Summary
Bu çalışma altı hidrolojik, jeokimyasal ve toprak Lizimetre mikrobiyolojik heterojenite araştırmak için bir kazı yöntemi sunar. Lizimetre homojen koşul altında başlangıçta ve 18 aylık bir süre içinde sulama sekiz döngü üzerinde suyun yaklaşık 5.000 mm maruz kaldığını yapay Yamaç taklit eder.
Introduction
Toprak ve peyzaj dinamikleri fiziksel, kimyasal karmaşık etkileşimi ve biyolojik süreçlerin 1 ile şekillenir. Su akış, jeokimyasal ayrışma ve biyolojik aktivite istikrarlı bir ekosistem 2,3 içine manzara genel gelişimine yön. Yüzey değişiklikleri manzara 4 en göze çarpan özellikleri, hidrolojik, jeokimyasal anlaşılması birikimli etkileri ve mikrobiyolojik süreçler yeraltı bölgede iken bir manzara 2 şekillendirecek temel kuvvetleri anlamak için çok önemlidir. Gelecekteki iklim pertürbasyon senaryoları daha peyzaj evrim 5 öngörülebilirlik ve desen bulandırabilir. Böylece manzara ölçekli 6 onların büyük ölçekli tezahürü küçük ölçekli süreçlerini bağlamak için bir sorun haline gelmektedir. Geleneksel kısa vadede laboratuar deneyleri veya th yakalayan kısa düşüş zorlayarak bilinmeyen başlangıç koşullarına ve zaman değişkeni ile doğal manzaralar yapılan deneylerdepeyzaj evrim e içsel heterojen. Ayrıca, güçlü olmasından dolayı doğrusal olmayan bağlantı nedeniyle, heterojen sistemler 7 hidrolojik modelleme gelen biyokimyasal değişiklikleri tahmin etmek zordur. Burada, bilinen ilk koşullarla tamamen kontrollü ve izlenen toprak Yamaç kazmaya yeni bir deneysel yöntem açıklanmaktadır. Bizim kazı ve örnekleme prosedürü hidro-biyo-jeokimyasal etkileşimleri ve toprak oluşumu süreçlerine üzerindeki etkilerini araştırmak için kapsamlı bir veri seti sağlamak amacı ile, uzunluğu ve derinliği boyunca Yamaç gelişmekte heterojenitesini yakalama hedefleniyor.
Doğada bulunan hidrolojik sistemleri yer ve zaman ölçekleri 3, geniş bir aralıkta yer alan hidrolojik yanıtları değişikliklerle zaman statik olmaktan uzaktır. Manzara boyunca akış yollarının mekansal yapı oranı, kapsamını ve sürücü jeokimyasal reaksiyonlar ve biyolojik kolonizasyon dağılımını belirlerayrışma, ulaşım ve çözünen ve çökellerin yağış ve toprak yapısının daha da geliştirilmesi. Böylece, teoriler ve hidrolojik tahminlerde hidrolojik süreçleri değerlendirmek ve geliştirmek için deneysel tasarımlar içine pedoloji, jeofizik ve ekoloji bilgiyi içeren 8,9 öne sürülmüştür. Peyzaj evrimi de su dinamikleri, toprak gelişimi sırasında element göç ile birlikte ve maden hava, su ile yüzeyler ve mikroorganizmaların 10 reaksiyonu getirdiği mineralojik dönüşümlerin yeraltı biyokimyasal süreçler tarafından etkilenir. Sonuç olarak, gelişmekte olan bir manzara içinde jeokimyasal noktaları gelişimini incelemek için önemlidir. Ayrıca, karmaşık manzara gelişim dinamiklerini anlamak için başlangıç toprak oluşumu sırasında hidrolojik süreç ve mikrobiyolojik imzalarla jeokimyasal ayrışma desenleri ilişkilendirmek için kritik öneme sahiptir. Toprak oluşumunun belirli süreçleri tabidirBelirli bir ana malzeme üzerinde iklim, biyolojik girişler, rölyef ve zaman kombine etkisiyle. Bu deney koşulları nerede altında (yamaç ve derinlik dahil) kabartma ile ilişkili hidrolojik ve jeokimyasal varyasyonları tarafından yönetilen ana malzemenin ayrışması içinde farklılıklarını ve çevresel geçişlerini (yani, redoks potansiyeli) tarafından tahrik edilir mikrobiyal aktivite ilişkili değişkenlik gidermek için tasarlanmıştır ana malzeme, iklim ve zaman sabiti tutulur. Mikrobiyal aktivite ile ilgili olarak, toprak mikroorganizmaları kritik bileşenleri ve peyzaj istikrar 11 üzerinde derin bir etkisi vardır. Bunlar toprağın yapısı, besin biyokimyasal bisiklet ve bitki büyümesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, aynı anda hidrolojik akış yolları ve jeokimyasal biz karşılıklı etkilerin belirlenmesi sırasında, ayrışma sürücüler, toprak oluşumunda ve peyzaj oluşum süreçleri gibi bu organizmaların önemini anlamak için gereklimikrobiyal toplum yapısı ve çeşitliliği üzerinde athering. Bu kimin hidrolojik ve jeokimyasal özellikleri de paralel olarak çalışılmaktadır gelişmekte olan bir manzara üzerinde mikrobiyal topluluk çeşitliliğin mekansal heterojenlik inceleyerek elde edilebilir.
Burada, Biyosfer 2 (Arizona Üniversitesi) ev sahipliği Peyzaj Evrim Gözlemevi (LEO) büyük ölçekli sıfır dereceden havza modelleri taklit etmek üzere bir toprak Lizimetre, operasyonel adlı miniLEO, bir kazı işlemi sunuyoruz. miniLEO kümülatif heterojen hidro-biyo-jeokimyasal süreçler kaynaklanan küçük ölçekli peyzaj evrim modellerini tespit etmek için geliştirilmiştir. Bu Lizimetre uzunluğu 2 m genişliğinde 0.5 m ve yüksekliği 1-M, ve 10 ° eğimi (Şekil 1). Buna ek olarak, Lizimetre duvarları olarak yalıtılmış ve biyolojik olarak bozunabilir, iki kısımlı epoksi astar ve potansiyel kirlenme veya süzülmesini önlemek için bir toplama dolu alifatik üretan kaplama ile kaplanırtoprağa Lizimetre çerçeveden metallerin. Lizimetre Kuzey Arizona Merriam krater ile ilişkili geç Pleistosen Yanardağın bir depozito elde edildi ezilmiş bazalt kaya ile doluydu. yüklenen bazalt malzemesi çok daha büyük bir LEO deneylerinde kullanılan malzeme ile aynıydı. Mineral bileşimi, tanecik boyutu dağılımı, ve hidrolik özellikleri Pangle ve ark., 12 tarafından tarif edilmiştir. downslope sızma yüz delikli bir plastik ekran (0.002 m çaplı gözenekler,% 14 porozite) ile kaplanmıştır. Sistem, su tablası yüksekliğini belirlemek için su içeriği ve sıcaklık sensörleri, su potansiyeli sensörler iki tür, toprak-su numune, hidrolik ağırlık dengesi, elektriksel iletkenlik sondaları ve basınç dönüştürücüler olarak sensörleri ile donatılmıştır. Lizimetre kazı öncesinde 18 ay sulandı.
Kazı onun yaklaşımı titiz ve iki geniş soruları yanıtlayan amaçlıyordu: (1) hidrolojik ne jeokimyasal ve mikrobiyal imzalar taklit yağış koşulları ve bakımından yamaç uzunluğu ve derinliği karşısında görülebilir (2) Yamaç meydana gelen hidro-biyo-jeokimyasal süreçler arasındaki ilişkiler ve geri bildirimler çıkarılabilir olup olmadığını bireysel imzalar. deneysel kurulum ve kazı prosedürü yanı sıra, biz birleştiğinde toprak sistem dinamikleri ve / veya toprak gelişim süreçlerini inceleyerek ilgilenen araştırmacılar için benzer kazı protokolleri nasıl uygulanacağına dair temsili verileri ve önerileri sunulmuştur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Lizimetre Sistematik ve Kapsamlı Örnekleme sağlamak için bir Örnekleme Matrix tasarlamak
- sabit uzunluk, genişlik ve derinlik vokseller içine Lizimetre bölün.
- koordinat sistemi bir Öklid alanı kullanmak ve eşit aralıklı aralıklarla yeterli sayıda içine her yönde (X, Y ve Z) boyunca toplam mesafeyi bölün. Sınır etkileri önlemek için Lizimetre duvarları yakınında toprak atarak düşünün.
Not: toplanan bir toprak hacmi yeterli olmasını sağlama dört duvar boyunca 5 cm'lik bir tampon, Sınır etkileri önlemek için bu deneyde benimsenmiştir. - her bir numune benzersiz XYZ konumu atama ve voksel olarak tanımlar.
NOT: Z, yamaç derinliği boyunca konumunu gösterir iken bu kazı, X eğimi genişliği boyunca konumunu gösterir, Y, yamaç uzunluğu boyunca konumunu gösterir. Her bir boyut içinde aralıklarla büyüklüğü voksellerdeki genişliğini, uzunluğunu, ve derinliğini belirler. FŞEKIL 2 XYZ sistemi için seçilen kökenli birlikte aralık aralıklarını belirledikten sonra Lizimetre bölünmesi gösterir. Geçerli kazı düzeni bölünme 10 cm x 20 cm x 10 cm ölçülerinde (Şekil 3) 324 vokseller toplam üreten, hem Y ve Z yönlerinin yanı sıra 9 aralıkları ve X yönünde boyunca 4 aralıkları vardır.
NOT: Seçilen örnekleme stratejisi tüm sistemin eşit sensörler en az zararla örneklenmiş olmasını sağlar. her voksel (1-2 cm) Sınırları komşu vokseller çapraz kontaminasyonu sınırlamak için atılır. Ayrıca, voksel boyutları yeterli toprak malzeme her vokseldeki mikrobiyolojik, jeokimyasal ve hidrolojik numune toplama için kullanılabilir olduğundan emin olun.
- koordinat sistemi bir Öklid alanı kullanmak ve eşit aralıklı aralıklarla yeterli sayıda içine her yönde (X, Y ve Z) boyunca toplam mesafeyi bölün. Sınır etkileri önlemek için Lizimetre duvarları yakınında toprak atarak düşünün.
Lizimetre Şekil 1. Yan görünümü. Sızıntı fa gelen Lizimetre Viewce. Ayrıca görünen dört köşesinde eğim ve yağmurlama sistemi boyunca üç sensör bölgeleri (beyaz PVC borular) bulunmaktadır.
Y 20 cm içine uzunluğu böler ise Şekil 2. Örneklemesi. XYZ. A. X boyut boyunca Lizimetre Örnekleme şeması 4 bölümden 10 cm her birine genişliğini böler. B. Z boyut derinliğini gösterir ve 9 katmanları ayrıldı 10 cm derinlik. Tüm Lizimetre kenarları boyunca 5 cm'lik bir sınır potansiyel sınır etkisini gösterebilen örneklerin toplanmasını engellemek için tespit edilmiştir. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.
Şekil 3. Üç-dBir vokselin imensional gösterimi. Lizimetre XYZ düzlemi boyunca bir vokselin Görsel şematik. Tüm eğim tek örnekleme birimini gösteren her voksel ile 324 tür vokseller ayrıldı. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.
2. Yamaç Track Su Infiltration için Brilliant Blue FCF Boyası ekle
- Y doğrultusu boyunca yüzeyin üst 105 cm karşılamaya yetecek, toprak yüzeyinde parlak mavi boya uygulayın. plastik levhalar ile kalan toprak örtün.
- siyah bazalt toprak karşı kontrast garanti bir konsantrasyon (burada 10 g / L) seçin. Sulama sistemi tanklarına boya ekleyin ve istenen konsantrasyona göre su ile seyreltilir.
- sızma ön istenilen derinlikte ve sulama sistemi tarafından sağlanan oranına göre sulama süresine karar verin.
NOT: Bu çalışma için, bir i20 dakika (Şekil 4) önceki kazı için 30 mm / saat rrigation oranı ilk birkaç santimetre sırasında su sızması heterojen modellerini tespit etmek için yeterli kabul edilir. - Boya uygulamasından sonra, sızma durdurmak ve Lizimetre içinde nem devletler dengelenmesi için zaman verin. Bu çalışma için, boya uygulama ve kazı arasındaki 10 saat (gece) bir dönem uygundu.
Voksellerden 3. Çizimi
- Voksellerden çizilmesi sırasında rehberlik için bir in-situ referans sistemi sağlamaktır yamaç uzunluğu boyunca bant ölçme takın.
- Ölçüm bandı yardımıyla her toprak vokseldeki boyutunu işaretleyin. Alüminyum bıçak kalkanları ve plastik macun bıçak (Şekil 4) kullanarak her bir katman için ızgara çizgilerini çizin. sınır malzemeler (her duvardan 5 cm sınır etkilerini önlemek için) atın.
Lizimetre Şekil 4. Üst görünüm. Bu görüş tabakasının 2 boyalı yüzeyini (10 cm derinliğinde) gösterir. örnekleme yardımcı olmak için toprak yüzeyinde çizilen Izgaralar mikrobiyolojik numune toplandıktan sonra her voksel çekirdek delikleri bölgeler ile birlikte de görülebilir.
4. Mikrobiyoloji Örnek Toplama
- her voksel önceden hidrolojik ve jeokimyasal aseptik mikrobiyoloji örnekleri toplamak örneklerin çapraz kontaminasyonu önlemek için analiz eder. Yeni eldivenler, insan derisinden kirlenmeyi azaltmak için kazı yapan tüm üyeleri tarafından giyilen emin olun.
- 1 cm çapında ve 20 cm yüksekliğinde ve mikrobiyolojik numune toplanması için ince bir spatula toprak oyma bıçağı kullanın. , Oyma bıçağı ve distile su ile spatula temizleyin temiz mendil ile kurulayın ve% 75 etanol bir sprey şişesi kullanarak yıkayın. kuru hava oyma bıçağı ve spatula izin verin.
- c NotHer numunenin ollection süresi. Önceden sterilize edilmiş plastik torba (Şekil 5) içine toprak örneği boşaltmak için, her bir voksel yerde 10 cm derinliğe ve spatula çekirdeğe karot kullanın. örnek yatırma hemen önce çantayı açmak için özen gösterin. elle numune torbalar homojenize.
- örnekleme sırasında bir buz soğutucusu örnek çanta saklayın ve ° C derin dondurucuda -80 kısa sürede transfer.
Şekil 5. Mikrobiyoloji örnek toplama. 20 cm x 1 cm steril torba ve spatula küçük bir el corer mikrobiyolojik örnekleme sırasında burada gösterilir. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.
5. Jeokimya ve Hidroloji Örnek Toplama
- X ve Y pl Fotoğraf boyalı bölgelerboya görülmektedir derinlikleri için kazı sırasında anes. Renk gözlenen (Şekil 6) için referans sağlamak için bir renk kartı kullanın. Uygun doğal aydınlatma sağlamak doğru renk yoğunluğunu belgelemek için mevcuttur.
- ölçümler başlamadan önce günlük taşınabilir röntgen floresan spektrometresi (pXRF) kalibre. Kalibrasyon ve ölçüm detayları için, üreticinin talimatlarına 13 (Şekil 7) bakınız. Kısaca, tutucuya aleti koyun ve fabrika metal boncuk doğrudan ışın penceresini etmektedir. 'Cal' seçin ve kalibrasyon tamamlanmış izin vermek için 30 saniye bekleyin.
- Her ölçüm yapmadan önce ışın penceresini temizleyin. üç farklı yerde üç kopya halinde her bir vokselın yüzey ölçümü. toprak yüzeyinde pXRF aleti yerleştirin ve ölçüm tamamlanmasına izin 90 saniye bekleyin.
: X-ışın kirişinin bir yönde, uzun bir mesafe boyunca nüfuz edebilir. Bu nedenle, ensuSadece eğitimli personel ekipman kolları ve uygun güvenlik protokollerini koruduğunu yeniden.
- Her ölçüm yapmadan önce ışın penceresini temizleyin. üç farklı yerde üç kopya halinde her bir vokselın yüzey ölçümü. toprak yüzeyinde pXRF aleti yerleştirin ve ölçüm tamamlanmasına izin 90 saniye bekleyin.
Şekil 6. Renk kartı infiltrasyonu boya izleyin. Görünür boya penetrasyonu ile her yere referans olarak hizmet veren bir renk kartı ile fotoğraflandı. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.
Şekil 7. Taşınabilir X-ışını Floresans Spektrometre. El pXRF bir vokseldeki yüzeyinde konumlandırılmış. Ölçümler her bir vokselın yüzeyi üzerindeki üç farklı yerlerde kaydedilen ve sonra ortalamaları alındı.
- Temiz metalik çekirdek (yükseklik = 3 cm, çap. = 5.7 cm) ve polikarbonat işbirliğires (height = 6 cm, çap. = 5.7 cm) kütle yoğunlukları (BD) ve istenen vokseller, sırasıyla (Şekil 8) hidrolik iletkenlik ölçümlerinin (Ksat) için.
- Dikey sensörleri veya sensör tellerine zarar vermemeye özen istenen voksellerden içine metal çekirdek ve polikarbonat çekirdeklerini (dikey Ksat) yerleştirin. yavaşça toprağa rahatsızlığı en aza indirmek amacıyla çekirdek ve çekiç arasına tahta blok gibi düz bir yüzey kullanmak için özen, toprağa çekirdekleri çekiçle bunu yapın. Çekirdek toprağa yarım bir kez Buna ek olarak, birinci iç kısmın üzerine ikinci bir çekirdek yerleştirin. İkinci çekirdeğin üstüne ahşap blok yerleştirin ve ilk çekirdek hala görünür çekirdek jant ile toprakta gömülü olduğu kadar yavaşça blok çekiç.
- vokselin yanal yüzü sıralı kazı ile açılır gibi yatay Ksat için çekirdekler ekleyin. sıkıştırmayı en aza indirmek için adım 5.4 belirtildiği gibi ahşap blok ve ikinci çekirdeği kullanın.
- voksel sağlamak için özenjeokimyasal örnek toplama öncesinde sınırları ve komşu voksellerdeki izole edilir örneklenmiş olan. Çekirdekler kolayca çıkarılabilir kadar etiketli jeokimyasal (GC) örnek torbalar içine metal veya polipropilen çekirdek etrafında toprak örnekleri toplamak için el mala izledi bu amaçla plastik macun bıçak kullanın (örneğin, Şekil 9a, b).
Şekil 8. Dökme yoğunluğu ve hidrolik iletkenlik çekirdek. Polipropilen çekirdek (solda), metal çekirdek (sağda) kütle yoğunluğu numuneleri toplamak için kullanılan ise dikey ve yatay hidrolik iletkenlik örnekleri toplamak için kullanılmıştır.
Şekil 9. Voksel sınır. Plastik macun bıçak izole (A) kullanıldı(B) jeokimyasal, yığın yoğunluğu ve hidrolik iletkenlik çekirdek koleksiyonu öncesinde voksel sınırları. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.
- Metalik çekirdek kaldırmak her iki uçtan fazla malzemeyi fırça ve etiketli BD örnek torbasına çekirdekten örnek aktarmak. örnek ile her bir numune torbası tartılır ve toplam ağırlığı kaydedin.
- polipropilen çekirdekleri çıkartın. kırmızı plastik kapaklar ile iki tarafını kaplayın ve "V" ve örnek kimliği ve ardından "H" olarak yatay polipropilen çekirdek olarak dikey polipropilen çekirdeğini etiket.
- Bir sonraki voksel ile çapraz bulaşmayı önlemek için dört tarafı toprağın santimetre bir çift geride bırakarak, GC örnek torbaya voksel kalan malzemeyi toplayın.
- tek katmanda vokseller geri kalanı için adımlar ile 5,9 5.1 tekrarlayın.
- Bir kez bir tabaka tüm vokseller edilmiştamamlandı, sonraki katman için 5.10 3.2 arasındaki adımları tekrarlayın.
NOT: 5.1 ihtiyaçlarını Step sadece görünür boya sahip vokseller için yapılması gereken. Her voksel toplanan tüm örneklerin vurgulayarak vokseldeki temsilcisi diyagramı görselleştirmek için Şekil 10 bakınız.
Şekil 10. Temsilcisi voksel. Kırmızı çizgi çekirdek mikrobiyoloji örnek için toplanan gösterir kesik, yeşil kesik çizgi yatay hidrolik iletkenlik çekirdek gösterir sarı çizgi çizgi dikey hidrolik iletkenlik çekirdek gösterir mor kesik dökme yoğunluğu çekirdek ve mavi oval sınırını gösterir voksel numune kalan jeokimyasal analiz için kullanılan gösterir. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız. </ P>
6. Numune Analizi
- Mikrobiyolojik için toplanan Kullanım örnekleri moleküler (toprak mikrobiyal DNA ekstraksiyonu) için 14 ve kültürlü (heterotrofik plaka sayımları) 15 analizleri analiz eder. Kantitatif polimeraz zincir reaksiyonları (qPCR) 16 ve yüksek verimli gen sıralama deneyleri 17,18 için çıkarılan DNA kullanın.
- Jeokimyasal için toplanan Kullanım örnekleri pH (ABD EPA yöntemi 150.2), elektriksel iletkenlik (EC) (ABD EPA yöntemi 120.1), karbon ve azot içeriği (US EPA yöntemi 415,3, elemanların 19 sıralı çıkarma dahil jeokimyasal özelliklerinin çok sayıda ölçmek için analizler, ve X-ışını kırınımı (XRD) ve Stanford Sinkrotron Radyasyon Laboratuvarı özelliklerine göre exafs (EXAFS) spektroskopisi, mineral dönüşümleri araştırmak.
- Böyle yığın yoğunluğu 20 olarak laboratuvar deneyleri için hidrolojik analizler için toplanan çekirdek örnekleri kullanmakve hidrolik iletkenlik 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Voksellerden boyutları hidrolojik, jeokimyasal ve mikrobiyolojik ölçümleri için örneklerin toplanması sağlanmalıdır. Kazı işlemi mikrobiyolojik analiz için 324 çekirdeği, 972 pXRF veri noktaları, 324 jeokimyasal örnek çanta, 180 Ksat örnekleri (dikey 128 ve 52 yatay) ve 311 yığın yoğunluğu örnekleri vermiştir. Parlak Mavi boya tercihli akışı, yüzeyden 30 cm derinliğe kadar gözlenmiştir. Lizimetre tek bir dikey dilim 81 numune alınmış bir dizi temsili ön analiz için seçilmiştir. Y ve Z voksellerini 0-8 arasında değişmektedir ise seçilen numuneler yamaçta X = 2 konumundan idi. DNA konsantrasyonu, kütle yoğunluğu ve pXRF Fe (demir) ve Mn (manganez) ölçümlerden ön sonuçlar, bir 2-D arsa (Şekil 11) ile ilgili isopleth heatmaps burada sunulmaktadır.
kütle yoğunluğu ölçümlerinin ön analizi (
Mikrobiyal DNA, Örnek çekirdeklerden ekstre edilmiştir. geri kazanılan DNA'nın konsantrasyonu, heterojen ve kuru toprak 30 ng / g bir yüksekten saptama sınırının altında olan arasında değişmektedir. En yüksek ortalama konsantrasyonlarıtek yönlü bir varyans analizi bu katmanda önemli ölçüde daha yüksek konsantrasyonunu gösteren katman Z = 3 (20-30 cm) lokalize (p = 0.013, α = 0.05). (Lizimetre uzunluğu boyunca 160-180 cm temsil sızıntı yüz bölge) Y ölçeği Y = 8 boyunca ortalama konsantrasyonları yüksek değeri kaydedildi. Ancak, tek yönlü ANOVA uzunluğu boyunca (α = 0.05) anlamlı değildi. tabaka Z = 6 (50-60 cm) tek bir voksel katmanı Z ortalama = 6 düşük DNA konsantrasyonları bile yüksek konsantrasyon kaydedildi. Diğer bölgelerin en 2-10 ng / toprak g (Şekil 11 b) aralığında konsantrasyonlarda gerçekleşmiştir. Nedenle mikrobik varlığı eğimin uzunluğu boyunca olana göre Lizimetre derinliği boyunca daha heterojen olduğu görülmektedir. ön analizden yola çıkarak, katman Z = 3 yüksek mikrobiyal varlığının göstergesidir oldu. aralıklı aerobik-anaerobik cepli bir potansiyel redoks sınır bölgesi varlığı için elverişli çevresel koşullar üreterek bu tabakada bulunur o muhtemeldirhem fakültatif aerobik ve anaerobik mikroorganizmaların. DNA kurtarma modelleri de derin tabakalarında yüksek ve düşük konsantrasyon yamaları gösterdi. Nispeten yüksek konsantrasyonlar aralıklı olasılıkla bu bölgede partiküllerin çökelmesi, ayak eğimli gözlenmiştir. saptama sınırının altında DNA konsantrasyonları ile bölgeler çalışmanın altında sistem son derece oligotrofik olması isnat edilebilir düşük biyokütle cepleri ortaya koymaktadır. toplam mikrobiyal topluluğun net bir anlayış qPCR bakteri, arke ölçümü ve mantar nüfus ve yüksek verimli gen sıralama analizi de dahil olmak üzere daha fazla deneyler ile elde edilecektir.
Nitel toplam element Fe ve Mn konsantrasyonları benzerlik gösterdiği saptandı (11 c Şekiller ve d sırasıyla). her iki eleman için, daha yüksek konsantrasyonlarda orta yamaç, ve ayak yamaç yüzeyinde gözlenmiştir. Tonun olası elemanların çözünme üst yamacında meydana anlamına gelir. Çözünmüş iyonlar ve ince parçacıklar daha sonra potansiyel yamaçtan aşağı akış ve alt yamaçta hızlandırabilir veya depozito yapabilirsiniz. Ancak, Fe konsantrasyonları Mn konsantrasyonları daha fazla değişkenlik gösterdi. Mn 1.12 dan mg kg 1.28 arasında değişmektedir ise Fe, 80-94 mg kg -1 arasında değişmektedir -1. ana malzeme genellikle homojen olduğu için, voksel başına Fe konsantrasyonu daha büyük varyasyon hava ve su ile Fe tepkilerini ayrışma gelen mobilizasyonu ve ikincil fazların yağış atfedilir. yüksek biyokütle değeri önerdiği gibi tüm yamaç boyunca yüzeyde gözlenen düşük DNA konsantrasyonları ikincil mineral birikimi ile ilişkili olabilir alt katmanları ve sızıntı karşısında gözlenen yüksek biyokütle yamalar ise birincil mineraller (bazalt) yararlanmak için chemoautotrophs alt yeteneği gösterebilir (Z = 3, R = 8), yüksek hacim yoğunluğuna ve Mn konsantrasyonuna karşı gelmektedir. Budesen ototrofik mikroorganizmalar tarafından ikincil mineraller (örneğin, demir hidroksitler) potansiyel yağış göstermektedir. Mikrobiyal çeşitliliğin gelecek profilleme ayrıca gözlemlenen ilişkileri aydınlatmak olacaktır. Nitekim, edebiyat ayrışma kaynaklı azaltılmış yüzeylerde mikroplar 22 metabolik ve büyüme girdi olarak hareket eden, oligotropik Yanardağın bazalt medyada sınırlı mikrobiyal büyümeyi bildirir. orta eğim bölgenin orta kısımlarından gözlenen yüksek element tepkiler de bu bölgede redoks sınır oluşumunu yansıtıyor olabilir.
11. İki boyutlu isopleth yoğunluk haritalarını rakam. (A), kütle yoğunluk Toplu. Yoğunluk değerleri 105 ° C'de 48 saat boyunca kurutma fırını bunları yemekler ağırlığında alüminyum örnekleri aktarılması ve elde edilmiştir. numune toplama p değildi nerede boş bırakılan hücreler vokseller temsilSensörlerin varlığı ve alanı yetersizliği nedeniyle kütle yoğunluğu çekirdeklerini yerleştirmek nedeniyle ossible. (B) DNA konsantrasyonu. mikrobiyolojik çekirdek için, toprağın 2 gr mikrobiyal DNA, her voksel temsilcisi çıkarmak için alt örneklendirilmiştir edildi. (C) Element Fe ve (D ) elementel Mn. Fe ve Mn için eleman analizi, 81 numune toplam bir pXRF verileri üç kez ölçüldü. Her vokseldeki her elemanın ortalama hesaplanmış ve çizildi. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Peyzaj evrim hidrolojik, jeokimyasal ve biyolojik süreçlerin 12 kümülatif etkisidir. Bu süreçler manzara gelişen akışı ve su ve elementlerin taşınması ve biyokimyasal reaksiyonları kontrol eder. Ancak, etkileşimleri yakalama aynı anda tam olarak koordineli deneysel tasarım ve örnekleme gerektirir. Buna ek olarak, yeni başlayan peyzaj evrim eğitimi "zaman sıfır" koşulları tanımlamak için sınırlı yeteneklere sahip, doğal sistemlerde zordur. Edebiyat sulama ve kazı alanı temelli yaklaşımlar Graham ve ark. 24 ve Anderson ve ark ise bitki kök yoğunluğunu 23 ölçmek için yürütülen bir yıkıcı Lizimetre çalışma raporları. 25 Ancak, çalışmaların hiçbiri hidrolojik çalışmak için bir yöntem dahil bir simüle manzara -geochemical-mikrobiyolojik heterojenlik. Çalışmamızın önemli bir bileşeni sağlamak olduğunu bir ölçek wadeneyler ve seçilen ölçek o heterojenite sağlamak için seçilen örnekleme prosedürleri için tanımlanan ler verimli yakalandı. Dünya sistem süreçleri incelemek ve hidroloji 26, jeokimya 27 ve mikrobiyoloji 28 alanlarında araştırmacılar tarafından not edilmiştir zaman ölçek sorunu özellikle önemlidir. Bu çalışmada belirtilen metodoloji aynı zamanda bireysel araştırma sorularına göre protokolü değiştirmek için esneklik sağlarken, bizim araştırma sorularına ilişkin hidro-Geochem-mikrobiyolojik süreçlerin bir dizi eğitim hedefleniyor.
Bizim ön temsilcisi sonuçları homojen bir başlangıç ortamı heterojen özelliklerini geliştirmek yönündedir. Dökme yoğunluğu sonuçları nedeniyle t içinde akış süreçlerine ince parçacıkların birikimi sonucu temsil edebilir sızıntı yüzüne yakın derin katmanlarına, daha yüksek değerlere sahip bir bölgenin varlığına işaretO Lizimetre yanı sıra ıslatılmış toprağın kaplayan ağırlığının neden olduğu bir sıkıştırma. Bu iki hipotez ek parametrelerin incelenmesi ile açıklığa olabilir. Örneğin, voksellerin parçacık boyutu analizi gerçekleştirerek, kaba parçacıkların daha ince karşılık gerçek oranları elde etmek mümkündür. Ön toplam Fe ve Mn miktarları kazı öncesi Lizimetre birkaç sulama döngüsünden uygulamak için bir sonucu olarak element çözünme ve yeniden çökelme oluşumunu göstermektedir. Bu sonuçlar iki şekilde izah edilebilir: (1) su Fe ve Mn zenginleştirilmiş kil ve ince ölçekli parçacıklar, translocates bu fiziksel hareket kimyasal daha önemli olduğunu varsayar (alt yamacında 29 de birikebilir yamaç aşağı reaksiyonları); (2) su gibi Fe ve Mn gibi ince parçacıklar ve çözünür iz iyonları, erir, düşük yamaçta çökelti (bu senaryo kimyasal reaksiyonlar başlıca itici güçler varsayar). c için Elemental labilite mekanizmaları onfirm, fazla kanıt gereklidir. DNA konsantrasyonu ölçümleri Lizimetre mikrobiyal yaşam heterojen dağılımını teyit etmektedir. Bazalt Yamaç düşük besin duruma rağmen, mikrobik yaşam varlığını tespit etmek için yeteneği oligotropik koşullar altında, mikrobiyal kolonizasyon mümkün olduğunu gösterir. Bu bulgu ile ilgili hipotezler çözmek için gerekli olan bazalt barındırılan mikrobiyal topluluklar ve volkanik toprak 30, okyanus tabanına 31 ve tropikal havzasında her vokseldeki mevcut mikrobiyal çeşitlilik 32 .Further analizi gibi çeşitli ortamlarda eşzamanlı biyolojik kaynaklı ayrışma raporları ile tutarlıdır süreçleri hava koşullarına mikropların potansiyel katkıları. Bizim örnekler ve sonuçların tam analizi üzerine, yeni başlayan peyzaj evrimi sırasında meydana gelen hidrolojik jeokimyasal ve mikrobiyolojik etkileşimleri yorumlamak mümkün olacaktır.
ntent "> Bu makalede sunulan yöntem daha adımların bir öneri yerine hidrolojik ve biyokimyasal etkileşimler keşfetmek için toprak Lizimetre kazı için sert bir düzendir. Bazı adımlar daha fazla veya daha az çalışma hedeflerine bağlı ilgili olabilir. Öyle Ayrıca böyle bir kazı yapmak için gereken süreyi önemli stres. Bizim kazı çalışmalarının birkaç gün boyunca 1 veya 2 diğer insanların nihai eklenmesiyle her zaman 3 kişilik bir ekip gerekli. kazı günlük çalışma ile, 10 gün süren zaman kısıtlamaları göz önüne alınacak olduğunda dikkatli amaçlanan adımları seçerek, Bu nedenle. 8 ila 10 saat arasında değişen saat çok önemlidir. Ayrıca, protokolde belirtilen bazı adımlar. sırasında soruluyor kazı ve araştırma sorularına başarısı için kritik öneme sahiptir boya uygulaması, özel bakım lekesiz kalması işaretlenen alanlar leaki gelen boyayı önlemek için düzgün kaplıdır emin olmak için dikkat edilmelidirboyanmamış bölgeye ng. voksel boyutu iyi bir tahmini de bu denemenin başarısı için çok önemlidir. Voksel boyutu örnek toplama ölçeğini belirler: Voksellerden daha fazla sayıda voksellerdeki daha az sayıda ve daha iri örnek çözünürlüğü aksine dikkatle her voksel kazı harcanan artan zaman pahasına ince numune çözünürlüğü ima. el mala ve plastik macun bıçaklar kullanılarak örneklerin çapraz kontaminasyonu önleme mikrobiyolojik ve jeokimyasal numune toplama ve analiz için, hem de çok önemlidir.protokole modifikasyonlar araştırma soru göre gerçekleştirilebilir. İlk olarak, ölçek sorusuna atıfta biri courser ölçek için buraya ya da tercih açıklanan protokol daha ince bir örnekleme stratejisi geliştirmek için seçebilirsiniz; ancak bu deney için seçilen ölçek biz önemli fiziksel, kimyasal ve biyolojik Yamaç farklılıklarını ele teyit etmektedir. bu choices araştırma soruları soruluyor dayanarak yapılması gerekiyor, Yamaç veya Lizimetre ölçeği inşa edilebilir ve lojistik analiz yapmak için o. İkincisi, birçok mini-lizimetereleri toprak gelişim süreçlerini incelemek için ayarlanabilir. Aynı ana malzeme var ama eğim, yağış, sıcaklık, vb göre farklı muamele edilir hillslopes üzerinde çeşitli yağış rejiminde, ya da toprak profilinin gelişimine maruz Örneğin, araştırmacılar farklı toprak malzemelerin ayrışması bakmak isteyebilirsiniz Ayrıca, çalışmanın süresi de zamansal her Lizimetre yıkıcı kazı ardından aynı lizimetereleri inşa etmek isteyebilirsiniz araştırma soruları ve araştırmacıların dayalı modifiye edilebilir.
Üçüncü olarak, bitki örtüsü hidrolojik akış yolu, jeokimyasal ayrışma ve mikrobiyal toplum kalkınmasına bitki büyüme etkisini araştırmak için eklenebilir.
Buna ek olarak, yenidenyerine gelişim aşamalarında odaklanmak, mevcut süreçleri ve bir manzara özelliklerini okumak isteyen araştırmacıların, doğal bir ortamda toprak yekpare bizim yöntemi uygulayabilir. Geleneksel toprak montaj prosedürleri ilgi açıkça tanımlanmış bölgelere monolit bölümleme tarafından izlenen bir toprak tek parça elde etmek için takip edilebilir. Bu yaklaşım alanındaki lizimetereleri arasında yoğun yıkıcı örnekleme yürüten ile ilgili sınırlamaları üstesinden gelebilir. Daha sonra benzer bir şekilde kazılan edilebilir seçilen bölümler yekpare özgü hidrolojik, jeokimyasal ve mikrobiyolojik özelliklerini gözlemlemek.
Bu yöntemin bir sınırlaması sensörleri yakınında bulunduğu vokseller tüm örnek setleri elde edilir. Yamaç bazı alanlarında önceden gömülü sensörler hidrolojik örneklerin toplanması engelledi. Buna ek olarak, bağlı sensörler varlığında bu konumlardan bazı örnekler tercihli akış yolları etkisini yok etmek içinatıldı. Ayrıca, kazı fazlar arasında üç günlük bir aralık ile on gün arasında bir süre boyunca, iki aşamada gerçekleştirildi. bakım kazı fazlar arasında maruz yüzeyini kapsayacak şekilde alındı ederken, maruz katman potansiyel nedeniyle değişen buhar basıncı ve oksidasyon koşullarına değişmiş mikrobiyal aktivite sergiler olabilir. Bu uzunlukta bir kazı dolayısıyla da ek süre duyarlı varyasyonu tanıtmak olabilir zaman tüketen vardır.
, Hidrolojik jeokimyasal ve mikrobiyolojik süreçlerin etkisiyle peyzaj heterojenitesini yakalama bir mücadeledir. birbirlerine, bu işlemlerin sinerjistik etki karmaşıklığını bileşikler. Bu ölçek ve yoğunluk sunulan bir simüle manzara bir kazı romandır. Her iki numunenin bütünlüğünden ödün vermeden, hidrolojik jeokimyasal ve mikrobiyolojik örneklerin toplanmasını koordine yeteneği çok disiplinli s yürütülmesi için mükemmel bir yaklaşım sunmaktadırtoprak sistem süreçlerinin tudies. özetlenen teknikler böylece alternatif deneysel tasarımlar uygulanmasını sağlayan, birden fazla araştırma soruları karşılamak için, basit, tekrarlanabilir ve esnektir. Bu yöntemin gelecekte sonuçları potansiyel toprak sistem dinamiklerinin karmaşık sorulara cevap kuramsal çerçeveler ve peyzaj evrim modelleri geliştirmek içerebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Measuring tape | Any | Any | Preventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary. |
| Brilliant Blue dye | Waldeck GmBH &Co | B0770 | Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments. |
| Soil Corer | AMS | 56975 | Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used. |
| 75% Ethanol | Any | Any | A Nikon D90 camera and 50 mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose. |
| Spray Bottle | Any | Any | Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions. |
| Spatula | Any | Any | Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious. |
| Gloves | Any | Any | Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible. |
| KimWipes | KimTech Science | Any | Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol. |
| Sterile Sample bags | Fisher Scientific | Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ | Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil. |
| Color Card | Any | Any | The original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design. |
| X-ray Fluoresce Spectrophotmeter | XRF, OLYMPUS | DS-2000 Delta XRF | |
| Polypropylene cores | Any | Any | |
| Metal cores | Any | Any | |
| Caps for polypropylene cores | Any | Any | |
| Hammer | Any | Any | |
| Plastic putty knives | Any | Any | |
| Face masks | Any | Any |
References
- Brady, N. C., Weil, R. R. The nature and properties of soils. , Pearson Prentice Hall. (2008).
- Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
- Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change? Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
- Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
- Temme, A. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. Montgomery, D. R., Bierman, P. R. , Macmillan Publishers Limited. http://serc.carleton.edu/vignettes/collection/37800.html (2013).
- Troch, P. A., et al. Dealing with Landscape Heterogeneity in Watershed Hydrology: A Review of Recent Progress toward New Hydrological Theory. Geogr. Compass. 3, 375-392 (2009).
- Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. , (2015).
- Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
- Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
- Churchman, G. j, Lowe, D. Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, CRC Press,Taylor & Francis. (2012).
- van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., van Straalen, N. M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecol. Lett. 11 (3), 296-310 (2008).
- Pangle, L. a, et al. The Landscape Evolution Observatory: A large-scale controllable infrastructure to study coupled Earth-surface processes. Geomorphology. 244, 190-203 (2015).
- User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. , Innov-X-Systems. http://usenvironmental.com/download/manuals/Olympus%20-%20Delta%20User%20Manual.pdf (2013).
- Valentìn-Vargas, A., Root, R. A., Neilson, J. W., Chorover, J., Maier, R. M. Environmental factors influencing the structural dynamics of soil microbial communities during assisted phytostabilization of acid-generating mine tailings: A mesocosm experiment. Sci Total Environ. 500-501, 314-324 (2014).
- JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. , JoVE. Cambridge, MA. (2016).
- JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , JoVE. Cambridge, MA. (2016).
- Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
- Caporaso, J. G., et al. Correspondence - QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
- Hall, G. E. M., Vaive, J. E., Beer, R., Hoashi, M. Selective leaches revisited, with emphasis on the amorphous Fe oxyhydroxide phase extraction. J. Geochemical Explor. 56, 59-78 (1996).
- Grossman, R. B., Reinsch, T. G. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , Soil Science Society of America Book Series No. 5. ASA and SSSA. Madison, WI. 201-228 (2002).
- Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , SSSA. Madison, WI. 802-816 (2002).
- King, G. M. Contributions of atmospheric CO and hydrogen uptake to microbial dynamics on recent Hawaiian volcanic deposits. Appl. Environ. Microbiol. 69 (7), 4067-4075 (2003).
- Meyer, W. S., Barrs, H. D. Roots in irrigated clay soils: Measurement techniques and responses to rootzone conditions. Irrig. Sci. 12 (3), 125-134 (1991).
- Graham, C. B., Woods, R. A., McDonnell, J. J. Hillslope threshold response to rainfall: (1) A field based forensic approach. J. Hydrol. 393 (1-2), 65-76 (2010).
- Anderson, A. E., Weiler, M., Alila, Y., Hudson, R. O. Dye staining and excavation of a lateral preferential flow network. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).
- Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale? Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
- Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation. Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).
- Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98 (3), 439-448 (2011).
- Niu, G. Y., Pasetto, D., Scudeler, C., Paniconi, C., Putti, M., Troch, P. A. Analysis of an extreme rainfall-runoff event at the Landscape Evolution Observatory by means of a three-dimensional physically-based hydrologic model. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 10, 12615-12641 (2013).
- Marteinsson, V., et al. Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota. Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).
- Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities. Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).
- Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).
