den Anschluss für den Transport von Wasser ein.
    1. Schneiden Sie den Polyurethan (PU)-Schlauch für den Wasseranschluss in drei verschiedene Schläuche. Die genauen Längen der Schläuche variieren je nach Ausführung des Systems und der Kammer. Verwenden Sie den ersten Schlauch, um das T-Stück des ersten Ventils mit dem Wasserhahn zu verbinden, den zweiten Schlauch, um die T-Stücke jedes Ventils zu verbinden, und den dritten Schlauch, um das T-Stück des zweiten Ventils mit dem nächsten System zu verbinden.
      HINWEIS: Wenn kein Anschluss an das nächste System erforderlich ist, ist das Durchtrennen des dritten Schlauchs nicht erforderlich.
    2. Verbinden Sie die PU-Schläuche mit den T-Stück-Steckverschraubungen auf der Rückseite der Magnetventile.
    3. Verbinden Sie den PU-Schlauch des ersten Ventils mit dem Hahn, indem Sie eine Steckverschraubung mit zwei Anschlüssen auf den Adapterring schrauben.
    4. Öffnen Sie den Wasserhahn, damit Wasser in die Rohre fließen kann.
  4. Installieren Sie das Steuerungssystem und richten Sie die Verbindung zum Bewässerungssystem ein.
    1. Schließen Sie den internetfähigen Controller, das Erweiterungsmodul mit acht Relais und das Schienennetzteil an. Setzen Sie sie gemäß den Anweisungen des Herstellers in das Polycarbonatgehäuse ein.
      HINWEIS: Ein modularer Controller entspricht einem Gerät, das wiederum acht Relais steuert. Ein Relais steuert das Öffnen und Schließen eines bestimmten Ventils.
    2. Verbinden Sie die beiden Ventile mit den elektrischen Kabeln miteinander, und schließen Sie das Netzkabel an jedes Ventil an.
    3. Schließen Sie das andere Ende des Netzkabels an den internetfähigen Controller an.
    4. Schließen Sie alles an einen Stecker an und stellen Sie eine Internetverbindung für den internetfähigen Controller her.
  5. Richten Sie die Online-Steuerung der Bewässerungseinstellungen ein, um die Bewässerungsraten festzulegen.
    1. Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers für die Konfiguration und Einrichtung. Verwenden Sie zum Programmieren und Testen den Webbrowser.
    2. Gehen Sie zu http://10.73.10.250/setup.html.
    3. Verwenden Sie einen Benutzernamen und ein Passwort, um sich anzumelden.
    4. Gehen Sie im linken Menü zu Steuerung/Logik und dann zu Aufgaben/Funktionen.
    5. Ein Relais steuert das Öffnen und Schließen eines Ventils. Für jedes Relais gibt es zwei Aufgaben, eine schaltet das Relais ein (Ventil offen) und die andere schaltet das Relais aus (Ventil geschlossen). Um die Einstellungen der einzelnen Aufgaben zu ändern, klicken Sie auf Bearbeiten.
      1. Wenn die Aufgabe des Relais eingeschaltet werden soll, stellen Sie das Datum und die Uhrzeit ein, zu der das Relais mit der Arbeit beginnen muss, indem Sie auf Startdatum und Startzeit klicken (z. B. 4. Mai 2022 um 7:45:00 Uhr; siehe Abbildung 8). Um die Bewässerungshäufigkeit einzustellen, klicken Sie auf Wiederholen und Wiederholen alle (z. B. täglich alle 1 Tag(e) für eine Bewässerungshäufigkeit von einmal täglich; siehe Abbildung 8). Um das Datum festzulegen, an dem das Relais nicht mehr funktioniert, klicken Sie auf End Repeat Date (z. B. 20. Mai 2022 um 23:59:59 Uhr; siehe Abbildung 8).
      2. Wenn die Aufgabe für das Relais ausgelöst werden soll, stellen Sie die Zeit ein, zu der das Relais aufhören muss zu arbeiten. Dies hängt von der erforderlichen Bewässerungsrate und der Häufigkeit der Bewässerung ab, z. B. stellen Sie die Zeit für eine tägliche Wiederholung auf 7:46:30 ein. Das bedeutet, dass das Relais für 1 min 30 s arbeitet, für die Wassermenge von 50 ml·tag-1 bei der Bewässerungsfrequenz von einmal täglich (siehe Tabelle 1). Das Start- und Enddatum ist identisch mit der Aufgabe zum Einschalten des Relais sowie die Häufigkeit der Bewässerung.
    6. Wenn die Einrichtung der einzelnen Relais abgeschlossen ist, denken Sie daran, auf Änderungen speichern zu klicken.
      HINWEIS: Es müssen nicht alle Relais gleichzeitig arbeiten, um eine Überlastung des Systems zu vermeiden. Lassen Sie immer mindestens 30 s zwischen den Aufgaben verschiedener Relais (z. B. Relais 1 von Gerät 1 beendet seine Aufgabe um 07:46:30 Uhr, Relais 2 von Gerät 1 startet seine Aufgabe um 07:47:00 Uhr).
    7. Vergewissern Sie sich, dass die Einstellungen der einzelnen Relais das gleiche Start- und Enddatum haben. Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für die Zeit, die für verschiedene Bewässerungsraten bei unterschiedlichen Bewässerungsfrequenzen benötigt wird.
      HINWEIS: Das Bewässerungssystem ermöglicht mehr Wasserbewässerungsraten und Bewässerungshäufigkeiten als die aufgeführten, aber es muss getestet werden, wie lange die Ventile für unterschiedliche Wassermengen geöffnet bleiben müssen. Für die in Tabelle 1 aufgeführten Bewässerungsraten ist es dennoch gut, mit einem ersten Test zu prüfen, ob dies gültig ist, da es sich je nach Wasserdruck und Auslegung des Systems ändern kann.

Figure 7
Abbildung 7: Modell des Regners für das Bewässerungssystem mit relativen Abmessungen . (A) Draufsicht auf den Regner. (B) Seitenansicht des Sprinklers. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: Beispiel für die Einstellungsanzeige des Bewässerungssystems zum Einschalten des Relais. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Bewässerungsrate des Wassers (ml·Tag-1) Häufigkeit der Bewässerung (Anzahl ·Tag-1) Zeit, bis das Relais funktioniert(en)
    
50		 1 95
2 50
5 23
    
100		 1 190
2 100
5 45
    
150		 1 280
2 140
5 55

Tabelle 1: Angaben zu den Zeiten, die benötigt werden, um die Ventile zu öffnen, um unterschiedliche Wasserbewässerungsraten bei unterschiedlichen Bewässerungsfrequenzen zu ermöglichen.

5. Auswahl von Gesteinsmehlen, organischen Materialien und Bodenlebewesen

HINWEIS: Für dieses Experiment werden Gesteinspulver, organisches Material und Bodenorganismen auf der Grundlage der Verfügbarkeit, des lokalen Vorkommens und der Literaturrecherche ausgewählt. Darüber hinaus werden Mikroben auf der Grundlage ihrer Nicht-Pathogenität ausgewählt, die durch die Klassifizierung der Technischen Regeln für biologische Arbeitsstoffe (TRBA)26,27,28 bestimmt wird. Abhängig von der genauen Fragestellung können diese Faktoren angepasst werden.

  1. Wählen Sie Gesteinspulver für die Experimente aus.
    ANMERKUNG: Bei den Gesteinspulvern, die für diese Experimente ausgewählt werden, handelt es sich sowohl um ultramafische als auch um mafische Gesteine verschiedener mineralogischer Zusammensetzung, wie z. B. Dunit und Diabas. Jedes Gestein hat zwei Hauptklassen von Korngrößen, fein (Mikrometerbereich) und grobkörnig (Millimeterbereich).
  2. Wählen Sie organische Materialien für das Experiment aus.
    ANMERKUNG: Die organischen Materialien, die für diese Versuche als Nahrungsquelle für Bodenlebewesen ausgewählt werden, sind Weizenstroh und Gärreste aus Gülle und Futtermittelresten.
  3. Wählen Sie die Bakterien für das Experiment aus.
    HINWEIS: Die Bakterien, die für diese Experimente ausgewählt werden, sind Bacillus subtilis und Cupriavidus metallidurans. Die Bakterien stammen vom Leibniz-Institut DSMZ (Deutschland).
    1. Züchten Sie Bakterien in Nährbrühe, bestehend aus Bacto Pepton (10 g· L-1), Fleischextrakt (3 g· L-1) und Natriumchlorid (10 g· L-1) in Reinstwasser (18,2 mΩ) nach den Anweisungen des Lieferanten gelöst.
    2. Autoklavieren Sie alle Nährmedien bei 121 °C für 20 Minuten vor der Inokulation mit der alten Kultur (Volumen = 1 % der neuen Kultur).
    3. Bestimmen Sie die Zelldichten mittels Zellzählung mit einem Hämazytometer und verifizieren Sie die Zellzahlen mittels Durchflusszytometrie.
      HINWEIS: In dieser Studie wurde ein Durchflusszytometer mit violetten (405 nm) und blauen (488 nm) Lasern mit einer Flussrate von 10 μl/min verwendet, das im FL1-Kanal (EX 488, EM 525/40) detektiert wurde.
  4. Wählen Sie die Pilze für das Experiment aus.
    HINWEIS: Die Pilze, die für diese Experimente ausgewählt werden, sind Knufia petricola, Suillus variegatus und Aerobasidium pullulans. Die Pilze stammen vom Leibniz-Institut DSMZ (Deutschland), mit Ausnahme von K. petricola, das vom Westerdijk-Institut (Niederlande) stammt.
    1. Züchten Sie die Pilzkulturen in Malzextraktbrühe, bestehend aus Malzextrakt (20 g· L-1), D-(+)-Glucose (20 g· L-1) und Kaseinhydrolysat (3 g· L-1) in Reinstwasser (18,2 mΩ) gemäß den Anweisungen der Lieferanten gelöst.
    2. Autoklavieren Sie alle Nährmedien bei 121 °C für 20 Minuten vor der Inokulation mit der alten Kultur (Volumen = 1 % der neuen Kultur). Bestimmen Sie die Zelldichten mittels Zellzählung mit einem Hämazytometer.
  5. Wählen Sie Regenwürmer für das Experiment aus.
    ANMERKUNG: Die Regenwürmer, die für diese Experimente ausgewählt werden, sind die endogenen Arten Aporrectodea caliginosa und Allolobophora chlorotica. Regenwürmer werden vor dem Experiment im Park De Blauwe Bergen in der Nähe der Wageningen University & Research in den Niederlanden (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E) gesammelt.

6. Füllen der Spalten

  1. Bestimmen Sie die Wasserhaltekapazität (WHC) der Gesteinsmehle und der organischen Materialien, indem Sie jedes Material zunächst bei 105 °C trocknen. Geben Sie dann das trockene Material in eine Schüssel und notieren Sie das Gewicht. Fügen Sie nach und nach Wasser hinzu, bis die Materialien feucht genug sind, und notieren Sie das Endgewicht. Der WHC ist dann durch Gleichung 1 gegeben.
    Equation 1 (1)
  2. Den Strohhalm durch eine 6-mm-Mühle mahlen.
  3. Die Mineralien und organischen Materialien werden an 2 aufeinanderfolgenden Tagen bei 40 °C im Ofen getrocknet.
  4. Wiegen Sie 400 g Mineralien und 10 g organische Materialien in einer Schüssel ab.
    HINWEIS: Die Mengen können je nach experimentellen Bedürfnissen angepasst werden, aber die Materialmischung sollte in die Säule passen.
  5. Stellen Sie den WHC auf 80 % ein, je nach Mineraltyp, Mineralkorngröße und vorhandener organischer Quelle.
  6. Alles vorsichtig mit einem Metalllöffel vermischen.
  7. Füllen Sie die Spalten mit der Mischung.
  8. Platzieren Sie die gefüllten Säulen in der Klimakammer an ihrem jeweiligen Standort, wie in Abbildung 2 dargestellt. Wenn die Säulen nicht sofort in die Klimakammer gestellt werden können, lagern Sie sie bei 15 °C und decken Sie sie mit einer Plastikfolie ab, um Wasserverluste zu vermeiden und Änderungen der Ausgangsbedingungen zu begrenzen.
    HINWEIS: Halten Sie die Säulen unten und setzen Sie sie vorsichtig in die Acrylplatten ein, um den Verlust ihres Inhalts zu vermeiden. Abbildung 9 zeigt schematisch die Schritte, die zum Ausfüllen der Spalten ausgeführt werden sollten.

Figure 9
Abbildung 9: Schematische Übersicht der verschiedenen Schritte zum Füllen der Spalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

7. Inokulation von Bodenbiota

  1. Impfen Sie Bakterien und Pilze zu zwei Zeitpunkten während des Befüllens der Säulen (Methode 1) oder kurz vor der Zugabe von Regenwürmern (Methode 2).
    1. Methode 1
      1. Je nach gewünschter Inokulationsdichte (Zelldichtebereich zwischen 1,5 x 109 und 4,8 x 1010 Zellen pro Säule für Bakterien und zwischen 5,5 x 107 und 5,5 x 108 Zellen pro Säule für Pilze) werden die verschiedenen mikrobiellen Spezies nach Zugabe des Wassers entsprechend der Behandlung mit einer Pipette in das Gemisch aus Mineralien und organischen Materialien inokuliert.
        HINWEIS: Das zugesetzte Wasser muss entsprechend angepasst werden, so dass die Menge (Milliliter), die durch die Inokulation hinzugefügt wird, von der Gesamtmenge an Wasser abgezogen wird, die hinzugefügt wird, um 80 % des WHC zu erreichen.
      2. Alles vorsichtig mit einem Metalllöffel vermischen.
      3. Füllen Sie die Spalten mit der Mischung.
      4. Wischen Sie die Schüssel und den Löffel ab, mit denen die Materialien mit Ethanol gemischt wurden, um sie nacheinander zu verwenden.
      5. Decken Sie die Säulen mit dem oberen Netz ab.
    2. Methode 2:
      1. Je nach gewünschter Inokulationsdichte werden die verschiedenen mikrobiellen Spezies auf der Oberfläche der Säulen entsprechend der Behandlung mit einer Pipette inokuliert.
      2. Decken Sie die Säulen mit dem oberen Netz ab.
  2. Je nach gewünschter Dichte (entweder 4, 8 oder 10 Regenwürmer pro Säule) werden die Regenwürmer je nach Behandlung in die Säulen eingebracht, indem Sie sie vorsichtig auf der Oberfläche der Säulen ablagern. Decken Sie anschließend die Säule mit dem oberen Netz ab.
    HINWEIS: Sowohl Mikroben als auch Regenwürmer sollten 1 Tag vor Beginn der Bewässerung geimpft werden, damit sie sich an das System anpassen können. Die Impfdichte kann je nach experimentellen Anforderungen geändert werden. Beachten Sie, dass es sich nicht um eine sterile Umgebung handelt und es zu einer möglichen Kontamination mit Mikroorganismen kommen kann, die durch Luft, Wasser oder Eingangsmaterial transportiert werden. Um eine bakterielle Kontamination durch die Belüftung zu verhindern, fügen Sie einen 0,2-μm-Filter auf die Säulen hinzu.

8. Probenentnahme und -analyse

  1. Entfernen Sie die Säulen am Ende des Versuchszeitraums aus der Kammer.
    1. Sammle Regenwürmer und zähle sie, um ihre Überlebensrate zu bestimmen und ihre Aktivität zu beurteilen.
    2. Homogenisieren Sie das Gemisch aus Gesteinsmehl und organischen Materialien und entnehmen Sie Teilproben für mikrobielle Analysen, um das Vorhandensein und die Aktivität der interessierenden Mikroorganismen weiter zu charakterisieren.
    3. Trocknen Sie den Inhalt der Säulen bei 40 °C für 5-7 Tage für nachfolgende Festphasenanalysen auf festen anorganischen Kohlenstoff (SIC).
  2. Wiegen Sie die Kanister, um das endgültige Sickerwasservolumen zu bestimmen, und sammeln Sie Sickerwasserproben für weitere Analysen, wie z. B. TA, gelöster anorganischer Kohlenstoff (DIC), pH-Wert, EC und Ionen.
  3. Der experimentelle Endpunkt besteht darin, festzustellen, ob Bodenorganismen die Verwitterungsraten in diesem System erhöhen können, und die optimale Kombination der betrachteten Variablen zu finden, die zu dem höchsten Kohlenstoffbindungspotenzial führt. Ermitteln Sie dies, indem Sie die Ergebnisse für die analysierten Parameter nach den verschiedenen Kombinationen vergleichen.
    HINWEIS: Die Probenahmestrategie und weitere Analysen können je nach Versuchseinstellungen und Forschungsbedarf angepasst werden.

Representative Results

Der vorgestellte Aufbau bestand aus insgesamt 203 Säulen, die sich in einer Klimakammer bei 25 °C befanden (Abbildung 10). Die Wahl des Aufbaus in einer Klimakammer ermöglichte eine kontrollierte konstante Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit. Durch die Lagerung der Kanister in einen Kühlschrank bei 4 °C wurde sichergestellt, dass sich die Zusammensetzung des Sickerwassers im Laufe der Zeit nicht durch mikrobielle Aktivität veränderte.

Figure 10
Abbildung 10: Bilder des Versuchsaufbaus in der Klimakammer. (A) Überblick über ein einzelnes System. (B) Nahaufnahme einer einzelnen Spalte. (C) Nahaufnahme von Kanistern im Kühlschrank. (D) Übersicht über alle Systeme im klimatisierten Raum. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Der Einsatz eines fortschrittlichen automatisierten Bewässerungssystems bedeutete, dass die Kolonnen mit Hilfe des Online-Steuerungssystems mit unterschiedlichen Raten und Frequenzen bewässert werden konnten (Abbildung 11). Das Bewässerungssystem ermöglichte es, die Wassermenge, die die Säulen erhielten, zu verändern. Die Validierung des Systems zeigte, dass es zu einer minimalen Differenz von 1 % und zu einer maximalen Differenz von 6 % in der Wassermenge zwischen verschiedenen Säulen führte (Abbildung 12). Kleinere Unterschiede wurden für niedrigere Bewässerungsraten gefunden, während größere Unterschiede für höhere Bewässerungsraten gefunden wurden. Insgesamt war der Durchschnitt bei einer Spülrate von 50 ml·Tag-1 und 150 ml·Tag-1 niedriger, während er bei einer Spülrate von 100 ml·tag-1 höher war (Abbildung 12).

Figure 11
Abbildung 11: Durchschnittliche Wassermenge über die Zeit. Durchschnittliche Wassermenge, gemessen bei einer Bewässerungsrate von 50 ml·tag-1 , verteilt über einen Zeitraum von 24 Stunden gemäß drei Bewässerungsfrequenzen von einmal täglich, zweimal täglich und fünfmal täglich für 8 Säulen. Balken zeigen den Standardfehler an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 12
Abbildung 12: Durchschnittliche Wassermenge im Vergleich zur Bewässerungsrate. Durchschnittliche Wassermenge, gemessen bei einer Bewässerungsrate von 50 ml·tag-1 über 8 Säulen und für Bewässerungsraten von 100 ml·tag-1 und 150 ml·tag-1 über 10 Säulen. Balken zeigen den Standardfehler an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Konstruktion und das Design dieses Aufbaus ermöglichten es, sowohl den Feststoffgehalt in den Säulen, bestehend aus (verarbeitetem) Gesteinsmehl und organischen Materialien, als auch die Gesamtmenge an Sickerwasser, die über den gesamten Versuchszeitraum aus den Säulen tropfte, zu sammeln (Abbildung 13). Obwohl das Sickerwasser erfolgreich gesammelt wurde, war die endgültige Menge des gesammelten Sickerwassers geringer als die Menge an Sickerwasser, die am Ende der Experimente entsprechend der Bewässerungsrate erwartet wurde (Abbildung 14). Das reduzierte gesammelte Sickerwasser war höchstwahrscheinlich das Ergebnis der direkten Verdunstung und des Sickerwasseraustritts am Boden der Säulen. Dies sollte bei der Analyse der Ergebnisse aus den Analysen berücksichtigt werden.

Figure 13
Abbildung 13: Repräsentative Bilder der Säulen und des Sickerwassers. Säulen gefüllt mit Gesteinsmehl und organischen Materialien zu Beginn der Versuche (linke Seite) und Sickerwasser in den Kanistern am Ende der Versuche (rechte Seite). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 14
Abbildung 14: Gesamtliter, die am Ende der Versuche pro Bewässerungsrate gesammelt wurden. Gestrichelte Linien zeigen die erwartete Menge an Sickerwasser an, die gemäß der Bewässerungsrate pro Versuchszeitraum gesammelt wird, angezeigt durch die hellblaue Linie für 50 ml·Tag-1, die dunkelblaue Linie für 100 ml·Tag-1 und die grüne Linie für 150 ml·tag-1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Mischung aus Gesteinsmehl und organischem Material wurde analysiert, um die Erfolgsrate von Bodenlebewesen in Bezug auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft von Bakterien und Pilzen sowie das Überleben und die Aktivität von Regenwürmern zu bewerten (Abbildung 15).

Figure 15
Abbildung 15: Pilzwachstum und Überleben von Regenwürmern. Am Ende der Experimente und vor der Probenahme sichtbare Anzeichen von Pilzwachstum (linke Seite) und Überleben der Regenwürmer (rechte Seite) in den mit Gesteinsmehl und organischen Materialien gefüllten Säulen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Neben anderen Parametern wurde das Sickerwasser auf TA und DIC analysiert, da TA und IC gute Näherungswerte für Mineralverwitterungsraten sind 4,29,30,31. TA wurde mit einem Metrohm Titrando29,30 gemessen, während DIC mit einem Skalar Total Organic Carbon (TOC) Analysator gemessen wurde. Durch die Verwendung eines TOC-Analysators wird DIC aus der Differenz zwischen dem gesamten gelösten Kohlenstoff (DC) und dem gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) berechnet. Abbildung 16 und Abbildung 17 zeigen die kumulative Verteilung für einige Beispielwerte, die aus diesen Analysen für einen Versuchslauf gewonnen wurden. Bei Verwendung dieses Versuchsaufbaus lagen die Werte für TA zwischen 0,019 mol und 0,025 mol, während die Werte für DIC zwischen 7,352 mg C und 259,279 mg C lagen (Abbildung 16 und Abbildung 17).

Figure 16
Abbildung 16: Wahrscheinlichkeitsverteilung von Beispielwerten, die für TA im am Ende des Versuchszeitraums gesammelten Sickerwasser gemessen wurden. Behandlungen, bei denen Säulen überflutet wurden, werden nicht angezeigt. Die Werte werden in mol ausgedrückt und um die Gesamtmenge des am Ende der Experimente gesammelten Sickerwassers korrigiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 17
Abbildung 17: Wahrscheinlichkeitsverteilung von Beispielwerten, die für DIC im am Ende des Versuchszeitraums gesammelten Sickerwasser gemessen wurden. Behandlungen, bei denen Säulen überflutet wurden, werden nicht angezeigt. Die Werte werden in mg Kohlenstoff (C) ausgedrückt und um die Gesamtmenge des am Ende der Versuche gesammelten Sickerwassers korrigiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Im aktuellen Forschungskontext wurde dieser Aufbau auf einzigartige Weise entwickelt, um die Bindung von anorganischem Kohlenstoff zu optimieren, indem die Mineralverwitterung durch die Aktivität von Bodenbiota verbessert wird, während gleichzeitig abiotische Faktoren manipuliert werden, die für die Stimulierung der Verwitterung bekannt sind. Die Möglichkeit, in diesem Aufbau sowohl das feste verarbeitete Material als auch das Sickerwasser zu sammeln, ermöglicht eine vollständige Charakterisierung beider Fraktionen. Trotz der enormen Anzahl an Säulen sorgen die Entnahme der Proben und die durchgeführten Analysen für eine qualitativ hochwertige Datenerhebung. Außerdem ist es sehr wichtig, eine große Anzahl von Kombinationen in einem einzigen Versuchslauf zu haben, um die gesammelten Daten mit modernen und fortschrittlichen statistischen Methoden, wie z. B. maschinellem Lernen, zu analysieren. Mit diesen Methoden können die Hauptvariablen bestimmt werden, die zu hohen Verwitterungsraten und weiterer Kohlenstoffbindung führen. Folglich bietet dieser Aufbau die Möglichkeit, das Verständnis der Auswirkungen von Bodenorganismen auf die EW- und IC-Sequestrierung zu verbessern. Dies ist von grundlegender Bedeutung, um realistischere Beschränkungen für die Grenzen von EW und seine Effizienz bei der Reduzierung der atmosphärischen CO2 - Konzentrationen festzulegen. Dieser Aufbau weist einige Besonderheiten im Vergleich zu bestehenden Studien auf, die EW und den Einfluss von Bodenorganismen untersuchen.

Die Auswirkungen von abiotischen Faktoren auf EW wurden bereits in früheren Studien untersucht 4,29,30,31,32,33,34. Einige dieser Studien verglichen verschiedene Mengen, Arten und Korngrößen von Gesteinen, aber ihr Aufbau bestand entweder aus einem Topfexperiment 32,33 oder beinhaltete das Mischen von Gesteinsmehl mit Erde34. Andere Experimente konzentrierten sich auf eine Gesteinsart mit unterschiedlichen Bewässerungsraten, hatten aber nicht die Möglichkeit, häufig mit einem automatisierten System zu bewässern, oder konzentrierten sich auf mehrere Bewässerungsraten und -frequenzen35. Andere Studien zeigten einen ähnlichen Aufbau wie im aktuellen Protokoll, mit der Möglichkeit, die Bewässerungsraten anzupassen und die Temperatur konstant zu halten, neben der Variation von Gesteinskörnungen und -typen29,30. Darüber hinaus war das Design dieser Aufbauten vergleichbar mit dem im vorliegenden Manuskript vorgeschlagenen und darauf ausgelegt, das Sickerwasser für weitere Analysen zu sammeln29,30. Darüber hinaus wurden die CO2 -Konzentrationen in diesen Studien als ein weiterer Faktor variiert, der die Verwitterung verstärkt29. Keine dieser früheren Studien hat sich jedoch auf die Wirkung biotischer Faktoren auf die Förderung von EW konzentriert. In diesem Aufbau ist es das Ziel, den Verwitterungsprozess und die weitere IC-Sequestrierung zu verbessern, indem bestimmte Bakterien, Pilze und Regenwürmer geimpft und bestimmt werden, inwieweit sie EW beschleunigen können.

In Bezug auf die Wirkung biotischer Faktoren auf EW gibt es nur wenige Studien, die sich nicht speziell mit EW befasst haben, sondern untersucht haben, ob Bodenorganismen die mineralische Verwitterung beeinflussen können. In diesen Studien wurde hauptsächlich untersucht, wie die Verwitterung durch Bodenorganismen beeinflusst wird, die Nährmedien 19,21, Petrischalen 36, Nylonsäcke, die im Boden vergraben sind 14, oder kleine Mengen Gesteinsmehl, das mit anderen Substraten gemischt ist 36,37, verwendet. Die Verwendung solch kleiner Systeme oder Aufbauten macht es schwierig, die Wirkung von Organismen von anderen Variablen zu trennen. In einigen Experimenten wurde ein ähnlicher Aufbau wie der hier vorgeschlagene verwendet, jedoch in kleinerem Maßstab, mit mit Gesteinsmehl gefüllten Säulen, die mit Bodenorganismen beimpft wurden38,39,40. Diese Experimente ließen jedoch entweder gleichzeitig Pflanzen wachsen und konzentrierten sich nicht auf die ausschließliche Wirkung bestimmter Bodenorganismen13,35 oder sammelten das Sickerwasser nicht36. Außerdem haben sich die meisten Studien, die zeigten, dass Bakterien, Pilze und Regenwürmer die Mineralverwitterung verstärken, auf die Wirkung dieser Organismen auf die Nährstofffreisetzung als Hinweis auf die Verwitterung und nicht auf die IC-Sequestrierung konzentriert 11,13,14,19,36,37,38 . Vor allem zielte keine dieser früheren Studien darauf ab, EW zu fördern oder die Möglichkeit aufzuzeigen, abiotische Faktoren während des gesamten Versuchszeitraums anzupassen und aufrechtzuerhalten. In diesem Aufbau werden nicht alle abiotischen Faktoren konstant gehalten, sondern eine Vielzahl von Kombinationen auf vier abiotische Faktoren getestet, wie z. B. Wasserbewässerungsraten und -häufigkeiten, Gesteinspulvertyp und Korngröße, mit dem Ziel, EW durch die Aktivität von Bodenorganismen zu fördern.

Außerdem zeigte keine der bisherigen Studien, die sich auf die Wirkung von abiotischen oder biotischen Faktoren auf EW konzentriert haben, die Möglichkeit, eine extrem große Anzahl von Säulen und Variablen innerhalb eines Versuchslaufs zu haben. In diesem Aufbau ist es möglich, mehrere verschiedene Kombinationen verschiedener Variablen während eines Versuchslaufs zu testen, da die beeindruckende Anzahl von Säulen, für die der Aufbau konzipiert wurde, und gleichzeitig qualitativ hochwertige Ergebnisse liefert. Angesichts der Neuartigkeit des Aufbaus werden im Folgenden einige mögliche Verbesserungen und verbleibende Herausforderungen vorgestellt, die bei der Entwicklung zukünftiger ähnlicher Aufbauten berücksichtigt werden könnten.

Es sollte auf homogene Luftbedingungen in der Inkubationskammer geachtet werden. Die Platzierung des Aufbaus in einer Klimakammer sorgte für eine konstante Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit. Belüftungsbeschränkungen (z. B. Luftströmung) können eine räumliche Variabilität der atmosphärischen Bedingungen erzeugt und somit zu einer unverhältnismäßigen Verdunstung der Kolonnen an bestimmten Stellen geführt haben, was ein häufiges Phänomen bei dieser Art von Aufbau ist35. Um diesen Nachteil zu beheben, wird empfohlen, eine Wasserbilanz für Säulen zu berechnen, die an verschiedenen Stellen in der Kammer platziert sind, wenn Replikation und Randomisierung nicht möglich sind.

Die Säulen sollten nach dem Einsetzen in die Acrylplatte sorgfältig an den Trichtern ausgerichtet werden, um Sickerwasserverlust zu vermeiden. Während des betrachteten Versuchszeitraums traten Sickerwasserverluste von der Unterseite der Kolonnen aufgrund einer falschen Positionierung der Trichter oder aufgrund der Verstopfung der Maschen auf. Zusammen mit der Verdunstung kann dies zum Teil erklären, warum das gesammelte Sickerwasser im Vergleich zu den Erwartungen geringer ausfiel (Abbildung 13). Um diese Verluste zu minimieren, ist darauf zu achten, dass die Trichter optimal unter den Säulen positioniert sind. Die Verwendung breiterer Trichter ist ebenfalls eine praktikable Option. In diesem Fall sollte beim Bau der Acrylplatten auf den Durchmesser der Löcher und den Abstand zwischen den Acrylplatten geachtet werden.

Langsamerer Wasserfluss in Bodensäulenexperimenten, bei denen häufig Wasser angewendet wird, ist ein wiederkehrendes Problem 7,30,40. In den Experimenten, die mit dem vorgestellten Aufbau durchgeführt wurden, wurden zum Teil recht hohe Bewässerungsraten und sehr feine mineralische Korngrößen verwendet, denen zunächst eine Struktur fehlt, wie sie normalerweise in Böden zu beobachten ist. Dies könnte dazu geführt haben, dass die Poren der Netze am Boden der Säulen, die nur feine Mineralien enthalten, während des Versuchs verstopft sind. Daher floss das Wasser nicht schnell genug durch die Säulen, was sowohl zu einer Überflutung der Säulen führte, wodurch die Wasserinfiltration und die Sickerwassersammlung reduziert wurden, als auch zu anoxischen Bedingungen innerhalb der Säulen, die sich auf biogeochemische Prozesse auswirkten. Um dieses Problem zu entschärfen, ist es wichtig, immer einen bestimmten Prozentsatz an groben mit feineren mineralischen Korngrößen zu mischen und 100% sehr feine mineralische Korngrößenmischungen zu vermeiden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Säulen eine bestimmte Anzahl von Benetzungs-/Trocknungszyklen zu ermöglichen, um die Bildung der Bodenstruktur einzuleiten und so die Wasserinfiltration zu verbessern. Außerdem wäre es sinnvoll, vor Beginn des Experiments die grundlegende Bodenwasserdynamik wie gesättigte und ungesättigte Strömung und Wasserretentionskurve in einigen Mesokosmen zu bestimmen, um den Gasfluss, den Mineralsättigungszustand und die Triebkräfte der Organismenaktivität besser zu verstehen.

Der vorgestellte Versuchsaufbau ist komfortabel zu bedienen, bietet eine einfache Installation und kann je nach Forschungsbedarf angepasst werden. Im Rahmen der Mineralverwitterung kann es mit den notwendigen Anpassungen mit einer Gaskammer gekoppelt werden, um nicht nur Kohlenstoff in der festen und wässrigen Phase zu charakterisieren, sondern auch die Dynamik von Kohlenstoff in der Gasphase zu betrachten. Außerdem kann dieser Aufbau verwendet werden, um realistische Wasserinfiltrationsraten mit Trocken-Nass-Sequenzen zu untersuchen, da diese zeitliche Dynamik die Verwitterung stark beeinflussen könnte41. Der Einsatz dieses Aufbaus ist nicht auf Experimente beschränkt, die sich ausschließlich auf Silikatmineralien konzentrieren, sondern kann auch in Säulenexperimenten mit unterschiedlichen Substraten eingesetzt werden. Außerdem kann die Länge der Experimente je nach experimentellen Erfordernissen verkürzt oder verlängert werden, und die Anzahl der Säulen kann geändert werden. Die Möglichkeit, Proben sowohl aus den festen verarbeiteten Materialien als auch aus dem Sickerwasser zu entnehmen, ermöglicht es uns, verschiedene Analysen durchzuführen, um uns auf eine der beiden Komponenten oder beide zu konzentrieren. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist dies der einzige Aufbau, der bisher mit einer außergewöhnlichen Anzahl von Säulen gebaut wurde, der darauf abzielt, Bodenorganismen zu nutzen, um die Mineralverwitterung zu verbessern und gleichzeitig die abiotischen Bedingungen in einem System zu kontrollieren, das ausschließlich aus Silikatmineralien und organischen Materialien besteht.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Wir danken Ton van der Zalm aus Tupola für die Entwicklung des Bewässerungssystems. Außerdem danken wir Jaco Baars von Tupola für das Lachen und die mentale Unterstützung, die wir während des Aufbaus dieses Setups erhalten haben. Wir danken Peter Garamszegi und Ángel Velasco Sánchez für ihre Hilfe bei der manuellen Bewässerung der Säulen, wenn das Bewässerungssystem nicht funktionierte. Wir danken auch Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg und Kangying Xie für die Hilfe während der Probenahme. Wir danken Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen und Gerlinde Vink für die Unterstützung im Labor, die Analysen der Proben und die fruchtbaren Gespräche. Abschließend danken wir Jeroen Zonneveld von Unifarm für die Bereitstellung und Wartung der Klimakammer. Dieser Aufbau wurde im Rahmen des Projekts Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!) aufgebaut, das durch das Rahmenprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union für Forschung und Innovation im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 964545 gefördert wird.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acryl sheet plates WSV kunststoffen BV N/A Used for holding columns, funnels, irrigation tubes and pipes.
Adapter ring Tameson FL2S-FM-B-014G-034G Used ot make the system to connect the PU hose to the tap.
Cable ties Gamma 456196 Used for holding the mesh system.
Citric acid Nortembio (amazon.nl)  B01BDLOGW2 Used for cleaning pipes and funnels.
CytoFLEX flow cytometer  Beckam Coulter CytoFLEX
Dishwasher soap BOOM 77000307.9010 Used for cleaning the jerrycans.
Eight relay expansion module Control by web X-12s Used to control the valves of hte irrigation system. 
End cap Wildkamp 819906 Used to close one end of the main tube of the irrigation system. 
Fridges HorecaGemak DIA-BVL031/6P Used for storing the jerrycans.
Funnels Praxisdienst 135864 Used for directing the leachate from the columns to the jerrycans. 75 mm diamater.
Hand punch Wildkamp 719928 Used to cut holes for small tubes in the main tube of the irrigation tube. 
HDPE Jerrycan 10 L Glas-shop.be 105157 Come with lid. Used to collect the leachate.
HDPE Jerrycan 5 L Glas-shop.be 105156 Come with lid. Used to collect the leachate.
Hexagon nut Fabory 51080.100.001 Used to block acryl sheets on metal screws. 
Label printer Brother PT-H107B  Used for printing labels to stick on acryl sheets.
Ldpe irrigation pipe Wildkamp 15382585 Used to make main tube of the irrigation system.
Luggage scale United Entertainment 8718274546996 Used to weigh jerrycans.
Mesh 10 μm Franz Eckert PES-10/2 Used for the mesh system.
Mesh 20 μm Franz Eckert PES-20/13 Used for the mesh system.
Metal screws Schroeven goothandel.nl 100975401010 Used to install acryl sheets.
Micro hose for drip irrigation Wildkamp 15119128 Used to make small tubes of the irrigation system.
Middle ring self-made with 3D printer self-made with 3D printer Used for holding the columns a few centimeters above the funnels. 
Nosepiece Wildkamp 15045986 Used to connect the solenoid valve to the irrigation pipe. 
Nylon mesh Sefar N/A 1 mm mesh used for the top of the columns to prevent earthworms' escape.
Plastic beads lyondelbasell TRC 352N C12507 Used for the mesh system.
Plug-in fitting with 2 connections Tameson F24V5 Used at the end of the system to end the PU hose. 
Polycarbonate enclosure RS 498-5387 Used to house the electronical compontents of the irrigation system. 
Power cable RS 775-6075 Used to connect the valves. 
pp coupling Wildkamp 719780 Used to make the system to connect the PU hose to the tap. 
Pressure regulator Wildkamp 719943 Used  to make sure all small tubes were releasing same amount of water. 
PTFE tape GAMMA 237001 Used ot wrap the end of hte irrigation pipe.
PU hose Tameson PU-8-1198-50-1 Used to connect all the valves with eath other and to the tap. 
PVC pipes Rubbermagazijn 99001230 Used for connecting the funnels to the jerrycans.
PVC tubes Wildkamp 91700 Used to make the columns. 
Rail power supply RS 145-7873 Used to supply power to the eight relay expansion module. 
Rubber bands PasschierTerpo 8714603820621 Used to hold the mesh for earthworms. 
Solenoid valve Tameson CM-DA014B020E-024DC Used for opening and closing of the waterflow.
Sprinklers self-made with 3D printer self-made with 3D printer Used for evenly distribute the water over the columns. 
Stainless steel plates 24/7 tailor steel N/A Used as a frame for the set-up above the fridge. 
T-piece plug in fitting Tameson F25DT Used to connect the solenoid valve to the PU hose.
TPU 95A material  MakerPoint 1756 Used to print components with 3D printer. 
Washer carriers Fabory 50095.100.001 Used to put below hexagon nut.
Web Enabled Controller Control by web X-400-I(9-28 VDC) Used for allowing online control of the irrigation settings. 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Biochemie Heft 201
Konzeption und Aufbau eines Versuchsaufbaus zur Verbesserung der Mineralverwitterung durch die Aktivität von Bodenorganismen
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