Summary
Hier presenteren we de constructie en werking van een experimentele opstelling om minerale verwering te verbeteren door de activiteit van bodemorganismen, terwijl tegelijkertijd abiotische variabelen worden gemanipuleerd waarvan bekend is dat ze verwering stimuleren. Representatieve resultaten uit de werking van de opstelling en steekproefanalyses worden besproken samen met verbeterpunten.
Abstract
Verbeterde verwering (EW) is een opkomende technologie voor het verwijderen van kooldioxide (CO2) die kan bijdragen aan de beperking van de klimaatverandering. Deze technologie is gebaseerd op het versnellen van het natuurlijke proces van minerale verwering in de bodem door het manipuleren van de abiotische variabelen die dit proces regelen, met name de korrelgrootte van mineralen en blootstelling aan in water opgeloste zuren. EW is voornamelijk gericht op het verminderen van de atmosferische CO2 -concentraties door de anorganische koolstofvastlegging te verbeteren. Tot nu toe is de kennis van EW vooral opgedaan door experimenten die zich richtten op de abiotische variabelen die bekend staan om het stimuleren van minerale verwering, waardoor de potentiële invloed van biotische componenten werd verwaarloosd. Hoewel bekend is dat bacteriën, schimmels en regenwormen de verweringssnelheid van mineralen verhogen, blijft het gebruik van bodemorganismen in de context van EW onderbelicht.
Dit protocol beschrijft het ontwerp en de bouw van een experimentele opstelling die is ontwikkeld om de verweringssnelheid van mineralen door bodemorganismen te verbeteren en tegelijkertijd de abiotische omstandigheden te beheersen. De opstelling is ontworpen om de verweringssnelheid te maximaliseren en tegelijkertijd de activiteit van bodemorganismen te behouden. Het bestaat uit een groot aantal kolommen gevuld met steenpoeder en organisch materiaal, gelegen in een klimaatkamer en met water dat wordt toegediend via een downflow-irrigatiesysteem. Boven een koelkast met jerrycans worden kolommen geplaatst om het percolaat op te vangen. Representatieve resultaten tonen aan dat deze opstelling geschikt is om de activiteit van bodemorganismen te waarborgen en hun effect op anorganische koolstofvastlegging te kwantificeren. Uitdagingen blijven bestaan in het minimaliseren van percolaatverliezen, het garanderen van homogene ventilatie door de klimaatkamer en het voorkomen van overstroming van de kolommen. Met deze opzet wordt een innovatieve en veelbelovende aanpak voorgesteld om de verweringssnelheid van mineralen te verbeteren door de activiteit van bodembiota en het effect van biotische en abiotische factoren als aanjagers van EW te ontrafelen.
Introduction
Verbeterde verwering (EW) is een relatief nieuwe en low-tech technologie voor het verwijderen van kooldioxide (CDR) met een aanzienlijk potentieel om de klimaatverandering te beperken 1,2,3. Het principe van deze technologie is gebaseerd op het versnellen van het natuurlijke minerale verweringsproces in de bodem, wat leidt tot de vastlegging van koolstofdioxide (CO2) als anorganische koolstof (IC)3. Verbeterde verwering is gericht op het verhogen van de IC-vastlegging door de factoren die de verwering van mineralen beheersen kunstmatig te optimaliseren, waardoor de snelheid waarmee verwering plaatsvindt wordt verhoogd op voor de mens relevante tijdschalen3. Om EW het meest effectief te laten zijn, worden snel verwerende silicaatmineralen vermalen tot een poeder met een korrelgrootteverdeling in het bereik van micrometers tot millimeters om een hoog reactief oppervlak te bereiken in het bereik van ~1 m2·g-1 3,4.
Tot nu toe is de kennis over EW voornamelijk verkregen door experimenten die zich richten op abiotische factoren die de snelheid bepalen waarmee mineralen wordenopgelost5. Deze omvatten minerale reactiviteit en oppervlakte, temperatuur, oplossingssamenstelling, verblijftijd van water en zuurgraad 4,6,7, maar binnen deze context moet nog onderzoek worden gedaan. Natuurlijke systemen, en bodems in het bijzonder, worden niet alleen beïnvloed door abiotische factoren, maar worden ook gevormd door een groot aantal organismen, variërend van microben tot macrofauna zoals regenwormen. Ondanks dat sommige studies weinig of geen invloed hebben aangetoond op de biotische activiteit van het oplossen van mineralen 8,9,10, hebben andere studies bewijs geleverd dat bodemorganismen zoals bacteriën 11,12, schimmels 13,14 en regenwormen 15,16 kan de verweringssnelheid van mineralen verhogen. Daarom kunnen biotische componenten de sleutel zijn tot het begrijpen van het werkelijke IC-sekwestratiepotentieel van EW5.
Het eerste gemeenschappelijke mechanisme waardoor bodemorganismen de oplossing van mineralen kunnen versnellen, is via het vrijkomen van CO2 tijdens de ademhaling, wat de verzuring van de bodem verhoogt. Bovendien kunnen bacteriën en schimmels de verwering van mineralen verhogen door protonen, chelaten, organische zuren en enzymen uit te scheiden, die allemaal de oplossing van mineralen verbeteren 18,19,20,21. Chelatie door carboxyl- en hydroxylgroepen kan bijvoorbeeld ionenonevenwichtigheden veroorzaken, waardoor elementen van de oppervlakken van mineralen worden getransporteerd en de verzadigingstoestanden worden verlaagd20,22. Dit zou kunnen leiden tot minder secundaire mineraalvorming en een hogere efficiëntie van EW. Bovendien kunnen de sterke acties van de lichaamswanden van regenwormen, door zich te voeden met bodemdeeltjes, minerale korrels afbreken tot fijnere deeltjes, waardoor hun beschikbare reactieve oppervlak toeneemt23. Microben die in de darmen van regenwormen en verse uitwerpselen leven, kunnen deze kleinere deeltjes verder aanvallen, die organische zuren en enzymen verder exsudateren24,25. Door hun gravende activiteit dragen regenwormen niet alleen bij aan het mengen van organische en minerale deeltjes, maar creëren ze ook macroporiën waardoor de waterstroom de verzadigde porieruimte kan omzeilen17. Dit zou het water in staat kunnen stellen om te interageren met verschillende minerale oppervlakken en de contactsnelheid tussen water en gesteente te verbeteren.
Tot nu toe is er geen opstelling gebouwd om EW-snelheden en dus IC-vastlegging te bestuderen met behulp van bodemorganismen, terwijl de mogelijkheid wordt geboden om verschillende relevante abiotische omstandigheden te optimaliseren, zoals watertoevoer, temperatuur, mineraaltype en minerale korrelgrootte. Hier wordt het ontwerp en de uitleg van de bouwstappen gepresenteerd van een innovatieve opstelling die gericht is op het verhogen van de EW-waarden door de activiteit van bodemorganismen in kleine mesokosmossen. De proefopstelling bestaat uit 203 kolommen (lengte 15 cm, diameter 7 cm) die gedurende 8 weken in een klimaatkamer (4,54 m x 2,72 m) bij 25 °C worden geplaatst. De 203 kolommen zijn verdeeld in 10 groepen van 18 en 2 groepen van 10 om in de klimaatkamer te passen. Een van de twee groepen van 10 kolommen wordt gebruikt om het invoegen van nog drie kolommen mogelijk te maken die als lege ruimtes worden gebruikt. Elke groep wordt boven een koelkast geplaatst en wordt bekroond door een op afstand bedienbaar irrigatiesysteem, dat variabele irrigatiesnelheden binnen en tussen koelkasten mogelijk maakt. Het percolaat van elke kolom wordt opgevangen in een jerrycan die op een constante temperatuur in de koelkast wordt bewaard (Figuur 1). Eén koelkast vangt het percolaat van een groep kolommen op, wat betekent dat één koelkast kan worden beschouwd als een enkel systeem van 18 of 10 kolommen. Daarom kan het aantal kolommen in deze experimentele opstelling worden aangepast aan de experimentele vereisten met een maximum van 203 kolommen.
Figuur 1: Schematisch zijaanzicht van de opstelling met 5 kolommen, maar rekening houdend met een systeem van 18 kolommen. Het frame dat de kolommen vasthoudt, is gemaakt van roestvrijstalen platen, roestvrijstalen schroeven en acrylplaten. Kolommen zijn in het midden van het frame geplaatst en worden bekroond door een irrigatiesysteem. Onder de kolommen zijn trechters via leidingen verbonden met jerrycans om het percolaat op te vangen. Jerrycans staan in een koelkast waar het hele systeem in past. De koelkast kan worden geopend door het deksel op te tillen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In deze opstelling zorgt het gebruik van silicaatgesteentepoeders van specifieke korrelgroottes ervoor dat hoge verweringssnelheden kunnen worden bereikt, terwijl de inoculatie met specifiek geselecteerde bacteriën, schimmels en regenwormen de biotische activiteit in dit kunstmatige systeem verleent. De opstelling maakt gelijktijdige kwantificering mogelijk van koolstof die is vastgelegd in de vaste en in de vloeistofmonsters door zowel opgeloste als vaste IC te meten, evenals totale alkaliteit (TA). Bovendien kunnen andere parameters zoals pH, elektrische geleidbaarheid (EC) en ionen in het percolaat worden gemeten als indicatoren van verwering. Deze opstelling maakt het ook mogelijk om de impact van de overleving en activiteit van bodemorganismen te beoordelen. Representatieve resultaten blijken de geschiktheid van dit protocol te bewijzen om een opstelling te bouwen waarbij de toename van de verweringssnelheid niet alleen wordt afgeleid van abiotische factoren, maar ook van biotische factoren.
Protocol
Hieronder wordt een gedetailleerd protocol beschreven voor de constructie van de verschillende onderdelen van de opstelling uitgaande van een systeem van 18 kolommen.
1. Constructie van het frame dat de kolommen vasthoudt
- Bereid acrylplaten voor om het irrigatiesysteem, de kolommen, de trechters en de leidingen vast te houden om het percolaat op te vangen.
- Snijd drie acrylplaten (acrylplaten 1-3) met afmetingen van 63 cm x 67 cm en één acrylplaat (acrylplaat 4) met afmetingen van 45 cm x 56 cm.
- Snijd op elke acrylplaat 18 gaten volgens de instructies in de onderstaande stappen.
- Acrylplaat 1 - bovenplaat: snijd gaten met een diameter van 0,7 cm om later de buizen van het irrigatiesysteem in te brengen.
- Acrylplaat 2 - tweede vanaf de bovenplaat: snijd gaten met een diameter van 8 cm om de kolommen later in te voegen (Figuur 2).
- Acrylplaat 3 - tweede vanaf de bodemplaat: snijd gaten met een diameter van 1,2 cm om de trechters later in te brengen.
- Acrylplaat 4 - bodemplaat: snijd gaten met een diameter van 1,2 cm om later de plastic buizen in te brengen die het percolaat naar de jerrycans brengen.
- Snijd bovendien een gat met een diameter van 1.1 cm op elke hoek en een gat met een diameter van 1.1 cm aan de zijkanten van acrylplaten 1-3 om de roestvrijstalen schroeven in te brengen.
- Druk voor elke acrylplaat plastic etiketten met de nummers van de kolommen (1-18) af met een labelprinter en plak ze onder het betreffende gat.
NOTITIE: Het plakken van labels op acrylplaten 2, 3 en 4 volgens het aantal van de 18 kolommen helpt bij het plaatsen van de verschillende onderdelen van de opstelling op hun respectievelijke locatie tijdens de installatie.
- Gebruik roestvrijstalen platen en schroeven om de acrylplaten vast te houden.
- Neem de op maat gemaakte roestvrijstalen platen, die zijn gemaakt volgens het ontwerp in figuur 3 met afmetingen 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm en een dikte van 1,5 mm.
- Boor gaten met een diameter van 1,1 cm op elke hoek en aan de zijkanten van elke roestvrijstalen plaat.
- Neem roestvrijstalen schroeven (50 cm lang).
- Plaats acrylplaten in de volgorde van boven naar beneden voor acrylplaten 1 (irrigatiebuizen), 2 (kolommen) en 3 (trechters) op de roestvrijstalen schroeven. Gebruik twee zeskantmoeren en twee ringdragers voor elke hoek om de acrylplaat op zijn plaats te houden.
NOTITIE: Houd voldoende afstand tussen elke acrylplaat om de verschillende componenten later te plaatsen. Houd een afstand van ~19,5 cm aan van acrylplaat 1 tot acrylplaat 2, ~10,5 cm van acrylplaat 2 tot acrylplaat 3 en ~16,5 cm van acrylplaat 3 tot acrylplaat 4. - Monteer roestvrijstalen platen aan de boven- en onderkant op de roestvrijstalen schroeven met behulp van twee zeskantmoeren en twee ringdragers voor elke hoek.
- Plaats het hele systeem bovenop de koelkast nadat de constructie van het koelsysteem is voltooid.
Figuur 2: Schematisch bovenaanzicht van het ontwerp van acrylplaat 2 waar de kolommen zijn geplaatst. Genummerde labels geven aan waar de bijbehorende kolommen moeten worden geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Ontwerp van de roestvrijstalen platen. (A,B) Bovenplaat. (C,D) Bodemplaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Bouw van het koelsysteem voor de percolaatopvang
- Zet de koelkast klaar om de jerrycans op te plaatsen.
- Haal beide deksels uit de koelkast en vervang het achterdeksel door acrylplaat 4.
NOTITIE: Eenmaal geïnstalleerd, mag deze acrylplaat niet worden verwijderd. Om in de koelkast te werken, verwijdert u het voordeksel door het op te tillen. - Plaats de koelkast in de klimaatkamer en steek de stekker in het stopcontact.
- Stel de koelkasttemperatuur in op 4 °C en plaats een datalogger in de koelkast.
- Sluit de koelkast met het voordeksel.
- Bewaak 's nachts de gegevens die door de datalogger zijn geregistreerd. Als de temperatuur afwijkt van de gewenste waarde, verwijder dan het rooster aan de onderkant van de koelkast en pas de temperatuur aan. Herhaal deze procedure totdat de gewenste temperatuur is bereikt.
- Haal beide deksels uit de koelkast en vervang het achterdeksel door acrylplaat 4.
- Gebruik polyvinylchloride (PVC) buizen om de trechters op de jerrycans aan te sluiten.
- Snijd 18 PVC-buizen (binnendiameter 0,8 cm) met een geschikte lengte om elke jerrycan uit de verschillende trechters te bereiken volgens de respectievelijke nummers.
LET OP: De lengte varieert van minimaal 38 cm voor de kortste buis tot maximaal 81 cm voor de langste buis. - Spoel de leidingen voor het eerste gebruik af met demi-water; in elk ander geval, laat ze 4 dagen weken in 50 L water waar 30 g van het citroenzuurproduct werd verdund om carbonaatneerslag te verwijderen. Spoel daarna de leidingen opnieuw af met demi-water.
LET OP: zelfs als het product voor citroenzuur veilig is om te gebruiken, vermijd contact met de ogen en langdurig contact met de huid door de juiste beschermende maatregelen te nemen.
OPMERKING: als er ultrapuur water beschikbaar is, verdient het de voorkeur om dit te gebruiken in plaats van demiwater. - Laat de buizen 24 uur aan de lucht drogen.
- Plaats de buizen in acrylplaat 4 volgens hun respectievelijke nummers.
- Snijd 18 PVC-buizen (binnendiameter 0,8 cm) met een geschikte lengte om elke jerrycan uit de verschillende trechters te bereiken volgens de respectievelijke nummers.
- Installeer trechters om het percolaat naar de jerrycans te leiden.
- Veeg 18 trechters schoon met ethanol voor het eerste gebruik; volg in alle andere gevallen dezelfde procedure als voor de PVC-buizen.
LET OP: Ethanol is ontvlambaar en kan irritatie van de ogen, huid en luchtwegen, duizeligheid en oppervlakkige ademhaling veroorzaken. Ethanol is schadelijk bij inslikken, inademen of opname door de huid. - Plaats de trechters in acrylplaat 3 en sluit ze aan op de respectievelijke buizen volgens hun nummers.
- Veeg 18 trechters schoon met ethanol voor het eerste gebruik; volg in alle andere gevallen dezelfde procedure als voor de PVC-buizen.
- Installeer jerrycans om het percolaat op te vangen.
- Neem 10 high-density polyethyleen (HDPE) jerrycans met een inhoud van 10 L en 8 HDPE jerrycans met een inhoud van 5 L.
OPMERKING: Jerrycans van 5 L worden gebruikt voor lage irrigatiesnelheden, terwijl jerrycans van 10 L worden gebruikt voor hoge irrigatiesnelheden (zie tabel 1). Er wordt gekozen voor jerrycans in HDPE omdat dit materiaal chemisch inert is. - Verdun 50 ml afwasmiddel in 10 L kraanwater. Spoel de jerrycans één keer met deze oplossing, één keer met kraanwater en één keer met demi-water. Herhaal deze reinigingsprocedure voor elk ander gebruik.
OPMERKING: als er ultrapuur water beschikbaar is, verdient het de voorkeur om dit te gebruiken in plaats van demiwater. - Laat de jerrycans 24 uur aan de lucht drogen.
- Boor een gat in het deksel van elke jerrycan met een diameter van 1,2 cm om de plastic buis in te brengen om het percolaat op te vangen.
- Sluit de jerrycans af met het betreffende deksel.
- Plaats de jerrycans in twee lagen in de koelkast volgens het schema in figuur 4 en sluit tegelijkertijd de buizen aan op de jerrycans.
- Neem 10 high-density polyethyleen (HDPE) jerrycans met een inhoud van 10 L en 8 HDPE jerrycans met een inhoud van 5 L.
Figuur 4: Schematisch overzicht van de jerrycans in de koelkast in twee gestapelde lagen, onderste (linkerkant) en bovenste laag (rechterkant). Zwarte cirkels geven de richting van de deksels aan, terwijl de blauwe en groene rechthoeken respectievelijk 10 L en 5 L jerrycans aangeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Constructie van de kolommen en het maassysteem
- Gebruik PVC-kolommen als mesokosmos om gesteentepoeder en bodemorganismen te incuberen
- Snijd de PVC-buizen in 18 kolommen met een lengte van 15 cm.
- Reinig de kolommen volgens procedure 1 als het voor het eerste gebruik is en procedure 2 in alle andere gevallen.
- Procedure 1:
- Week de kolommen 48 uur in demi-water.
OPMERKING: als er ultrapuur water beschikbaar is, verdient het de voorkeur om dit te gebruiken in plaats van demiwater. - Spoel de kolommen af met demi-water. Droog en veeg de kolommen af met ethanol.
- Nummer de kolommen met behulp van labels of rechtstreeks met een stift op de buis.
- Week de kolommen 48 uur in demi-water.
- Procedure 2:
- Week de kolommen 1 dag in water.
- Gebruik de borstel om eventuele experimentele resten weg te schrobben.
- Droog en veeg de kolommen af met ethanol.
- Procedure 1:
- Gebruik middelste ringen om kolommen boven de trechters te houden.
- Ontwerp met een 3D-printer een ring (diameter van 8,5 cm en dikte van 0,5 cm). Zorg ervoor dat u aan de onderkant nog een ring tekent die in de gaten van acrylplaat 2 past voor meer stabiliteit van de kolommen (Figuur 5).
- Print 18 ringen met de 3D-printer met thermoplastisch polyurethaan (TPU) 95A-materiaal.
- Plaats de ringen op de kolommen in een positie die de kolommen 2-3 cm boven de trechters houdt.
- Gebruik een gaassysteem aan de onderkant van de kolommen om het percolaat te filteren en het verlies van deeltjes te minimaliseren.
- Snijd het gaas (10 μm en 20 μm poriegrootte) in vierkanten van 12 cm x 12 cm.
- Week het gaas 2 dagen in ultrapuur water. Laat het gaas aan de lucht drogen.
- Plaats onderaan de kolom het eerste gaas van 20 μm. Leg een laag plastic kralen van 1 cm over de maaswijdte van 20 μm.
- Plaats het tweede gaas van 10 μm bovenop het gaas van 20 μm en de laag plastic parels.
- Plaats twee kabelbinders om het gaassysteem op zijn plaats te houden. Span de kabelbinders aan en knip de randen af.
OPMERKING: Figuur 6 laat zien hoe het mesh-systeem aan de onderkant van de kolom moet worden gemonteerd.
- Gebruik een gaas aan de bovenkant om te voorkomen dat regenwormen ontsnappen.
- Snijd de maaswijdte van 1 mm poriegrootte in vierkanten van 12 cm x 12 cm.
- Zodra de kolommen zijn gevuld met steenpoeder en regenwormen zijn geïntroduceerd (sectie 7), plaatst u het gaas op de kolommen.
NOTITIE: Dit gaas moet bovenop de kolommen worden geplaatst om te voorkomen dat regenwormen uit de kolommen ontsnappen. In het geval dat regenwormen niet worden geïntroduceerd, is het nog steeds aan te raden om dit gaas te gebruiken om dezelfde omstandigheden voor alle kolommen te behouden. - Plaats een elastiekje om het gaas om het op zijn plaats te houden.
Figuur 5: Model van de ring om de kolommen voor de 3D-printer vast te houden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6: Schema van de constructie van het maassysteem onderaan de kolom. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
4. Aanleg van het irrigatiesysteem
- Ontwerp en maak sprinklers om het water gelijkmatig over de kolommen te verdelen
- Maak met een 3D-printer een ontwerp voor een sprinkler volgens het model en de relatieve afmetingen in figuur 7.
- Print 18 sprinklers met de 3D-printer met TPU 95A-materiaal.
NOTITIE: Laat de sprinklers na het printen minimaal 24 uur drogen voordat u ze in de PE-microslangen steekt om te voorkomen dat ze breken.
- Installeer het irrigatiesysteem: kleppen en buizen.
- Schroef twee neusstukken aan de voorkant van twee magneetventielen en schroef twee T-stuk plug-in fittingen aan de achterkant van de magneetventielen.
NOTITIE: Als men wil dat de waterslang eindigt met dit systeem en niet doorgaat naar andere systemen, schroef dan aan de achterkant van het ventiel dat naar het einde van de koelkast wordt geplaatst een insteekfitting met twee aansluitingen in plaats van de T-stuk insteekfitting. Op deze manier eindigt hier de wateraansluiting. - Installeer de twee magneetventielen aan één kant van de bovenste roestvrijstalen plaat.
OPMERKING: Eén klep bestuurt één irrigatiebuis, die op zijn beurt 8 of 10 kolommen van de in totaal 18 kolommen irrigeert. - Snijd de irrigatiebuis van polyethyleen met lage dichtheid (LDPE) in twee buizen van 53 cm.
- Sluit een kant van elke buis af met een eindkap.
- Wikkel het andere uiteinde van de buizen in polytetrafluorethyleen (PFTE) tape en sluit deze aan op de magneetventielen.
- Maak 8 gaatjes in de eerste irrigatiebuis dichter bij de voorkant van de koelkast en maak 10 gaatjes in de tweede irrigatiebuis verder van de voorkant van de koelkast.
LET OP: het is erg belangrijk om de gaten te maken met een handpons, omdat dit nodig is voor de juiste positionering en werking van de drukregelaars. Het gebruik van ander gereedschap als boormachine wordt afgeraden. - Steek de drukregelaars in de gaten van de twee buizen.
- Snijd de polyethyleen (PE) microslang in 18 kleine buisjes van een lengte van 20 cm om de kolommen van de irrigatieleiding te bereiken en bevestig ze aan de drukregelaars.
- Steek de kleine buisjes in de gaten van acrylplaat 1.
- Steek de sprinklers horizontaal in de kleine buizen op het oppervlak van de kolommen.
NOTITIE: Als men problemen ondervindt met het irrigatiesysteem (bijv. verstoppingen in de waterstroom of oncontroleerbare waterstroom), kan dit te wijten zijn aan: (a) storing van de kleppen, (b) deeltjes die in de buis achterblijven; c) PFTE-tape die niet goed om het uiteinde van de buis is gewikkeld. Vervang voor punt a de klep. Zorg er voor de punten b en c voor dat de buizen worden schoongemaakt voordat u begint met het besproeien van de kolommen en dat er geen resten van de PFTE-tape aan de buis hangen. Het is belangrijk om elke overdracht van deeltjes te vermijden die de goede werking van de klep zouden kunnen belemmeren.
- Schroef twee neusstukken aan de voorkant van twee magneetventielen en schroef twee T-stuk plug-in fittingen aan de achterkant van de magneetventielen.
- Stel de aansluiting in voor het transport van water.
- Snijd de polyurethaan (PU) slang in drie verschillende slangen voor de wateraansluiting. De exacte lengtes van de slangen variëren afhankelijk van het ontwerp van het systeem en de kamer. Gebruik de eerste slang om het T-stuk van de eerste klep op de kraan aan te sluiten, de tweede slang om de T-stukken van elke klep aan te sluiten en de derde slang om het T-stuk van de tweede klep op het volgende systeem aan te sluiten.
NOTITIE: Als er geen aansluiting op het volgende systeem nodig is, is het niet nodig om de derde slang door te knippen. - Sluit de PU-slangen aan op de T-stuk insteekfittingen aan de achterkant van de magneetventielen.
- Verbind de PU-slang van het eerste ventiel met de kraan door een insteekfitting met twee aansluitingen op de adapterring te schroeven.
- Open de kraan om het water in de buizen te laten stromen.
- Snijd de polyurethaan (PU) slang in drie verschillende slangen voor de wateraansluiting. De exacte lengtes van de slangen variëren afhankelijk van het ontwerp van het systeem en de kamer. Gebruik de eerste slang om het T-stuk van de eerste klep op de kraan aan te sluiten, de tweede slang om de T-stukken van elke klep aan te sluiten en de derde slang om het T-stuk van de tweede klep op het volgende systeem aan te sluiten.
- Installeer het besturingssysteem en stel de aansluiting op het irrigatiesysteem in.
- Sluit de webcontroller aan, de uitbreidingsmodule met acht relais en de railvoeding. Plaats ze in de polycarbonaat behuizing volgens de instructies van de fabrikant.
OPMERKING: Eén modulaire controller komt overeen met één apparaat, dat op zijn beurt acht relais aanstuurt. Eén relais regelt het openen en sluiten van één specifieke klep. - Verbind de twee kleppen met elkaar met behulp van de elektrische kabels en sluit de voedingskabel aan op elke klep.
- Sluit het andere uiteinde van de voedingskabel aan op de webcontroller.
- Sluit alles aan op een stopcontact en maak een internetverbinding voor de webcontroller.
- Sluit de webcontroller aan, de uitbreidingsmodule met acht relais en de railvoeding. Plaats ze in de polycarbonaat behuizing volgens de instructies van de fabrikant.
- Stel de online controle van irrigatie-instellingen in om de irrigatiesnelheden in te stellen.
- Volg de instructies van de fabrikant voor configuratie en configuratie. Gebruik de webbrowser om te programmeren en te testen.
- Ga naar http://10.73.10.250/setup.html.
- Gebruik een gebruikersnaam en wachtwoord om in te loggen.
- Ga in het linkermenu naar Control/Logic en vervolgens naar Tasks/Functions.
- Eén relais regelt het openen en sluiten van één klep. Voor elk relais zijn er twee taken, de ene zet het relais aan (klep open) en de andere schakelt het relais uit (klep gesloten). Om de instelling van elke taak te wijzigen, klikt u op Bewerken.
- Wanneer de taak van het relais moet worden ingeschakeld, stelt u de datum en tijd in waarop het relais moet beginnen te werken door te klikken op Startdatum en Starttijd (bijv.4 mei 2022 om 7:45:00; zie figuur 8). Om de bewateringsfrequentie in te stellen, klikt u op Herhalen en Elke herhalen instellen (bijv. dagelijks elke 1 dag(en) voor een bewateringsfrequentie van één keer per dag; zie afbeelding 8). Om de datum in te stellen waarop het relais niet meer werkt, klikt u op Eindherhalingsdatum (bijv. 20mei 2022 om 23:59:59; zie afbeelding 8).
- Wanneer de taak voor het relais moet worden uitgevoerd, stelt u het tijdstip in waarop het relais moet stoppen met werken. Dit hangt af van de benodigde waterirrigatie en de besproeiingsfrequentie, stel bijvoorbeeld de tijd in op 7:46:30 voor een dagelijkse herhaling. Dit betekent dat het relais 1 minuut en 30 s werkt, voor de hoeveelheid water van 50 ml·dag-1 met een besproeiingsfrequentie van eenmaal per dag (zie tabel 1). De begin- en einddatum zijn hetzelfde als de taak voor het inschakelen van het relais, evenals de bewateringsfrequentie.
- Wanneer de installatie van elk relais is voltooid, vergeet dan niet om op Wijzigingen opslaan te klikken.
NOTITIE: Niet alle relais mogen tegelijkertijd werken om overbelasting van het systeem te voorkomen. Laat altijd minimaal 30 seconden tussen de taken van verschillende relais (bijv. relais 1 van apparaat 1 beëindigt zijn taak om 07:46:30, relais 2 van apparaat 1 begint zijn taak om 07:47:00). - Controleer of de instellingen van elk relais dezelfde startdatum en einddatum hebben. Tabel 1 toont een voorbeeld van de tijd die nodig is voor verschillende waterirrigatiesnelheden bij verschillende bewateringsfrequenties.
NOTITIE: Het irrigatiesysteem maakt meer waterirrigatiesnelheden en bewateringsfrequenties mogelijk naast de genoemde, maar er moet worden getest hoe lang de kleppen open moeten blijven voor verschillende hoeveelheden water. Voor de irrigatiesnelheden die in tabel 1 worden vermeld, is het nog steeds goed om met een eerste test te controleren of dit geldig is, aangezien deze kan veranderen afhankelijk van de waterdruk en het ontwerp van het systeem.
Figuur 7: Model van de sproeier voor het irrigatiesysteem met relatieve afmetingen. (A) Bovenaanzicht van de sproeier. (B) Zijaanzicht van de sprinkler. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Voorbeeld van de instellingenweergave van het irrigatiesysteem voor het instellen van het relais. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
| Irrigatiesnelheid van het water (ml·dag-1) | Bewateringsfrequentie (aantal keren ·dag-1) | Tijd voor relais naar werk(en) |
| 50 |
1 | 95 |
| 2 | 50 | |
| 5 | 23 | |
| 100 |
1 | 190 |
| 2 | 100 | |
| 5 | 45 | |
| 150 |
1 | 280 |
| 2 | 140 | |
| 5 | 55 |
Tabel 1: Indicaties van de tijden die nodig zijn om de kleppen open te zetten om verschillende waterirrigatiesnelheden bij verschillende besproeiingsfrequenties mogelijk te maken.
5. Selectie van steenpoeders, organische materialen en bodembiota
OPMERKING: Voor dit experiment worden gesteentepoeders, organische materialen en bodemorganismen geselecteerd op basis van beschikbaarheid, lokaal voorkomen en literatuuronderzoek. Daarnaast worden microben geselecteerd op basis van hun niet-pathogeniteit, bepaald door de classificatie van de technische regels voor biologische agentia (TRBA)26,27,28. Afhankelijk van de exacte onderzoeksvraag kunnen deze factoren worden aangepast.
- Selecteer steenpoeders voor de experimenten.
OPMERKING: De gesteentepoeders die voor deze experimenten worden geselecteerd, zijn zowel ultramafische als mafische gesteenten met verschillende mineralogische samenstellingen, zoals duniet en diabaas. Elk gesteente heeft twee hoofdklassen van korrelgroottes, fijn (micrometerbereik) en grof (millimeterbereik). - Selecteer organische materialen voor het experiment.
OPMERKING: De organische materialen die voor deze experimenten worden geselecteerd als voedselbron voor bodembiota zijn tarwestro en digestaat uit mest en diervoederresten. - Selecteer de bacteriën voor het experiment.
OPMERKING: De bacteriën die voor deze experimenten zijn geselecteerd, zijn Bacillus subtilis en Cupriavidus metallidurans. De bacteriën zijn afkomstig van het Leibniz Instituut DSMZ (Duitsland).- Kweek bacteriën in voedingsbouillon, bestaande uit bactopepton (10 g· L-1), vleesextract (3 g· L-1) en natriumchloride (10 g· L-1) opgelost in ultrapuur water (18,2 mΩ), volgens de instructies van de leverancier.
- Autoclaaf alle kweekmedia bij 121 °C gedurende 20 minuten voorafgaand aan de inoculatie met de oude cultuur (volume = 1% van de nieuwe cultuur).
- Bepaal de celdichtheden via celtelling met een hemacytometer en verifieer de celtellingen via flowcytometrie.
OPMERKING: Deze studie maakte gebruik van een flowcytometer uitgerust met violette (405 nm) en blauwe (488 nm) lasers, met een stroomsnelheid van 10 μL/min, en gedetecteerd in het FL1-kanaal (EX 488, EM 525/40).
- Selecteer de schimmels voor het experiment.
OPMERKING: De schimmels die voor deze experimenten zijn geselecteerd, zijn Knufia petricola, Suillus variegatus en Aerobasidium pullulans. Schimmels zijn afkomstig van het Leibniz Instituut DSMZ (Duitsland), met uitzondering van K. petricola, dat afkomstig is van het Westerdijk Instituut (Nederland).- Kweek de schimmelculturen in moutextractbouillon, bestaande uit moutextract (20 g· L-1), D-(+)-glucose (20 g· L-1) en caseïnehydrolysaat (3 g· L-1) opgelost in ultrapuur water (18,2 mΩ), volgens de instructies van de leverancier.
- Autoclaaf alle kweekmedia bij 121 °C gedurende 20 minuten voorafgaand aan de inoculatie met de oude cultuur (volume = 1% van de nieuwe cultuur). Bepaal de celdichtheden via celtelling met een hemacytometer.
- Selecteer regenwormen voor het experiment.
OPMERKING: De regenwormen die voor deze experimenten zijn geselecteerd, zijn de endogeïsche soorten Aporrectodea caliginosa en Allolobophora chlorotica. Regenwormen worden vóór het experiment verzameld in het park De Blauwe Bergen bij Wageningen University & Research in Nederland (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E).
6. Vullen van de kolommen
- Bepaal het watervasthoudend vermogen (WHC) van de steenpoeders en van de organische materialen door elk materiaal eerst bij 105 °C te drogen. Doe vervolgens het droge materiaal in een kom en noteer het gewicht. Voeg beetje bij beetje water toe tot de materialen nat genoeg zijn en noteer het uiteindelijke gewicht. De WHC wordt dan gegeven door vergelijking 1.
(1) - Maal het rietje door een molen van 6 mm.
- Droog de mineralen en organische materialen gedurende 2 opeenvolgende dagen in de oven bij 40 °C.
- Weeg 400 g mineralen en 10 g organische materialen af in een kom.
OPMERKING: Hoeveelheden kunnen worden aangepast aan experimentele behoeften, maar het materiaalmengsel moet in de kolom passen. - Pas de WHC aan tot 80% afhankelijk van het mineraaltype, de minerale korrelgrootte en de aanwezige organische bron.
- Meng alles voorzichtig met een metalen lepel.
- Vul de kolommen met het mengsel.
- Plaats de gevulde kolommen in de klimaatkamer op hun respectievelijke locatie, zoals weergegeven in figuur 2. Als de kolommen niet direct in de klimaatkamer kunnen worden geplaatst, bewaar ze dan bij 15 °C en dek ze af met een plastic folie om waterverlies te voorkomen en veranderingen in de beginomstandigheden te beperken.
NOTITIE: Houd kolommen aan de onderkant vast en plaats ze voorzichtig in de acrylplaten om verlies van hun inhoud te voorkomen. Figuur 9 illustreert schematisch de stappen die moeten worden gevolgd om de kolommen te vullen.
(1)
Figuur 9: Schematisch overzicht van de verschillende stappen voor het vullen van de kolommen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
7. Inenting van het bodembiota
- Inoculeer bacteriën en schimmels op twee momenten tijdens het vullen van de kolommen (methode 1) of vlak voor het toevoegen van regenwormen (methode 2).
- Methode 1
- Afhankelijk van de gewenste inoculatiedichtheid (een bereik van celdichtheden tussen 1,5 x 109 en 4,8 x 10 10 cellen per kolom voor bacteriën en tussen 5,5 x 107 en 5,5 x10 8 cellen per kolom voor schimmels), inoculeert u de verschillende microbiële soorten in het mengsel van mineralen en organische materialen nadat het water is toegevoegd volgens de behandeling met behulp van een pipet.
OPMERKING: Het toegevoegde water moet dienovereenkomstig worden aangepast op een manier dat de hoeveelheid (milliliter) die door inoculatie wordt toegevoegd, wordt afgetrokken van de totale hoeveelheid water die wordt toegevoegd om 80% van de WHC te bereiken. - Meng alles voorzichtig met een metalen lepel.
- Vul de kolommen met het mengsel.
- Veeg de kom en de lepel die wordt gebruikt om de materialen met ethanol te mengen af voor achtereenvolgens gebruik.
- Bedek de kolommen met het bovenste gaas.
- Afhankelijk van de gewenste inoculatiedichtheid (een bereik van celdichtheden tussen 1,5 x 109 en 4,8 x 10 10 cellen per kolom voor bacteriën en tussen 5,5 x 107 en 5,5 x10 8 cellen per kolom voor schimmels), inoculeert u de verschillende microbiële soorten in het mengsel van mineralen en organische materialen nadat het water is toegevoegd volgens de behandeling met behulp van een pipet.
- Methode 2:
- Enoculeer, afhankelijk van de gewenste inoculatiedichtheid, de verschillende microbiële soorten op het oppervlak van de kolommen volgens de behandeling met behulp van een pipet.
- Bedek de kolommen met het bovenste gaas.
- Methode 1
- Afhankelijk van de gewenste dichtheid (4, 8 of 10 regenwormen per kolom), introduceer regenwormen in de kolommen volgens de behandeling door ze voorzichtig op het oppervlak van de kolommen af te zetten. Bedek daarna de kolom met het bovenste gaas.
OPMERKING: Zowel microben als regenwormen moeten 1 dag voordat de watergift begint, worden geïnoculeerd, zodat ze zich aan het systeem kunnen aanpassen. De inoculatiedichtheid kan worden gewijzigd volgens experimentele behoeften. Houd er rekening mee dat dit geen steriele omgeving is en dat er mogelijke besmetting kan zijn met micro-organismen die door de lucht, het water of het uitgangsmateriaal worden vervoerd. Om bacteriële besmetting door ventilatie te voorkomen, voegt u een filter van 0,2 μm toe aan de bovenkant van de kolommen.
8. Monstername en analyses
- Verwijder de kolommen aan het einde van de experimentele periode uit de kamer.
- Verzamel regenwormen en tel ze om hun overlevingskans te bepalen en hun activiteit te beoordelen.
- Homogeniseer het mengsel van steenpoeder en organische materialen en neem submonsters voor microbiële analyses om de aanwezigheid en activiteit van de betrokken micro-organismen verder te karakteriseren.
- Droog de inhoud van de kolommen gedurende 5-7 dagen bij 40 °C voor latere vastefaseanalyses voor vaste anorganische koolstof (SIC).
- Weeg de jerrycans om het uiteindelijke percolaatvolume te bepalen en verzamel percolaatmonsters voor verdere analyses, zoals TA, opgeloste anorganische koolstof (DIC), pH, EC en ionen.
- Het experimentele eindpunt is om te bepalen of bodemorganismen de verweringssnelheid in dit systeem kunnen verbeteren en om de optimale combinatie van de beschouwde variabelen te vinden, wat leidt tot het hoogste koolstofvastleggingspotentieel. Bepaal dit door de resultaten voor de geanalyseerde parameters te vergelijken volgens de verschillende combinaties.
OPMERKING: De bemonsteringsstrategie en verdere analyses kunnen worden aangepast aan de experimentele instellingen en onderzoeksbehoeften.
Representative Results
De gepresenteerde opstelling bestond uit in totaal 203 kolommen die zich in een klimaatkamer bij 25 °C bevonden (figuur 10). De keuze om de opstelling in een klimaatkamer te plaatsen, maakte een gecontroleerde constante temperatuur en relatieve vochtigheid mogelijk. Door jerrycans in een koelkast bij 4 °C te plaatsen, werd de samenstelling van het percolaat in de loop van de tijd niet veranderd door microbiële activiteit.
Figuur 10: Foto's van de experimentele opstelling in de klimaatkamer. (A) Overzicht van één enkel systeem. (B) Close-up van een enkele kolom. (C) Close-up van jerrycans in de koelkast. (D) Overzicht van alle systemen in de geklimatiseerde ruimte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Door het gebruik van een geavanceerd geautomatiseerd irrigatiesysteem konden de kolommen met verschillende snelheden en frequenties worden bewaterd met behulp van het online controlesysteem (figuur 11). Het irrigatiesysteem maakte het mogelijk om de hoeveelheid water die de kolommen ontvingen te wijzigen. Uit de validatie van het systeem bleek dat het leidde tot een minimaal verschil van 1% en een maximaal verschil van 6% in de hoeveelheid water die tussen de verschillende kolommen werd gegeven (figuur 12). Er werden kleinere verschillen gevonden voor lagere irrigatiesnelheden, terwijl grotere verschillen werden gevonden voor hogere irrigatiesnelheden. Over het algemeen was het gemiddelde lager voor irrigatiesnelheden van 50 ml per dag 1 en 150 ml per dag 1, terwijl het hoger was voor een irrigatiesnelheid van 100 ml per dag 1 (figuur 12).
Figuur 11: Gemiddelde hoeveelheid water vs. tijd. Gemiddelde hoeveelheid water gemeten voor een irrigatiesnelheid van 50 ml·dag-1 verdeeld over een periode van 24 uur volgens drie irrigatiefrequenties van eenmaal daags, tweemaal daags en vijf keer per dag voor 8 kolommen. Balken geven de standaardfout aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 12: Gemiddelde hoeveelheid water vs. irrigatiesnelheid. Gemiddelde hoeveelheid water gemeten voor een irrigatiesnelheid van 50 ml·dag-1 over 8 kolommen en voor irrigatiesnelheden van 100 ml·dag-1 en 150 ml·dag-1 over 10 kolommen. Balken geven de standaardfout aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De constructie en het ontwerp van deze opstelling maakten het mogelijk om zowel het vaste gehalte in de kolommen, bestaande uit (verwerkt) steenpoeder en organische materialen, als de totale hoeveelheid percolaat die gedurende de gehele experimentele periode uit de kolommen druppelde, te verzamelen (Figuur 13). Ondanks het feit dat het percolaat succesvol was, was de uiteindelijke hoeveelheid percolaat die werd opgevangen lager dan de hoeveelheid percolaat die naar verwachting aan het einde van de experimenten zou worden opgevangen volgens de irrigatiesnelheid (figuur 14). Het verminderde opgevangen percolaat was hoogstwaarschijnlijk het gevolg van directe verdamping en gemorste percolaat aan de onderkant van de kolommen. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het analyseren van de resultaten van de analyses.
Figuur 13: Representatieve beelden van de kolommen en het percolaat. Kolommen gevuld met steenpoeder en organisch materiaal aan het begin van de experimenten (linkerkant) en percolaat verzameld in de jerrycans aan het einde van de experimenten (rechterkant). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 14: Totaal aantal ingezamelde liters aan het einde van de experimenten per irrigatiesnelheid. Stippellijnen geven de verwachte hoeveelheid percolaat aan die wordt opgevangen volgens de irrigatiesnelheid per experimentele periode, aangegeven door de lichtblauwe lijn voor 50 ml·dag-1, de donkerblauwe lijn voor 100 ml·dag-1 en de groene lijn voor 150 ml·dag-1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De mix van steenpoeder en organisch materiaal werd geanalyseerd om het slagingspercentage van bodembiota te beoordelen in termen van microbiële gemeenschapssamenstelling van bacteriën en schimmels en van overleving en activiteit voor regenwormen (Figuur 15).
Figuur 15: Schimmelgroei en overleving van regenwormen. Aan het einde van de experimenten en vóór de bemonstering, visuele tekenen van schimmelgroei (linkerkant) en overleving van regenwormen (rechterkant) in de kolommen gevuld met steenpoeder en organisch materiaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Naast andere parameters werd het percolaat geanalyseerd voor TA en DIC, aangezien TA en IC goede proxy's zijn voor minerale verweringssnelheden 4,29,30,31. TA werd gemeten met een Metrohm Titrando29,30, terwijl DIC werd gemeten met een Skalar totale organische koolstof (TOC) analysator. Met behulp van een TOC-analysator wordt de DIC berekend op basis van het verschil tussen totaal opgeloste koolstof (DC) en opgeloste organische koolstof (DOC). Figuur 16 en figuur 17 tonen de cumulatieve verdeling voor enkele voorbeeldwaarden die uit deze analyses zijn verkregen voor één experimentele run. Door gebruik te maken van deze experimentele opstelling varieerden de waarden voor TA van 0,019 mol tot 0,025 mol, terwijl de waarden voor DIC varieerden van 7,352 mg C tot 259,279 mg C (Figuur 16 en Figuur 17).
Figuur 16: Kansverdeling van voorbeeldwaarden gemeten voor TA in het percolaat verzameld aan het einde van de experimentele periode. Behandelingen waarbij kolommen zijn overstroomd, worden niet weergegeven. De waarden worden uitgedrukt in mol en worden gecorrigeerd voor de totale hoeveelheid percolaat die aan het einde van de experimenten is verzameld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 17: Kansverdeling van voorbeeldwaarden gemeten voor DIC in het percolaat dat aan het einde van de experimentele periode is verzameld. Behandelingen waarbij kolommen zijn overstroomd, worden niet weergegeven. De waarden worden uitgedrukt in mg koolstof (C) en worden gecorrigeerd voor de totale hoeveelheid percolaat die aan het einde van de experimenten is verzameld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
Binnen de huidige onderzoekscontext is deze opstelling uniek ontworpen om de anorganische koolstofvastlegging te optimaliseren door de verwering van mineralen te verbeteren door de activiteit van bodembiota, terwijl tegelijkertijd abiotische factoren worden gemanipuleerd die bekend staan om het stimuleren van verwering. De mogelijkheid om in deze opstelling zowel het vaste verwerkte materiaal als het percolaat te verzamelen, maakt een volledige karakterisering van beide fracties mogelijk. Ondanks de enorme hoeveelheid kolommen zorgen het verzamelen van de monsters en de uitgevoerde analyses voor een hoogwaardige dataverzameling. Bovendien is het hebben van een groot aantal combinaties in een enkele experimentele run erg belangrijk voor het analyseren van de verzamelde gegevens met moderne en geavanceerde statistische methoden, zoals machine learning. Deze methoden kunnen worden gebruikt om de belangrijkste variabelen te bepalen die leiden tot hoge verweringssnelheden en verdere koolstofvastlegging. Deze opzet biedt dan ook de mogelijkheid om meer inzicht te krijgen in de effecten die bodemorganismen kunnen hebben op EW- en IC-vastlegging. Dit is van fundamenteel belang voor het vaststellen van meer realistische beperkingen op de grenzen van EW en de efficiëntie ervan bij het verminderen van de atmosferische CO2 - concentraties. Deze opzet vertoont verschillende originaliteiten in vergelijking met bestaande studies die EW en het effect van bodemorganismen onderzoeken.
Wat betreft de effecten van abiotische factoren op EW, deze zijn al onderzocht in eerdere studies 4,29,30,31,32,33,34. Sommige van deze studies vergeleken verschillende hoeveelheden, soorten en korrelgroottes van gesteenten, maar hun opzet bestond ofwel uit een potexperiment 32,33 of omvatte het mengen van steenpoeder met aarde34. Andere experimenten waren gericht op één gesteentetype met verschillende irrigatiesnelheden, maar hadden niet de mogelijkheid om vaak te irrigeren met een geautomatiseerd systeem of waren gericht op meerdere irrigatiesnelheden en -frequenties35. Andere studies presenteerden een opstelling die vergelijkbaar is met die in het huidige protocol, met de mogelijkheid om de irrigatiesnelheden aan te passen en de temperatuur constant te houden, naast het variëren van de korrelgroottes en -typen van gesteente29,30. Bovendien was het ontwerp van deze opstellingen vergelijkbaar met het ontwerp dat in dit manuscript wordt voorgesteld en bedoeld om het percolaat te verzamelen voor verdere analyses 29,30. Bovendien werden de CO2 -concentraties in deze onderzoeken gevarieerd als een andere factor die de verwering bevordert29. Geen van deze eerdere studies heeft zich echter gericht op het effect van biotische factoren op het bevorderen van EW. In deze opzet is het doel om het verweringsproces te verbeteren, en de IC-sekwestratie verder te bevorderen, door specifieke bacteriën, schimmels en regenwormen te inoculeren en te bepalen in welke mate ze EW kunnen versnellen.
Met betrekking tot het effect van biotische factoren op EW zijn er maar weinig studies die zich niet specifiek op EW hebben gericht, maar wel hebben onderzocht of bodemorganismen de verwering van mineralen kunnen beïnvloeden. Deze studies hebben voornamelijk onderzocht hoe verwering wordt beïnvloed door bodemorganismen met behulp van kweekmedia 19,21, petrischalen 36, nylon zakken begraven in de grond14, of kleine hoeveelheden steenpoeder gemengd met andere substraten36,37. Het gebruik van dergelijke kleine systemen of opstellingen maakt het een uitdaging om het effect van organismen te onderscheiden van andere variabelen. Sommige experimenten gebruikten een soortgelijke opstelling als die hier wordt voorgesteld, maar op kleinere schaal, met met steenpoeder gevulde kolommen die waren ingeënt met bodemorganismen38,39,40. Deze experimenten groeiden echter ofwel gelijktijdig planten en richtten zich niet op het exclusieve effect van specifieke bodemorganismen13,35, ofwel verzamelden het percolaatniet 36. Bovendien hebben de meeste onderzoeken die aantoonden dat bacteriën, schimmels en regenwormen de verwering van mineralen verhogen, zich gericht op het effect van deze organismen op de afgifte van voedingsstoffen als indicatie van verwering in plaats van op IC-vastlegging 11,13,14,19,36,37,38 . Bovenal was geen van deze eerdere studies gericht op het bevorderen van EW of bood het de mogelijkheid om abiotische factoren gedurende de experimentele periode aan te passen en te handhaven. In deze opstelling wordt, in plaats van alle abiotische factoren constant te houden, een groot aantal combinaties getest op vier abiotische factoren, zoals waterirrigatiesnelheden en -frequenties, steenpoedertype en korrelgrootte, met als doel EW te bevorderen door de activiteit van bodemorganismen.
Bovendien presenteerde geen van de eerdere studies die zich hebben gericht op het effect van abiotische of biotische factoren op EW de mogelijkheid om een extreem groot aantal kolommen en variabelen binnen één experimentele run te hebben. In deze opstelling is het mogelijk om meerdere verschillende combinaties van verschillende variabelen te testen tijdens één reeks experimenten vanwege het indrukwekkende aantal kolommen waarvoor de opstelling is ontworpen, terwijl het toch resultaten van hoge kwaliteit oplevert. Gezien de nieuwigheid van de opstelling, worden hieronder enkele mogelijke verbeteringen en resterende uitdagingen gepresenteerd waarmee rekening kan worden gehouden bij het ontwerpen van toekomstige soortgelijke opstellingen.
Er moet worden gezorgd voor homogene luchtcondities in de incubatiekamer. De plaatsing van de opstelling in een klimaatkamer zorgde voor een constante temperatuur en relatieve luchtvochtigheid. Ventilatiebeperkingen (bijv. luchtstroom) kunnen ruimtelijke variabiliteit in atmosferische omstandigheden hebben veroorzaakt en dus hebben geleid tot onevenredige verdamping van de kolommen op bepaalde locaties, wat een veel voorkomend verschijnsel is in dit soort opstellingen35. Om dit nadeel op te vangen, wanneer replicatie en randomisatie niet mogelijk zijn, wordt geadviseerd om een waterbalans te berekenen voor kolommen die op verschillende locaties in de kamer zijn geplaatst.
De kolommen moeten zorgvuldig worden uitgelijnd met de trechters zodra ze in de acrylplaat zijn gestoken om percolaatverlies te voorkomen. Tijdens de onderzochte experimentele periode traden percolaatverliezen op vanaf de onderkant van de kolommen als gevolg van een onjuiste plaatsing van de trechters of als gevolg van het verstoppen van de mazen. Samen met verdamping kan dit deels verklaren waarom het opgevangen percolaat lager was dan verwacht (figuur 13). Om deze verliezen tot een minimum te beperken, is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de trechters optimaal onder de kolommen worden gepositioneerd. Het gebruik van bredere trechters is ook een haalbare optie. In dit geval moet aandacht worden besteed aan de diameter van de gaten tijdens de constructie van de acrylplaten en de afstand tussen acrylplaten.
Langzamere waterstroom in bodemkolomexperimenten waarbij vaak water wordt toegepast, is een terugkerend probleem 7,30,40. In de experimenten die met de gepresenteerde opstelling werden uitgevoerd, werden in sommige gevallen vrij hoge irrigatiesnelheden en zeer fijne minerale korrelgroottes gebruikt, die aanvankelijk een structuur missen zoals die normaal in de bodem wordt waargenomen. Dit kan ertoe hebben geleid dat de poriën van de mazen aan de onderkant van de kolommen die alleen fijne mineralen bevatten, verstopt raakten tijdens de uitvoering van de experimenten. Daarom stroomde het water niet snel genoeg door de kolommen, wat resulteerde in zowel overstromingen van de kolommen, waardoor waterinfiltratie en percolaatopvang werden verminderd, als in zuurstofloze omstandigheden in de kolommen, wat van invloed was op biogeochemische processen. Om dit probleem te verminderen, is het belangrijk om altijd een bepaald percentage grof te mengen met fijnere minerale korrelgroottes en om 100% zeer fijne mengsels van minerale korrelgroottes te vermijden. Een andere optie is om de kolommen een bepaald aantal bevochtigings-/droogcycli te laten ondergaan om de vorming van de bodemstructuur op gang te brengen en zo de waterinfiltratie te verbeteren. Bovendien zou het nuttig zijn om vóór de start van het experiment de basisdynamiek van het bodemwater, zoals verzadigde en onverzadigde stroming en waterretentiecurve, in enkele mesokosmossen te bepalen om de gasstroom, de verzadigingstoestand van mineralen en de drijfveren van de activiteit van organismen beter te begrijpen.
De gepresenteerde experimentele opstelling is handig in gebruik, presenteert een eenvoudige installatie en kan worden aangepast aan de onderzoeksbehoeften. In het kader van minerale verwering kan het, met de nodige aanpassingen, worden gekoppeld aan een gaskamer om niet alleen koolstof in de vaste en waterige fase te karakteriseren, maar ook om te kijken naar de dynamiek van koolstof in de gasfase. Bovendien kan deze opstelling worden gebruikt om realistische waterinfiltratiesnelheden te bestuderen met droog-nat-sequenties, aangezien deze temporele dynamiek de verwering sterk kan beïnvloeden41. Het gebruik van deze opstelling is niet beperkt tot experimenten die zich uitsluitend richten op silicaatmineralen, maar kan worden geïmplementeerd in kolomexperimenten die verschillende substraten gebruiken. Bovendien kan de lengte van de experimenten worden ingekort of verlengd volgens de experimentele behoeften en kan het aantal kolommen worden gewijzigd. De mogelijkheid om monsters te verzamelen van zowel de vaste verwerkte materialen als het percolaat stelt ons in staat om verschillende analyses uit te voeren om ons te concentreren op een van de twee componenten of beide. Om kennis te presenteren, is dit de enige opstelling die tot nu toe is gebouwd met een uitzonderlijk aantal kolommen die gericht is op het gebruik van bodemorganismen om minerale verwering te verbeteren en tegelijkertijd abiotische omstandigheden te beheersen in een systeem dat uitsluitend bestaat uit silicaatmineralen en organische materialen.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
We danken Ton van der Zalm van Tupola voor de ontwikkeling van het irrigatiesysteem. Daarnaast bedanken we Jaco Baars van Tupola voor de lach en mentale ondersteuning tijdens het bouwen van deze opstelling. We danken Peter Garamszegi en Ángel Velasco Sánchez voor hun hulp bij het handmatig besproeien van de kolommen toen het irrigatiesysteem niet functioneerde. We danken ook Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg en Kangying Xie voor de hulp tijdens de bemonstering. Wij danken Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen en Gerlinde Vink voor de assistentie in het lab, de analyses van de monsters en de vruchtbare gesprekken. Tot slot bedanken we Jeroen Zonneveld van Unifarm voor de voorziening en het onderhoud van de klimaatkamer. Deze opstelling is gebouwd als onderdeel van het Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!) project, dat wordt gefinancierd door het Horizon 2020-kaderprogramma voor onderzoek en innovatie van de Europese Unie onder subsidieovereenkomst nr. 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. |
References
- Beerling, D. J., et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature. 583 (7815), 242-248 (2020).
- Fuss, S., et al. Negative emissions - Part 2: Costs, potentials and side effects. Environmental Research Letters. 13, 063002 (2018).
- Goll, D. S., et al. Potential CO2 removal from enhanced weathering by ecosystem responses to powdered rock. Nature Geoscience. 14 (8), 545-549 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gouda, S., et al. Revitalization of plant growth promoting rhizobacteria for sustainable development in agriculture. Microbiological Research. 206, 131-140 (2018).
- Burghelea, C. I., et al. Trace element mobilization during incipient bioweathering of four rock types. Geochimica et Cosmochimica Acta. 234, 98-114 (2018).
- Wild, B., Imfeld, G., Daval, D. Direct measurement of fungal contribution to silicate weathering rates in soil. Geology. 49 (9), 1055-1058 (2021).
- Hu, L., et al. Earthworm gut bacteria increase silicon bioavailability and acquisition by maize. Soil Biology and Biochemistry. 125, 215-221 (2018).
- 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).
- Schwartzman, D. The geobiology of weathering: a 13th hypothesis. arXiv. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Suzuki, Y., Matsubara, T., Hoshino, M. Breakdown of mineral grains by earthworms and beetle larvae. Geoderma. 112 (1-2), 131-142 (2003).
- 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).
- Georgiadis, A., Marhan, S., Lattacher, A., Mäder, P., Rennert, T. Do earthworms affect the fractionation of silicon in soil. Pedobiologia. 75, 1-7 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Amann, T., Hartmann, J. Carbon accounting for enhanced weathering. Frontiers in Climate. 4, 849948 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- Amann, T., et al. Enhanced weathering and related element fluxes-a cropland mesocosm approach. Biogeosciences. 17 (1), 103-119 (2020).
- 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).
- 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).
- Carpenter, D., Hodson, M. E., Eggleton, P., Kirk, C. Earthworm induced mineral weathering: preliminary results. European Journal of Soil Biology. 43, S176-S183 (2007).
- De Souza, M. E. P., et al. Vermicomposting with rock powder increases plant growth. Applied Soil Ecology. 69, 56-60 (2013).
- Burghelea, C., et al. Mineral nutrient mobilization by plants from rock: influence of rock type and arbuscular mycorrhiza. Biogeochemistry. 124, 187-203 (2015).
- Zaharescu, D. G., et al. Ecosystem composition controls the fate of rare earth elements during incipient soil genesis. Scientific Reports. 7, 43208 (2017).
- 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).
- Calabrese, S., et al. Nano-to global-scale uncertainties in terrestrial enhanced weathering. Environmental Science & Technology. 56 (22), 15261-15272 (2022).
