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Biochemistry

토양 유기체의 활동을 통해 광물 풍화를 향상시키기 위한 실험 설정의 설계 및 건설

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

여기에서 우리는 토양 유기체의 활동을 통해 광물 풍화를 향상시키는 동시에 풍화를 자극하는 것으로 알려진 비생물적 변수를 조작하기 위한 실험 설정의 구성 및 운영을 제시합니다. 설정 및 샘플 분석의 기능에서 얻은 대표적인 결과와 개선 사항에 대해 논의합니다.

Abstract

EW(Enhanced Weathering)는 기후 변화 완화에 기여할 수 있는 새로운 이산화탄소(CO2) 제거 기술입니다. 이 기술은 이 과정을 지배하는 비생물적 변수, 특히 광물 입자 크기 및 물에 용해된 산에 대한 노출을 조작하여 토양에서 광물 풍화의 자연적인 과정을 가속화하는 데 의존합니다. EW는 주로 무기 탄소 격리를 강화하여 대기 중CO2 농도를 줄이는 것을 목표로 합니다. 지금까지 EW에 대한 지식은 주로 광물 풍화를 자극하는 것으로 알려진 비생물적 변수에 초점을 맞춘 실험을 통해 얻어져 생물 성분의 잠재적 영향을 무시했습니다. 박테리아, 곰팡이 및 지렁이가 광물 풍화 속도를 높이는 것으로 알려져 있지만 EW의 맥락에서 토양 유기체의 사용은 아직 충분히 연구되지 않았습니다.

이 프로토콜은 비생물적 조건을 동시에 제어하면서 토양 유기체를 통해 광물 풍화 속도를 향상시키기 위해 개발된 실험 설정의 설계 및 구성을 설명합니다. 이 설정은 토양 유기체의 활동을 유지하면서 풍화 속도를 극대화하도록 설계되었습니다. 그것은 암석 분말과 유기 물질로 채워진 많은 수의 기둥으로 구성되어 있으며, 기후 챔버에 위치하고 하향 기류 관개 시스템을 통해 물이 공급됩니다. 침출수를 모으기 위해 제리캔이 들어 있는 냉장고 위에 기둥을 놓습니다. 대표적인 결과는 이 설정이 토양 유기체의 활동을 보장하고 무기 탄소 격리에 미치는 영향을 정량화하는 데 적합하다는 것을 보여줍니다. 침출수 손실을 최소화하고, 기후 챔버를 통해 균일한 환기를 보장하고, 기둥의 범람을 방지하는 것이 과제로 남아 있습니다. 이 설정을 통해 토양 생물군의 활동을 통해 광물 풍화 속도를 높이고 EW의 동인인 생물 및 비생물 요인의 영향을 분리하기 위한 혁신적이고 유망한 접근 방식이 제안됩니다.

Introduction

EW(Enhanced Weathering)는 기후 변화를 완화할 수 있는 상당한 잠재력을 가진 비교적 새롭고 낮은 기술의 이산화탄소 제거(CDR) 기술입니다 1,2,3. 이 기술의 원리는 토양에서 자연 광물 풍화 과정을 가속화하여 이산화탄소(CO2)를 무기 탄소(IC)로 격리하는 데 의존합니다3. 향상된 풍화는 광물 풍화를 지배하는 요인을 인위적으로 최적화하여 IC 격리를 증가시키는 것을 목표로 하며, 이를 통해 풍화가 발생하는 속도를 인간과 관련된 시간 척도로 향상시키는 것을 목표로 합니다3. EW가 가장 효과적이기 위해 빠르게 풍화되는 규산염 광물을 마이크로미터에서 밀리미터 범위의 입자 크기 분포를 가진 분말로 분쇄하여 ~1m2·g-1 범위 3,4의 높은 반응성 표면적에 도달합니다.

지금까지 EW에 대한 지식은 주로 미네랄이 용해되는 속도를 조절하는 비생물적 요인에 초점을 맞춘 실험에 의해 제공되었다5. 여기에는 미네랄 반응성 및 표면적, 온도, 용액 조성, 물 체류 시간 및 산도 4,6,7이 포함되지만 이러한 맥락에서 연구가 수행되어야 합니다. 비생물적 요인의 영향을 받는 것 외에도 자연 시스템, 특히 토양은 미생물에서 지렁이와 같은 대동물군에 이르기까지 수많은 유기체에 의해 형성됩니다. 일부 연구에서는미네랄 용해의 생물 활성이 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는 것으로 나타났음에도 불구하고8,9,10, 다른 연구 에서는 박테리아 11,12, 곰팡이 13,14 및 지렁 이15,16과 같은 토양 유기체가 영향을 미친다는 증거를 제공했습니다 광물 풍화 속도를 증가시킬 수 있습니다. 따라서 생체 성분은 EW5의 실제 IC 격리 가능성을 이해하는 데 핵심이 될 수 있습니다.

토양 유기체가 광물 용해를 가속화할 수 있는 첫 번째 일반적인 메커니즘은 호흡 중CO2 방출을 통해 토양 산성화를 증가시키는 것입니다17. 게다가, 박테리아와 균류는 양성자, 킬레이트, 유기산 및 효소를 방출하여 미네랄 풍화를 증가시킬 수 있으며, 이 모든 것은 미네랄 용해를 촉진합니다 18,19,20,21. 예를 들어, 카르복실기와 하이드록시기를 통한 킬레이트화는 이온 불균형을 일으켜 원소를 광물 표면으로부터 멀리 운반하고 포화 상태를 낮출 수 있다20,22. 이는 2차 광물 형성을 줄이고 EW의 효율을 높일 수 있습니다. 더욱이, 토양 입자를 먹음으로써, 지렁이의 체벽의 강한 작용은 광물 입자를 더 미세한 입자로 분해하여 사용 가능한 반응성 표면적을 증가시킬 수 있습니다23. 지렁이의 내장과 신선한 배설물에 서식하는 미생물은 유기산과 효소를 추가로 방출하는 이러한 작은 입자를 더 공격할 수 있습니다24,25. 지렁이는 굴을 파는 활동을 통해 유기 입자와 광물 입자의 혼합에 기여할 뿐만 아니라 물의 흐름이 포화된 공극 공간을 우회할 수 있는 거대 기공을 생성한다17. 이를 통해 물이 다른 광물 표면과 상호 작용하고 물-암석 접촉률을 향상시킬 수 있습니다.

지금까지는 토양 유기체를 사용하여 EW 속도 및 IC 격리를 연구하는 동시에 물 투입, 온도, 광물 유형 및 광물 입자 크기와 같은 다양한 관련 비생물 조건을 최적화할 수 있는 가능성을 보장하기 위한 설정이 구축되지 않았습니다. 여기에서는 작은 중간우주에서 토양 유기체의 활동을 통해 EW 비율을 높이는 것을 목표로 하는 혁신적인 설정의 건설 단계에 대한 설계 및 설명이 제시됩니다. 실험 설정은 25°C의 기후 챔버(4.54m x 2.72m)에 8주 동안 배치된 203개의 컬럼(길이 15cm, 직경 7cm)으로 구성됩니다. 203개의 기둥은 18개씩 10개 그룹과 10개씩 2개 그룹으로 나뉘어 기후 챔버에 맞습니다. 10개의 컬럼으로 구성된 두 개의 그룹 중 하나는 공백으로 사용되는 세 개의 컬럼을 추가로 삽입할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 각 그룹은 냉장고 위에 배치되고 원격으로 제어 가능한 관개 시스템이 얹혀 있어 냉장고 내부 및 냉장고 사이에 다양한 관개 속도를 허용합니다. 각 컬럼의 침출수는 냉장고의 일정한 온도로 보관된 제리캔에 수집됩니다(그림 1). 하나의 냉장고는 컬럼 그룹의 침출수를 수집하므로 하나의 냉장고를 18개 또는 10개의 컬럼으로 구성된 단일 시스템으로 간주할 수 있습니다. 따라서 이 실험 설정의 컬럼 수는 최대 203개의 컬럼으로 실험 요구 사항에 따라 조정할 수 있습니다.

Figure 1
그림 1: 5개의 컬럼을 보여주지만 18개의 컬럼으로 구성된 시스템을 고려한 셋업의 개략도. 기둥을 고정하는 프레임은 스테인리스 강판, 스테인리스 스틸 나사 및 아크릴 판으로 만들어집니다. 기둥은 프레임의 중앙에 위치하며 관개 시스템으로 덮여 있습니다. 기둥 아래에는 침출수를 모으기 위해 파이프를 통해 깔때기가 제리캔에 연결됩니다. 제리캔은 전체 시스템을 보관하는 냉장고에 있습니다. 냉장고는 뚜껑을 들어 올려 열 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 설정에서 특정 입자 크기의 규산염 암석 분말을 사용하면 높은 풍화 속도에 도달할 수 있으며 특별히 선택된 박테리아, 곰팡이 및 지렁이를 접종하면 이 인공 시스템에서 생물 활성을 얻을 수 있습니다. 이 설정을 통해 용존 및 고체 IC와 총 알칼리도(TA)를 모두 측정하여 고체 및 액체 시료에 격리된 탄소를 동시에 정량화할 수 있습니다. 또한 pH, 전기 전도도(EC) 및 이온과 같은 다른 매개변수는 풍화의 지표로 침출수에서 측정할 수 있습니다. 이 설정을 통해 토양 유기체의 생존 및 활동의 영향을 평가할 수도 있습니다. 대표적인 결과는 풍화 속도의 증가가 비생물적 요인뿐만 아니라 생물적 요인에서도 파생되는 설정을 구축하기 위한 이 프로토콜의 적합성을 입증하는 것으로 나타났습니다.

Protocol

아래에서는 18개의 컬럼 시스템을 고려하여 설정의 여러 부분을 구성하기 위한 자세한 프로토콜이 설명되어 있습니다.

1. 기둥을 고정하는 프레임 구성

  1. 침출수를 모으기 위해 관개 시스템, 기둥, 깔때기 및 파이프를 고정할 아크릴 판을 준비합니다.
    1. 63cm x 67cm 크기의 아크릴판 1-3장과 45cm x 56cm 크기의 아크릴판 1장(아크릴판 4)을 자릅니다.
    2. 각 아크릴 판에 아래 단계의 지침에 따라 18개의 구멍을 자릅니다.
      1. 아크릴 판 1 - 상판 : 직경 0.7cm의 구멍을 잘라 나중에 관개 시스템의 튜브를 삽입합니다.
      2. 아크릴 판 2 - 상판에서 두 번째 : 나중에 기둥을 삽입하기 위해 직경 8cm의 구멍을 자릅니다 (그림 2).
      3. 아크릴 판 3-바닥 판에서 두 번째 : 직경 1.2cm의 구멍을 잘라 나중에 깔때기를 삽입합니다.
      4. 아크릴 판 4 - 바닥판 : 직경 1.2cm의 구멍을 잘라 침출수를 제리 캔으로 가져 오는 플라스틱 파이프를 나중에 삽입합니다.
    3. 또한 모서리마다 직경 1.1cm의 구멍 하나와 아크릴 판 1.1-1의 측면에 직경 3cm의 구멍 하나를 잘라 스테인리스 스틸 나사를 삽입합니다.
    4. 각 아크릴 판에 대해 라벨 프린터를 사용하여 열 번호(1-18)가 있는 플라스틱 라벨을 인쇄하고 해당 구멍 아래에 붙입니다.
      알림: 2개의 열 수에 따라 아크릴 판 4, 18, 18에 라벨을 붙이면 설치 중에 설정의 다른 부분을 해당 위치에 배치하는 데 도움이 됩니다.
  2. 스테인리스 강판과 나사를 사용하여 아크릴판을 고정합니다.
    1. 그림 3에 표시된 디자인에 따라 크기가 63.6cm x 67.3cm x 4cm이고 두께가 1.5mm인 맞춤형 스테인리스 강판을 예로 들어 보겠습니다.
    2. 각 스테인리스 강판의 모든 모서리와 측면에 직경 1.1cm의 구멍을 뚫습니다.
    3. 스테인리스 스틸 나사(길이 50cm)를 사용합니다.
    4. 스테인리스 스틸 나사에 아크릴판 1(관개관), 2(기둥), 3(깔때기)의 순서에 따라 아크릴판을 위에서 아래로 삽입합니다. 각 모서리에 두 개의 육각 너트와 두 개의 와셔 캐리어를 사용하여 아크릴 판을 제자리에 고정합니다.
      알림: 나중에 다른 구성 요소를 삽입할 수 있도록 각 아크릴판 사이에 충분한 거리를 유지하십시오. 아크릴판 1에서 아크릴판 2까지 ~19.5cm, 아크릴판 10.5에서 아크릴판 2까지 ~3cm, 아크릴판 16.5에서 아크릴판 4까지 ~4cm의 거리를 유지하십시오.
    5. 각 모서리에 두 개의 육각 너트와 두 개의 와셔 캐리어를 사용하여 스테인리스 스틸 나사에 상단 및 하단 스테인리스 강판을 설치합니다.
    6. 냉장고 시스템 구성이 완료된 후 전체 시스템을 냉장고 위에 놓습니다.

Figure 2
그림 2: 기둥이 배치된 아크릴 판 2 설계의 개략도. 번호가 매겨진 레이블은 해당 열을 배치해야 하는 위치를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 스테인리스 강판의 설계. (A,B) 상판. (씨,디) 바닥판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 침출수 수집을 위한 냉장고 시스템 구축

  1. 제리캔을 놓을 냉장고를 설정합니다.
    1. 냉장고에서 양쪽 뚜껑을 제거하고 뒷뚜껑을 아크릴판으로 교체합니다 4.
      알림: 이 아크릴 판은 한 번 설치되면 제거해서는 안 됩니다. 냉장고 내부에서 작업하려면 앞 뚜껑을 들어 올려 제거하세요.
    2. 냉장고를 기후 챔버에 놓고 플러그를 꽂습니다.
    3. 냉장고 온도를 4 °C로 설정하고 냉장고 내부에 데이터 로거를 놓습니다.
    4. 앞 뚜껑으로 냉장고를 닫습니다.
    5. 밤새 데이터 로거에 의해 기록된 데이터를 모니터링합니다. 온도가 원하는 값에서 벗어나면 냉장고 바닥의 격자를 제거하고 온도를 조절하세요. 원하는 온도에 도달할 때까지 이 절차를 반복합니다.
  2. 폴리염화비닐(PVC) 파이프를 사용하여 깔때기를 제리캔에 연결합니다.
    1. 18개의 PVC 파이프(내경 0.8cm)를 적절한 길이로 잘라 각각의 번호에 따라 다른 깔때기에서 각 제리캔에 도달합니다.
      알림: 길이는 가장 짧은 튜브의 경우 최소 38cm에서 가장 긴 튜브의 경우 최대 81cm까지 다양합니다.
    2. 처음 사용하기 전에 파이프를 반수로 헹굽니다. 다른 경우에는 탄산염 침전물을 제거하기 위해 구연산 제품 30g을 희석한 물 50L에 4일 동안 담그십시오. 그런 다음 반수로 파이프를 다시 헹굽니다.
      주의 : 구연산 제품이 사용하기에 안전하더라도 적절한 보호 조치를 사용하여 눈과의 접촉 및 피부와의 장기간 접촉을 피하십시오.
      알림: 초순수를 사용할 수 있는 경우 반수 대신 사용하는 것이 좋습니다.
    3. 파이프를 24시간 동안 자연 건조시킵니다.
    4. 각각의 번호에 따라 아크릴 판 4에 파이프를 삽입하십시오.
  3. 침출수를 제리캔으로 향하게 하기 위해 깔때기를 설치하십시오.
    1. 처음 사용하기 전에 18개의 깔때기를 에탄올로 닦으십시오. 다른 경우에는 PVC 파이프에 대해 명시된 것과 동일한 절차를 따르십시오.
      주의 : 에탄올은 인화성이며 눈, 피부 및 호흡기 자극, 현기증 및 얕은 호흡을 유발할 수 있습니다. 에탄올은 섭취, 흡입 또는 피부 흡수에 의해 해롭습니다.
    2. 깔때기를 아크릴 판 3에 삽입하고 번호에 따라 각 파이프에 연결합니다.
  4. 침출수를 모으기 위해 제리캔을 설치하십시오.
    1. 10L 용량의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 제리캔 10개와 용량이 5L인 HDPE 제리캔 8개를 가져옵니다.
      알림: 5L의 제리캔은 낮은 관개 속도에 사용되는 반면 10L의 제리캔은 높은 관개 속도에 사용됩니다( 표 1 참조). HDPE의 제리칸은 이 물질이 화학적으로 불활성이기 때문에 선택됩니다.
    2. 식기세척기 비누 50mL를 수돗물 10리터에 희석합니다. 이 용액으로 제리캔을 한 번, 수돗물로 한 번, 데미수로 한 번 헹굽니다. 다른 사용 전에 이 청소 절차를 반복하십시오.
      알림: 초순수를 사용할 수 있는 경우 반수 대신 사용하는 것이 좋습니다.
    3. 제리캔을 24시간 동안 자연 건조시킵니다.
    4. 직경 1.2cm의 각 제리캔 뚜껑에 구멍을 뚫어 플라스틱 튜브를 삽입하여 침출수를 수집합니다.
    5. 각각의 뚜껑으로 제리캔을 닫습니다.
    6. 냉장고에 있는 제리캔을 그림 4 에 표시된 구성표에 따라 두 층으로 나누면서 동시에 튜브를 제리캔에 연결합니다.

Figure 4
그림 4: 냉장고 내부의 제리캔을 바닥(왼쪽)과 상단(오른쪽)의 두 층으로 쌓은 개략도. 검은색 원은 뚜껑의 방향을 나타내고 파란색과 녹색 직사각형은 각각 10L 및 5L 제리캔을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 기둥 및 메쉬 시스템 구성

  1. PVC 기둥을 중간우주로 사용하여 암석 분말 및 토양 유기체를 배양합니다.
    1. PVC 튜브를 15cm 길이의 18개 기둥으로 자릅니다.
    2. 처음 사용하는 경우 절차 1 다음에 따라 열을 정리하고 다른 경우에는 절차 2를 청소합니다.
      1. 절차 1:
        1. 기둥을 반수에 48시간 동안 담그십시오.
          알림: 초순수를 사용할 수 있는 경우 반수 대신 사용하는 것이 좋습니다.
        2. 데미 워터로 컬럼을 헹굽니다. 컬럼을 말리고 에탄올로 닦습니다.
        3. 라벨을 사용하거나 튜브의 마커를 사용하여 직접 열에 번호를 매깁니다.
      2. 절차 2:
        1. 컬럼을 1일 동안 물에 담그십시오.
        2. 브러시를 사용하여 실험 잔여물을 문지릅니다.
        3. 컬럼을 말리고 에탄올로 닦습니다.
  2. 중간 링을 사용하여 깔때기 위의 기둥을 고정합니다.
    1. 3D 프린터로 반지 (직경 8.5cm, 두께 0.5cm)를 디자인하십시오. 기둥의 안정성을 높이기 위해 아크릴 판 2의 구멍에 맞는 다른 링을 바닥에 그려야 합니다(그림 5).
    2. 열가소성 폴리우레탄(TPU) 95A 소재를 사용하여 3D 프린터로 18개의 링을 인쇄합니다.
    3. 깔때기에서 2-3cm 위의 기둥을 유지하는 위치에 기둥에 링을 놓습니다.
  3. 컬럼 하단의 메쉬 시스템을 사용하여 침출수를 여과하고 입자 손실을 최소화합니다.
    1. 메쉬(10μm 및 20μm 기공 크기)를 12cm x 12cm의 정사각형으로 자릅니다.
    2. 메쉬를 초순수에 2일 동안 담그십시오. 메쉬를 자연 건조시키십시오.
    3. 컬럼 하단에 20μm의 첫 번째 메쉬를 놓습니다. 20μm 메쉬 위에 1cm 두께의 플라스틱 구슬을 놓습니다.
    4. 10μm의 두 번째 메쉬를 20μm 메쉬와 플라스틱 비드 층 위에 놓습니다.
    5. 메시 시스템을 제자리에 고정하기 위해 두 개의 케이블 타이를 배치합니다. 케이블 타이를 조이고 가장자리를 자릅니다.
      알림: 그림 6 은 메쉬 시스템을 컬럼 하단에서 조립하는 방법을 보여줍니다.
  4. 지렁이가 도망가지 않도록 상단 메쉬를 사용하십시오.
    1. 1mm 기공 크기의 메쉬를 12cm x 12cm의 정사각형으로 자릅니다.
    2. 기둥이 암석 가루로 채워지고 지렁이가 유입되면(섹션 7) 메쉬를 기둥 위에 놓습니다.
      알림: 이 메쉬는 지렁이가 기둥을 탈출하는 것을 방지하기 위해 기둥 위에 배치해야 합니다. 지렁이가 도입되지 않은 경우에도 이 메쉬를 사용하여 모든 기둥에 대해 동일한 조건을 유지하는 것이 좋습니다.
    3. 메쉬 주위에 고무 밴드를 놓아 제자리에 고정합니다.

Figure 5
그림 5: 3D 프린터의 기둥을 고정하는 링 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 기둥 하단의 메시 시스템 구성 방식. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

4. 관개 시스템 건설

  1. 기둥에 물을 고르게 퍼뜨리는 스프링클러를 설계하고 만듭니다.
    1. 3D 프린터를 사용하여 그림 7에 표시된 모델 및 상대 치수에 따라 스프링클러를 설계합니다.
    2. TPU 95A 소재를 사용하여 3D 프린터로 스프링클러 18개를 프린트합니다.
      알림: 인쇄 후 스프링클러가 파손되지 않도록 PE 마이크로 호스에 삽입하기 전에 스프링클러를 최소 24시간 동안 건조시키십시오.
  2. 관개 시스템 설치 : 밸브 및 튜브.
    1. 두 개의 솔레노이드 밸브 전면에 두 개의 노즈 피스를 조이고 솔레노이드 밸브 후면에 두 개의 T-피스 플러그인 피팅을 조입니다.
      알림: 물 호스가 이 시스템으로 끝나고 다른 시스템으로 계속되지 않도록 하려면 냉장고 끝을 향해 배치될 밸브 뒷면에 T-피스 플러그인 피팅 대신 두 개의 연결부가 있는 플러그인 피팅을 나사로 고정하십시오. 이런 식으로 물 연결은 여기에서 끝납니다.
    2. 상단 스테인리스 강판의 한쪽에 두 개의 솔레노이드 밸브를 설치합니다.
      알림: 하나의 밸브는 하나의 관개 튜브를 제어하여 총 18개 컬럼 중 8개 또는 10개 컬럼을 관개합니다.
    3. 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 관개 파이프를 53cm의 두 개의 튜브로 자릅니다.
    4. 엔드 캡으로 각 튜브의 한쪽을 닫습니다.
    5. 튜브의 다른 쪽 끝을 폴리테트라플루오로에틸렌(PFTE) 테이프로 감싸고 솔레노이드 밸브에 연결합니다.
    6. 냉장고 전면에 가까운 첫 번째 관개 튜브에 8개의 구멍을 만들고 냉장고 전면에서 더 먼 두 번째 관개 튜브에 10개의 구멍을 만듭니다.
      알림: 압력 조절기의 올바른 위치와 기능에 필요하므로 핸드 펀치를 사용하여 구멍을 만드는 것이 매우 중요합니다. 다른 도구를 드릴로 사용하는 것은 권장되지 않습니다.
    7. 압력 조절기를 두 튜브의 구멍에 삽입합니다.
    8. 폴리에틸렌 (PE) 마이크로 호스를 길이가 20cm 인 18 개의 작은 튜브로 잘라 관개 파이프의 기둥에 도달하고 압력 조절기에 부착합니다.
    9. 작은 튜브를 아크릴 판 1의 구멍에 삽입합니다.
    10. 스프링클러를 기둥 표면에 수평으로 작은 튜브에 삽입합니다.
      알림: 관개 시스템에 문제가 발생하는 경우(예: 물 흐름의 막힘 또는 제어할 수 없는 물 흐름) (a) 밸브의 오작동, (b) 튜브에 남아 있는 입자; (c) PFTE 테이프가 튜브 끝에 제대로 감겨 있지 않습니다. 지점 a의 경우 밸브를 교체하십시오. b 및 c 지점의 경우 컬럼 급수를 시작하기 전에 튜브를 청소하고 PFTE 테이프의 잔여물이 튜브에 각각 매달려 있지 않은지 확인하십시오. 밸브가 제대로 작동하지 못하게 할 수 있는 입자의 이동을 피하는 것이 중요합니다.
  3. 물 수송을 위한 연결을 설정합니다.
    1. 폴리 우레탄 (PU) 호스를 물 연결을 위해 세 개의 다른 호스로 자릅니다. 호스의 정확한 길이는 시스템과 챔버의 설계에 따라 다릅니다. 첫 번째 호스를 사용하여 첫 번째 밸브의 T-피스를 탭에 연결하고, 두 번째 호스를 사용하여 각 밸브의 T-피스를 연결하고, 세 번째 호스를 사용하여 두 번째 밸브의 T-피스를 다음 시스템에 연결합니다.
      알림: 다음 시스템에 연결할 필요가 없는 경우 세 번째 호스를 절단할 필요가 없습니다.
    2. PU 호스를 솔레노이드 밸브 뒷면의 T-피스 플러그인 피팅에 연결합니다.
    3. 어댑터 링에 두 개의 연결부가 있는 플러그인 피팅을 나사로 조여 첫 번째 밸브의 PU 호스를 탭과 연결합니다.
    4. 수도꼭지를 열어 물이 튜브로 흘러 들어가도록 합니다.
  4. 제어 시스템을 설치하고 관개 시스템에 대한 연결을 설정합니다.
    1. 웹 지원 컨트롤러, 8릴레이 확장 모듈 및 레일 전원 공급 장치를 연결합니다. 제조업체에서 제공한 지침에 따라 폴리카보네이트 인클로저에 넣습니다.
      알림: 하나의 모듈형 컨트롤러는 하나의 장치에 해당하며, 이 장치는 차례로 8개의 릴레이를 제어합니다. 하나의 릴레이는 하나의 특정 밸브의 개폐를 제어합니다.
    2. 전기 케이블을 사용하여 두 개의 밸브를 서로 연결하고 각 밸브에 전원 케이블을 연결합니다.
    3. 전원 케이블의 다른 쪽 끝을 웹 지원 컨트롤러에 연결합니다.
    4. 모든 것을 전기 플러그에 연결하고 웹 지원 컨트롤러를 위해 인터넷에 연결합니다.
  5. 관개 설정의 온라인 제어를 설정하여 관개 속도를 설정합니다.
    1. 구성 및 설정에 대해 제조업체에서 제공한 지침을 따르십시오. 프로그래밍 및 테스트의 경우 웹 브라우저를 사용합니다.
    2. http://10.73.10.250/setup.html 로 이동합니다.
    3. 사용자 이름과 비밀번호를 사용하여 로그인합니다.
    4. 왼쪽 메뉴에서 Control/Logic 으로 이동한 다음 Tasks/Functions로 이동합니다.
    5. 하나의 릴레이는 하나의 밸브의 개폐를 제어합니다. 각 릴레이에는 두 가지 작업이 있는데, 하나는 릴레이를 켜고(밸브 열림) 다른 하나는 릴레이를 끕니다(밸브 닫힘). 각 작업의 설정을 변경하려면 편집을 클릭합니다.
      1. 릴레이 작업을 설정해야 하는 경우 시작 날짜 및 시작 시간을 클릭하여 릴레이가 작동을 시작해야 하는 날짜와 시간을 설정합니다(예: 2022년 5월 4일 7:45:00, 그림 8 참조). 급수 빈도를 설정하려면 Set Repeat(반복 설정 ) 및 Repeat Every(반복 간격)를 클릭합니다(예: 하루에 한 번 급수 빈도의 경우 매일, 그림 8 참조). 릴레이가 작동을 멈추는 날짜를 설정하려면 반복 종료 날짜(예: 2022년 5 월 20일 23:59:59, 그림 8 참조)를 클릭합니다.
      2. 릴레이에 대한 작업을 시작할 때 릴레이가 작동을 중지해야 하는 시간을 설정합니다. 이것은 필요한 물 관개 속도와 급수 빈도에 따라 다릅니다(예: 매일 반복을 위해 시간을 7:46:30으로 설정). 이것은 릴레이가 하루에 한 번 급수 빈도로 1mL·day-30 의 물의 양에 대해 50분 1초 동안 작동한다는 것을 의미합니다( 표 1 참조). 시작 및 종료 날짜는 릴레이를 켜는 작업 및 급수 빈도와 동일합니다.
    6. 각 릴레이의 설정이 완료되면 변경 사항 저장을 클릭하는 것을 잊지 마십시오.
      알림: 시스템 과부하를 방지하기 위해 모든 릴레이가 동시에 작동해야 하는 것은 아닙니다. 서로 다른 릴레이의 작업 사이에 항상 최소 30초를 남겨 두십시오(예: 장치 1의 릴레이 1은 07:46:30에 작업을 종료하고 장치 2의 릴레이 1은 07:47:00에 작업을 시작함).
    7. 각 릴레이의 설정이 시작 날짜와 종료 날짜가 동일한지 확인하십시오. 표 1 은 서로 다른 급수 빈도에서 서로 다른 물 관개 속도에 필요한 시간의 예를 보여줍니다.
      알림: 관개 시스템은 나열된 것 외에 더 많은 물 관개 속도와 급수 빈도를 허용하지만 다양한 양의 물에 대해 밸브가 열려 있어야 하는 시간에 대해 테스트해야 합니다. 표 1에 나열된 관개 속도의 경우 수압과 시스템 설계에 따라 변경될 수 있으므로 이것이 유효한지 첫 번째 테스트로 확인하는 것이 좋습니다.

Figure 7
그림 7: 상대적 치수의 관개 시스템용 스프링클러 모델 . (A) 스프링클러의 평면도. (B) 스프링클러의 측면 모습. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 8
그림 8: Examp릴레이를 켜기 위한 관개 시스템의 설정 표시. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

물 관수 비율(mL·day-1) 급수 빈도 (횟수 ·일-1) 릴레이가 작동하는 시간
    
50		 1 95
2 50
5 23
    
100		 1 190
2 100
5 45
    
150		 1 280
2 140
5 55

표 1: 다양한 급수 빈도에서 다양한 물 관개 속도를 허용하기 위해 밸브를 여는 데 필요한 시간 표시.

5. 암석 분말, 유기 물질 및 토양 생물군 선택

참고: 이 실험에서는 암석 분말, 유기 물질 및 토양 유기체를 가용성, 지역 발생 및 문헌 검토를 기반으로 선택합니다. 또한 미생물은 생물학적 제제에 대한 기술 규칙(TRBA)26,27,28의 분류에 의해 결정된 비병원성을 기준으로 선택됩니다. 정확한 연구 질문에 따라 이러한 요소가 조정될 수 있습니다.

  1. 실험을 위해 암석 분말을 선택합니다.
    참고: 이 실험을 위해 선택된 암석 분말은 두나이트 및 디아베이스와 같은 다양한 광물학적 조성의 초고철질 및 고철질 암석입니다. 각 암석에는 미세한 입자(마이크로미터 범위)와 거친 입자(밀리미터 범위)의 두 가지 주요 입자 크기가 있습니다.
  2. 실험에 사용할 유기 재료를 선택합니다.
    참고: 토양 생물군의 먹이 공급원으로 이 실험을 위해 선택된 유기 물질은 밀짚과 분뇨 및 동물 사료 잔류물에서 소화됩니다.
  3. 실험할 박테리아를 선택합니다.
    참고: 이 실험을 위해 선택된 박테리아는 Bacillus subtilis 및 Cupriavidus metallidurans입니다. 박테리아는 라이프니츠 연구소 DSMZ(독일)에서 공급됩니다.
    1. 박토 펩톤(10g· L-1), 고기 추출물 (3g· L-1), 염화나트륨(10g· L-1)을 공급업체의 지침에 따라 초순수(18.2mΩ)에 용해시킵니다.
    2. 이전 배양액을 접종하기 전에 121°C에서 20분 동안 모든 배양 배지를 고압멸균합니다(부피 = 새 배양물의 1%).
    3. 혈구분석기를 사용한 세포 계수를 통해 세포 밀도를 측정하고 유세포 분석을 통해 세포 계수를 확인합니다.
      참고: 이 연구는 10μL/min의 유속으로 보라색(405nm) 및 청색(488nm) 레이저가 장착된 유세포 분석기를 사용하고 FL1 채널(EX 488, EM 525/40)에서 검출했습니다.
  4. 실험할 곰팡이를 선택합니다.
    참고: 이 실험을 위해 선택된 균류는 Knufia petricola, Suillus variegatus 및 Aerobasidium pullulans입니다. 곰팡이는 Leibniz Institute DSMZ(독일)에서 공급되며, K. petricola는 Westerdijk Institute(네덜란드)에서 공급됩니다.
    1. 맥아 추출물 (20g· L-1), D-(+)-포도당(20g· L-1), 카제인 가수분해물(3g· L-1)을 공급업체의 지침에 따라 초순수(18.2mΩ)에 용해시킵니다.
    2. 이전 배양액을 접종하기 전에 121°C에서 20분 동안 모든 배양 배지를 고압멸균합니다(부피 = 새 배양물의 1%). 혈구계를 이용한 세포 계수를 통해 세포 밀도를 측정합니다.
  5. 실험할 지렁이를 선택합니다.
    참고: 이 실험을 위해 선택된 지렁이는 내생 종인 Aporrectodea caliginosa 와 Allolobophora chlorotica입니다. 지렁이는 실험 전에 네덜란드의 Wageningen University & Research 근처 De Blauwe Bergen 공원(51°58'51.8"N 5°39'38.0"E)에서 수집되었습니다.

6. 열 채우기

  1. 먼저 각 물질을 105°C에서 건조시켜 암석 분말 및 유기 물질의 수분 보유 용량(WHC)을 측정합니다. 그런 다음 마른 재료를 그릇에 넣고 무게를 기록하십시오. 재료가 충분히 젖을 때까지 물을 조금씩 추가하고 최종 무게를 기록하십시오. 그런 다음 WHC는 방정식 1에 의해 주어집니다.
    Equation 1 (1)
  2. 6mm 그라인더를 통해 빨대를 갈아줍니다.
  3. 미네랄과 유기 물질을 40°C에서 2일 연속 오븐 건조합니다.
  4. 그릇에 미네랄 400g과 유기 물질 10g을 담습니다.
    참고: 실험 요구 사항에 따라 양을 조정할 수 있지만 재료 혼합물은 컬럼 내부에 맞아야 합니다.
  5. 미네랄 유형, 미네랄 입자 크기 및 존재하는 유기 공급원에 따라 WHC를 80%로 조정합니다.
  6. 금속 숟가락으로 모든 것을 조심스럽게 섞습니다.
  7. 혼합물로 열을 채우십시오.
  8. 채워진 컬럼을 그림 2와 같이 해당 위치의 기후 챔버에 놓습니다. 컬럼을 기후 챔버에 즉시 배치할 수 없는 경우 15°C에서 보관하고 플라스틱 시트로 덮어 수분 손실을 방지하고 초기 조건의 변화를 제한합니다.
    알림: 기둥의 바닥을 잡고 내용물이 손실되지 않도록 아크릴판에 조심스럽게 삽입하십시오. 그림 9 는 열을 채우기 위해 따라야 하는 단계를 개략적으로 보여 줍니다.

Figure 9
그림 9: 열을 채우기 위한 다양한 단계에 대한 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

7. 토양 생물군 접종

  1. 박테리아와 곰팡이는 컬럼을 채우는 동안(방법 1) 또는 지렁이 첨가 직전(방법 2)의 두 순간에 접종합니다.
    1. 방법 1
      1. 원하는 접종 밀도(박테리아의 경우 컬럼당 1.5 x 109 및 4.8 x 10 10 세포 사이의 세포 밀도 범위, 곰팡이의 경우 컬럼당 5.5 x 107 및 5.5 x10 8 세포 사이)에 따라 피펫을 사용하여 처리에 따라 물을 첨가한 후 미네랄과 유기 물질의 혼합물에 다양한 미생물 종을 접종합니다.
        알림: WHC의 80%에 도달하기 위해 추가된 물의 총량에서 접종을 통해 추가되는 양(밀리리터)을 빼는 방식으로 추가된 물을 적절하게 조정해야 합니다.
      2. 금속 숟가락으로 모든 것을 조심스럽게 섞습니다.
      3. 혼합물로 열을 채우십시오.
      4. 연속적으로 사용하기 위해 재료를 에탄올과 혼합하는 데 사용되는 그릇과 숟가락을 닦습니다.
      5. 상단 메쉬로 기둥을 덮습니다.
    2. 방법 2 :
      1. 원하는 접종 밀도에 따라 피펫을 사용하여 처리에 따라 컬럼 표면에 다양한 미생물 종을 접종합니다.
      2. 상단 메쉬로 기둥을 덮습니다.
  2. 원하는 밀도(기둥당 4, 8 또는 10마리)에 따라 기둥 표면에 지렁이를 부드럽게 증착하여 처리에 따라 기둥에 지렁이를 도입합니다. 그런 다음 상단 메쉬로 기둥을 덮습니다.
    알림: 미생물과 지렁이 모두 시스템에 적응할 수 있도록 물을 주기 1일 전에 접종해야 합니다. 접종 밀도는 실험 요구에 따라 변경될 수 있습니다. 이것은 멸균 환경이 아니며 공기, 물 또는 투입 물질에 의해 운반되는 미생물로 인해 잠재적으로 오염될 수 있습니다. 환기로 인한 박테리아 오염을 방지하려면 컬럼 상단에 0.2μm 필터를 추가합니다.

8. 시료 채취 및 분석

  1. 실험 기간이 끝날 때 챔버에서 컬럼을 제거합니다.
    1. 지렁이를 채집하고 계수하여 생존율을 결정하고 활동을 평가합니다.
    2. 암석 분말과 유기 물질의 혼합물을 균질화하고 미생물 분석을 위해 하위 샘플을 채취하여 관심 미생물의 존재와 활성을 추가로 특성화합니다.
    3. 고체 무기 탄소(SIC)에 대한 후속 고체상 분석을 위해 컬럼의 함량을 40°C에서 5-7일 동안 건조시킵니다.
  2. 제리캔의 무게를 측정하여 최종 침출수 부피를 측정하고 TA, 용존 무기 탄소(DIC), pH, EC 및 이온과 같은 추가 분석을 위해 침출수 샘플을 수집합니다.
  3. 실험 종점은 토양 유기체가 이 시스템에서 풍화 속도를 향상시킬 수 있는지 여부를 결정하고 고려된 변수의 최적 조합을 찾는 것이며, 이는 가장 높은 탄소 격리 잠재력으로 이어집니다. 다양한 조합에 따라 분석된 매개변수에 대한 결과를 비교하여 이를 결정합니다.
    참고: 샘플링 전략 및 추가 분석은 실험 설정 및 연구 요구 사항에 따라 조정할 수 있습니다.

Representative Results

제시된 설정은 25°C의 기후 챔버에 위치한 총 203개의 컬럼으로 구성되었습니다(그림 10). 기후 챔버에 설치 장치를 배치하는 선택은 일정한 온도와 상대 습도를 제어할 수 있도록 했습니다. 제리캔을 4°C의 냉장고에 넣으면 침출수의 구성이 미생물 활동으로 인해 시간이 지남에 따라 변하지 않도록 할 수 있습니다.

Figure 10
그림 10: 기후 챔버의 실험 설정 사진. (A) 단일 시스템의 개요. (B) 단일 열의 클로즈업. (C) 냉장고에 있는 제리캔 클로즈업. (D) 이상view 온도 조절실의 모든 시스템. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

고급 자동 관개 시스템을 사용한다는 것은 온라인 제어 시스템을 사용하여 다양한 속도와 빈도로 컬럼에 물을 줄 수 있다는 것을 의미했습니다(그림 11). 관개 시스템은 기둥이받는 물의 양을 수정할 수있었습니다. 시스템을 검증한 결과 서로 다른 컬럼 간에 제공되는 물의 양에 최소 1%에서 최대 6%의 차이가 발생하는 것으로 나타났습니다(그림 12). 관개 속도가 낮을수록 더 작은 차이가 발견되었지만 관개 속도가 높을수록 더 큰 차이가 발견되었습니다. 전반적으로, 평균은 50mL·day-1 및 150mL·day-1의 관개 속도에서 더 낮았고, 100mL·day-1의 관개 속도에서 더 높았습니다(그림 12).

Figure 11
그림 11: 평균 물의 양 대 시간. 8개 컬럼에 대해 1일 1회, 1일 2회, 1일 5회의 3회 관개 빈도에 따라 24시간 동안 분포된 50mL·day-1 의 관개 속도에 대해 측정된 평균 물의 양. 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 12
그림 12: 평균 물의 양 대 관개 속도. 8개 컬럼에 걸쳐 50mL·day-1의 관개 속도에 대해 측정된 평균 물의 양과 10개 컬럼에 걸쳐 100mL·day-1 및 150mL·day-1의 관개 속도에 대해 측정된 평균 수량. 막대는 표준 오차를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 설정의 구조와 설계는 (처리된) 암석 분말과 유기 물질로 구성된 컬럼 내부의 고형분 함량과 전체 실험 기간 동안 컬럼에서 떨어지는 침출수의 총량을 모두 수집할 수 있도록 했습니다(그림 13). 침출수 수집에 성공했음에도 불구하고 수집된 최종 침출수의 양은 관개 속도에 따라 실험 종료 시 수집될 것으로 예상되는 침출수의 양보다 적었습니다(그림 14). 감소된 수집된 침출수는 직접 증발과 컬럼 바닥의 침출수 유출의 결과일 가능성이 큽니다. 분석 결과를 분석할 때 이 점을 고려해야 합니다.

Figure 13
그림 13: 기둥과 침출수의 대표 이미지. 실험 시작 시 암석 분말과 유기 물질로 채워진 기둥(왼쪽)과 실험 종료 시 제리캔에 수집된 침출수(오른쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 14
그림 14: 관개 속도당 실험 종료 시 수집된 총 리터. 점선은 실험 기간별 관개 속도에 따라 수집되는 예상 침출수의 양을 나타내며, 50mL·day-1은 하늘색 선, 100mL·day-1은 진한 파란색 선, 150mL·day-1은 녹색 선으로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

암석 분말과 유기 물질의 혼합물을 분석하여 박테리아와 곰팡이의 미생물 군집 구성, 지렁이의 생존 및 활동 측면에서 토양 생물군의 성공률을 평가했습니다(그림 15).

Figure 15
그림 15: 지렁이의 곰팡이 성장과 생존. 실험이 끝나고 표본을 채취하기 전, 암석 가루와 유기 물질로 채워진 기둥에서 곰팡이 성장(왼쪽)과 지렁이의 생존(오른쪽)의 시각적 징후. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

다른 파라미터 외에도 TA와 IC는 광물 풍화율 4,29,30,31에 대한 좋은 프록시이기 때문에 침출수는 TA 및 DIC에 대해 분석되었습니다. TA는 Metrohm Titrando29,30으로 측정한 반면, DIC는 Skalar 총 유기탄소(TOC) 분석기로 측정했습니다. TOC 분석기를 사용하여 총 용존 탄소(DC)와 용존 유기 탄소(DOC)의 차이에서 DIC를 계산합니다. 그림 16과 그림 17은 한 번의 실험 실행에 대해 이러한 분석에서 얻은 몇 가지 예제 값에 대한 누적 분포를 보여줍니다. 이 실험 설정을 사용하여 TA에 대한 값은 0.019 mol에서 0.025 mol 사이인 반면 DIC에 대한 값은 7.352 mg C에서 259.279 mg C 범위였습니다(그림 16 및 그림 17).

Figure 16
그림 16: 실험 기간이 끝날 때 수집된 침출수에서 TA에 대해 측정된 예제 값의 확률 분포. 기둥이 범람한 처리는 표시되지 않습니다. 값은 mol로 표시되며 실험이 끝날 때 수집된 침출수의 총량에 대해 보정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 17
그림 17: 실험 기간이 끝날 때 수집된 침출수에서 DIC에 대해 측정된 예제 값의 확률 분포. 기둥이 범람한 처리는 표시되지 않습니다. 값은 mg 탄소(C)로 표시되며 실험 종료 시 수집된 침출수의 총량에 대해 보정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

현재 연구 맥락에서 이 설정은 토양 생물군의 활동을 통해 광물 풍화를 강화하는 동시에 풍화를 자극하는 것으로 알려진 비생물적 요인을 조작하여 무기 탄소 격리를 최적화하도록 고유하게 설계되었습니다. 이 설정에서 고체 처리된 물질과 침출수를 모두 수집할 수 있는 가능성은 두 분획의 완전한 특성화를 가능하게 합니다. 엄청난 양의 컬럼에도 불구하고 샘플 수집과 수행된 분석은 고품질 데이터 수집을 보장합니다. 또한 단일 실험 실행에서 많은 수의 조합을 갖는 것은 기계 학습과 같은 현대적이고 고급 통계 방법으로 수집된 데이터를 분석하는 데 매우 중요합니다. 이러한 방법은 높은 내후성과 추가 탄소 격리로 이어지는 주요 변수를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 결과적으로, 이 설정은 토양 유기체가 EW 및 IC 격리에 미칠 수 있는 영향에 대한 이해를 높일 수 있는 기회를 제공합니다. 이는 EW의 경계와 대기 중CO2 농도를 줄이는 데 있어 EW의 효율성에 대한 보다 현실적인 제약을 설정하는 데 필수적입니다. 이 설정은 EW와 토양 유기체의 영향을 조사한 기존 연구와 비교하여 몇 가지 독창성을 제시합니다.

EW에 대한 비생물적 요인의 영향에 관해서는 이미 선행 연구 4,29,30,31,32,33,34에서 조사되었습니다. 이러한 연구들 중 일부는 암석의 양, 유형 및 입자 크기를 상이하게 비교했지만, 그 설정은 냄비 실험(pot experiment)32,33 또는 암석 가루와 토양(34)을 혼합하는 것으로 구성되었다. 다른 실험들은 서로 다른 관개 속도를 갖는 한 가지 암석 유형에 초점을 맞추었지만 자동화 시스템으로 자주 관개할 가능성이 없었거나 여러 관개 속도 및 빈도에 초점을 맞추었다35. 다른 연구에서는 다양한 암석 입자 크기 및 유형 29,30 외에도 관개 속도를 조정하고 온도를 일정하게 유지할 수 있는 가능성과 함께 현재 프로토콜에 제시된 것과 유사한 설정을 제시했습니다29,30. 더욱이, 이러한 설비의 설계는 본 원고에서 제안된 것과 유사하며, 추가 분석을 위해 침출수를 수집하도록 설계되었다29,30. 또한, CO2 농도는 풍화를 향상시키는 또 다른 요인으로 이러한 연구에서 다양했다29. 그러나 이러한 이전 연구 중 어느 것도 EW를 촉진하는 생물학적 요인의 효과에 초점을 맞추지 않았습니다. 이 설정에서 목표는 특정 박테리아, 곰팡이 및 지렁이를 접종하고 EW를 가속화할 수 있는 정도를 결정하여 풍화 과정과 추가 IC 격리를 향상시키는 것입니다.

EW에 대한 생물학적 요인의 영향과 관련하여 EW에 특별히 초점을 맞추지 않고 토양 유기체가 광물 풍화에 영향을 미칠 수 있는지 여부를 조사한 연구는 거의 없습니다. 이러한 연구들은 주로 배양 배지(19,21), 페트리 접시(36), 토양에 묻힌 나일론 백(14), 또는 다른 기질(36,37)과 혼합된 소량의 암석 분말을 사용하여 토양 유기체에 의해 풍화가 어떻게 영향을 받는지를 탐구하였다. 이러한 작은 시스템이나 설정을 사용하면 유기체의 영향을 다른 변수와 분리하기가 어렵습니다. 일부 실험은 여기에서 제안된 것과 유사한 설정을 사용했지만 더 작은 규모로 암석 가루로 채워진 기둥에 토양 유기체38,39,40을 접종했습니다. 그러나, 이러한 실험은 식물을 동시에 성장시켰고, 특정 토양 유기체(13,35)의 배타적 효과에 초점을 맞추지 않았거나, 침출수(36)를 수집하지 않았다. 게다가, 박테리아, 곰팡이 및 지렁이가 광물 풍화를 증가시킨다는 것을 보여준 대부분의 연구는 IC 격리보다는 풍화의 지표로서 이러한 유기체가 영양분 방출에 미치는 영향에 초점을 맞추고 있다 11,13,14,19,36,37,38. 무엇보다도, 이러한 초기 연구들 중 어느 것도 EW를 촉진하는 것을 목표로 하지 않았으며, 실험 기간 동안 비생물적 요인을 조정하고 유지할 수 있는 가능성을 제시하지 않았다. 이 설정에서는 토양 유기체의 활동을 통해 EW를 촉진하기 위해 모든 비생물적 요인을 일정하게 유지하는 대신 물 관개 속도 및 빈도, 암석 분말 유형 및 입자 크기와 같은 4가지 비생물적 요인에 대해 다양한 조합을 테스트합니다.

게다가, EW에 대한 비생물적 또는 생물학적 요인의 효과에 초점을 맞춘 이전 연구 중 어느 것도 한 번의 실험 실행 내에서 매우 많은 수의 열과 변수를 가질 가능성을 제시하지 않았습니다. 이 설정에서는 설정이 설계된 컬럼의 수가 많기 때문에 한 번의 실험 실행 중에 다양한 변수의 여러 가지 조합을 테스트하는 동시에 고품질 결과를 제공할 수 있습니다. 설정의 참신함을 감안할 때 향후 유사한 설정을 설계하는 동안 고려할 수 있는 몇 가지 가능한 개선 사항 및 나머지 과제가 아래에 제시됩니다.

배양 챔버의 균일한 공기 조건이 보장되어야 합니다. 기후 챔버에 장치를 배치하면 일정한 온도와 상대 습도가 보장됩니다. 환기 제약(예를 들어, 공기 흐름)은 대기 조건에서 공간적 변동성을 발생시킬 수 있고, 따라서 특정 위치의 기둥으로부터 불균형한 증발을 야기할 수 있으며, 이는 이러한 종류의 설정(35)에서 일반적인 현상이다. 이러한 단점을 해결하려면 복제 및 무작위화가 불가능한 경우 챔버 전체의 다양한 위치에 배치된 기둥에 대한 물 균형을 계산하는 것이 좋습니다.

컬럼은 침출수 손실을 방지하기 위해 아크릴 판에 삽입된 깔때기와 조심스럽게 정렬되어야 합니다. 고려된 실험 기간 동안 깔때기의 잘못된 위치 또는 메쉬의 막힘으로 인해 컬럼 바닥에서 침출수 손실이 발생했습니다. 증발과 함께 이는 수집된 침출수가 예상치에 비해 낮은 이유를 부분적으로 설명할 수 있습니다(그림 13). 이러한 손실을 최소화하려면 깔때기가 열 아래에 최적으로 배치되도록 하는 것이 중요합니다. 더 넓은 퍼널을 사용하는 것도 실행 가능한 옵션입니다. 이 경우 아크릴 판을 구성하는 동안 구멍의 직경과 아크릴 판 사이의 거리에주의를 기울여야합니다.

물이 자주 적용되는 토양 기둥 실험에서 느린 물 흐름은 반복되는 문제 7,30,40입니다. 제시된 설정으로 수행된 실험에서 일부 경우에는 다소 높은 관개 속도와 매우 미세한 광물 입자 크기가 사용되었는데, 이는 처음에는 토양에서 일반적으로 관찰되는 구조가 부족합니다. 이로 인해 실험이 진행되는 동안 미세한 광물만 포함된 컬럼 하단의 메쉬 기공이 막혔을 수 있습니다. 따라서 물이 기둥을 통해 충분히 빠르게 흐르지 않아 기둥이 범람하고 물 침투 및 침출수 수집이 감소하며 기둥 내의 무산소 상태가 생지화학적 과정에 영향을 미쳤습니다. 이 문제를 완화하려면 항상 일정 비율의 굵은 입자와 더 미세한 광물 입자 크기를 혼합하고 100% 매우 미세한 광물 입자 크기의 혼합물을 피하는 것이 중요합니다. 또 다른 옵션은 컬럼이 특정 수의 습윤/건조 주기를 경험하여 토양 구조 형성을 시작하여 수분 침투를 개선하도록 허용하는 것입니다. 또한 실험을 시작하기 전에 가스 흐름, 광물 포화 상태 및 유기체 활동 동인을 더 잘 이해하기 위해 몇 가지 중간우주에서 포화 및 불포화 흐름 및 수분 보유 곡선과 같은 기본 토양 수분 역학을 결정하는 것이 유용할 것입니다.

제시된 실험 설정은 사용하기 편리하고 설치가 간단하며 연구 요구 사항에 따라 조정할 수 있습니다. 광물 풍화의 맥락에서 필요한 조정을 통해 고체 및 수성 상의 탄소를 특성화할 뿐만 아니라 기체 상태에서 탄소의 역학을 살펴보기 위해 가스 챔버와 결합할 수 있습니다. 게다가, 이 설정은 이러한 시간적 역학이 풍화에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 건식-습윤 시퀀스로 현실적인 물 침투율을 연구하는 데 사용할 수 있다41. 이 설정의 사용은 규산염 광물에만 초점을 맞춘 실험에만 국한되지 않고 다른 기질을 사용하는 컬럼 실험에서 구현할 수 있습니다. 또한 실험 필요에 따라 실험 길이를 단축하거나 연장할 수 있으며 열 수를 변경할 수 있습니다. 고체 가공 재료와 침출수 모두에서 샘플을 수집할 수 있기 때문에 두 가지 구성 요소 중 하나 또는 둘 다에 초점을 맞추기 위해 다양한 분석을 수행할 수 있습니다. 지식을 제시하기 위해, 이것은 규산염 광물과 유기 물질로만 구성된 시스템에서 비생물적 조건을 동시에 제어하는 동시에 토양 유기체를 사용하여 광물 풍화를 향상시키는 것을 목표로 하는 예외적인 수의 기둥으로 지금까지 구축된 유일한 설정입니다.

Disclosures

저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgments

우리는 관개 시스템 개발을 위해 Tupola의 Ton van der Zalm을 인정합니다. 또한, 이 설정을 구축하는 동안 웃음과 정신적 지원을 제공해준 Tupola의 Jaco Baars에게 감사드립니다. 관개 시스템이 작동하지 않을 때 수동으로 기둥에 물을 주는 데 도움을 주신 Peter Garamszegi와 Ángel Velasco Sánchez에게 감사드립니다. 샘플링 중에 도움을 주신 Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg 및 Kangying Xie에게도 감사드립니다. 실험실에서의 지원, 샘플 분석 및 유익한 토론에 대해 Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen 및 Gerlinde Vink에게 감사드립니다. 마지막으로, 기후 챔버의 제공 및 유지 관리에 대해 Unifarm의 Jeroen Zonneveld에게 감사드립니다. 이 설비는 보조금 계약 No 964545에 따라 연구 및 혁신을 위한 유럽 연합 Horizon 2020 프레임워크 프로그램의 자금 지원을 받는 BAM(Bio-Accelerated Mineral Weathering) 프로젝트의 일환으로 구축되었습니다.

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. 

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References

  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).

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생화학 201호
토양 유기체의 활동을 통해 광물 풍화를 향상시키기 위한 실험 설정의 설계 및 건설
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