Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biochemistry
Click here for the English version

Biochemistry

Toprak Organizmalarının Aktivitesi Yoluyla Mineral Ayrışmayı Geliştirmek için Bir Deney Düzeneğinin Tasarımı ve İnşası

Published: November 10, 2023 doi: 10.3791/65563
Automatic Translation
1,2, 2, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 7, 4, 6, 3, 7, 4, 4, 7, 8, 6, 9, 8, 7, 1
1Soil Biology Group, Wageningen University & Research, 2Soil Chemistry and Chemical Soil Quality, Wageningen University & Research, 3Department of Earth Sciences, Uppsala University, 4Institute for Geology, Center for Earth System Research and Sustainability, University of Hamburg, 5Tupola, Wageningen University & Research, 6IDLab - Department of Computer Science, University of Antwerp - imec, 7Plants and Ecosystems (PLECO), Biology Department, University of Antwerp, 8Research Group of Sustainable Energy, Air and Water Technology, University of Antwerp, 9Department of Mathematics, University of Antwerp - imec

Summary

Burada, ayrışmayı uyardığı bilinen abiyotik değişkenleri aynı anda manipüle ederken, toprak organizmalarının aktivitesi yoluyla mineral ayrışmayı geliştirmek için bir deney düzeneğinin inşasını ve işleyişini sunuyoruz. Kurulumun işleyişinden ve örnek analizlerinden elde edilen temsili sonuçlar, iyileştirme noktaları ile birlikte tartışılmaktadır.

Abstract

Gelişmiş yaşlandırma (EW), iklim değişikliğinin azaltılmasına katkıda bulunabilecek, gelişmekte olan bir karbondioksit (CO2 ) giderme teknolojisidir. Bu teknoloji, bu süreci yöneten abiyotik değişkenleri, özellikle mineral tane boyutunu ve suda çözünmüş asitlere maruz kalmayı manipüle ederek topraklardaki doğal mineral ayrışma sürecini hızlandırmaya dayanır. EW esas olarak inorganik karbon tutumunu artırarak atmosferikCO2 konsantrasyonlarını azaltmayı amaçlar. Şimdiye kadar, EW bilgisi esas olarak mineral ayrışmayı uyardığı bilinen abiyotik değişkenlere odaklanan ve böylece biyotik bileşenlerin potansiyel etkisini ihmal eden deneyler yoluyla elde edilmiştir. Bakterilerin, mantarların ve solucanların mineral ayrışma oranlarını arttırdığı bilinmekle birlikte, toprak organizmalarının EW bağlamında kullanımı yeterince araştırılmamıştır.

Bu protokol, aynı anda abiyotik koşulları kontrol ederken toprak organizmaları yoluyla mineral ayrışma oranlarını artırmak için geliştirilen bir deney düzeneğinin tasarımını ve inşasını açıklar. Kurulum, toprak organizmalarının aktivitesini korurken ayrışma oranlarını en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmıştır. Kaya tozu ve organik malzeme ile doldurulmuş, bir iklim odasında bulunan ve aşağı akışlı bir sulama sistemi ile uygulanan su ile çok sayıda kolondan oluşur. Sütunlar, sızıntı suyunu toplamak için bidon içeren bir buzdolabının üzerine yerleştirilir. Temsili sonuçlar, bu kurulumun toprak organizmalarının aktivitesini sağlamak ve inorganik karbon tutumu üzerindeki etkilerini ölçmek için uygun olduğunu göstermektedir. Sızıntı suyu kayıplarının en aza indirilmesi, iklim odasından homojen havalandırmanın sağlanması ve kolonların su basmasının önlenmesi konusunda zorluklar devam etmektedir. Bu kurulumla, toprak biyotasının aktivitesi yoluyla mineral ayrışma oranlarını artırmak ve EW'nin itici güçleri olarak biyotik ve abiyotik faktörlerin etkisini çözmek için yenilikçi ve umut verici bir yaklaşım önerilmiştir.

Introduction

Gelişmiş yaşlandırma (EW), iklim değişikliğini hafifletmek için önemli bir potansiyele sahip nispeten yeni ve düşük teknolojili bir karbondioksit giderme (CDR) teknolojisidir 1,2,3. Bu teknolojinin prensibi, topraklardaki doğal mineral ayrışma sürecini hızlandırmaya dayanır ve karbondioksitin (CO2) inorganik karbon (IC) olarak tutulmasına yol açar.3. Gelişmiş ayrışma, mineral ayrışmayı yöneten faktörleri yapay olarak optimize ederek IC sekestrasyonunu artırmayı ve böylece ayrışmanın insan açısından ilgili zaman ölçeklerinde meydana gelme hızını artırmayı amaçlar3. EW'nin en etkili olması için, hızlı ayrışan silikat mineralleri, ~ 1 m2 · g-1 aralığında yüksek reaktif bir yüzey alanına ulaşmak için mikrometre ila milimetre aralığında tane boyutu dağılımına sahip bir toz haline getirilir 3,4.

Şimdiye kadar, EW hakkındaki bilgiler esas olarak minerallerin çözünme oranlarını yöneten abiyotik faktörlere odaklanan deneylerle sağlanmıştır5. Bunlar arasında mineral reaktivitesi ve yüzey alanı, sıcaklık, çözelti bileşimi, suda kalma süresi ve asitlik 4,6,7 yer alır, ancak bu bağlamda hala araştırma yapılması gerekmektedir. Abiyotik faktörlerden etkilenmenin yanı sıra, doğal sistemler ve özellikle topraklar, mikroplardan solucanlar gibi makrofaunaya kadar çok sayıda organizma tarafından şekillendirilir. Bazı çalışmalar, mineral çözünmesininbiyotik aktivitesinin çok az etkisini veya hiç etkisini göstermemiş olmasına rağmen, 8,9,10, diğer çalışmalar, bakteri11,12, mantar13,14 ve solucan 15,16 gibi toprak organizmalarının mineral ayrışma oranlarını artırabilir. Bu nedenle, biyotik bileşenler, EW5'in gerçek IC sekestrasyon potansiyelini anlamanın anahtarı olabilir.

Toprak organizmalarının mineral çözünmesini hızlandırabileceği ilk yaygın mekanizma, solunum sırasında toprak asitlenmesini artıran CO2 salınımıdır17. Ayrıca, bakteri ve mantarlar, tümü mineral çözünmesini artıran protonlar, şelatlar, organik asitler ve enzimler yayarak mineral ayrışmasını artırabilir 18,19,20,21. Örneğin, karboksil ve hidroksil grupları yoluyla şelasyon, iyon dengesizlikleri yaratabilir, elementleri minerallerin yüzeylerinden uzağa taşıyabilir ve doygunluk durumlarınıdüşürebilir 20,22. Bu, daha az ikincil mineral oluşumuna ve daha yüksek EW verimliliğine yol açabilir. Dahası, toprak parçacıklarıyla beslenerek, solucanların vücut duvarlarının güçlü hareketleri, mineral tanelerini daha ince parçacıklara ayırarak mevcut reaktif yüzey alanlarını artırabilir23. Solucanların bağırsaklarında ve taze dışkılarda yaşayan mikroplar, organik asitleri ve enzimleri daha fazla eksüde eden bu küçük parçacıklara daha fazla saldırabilir24,25. Solucanlar, oyuk açma aktiviteleri sayesinde, organik ve mineral parçacıkların karışmasına katkıda bulunmanın yanı sıra, su akışının doymuş gözenek alanını atlamasına izin verebilecek makro gözenekler de oluştururlar17. Bu, suyun farklı mineral yüzeylerle etkileşime girmesini sağlayabilir ve su-kaya temas oranını artırabilir.

Şimdiye kadar, su girdileri, sıcaklık, mineral türü ve mineral tane boyutu gibi farklı ilgili abiyotik koşulları optimize etme imkanı sağlarken, toprak organizmalarını kullanarak EW oranlarını ve dolayısıyla IC sekestrasyonunu incelemek için herhangi bir kurulum yapılmamıştır. Burada, küçük mezokozmlarda toprak organizmalarının aktivitesi yoluyla EW oranlarını artırmayı amaçlayan yenilikçi bir kurulumun yapım adımlarının tasarımı ve açıklaması sunulmaktadır. Deney düzeneği, 8 hafta boyunca 25 °C'de bir iklim odasına (4.54 m x 2.72 m) yerleştirilmiş 203 sütundan (uzunluk 15 cm, çap 7 cm) oluşmaktadır. 203 sütun, iklim odasına sığması için 18'li 10 gruba ve 10'lu 2 gruba ayrılmıştır. 10 sütundan oluşan iki gruptan biri, boşluk olarak kullanılan üç sütunun daha eklenmesine izin vermek için kullanılır. Her grup bir buzdolabının üzerine yerleştirilir ve buzdolapları içinde ve arasında değişken sulama oranlarına izin veren uzaktan kontrol edilebilir bir sulama sistemi ile doldurulur. Her bir kolonun sızıntı suyu, buzdolabında sabit bir sıcaklıkta tutulan bir bidon içinde toplanır (Şekil 1). Bir buzdolabı, bir grup sütunun sızıntı suyunu toplar, yani bir buzdolabının 18 veya 10 sütundan oluşan tek bir sistem olarak düşünülebileceği anlamına gelir. Bu nedenle, bu deney düzeneğindeki sütun sayısı, maksimum 203 sütun ile deneysel gereksinimlere göre ayarlanabilir.

Figure 1
Şekil 1: 5 sütunu gösteren ancak 18 sütunlu bir sistem göz önüne alındığında kurulumun şematik yan görünümü. Kolonları tutan çerçeve paslanmaz çelik plakalardan, paslanmaz çelik vidalardan ve akrilik plakalardan yapılmıştır. Sütunlar çerçevenin ortasına yerleştirilmiştir ve bir sulama sistemi ile kaplanmıştır. Kolonların altında, sızıntı suyunu toplamak için huniler borular aracılığıyla bidonlara bağlanır. Bidonlar, tüm sistemi tutan bir buzdolabındadır. Buzdolabı kapağı kaldırılarak açılabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu kurulumda, belirli tane boyutlarında silikat kaya tozlarının kullanılması, yüksek ayrışma oranlarına ulaşılabilmesini sağlarken, özel olarak seçilmiş bakteri, mantar ve solucanlarla aşılama, bu yapay sistemdeki biyotik aktiviteyi sağlar. Kurulum, hem çözünmüş hem de katı IC'nin yanı sıra toplam alkaliniteyi (TA) ölçerek katıda ve sıvı numunelerde tutulan karbonun eşzamanlı olarak ölçülmesini sağlar. Ayrıca, sızıntı suyunda pH, elektriksel iletkenlik (EC) ve iyonlar gibi diğer parametreler yaşlandırma göstergesi olarak ölçülebilir. Bu kurulum aynı zamanda toprak organizmalarının hayatta kalma ve faaliyetlerinin etkisinin değerlendirilmesine de izin verir. Temsili sonuçların, bu protokolün, ayrışma oranlarındaki artışların sadece abiyotik faktörlerden değil, aynı zamanda biyotik faktörlerden de türetildiği bir kurulum oluşturmak için uygunluğunu kanıtladığı gösterilmiştir.

Protocol

Aşağıda, 18 sütunlu bir sistem göz önünde bulundurularak kurulumun farklı bölümlerinin inşası için ayrıntılı bir protokol açıklanmaktadır.

1. Kolonları tutan çerçevenin oluşturulması

  1. Sızıntı suyunu toplamak için sulama sistemini, kolonları, hunileri ve boruları tutmak için akrilik plakalar hazırlayın.
    1. 63 cm x 67 cm boyutlarında üç akrilik plaka (akrilik plaka 1-3) ve 45 cm x 56 cm boyutlarında bir akrilik plaka (akrilik plaka 4) kesin.
    2. Her akrilik plakada, aşağıdaki adımlardaki talimatları izleyerek 18 delik açın.
      1. Akrilik plaka 1 - üst plaka: sulama sisteminin tüplerini daha sonra yerleştirmek için 0,7 cm çapında delikler açın.
      2. Akrilik plaka 2 - üst plakadan ikinci: sütunları daha sonra yerleştirmek için 8 cm çapında delikler açın (Şekil 2).
      3. Akrilik plaka 3 - alt plakadan ikinci: hunileri daha sonra yerleştirmek için 1,2 cm çapında delikler açın.
      4. Akrilik plaka 4 - alt plaka: sızıntı suyunu bidonlara getiren plastik boruları daha sonra yerleştirmek için 1,2 cm çapında delikler açın.
    3. Ek olarak, paslanmaz çelik vidaları takmak için her köşede 1,1 cm çapında bir delik ve akrilik plakaların 1-3 yanlarında 1,1 cm çapında bir delik açın.
    4. Her akrilik plaka için, bir etiket yazıcısı kullanarak sütun numaralarıyla (1-18) plastik etiketler yazdırın ve bunları ilgili deliğin altına yapıştırın.
      NOT: 2 sütun sayısına göre 3, 4 ve 18 akrilik plakalara etiket yapıştırmak, kurulumun farklı parçalarının kurulum sırasında ilgili konumlarına yerleştirilmesine yardımcı olur.
  2. Akrilik plakaları tutmak için paslanmaz çelik plakalar ve vidalar kullanın.
    1. Şekil 3'te gösterilen tasarıma göre 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm boyutlarında ve 1,5 mm kalınlığında özel yapım paslanmaz çelik plakaları alın.
    2. Her paslanmaz çelik plakanın her köşesinde ve yanlarında 1,1 cm çapında delikler açın.
    3. Paslanmaz çelik vidalar (50 cm uzunluğunda) alın.
    4. Paslanmaz çelik vidaların üzerine akrilik plakalar 1 (sulama tüpleri), 2 (kolonlar) ve 3 (huniler) için yukarıdan aşağıya sırayı takip ederek akrilik plakaları yerleştirin. Akrilik plakayı yerinde tutmak için her köşe için iki altıgen somun ve iki rondela taşıyıcı kullanın.
      NOT: Farklı bileşenleri daha sonra yerleştirmek için her akrilik plaka arasında yeterli mesafe bırakın. Akrilik plaka 1'den akrilik plaka 2'ye ~19.5 cm, akrilik plaka 2'den akrilik plaka 3'e ~10.5 cm ve akrilik plaka 3'ten akrilik plaka 4'e ~16.5 cm mesafe bırakın.
    5. Her köşe için iki altıgen somun ve iki rondela taşıyıcı kullanarak paslanmaz çelik vidaların üzerine üst ve alt paslanmaz çelik plakaları takın.
    6. Buzdolabı sisteminin yapımı tamamlandıktan sonra tüm sistemi buzdolabının üzerine yerleştirin.

Figure 2
Şekil 2: Kolonların yerleştirildiği akrilik plaka 2'nin tasarımının şematik üstten görünümü. Numaralandırılmış etiketler, ilgili sütunların nereye yerleştirilmesi gerektiğini gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Paslanmaz çelik plakaların tasarımı. (A,B) Üst plaka. (C,D) Alt plaka. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Sızıntı suyu toplama için buzdolabı sisteminin kurulması

  1. Bidonları yerleştirmek için buzdolabını kurun.
    1. Her iki kapağı da buzdolabından çıkarın ve arka kapağı akrilik plaka 4 ile değiştirin.
      NOT: Takıldıktan sonra, bu akrilik plakanın çıkarılması beklenmemektedir. Buzdolabının içinde çalışmak için ön kapağı kaldırarak çıkarın.
    2. Buzdolabını iklim odasına yerleştirin ve fişini prize takın.
    3. Buzdolabı sıcaklığını 4 °C'ye ayarlayın ve buzdolabının içine bir veri kaydedici yerleştirin.
    4. Buzdolabını ön kapakla kapatın.
    5. Veri kaydedici tarafından kaydedilen verileri gece boyunca izleyin. Sıcaklık istenen değerden saparsa, buzdolabının altındaki kafesi çıkarın ve sıcaklığı ayarlayın. İstenilen sıcaklığa ulaşılana kadar bu işlemi tekrarlayın.
  2. Hunileri bidonlara bağlamak için polivinil klorür (PVC) borular kullanın.
    1. İlgili numaralara göre farklı hunilerden her bir bidona ulaşmak için uygun uzunlukta 18 PVC boru (iç çap 0,8 cm) kesin.
      NOT: Uzunluk, en kısa tüp için minimum 38 cm'den, en uzun tüp için maksimum 81 cm'ye kadar değişir.
    2. Boruları ilk kullanımdan önce yarı suda durulayın; başka bir durumda, karbonat çökeltilerini gidermek için 30 g sitrik asit ürününün seyreltildiği 50 L suya 4 gün bekletin. Daha sonra boruları tekrar yarı su ile durulayın.
      DİKKAT: sitrik asit ürününün kullanımı güvenli olsa bile, uygun koruyucu önlemler alarak gözlerle temasından ve ciltle uzun süreli temasından kaçının.
      NOT: ultra saf su mevcutsa, yarı su yerine kullanılması tercih edilir.
    3. Boruları 24 saat kurumaya bırakın.
    4. Boruları ilgili numaralarına göre akrilik plakaya 4 yerleştirin.
  3. Sızıntı suyunu bidonlara yönlendirmek için huniler takın.
    1. İlk kullanımdan önce 18 huniyi etanol ile silin; başka bir durumda, PVC borular için belirtilen prosedürün aynısını izleyin.
      DİKKAT: Etanol yanıcıdır ve gözlerde, ciltte ve solunum yollarında tahrişe, baş dönmesine ve sığ solunuma neden olabilir. Etanol yutulması, solunması veya cilt emilimi yoluyla zararlıdır.
    2. Hunileri akrilik plakaya 3 yerleştirin ve numaralarına göre ilgili borulara bağlayın.
  4. Sızıntı suyunu toplamak için bidonları takın.
    1. 10 L kapasiteli 10 adet yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) bidon ve 5 L kapasiteli 8 adet HDPE bidon alın.
      NOT: Düşük sulama oranları için 5 L'lik bidonlar, yüksek sulama oranları için 10 L'lik bidonlar kullanılır (bkz. Tablo 1). HDPE'deki bidonlar, bu malzeme kimyasal olarak inert olduğu için seçilmiştir.
    2. 50 mL bulaşık makinesi sabununu 10 L musluk suyuyla seyreltin. Bidonları bir kez bu solüsyonla, bir kez musluk suyuyla ve bir kez de yarı suyla durulayın. Başka herhangi bir kullanımdan önce bu temizleme prosedürünü tekrarlayın.
      NOT: ultra saf su mevcutsa, yarı su yerine kullanılması tercih edilir.
    3. Bidonları 24 saat kurumaya bırakın.
    4. Sızıntı suyunu toplamak için plastik boruyu yerleştirmek için her bir bidonun kapağına 1,2 cm çapında bir delik açın.
    5. Bidonları ilgili kapakla kapatın.
    6. Bidonları, tüpleri bidonlara aynı anda bağlarken Şekil 4'te gösterilen şemayı izleyerek buzdolabına iki kat halinde yerleştirin.

Figure 4
Şekil 4: Buzdolabının içindeki bidonların alt (sol taraf) ve üst katman (sağ taraf) olmak üzere iki üst üste yığılmış katmana şematik genel bakışı. Siyah daireler kapakların yönünü gösterirken, mavi ve yeşil dikdörtgenler sırasıyla 10 L ve 5 L bidonları gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Kolonların ve örgü sisteminin oluşturulması

  1. Kaya tozu ve toprak organizmalarını inkübe etmek için PVC kolonları mezokozm olarak kullanın
    1. PVC boruları 15 cm uzunluğunda 18 sütuna kesin.
    2. Sütunları, ilk kullanımları için ise prosedür 1'i ve başka bir durumda prosedür 2'yi izleyerek temizleyin.
      1. Prosedür 1:
        1. Sütunları 48 saat yarı suda bekletin.
          NOT: ultra saf su mevcutsa, yarı su yerine kullanılması tercih edilir.
        2. Sütunları yarı su ile durulayın. Sütunları kurutun ve etanol ile silin.
        3. Sütunları etiketleri kullanarak veya doğrudan tüp üzerindeki bir işaretleyici ile numaralandırın.
      2. Prosedür 2:
        1. Sütunları 1 gün suda bekletin.
        2. Deney kalıntılarını temizlemek için fırçayı kullanın.
        3. Sütunları kurutun ve etanol ile silin.
  2. Sütunları hunilerin üzerinde tutmak için orta halkaları kullanın.
    1. Bir 3D yazıcı ile bir halka tasarlayın (8,5 cm çapında ve 0,5 cm kalınlığında). Sütunların daha fazla stabilitesi için alta akrilik plaka 2'nin deliklerine uyan başka bir halka çizdiğinizden emin olun (Şekil 5).
    2. Termoplastik poliüretan (TPU) 95A malzeme kullanarak 3D yazıcı ile 18 adet yüzük yazdırın.
    3. Halkaları, sütunları hunilerin 2-3 cm yukarısında tutacak şekilde sütunların üzerine yerleştirin.
  3. Sızıntı suyunu filtrelemek ve partikül kayıplarını en aza indirmek için kolonların altında bir ağ sistemi kullanın.
    1. Ağı (10 μm ve 20 μm gözenek boyutu) 12 cm x 12 cm'lik kareler halinde kesin.
    2. Ağı 2 gün boyunca ultra saf suda bekletin. Ağı kurumaya bırakın.
    3. Kolonun altına, 20 μm'lik ilk ağı yerleştirin. 20 μm ağın üzerine 1 cm'lik bir plastik boncuk tabakası yerleştirin.
    4. 10 μm'lik ikinci ağı, 20 μm'lik ağın ve plastik boncuk tabakasının üzerine yerleştirin.
    5. Ağ sistemini yerinde tutmak için iki kablo bağı yerleştirin. Kablo bağlarını sıkın ve kenarlarını kesin.
      NOT: Şekil 6 , ağ sisteminin kolonun altına nasıl monte edilmesi gerektiğini göstermektedir.
  4. Solucanların kaçmasını önlemek için bir üst ağ kullanın.
    1. 1 mm gözenek boyutundaki ağı 12 cm x 12 cm'lik kareler halinde kesin.
    2. Sütunlar kaya tozu ile doldurulduktan ve solucanlar eklendikten sonra (bölüm 7), ağı sütunların üzerine yerleştirin.
      NOT: Bu ağ, solucanların sütunlardan kaçmasını önlemek için sütunların üstüne yerleştirilmelidir. Solucanların tanıtılmaması durumunda, tüm sütunlar için aynı koşulları korumak için bu ağın kullanılması önerilir.
    3. Yerinde tutmak için ağın etrafına bir lastik bant yerleştirin.

Figure 5
Şekil 5: 3D yazıcı için sütunları tutan halkanın modeli. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Kolonun altındaki kafes sisteminin yapım şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. Sulama sisteminin kurulması

  1. Suyu sütunlara eşit olarak yaymak için fıskiyeler tasarlayın ve oluşturun
    1. Bir 3D yazıcı ile, Şekil 7'de gösterilen modeli ve bağıl boyutları takip ederek bir sprinkler tasarımı yapın.
    2. TPU 95A malzeme kullanarak 3D yazıcı ile 18 adet fıskiye yazdırın.
      NOT: Yazdırdıktan sonra, kırılmalarını önlemek için fıskiyeleri PE mikro hortumlara takmadan önce en az 24 saat kurumasını bekleyin.
  2. Sulama sistemini kurun: vanalar ve tüpler.
    1. İki solenoid valfin önündeki iki burun parçasını vidalayın ve solenoid valflerin arkasındaki iki T parçalı geçmeli bağlantı parçasını vidalayın.
      NOT: Su hortumunun bu sistemle bitmesi ve diğer sistemlere devam etmemesi isteniyorsa, buzdolabının ucuna doğru yerleştirilecek vananın arkasına, T parçası geçmeli bağlantı yerine iki bağlantılı bir geçmeli bağlantı parçası vidalayın. Bu sayede su bağlantısı burada sona erer.
    2. İki solenoid valfi üst paslanmaz çelik plakanın bir tarafına takın.
      NOT: Bir vana, toplam 18 sütunun 8 veya 10 sütununu sulayan bir sulama borusunu kontrol eder.
    3. Düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) sulama borusunu 53 cm'lik iki tüpe kesin.
    4. Her tüpün bir tarafını bir uç kapakla kapatın.
    5. Tüplerin diğer ucunu politetrafloroetilen (PFTE) banda sarın ve solenoid valflere bağlayın.
    6. Buzdolabının önüne yakın birinci sulama borusunda 8 delik açın ve buzdolabının önünden daha uzaktaki ikinci sulama borusunda 10 delik açın.
      NOT: Basınç regülatörlerinin doğru konumlandırılması ve çalışması için gerekli olduğundan, deliklerin bir el zımbası kullanılarak yapılması çok önemlidir. Matkap olarak diğer aletlerin kullanılması önerilmez.
    7. Basınç regülatörlerini iki tüpün deliklerine yerleştirin.
    8. Polietilen (PE) mikro hortumu, sulama borusundan kolonlara ulaşmak için 20 cm uzunluğunda 18 küçük tüpe kesin ve basınç regülatörlerine takın.
    9. Küçük tüpleri akrilik plakanın 1 deliklerine yerleştirin.
    10. Fıskiyeleri, sütunların yüzeyine yatay olarak küçük tüplere yerleştirin.
      NOT: Sulama sistemiyle ilgili sorunlarla karşılaşılırsa (örneğin, su akışındaki tıkanıklıklar veya kontrol edilemeyen su akışı), bunun nedeni şunlar olabilir: (a) vanaların arızalanması, (b) tüpte kalan parçacıklar; (c) PFTE bandı tüpün ucuna düzgün şekilde sarılmamış. A noktası için valfi değiştirin. b ve c noktaları için, kolonların sulanmasına başlamadan önce tüplerin temizlendiğinden ve sırasıyla tüpten PFTE bandı kalıntısı sarkmadığından emin olun. Valfin düzgün çalışmasını engelleyebilecek herhangi bir parçacık transferinden kaçınmak önemlidir.
  3. Suyun taşınması için bağlantıyı kurun.
    1. Su bağlantısı için poliüretan (PU) hortumu üç farklı hortuma kesin. Hortumların tam uzunlukları, sistemin ve haznenin tasarımına bağlı olarak değişir. Birinci valfin T parçasını musluğa bağlamak için ilk hortumu, her valfin T parçalarını bağlamak için ikinci hortumu ve ikinci valfin T parçasını bir sonraki sisteme bağlamak için üçüncü hortumu kullanın.
      NOT: Bir sonraki sisteme bağlantıya gerek yoksa, üçüncü hortumun kesilmesi gereksizdir.
    2. PU hortumlarını solenoid valflerin arkasındaki T parçası geçmeli bağlantı parçalarına bağlayın.
    3. Adaptör halkasında iki bağlantılı bir geçmeli bağlantı parçasını vidalayarak ilk valfin PU hortumunu musluğa bağlayın.
    4. Suyun borulara akmasına izin vermek için musluğu açın.
  4. Kontrol sistemini kurun ve sulama sistemine bağlantıyı kurun.
    1. Web özellikli denetleyiciyi, sekiz röleli genişletme modülünü ve ray güç kaynağını bağlayın. Üretici tarafından sağlanan talimatları izleyerek bunları polikarbonat muhafazaya yerleştirin.
      NOT: Bir modüler kontrolör, sırayla sekiz röleyi kontrol eden bir cihaza karşılık gelir. Bir röle, belirli bir vananın açılıp kapanmasını kontrol eder.
    2. Elektrik kablolarını kullanarak iki valfi birbirine bağlayın ve güç kablosunu her bir valfe bağlayın.
    3. Güç kablosunun diğer ucunu web özellikli denetleyiciye bağlayın.
    4. Her şeyi bir elektrik fişine bağlayın ve web özellikli denetleyici için internet bağlantısı kurun.
  5. Sulama oranlarını ayarlamak için sulama ayarlarının çevrimiçi kontrolünü ayarlayın.
    1. Yapılandırma ve kurulum için üretici tarafından sağlanan talimatları izleyin. Programlama ve test için web tarayıcısını kullanın.
    2. http://10.73.10.250/setup.html'e gidin.
    3. Giriş yapmak için bir kullanıcı adı ve şifre kullanın.
    4. Soldaki menüde Kontrol/Mantık'a ve ardından Görevler/İşlevler'e gidin.
    5. Bir röle, bir vananın açılıp kapanmasını kontrol eder. Her röle için iki görev vardır, biri röleyi açar (vana açık), diğeri röleyi kapatır (vana kapalı). Her görevin ayarını değiştirmek için Düzenle'ye tıklayın.
      1. Aktarıcının görevi ayarlanacaksa, Başlangıç Tarihi ve Başlangıç Saati'ne tıklayarak aktarıcının çalışmaya başlaması gereken tarih ve saati ayarlayın (örneğin,4 Mayıs 2022, 7:45:00; bkz. Şekil 8). Sulama sıklığını ayarlamak için, Tekrarı Ayarla ve Her Tekrarla'ya tıklayın (örneğin, günde bir sulama sıklığı için her gün 1 günde bir; bkz. Şekil 8). Aktarıcının çalışmayı durduracağı tarihi ayarlamak için Bitiş Tekrar Tarihi'ne tıklayın (örneğin, 20Mayıs 2022, 23:59:59; bkz. Şekil 8).
      2. Rölenin görevi durdurulacağı zaman, rölenin çalışmayı durdurması gereken zamanı ayarlayın. Bu, gereken su sulama oranına ve sulama sıklığına bağlıdır, örneğin günlük tekrar için saati 7:46:30 olarak ayarlayın. Bu, rölenin günde bir kez sulama sıklığında 50 mL·gün-1 su miktarı için 1 dakika 30 saniye çalıştığı anlamına gelir (bkz. Tablo 1). Başlangıç ve bitiş tarihleri, röleyi açma görevi ve sulama sıklığı ile aynıdır.
    6. Her aktarıcının kurulumu tamamlandığında, Değişiklikleri Kaydet'e tıklamayı unutmayın.
      NOT: Sistemin aşırı yüklenmesini önlemek için tüm rölelerin aynı anda çalışması gerekmez. Farklı rölelerin görevleri arasında her zaman en az 30 sn bırakın (örneğin, cihaz 1'in röle 1'i görevini 07:46:30'da bitirir, cihaz 1'in rölesi 2 görevini 07:47:00'de başlatır).
    7. Her aktarıcının ayarlarının aynı Başlangıç Tarihi ve Bitiş Tarihine sahip olup olmadığını kontrol edin. Tablo 1 , farklı sulama sıklıklarında farklı su sulama oranları için gereken sürenin bir örneğini göstermektedir.
      NOT: Sulama sistemi, listelenenlerin yanı sıra daha fazla su sulama oranına ve sulama sıklığına izin verir, ancak vanaların farklı su miktarları için ne kadar süre açık kalması gerektiğinin test edilmesi gerekir. Tablo 1'de listelenen sulama oranları için, su basıncına ve sistemin tasarımına göre değişebileceğinden, bunun geçerli olup olmadığını ilk testle kontrol etmek yine de iyidir.

Figure 7
Şekil 7: Sulama sistemi için yağmurlama sisteminin göreceli boyutlara sahip modeli . (A) Fıskiyenin üstten görünümü. (B) Fıskiyenin yandan görünümü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 8
Şekil 8: Röleyi açmak için sulama sisteminin ayarlar ekranı örneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Su sulama hızı (mL·gün-1) Sulama sıklığı (kaç kez ·gün-1) Rölenin çalışma süresi (s)
    
50		 1 95
2 50
5 23
    
100		 1 190
2 100
5 45
    
150		 1 280
2 140
5 55

Tablo 1: Farklı sulama sıklıklarında farklı su sulama oranlarına izin vermek için vanaların açık olması için gereken sürelerin göstergeleri.

5. Kaya tozları, organik maddeler ve toprak biyotasının seçilmesi

NOT: Bu deney için, kaya tozları, organik materyaller ve toprak organizmaları, mevcudiyete, yerel oluşuma ve literatür taramasına göre seçilir. Ek olarak, mikroplar, biyolojik ajanlar için teknik kuralların (TRBA) sınıflandırılmasıyla belirlenen patojenitelerine göre seçilir26,27,28. Kesin araştırma sorusuna bağlı olarak, bu faktörler ayarlanabilir.

  1. Deneyler için kaya tozlarını seçin.
    NOT: Bu deneyler için seçilen kaya tozları, dünit ve diyabaz gibi çeşitli mineralojik bileşimlerin hem ultramafik hem de mafik kayaçlarıdır. Her kayanın ince (mikrometre aralığında) ve kaba (milimetre aralığında) olmak üzere iki ana tane boyutu sınıfı vardır.
  2. Deney için organik malzemeler seçin.
    NOT: Bu deneyler için toprak biyotası için bir besin kaynağı olarak seçilen organik maddeler buğday samanıdır ve gübre ve hayvan yemi artıklarından sindirilir.
  3. Deney için bakteri seçin.
    NOT: Bu deneyler için seçilen bakteriler Bacillus subtilis ve Cupriavidus metallidurans'tır. Bakteriler Leibniz Enstitüsü DSMZ'den (Almanya) temin edilmektedir.
    1. Bacto peptondan (10 g· L-1), et özü (3 g· L-1) ve sodyum klorür (10 g· L-1) tedarikçinin talimatlarına uygun olarak ultra saf suda (18.2 mΩ) çözülür.
    2. Eski kültürle aşılamadan önce tüm kültür ortamını 121 °C'de 20 dakika otoklavlayın (hacim = yeni kültürün% 1'i).
    3. Bir hemasitometre ile hücre sayımı yoluyla hücre yoğunluklarını belirleyin ve akış sitometrisi ile hücre sayımlarını doğrulayın.
      NOT: Bu çalışmada, 10 μL/dk akış hızına sahip mor (405 nm) ve mavi (488 nm) lazerlerle donatılmış ve FL1 kanalında (EX 488, EM 525/40) tespit edilen bir akış sitometresi kullanılmıştır.
  4. Deney için mantarları seçin.
    NOT: Bu deneyler için seçilen mantarlar Knufia petricola, Suillus variegatus ve Aerobasidium pullulans'tır. Mantarlar, Westerdijk Enstitüsü'nden (Hollanda) elde edilen K. petricola hariç, Leibniz Enstitüsü DSMZ'den (Almanya) temin edilmektedir.
    1. Mantar kültürlerini, malt ekstraktından (20 g· L-1), D- (+) - glikoz (20 g· L-1) ve kazein hidrolizatı (3 g· L-1) tedarikçilerin talimatlarına uygun olarak ultra saf suda (18.2 mΩ) çözülür.
    2. Eski kültürle aşılamadan önce tüm kültür ortamını 121 °C'de 20 dakika otoklavlayın (hacim = yeni kültürün% 1'i). Bir hematitometre ile hücre sayımı yoluyla hücre yoğunluklarını belirleyin.
  5. Deney için solucanları seçin.
    NOT: Bu deneyler için seçilen solucanlar, endogeik türler Aporrectodea caliginosa ve Allolobophora chlorotica'dır. Solucanlar, deneyden önce Hollanda'daki Wageningen Üniversitesi ve Araştırma (51°58'51.8"K 5°39'38.0"D) yakınlarındaki De Blauwe Bergen parkından toplanıyor.

6. Sütunların doldurulması

  1. Kaya tozlarının ve organik malzemelerin su tutma kapasitesini (WHC) önce her bir malzemeyi 105 °C'de kurutarak belirleyin. Ardından kuru malzemeyi bir kaseye koyun ve ağırlığı kaydedin. Malzemeler yeterince ıslanana kadar azar azar su ekleyin ve son ağırlığı kaydedin. WHC daha sonra Denklem 1 ile verilir.
    Equation 1 (1)
  2. Pipeti 6 mm'lik bir öğütücüden geçirin.
  3. Mineralleri ve organik maddeleri art arda 2 gün boyunca 40 °C'de fırında kurutun.
  4. Bir kapta 400 g mineral ve 10 g organik madde tartın.
    NOT: Miktarlar deneysel ihtiyaçlara göre uyarlanabilir, ancak malzeme karışımı kolonun içine sığmalıdır.
  5. WHC'yi mineral türüne, mineral tane boyutuna ve mevcut organik kaynağa göre %80'e ayarlayın.
  6. Her şeyi metal bir kaşıkla dikkatlice karıştırın.
  7. Sütunları karışımla doldurun.
  8. Doldurulmuş kolonları, Şekil 2'de gösterildiği gibi iklim odasına ilgili konumlarına yerleştirin. Kolonlar hemen iklim odasına yerleştirilemiyorsa, su kayıplarını önlemek ve başlangıç koşullarındaki değişiklikleri sınırlamak için 15 °C'de saklayın ve üzerlerini plastik bir örtü ile örtün.
    NOT: Sütunları altta tutun ve içeriklerinin kaybolmasını önlemek için akrilik plakalara dikkatlice yerleştirin. Şekil 9 , sütunları doldurmak için izlenmesi gereken adımları şematik olarak göstermektedir.

Figure 9
Şekil 9: Sütunları doldurmak için farklı adımlara şematik genel bakış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

7. Toprak biyota aşılaması

  1. Sütunları doldururken (Yöntem 1) veya solucan ilavesinden hemen önce (Yöntem 2) bakteri ve mantarları iki anda aşılayın.
    1. Yöntem 1
      1. İstenen aşılama yoğunluğuna bağlı olarak (bakteriler için kolon başına 1.5 x 109 ve 4.8 x 10 10 hücre arasında ve mantarlar için kolon başına 5.5 x 107 ve 5.5 x10 8 hücre arasında bir hücre yoğunluğu aralığı), bir pipet kullanarak arıtmaya göre su eklendikten sonra farklı mikrobiyal türleri mineral ve organik madde karışımına aşılayın.
        NOT: Eklenen suyun, aşılama yoluyla eklenen miktar (mililitre) eklenen toplam su miktarından çıkarılarak WHC'nin %80'ine ulaşacak şekilde ayarlanması gerekir.
      2. Her şeyi metal bir kaşıkla dikkatlice karıştırın.
      3. Sütunları karışımla doldurun.
      4. Art arda kullanmak için malzemeleri etanol ile karıştırmak için kullanılan kaseyi ve kaşığı silin.
      5. Sütunları üst ağ ile örtün.
    2. Yöntem 2:
      1. İstenen aşılama yoğunluğuna bağlı olarak, bir pipet kullanarak işleme göre kolonların yüzeyindeki farklı mikrobiyal türleri aşılayın.
      2. Sütunları üst ağ ile örtün.
  2. İstenen yoğunluğa bağlı olarak (sütun başına 4, 8 veya 10 solucan), solucanları sütunların yüzeyine nazikçe bırakarak işleme göre sütunlara yerleştirin. Daha sonra, sütunu üst ağ ile örtün.
    NOT: Hem mikroplar hem de solucanlar, sisteme uyum sağlamaları için sulama başlamadan 1 gün önce aşılanmalıdır. Aşılama yoğunluğu deneysel ihtiyaçlara göre değiştirilebilir. Bunun steril bir ortam olmadığını ve hava, su veya girdi malzemesi ile taşınan mikroorganizmalarla potansiyel kontaminasyon olabileceğini unutmayın. Havalandırmadan kaynaklanan bakteriyel kontaminasyonu önlemek için, sütunların üzerine 0,2 μm'lik bir filtre ekleyin.

8. Numunelerin toplanması ve analizleri

  1. Deney süresinin sonunda sütunları odadan çıkarın.
    1. Solucanları toplayın ve hayatta kalma oranlarını belirlemek ve aktivitelerini değerlendirmek için sayın.
    2. Kaya tozu ve organik malzemelerin karışımını homojenize edin ve ilgilenilen mikroorganizmaların varlığını ve aktivitesini daha fazla karakterize etmek için mikrobiyal analizler için alt numuneler alın.
    3. Katı inorganik karbon (SIC) için sonraki katı faz analizleri için kolonların içeriğini 40 °C'de 5-7 gün kurutun.
  2. Nihai sızıntı suyu hacmini belirlemek için bidonları tartın ve TA, çözünmüş inorganik karbon (DIC), pH, EC ve iyonlar gibi daha ileri analizler için sızıntı suyu numuneleri toplayın.
  3. Deneysel son nokta, toprak organizmalarının bu sistemdeki ayrışma oranlarını artırıp artıramayacağını belirlemek ve en yüksek karbon tutma potansiyeline yol açan dikkate alınan değişkenlerin optimal kombinasyonunu bulmaktır. Bunu, analiz edilen parametrelerin sonuçlarını farklı kombinasyonlara göre karşılaştırarak belirleyin.
    NOT: Örnekleme stratejisi ve diğer analizler, deney ortamlarına ve araştırma ihtiyaçlarına göre ayarlanabilir.

Representative Results

Sunulan düzenek, 25 °C'de bir iklim odasında bulunan toplam 203 sütundan oluşuyordu (Şekil 10). Kurulumu bir iklim odasına yerleştirme seçimi, kontrollü sabit sıcaklık ve bağıl neme izin verdi. Bidonların 4 °C'de bir buzdolabına yerleştirilmesi, sızıntı suyunun bileşiminin mikrobiyal aktivite nedeniyle zamanla değişmemesini sağlamıştır.

Figure 10
Şekil 10: İklim odasındaki deney düzeneğinin resimleri. (A) Tek bir sisteme genel bakış. (B) Tek bir sütunun yakın çekimi. (C) Buzdolabındaki bidonların yakın çekimi. (D) İklim kontrollü odadaki tüm sistemlere genel bakış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Gelişmiş bir otomatik sulama sisteminin kullanılması, kolonların çevrimiçi kontrol sistemi kullanılarak değişen oranlarda ve frekanslarda sulanabileceği anlamına geliyordu (Şekil 11). Sulama sistemi, sütunların aldığı su miktarını değiştirmeye izin verdi. Sistemin validasyonu, farklı kolonlar arasında verilen su miktarında minimum %1 ve maksimum %6 farka yol açtığını göstermiştir (Şekil 12). Daha düşük sulama oranları için daha küçük farklılıklar bulunurken, daha yüksek sulama oranları için daha büyük farklılıklar bulunmuştur. Genel olarak, ortalama 50 mL·gün-1 ve 150 mL·gün-1 sulama oranları için daha düşükken, 100 mL·gün-1 sulama oranı için daha yüksekti (Şekil 12).

Figure 11
Şekil 11: Ortalama su miktarı ve zaman. 50 mL·gün-1 sulama hızı için ölçülen ortalama su miktarı, 8 sütun için günde bir, günde iki kez ve günde beş kez olmak üzere üç sulama sıklığına göre 24 saatlik bir süre boyunca dağıtılır. Çubuklar standart hatayı gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 12
Şekil 12: Ortalama su miktarı ve sulama oranı. 8 kolon üzerinde 50 mL·gün-1 sulama hızı ve 10 kolon üzerinde 100 mL·gün-1 ve 150 mL·gün-1 sulama oranları için ölçülen ortalama su miktarı. Çubuklar standart hatayı gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu düzeneğin inşası ve tasarımı, hem (işlenmiş) kaya tozu ve organik malzemelerden oluşan kolonların içindeki katı içeriğin hem de tüm deney süresi boyunca kolonlardan damlayan toplam sızıntı suyu miktarının toplanmasına izin verdi (Şekil 13). Sızıntı suyunun toplanmasında başarılı olunmasına rağmen, toplanan nihai sızıntı suyu miktarı, sulama hızına göre deneyler sonunda toplanması beklenen sızıntı suyu miktarından daha düşük bulunmuştur (Şekil 14). Toplanan sızıntı suyunun azalması, büyük olasılıkla doğrudan buharlaşma ve kolonların dibindeki sızıntı suyu dökülmelerinin bir sonucuydu. Analizlerden elde edilen sonuçlar analiz edilirken bu dikkate alınmalıdır.

Figure 13
Şekil 13: Kolonların ve sızıntı suyunun temsili görüntüleri. Deneylerin başında kaya tozu ve organik maddelerle dolu sütunlar (sol taraf) ve deneylerin sonunda bidonlardan toplanan sızıntı suları (sağ taraf). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 14
Şekil 14: Deneyler sonunda sulama oranı başına toplanan toplam litre. Kesikli çizgiler, 50 mL·gün-1 için açık mavi çizgi, 100 mL·gün-1 için koyu mavi çizgi ve 150 mL·gün-1 için yeşil çizgi ile gösterilen, deney periyodu başına sulama hızına göre toplanan beklenen sızıntı suyu miktarını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Kaya tozu ve organik materyal karışımı, mikrobiyal topluluk, bakteri ve mantar bileşimi ve solucanlar için hayatta kalma ve aktivite açısından toprak biyotasının başarı oranını değerlendirmek için analiz edildi (Şekil 15).

Figure 15
Şekil 15: Solucanların mantar büyümesi ve hayatta kalması. Deneylerin sonunda ve numune almadan önce, kaya tozu ve organik maddelerle dolu sütunlarda mantar büyümesinin (sol taraf) ve solucanların hayatta kaldığına (sağ taraf) dair görsel işaretler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Diğer parametrelerin yanı sıra, sızıntı suyu TA ve DIC için analiz edildi, çünkü TA ve IC, mineral ayrışma oranları 4,29,30,31 için iyi vekillerdir. TA, Metrohm Titrando29,30 ile, DIC ise Skalar toplam organik karbon (TOC) analizörü ile ölçüldü. Bir TOC analizörü kullanılarak DIC, toplam çözünmüş karbon (DC) ve çözünmüş organik karbon (DOC) arasındaki farktan hesaplanır. Şekil 16 ve Şekil 17, bir deneysel çalışma için bu analizlerden elde edilen bazı örnek değerler için kümülatif dağılımı göstermektedir. Bu deney düzeneğini kullanarak, TA değerleri 0.019 mol ile 0.025 mol arasında değişirken, DIC değerleri 7.352 mg C ile 259.279 mg C arasında değişmektedir (Şekil 16 ve Şekil 17).

Figure 16
Şekil 16: Deney dönemi sonunda toplanan sızıntı suyunda TA için ölçülen örnek değerlerin olasılık dağılımı. Sütunların taştığı tedaviler görüntülenmez. Değerler mol cinsinden ifade edilir ve deneyler sonunda toplanan toplam sızıntı suyu miktarı için düzeltilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 17
Şekil 17: Deney dönemi sonunda toplanan sızıntı suyunda DIC için ölçülen örnek değerlerin olasılık dağılımı. Sütunların taştığı tedaviler görüntülenmez. Değerler mg karbon (C) cinsinden ifade edilir ve deneyler sonunda toplanan toplam sızıntı suyu miktarı için düzeltilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Mevcut araştırma bağlamında, bu kurulum, toprak biyotasının aktivitesi yoluyla mineral ayrışmayı artırarak inorganik karbon tutumunu optimize etmek ve aynı zamanda ayrışmayı uyarmak için bilinen abiyotik faktörleri manipüle etmek için benzersiz bir şekilde tasarlanmıştır. Bu kurulumda hem katı işlenmiş malzemenin hem de sızıntı suyunun toplanması olasılığı, her iki fraksiyonun tam bir karakterizasyonunu sağlar. Çok sayıda sütuna rağmen, örneklerin toplanması ve yapılan analizler yüksek kaliteli bir veri toplama sağlar. Ayrıca, tek bir deneysel çalışmada çok sayıda kombinasyona sahip olmak, toplanan verilerin makine öğrenimi gibi modern ve gelişmiş istatistiksel yöntemlerle analiz edilmesi için çok önemlidir. Bu yöntemler, yüksek ayrışma oranlarına ve daha fazla karbon tutulmasına yol açan ana değişkenleri belirlemek için kullanılabilir. Sonuç olarak, bu kurulum, toprak organizmalarının EW ve IC sekestrasyonu üzerindeki etkilerinin anlaşılmasını geliştirme fırsatı sunar. Bu, EW'nin sınırları ve atmosferik CO2 konsantrasyonlarını azaltmadaki etkinliği hakkında daha gerçekçi kısıtlamalar oluşturmak için esastır. Bu kurulum, EW'yi ve toprak organizmalarının etkisini araştıran mevcut çalışmalara kıyasla çeşitli özgünlükler sunmaktadır.

Abiyotik faktörlerin EW üzerindeki etkileri ile ilgili olarak, bunlar daha önceki çalışmalardaaraştırılmıştır 4,29,30,31,32,33,34. Bu çalışmalardan bazıları, kayaların farklı miktarlarını, türlerini ve tane boyutlarını karşılaştırdı, ancak kurulumları ya bir çömlek deneyinden(32,33) oluşuyordu ya da kaya tozunun topraklakarıştırılmasını içeriyordu 34. Diğer deneyler, farklı sulama oranlarına sahip bir kaya türüne odaklandı, ancak otomatik bir sistemle sık sık sulama yapma imkanı yoktu veya çoklu sulama oranlarına ve sıklıklarına odaklandı35. Diğer çalışmalar, değişen kaya tanesi boyutları ve tiplerinin yanı sıra sulama oranlarını ayarlama ve sıcaklığı sabit tutma olasılığı ile mevcut protokolde sunulana benzer bir kurulum sunmuştur29,30. Ayrıca, bu kurulumların tasarımı, mevcut el yazmasında önerilenle karşılaştırılabilir ve daha ileri analizler için sızıntı suyunu toplamak üzere tasarlanmıştır29,30. Ek olarak, bu çalışmalarda CO2 konsantrasyonları, ayrışmayı artıran başka bir faktör olarak değiştirilmiştir29. Bununla birlikte, bu önceki çalışmaların hiçbiri biyotik faktörlerin EW'yi teşvik etme üzerindeki etkisine odaklanmamıştır. Bu kurulumda amaç, belirli bakterileri, mantarları ve solucanları aşılayarak ve EW'yi ne ölçüde hızlandırabileceklerini belirleyerek ayrışma sürecini ve daha fazla IC sekestrasyonunu geliştirmektir.

Biyotik faktörlerin EW üzerindeki etkisi ile ilgili olarak, az sayıda çalışma özellikle EW'ye odaklanmamış, ancak toprak organizmalarının mineral ayrışmasını etkileyip etkilemeyeceğini araştırmıştır. Bu çalışmalar esas olarak, kültür ortamları 19,21, Petri kapları36, toprağa gömülü naylon torbalar14 veya diğer substratlarla karıştırılmış az miktarda kaya tozu36,37 kullanılarak hava koşullarının toprak organizmalarından nasıl etkilendiğini araştırmıştır. Bu tür küçük sistemleri veya kurulumları kullanmak, organizmaların etkisini diğer değişkenlerden ayırmayı zorlaştırır. Bazı deneyler, burada önerilene benzer bir kurulum kullandı, ancak daha küçük ölçekte, toprak organizmaları ile aşılanmış kaya tozu dolu sütunlarla38,39,40. Bununla birlikte, bu deneyler ya bitkileri eşzamanlı olarak büyüttü ve belirli toprak organizmalarının özel etkisineodaklanmadı 13,35 ya da sızıntı suyunutoplamadı 36. Ayrıca, bakteri, mantar ve solucanların mineral ayrışmayı arttırdığını gösteren çalışmaların çoğu, bu organizmaların IC sekestrasyonundan ziyade ayrışmanın bir göstergesi olarak besin salınımı üzerindeki etkisine odaklanmıştır 11,13,14,19,36,37,38 . Her şeyden önce, bu önceki çalışmaların hiçbiri EW'yi teşvik etmeyi amaçlamadı veya deney süresi boyunca abiyotik faktörlerin ayarlanması ve sürdürülmesi olasılığını sunmadı. Bu kurulumda, tüm abiyotik faktörleri sabit tutmak yerine, toprak organizmalarının aktivitesi yoluyla EW'yi teşvik etmek amacıyla su sulama oranları ve sıklıkları, kaya tozu türü ve tane boyutu gibi dört abiyotik faktör için çok sayıda kombinasyon test edilir.

Ayrıca, abiyotik veya biyotik faktörlerin EW üzerindeki etkisine odaklanan önceki çalışmaların hiçbiri, bir deneysel çalışmada çok sayıda sütun ve değişkene sahip olma olasılığını sunmamıştır. Bu kurulumda, kurulumun tasarlandığı etkileyici sütun sayısı nedeniyle bir deneme çalıştırması sırasında çeşitli değişkenlerin birden çok farklı kombinasyonunu test etmek mümkündür ve yine de yüksek kaliteli sonuçlar sağlar. Kurulumun yeniliği göz önüne alındığında, gelecekteki benzer kurulumları tasarlarken göz önünde bulundurulabilecek bazı olası iyileştirmeler ve kalan zorluklar aşağıda sunulmuştur.

Kuluçka odasında homojen hava koşulları sağlanmalıdır. Kurulumun bir iklim odasına yerleştirilmesi, sabit sıcaklık ve bağıl nem sağladı. Havalandırma kısıtlamaları (örneğin, hava akışı) atmosferik koşullarda mekansal değişkenlik yaratmış ve bu nedenle belirli konumlarda kolonlardan orantısız buharlaşmaya yol açmış olabilir, bu da bu tür bir kurulumda yaygın bir fenomendir35. Bu dezavantajı gidermek için, çoğaltma ve rastgeleleştirme mümkün olmadığında, oda boyunca çeşitli yerlere yerleştirilmiş sütunlar için bir su dengesinin hesaplanması tavsiye edilir.

Sızıntı suyu kaybını önlemek için sütunlar akrilik plakaya yerleştirildikten sonra hunilerle dikkatlice hizalanmalıdır. Ele alınan deney süresi boyunca, hunilerin yanlış konumlandırılması veya ağların tıkanması nedeniyle kolonların altından sızıntı suyu kayıpları meydana geldi. Buharlaşma ile birlikte bu, toplanan sızıntı suyunun neden beklentilere göre daha düşük olduğunu kısmen açıklayabilir (Şekil 13). Bu kayıpları en aza indirmek için, hunilerin sütunların altına en uygun şekilde yerleştirildiğinden emin olmak önemlidir. Daha geniş huniler kullanmak da uygun bir seçenektir. Bu durumda akrilik levhaların yapımı sırasında deliklerin çapına ve akrilik levhalar arasındaki mesafeye dikkat edilmelidir.

Suyun sık uygulandığı toprak kolonu deneylerinde daha yavaş su akışı tekrar eden bir konudur 7,30,40. Sunulan düzenekle yapılan deneylerde, bazı durumlarda, başlangıçta topraklarda normal olarak gözlemlenen bir yapıya sahip olmayan oldukça yüksek sulama oranları ve çok ince mineral tane boyutları kullanılmıştır. Bu, sadece ince mineraller içeren sütunların altındaki ağların gözeneklerinin deneylerin çalışması sırasında tıkanmasına neden olmuş olabilir. Bu nedenle, su kolonlardan yeterince hızlı akmadı, bu da hem kolonların su basmasına, su sızmasının ve sızıntı suyu toplanmasının azalmasına hem de kolonlar içindeki anoksik koşullarda biyojeokimyasal süreçleri etkilemesine neden oldu. Bu sorunu hafifletmek için, her zaman belirli bir oranda kaba taneyi daha ince mineral tane boyutlarıyla karıştırmak ve %100 çok ince mineral tane boyutu karışımlarından kaçınmak önemlidir. Diğer bir seçenek ise, toprak yapısı oluşumunu başlatmak ve böylece su sızmasını iyileştirmek için kolonların belirli sayıda ıslatma/kurutma döngüsü yaşamasına izin vermektir. Ayrıca, deneye başlamadan önce, gaz akışını, mineral doygunluk durumunu ve organizmaların aktivitesinin itici güçlerini daha iyi anlamak için birkaç mezokozmda doymuş ve doymamış akış ve su tutma eğrisi gibi temel toprak su dinamiklerini belirlemek faydalı olacaktır.

Sunulan deney düzeneğinin kullanımı uygundur, basit bir kurulum sunar ve araştırma ihtiyaçlarına göre ayarlanabilir. Mineral ayrışma bağlamında, gerekli ayarlamalarla, sadece katı ve sulu fazdaki karbonu karakterize etmek için değil, aynı zamanda gaz fazındaki karbonun dinamiklerine de bakmak için bir gaz odası ile birleştirilebilir. Ayrıca, bu kurulum, kuru-ıslak dizilerle gerçekçi su sızma oranlarını incelemek için kullanılabilir, çünkü bu zamansal dinamikler ayrışmayı güçlü bir şekilde etkileyebilir41. Bu kurulumun kullanımı, yalnızca silikat minerallerine odaklanan deneylerle sınırlı değildir, ancak farklı substratlar kullanan kolon deneylerinde uygulanabilir. Ayrıca, deneylerin uzunluğu deneysel ihtiyaçlara göre kısaltılabilir veya uzatılabilir ve sütun sayısı değiştirilebilir. Hem katı işlenmiş malzemelerden hem de sızıntı suyundan numune toplama imkanı, iki bileşenden birine veya her ikisine odaklanmak için farklı analizler yapmamızı sağlar. Bilgi sunmak için, bu, yalnızca silikat mineralleri ve organik malzemelerden oluşan bir sistemde abiyotik koşulları kontrol ederken aynı zamanda mineral ayrışmayı iyileştirmek için toprak organizmalarını kullanmayı amaçlayan istisnai sayıda sütunla şimdiye kadar inşa edilmiş tek kurulumdur.

Disclosures

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Acknowledgments

Sulama sisteminin geliştirilmesi için Tupola'dan Ton van der Zalm'a teşekkür ederiz. Ek olarak, bu kurulumun inşası sırasında verilen kahkahalar ve zihinsel destek için Tupola'dan Jaco Baars'a teşekkür ederiz. Peter Garamszegi ve Ángel Velasco Sánchez'e, sulama sistemi çalışmadığında sütunların manuel olarak sulanmasına yardımcı oldukları için teşekkür ederiz. Ayrıca örnekleme sırasında sağlanan yardımlar için Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg ve Kangying Xie'ye teşekkür ederiz. Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen ve Gerlinde Vink'e laboratuvardaki yardımları, numunelerin analizleri ve verimli tartışmalar için teşekkür ederiz. Son olarak, iklim odasının sağlanması ve bakımı için Unifarm'dan Jeroen Zonneveld'e teşekkür ederiz. Bu kurulum, Avrupa Birliği Horizon 2020 çerçeve programı tarafından 964545 No'lu hibe sözleşmesi kapsamında araştırma ve yenilik için finanse edilen Biyo-Hızlandırılmış Mineral Ayrışma (BAM!) projesinin bir parçası olarak inşa edilmiştir.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Beerling, D. J., et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature. 583 (7815), 242-248 (2020).
  2. Fuss, S., et al. Negative emissions - Part 2: Costs, potentials and side effects. Environmental Research Letters. 13, 063002 (2018).
  3. Goll, D. S., et al. Potential CO2 removal from enhanced weathering by ecosystem responses to powdered rock. Nature Geoscience. 14 (8), 545-549 (2021).
  4. Hartmann, J., et al. Enhanced chemical weathering as a geoengineering strategy to reduce atmospheric carbon dioxide, supply nutrients, and mitigate ocean acidification. Reviews of Geophysics. 51 (2), 113-149 (2013).
  5. Vicca, S., et al. Is the climate change mitigation effect of enhanced silicate weathering governed by biological processes. Global Change Biology. 28 (3), 711-726 (2022).
  6. Strefler, J., Amann, T., Bauer, N., Kriegler, E., Hartmann, J. Potential and costs of carbon dioxide removal by enhanced weathering of rocks. Environmental Research Letters. 13 (3), 034010 (2018).
  7. te Pas, E. E., Hagens, M., Comans, R. N. Assessment of the enhanced weathering potential of different silicate minerals to improve soil quality and sequester CO2. Frontiers in Climate. 4, 954064 (2023).
  8. Jordan, G., Pokrovsky, O. S., Guichet, X., Schmahl, W. W. Organic and inorganic ligand effects on magnesite dissolution at 100 °C and pH = 5 to 10. Chemical Geology. 242 (3-4), 484-496 (2007).
  9. Shirokova, L. S., et al. Experimental study of the effect of heterotrophic bacterium (Pseudomonas reactans) on olivine dissolution kinetics in the context of CO2 storage in basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 80, 30-50 (2012).
  10. Pokrovsky, O. S., Shirokova, L. S., Zabelina, S. A., Jordan, G., Bénézeth, P. Weak impact of microorganisms on Ca, Mg-bearing silicate weathering. npj Materials Degradation. 5, 51 (2021).
  11. Basak, B. B., Biswas, D. R. Influence of potassium solubilizing microorganism (Bacillus mucilaginosus) and waste mica on potassium uptake dynamics by sudan grass (Sorghum vulgare Pers.) grown under two Alfisols. Plant and Soil. 317 (1-2), 235-255 (2009).
  12. Gouda, S., et al. Revitalization of plant growth promoting rhizobacteria for sustainable development in agriculture. Microbiological Research. 206, 131-140 (2018).
  13. Burghelea, C. I., et al. Trace element mobilization during incipient bioweathering of four rock types. Geochimica et Cosmochimica Acta. 234, 98-114 (2018).
  14. Wild, B., Imfeld, G., Daval, D. Direct measurement of fungal contribution to silicate weathering rates in soil. Geology. 49 (9), 1055-1058 (2021).
  15. Hu, L., et al. Earthworm gut bacteria increase silicon bioavailability and acquisition by maize. Soil Biology and Biochemistry. 125, 215-221 (2018).
  16. Liu, D., Lian, B., Wang, B., Jiang, G. Degradation of potassium rock by earthworms and responses of bacterial communities in its gut and surrounding substrates after being fed with mineral. PLoS ONE. 6 (12), e28803 (2011).
  17. Schwartzman, D. The geobiology of weathering: a 13th hypothesis. arXiv. , (2015).
  18. Buss, H. L., Lüttge, A., Brantley, S. L. Etch pit formation on iron silicate surfaces during siderophore-promoted dissolution. Chemical Geology. 240 (3-4), 326-342 (2007).
  19. Sun, L. L., et al. Differences in the gene expressive quantities of carbonic anhydrase and cysteine synthase in the weathering of potassium-bearing minerals by Aspergillus niger. Science China Earth Sciences. 56 (12), 2135-2140 (2013).
  20. Van Hees, P. A. W., et al. Oxalate and ferricrocin exudation by the extramatrical mycelium of an ectomycorrhizal fungus in symbiosis with Pinus sylvestris. New Phytologist. 169 (2), 367-378 (2006).
  21. Xiao, L., Lian, B., Hao, J., Liu, C., Wang, S. Effect of carbonic anhydrase on silicate weathering and carbonate formation at present day CO2 concentrations compared to primordial values. Scientific Reports. 5, 7733 (2015).
  22. Welch, S. A., Taunton, A. E., Banfield, J. F. Effect of microorganisms and microbial metabolites on apatite dissolution. Geomicrobiology Journal. 19 (3), 343-367 (2002).
  23. Suzuki, Y., Matsubara, T., Hoshino, M. Breakdown of mineral grains by earthworms and beetle larvae. Geoderma. 112 (1-2), 131-142 (2003).
  24. Carpenter, D., Hodson, M. E., Eggleton, P., Kirk, C. The role of earthworm communities in soil mineral weathering: a field experiment. Mineralogical Magazine. 72 (1), 33-36 (2008).
  25. Georgiadis, A., Marhan, S., Lattacher, A., Mäder, P., Rennert, T. Do earthworms affect the fractionation of silicon in soil. Pedobiologia. 75, 1-7 (2019).
  26. Committee for Biological Agents (ABAS). TRBA 450 classification criteria for biological agents. , https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRBA/TRBA-450.html (2016).
  27. Committee for Biological Agents (ABAS). TRBA 466 Classification of prokaryotes (bacteria and archaea) into risk groups. , https://www.baua.de/EN/Service/Legislative-texts-and-technical-rules/Rules/TRBA/TRBA-466.html (2010).
  28. Committee for Biological Agents (ABAS). TRBA 460 Classification of fungi in risk groups. , https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRBA/TRBA-460.html (2016).
  29. Amann, T., Hartmann, J. Carbon accounting for enhanced weathering. Frontiers in Climate. 4, 849948 (2022).
  30. Amann, T., Hartmann, J., Hellmann, R., Pedrosa, E. T., Malik, A. Enhanced weathering potentials-the role of in situ CO2 and grain size distribution. Frontiers in Climate. 4, 929268 (2022).
  31. Vienne, A., et al. Enhanced weathering using basalt rock powder: carbon sequestration, co-benefits and risks in a mesocosm study with Solanum tuberosum. Frontiers in Climate. 4, 869456 (2022).
  32. Ten Berge, H. F., et al. Olivine weathering in soil, and its effects on growth and nutrient uptake in ryegrass (Lolium perenne L.): a pot experiment. PLoS ONE. 7 (8), e42098 (2012).
  33. Amann, T., et al. Enhanced weathering and related element fluxes-a cropland mesocosm approach. Biogeosciences. 17 (1), 103-119 (2020).
  34. Dietzen, C., Harrison, R., Michelsen-Correa, S. Effectiveness of enhanced mineral weathering as a carbon sequestration tool and alternative to agricultural lime: an incubation experiment. International Journal of Greenhouse Gas Control. 74, 251-258 (2018).
  35. Wood, C., Harrison, A. L., Power, I. M. Impacts of dissolved phosphorus and soil-mineral-fluid interactions on CO2 removal through enhanced weathering of wollastonite in soils. Applied Geochemistry. 148, 105511 (2023).
  36. Carpenter, D., Hodson, M. E., Eggleton, P., Kirk, C. Earthworm induced mineral weathering: preliminary results. European Journal of Soil Biology. 43, S176-S183 (2007).
  37. De Souza, M. E. P., et al. Vermicomposting with rock powder increases plant growth. Applied Soil Ecology. 69, 56-60 (2013).
  38. Burghelea, C., et al. Mineral nutrient mobilization by plants from rock: influence of rock type and arbuscular mycorrhiza. Biogeochemistry. 124, 187-203 (2015).
  39. Zaharescu, D. G., et al. Ecosystem composition controls the fate of rare earth elements during incipient soil genesis. Scientific Reports. 7, 43208 (2017).
  40. Van Grinsven, J. J. M., Van Riemsdijk, W. H. Evaluation of batch and column techniques to measure weathering rates in soils. Geoderma. 52 (1-2), 41-57 (1992).
  41. Calabrese, S., et al. Nano-to global-scale uncertainties in terrestrial enhanced weathering. Environmental Science & Technology. 56 (22), 15261-15272 (2022).

Tags

Biyokimya Sayı 201
Toprak Organizmalarının Aktivitesi Yoluyla Mineral Ayrışmayı Geliştirmek için Bir Deney Düzeneğinin Tasarımı ve İnşası
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Calogiuri, T., Hagens, M., Van… More

Calogiuri, T., Hagens, M., Van Groenigen, J. W., Corbett, T., Hartmann, J., Hendriksen, R., Janssens, I., Janssens, I. A., Ledesma Dominguez, G., Loescher, G., Mortier, S., Neubeck, A., Niron, H., Poetra, R. P., Rieder, L., Struyf, E., Van Tendeloo, M., De Schepper, T., Verdonck, T., Vlaeminck, S. E., Vicca, S., Vidal, A. Design and Construction of an Experimental Setup to Enhance Mineral Weathering through the Activity of Soil Organisms. J. Vis. Exp. (201), e65563, doi:10.3791/65563 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter