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Biochemistry

Conception et construction d’un dispositif expérimental pour améliorer l’altération minérale par l’activité des organismes du sol

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

Nous présentons ici la construction et l’exploitation d’un dispositif expérimental visant à améliorer l’altération minérale par l’activité des organismes du sol tout en manipulant simultanément des variables abiotiques connues pour stimuler l’altération. Les résultats représentatifs du fonctionnement de l’installation et des analyses d’échantillons sont discutés ainsi que les points à améliorer.

Abstract

L’altération améliorée (EW) est une technologie émergente d’élimination du dioxyde de carbone (CO2) qui peut contribuer à l’atténuation du changement climatique. Cette technologie repose sur l’accélération du processus naturel d’altération minérale dans les sols en manipulant les variables abiotiques qui régissent ce processus, en particulier la granulométrie des minéraux et l’exposition aux acides dissous dans l’eau. L’EW vise principalement à réduire les concentrations atmosphériques de CO2 en améliorant la séquestration du carbone inorganique. Jusqu’à présent, la connaissance de la guerre électronique a été principalement acquise par le biais d’expériences qui se sont concentrées sur les variables abiotiques connues pour stimuler l’altération minérale, négligeant ainsi l’influence potentielle des composants biotiques. Alors que les bactéries, les champignons et les vers de terre sont connus pour augmenter les taux d’altération des minéraux, l’utilisation des organismes du sol dans le contexte de la guerre électronique reste sous-explorée.

Ce protocole décrit la conception et la construction d’un dispositif expérimental mis au point pour améliorer les taux d’altération des minéraux par les organismes du sol tout en contrôlant simultanément les conditions abiotiques. L’installation est conçue pour maximiser les taux d’altération tout en maintenant l’activité des organismes du sol. Il se compose d’un grand nombre de colonnes remplies de poudre de roche et de matière organique, situées dans une chambre climatique et avec de l’eau appliquée via un système d’irrigation à flux descendant. Des colonnes sont placées au-dessus d’un réfrigérateur contenant des jerrycans pour recueillir le lixiviat. Des résultats représentatifs démontrent que cette configuration est adaptée pour assurer l’activité des organismes du sol et quantifier leur effet sur la séquestration du carbone inorganique. Il reste des défis à relever pour minimiser les pertes de lixiviat, assurer une ventilation homogène à travers la chambre climatique et éviter l’inondation des colonnes. Avec cette configuration, une approche innovante et prometteuse est proposée pour améliorer les taux d’altération minérale grâce à l’activité du biote du sol et démêler l’effet des facteurs biotiques et abiotiques en tant que moteurs de la guerre électronique.

Introduction

L’altération améliorée (EW) est une technologie relativement nouvelle et peu technologique d’élimination du dioxyde de carbone (CDR) qui présente un potentiel important d’atténuation du changement climatique 1,2,3. Le principe de cette technologie repose sur l’accélération du processus naturel d’altération minérale dans les sols, conduisant à la séquestration du dioxyde de carbone (CO2) sous forme de carbone inorganique (IC)3. L’altération améliorée vise à augmenter la séquestration des CI en optimisant artificiellement les facteurs régissant l’altération minérale, augmentant ainsi la vitesse à laquelle l’altération se produit à des échelles de temps humainement pertinentes3. Pour que l’EW soit le plus efficace, les minéraux silicatés à altération rapide sont broyés en une poudre avec une distribution granulométrique de l’ordre du micromètre au millimètre pour atteindre une surface réactive élevée dans la plage ~1 m2·g-1 3,4.

Jusqu’à présent, les connaissances sur la guerre électronique ont été principalement fournies par des expériences qui se concentrent sur les facteurs abiotiques régissant les vitesses de dissolution des minéraux5. Il s’agit notamment de la réactivité minérale et de la surface, de la température, de la composition de la solution, du temps de séjour dans l’eau et de l’acidité 4,6,7, mais des recherches doivent encore être menées dans ce contexte. En plus d’être influencés par des facteurs abiotiques, les systèmes naturels, et les sols en particulier, sont façonnés par un grand nombre d’organismes, allant des microbes à la macrofaune comme les vers de terre. Bien que certaines études n’aient montré que peu ou pas d’influence de l’activité biotique de la dissolution minérale 8,9,10, d’autres études ont fourni des preuves que les organismes du sol tels que les bactéries 11,12, les champignons 13,14 et les vers de terre15,16 pourrait augmenter les taux d’altération des minéraux. Par conséquent, les composants biotiques pourraient être essentiels pour comprendre le potentiel réel de séquestration des CI d’EW5.

Le premier mécanisme courant par lequel les organismes du sol pourraient accélérer la dissolution des minéraux est la libération de CO2 pendant la respiration, ce qui augmente l’acidification du sol17. En outre, les bactéries et les champignons pourraient augmenter l’altération minérale en exsudant des protons, des chélates, des acides organiques et des enzymes, qui améliorent tous la dissolution minérale 18,19,20,21. Par exemple, la chélation par les groupes carboxyle et hydroxyle peut créer des déséquilibres ioniques, en transportant des éléments loin de la surface des minéraux et en abaissant les états de saturation20,22. Cela pourrait conduire à moins de formation de minéraux secondaires et à une plus grande efficacité de l’EW. De plus, en se nourrissant de particules du sol, les fortes actions des parois corporelles des vers de terre pourraient décomposer les grains minéraux en particules plus fines, augmentant ainsi leur surface réactive disponible23. Les microbes vivant dans les intestins des vers de terre et les excréments frais pourraient attaquer davantage ces particules plus petites, qui exsudent davantage d’acides organiques et d’enzymes24,25. Par leur activité fouisseuse, en plus de contribuer au mélange de particules organiques et minérales, les vers de terre créent également des macropores qui pourraient permettre à l’écoulement de l’eau de contourner l’espace interstitiel saturé17. Cela pourrait permettre à l’eau d’interagir avec différentes surfaces minérales et d’améliorer le taux de contact eau-roche.

Jusqu’à présent, aucun dispositif n’a été construit pour étudier les taux d’EW et donc la séquestration des CI à l’aide d’organismes du sol tout en assurant la possibilité d’optimiser différentes conditions abiotiques pertinentes, telles que les apports en eau, la température, le type de minéral et la taille des grains minéraux. Ici, la conception et l’explication des étapes de construction d’une installation innovante qui vise à augmenter les taux d’EW grâce à l’activité des organismes du sol dans de petits mésocosmes sont présentées. Le dispositif expérimental se compose de 203 colonnes (longueur 15 cm, diamètre 7 cm) placées dans une chambre climatique (4,54 m x 2,72 m) à 25 °C pendant 8 semaines. Les 203 colonnes sont divisées en 10 groupes de 18 et 2 groupes de 10 pour s’adapter à la chambre climatique. L’un des deux groupes de 10 colonnes est utilisé pour permettre l’insertion de trois colonnes supplémentaires qui sont utilisées comme blancs. Chaque groupe est placé au-dessus d’un réfrigérateur et est surmonté d’un système d’irrigation contrôlable à distance, qui permet des taux d’irrigation variables à l’intérieur et entre les réfrigérateurs. Le lixiviat de chaque colonne est recueilli dans un jerrycan conservé à température constante dans le réfrigérateur (figure 1). Un réfrigérateur recueille le lixiviat d’un groupe de colonnes, ce qui signifie qu’un réfrigérateur peut être considéré comme un système unique de 18 ou 10 colonnes. Par conséquent, le nombre de colonnes dans cette configuration expérimentale peut être ajusté en fonction des exigences expérimentales avec un maximum de 203 colonnes.

Figure 1
Figure 1 : Vue latérale schématique de l’installation montrant 5 colonnes mais considérant un système de 18 colonnes. Le cadre qui soutient les colonnes est composé de plaques en acier inoxydable, de vis en acier inoxydable et de plaques acryliques. Les colonnes sont positionnées au milieu du cadre et sont surmontées d’un système d’irrigation. Sous les colonnes, des entonnoirs sont reliés à des jerrycans par des tuyaux pour recueillir le lixiviat. Les jerrycans sont dans un réfrigérateur qui contient tout le système. Le réfrigérateur peut être ouvert en soulevant le couvercle. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Dans cette configuration, l’utilisation de poudres de roche silicatées de granulométrie spécifique garantit des taux d’altération élevés, tandis que l’inoculation avec des bactéries, des champignons et des vers de terre spécifiquement sélectionnés garantit l’activité biotique dans ce système artificiel. La configuration permet la quantification simultanée du carbone séquestré dans les échantillons solides et liquides en mesurant à la fois la CI dissoute et solide, ainsi que l’alcalinité totale (TA). En outre, d’autres paramètres tels que le pH, la conductivité électrique (EC) et les ions peuvent être mesurés dans le lixiviat en tant qu’indicateurs de l’altération. Cette configuration permet également d’évaluer l’impact de la survie et de l’activité des organismes du sol. Des résultats représentatifs sont présentés pour prouver l’adéquation de ce protocole à la construction d’une configuration où les augmentations des taux d’altération sont dérivées non seulement de facteurs abiotiques, mais aussi de facteurs biotiques.

Protocol

Ci-dessous, un protocole détaillé pour la construction des différentes parties de l’installation est décrit en considérant un système de 18 colonnes.

1. Construction du cadre supportant les colonnes

  1. Préparez des plaques en acrylique pour contenir le système d’irrigation, les colonnes, les entonnoirs et les tuyaux pour recueillir le lixiviat.
    1. Découpez trois plaques acryliques (plaques acryliques 1-3) de dimensions 63 cm x 67 cm et une plaque acrylique (plaque acrylique 4) de dimensions 45 cm x 56 cm.
    2. Sur chaque plaque acrylique, découpez 18 trous en suivant les instructions des étapes ci-dessous.
      1. Plaque acrylique 1 - plaque supérieure : découpez des trous de diamètre 0,7 cm pour insérer ultérieurement les tubes du système d’irrigation.
      2. Plaque acrylique 2 - deuxième à partir de la plaque supérieure : découpez des trous de diamètre 8 cm pour insérer les colonnes plus tard (Figure 2).
      3. Plaque acrylique 3 - deuxième à partir de la plaque inférieure : découpez des trous de diamètre 1,2 cm pour insérer les entonnoirs plus tard.
      4. Plaque acrylique 4 - plaque inférieure : découpez des trous de diamètre 1,2 cm pour insérer ultérieurement les tuyaux en plastique qui amènent le lixiviat vers les jerrycans.
    3. De plus, découpez un trou de diamètre 1,1 cm à chaque coin et un trou de diamètre 1,1 cm sur les côtés des plaques acryliques 1-3 pour insérer les vis en acier inoxydable.
    4. Pour chaque plaque acrylique, imprimez des étiquettes en plastique avec les numéros des colonnes (1-18) à l’aide d’une imprimante d’étiquettes et collez-les sous le trou respectif.
      REMARQUE : Le collage d’étiquettes sur les plaques acryliques 2, 3 et 4 en fonction du nombre des 18 colonnes facilite le placement des différentes parties de l’installation à leur emplacement respectif lors de son installation.
  2. Utilisez des plaques et des vis en acier inoxydable pour maintenir les plaques acryliques.
    1. Prenez les plaques en acier inoxydable sur mesure, qui ont été fabriquées selon le modèle illustré à la figure 3 avec des dimensions de 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm et une épaisseur de 1,5 mm.
    2. Percez des trous de diamètre 1,1 cm à chaque coin et sur les côtés de chaque plaque en acier inoxydable.
    3. Prenez des vis en acier inoxydable (50 cm de longueur).
    4. Insérez les plaques acryliques en suivant l’ordre de haut en bas pour les plaques acryliques 1 (tubes d’irrigation), 2 (colonnes) et 3 (entonnoirs) sur les vis en acier inoxydable. Utilisez deux écrous hexagonaux et deux porte-rondelles pour chaque coin afin de maintenir la plaque acrylique en place.
      REMARQUE : Gardez une distance suffisante entre chaque plaque acrylique pour insérer les différents composants plus tard. Maintenez une distance de ~19,5 cm entre la plaque acrylique 1 et la plaque acrylique 2, ~10,5 cm entre la plaque acrylique 2 et la plaque acrylique 3 et ~16,5 cm entre la plaque acrylique 3 et la plaque acrylique 4.
    5. Installez les plaques supérieures et inférieures en acier inoxydable sur les vis en acier inoxydable à l’aide de deux écrous hexagonaux et de deux porte-rondelles pour chaque coin.
    6. Placez l’ensemble du système sur le réfrigérateur une fois la construction du système de réfrigérateur terminée.

Figure 2
Figure 2 : Vue de dessus schématique de la conception de la plaque acrylique 2 où les colonnes sont placées. Les étiquettes numérotées indiquent l’emplacement des colonnes correspondantes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Conception des plaques en acier inoxydable. (A,B) Plaque supérieure. (C,D) Plaque inférieure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

2. Construction du système de réfrigération pour la collecte des lixiviats

  1. Installez le réfrigérateur pour placer les jerrycans.
    1. Retirez les deux couvercles du réfrigérateur et remplacez le couvercle arrière par une plaque acrylique 4.
      REMARQUE : Une fois installée, cette plaque acrylique n’est pas censée être retirée. Pour travailler à l’intérieur du réfrigérateur, retirez le couvercle avant en le soulevant.
    2. Placez le réfrigérateur dans l’enceinte climatique et branchez-le.
    3. Réglez la température du réfrigérateur à 4 °C et placez un enregistreur de données à l’intérieur du réfrigérateur.
    4. Fermez le réfrigérateur avec le couvercle avant.
    5. Surveillez les données enregistrées par l’enregistreur de données pendant la nuit. Si la température s’écarte de la valeur souhaitée, retirez le treillis au bas du réfrigérateur et ajustez la température. Répétez cette procédure jusqu’à ce que la température souhaitée soit atteinte.
  2. Utilisez des tuyaux en polychlorure de vinyle (PVC) pour connecter les entonnoirs aux jerrycans.
    1. Coupez 18 tuyaux en PVC (diamètre intérieur 0,8 cm) d’une longueur appropriée pour atteindre chaque jerrycan des différents entonnoirs en fonction des numéros respectifs.
      REMARQUE : La longueur varie d’un minimum de 38 cm pour le tube le plus court à un maximum de 81 cm pour le tube le plus long.
    2. Rincez les tuyaux à l’eau avant leur première utilisation ; dans tous les autres cas, faites-les tremper pendant 4 jours dans 50 L d’eau où 30 g du produit d’acide citrique ont été dilués pour éliminer les précipités carbonatés. Ensuite, rincez à nouveau les tuyaux à l’eau demi.
      ATTENTION : même si le produit à base d’acide citrique peut être utilisé en toute sécurité, évitez tout contact avec les yeux et tout contact prolongé avec la peau en utilisant les mesures de protection appropriées.
      REMARQUE : si de l’eau ultra-pure est disponible, il est préférable de l’utiliser à la place de la demi-eau.
    3. Laissez sécher les tuyaux à l’air libre pendant 24 h.
    4. Insérez les tuyaux dans la plaque acrylique 4 selon leurs numéros respectifs.
  3. Installez des entonnoirs pour diriger le lixiviat vers les jerrycans.
    1. Essuyez 18 entonnoirs avec de l’éthanol avant leur première utilisation ; dans tous les autres cas, suivez la même procédure que celle indiquée pour les tuyaux en PVC.
      ATTENTION : L’éthanol est inflammable et peut provoquer une irritation des yeux, de la peau et des voies respiratoires, des étourdissements et une respiration superficielle. L’éthanol est nocif par ingestion, inhalation ou absorption cutanée.
    2. Insérez les entonnoirs dans la plaque acrylique 3 et connectez-les aux tuyaux respectifs en fonction de leur nombre.
  4. Installez des jerrycans pour recueillir le lixiviat.
    1. Prenez 10 jerrycans en polyéthylène haute densité (PEHD) d’une capacité de 10 L et 8 jerrycans en PEHD d’une capacité de 5 L.
      REMARQUE : Les jerrycans de 5 L sont utilisés pour les faibles taux d’irrigation, tandis que les jerrycans de 10 L sont utilisés pour les taux d’irrigation élevés (voir le tableau 1). Les jerrycans en PEHD sont choisis car ce matériau est chimiquement inerte.
    2. Diluer 50 mL de savon lave-vaisselle dans 10 L d’eau du robinet. Rincez les jerrycans une fois avec cette solution, une fois avec de l’eau du robinet et une fois avec de l’eau demi. Répétez cette procédure de nettoyage avant toute autre utilisation.
      REMARQUE : si de l’eau ultra-pure est disponible, il est préférable de l’utiliser à la place de la demi-eau.
    3. Laissez sécher les jerrycans à l’air libre pendant 24 h.
    4. Percez un trou dans le couvercle de chaque jerrycan de diamètre 1,2 cm pour insérer le tube en plastique afin de recueillir le lixiviat.
    5. Fermez les jerrycans avec le couvercle respectif.
    6. Placez les jerrycans dans le réfrigérateur en deux couches en suivant le schéma illustré à la figure 4 tout en connectant simultanément les tubes aux jerrycans.

Figure 4
Figure 4 : Vue d’ensemble schématique des jerrycans à l’intérieur du réfrigérateur en deux couches empilées, la couche inférieure (côté gauche) et la couche supérieure (côté droit). Les cercles noirs indiquent la direction des couvercles, tandis que les rectangles bleu et vert indiquent respectivement les jerrycans de 10 L et 5 L. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Construction des colonnes et du système de maillage

  1. Utilisez des colonnes en PVC comme mésocosmes pour incuber la poudre de roche et les organismes du sol
    1. Découpez les tubes en PVC en 18 colonnes d’une longueur de 15 cm.
    2. Nettoyez les colonnes en suivant la procédure 1 s’il s’agit de leur première utilisation et la procédure 2 dans tous les autres cas.
      1. Procédure 1 :
        1. Faire tremper les colonnes dans de la demi-eau pendant 48 h.
          REMARQUE : si de l’eau ultra-pure est disponible, il est préférable de l’utiliser à la place de la demi-eau.
        2. Rincez les colonnes à l’eau demi. Séchez et essuyez les colonnes avec de l’éthanol.
        3. Numérotez les colonnes à l’aide d’étiquettes ou directement à l’aide d’un marqueur sur le tube.
      2. Procédure 2 :
        1. Faites tremper les colonnes dans l’eau pendant 1 jour.
        2. Utilisez la brosse pour frotter tous les restes expérimentaux.
        3. Séchez et essuyez les colonnes avec de l’éthanol.
  2. Utilisez des anneaux du milieu pour maintenir les colonnes au-dessus des entonnoirs.
    1. À l’aide d’une imprimante 3D, concevez un anneau (diamètre de 8,5 cm et épaisseur de 0,5 cm). Assurez-vous de dessiner un autre anneau en bas qui s’insère dans les trous de la plaque acrylique 2 pour plus de stabilité des colonnes (Figure 5).
    2. Imprimez 18 anneaux avec l’imprimante 3D en polyuréthane thermoplastique (TPU) 95A.
    3. Placez les anneaux sur les colonnes dans une position qui maintient les colonnes à 2-3 cm au-dessus des entonnoirs.
  3. Utilisez un système de maillage au bas des colonnes pour filtrer le lixiviat et minimiser les pertes de particules.
    1. Découpez la maille (taille des pores de 10 μm et 20 μm) en carrés de 12 cm x 12 cm.
    2. Faites tremper la maille dans de l’eau ultra-pure pendant 2 jours. Laissez sécher la maille à l’air libre.
    3. Au bas de la colonne, placez la première maille de 20 μm. Placez une couche de 1 cm de billes de plastique sur la maille de 20 μm.
    4. Placez la deuxième maille de 10 μm au-dessus de la maille de 20 μm et de la couche de billes de plastique.
    5. Placez deux serre-câbles pour maintenir le système de mailles en place. Serrez les colliers de serrage et coupez leurs bords.
      REMARQUE : La figure 6 montre comment le système de maillage doit être assemblé au bas de la colonne.
  4. Utilisez un maillage supérieur pour éviter la fuite des vers de terre.
    1. Coupez la maille de 1 mm de taille de pore en carrés de 12 cm x 12 cm.
    2. Une fois que les colonnes sont remplies de poudre de roche et que les vers de terre sont introduits (section 7), placez le treillis au-dessus des colonnes.
      REMARQUE : Ce maillage doit être placé au-dessus des colonnes pour empêcher les vers de terre de s’échapper des colonnes. Dans le cas où les vers de terre ne sont pas introduits, il est toujours recommandé d’utiliser ce maillage pour maintenir les mêmes conditions pour toutes les colonnes.
    3. Placez un élastique autour de la maille pour la maintenir en place.

Figure 5
Figure 5 : Modèle de l’anneau pour maintenir les colonnes de l’imprimante 3D. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Schéma de construction du système de maillage au bas de la colonne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

4. Construction du système d’irrigation

  1. Concevoir et créer des arroseurs pour répartir l’eau uniformément sur les colonnes
    1. À l’aide d’une imprimante 3D, concevez un arroseur en suivant le modèle et les dimensions relatives illustrés à la figure 7.
    2. Imprimez 18 arroseurs avec l’imprimante 3D en utilisant le matériau TPU 95A.
      REMARQUE : Après l’impression, laissez sécher les arroseurs pendant au moins 24 h avant de les insérer dans les micro-tuyaux en PE pour éviter de les casser.
  2. Installez le système d’irrigation : vannes et tubes.
    1. Vissez deux embouts à l’avant de deux électrovannes et vissez deux raccords enfichables en T à l’arrière des électrovannes.
      REMARQUE : Si l’on veut que le tuyau d’eau se termine avec ce système et ne continue pas vers d’autres systèmes, vissez à l’arrière de la vanne qui sera placée vers l’extrémité du réfrigérateur un raccord enfichable avec deux connexions au lieu du raccord enfichable en T. De cette façon, le raccordement à l’eau s’arrête ici.
    2. Installez les deux électrovannes d’un côté de la plaque supérieure en acier inoxydable.
      REMARQUE : Une vanne contrôle un tube d’irrigation, qui à son tour irrigue 8 ou 10 colonnes sur un total de 18 colonnes.
    3. Coupez le tuyau d’irrigation en polyéthylène basse densité (PEBD) en deux tubes de 53 cm.
    4. Fermez un côté de chaque tube à l’aide d’un embout.
    5. Enveloppez l’autre extrémité des tubes dans du ruban de polytétrafluoroéthylène (PFTE) et connectez-le aux électrovannes.
    6. Faites 8 trous dans le premier tube d’irrigation plus près de l’avant du réfrigérateur et faites 10 trous dans le deuxième tube d’irrigation plus loin de l’avant du réfrigérateur.
      REMARQUE : il est très important de faire les trous à l’aide d’un poinçon à main, car cela est nécessaire pour le positionnement et le fonctionnement corrects des régulateurs de pression. Il est déconseillé d’utiliser d’autres outils comme perceuse.
    7. Insérez les régulateurs de pression dans les trous des deux tubes.
    8. Coupez le micro-tuyau en polyéthylène (PE) en 18 petits tubes d’une longueur de 20 cm pour atteindre les colonnes du tuyau d’irrigation et fixez-les aux régulateurs de pression.
    9. Insérez les petits tubes dans les trous de la plaque acrylique 1.
    10. Insérez les arroseurs dans les petits tubes horizontalement à la surface des colonnes.
      REMARQUE : Si l’on rencontre des problèmes avec le système d’irrigation (par exemple, des blocages dans le débit d’eau ou un débit d’eau incontrôlable), cela peut être dû à : (a) un dysfonctionnement des vannes, (b) des particules restant dans le tube ; c) Le ruban PFTE n’est pas correctement enroulé autour de l’extrémité du tube. Pour le point a, remplacez la vanne. Pour les points b et c, assurez-vous que les tubes sont nettoyés avant de commencer l’arrosage des colonnes et qu’aucun résidu du ruban PFTE ne pend respectivement du tube. Il est important d’éviter tout transfert de particules qui pourrait empêcher le bon fonctionnement de la vanne.
  3. Mettez en place le raccordement pour le transport de l’eau.
    1. Coupez le tuyau en polyuréthane (PU) en trois tuyaux différents pour le raccordement à l’eau. Les longueurs exactes des tuyaux varient en fonction de la conception du système et de la chambre. Utilisez le premier tuyau pour connecter la pièce en T de la première vanne au robinet, le deuxième tuyau pour connecter les pièces en T de chaque vanne et le troisième tuyau pour connecter la pièce en T de la deuxième vanne au système suivant.
      REMARQUE : S’il n’est pas nécessaire de se connecter au système suivant, il n’est pas nécessaire de couper le troisième tuyau.
    2. Connectez les tuyaux en PU aux raccords enfichables en T à l’arrière des électrovannes.
    3. Raccordez le tuyau PU de la première vanne au robinet en vissant un raccord enfichable avec deux connexions sur la bague d’adaptation.
    4. Ouvrez le robinet pour permettre à l’eau de s’écouler dans les tubes.
  4. Installez le système de contrôle et configurez la connexion au système d’irrigation.
    1. Connectez le contrôleur Web, le module d’extension à huit relais et l’alimentation du rail. Placez-les dans le boîtier en polycarbonate en suivant les instructions fournies par le fabricant.
      REMARQUE : Un contrôleur modulaire correspond à un appareil, qui à son tour contrôle huit relais. Un relais contrôle l’ouverture et la fermeture d’une vanne spécifique.
    2. Connectez les deux vannes l’une à l’autre à l’aide des câbles électriques et connectez le câble d’alimentation à chaque vanne.
    3. Connectez l’autre extrémité du câble d’alimentation à la manette connectée à Internet.
    4. Connectez le tout à une prise électrique et établissez une connexion Internet pour le contrôleur Web.
  5. Configurez le contrôle en ligne des paramètres d’arrosage pour définir les taux d’arrosage.
    1. Suivez les instructions fournies par le fabricant pour la configuration et l’installation. Pour la programmation et les tests, utilisez le navigateur Web.
    2. Accédez à http://10.73.10.250/setup.html.
    3. Utilisez un nom d’utilisateur et un mot de passe pour vous connecter.
    4. Dans le menu de gauche, allez dans Contrôle/Logique , puis dans Tâches/Fonctions.
    5. Un relais contrôle l’ouverture et la fermeture d’une vanne. Pour chaque relais, il y a deux tâches, l’une allume le relais (vanne ouverte) et l’autre éteint le relais (vanne fermée). Pour modifier le paramètre de chaque tâche, cliquez sur Modifier.
      1. Lorsque la tâche du relais doit être activée, définissez la date et l’heure auxquelles le relais doit commencer à fonctionner en cliquant sur Date de début et Heure de début (par exemple, le4 mai 2022 à 7 :45 :00 ; voir Figure 8). Pour régler la fréquence d’arrosage, cliquez sur Définir la répétition et Répéter tous les (par exemple, tous les jours tous les 1 jour pour une fréquence d’arrosage d’une fois par jour ; voir Figure 8). Pour définir la date à laquelle le relais cesse de fonctionner, cliquez sur Date de fin de répétition (par exemple, 20mai 2022 à 23 :59 :59 ; voir Figure 8).
      2. Lorsque la tâche du relais doit être déclenchée, définissez l’heure à laquelle le relais doit cesser de fonctionner. Cela dépend du débit d’irrigation de l’eau nécessaire et de la fréquence d’arrosage, par exemple, réglez l’heure à 7 :46 :30 pour une répétition quotidienne. Cela signifie que le relais fonctionne pendant 1 min 30 s, pour une quantité d’eau de 50 mL·jour-1 à la fréquence d’arrosage d’une fois par jour (voir tableau 1). Les dates de début et de fin sont les mêmes que la tâche de mise en marche du relais, ainsi que la fréquence d’arrosage.
    6. Lorsque la configuration de chaque relais est terminée, n’oubliez pas de cliquer sur Enregistrer les modifications.
      REMARQUE : Tous les relais ne doivent pas fonctionner simultanément pour éviter de surcharger le système. Laissez toujours au moins 30 s entre les tâches des différents relais (par exemple, le relais 1 de l’appareil 1 termine sa tâche à 07 :46 :30, le relais 2 de l’appareil 1 commence sa tâche à 07 :47 :00).
    7. Vérifiez que les paramètres de chaque relais ont la même date de début et la même date de fin. Le tableau 1 montre un exemple du temps nécessaire pour différents taux d’irrigation à différentes fréquences d’arrosage.
      REMARQUE : Le système d’irrigation permet plus de débits d’irrigation et de fréquences d’arrosage en plus de ceux indiqués, mais il doit être testé pour savoir combien de temps les vannes doivent rester ouvertes pour différentes quantités d’eau. Pour les taux d’irrigation indiqués dans le tableau 1, il est toujours bon de vérifier avec un premier test si cela est valide, car il peut changer en fonction de la pression de l’eau et de la conception du système.

Figure 7
Figure 7 : Modèle de l’arroseur pour le système d’irrigation avec les dimensions relatives. (A) Vue de dessus de l’arroseur. (B) Vue latérale de l’arroseur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8
Figure 8 : Exemple d’affichage des paramètres du système d’irrigation pour la mise en marche du relais. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Débit d’irrigation de l’eau (mL·jour-1) Fréquence d’arrosage (nombre de fois ·jour-1) Temps de travail du relais
    
50		 1 95
2 50
5 23
    
100		 1 190
2 100
5 45
    
150		 1 280
2 140
5 55

Tableau 1 : Indications des temps nécessaires pour que les vannes soient ouvertes afin de permettre différents débits d’irrigation à différentes fréquences d’arrosage.

5. Sélection des poudres de roche, des matières organiques et du biote du sol

REMARQUE : Pour cette expérience, les poudres de roche, les matières organiques et les organismes du sol sont sélectionnés en fonction de leur disponibilité, de leur présence locale et de l’examen de la littérature. De plus, les microbes sont sélectionnés en fonction de leur non-pathogénicité, déterminée par la classification des règles techniques pour les agents biologiques (TRBA)26,27,28. En fonction de la question de recherche exacte, ces facteurs peuvent être ajustés.

  1. Sélectionnez des poudres de roche pour les expériences.
    NOTE : Les poudres de roche sélectionnées pour ces expériences sont à la fois des roches ultramafiques et mafiques de diverses compositions minéralogiques, telles que la dunite et la diabase. Chaque roche a deux classes principales de granulométrie, fines (micrométriques) et grossières (millimétriques).
  2. Sélectionnez des matériaux organiques pour l’expérience.
    NOTA : Les matières organiques sélectionnées pour ces expériences comme source de nourriture pour le biote du sol sont la paille de blé et le digestat de fumier et les résidus d’aliments pour animaux.
  3. Sélectionnez les bactéries pour l’expérience.
    REMARQUE : Les bactéries sélectionnées pour ces expériences sont Bacillus subtilis et Cupriavidus metallidurans. Les bactéries proviennent de l’Institut Leibniz DSMZ (Allemagne).
    1. Cultiver des bactéries dans un bouillon nutritif, composé de bacto peptone (10 g· L-1), extrait de viande (3 g· L-1) et le chlorure de sodium (10 g· L-1) dissous dans de l’eau ultrapure (18,2 mΩ), en suivant les instructions du fournisseur.
    2. Autoclaver tous les milieux de culture à 121 °C pendant 20 min avant l’inoculation avec l’ancienne culture (volume = 1 % de la nouvelle culture).
    3. Déterminez les densités cellulaires par comptage cellulaire à l’aide d’un hémacytomètre et vérifiez le nombre de cellules par cytométrie en flux.
      NOTE : Cette étude a utilisé un cytomètre en flux équipé de lasers violet (405 nm) et bleu (488 nm), avec un débit de 10 μL/min, et détecté dans le canal FL1 (EX 488, EM 525/40).
  4. Sélectionnez les champignons pour l’expérience.
    REMARQUE : Les champignons sélectionnés pour ces expériences sont Knufia petricola, Suillus variegatus et Aerobasidium pullulans. Les champignons proviennent de l’Institut Leibniz DSMZ (Allemagne), à l’exception de K. petricola, qui provient de l’Institut Westerdijk (Pays-Bas).
    1. Cultivez les cultures de champignons dans un bouillon d’extrait de malt, composé d’extrait de malt (20 g· L-1), D-(+)-glucose (20 g· L-1) et l’hydrolysat de caséine (3 g· L-1) dissous dans de l’eau ultra-pure (18,2 mΩ), en suivant les instructions des fournisseurs.
    2. Autoclaver tous les milieux de culture à 121 °C pendant 20 min avant l’inoculation avec l’ancienne culture (volume = 1 % de la nouvelle culture). Déterminez les densités cellulaires par comptage cellulaire à l’aide d’un hémacytomètre.
  5. Sélectionnez des vers de terre pour l’expérience.
    NOTE : Les vers de terre sélectionnés pour ces expériences sont les espèces endogées Aporrectodea caliginosa et Allolobophora chlorotica. Des vers de terre sont collectés dans le parc De Blauwe Bergen près de l’Université et de la Recherche de Wageningen aux Pays-Bas (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E) avant l’expérience.

6. Remplissage des colonnes

  1. Déterminer la capacité de rétention d’eau (WHC) des poudres de roche et des matières organiques en séchant d’abord chaque matière à 105 °C. Ensuite, placez le matériau sec dans un bol et notez le poids. Ajoutez de l’eau petit à petit jusqu’à ce que les matériaux soient suffisamment humides et notez le poids final. Le WHC est alors donné par l’équation 1.
    Equation 1 (1)
  2. Broyez la paille à travers un broyeur de 6 mm.
  3. Séchez les minéraux et les matières organiques au four à 40 °C pendant 2 jours consécutifs.
  4. Pesez 400 g de minéraux et 10 g de matières organiques dans un bol.
    REMARQUE : Les quantités peuvent être adaptées en fonction des besoins expérimentaux, mais le mélange de matériaux doit tenir à l’intérieur de la colonne.
  5. Ajustez le WHC à 80 % en fonction du type de minéral, de la granulométrie minérale et de la source organique présente.
  6. Mélangez soigneusement le tout à l’aide d’une cuillère en métal.
  7. Remplissez les colonnes avec le mélange.
  8. Placez les colonnes remplies dans l’enceinte climatique à leur emplacement respectif, comme illustré à la figure 2. Si les colonnes ne peuvent pas être placées immédiatement dans l’enceinte climatique, stockez-les à 15 °C et recouvrez-les d’une feuille de plastique pour éviter les pertes d’eau et limiter les changements dans les conditions initiales.
    REMARQUE : Tenez les colonnes en bas et insérez-les avec précaution dans les plaques acryliques pour éviter la perte de leur contenu. La figure 9 illustre schématiquement les étapes à suivre pour remplir les colonnes.

Figure 9
Figure 9 : Vue d’ensemble schématique des différentes étapes de remplissage des colonnes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

7. Inoculation du biote du sol

  1. Inoculez les bactéries et les champignons à deux moments pendant le remplissage des colonnes (méthode 1) ou juste avant l’ajout de vers de terre (méthode 2).
    1. Méthode 1
      1. En fonction de la densité d’inoculation souhaitée (une gamme de densités cellulaires comprise entre 1,5 x 109 et 4,8 x 10 10 cellules par colonne pour les bactéries et entre 5,5 x 107 et 5,5 x10 8 cellules par colonne pour les champignons), inoculer les différentes espèces microbiennes au mélange de minéraux et de matières organiques une fois l’eau ajoutée selon le traitement à l’aide d’une pipette.
        REMARQUE : L’eau ajoutée doit être ajustée en conséquence de manière à ce que la quantité (millilitres) ajoutée par inoculation soit soustraite de la quantité totale d’eau ajoutée pour atteindre 80 % de la WHC.
      2. Mélangez soigneusement le tout à l’aide d’une cuillère en métal.
      3. Remplissez les colonnes avec le mélange.
      4. Essuyez le bol et la cuillère utilisée pour mélanger les matériaux avec de l’éthanol pour une utilisation successive.
      5. Couvrez les colonnes avec le maillage supérieur.
    2. Méthode 2 :
      1. En fonction de la densité d’inoculation souhaitée, inoculer les différentes espèces microbiennes à la surface des colonnes selon le traitement à l’aide d’une pipette.
      2. Couvrez les colonnes avec le maillage supérieur.
  2. En fonction de la densité souhaitée (4, 8 ou 10 vers de terre par colonne), introduisez des vers de terre dans les colonnes selon le traitement en les déposant délicatement à la surface des colonnes. Ensuite, couvrez la colonne avec le maillage supérieur.
    REMARQUE : Les microbes et les vers de terre doivent être inoculés 1 jour avant le début de l’arrosage pour leur permettre de s’adapter au système. La densité d’inoculation peut être modifiée en fonction des besoins expérimentaux. Sachez qu’il ne s’agit pas d’un environnement stérile et qu’il peut y avoir une contamination potentielle par des micro-organismes transportés par l’air, l’eau ou les matières premières. Pour éviter la contamination bactérienne par la ventilation, ajoutez un filtre de 0,2 μm sur le dessus des colonnes.

8. Prélèvement et analyses d’échantillons

  1. Retirez les colonnes de la chambre à la fin de la période expérimentale.
    1. Collectez des vers de terre et comptez-les pour déterminer leur taux de survie et évaluer leur activité.
    2. Homogénéiser le mélange de poudre de roche et de matières organiques et prélever des sous-échantillons pour des analyses microbiennes afin de mieux caractériser la présence et l’activité des micro-organismes d’intérêt.
    3. Sécher le contenu des colonnes à 40 °C pendant 5 à 7 jours pour les analyses ultérieures en phase solide pour le carbone inorganique solide (SIC).
  2. Peser les jerrycans pour déterminer le volume final de lixiviat et prélever des échantillons de lixiviat pour d’autres analyses, telles que l’AT, le carbone inorganique dissous (CID), le pH, l’EC et les ions.
  3. Le critère d’évaluation expérimental est de déterminer si les organismes du sol peuvent augmenter les taux d’altération dans ce système et de trouver la combinaison optimale des variables considérées, ce qui conduit au potentiel de séquestration du carbone le plus élevé. Déterminez-le en comparant les résultats des paramètres analysés en fonction des différentes combinaisons.
    NOTE : La stratégie d’échantillonnage et d’autres analyses peuvent être ajustées en fonction des paramètres expérimentaux et des besoins de la recherche.

Representative Results

La configuration présentée se composait d’un total de 203 colonnes situées dans une chambre climatique à 25 °C (Figure 10). Le choix de placer l’installation dans une chambre climatique a permis d’obtenir une température et une humidité relative constantes contrôlées. Le fait de placer des jerrycans dans un réfrigérateur à 4 °C a permis de s’assurer que la composition du lixiviat n’était pas modifiée au fil du temps en raison de l’activité microbienne.

Figure 10
Figure 10 : Photos du dispositif expérimental dans la chambre climatique. (A) Vue d’ensemble d’un système unique. (B) Gros plan d’une seule colonne. (C) Gros plan sur des jerrycans dans le réfrigérateur. (D) Vue d’ensemble de tous les systèmes de la pièce climatisée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

L’utilisation d’un système d’irrigation automatisé avancé a permis d’arroser les colonnes à des débits et des fréquences variables à l’aide du système de contrôle en ligne (figure 11). Le système d’irrigation a permis de modifier la quantité d’eau reçue par les colonnes. La validation du système a montré qu’il conduisait à une différence minimale de 1 % et à une différence maximale de 6 % dans la quantité d’eau donnée entre les différentes colonnes (Figure 12). Des différences plus faibles ont été observées pour des taux d’irrigation plus faibles, tandis que des différences plus importantes ont été observées pour des taux d’irrigation plus élevés. Dans l’ensemble, la moyenne était plus faible pour des taux d’irrigation de 50 mL·jour-1 et de 150 mL·jour-1, tandis qu’elle était plus élevée pour un taux d’irrigation de 100 mL·jour-1 (figure 12).

Figure 11
Figure 11 : Quantité moyenne d’eau en fonction du temps. Quantité moyenne d’eau mesurée pour un débit d’irrigation de 50 mL·jour-1 répartie sur une période de 24 h selon trois fréquences d’irrigation d’une fois par jour, deux fois par jour et cinq fois par jour pour 8 colonnes. Les barres indiquent l’erreur type. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 12
Figure 12 : Quantité moyenne d’eau par rapport au taux d’irrigation. Quantité moyenne d’eau mesurée pour un débit d’irrigation de 50 mL·jour-1 sur 8 colonnes et pour des débits d’irrigation de 100 mL·jour-1 et 150 mL·jour-1 sur 10 colonnes. Les barres indiquent l’erreur type. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La construction et la conception de cette installation ont permis de recueillir à la fois le contenu solide à l’intérieur des colonnes, composé de poudre de roche (traitée) et de matières organiques, et la quantité totale de lixiviat qui s’est écoulée des colonnes pendant toute la période expérimentale (Figure 13). Bien qu’ils aient réussi à recueillir le lixiviat, la quantité finale de lixiviat recueillie était inférieure à la quantité de lixiviat qui devait être recueillie à la fin des expériences en fonction du taux d’irrigation (figure 14). La réduction du lixiviat recueilli était très probablement le résultat de l’évaporation directe et des déversements de lixiviat au bas des colonnes. Cela doit être pris en compte lors de l’analyse des résultats des analyses.

Figure 13
Figure 13 : Images représentatives des colonnes et du lixiviat. Colonnes remplies de poudre de roche et de matières organiques au début des expériences (côté gauche) et de lixiviat collecté dans les jerrycans à la fin des expériences (côté droit). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 14
Figure 14 : Nombre total de litres collectés à la fin des expériences par taux d’irrigation. Les lignes pointillées indiquent la quantité prévue de lixiviat recueilli en fonction du débit d’irrigation par période expérimentale, indiquée par la ligne bleu clair pour 50 mL·jour-1, la ligne bleu foncé pour 100 mL·jour-1 et la ligne verte pour 150 mL·jour-1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le mélange de poudre de roche et de matière organique a été analysé afin d’évaluer le taux de réussite du biote du sol en termes de composition de la communauté microbienne des bactéries et des champignons, ainsi que de survie et d’activité des vers de terre (figure 15).

Figure 15
Figure 15 : Croissance fongique et survie des vers de terre. À la fin des expériences et avant l’échantillonnage, des signes visuels de croissance fongique (côté gauche) et de survie des vers de terre (côté droit) dans les colonnes remplies de poudre de roche et de matières organiques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Outre d’autres paramètres, le lixiviat a été analysé pour l’AT et le CIV, car l’AT et l’IC sont de bons indicateurs pour les taux d’altération des minéraux 4,29,30,31. L’AT a été mesurée à l’aide d’un Metrohm Titrando29,30, tandis que la CID l’a été à l’aide d’un analyseur de carbone organique total (COT) Skalar. À l’aide d’un analyseur de COT, le CID est calculé à partir de la différence entre le carbone dissous total (DC) et le carbone organique dissous (DOC). La figure 16 et la figure 17 montrent la distribution cumulative de quelques exemples de valeurs obtenues à partir de ces analyses pour une série expérimentale. En utilisant ce dispositif expérimental, les valeurs de TA variaient de 0,019 mol à 0,025 mol, tandis que les valeurs de CIVD variaient de 7,352 mg C à 259,279 mg C (Figure 16 et Figure 17).

Figure 16
Figure 16 : Distribution de probabilité des valeurs d’exemple mesurées pour l’AT dans le lixiviat prélevé à la fin de la période expérimentale. Les traitements où les colonnes ont été inondées ne sont pas affichés. Les valeurs sont exprimées en mol et sont corrigées de la quantité totale de lixiviat collectée à la fin des expériences. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 17
Figure 17 : Distribution de probabilité des valeurs d’exemple mesurées pour le CIV dans le lixiviat prélevé à la fin de la période expérimentale. Les traitements où les colonnes ont été inondées ne sont pas affichés. Les valeurs sont exprimées en mg de carbone (C) et sont corrigées de la quantité totale de lixiviat collectée à la fin des expériences. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Dans le contexte actuel de la recherche, cette configuration a été conçue de manière unique pour optimiser la séquestration du carbone inorganique en améliorant l’altération minérale par l’activité du biote du sol, tout en manipulant simultanément les facteurs abiotiques connus pour stimuler l’altération. La possibilité, dans cette configuration, de collecter à la fois la matière solide traitée et le lixiviat permet une caractérisation complète des deux fractions. Malgré l’énorme quantité de colonnes, la collecte des échantillons et les analyses effectuées garantissent une collecte de données de haute qualité. En outre, il est très important d’avoir un grand nombre de combinaisons dans un seul cycle expérimental pour analyser les données collectées avec des méthodes statistiques modernes et avancées, telles que l’apprentissage automatique. Ces méthodes peuvent être utilisées pour déterminer les principales variables conduisant à des taux d’altération élevés et à une séquestration supplémentaire du carbone. Par conséquent, cette configuration offre la possibilité d’améliorer la compréhension des effets que les organismes du sol peuvent avoir sur la séquestration de la guerre électronique et de l’IC. Ceci est fondamental pour établir des contraintes plus réalistes sur les limites de la guerre électronique et son efficacité à réduire les concentrations atmosphériques de CO2 . Cette configuration présente plusieurs originalités par rapport aux études existantes portant sur la guerre électronique et l’effet des organismes du sol.

En ce qui concerne les effets des facteurs abiotiques sur la guerre électronique, ceux-ci ont déjà été étudiés dans des études antérieures 4,29,30,31,32,33,34. Certaines de ces études ont comparé différentes quantités, types et tailles de grains de roches, mais leur configuration consistait soit en une expérience en pot 32,33, soit en un mélange de poudre de roche avec de la terre34. D’autres expériences se sont concentrées sur un type de roche avec des taux d’irrigation différents, mais n’avaient pas la possibilité d’irriguer fréquemment avec un système automatisé ou se sont concentrées sur plusieurs taux et fréquences d’irrigation35. D’autres études ont présenté une configuration similaire à celle présentée dans le protocole actuel, avec la possibilité d’ajuster les taux d’irrigation et de maintenir la température constante, en plus de varier la taille et le type de grains de roche29,30. De plus, la conception de ces installations était comparable à celle proposée dans le présent manuscrit et conçue pour recueillir le lixiviat en vue d’analyses ultérieures29,30. De plus, les concentrations de CO2 ont varié dans ces études, ce qui constitue un autre facteur d’altération29. Cependant, aucune de ces études antérieures ne s’est concentrée sur l’effet des facteurs biotiques sur la promotion de la guerre électronique. Dans cette configuration, l’objectif est d’améliorer le processus d’altération et la séquestration des CI en inoculant des bactéries, des champignons et des vers de terre spécifiques et en déterminant dans quelle mesure ils peuvent accélérer la guerre électronique.

En ce qui concerne l’effet des facteurs biotiques sur la guerre électronique, peu d’études ne se sont pas spécifiquement concentrées sur la guerre électronique, mais ont cherché à savoir si les organismes du sol peuvent influencer l’altération minérale. Ces études ont principalement exploré comment l’altération est affectée par les organismes du sol en utilisant des milieux de culture 19,21, des boîtes de Pétri 36, des sacs en nylon enfouis dans le sol14 ou de petites quantités de poudre de roche mélangée à d’autres substrats36,37. L’utilisation de systèmes ou d’installations aussi petits rend difficile de démêler l’effet des organismes des autres variables. Certaines expériences ont utilisé une configuration similaire à celle proposée ici, mais à une échelle plus petite, avec des colonnes remplies de poudre de roche inoculées avec des organismes du sol38,39,40. Cependant, ces expériences ont soit permis de cultiver simultanément des plantes et de ne pas se concentrer sur l’effet exclusif d’organismes spécifiques du sol13,35, soit de ne pas recueillir le lixiviat 36. En outre, la plupart des études qui ont montré que les bactéries, les champignons et les vers de terre augmentent l’altération minérale se sont concentrées sur l’effet de ces organismes sur la libération de nutriments comme indication de l’altération plutôt que sur la séquestration de l’IC 11,13,14,19,36,37,38 . Surtout, aucune de ces études antérieures ne visait à promouvoir la guerre électronique ou ne présentait la possibilité d’ajuster et de maintenir les facteurs abiotiques tout au long de la période expérimentale. Dans cette configuration, au lieu de maintenir tous les facteurs abiotiques constants, une multitude de combinaisons sont testées pour quatre facteurs abiotiques, tels que les taux et les fréquences d’irrigation de l’eau, le type de poudre de roche et la taille des grains, dans le but de favoriser la guerre électronique par l’activité des organismes du sol.

De plus, aucune des études précédentes qui se sont concentrées sur l’effet des facteurs abiotiques ou biotiques sur la guerre électronique n’a présenté la possibilité d’avoir un très grand nombre de colonnes et de variables au cours d’une seule série expérimentale. Dans cette configuration, il est possible de tester plusieurs combinaisons différentes de différentes variables au cours d’une seule série d’expériences en raison du nombre impressionnant de colonnes pour lesquelles la configuration a été conçue, tout en fournissant des résultats de haute qualité. Compte tenu de la nouveauté de la configuration, nous présentons ci-dessous quelques améliorations possibles et les défis restants qui pourraient être pris en compte lors de la conception de futures configurations similaires.

Des conditions d’air homogènes dans la chambre d’incubation doivent être assurées. Le placement de l’installation dans une chambre climatique a permis d’assurer une température et une humidité relative constantes. Les contraintes de ventilation (par exemple, le débit d’air) peuvent avoir créé une variabilité spatiale dans les conditions atmosphériques et donc conduit à une évaporation disproportionnée des colonnes à certains endroits, ce qui est un phénomène courant dans ce type d’installation35. Pour faire face à cet inconvénient, lorsque la réplication et la randomisation ne sont pas possibles, il est conseillé de calculer un bilan hydrique pour les colonnes placées à différents endroits dans la chambre.

Les colonnes doivent être soigneusement alignées avec les entonnoirs une fois insérées dans la plaque acrylique pour éviter la perte de lixiviat. Au cours de la période expérimentale considérée, des pertes de lixiviat se sont produites à partir du bas des colonnes en raison d’un mauvais positionnement des entonnoirs ou de l’encrassement des mailles. Avec l’évaporation, cela peut expliquer en partie pourquoi le lixiviat collecté était inférieur aux attentes (figure 13). Pour minimiser ces pertes, il est important de s’assurer que les entonnoirs sont positionnés de manière optimale sous les colonnes. L’utilisation d’entonnoirs plus larges est également une option viable. Dans ce cas, il convient de faire attention au diamètre des trous lors de la construction des plaques acryliques et à la distance entre les plaques acryliques.

Le ralentissement de l’écoulement de l’eau dans les expériences sur colonne de sol où l’eau est appliquée fréquemment est un problème récurrent 7,30,40. Dans les expériences réalisées avec la configuration présentée, dans certains cas, des taux d’irrigation assez élevés et des granulométries minérales très fines ont été utilisés, qui n’ont pas initialement la structure normalement observée dans les sols. Cela a pu provoquer l’obstruction des pores des mailles au bas des colonnes, qui ne contiennent que des minéraux fins, pendant le déroulement des expériences. Par conséquent, l’eau ne s’est pas écoulée assez rapidement à travers les colonnes, ce qui a entraîné à la fois l’inondation des colonnes, réduisant l’infiltration d’eau et la collecte de lixiviat, et des conditions anoxiques à l’intérieur des colonnes, ce qui a eu un impact sur les processus biogéochimiques. Pour atténuer ce problème, il est important de toujours mélanger un certain pourcentage de granulométrie grossière avec des granulométries minérales plus fines et d’éviter les mélanges granulométriques 100% minéraux très fins. Une autre option consiste à permettre aux colonnes de subir un certain nombre de cycles de mouillage/séchage pour initier la formation de la structure du sol, et ainsi améliorer l’infiltration de l’eau. En outre, avant le début de l’expérience, il serait utile de déterminer la dynamique de base de l’eau du sol, telle que le débit saturé et non saturé et la courbe de rétention d’eau, dans quelques mésocosmes pour mieux comprendre le flux de gaz, l’état de saturation minérale et les moteurs de l’activité des organismes.

Le dispositif expérimental présenté est pratique à utiliser, présente une installation simple et peut être ajusté en fonction des besoins de la recherche. Dans le cadre de l’altération minérale, avec les ajustements nécessaires, il peut être couplé à une chambre à gaz afin non seulement de caractériser le carbone en phase solide et aqueuse, mais aussi d’examiner la dynamique du carbone en phase gazeuse. De plus, cette configuration peut être utilisée pour étudier des taux d’infiltration d’eau réalistes avec des séquences sèches-humides, car ces dynamiques temporelles pourraient fortement influencer l’altération41. L’utilisation de cette configuration n’est pas limitée aux expériences qui se concentrent uniquement sur les minéraux silicatés, mais elle peut être mise en œuvre dans des expériences en colonne qui utilisent différents substrats. En outre, la durée des expériences peut être raccourcie ou prolongée en fonction des besoins expérimentaux, et le nombre de colonnes peut être modifié. La possibilité de prélever des échantillons à la fois sur les matériaux solides traités et sur le lixiviat nous permet d’effectuer différentes analyses pour nous concentrer sur l’un des deux composants ou sur les deux. Pour présenter les connaissances, il s’agit de la seule installation qui a été construite jusqu’à présent avec un nombre exceptionnel de colonnes qui vise à utiliser les organismes du sol pour améliorer l’altération minérale tout en contrôlant simultanément les conditions abiotiques dans un système composé uniquement de minéraux silicatés et de matières organiques.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous remercions Ton van der Zalm de Tupola pour le développement du système d’irrigation. De plus, nous remercions Jaco Baars de Tupola pour les rires et le soutien mental qu’il a apportés lors de la construction de cette installation. Nous remercions Peter Garamszegi et Ángel Velasco Sánchez d’avoir aidé à arroser manuellement les colonnes lorsque le système d’irrigation ne fonctionnait pas. Nous remercions également Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg et Kangying Xie pour l’aide apportée lors de l’échantillonnage. Nous remercions Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen et Gerlinde Vink pour leur aide au laboratoire, les analyses des échantillons et les discussions fructueuses. Enfin, nous remercions Jeroen Zonneveld d’Unifarm pour la mise à disposition et l’entretien de l’enceinte climatique. Cette installation a été construite dans le cadre du projet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM !), financé par le programme-cadre de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention n° 964545.

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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Biochimie Numéro 201
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