Summary
Här presenterar vi konstruktionen och driften av en experimentell uppställning för att förbättra mineralvittring genom aktiviteten hos markorganismer samtidigt som man manipulerar abiotiska variabler som är kända för att stimulera vittring. Representativa resultat från hur uppställningen fungerar och stickprovsanalyser diskuteras tillsammans med förbättringspunkter.
Abstract
Enhanced weathering (EW) är en ny teknik för att avlägsna koldioxid (CO2) som kan bidra till att begränsa klimatförändringarna. Denna teknik bygger på att påskynda den naturliga processen för mineralvittring i jordar genom att manipulera de abiotiska variablerna som styr denna process, i synnerhet mineralkornstorlek och exponering för syror lösta i vatten. EW syftar främst till att minskaCO2-koncentrationerna i atmosfären genom att öka bindningen av oorganiskt kol. Fram tills nu har kunskapen om EW främst erhållits genom experiment som fokuserat på de abiotiska variabler som är kända för att stimulera mineralvittring, och därigenom försummat det potentiella inflytandet av biotiska komponenter. Även om bakterier, svampar och daggmaskar är kända för att öka mineralvittringshastigheten, är användningen av markorganismer i samband med EW fortfarande underutforskad.
Detta protokoll beskriver utformningen och konstruktionen av en experimentell uppställning som utvecklats för att förbättra mineralvittringshastigheter genom markorganismer samtidigt som abiotiska förhållanden kontrolleras. Uppställningen är utformad för att maximera vittringshastigheten samtidigt som markorganismernas aktivitet bibehålls. Den består av ett stort antal kolonner fyllda med stenpulver och organiskt material, placerade i en klimatkammare och med vatten som appliceras via ett bevattningssystem med nedflöde. Pelare är placerade ovanför ett kylskåp som innehåller dunkar för att samla upp lakvattnet. Representativa resultat visar att denna uppställning är lämplig för att säkerställa markorganismers aktivitet och kvantifiera deras effekt på inbindning av oorganiskt kol. Utmaningar kvarstår när det gäller att minimera lakvattenförlusterna, säkerställa homogen ventilation genom klimatkammaren och undvika översvämning av kolonnerna. Med denna uppställning föreslås ett innovativt och lovande tillvägagångssätt för att förbättra mineralvittringshastigheten genom aktiviteten hos markbiota och särskilja effekten av biotiska och abiotiska faktorer som drivkrafter för EW.
Introduction
Enhanced weathering (EW) är en relativt ny och lågteknologisk teknik för koldioxidavskiljning (CDR) med en betydande potential att mildra klimatförändringarna 1,2,3. Principen för denna teknik bygger på att påskynda den naturliga mineralvittringsprocessen i marken, vilket leder till bindning av koldioxid (CO2) som oorganiskt kol (IC)3. Förbättrad vittring syftar till att öka IC-bindningen genom att artificiellt optimera de faktorer som styr mineralvittring och därigenom öka hastigheten genom vilken vittring sker till mänskligt relevanta tidsskalor3. För att EW ska vara mest effektivt mals snabbvittrande silikatmineraler till ett pulver med en kornstorleksfördelning i mikrometer- till millimeterområdet för att nå en hög reaktiv ytai intervallet ~1 m2·g-1 3,4.
Hittills har kunskapen om EW främst tillhandahållits genom experiment som fokuserar på abiotiska faktorer som styr hur snabbt mineraler löses upp. Dessa inkluderar mineralreaktivitet och ytarea, temperatur, lösningssammansättning, vattnets uppehållstid och surhetsgrad 4,6,7, men forskning behöver fortfarande göras inom detta sammanhang. Förutom att påverkas av abiotiska faktorer formas naturliga system, och i synnerhet jordar, av ett stort antal organismer, allt från mikrober till makrofauna som daggmaskar. Trots att vissa studier har visat liten eller ingen påverkan av den biotiska aktiviteten av mineralupplösning 8,9,10, har andra studier gett bevis för att markorganismer som bakterier 11,12, svampar 13,14 och daggmaskar 15,16 kan öka mineralvittringshastigheten. Därför kan biotiska komponenter vara nyckeln till att förstå den faktiska IC-bindningspotentialen hos EW5.
Den första vanliga mekanismen genom vilken markorganismer kan påskynda mineralupplösning är via CO2 -frisättning under andning, vilket ökar markförsurningen17. Dessutom kan bakterier och svampar öka mineralvittringen genom att utsöndra protoner, kelater, organiska syror och enzymer, som alla förbättrar mineralupplösningen 18,19,20,21. Till exempel kan kelering genom karboxyl- och hydroxylgrupper skapa jonobalanser, transportera element bort från mineralernas ytor och sänka mättnadstillstånden20,22. Detta kan leda till mindre sekundär mineralbildning och högre effektivitet hos EW. Dessutom, genom att livnära sig på jordpartiklar, kan de starka åtgärderna från daggmaskarnas kroppsväggar bryta ner mineralkorn till finare partiklar, vilket ökar deras tillgängliga reaktiva yta23. Mikrober som bor i daggmaskars tarmar och färsk spillning kan ytterligare angripa dessa mindre partiklar, som ytterligare utsöndrar organiska syror och enzymer24,25. Genom sin grävande aktivitet, förutom att bidra till blandningen av organiska och mineraliska partiklar, skapar daggmaskar också makroporer som kan tillåta vattenflödet att kringgå mättat porutrymme17. Detta skulle kunna göra det möjligt för vattnet att interagera med olika mineralytor och öka kontakthastigheten mellan vatten och berg.
Fram tills nu har ingen uppställning byggts för att studera EW-hastigheter och därmed IC-bindning med hjälp av markorganismer samtidigt som man säkerställer möjligheten att optimera olika relevanta abiotiska förhållanden, såsom vattentillförsel, temperatur, mineraltyp och mineralkornstorlek. Här presenteras design och förklaring av konstruktionsstegen för en innovativ uppställning som syftar till att öka EW-frekvensen genom aktiviteten hos markorganismer i små mesokosmer. Experimentuppställningen består av 203 kolonner (längd 15 cm, diameter 7 cm) placerade i en klimatkammare (4,54 m x 2,72 m) vid 25 °C i 8 veckor. De 203 kolumnerna är indelade i 10 grupper om 18 och 2 grupper om 10 för att få plats i klimatkammaren. En av de två grupperna med 10 kolumner används för att tillåta infogning av ytterligare tre kolumner som används som blanksteg. Varje grupp är placerad ovanför ett kylskåp och toppas av ett fjärrstyrbart bevattningssystem, vilket möjliggör variabla bevattningshastigheter inom och mellan kylskåp. Lakvattnet från varje kolonn samlas upp i en dunk som förvaras vid en konstant temperatur i kylskåpet (figur 1). Ett kylskåp samlar upp lakvattnet från en grupp kolonner, vilket innebär att ett kylskåp kan betraktas som ett enda system med antingen 18 eller 10 kolonner. Därför kan antalet kolumner i denna experimentella uppställning justeras enligt försökskraven med maximalt 203 kolumner.
Figur 1: Schematisk sidovy av uppställningen som visar 5 kolumner men överväger ett system med 18 kolumner. Ramen som håller pelarna är gjord av rostfria stålplåtar, rostfria skruvar och akrylplattor. Pelarna är placerade i mitten av ramen och kröns av ett bevattningssystem. Under pelarna är trattar anslutna till dunkar genom rör för att samla upp lakvattnet. Dunkar står i ett kylskåp som rymmer hela systemet. Kylskåpet kan öppnas genom att lyfta på locket. Klicka här för att se en större version av denna figur.
I denna uppställning säkerställer användningen av silikatstenpulver av specifika kornstorlekar att höga vittringshastigheter kan uppnås, medan inokulering med specifikt utvalda bakterier, svampar och daggmaskar ger den biotiska aktiviteten i detta konstgjorda system. Uppställningen möjliggör samtidig kvantifiering av kol som binds i det fasta och i de flytande proverna genom att mäta både upplöst och fast IC, samt total alkalinitet (TA). Dessutom kan andra parametrar som pH, elektrisk ledningsförmåga (EC) och joner mätas i lakvattnet som indikatorer på vittring. Detta upplägg gör det också möjligt att bedöma effekterna av markorganismers överlevnad och aktivitet. Representativa resultat har visat sig bevisa lämpligheten av detta protokoll för att bygga en uppställning där ökningar i vittringshastigheter inte bara härrör från abiotiska faktorer utan också från biotiska.
Protocol
Nedan beskrivs ett detaljerat protokoll för konstruktionen av de olika delarna av installationen med tanke på ett system med 18 kolumner.
1. Konstruktion av ramen som håller kolumnerna
- Förbered akrylplattor för att hålla bevattningssystemet, kolonnerna, trattarna och rören för att samla upp lakvattnet.
- Skär tre akrylplattor (akrylplattor 1-3) med måtten 63 cm x 67 cm och en akrylplatta (akrylplatta 4) med måtten 45 cm x 56 cm.
- Skär 18 hål på varje akrylplatta enligt instruktionerna i stegen nedan.
- Akrylplatta 1 - toppplatta: skär hål med en diameter på 0,7 cm för att senare sätta in rören i bevattningssystemet.
- Akrylplatta 2 - andra från toppplattan: skär hål med diametern 8 cm för att sätta in kolumnerna senare (Figur 2).
- Akrylplatta 3 - andra från bottenplattan: skär hål med diametern 1,2 cm för att sätta in trattarna senare.
- Akrylplatta 4 - bottenplatta: skär hål med en diameter på 1,2 cm för att senare sätta in plaströren som leder lakvattnet till dunkarna.
- Skär dessutom ett hål med diametern 1,1 cm i varje hörn och ett hål med diametern 1,1 cm på sidorna av akrylplattorna 1-3 för att sätta in skruvarna i rostfritt stål.
- För varje akrylplatta, skriv ut plastetiketter med siffrorna på kolumnerna (1-18) med hjälp av en etikettskrivare och fäst dem under respektive hål.
OBS: Att fästa etiketter på akrylplattorna 2, 3 och 4 enligt antalet av de 18 kolumnerna hjälper till att placera de olika delarna av installationen på sina respektive platser under installationen.
- Använd rostfria stålplattor och skruvar för att hålla akrylplattorna.
- Ta de skräddarsydda rostfria stålplåtarna, som har tillverkats enligt designen som visas i figur 3 med måtten 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm och en tjocklek på 1,5 mm.
- Borra hål med en diameter på 1,1 cm i varje hörn och på sidorna av varje rostfri stålplatta.
- Ta rostfria skruvar (50 cm långa).
- Sätt i akrylplattorna uppifrån och ned uppifrån och ned för akrylplattorna 1 (bevattningsrör), 2 (kolonner) och 3 (trattar) på skruvarna i rostfritt stål. Använd två sexkantsmuttrar och två brickhållare för varje hörn för att hålla akrylplattan på plats.
OBS: Håll tillräckligt avstånd mellan varje akrylplatta för att sätta in de olika komponenterna senare. Håll ett avstånd på ~19,5 cm från akrylplatta 1 till akrylplatta 2, ~10,5 cm från akrylplatta 2 till akrylplatta 3 och ~16,5 cm från akrylplatta 3 till akrylplatta 4. - Montera övre och nedre rostfria stålplattor på skruvarna i rostfritt stål med två sexkantsmuttrar och två brickhållare för varje hörn.
- Placera hela systemet ovanpå kylskåpet efter att konstruktionen av kylskåpssystemet är klar.
Figur 2: Schematisk ovansida av utformningen av akrylplatta 2 där pelarna är placerade. Numrerade etiketter anger var motsvarande kolumner ska placeras. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Utformning av plattorna av rostfritt stål. (A,B) Topplatta. (C,D) Bottenplatta. Klicka här för att se en större version av denna figur.
2. Konstruktion av kylsystemet för lakvattenuppsamling
- Ställ in kylskåpet för att placera dunkarna.
- Ta ut båda locken ur kylen och sätt tillbaka det bakre locket mot akrylplatta 4.
OBS: När den väl har installerats är det inte meningen att denna akrylplatta ska tas bort. För att arbeta inuti kylen, ta bort det främre locket genom att lyfta det. - Placera kylskåpet i klimatkammaren och koppla in det.
- Ställ in kyltemperaturen på 4 °C och placera en datalogger inuti kylen.
- Stäng kylskåpet med frontlocket.
- Övervaka data som registrerats av dataloggern över natten. Om temperaturen avviker från önskat värde, ta bort gallret längst ner i kylen och justera temperaturen. Upprepa denna procedur tills önskad temperatur uppnås.
- Ta ut båda locken ur kylen och sätt tillbaka det bakre locket mot akrylplatta 4.
- Använd rör av polyvinylklorid (PVC) för att ansluta trattarna till dunkarna.
- Kapa 18 PVC-rör (innerdiameter 0,8 cm) med lämplig längd för att nå varje dunk från de olika trattarna enligt respektive nummer.
OBS: Längden varierar från minst 38 cm för det kortaste röret till högst 81 cm för det längsta röret. - Skölj rören i demi-vatten före första användningen; I alla andra fall, blötlägg dem i 4 dagar i 50 L vatten där 30 g av citronsyraprodukten späddes ut för att avlägsna karbonatutfällningar. Skölj sedan rören igen med demi-vatten.
VARNING: även om produkten för citronsyra är säker att använda, undvik kontakt med ögonen och långvarig kontakt med huden genom att använda lämpliga skyddsåtgärder.
OBS: om ultrarent vatten finns tillgängligt är det att föredra att använda det istället för demi-vatten. - Låt rören lufttorka i 24 timmar.
- Sätt in rören i akrylplattan 4 enligt deras respektive nummer.
- Kapa 18 PVC-rör (innerdiameter 0,8 cm) med lämplig längd för att nå varje dunk från de olika trattarna enligt respektive nummer.
- Installera trattar för att leda lakvattnet till dunkarna.
- Torka av 18 trattar med etanol före första användningen; i alla andra fall, följ samma procedur som anges för PVC-rören.
VARNING: Etanol är brandfarligt och kan orsaka irritation i ögon, hud och luftvägar, yrsel och ytlig andning. Etanol är skadligt vid förtäring, inandning eller hudabsorption. - Sätt in trattarna i akrylplattan 3 och anslut dem till respektive rör enligt deras nummer.
- Torka av 18 trattar med etanol före första användningen; i alla andra fall, följ samma procedur som anges för PVC-rören.
- Installera dunkar för att samla upp lakvattnet.
- Ta 10 dunkar av polyeten med hög densitet (HDPE) med en kapacitet på 10 L och 8 dunkar med hög densitet på 5 L.
OBS: Dunkar på 5 L används för låga bevattningshastigheter, medan dunkar på 10 L används för höga bevattningshastigheter (se tabell 1). Dunkar i HDPE väljs eftersom detta material är kemiskt inert. - Späd 50 ml diskmedel i 10 L kranvatten. Skölj dunkarna en gång med denna lösning, en gång med kranvatten och en gång med demivatten. Upprepa denna rengöringsprocedur före någon annan användning.
OBS: om ultrarent vatten finns tillgängligt är det att föredra att använda det istället för demi-vatten. - Låt dunkarna lufttorka i 24 timmar.
- Borra ett hål i locket på varje dunk med diametern 1,2 cm för att föra in plaströret för att samla upp lakvattnet.
- Stäng dunkarna med respektive lock.
- Placera dunkarna i kylen i två lager enligt schemat som visas i figur 4 samtidigt som du ansluter rören till dunkarna.
- Ta 10 dunkar av polyeten med hög densitet (HDPE) med en kapacitet på 10 L och 8 dunkar med hög densitet på 5 L.
Figur 4: Schematisk översikt över dunkarna inuti kylskåpet i två staplade lager, botten (vänster sida) och övre lagret (höger sida). Svarta cirklar anger lockens riktning, medan de blå och gröna rektanglarna anger 10 L respektive 5 L dunkar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
3. Konstruktion av kolonnerna och nätsystemet
- Använd PVC-kolonner som mesokosmer för att inkubera stenpulver och jordorganismer
- Skär PVC-rören i 18 kolumner med en längd på 15 cm.
- Rengör kolonnerna enligt procedur 1 om det är för deras första användning och procedur 2 i alla andra fall.
- Förfarande 1:
- Blötlägg kolonnerna i demi-vatten i 48 timmar.
OBS: om ultrarent vatten finns tillgängligt är det att föredra att använda det istället för demi-vatten. - Skölj kolonnerna med demi-vatten. Torka och torka av kolonnerna med etanol.
- Numrera kolumnerna med hjälp av etiketter eller direkt med en markör på röret.
- Blötlägg kolonnerna i demi-vatten i 48 timmar.
- Förfarande 2:
- Blötlägg kolonnerna i vatten i 1 dag.
- Använd borsten för att skrubba bort eventuella experimentella rester.
- Torka och torka av kolonnerna med etanol.
- Förfarande 1:
- Använd mittringar för att hålla kolumner ovanför trattarna.
- Designa en ring med en 3D-skrivare (diameter 8,5 cm och tjocklek 0,5 cm). Se till att rita en annan ring i botten som passar i hålen på akrylplattan 2 för mer stabilitet i pelarna (Figur 5).
- Skriv ut 18 ringar med 3D-skrivaren med termoplastisk polyuretan (TPU) 95A-material.
- Placera ringarna på pelarna i ett läge som håller kolonnerna 2-3 cm ovanför trattarna.
- Använd ett nätsystem längst ner på kolonnerna för att filtrera lakvattnet och minimera förlusterna av partiklar.
- Skär maskorna (10 μm och 20 μm porstorlek) i rutor på 12 cm x 12 cm.
- Blötlägg nätet i ultrarent vatten i 2 dagar. Låt nätet lufttorka.
- Placera det första nätet på 20 μm längst ner i kolonnen. Lägg ett 1 cm lager plastpärlor över 20 μm-nätet.
- Placera det andra nätet på 10 μm ovanpå 20 μm-maskan och lagret av plastpärlor.
- Placera två buntband för att hålla nätsystemet på plats. Dra åt buntbanden och klipp av kanterna.
OBS: Figur 6 visar hur nätsystemet ska monteras längst ner på pelaren.
- Använd ett toppnät för att undvika att daggmaskar rymmer.
- Skär maskan med 1 mm porstorlek i rutor på 12 cm x 12 cm.
- När kolonnerna är fyllda med stenpulver och daggmaskar introduceras (avsnitt 7), placera nätet ovanpå pelarna.
OBS: Detta nät bör placeras ovanpå pelarna för att förhindra att daggmaskar flyr från kolumnerna. Om daggmaskar inte introduceras rekommenderas det fortfarande att använda detta nät för att upprätthålla samma förhållanden för alla kolonner. - Placera ett gummiband runt nätet för att hålla det på plats.
Figur 5: Modell av ringen som ska hålla kolumnerna för 3D-skrivaren. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Schema över nätsystemets konstruktion längst ner i kolumnen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
4. Konstruktion av bevattningssystemet
- Designa och skapa sprinklers för att sprida vattnet jämnt över pelarna
- Med en 3D-skrivare gör du en design för en sprinkler enligt modellen och de relativa måtten som visas i figur 7.
- Skriv ut 18 sprinklers med 3D-skrivaren med TPU 95A-material.
OBS: Efter utskrift, låt sprinklerna torka i minst 24 timmar innan du sätter in dem i PE-mikroslangarna för att undvika att de går sönder.
- Installera bevattningssystemet: ventiler och rör.
- Skruva fast två nosstycken på framsidan av två magnetventiler och skruva fast två T-styckens plug-in-kopplingar på baksidan av magnetventilerna.
OBS: Om man vill att vattenslangen ska sluta med detta system och inte fortsätta till andra system, skruva på baksidan av ventilen som kommer att placeras mot slutet av kylskåpet en plug-in-koppling med två anslutningar istället för T-stycket plug-in-kopplingen. På så sätt slutar vattenanslutningen här. - Montera de två magnetventilerna på ena sidan av den övre rostfria stålplattan.
OBS: En ventil styr ett bevattningsrör, som i sin tur bevattnar 8 eller 10 kolumner av de totalt 18 kolumnerna. - Skär bevattningsröret av lågdensitetspolyeten (LDPE) i två rör på 53 cm.
- Stäng ena sidan av varje rör med ett ändlock.
- Linda in den andra änden av rören i polytetrafluoreten (PFTE) tejp och anslut den till magnetventilerna.
- Gör 8 hål i det första bevattningsröret närmare framsidan av kylskåpet och gör 10 hål i det andra bevattningsröret längre från kylskåpets framsida.
OBS: det är mycket viktigt att göra hålen med en handstans, eftersom detta är nödvändigt för korrekt placering och funktion av tryckregulatorerna. Vi avråder från att använda andra verktyg som övning. - Sätt in tryckregulatorerna i hålen på de två rören.
- Skär mikroslangen av polyeten (PE) i 18 små rör med en längd på 20 cm för att nå kolonnerna från bevattningsröret och fäst dem på tryckregulatorerna.
- Sätt in de små rören i hålen på akrylplattan 1.
- Sätt in sprinklerna i de små rören horisontellt mot kolonnernas yta.
OBS: Om man stöter på problem med bevattningssystemet (t.ex. blockeringar i vattenflödet eller okontrollerbart vattenflöde) kan detta bero på: (a) fel på ventilerna, (b) partiklar som finns kvar i röret; (c) PFTE-tejp inte ordentligt lindad runt rörets ände. För punkt a, byt ut ventilen. För punkterna b och c, se till att rören rengörs innan du börjar vattna kolonnerna och att inga rester av PFTE-tejpen hänger från röret. Det är viktigt att undvika överföring av partiklar som kan hindra ventilen från att fungera korrekt.
- Skruva fast två nosstycken på framsidan av två magnetventiler och skruva fast två T-styckens plug-in-kopplingar på baksidan av magnetventilerna.
- Ställ in anslutningen för transport av vatten.
- Skär polyuretanslangen (PU) i tre olika slangar för vattenanslutningen. De exakta längderna på slangarna varierar beroende på systemets utformning och kammaren. Använd den första slangen för att ansluta T-stycket på den första ventilen till kranen, den andra slangen för att ansluta T-styckena på varje ventil och den tredje slangen för att ansluta T-stycket på den andra ventilen till nästa system.
OBS: Om det inte finns något behov av anslutning till nästa system är det onödigt att klippa av den tredje slangen. - Anslut PU-slangarna till T-styckets plug-in-kopplingar på baksidan av magnetventilerna.
- Anslut PU-slangen på den första ventilen till kranen genom att skruva fast en plug-in-koppling med två anslutningar på adapterringen.
- Öppna kranen så att vatten kan rinna in i rören.
- Skär polyuretanslangen (PU) i tre olika slangar för vattenanslutningen. De exakta längderna på slangarna varierar beroende på systemets utformning och kammaren. Använd den första slangen för att ansluta T-stycket på den första ventilen till kranen, den andra slangen för att ansluta T-styckena på varje ventil och den tredje slangen för att ansluta T-stycket på den andra ventilen till nästa system.
- Installera styrsystemet och ställ in anslutningen till bevattningssystemet.
- Anslut den web-aktiverade styrenheten, expansionsmodulen med åtta reläer och skenans strömförsörjning. Placera dem i polykarbonathöljet enligt instruktionerna från tillverkaren.
OBS: En modulär styrenhet motsvarar en enhet, som i sin tur styr åtta reläer. Ett relä styr öppning och stängning av en specifik ventil. - Anslut de två ventilerna med varandra med hjälp av elkablarna och anslut strömkabeln till varje ventil.
- Anslut den andra änden av strömkabeln till web-aktiverad handkontroll.
- Anslut allt till en elkontakt och gör en internetanslutning för den web-aktiverade styrenheten.
- Anslut den web-aktiverade styrenheten, expansionsmodulen med åtta reläer och skenans strömförsörjning. Placera dem i polykarbonathöljet enligt instruktionerna från tillverkaren.
- Ställ in onlinekontrollen av bevattningsinställningar för att ställa in bevattningshastigheterna.
- Följ instruktionerna från tillverkaren för konfiguration och installation. För programmering och testning, använd webbläsaren.
- Gå till http://10.73.10.250/setup.html.
- Använd ett användarnamn och lösenord för att logga in.
- I menyn till vänster går du till Control/Logic och sedan till Tasks/Functions.
- Ett relä styr öppning och stängning av en ventil. För varje relä finns det två uppgifter, den ena slår på reläet (ventil öppen) och den andra stänger av reläet (ventil stängd). För att ändra inställningen för varje uppgift, klicka på Redigera.
- När reläets uppgift ska aktiveras, ställ in datum och tid då reläet måste börja fungera genom att klicka på Startdatum och Starttid (t.ex.4 maj 2022 kl. 7:45:00; se figur 8). För att ställa in bevattningsfrekvensen, klicka på Ställ in upprepning och upprepa varje (t.ex. dagligen var 1:e dag(ar) för en bevattningsfrekvens på en gång om dagen; se figur 8). För att ställa in datumet då reläet slutar fungera, klicka på Slutupprepningsdatum (t.ex. 20maj 2022 kl. 23:59:59; se figur 8).
- När uppgiften för reläet ska stängas av, ställ in den tid då reläet måste sluta fungera. Detta beror på vilken vattenbevattningshastighet som krävs och bevattningsfrekvensen, t.ex. ställ in tiden på 7:46:30 för en daglig upprepning. Detta innebär att reläet fungerar i 1 min 30 s, för mängden vatten på 50 ml·dag-1 vid bevattningsfrekvensen en gång om dagen (se tabell 1). Start- och slutdatum är desamma som uppgiften för att sätta på reläet, liksom bevattningsfrekvensen.
- När installationen av varje relä är klar, kom ihåg att klicka på Spara ändringar.
OBS: Alla reläer behöver inte fungera samtidigt för att förhindra överbelastning av systemet. Lämna alltid minst 30 s mellan uppgifterna för olika reläer (t.ex. relä 1 på enhet 1 avslutar sin uppgift kl. 07:46:30, relä 2 på enhet 1 startar sin uppgift kl. 07:47:00). - Kontrollera att inställningarna för varje relä har samma startdatum och slutdatum. Tabell 1 visar ett exempel på den tid som behövs för olika vattenbevattningshastigheter vid olika bevattningsfrekvenser.
OBS: Bevattningssystemet tillåter fler vattenbevattningshastigheter och bevattningsfrekvenser utöver de som anges, men det måste testas för hur länge ventilerna behöver vara öppna för olika mängder vatten. För de bevattningshastigheter som anges i tabell 1 är det fortfarande bra att kontrollera med ett första test om detta är giltigt, eftersom det kan ändras beroende på vattentrycket och systemets utformning.
Figur 7: Modell av sprinklern för bevattningssystemet med relativa dimensioner . (A) Ovanifrån view av sprinklern. (B) Sprinklern sedd från sidan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Exempel på inställningsvisning av bevattningssystemet för att sätta på reläet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Vattenbevattningshastighet (ml·dag-1) | Vattningsfrekvens (antal gånger ·dag-1) | Tid för relä att fungera (s) |
| 50 |
1 | 95 |
| 2 | 50 | |
| 5 | 23 | |
| 100 |
1 | 190 |
| 2 | 100 | |
| 5 | 45 | |
| 150 |
1 | 280 |
| 2 | 140 | |
| 5 | 55 |
Tabell 1: Indikationer på de tider som behövs för att ventilerna ska vara öppna för att tillåta olika vattenbevattningshastigheter vid olika bevattningsfrekvenser.
5. Val av stenpulver, organiskt material och jordbiota
OBS: För detta experiment väljs stenpulver, organiskt material och markorganismer baserat på tillgänglighet, lokal förekomst och litteraturgenomgång. Dessutom väljs mikrober ut baserat på deras icke-patogenicitet, som bestäms av klassificeringen av de tekniska reglerna för biologiska agens (TRBA)26,27,28. Beroende på den exakta forskningsfrågan kan dessa faktorer justeras.
- Välj stenpulver för experimenten.
OBS: De bergarter som väljs ut för dessa experiment är både ultramafiska och mafiska bergarter av olika mineralogiska sammansättningar, såsom dunite och diabas. Varje bergart har två huvudklasser av kornstorlekar, fin (mikrometerräckvidd) och grov (millimeterintervall). - Välj organiska material för experimentet.
OBS: De organiska material som väljs ut för dessa experiment som födokälla för markorganismer är vetehalm och rötrester från gödsel och foderrester. - Välj bakterierna för experimentet.
OBS: De bakterier som väljs ut för dessa experiment är Bacillus subtilis och Cupriavidus metallidurans. Bakterierna kommer från Leibniz-institutet DSMZ (Tyskland).- Odla bakterier i näringsbuljong, bestående av bak pepton (10 g· L-1), köttextrakt (3 g· L-1) och natriumklorid (10 g· L-1) löst i ultrarent vatten (18.2 mΩ), enligt leverantörens instruktioner.
- Autoklavera alla odlingssubstrat vid 121 °C i 20 minuter före inokulering med den gamla kulturen (volym = 1 % av den nya kulturen).
- Bestäm celldensiteten via cellräkning med en hemacytometer och verifiera cellantalet via flödescytometri.
OBS: Denna studie använde en flödescytometer utrustad med violetta (405 nm) och blå (488 nm) lasrar, med en flödeshastighet på 10 μL/min, och detekterad i FL1-kanalen (EX 488, EM 525/40).
- Välj svamparna för experimentet.
OBS: De svampar som väljs ut för dessa experiment är Knufia petricola, Suillus variegatus och Aerobasidium pullulans. Svampar kommer från Leibniz Institute DSMZ (Tyskland), förutom K. petricola, som kommer från Westerdijk Institute (Nederländerna).- Odla svampkulturerna i maltextraktbuljong, bestående av maltextrakt (20 g· L-1), D-(+)-glukos (20 g· L-1) och kaseinhydrolysat (3 g· L-1) upplöst i ultrarent vatten (18,2 mΩ), enligt leverantörens instruktioner.
- Autoklavera alla odlingssubstrat vid 121 °C i 20 minuter före inokulering med den gamla kulturen (volym = 1 % av den nya kulturen). Bestäm celldensiteten via cellräkning med en hemacytometer.
- Välj daggmaskar för experimentet.
OBS: De daggmaskar som väljs ut för dessa experiment är de endogeiska arterna Aporrectodea caliginosa och Allolobophora chlorotica. Daggmaskar samlas in från parken De Blauwe Bergen nära Wageningen University & Research i Nederländerna (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E) före experimentet.
6. Fylla kolumnerna
- Bestäm bergpulvrets och de organiska materialens vattenhållande förmåga (WHC) genom att först torka varje material vid 105 °C. Lägg sedan det torra materialet i en skål och anteckna vikten. Tillsätt vatten lite i taget tills materialen är tillräckligt våta och registrera den slutliga vikten. WHC ges sedan av ekvation 1.
(1) - Mal sugröret genom en 6 mm kvarn.
- Ugnstorka mineraler och organiska material vid 40 °C i 2 dagar i följd.
- Väg upp 400 g mineraler och 10 g organiskt material i en skål.
OBS: Mängderna kan anpassas efter experimentella behov, men materialblandningen ska passa inuti kolonnen. - Justera WHC till 80 % beroende på mineraltyp, mineralkornstorlek och organisk källa.
- Blanda allt försiktigt med en metallsked.
- Fyll kolonnerna med blandningen.
- Placera de fyllda kolonnerna i klimatkammaren på deras respektive plats, som visas i figur 2. Om kolonnerna inte kan placeras omedelbart i klimatkammaren, förvara dem vid 15 °C och täck dem med ett plastskynke för att förhindra vattenförluster och för att begränsa förändringar i de ursprungliga förhållandena.
OBS: Håll kolumnerna i botten och sätt in dem försiktigt i akrylplattorna för att undvika förlust av innehållet. Figur 9 illustrerar schematiskt de steg som ska följas för att fylla kolumnerna.
(1)
Figur 9: Schematisk översikt över de olika stegen för att fylla kolumnerna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
7. Inokulering av jordbiota
- Inokulera bakterier och svampar vid två tillfällen medan du fyller kolonnerna (metod 1) eller strax före daggmasktillsats (metod 2).
- Förfarande 1
- Beroende på önskad inokuleringstäthet (ett intervall av celldensiteter mellan 1,5 x 109 och 4,8 x 1010 celler per kolonn för bakterier och mellan 5,5 x 107 och 5,5 x 108 celler per kolonn för svampar), inokulera de olika mikrobiella arterna till blandningen av mineraler och organiskt material när vattnet har tillsatts enligt behandlingen med hjälp av en pipett.
OBS: Det tillsatta vattnet måste justeras i enlighet med detta på ett sätt så att mängden (milliliter) som tillsätts genom inokulering subtraheras från den totala mängden vatten som tillsätts för att nå 80 % av WHC. - Blanda allt försiktigt med en metallsked.
- Fyll kolonnerna med blandningen.
- Torka av skålen och skeden som används för att blanda materialen med etanol för successiv användning.
- Täck kolumnerna med det övre nätet.
- Beroende på önskad inokuleringstäthet (ett intervall av celldensiteter mellan 1,5 x 109 och 4,8 x 1010 celler per kolonn för bakterier och mellan 5,5 x 107 och 5,5 x 108 celler per kolonn för svampar), inokulera de olika mikrobiella arterna till blandningen av mineraler och organiskt material när vattnet har tillsatts enligt behandlingen med hjälp av en pipett.
- Metod 2:
- Beroende på önskad inokuleringstäthet inokuleras de olika mikrobiella arterna på kolonnernas yta enligt behandlingen med hjälp av en pipett.
- Täck kolumnerna med det övre nätet.
- Förfarande 1
- Beroende på önskad densitet (antingen 4, 8 eller 10 daggmaskar per kolonn), introducera daggmaskar i kolonnerna enligt behandling genom att försiktigt deponera dem på kolonnernas yta. Täck sedan kolonnen med det övre nätet.
OBS: Både mikrober och daggmaskar bör inokuleras 1 dag innan vattningen börjar för att de ska kunna anpassa sig till systemet. Ympningstätheten kan ändras efter experimentella behov. Var medveten om att detta inte är en steril miljö, och det kan finnas potentiell kontaminering med mikroorganismer som transporteras med luft, vatten eller insatsmaterial. För att förhindra bakteriell kontaminering från ventilationen, lägg till ett 0.2 μm filter ovanpå kolonnerna.
8. Provtagning och analyser
- Ta bort kolonnerna från kammaren i slutet av försöksperioden.
- Samla daggmaskar och räkna dem för att bestämma deras överlevnadsgrad och bedöma deras aktivitet.
- Homogenisera blandningen av stenpulver och organiska material och ta delprover för mikrobiella analyser för att ytterligare karakterisera närvaron och aktiviteten hos de mikroorganismer som är av intresse.
- Torka kolonninnehållet vid 40 °C i 5–7 dagar för efterföljande fastfasanalyser av fast oorganiskt kol (SIC).
- Väg dunkarna för att bestämma den slutliga lakvattenvolymen och samla in lakvattenprover för vidare analyser, såsom TA, löst oorganiskt kol (DIC), pH, EC och joner.
- Det experimentella effektmåttet är att avgöra om markorganismer kan förbättra vittringshastigheten i detta system och att hitta den optimala kombinationen av de variabler som beaktas, vilket leder till den högsta kolbindningspotentialen. Bestäm detta genom att jämföra resultaten för de analyserade parametrarna enligt de olika kombinationerna.
OBS: Provtagningsstrategin och ytterligare analyser kan justeras efter experimentella inställningar och forskningsbehov.
Representative Results
Den presenterade uppställningen bestod av totalt 203 kolonner placerade i en klimatkammare vid 25 °C (figur 10). Valet att placera installationen i en klimatkammare möjliggjorde kontrollerad konstant temperatur och relativ luftfuktighet. Genom att placera dunkar i kylskåp vid 4 °C säkerställdes att lakvattnets sammansättning inte förändrades med tiden på grund av mikrobiell aktivitet.
Figur 10: Bilder av experimentuppställningen i klimatkammaren. (A) Översikt över ett enda system. (B) Närbild av en enda kolumn. (C) Närbild av dunkar i kylen. (D) Översikt över alla system i det klimatkontrollerade rummet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Användningen av ett avancerat automatiserat bevattningssystem innebar att pelarna kunde vattnas med varierande mängd och frekvens med hjälp av online-kontrollsystemet (figur 11). Bevattningssystemet gjorde det möjligt att ändra mängden vatten som kolonnerna fick. Validering av systemet visade att det ledde till en minsta skillnad på 1 % och till en maximal skillnad på 6 % i mängden vatten som gavs mellan olika pelare (figur 12). Mindre skillnader hittades för lägre bevattningshastigheter, medan större skillnader hittades för högre bevattningshastigheter. Sammantaget var genomsnittet lägre för bevattningshastigheter på 50 ml dag-1 och 150 ml-dag-1, medan det var högre för en bevattningshastighet på 100 ml-dag-1 (figur 12).
Figur 11: Genomsnittlig vattenmängd i förhållande till tid. Genomsnittlig vattenmängd uppmätt för en bevattningshastighet på 50 ml·dag-1 fördelat över en 24-timmarsperiod enligt tre bevattningsfrekvenser en gång dagligen, två gånger dagligen och fem gånger per dag i 8 kolumner. Staplar anger standardfelet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 12: Genomsnittlig vattenmängd i förhållande till bevattningshastigheten. Genomsnittlig vattenmängd uppmätt för en bevattningshastighet på 50 ml-dag-1 över 8 kolonner och för bevattningshastigheter på 100 ml-dag-1 och 150 ml-dag-1 över 10 kolonner. Staplar anger standardfelet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Konstruktionen och utformningen av denna uppställning gjorde det möjligt att samla in både det fasta innehållet inuti kolonnerna, bestående av (bearbetat) bergpulver och organiska material, och den totala mängden lakvatten som droppade från kolonnerna under hela experimentperioden (figur 13). Trots att lakvattnet var framgångsrikt var den slutliga mängden lakvatten som samlades in lägre än den mängd lakvatten som förväntades samlas in i slutet av försöken enligt bevattningshastigheten (Figur 14). Det minskade uppsamlade lakvattnet var sannolikt ett resultat av direkt avdunstning och lakvattenspill i botten av kolonnerna. Detta bör beaktas vid analys av resultaten från analyserna.
Figur 13: Representativa bilder av kolonnerna och lakvattnet. Kolonner fyllda med stenpulver och organiskt material i början av experimenten (vänster sida) och lakvatten som samlats i dunkarna i slutet av experimenten (höger sida). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 14: Totalt antal liter som samlats in i slutet av försöken per bevattningshastighet. Streckade linjer anger den förväntade mängden lakvatten som samlats in enligt bevattningshastigheten per försöksperiod, vilket indikeras av den ljusblå linjen för 50 ml·dag-1, den mörkblå linjen för 100 ml·dag-1 och den gröna linjen för 150 ml·dag-1. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Blandningen av stenpulver och organiskt material analyserades för att bedöma framgångsgraden för markbiota med avseende på mikrobiell samhällssammansättning av bakterier och svampar och överlevnad och aktivitet för daggmaskar (Figur 15).
Figur 15: Daggmaskars tillväxt och överlevnad. I slutet av försöken och före provtagningen, synliga tecken på svamptillväxt (vänster sida) och daggmaskars överlevnad (höger sida) i kolonnerna fyllda med stenpulver och organiskt material. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Förutom andra parametrar analyserades lakvattnet för TA och DIC, eftersom TA och IC är bra proxies för mineralvittringshastigheter 4,29,30,31. TA mättes med en Metrohm Titrando29,30, medan DIC mättes med en Skalar total organic carbon (TOC) analysator. Genom att använda en TOC-analysator beräknas DIC från skillnaden mellan totalt löst kol (DC) och löst organiskt kol (DOC). Figur 16 och figur 17 visar den kumulativa fördelningen för några exempelvärden som erhållits från dessa analyser för en experimentell körning. Genom att använda denna experimentella uppställning varierade värdena för TA från 0,019 mol till 0,025 mol, medan värdena för DIC varierade från 7,352 mg C till 259,279 mg C (figur 16 och figur 17).
Figur 16: Sannolikhetsfördelning av exempelvärden uppmätta för TA i lakvattnet som samlats in i slutet av försöksperioden. Behandlingar där kolonner översvämmats visas inte. Värdena uttrycks i mol och korrigeras för den totala mängden lakvatten som samlats upp i slutet av försöken. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 17: Sannolikhetsfördelning av de provvärden som uppmätts för DIC i lakvattnet som samlats in i slutet av försöksperioden. Behandlingar där kolonner översvämmats visas inte. Värdena uttrycks i mg kol (C) och korrigeras för den totala mängd lakvatten som samlats upp i slutet av försöken. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Discussion
Inom det aktuella forskningssammanhanget har denna uppställning utformats på ett unikt sätt för att optimera inbindningen av oorganiskt kol genom att förbättra mineralvittringen genom aktiviteten hos markbiota, samtidigt som man manipulerar abiotiska faktorer som är kända för att stimulera vittring. Möjligheten att samla in både det fasta bearbetade materialet och lakvattnet möjliggör en fullständig karakterisering av båda fraktionerna. Trots den enorma mängden kolonner säkerställer insamlingen av proverna och analyserna en datainsamling av hög kvalitet. Dessutom är det mycket viktigt att ha ett stort antal kombinationer i en enda experimentell körning för att analysera insamlade data med moderna och avancerade statistiska metoder, såsom maskininlärning. Dessa metoder kan användas för att bestämma de viktigaste variablerna som leder till höga vittringshastigheter och ytterligare kolbindning. Följaktligen ger detta upplägg möjlighet att förbättra förståelsen för de effekter som markorganismer kan ha på EW- och IC-bindning. Detta är grundläggande för att skapa mer realistiska begränsningar av gränserna för EW och dess effektivitet när det gäller att minskaCO2-koncentrationerna i atmosfären. Detta upplägg uppvisar flera originaliteter jämfört med befintliga studier som undersöker EW och effekten av markorganismer.
När det gäller effekterna av abiotiska faktorer på EW har dessa redan undersökts i tidigare studier 4,29,30,31,32,33,34. Några av dessa studier jämförde olika mängder, typer och kornstorlekar av stenar, men deras upplägg bestod antingen av ett krukexperiment 32,33 eller inkluderade blandning av stenpulver med jord34. Andra experiment fokuserade på en bergart med olika bevattningshastigheter, men hade inte möjlighet att bevattna ofta med ett automatiserat system eller fokuserade på flera bevattningshastigheter och frekvenser35. Andra studier presenterade ett upplägg som liknar det som presenteras i det nuvarande protokollet, med möjlighet att justera bevattningshastigheter och hålla temperaturen konstant, förutom varierande stenkornsstorlekar och typer29,30. Dessutom var utformningen av dessa uppställningar jämförbar med den som föreslogs i detta manuskript och utformad för att samla in lakvattnet för vidare analyser29,30. Dessutom varierades CO2 -koncentrationerna i dessa studier som en annan faktor som förbättrade vittringen29. Ingen av dessa tidigare studier har dock fokuserat på effekten av biotiska faktorer för att främja EW. I detta upplägg är målet att förbättra vittringsprocessen och ytterligare IC-bindning genom att inokulera specifika bakterier, svampar och daggmaskar och bestämma i vilken utsträckning de kan påskynda EW.
När det gäller effekten av biotiska faktorer på EW är det få studier som inte specifikt har fokuserat på EW utan undersökt om markorganismer kan påverka mineralvittring. Dessa studier har främst undersökt hur vittring påverkas av markorganismer med hjälp av odlingssubstrat 19,21, petriskålar 36, nylonsäckar nedgrävda i jorden14, eller små mängder stenpulver blandat med andra substrat36,37. Att använda så små system eller uppställningar gör det svårt att särskilja effekten av organismer från andra variabler. Vissa experiment använde en liknande uppställning som den här föreslagna, men i mindre skala, med stenpulverfyllda kolonner inokulerade med jordorganismer38,39,40. Dessa experiment odlade dock antingen växter samtidigt och fokuserade inte på den exklusiva effekten av specifika markorganismer13,35, eller samlade inte in lakvattnet 36. Dessutom har de flesta studier som visat att bakterier, svampar och daggmaskar ökar mineralvittring fokuserat på effekten av dessa organismer på näringsfrisättning som en indikation på vittring snarare än på IC-bindning 11,13,14,19,36,37,38 . Framför allt syftade ingen av dessa tidigare studier till att främja EW eller presenterade möjligheten att justera och bibehålla abiotiska faktorer under hela försöksperioden. I denna uppställning, istället för att hålla alla abiotiska faktorer konstanta, testas en mängd kombinationer för fyra abiotiska faktorer, såsom vattenbevattningshastigheter och frekvenser, stenpulvertyp och kornstorlek, i syfte att främja EW genom markorganismers aktivitet.
Dessutom har ingen av de tidigare studierna som har fokuserat på effekten av vare sig abiotiska eller biotiska faktorer på EW presenterat möjligheten att ha ett extremt stort antal kolumner och variabler inom en experimentell körning. I den här konfigurationen är det möjligt att testa flera olika kombinationer av olika variabler under en experimentkörning på grund av det imponerande antalet kolumner som inställningen har utformats för, samtidigt som den ger resultat av hög kvalitet. Med tanke på hur ny installationen är, nedan presenteras några möjliga förbättringar och återstående utmaningar som kan övervägas vid utformningen av framtida liknande inställningar.
Homogena luftförhållanden i inkubationskammaren bör säkerställas. Placeringen av installationen i en klimatkammare säkerställde konstant temperatur och relativ luftfuktighet. Ventilationsbegränsningar (t.ex. luftflöde) kan ha skapat rumsliga variationer i atmosfäriska förhållanden och därmed lett till oproportionerlig avdunstning från kolonnerna på vissa platser, vilket är ett vanligt fenomen i denna typ av uppställning35. För att hantera denna nackdel, när replikering och randomisering inte är möjlig, rekommenderas det att beräkna en vattenbalans för kolonner placerade på olika platser i kammaren.
Kolonnerna bör noggrant riktas in mot trattarna när de väl har satts in i akrylplattan för att undvika lakvattenförlust. Under den undersökta försöksperioden inträffade lakvattenförluster från kolonnernas botten på grund av felaktig placering av trattarna eller på grund av igensättning av maskorna. Tillsammans med avdunstning kan detta delvis förklara varför det uppsamlade lakvattnet var lägre jämfört med förväntat (Figur 13). För att minimera dessa förluster är det viktigt att se till att trattarna är optimalt placerade under pelarna. Att använda bredare trattar är också ett gångbart alternativ. I det här fallet bör man vara uppmärksam på hålens diameter under konstruktionen av akrylplattorna och avståndet mellan akrylplattorna.
Långsammare vattenflöde i jordpelarförsök där vatten tillförs ofta är ett återkommande problem 7,30,40. I de experiment som utfördes med den presenterade uppställningen användes i vissa fall ganska höga bevattningshastigheter och mycket fina mineralkornstorlekar, som till en början saknar en struktur som normalt observeras i jordar. Detta kan ha lett till att porerna i maskorna längst ner i kolonnerna som bara innehåller fina mineraler täpptes till under experimentens gång. Därför flödade inte vattnet tillräckligt snabbt genom kolonnerna, vilket resulterade både i översvämning av kolonnerna, vilket minskade vatteninfiltrationen och lakvattenuppsamlingen, och i syrefria förhållanden i kolonnerna, vilket påverkade biogeokemiska processer. För att mildra detta problem är det viktigt att alltid blanda en viss andel grovt med finare mineralkornstorlekar och att undvika 100 % mycket fina mineralkornsblandningar. Ett annat alternativ är att tillåta att kolonnerna utsätts för ett visst antal vätnings-/torkningscykler för att initiera bildandet av markstruktur och därmed förbättra vatteninfiltrationen. Dessutom, innan experimentet börjar, skulle det vara användbart att bestämma grundläggande markvattendynamik, såsom mättat och omättat flöde och vattenhållningskurva, i några mesokosmer för att bättre förstå gasflöde, mineralmättnadstillstånd och drivkrafter för organismers aktivitet.
Den presenterade experimentella uppställningen är bekväm att använda, presenterar en enkel installation och kan justeras efter forskningsbehov. I samband med mineralvittring, med nödvändiga justeringar, kan den kopplas till en gaskammare för att inte bara karakterisera kol i den fasta och vattenhaltiga fasen utan också för att titta på kolets dynamik i gasfasen. Dessutom kan denna uppställning användas för att studera realistiska vatteninfiltrationshastigheter med torra-våta sekvenser, eftersom denna tidsdynamik starkt kan påverka vittring41. Användningen av denna uppställning är inte begränsad till experiment som enbart fokuserar på silikatmineraler, utan den kan implementeras i kolonnexperiment som använder olika substrat. Dessutom kan längden på experimenten förkortas eller förlängas beroende på experimentets behov, och antalet kolumner kan ändras. Möjligheten att samla in prover från både de fasta bearbetade materialen och lakvattnet gör att vi kan utföra olika analyser för att fokusera på en av de två komponenterna eller båda. För att presentera kunskap är detta den enda uppställningen som hittills har byggts med ett exceptionellt antal pelare som syftar till att använda markorganismer för att förbättra mineralvittring samtidigt som abiotiska förhållanden kontrolleras i ett system som enbart består av silikatmineraler och organiska material.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar Ton van der Zalm från Tupola för utvecklingen av bevattningssystemet. Dessutom tackar vi Jaco Baars från Tupola för skratten och det mentala stödet som gavs under byggandet av denna installation. Vi tackar Peter Garamszegi och Ángel Velasco Sánchez för att de hjälpte till med att vattna pelarna manuellt när bevattningssystemet inte fungerade. Vi tackar också Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg och Kangying Xie för hjälpen under provtagningen. Vi tackar Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen och Gerlinde Vink för hjälpen i labbet, analyserna av proverna och de givande diskussionerna. Slutligen tackar vi Jeroen Zonneveld från Unifarm för tillhandahållandet och underhållet av klimatkammaren. Denna installation byggdes som en del av projektet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), som finansieras av EU:s Horizon 2020-ramprogram för forskning och innovation enligt bidragsavtal 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).
