Summary
يوصف جهاز تحديد ملامح غسيل الكلى الدقيق لأخذ عينات من المواد المذابة في المياه المسامية المذابة عبر واجهة التربة والمياه المؤكسجة في الموقع بأقل قدر من الاضطراب. تم تصميم هذا الجهاز لالتقاط التغيرات السريعة في ملامح عمق التركيز الناجمة عن الاضطرابات في واجهة التربة والمياه وخارجها.
Abstract
تتحول العمليات البيوجيوكيميائية بسرعة في كل من الأبعاد المكانية (مقياس المليمتر) والزماني (مقياس الساعة إلى مقياس اليوم) عند السطح البيني للأكسجين ونقص الأكسجين استجابة للاضطرابات. يتطلب فك رموز التغيرات البيوجيوكيميائية السريعة أدوات في الموقع ذات الحد الأدنى من التدخل الجراحي مع دقة عالية لأخذ العينات المكانية والزمانية. ومع ذلك ، فإن أجهزة أخذ العينات السلبية المتاحة ليست مفيدة للغاية في كثير من الحالات إما بسبب طبيعتها التي يمكن التخلص منها أو بسبب التعقيد وعبء العمل الواسع لإعداد العينات.
لمعالجة هذه المشكلة ، تم إنشاء ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق مع 33 أنبوبا فرديا من الأغشية النانوية بولي إيثر سلفون (شبه منفذة ، <حجم مسام 20 نانومتر) مدمجة في الهيكل العظمي أحادي البعد (60 مم) لأخذ عينات متكررة من المركبات الذائبة في مياه المسام عبر واجهة التربة والماء بدقة عالية تبلغ 1.8 مم (القطر الخارجي بالإضافة إلى تباعد واحد ، أي 0.1 مم بين المجسات). تعتمد آلية أخذ العينات على مبدأ انتشار تدرج التركيز. يسمح التحميل التلقائي للمياه المنزوعة الغازات بالحد الأدنى من الاضطراب للأنواع الكيميائية عبر واجهة الأكسجين والأكسجين.
تصف هذه الورقة إجراءات إعداد الجهاز وأخذ عينات المياه المسامية المستمرة عبر واجهة التربة والمياه على أساس يومي. تم قياس ملامح عمق التركيز بشكل انتقائي قبل (في اليوم 6) وبعد (في اليوم 7) الاضطرابات الناجمة عن الري. أظهرت النتائج أن ملامح عمق التركيز كانت تمر بتغيرات سريعة ، خاصة بالنسبة للعناصر الحساسة للأكسدة والاختزال (أي الحديد والزرنيخ). يمكن أن تساعد هذه البروتوكولات في التحقيق في الاستجابات البيوجيوكيميائية عبر واجهة التربة والمياه في ظل الاضطرابات المختلفة الناجمة عن العوامل الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية. تناقش الورقة بدقة مزايا وعيوب هذه الطريقة للاستخدام المحتمل في العلوم البيئية.
Introduction
تعد واجهة الأكسجين ونقص الأكسجين إحدى السمات العامة في المحيط الحيوي والتي تعتبر حيوية للدورة البيوجيوكيميائية1. هذه الواجهة غير متجانسة للغاية ، حيث يمتد النطاق المكاني من ملليمترات في واجهة الرواسب / التربة والمياه 1,2 إلى آلاف الأمتار في منطقة نقص الأكسجين المحيطية 3,4. هذه الواجهة هي موطن مثالي لدراسة تعقيد الكيمياء الحيوية الأولية.
تتميز واجهات التربة والمياه بميزة تدرج أكسجين نموذجية في حدود سنتيمترات ويمكن تأسيسها بسهولة في تجارب mesocosm. بدءا من استهلاك الأكسجين الجزيئي من المياه السطحية ، تقود المجتمعات الميكروبية الوظيفية الطبقية تطوير تدرجات مختلفة ، مثل O2 ، ودرجة الحموضة ، وتدرجات Eh ، على مقياس المليمتر1. الدورة البيوجيوكيميائية في واجهة الأكسجين والأكسجين حساسة للاضطرابات المختلفة في الطبيعة 5,6. في حالة الرواسب وحقول الأرز ، يمكن أن تسبب مدخلات المواد العضوية الطازجة مثل القمامة والقش ، والفيضانات الدورية والصرف ، وتقلبات درجات الحرارة وتطرفها ، والتعكر الحيوي تغييرات في الدورة البيوجيوكيميائية عند السطح البيني للأكسجين والأكسجين ، مما يؤدي على الأرجح إلى تأثيرات دائمة ، مثل انبعاثات غازات الدفيئة ، والتخثث ، والتلوث في موقع معين. لذلك ، يوفر التدرج الأكسجيني - نقص الأكسجين في واجهة التربة والمياه نافذة لدراسة الدورات البيوجيوكيميائية العالمية واسعة النطاق. ولطالما كان أخذ العينات الزمانية المكانية وتحليل المواد الذائبة على طول السطح البيني بين التربة والمياه بدقة عالية موضع اهتمام؛ بيد أنه لم يحرز سوى تقدم محدود في هذه المنهجية.
للتحايل على عيوب استخراج المسام المدمرة ، يتم استخدام أخذ العينات السلبية غير المدمرة بشكل متزايد لتجنب التغييرات في كيمياء المسام ومعالجة تعقيد تحضير العينات7. تم استخدام العديد من الأجهزة التي يمكنها إجراء أخذ العينات بدقة عالية في الموقع (من مقياس الميكرومتر إلى السنتيمتر) على نطاق واسع ، بما في ذلك عينات غسيل الكلى في الموقع (المعروفة باسم مختلسو النظر)8 ، والتوازن المنتشر في الأغشية الرقيقة (DET) 9 ، والتدرج المنتشر في الأغشية الرقيقة (DGT) 10. يتم أخذ عينات من المواد الذائبة بشكل سلبي عبر آلية عمليات الانتشار والامتزاز. على الرغم من أنها أثبتت فائدتها في وصف الملامح الكيميائية للأكسجين-نقص الأكسجين ، إلا أنها لا تزال تستخدم مرة واحدة ، مما يحد من تطبيقها على نطاق أوسع.
في الآونة الأخيرة ، ظهرت تقنية غسيل الكلى المجهري كأداة حساسة يمكن استخدامها لمراقبة ديناميكيات المركبات القابلة للذوبان في التربة على المقاييس الزمنية من دقائق إلى أيام11،12،13،14. بالنسبة لسيناريو نموذجي يستخدم غسيل الكلى الدقيق في العلوم الطبية والبيئية ، يتم استخدام مسبار مصغر من النوع متحد المركز يتكون من غشاء أنبوبي شبه نافذ (أي جهاز غسيل الكلى الدقيق) لفحص السائل الخلالي أو محاليل التربة لمنع حدوث اضطرابات كبيرة في عمليات التمثيل الغذائي والانتواع الكيميائي15,16. واحدة من أعظم المزايا الكامنة في غسيل الكلى هو التقاط في الموقع من التغيرات تركيز تعتمد على الوقت في التربة أو الأنسجة البيولوجية15،16.
استنادا إلى مفهوم غسيل الكلى الدقيق، قمنا بتطوير جهاز تعريف غسيل الكلى الدقيق الأكثر سهولة في الاستخدام، والذي كان يسمى سابقا منشئ ملفات تعريف حقن المسام المتكاملة (IPI)، والذي يمكنه إجراء غسيل الكلى بالتوازن المستمر للمواد المذابة في المياه المسامية بناء على مبدأ انتشار تدرج التركيز2. يستخدم جهاز غسيل الكلى الدقيق أنابيب غشاء نانوي مجوف للتحميل المسبق النشط للمعطيات والانتشار السلبي للمواد المذابة ، والذي يختلف عن انتشار المسام السائبة المستخدم في مختلسو النظر ، ومرشحات الضغط مثل جهاز أخذ العينات Rhizon ، و DGT القائم على التراكم. تم اختبار الجهاز والتحقق من صحته في أخذ العينات الزمنية والمكانية لكل من العناصر الكاتيونية والأنيونية في كل من تربة المرتفعات والتربة المغمورة (الشكل 1A-1) 13،15،16. يقلل غسيل الكلى الدقيق البسيط للداخل والخارج من عدد الخطوات في تحضير العينة 2,15.
لقد قمنا بتصنيع ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق من خلال دمج مجموعة من أجهزة أخذ العينات على هيكل عظمي دعم أحادي البعد ، وحقق هذا الملف أخذ عينات عالية الدقة في واجهة التربة والمياه والجذور2،15،17. في هذه الدراسة ، تم إجراء تعديلات كبيرة على جهاز أخذ العينات وطريقة أخذ العينات للسماح بجمع 33 عينة من المياه المسامية عند السطح البيني بين التربة والماء (عمق رأسي 60 مم) مع الحد الأدنى من الاضطراب لتحليل العناصر النهائية. يستغرق إجراء أخذ العينات بالكامل ~ 15 دقيقة. نظرا لأن ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق جديد على مجتمع العلوم البيئية ، فإننا نقدم تفاصيل مكونات الجهاز وإجراءات أخذ العينات للإشارة إلى إمكانات غسيل الكلى الدقيق في مراقبة التغيرات في الإشارات الكيميائية في واجهة التربة والماء.
وصف ملف تعريف غسيل الكلى
يظهر في الشكل 1 جهاز تحديد ملفات تعريف غسيل الكلى الدقيق ، مع التعديلات المناسبة للتصميم السابق2. يقدر حجم المسام الفعال للغشاء النانوي (الشكل 1C-1) بعدة نانومتر فقط لمنع انتشار الجزيئات الكبيرة والخلايا الميكروبية. اقترح اختبار سابق أن الحضانة المغمورة لمدة 6 أشهر لم تسفر عن أي رواسب حديدية سواء داخل أو خارج سطح الأنبوب15. تم تصميم هيكل عظمي منحني مجوف (الشكل 1C-2) وطباعته ثلاثية الأبعاد باستخدام مادة نايلون ثابتة. تم تركيب ما مجموعه 33 أنبوبا غشاء نانويا (بولي إيثر سلفون ؛ حجم مسام السطح: 0-20 نانومتر ؛ القطر الداخلي × القطر الخارجي × طول أخذ العينات الفعال: 1.0 مم × 1.7 مم × 54 مم ؛ الحجم النظري: 42.4 ميكرولتر) متصلة بأنابيب بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) المتطابقة (الطول: 18 سم × قطر 2 سم الشكل 1C-1) على الهيكل العظمي وعبر جانب واحد من حاوية PVC (الشكل 1 ب). بالنسبة لهذا الجهاز ، يكون مكون أخذ العينات (الشكل 1B-1) على بعد 2 سم من الجدار الجانبي لحاوية PVC. بالنسبة لجانب الحقن (الشكل 1B-4) ، تم توصيل جميع الأنابيب بموصل واحد إلى متعدد ، والذي تم تثبيته في حاوية تخزين مؤقت بطريقة محكمة الإغلاق (الشكل 1B-7). تم استخدام كيس التسريب الطبي (الشكل 1B-11) للاتصال بحاوية التخزين المؤقت بواسطة صمام ثلاثي الاتجاهات. تم فحص محكم الهواء للنظام بعناية في الماء قبل إجراء المزيد من العمليات التجريبية. الماء المحمل مسبقا (18.2 متر مكعب ، 500 مل) في كيس التسريب الطبي دائما ما يكون خاليا من الأكسجين (الشكل 1C-8). يتم وصف الإعداد التفصيلي للجهاز وأخذ عينات من المسام على النحو التالي.
Protocol
1. إعداد عينات غسيل الكلى الفردية
- قطع أنابيب الأغشية النانوية البكر بدقة (القطر الداخلي × القطر الخارجي × الطول: 1.0 مم × 1.7 مم) إلى ما مجموعه 33 أنبوبا قصيرا (طولها 58 مم).
- قطع أنبوب PTFE بدقة إلى 66 أنبوبا (بطول 180 مم) بسكين خزفي.
ملاحظة: لا تستخدم أي سكاكين معدنية لتجنب أي تلوث. - امزج مادة الإيبوكسي اللاصقة المكونة من جزأين (AB) بالكامل على أي لوحة بلاستيكية نظيفة ، واتركها لمدة 30 دقيقة حتى تصبح لزجة. ضع لاصق الإيبوكسي AB بعناية على السطح الخارجي لأعلى أنبوب PTFE. تأكد من أن لاصق الإيبوكسي AB يغطي فقط طول الأنبوب 4 مم وأنه لا توجد أنابيب حجب لاصقة إضافية.
- قم بتوصيل أنبوبي PTFE اللذان تم إعدادهما في الخطوات 1.2-1.4 مع كل أنبوب غشاء نانوي تم إعداده في الخطوة 1.1 عن طريق شد أنابيب PTFE برفق في أنبوب الغشاء النانوي.
ملاحظة: لا تسمح بتراكم المادة اللاصقة الزائدة على المفصل. تأكد من عدم وجود مادة لاصقة تلوث أنبوب الغشاء النانوي. - كرر الخطوة 1.4 لتجميع جميع أجهزة أخذ عينات غسيل الكلى البكر البالغ عددها 33 جهازا بشكل كامل.
- دع أجهزة أخذ العينات المجمعة في الخطوة 1.6 تقف طوال الليل لضمان المعالجة الكاملة واستقرار المادة اللاصقة.
- تعزيز محبة الماء وتنظيف عينات غسيل الكلى عن طريق نقعها في الإيثانول (نقاء 99.5٪) لمدة 1 ساعة ، تليها التنظيف بالموجات فوق الصوتية (درجة حرارة الغرفة) مع 2٪ HNO3 المخفف والماء عالي النقاء لمدة 15 دقيقة لكل منهما.
- تحقق من المباح وإحكام الإغلاق لجهاز أخذ عينات غسيل الكلى عن طريق الفقاعات في الماء باستخدام حقنة سعة 5 مل.
2. تجميع محلل غسيل الكلى
- استخدم ملف CAD المرفق (الملف التكميلي 1) لطباعة الهيكل العظمي المصمم مسبقا باستخدام مادة النايلون (الشكل 1C-2).
- قم بتفريغ حاوية PVC (مغسولة بالحمض) بفتحتين متوازيتين (فاصل 5 سم) لتتناسب مع حجم الهيكل العظمي. استخدم وحدة النقش في طابعة 3D للشق.
- قم ببناء موصل واحد إلى متعدد عن طريق تثبيت لاصق الإيبوكسي على شكل غطاء أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل. أدخل 33 غطاء سيليكون (بطول 1 سم) في لاصق الإيبوكسي قبل المعالجة ، واتركه طوال الليل.
- أخرج الموصل واحد إلى متعدد من غطاء الأنبوب.
- استخدم سكينا خزفيا لقطع لاصق الإيبوكسي المعالج بحيث تكون جميع نهايات غطاء السيليكون دون عائق.
- اشطف الموصل من واحد إلى متعدد جيدا باستخدام HNO3 المخفف بنسبة 2٪ والماء عالي النقاء لمدة 15 دقيقة لكل منهما. جفف الموصل واحد إلى متعدد في الظروف المحيطة.
- قم بتوصيل صمام ثلاثي الاتجاهات بأسفل الأنبوب ليكون بمثابة حاوية تخزين مؤقت.
- قم بتجميع حاوية التخزين المؤقت عن طريق تثبيت موصل واحد إلى متعدد بأنبوب طرد مركزي سعة 50 مل باستخدام مادة لاصقة AB الإيبوكسي.
- قم بتجميع عينات غسيل الكلى الدقيقة الفردية المعدة في القسم 1 على الهيكل العظمي (الخطوة 2.1). في هذه الخطوة ، استخدم مادة لاصقة تذوب بالحرارة للمساعدة في التثبيت بحيث يكون كل جهاز أخذ عينات موازيا للحافة العلوية / السفلية للهيكل العظمي.
- كرر الخطوة 2.9 حتى يتم تثبيت جميع عينات غسيل الكلى الدقيقة (n = 33) على الهيكل العظمي.
- تأكد من أن أجهزة أخذ العينات ال 33 على جانبي الهيكل العظمي تمر عبر فتحات PVC. سد الفجوات الموجودة عند مفاصل الهيكل العظمي والفتحات بمادة لاصقة AB epoxy.
- قم بتوصيل أجهزة أخذ العينات ال 33 الموجودة على جانب واحد من الهيكل العظمي بحاوية تخزين مؤقت بطريقة محكمة الإغلاق عبر صمام توصيل واحد إلى متعدد مثبت مسبقا في أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل (الخطوة 2.8)
- قم بتوصيل كيس التسريب الطبي المملوء مسبقا بالماء (18.3 متر مكعب) بالحاوية العازلة من خلال الصمام ثلاثي الاتجاهات.
- استخدم أغطية السيليكون لإغلاق 33 عينة على جانب أخذ العينات. تحقق مرة أخرى من المباح وإحكام الإغلاق لكل جهاز أخذ عينات غسيل الكلى عن طريق تدوير الصمام ثلاثي الاتجاهات ، مما يسمح بتدفق المياه من كيس التسريب الطبي إلى جهاز أخذ العينات. بعد الانتهاء من جميع الفحوصات ، أغلق وأوقف تشغيل جميع أجهزة أخذ العينات والصمام الموجود على حاوية التخزين المؤقت.
3. حضانة التربة
- قبل حضانة التربة المغمورة ، قم بإزالة الغاز من الماء في كيس التسريب الطبي لإزالة الأكسجين. غاز النيتروجين الفقاعي بين عشية وضحاها في مسار خط غاز النيتروجين عالي النقاء إلى كيس التسريب الطبي (الشكل 1-C8).
- استخدم صماما ثلاثي الاتجاهات لإغلاق الاتصال بين ملف التعريف والكيس الذي تم تفريغه.
- أضف بعناية 450 جم من التربة المنخلة والمجففة بالهواء (حجم الجسيمات < 2 مم) في حاوية PVC ، مما يسمح لخمسة عينات من غسيل الكلى بالبقاء فوق سطح التربة.
- استخدم منديلا لتغطية سطح التربة ، ثم صب الماء عالي النقاء (18.3 متر مكعب) على التربة لإغراقها. قم بإزالة الأنسجة عندما تغمر التربة بالكامل بمقدار 5 سم فوق سطح التربة.
- قم بتطهير النظام بالمحلول المحمل مسبقا فور تهيئة حضانة التربة. قم بتشغيل الاتصال بين الكيس اللاهوائي وجهاز أخذ عينات غسيل الكلى لشطف نظام أخذ العينات. استخدم 10 أضعاف الحجم الإجمالي لجهاز أخذ العينات عند تطهير كل جهاز أخذ عينات بالماء.
- عند الانتهاء من تطهير جهاز أخذ عينات واحد ، قم بتغطيته باستخدام غطاء سيليكون نظيف.
- كرر الخطوة 3.6 حتى يتم إزالة جميع أجهزة أخذ العينات. في هذا الوقت ، تم إنشاء نظام واحد لحضانة التربة وأخذ العينات المغمورة.
- اضبط الكيس اللاهوائي على ارتفاع سطح الماء.
- تأكد من أن جميع الأنابيب مليئة بالماء. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فقم بإزالة الغطاء وخفض الجزء العلوي من الأنبوب ، مما يسمح للماء بالتدفق من الكيس اللاهوائي.
- أغلق جميع الأغطية والصمامات.
- قم بإيقاف تشغيل الاتصال بين الكيس اللاهوائي وأخذ عينات غسيل الكلى أثناء الحضانة لمدة 7 أيام.
4. أخذ عينات من ملف تعريف غسيل الكلى
- قبل أخذ العينات ، اضبط مستويات المياه في حاوية التربة ، وقمم أخذ العينات ، والكيس اللاهوائي على ارتفاع مماثل لتجنب إمكانات المياه المختلفة بشكل ملحوظ. حافظ دائما على هذه الممارسة خلال فترة حضانة التربة.
- قم بتشغيل الاتصال بين الكيس اللاهوائي والحاوية العازلة.
- قم بإزالة غطاء جهاز أخذ العينات الأول من أعلى إلى أسفل.
- استخدم ماصة لشفط 133 ميكرولتر بدقة من جهاز أخذ العينات إلى قنينة (0.6 مل) محملة مسبقا ب 133 ميكرولتر من 2٪ HNO3 للحفظ.
- أثناء عملية أخذ العينات ، لاحظ تدفقا بطيئا ولكن منتظما لقطرات الماء نحو جهاز أخذ عينات غسيل الكلى الدقيقة في غرفة المراقبة (الشكل 1A-9) للكيس اللاهوائي.
- أغلق الجزء العلوي من الأنبوب بغطاء من السيليكون. انتقل إلى أنبوب أخذ العينات التالي.
ملاحظة: لتحليل العناصر الحساسة للأكسدة والاختزال مثل الحديد الحديدي ، يجب استخدام طريقة حفظ مختلفة مثل محلول EDTA المنزوع الغازات (10 مللي مول) ، ويجب إجراء أخذ العينات في ظل ظروف تطهير النيتروجين. - كرر الخطوة 4.6 حتى يتم جمع جميع العينات البالغ عددها 33 عينة. قم بإيقاف تشغيل الاتصال بين الكيس اللاهوائي والحاوية العازلة.
ملاحظة: يمكن الانتهاء من أخذ العينات بشكل عام في غضون 15 دقيقة. مع التصميم الحالي ، يتم أخذ العينات على أساس يومي لتجنب التلوث المتبادل بين الأنابيب. على الرغم من أن انتشار المذاب على طول الأنبوب بطيء، فإنه ينتشر في الوعاء العازل ويلوث الأنابيب الأخرى. - مباشرة بعد أخذ العينات في اليوم 6 ، قم بتجديد المياه المغمورة ، مما يسبب اضطرابا على سطح التربة.
- احسب استرداد حجم العينة عن طريق وزن قارورة العينة قبل وبعد نقل عينة المياه المسامية.
- استخدم مطياف كتلة البلازما المقترن بالحث (ICP-MS) لقياس إجمالي التركيزات الذائبة للعناصر في ماء المسام.
ملاحظة: استخدم منحنى معياري خارجي للقياس الكمي للتركيز، بينما استخدم المعيار الداخلي Rh لرصد الاستقرار التشغيلي لبرنامج المقارنات الدولية.
Representative Results
باتباع هذا البروتوكول ، تم إنشاء نظام ملف تعريف غسيل الكلى ، كما هو موضح في الشكل 1. تم إجراء حضانة التربة تحت ظروف الفيضانات (24 درجة مئوية ، مكشوفة من الضوء). تم قياس العينات في اليوم 6 واليوم 7 بشكل انتقائي للإشارة إلى الاضطراب المحتمل على سطح التربة بسبب ممارسة تجديد المياه المغمورة.
خلال كل أخذ عينات ، لوحظ عدد ثابت من قطرات الماء في غرفة المراقبة التي تتدفق نحو جهاز أخذ عينات غسيل الكلى ، مما يشير إلى أن محلول العينة المنقولة تم تجديده باستمرار بواسطة المحلول الموجود في الكيس اللاهوائي. كما هو موضح في الشكل 2 ، بلغ متوسط النسبة المئوية لاسترداد حجم العينة 101.4٪ ± 0.9٪ وتراوحت من 100.2٪ إلى 103.6٪. قد يشير الاسترداد الأعلى قليلا لحجم العينة إلى وجود فرق في مستوى الماء بين الكيس اللاهوائي والجزء العلوي من أنبوب أخذ العينات.
باستخدام العينات عبر واجهة التربة والمياه التي تم جمعها في اليوم 6 واليوم 7 ، تم تحديد إجمالي التركيزات الذائبة للحديد (Fe) والمنغنيز (Mn) والزرنيخ (As) والكادميوم (Cd) والنحاس (Cu) والرصاص (Pb) والنيكل (Ni) والزنك (Zn) في مياه المسام (الشكل 3). تباينت ملامح عمق التركيز اختلافا كبيرا اعتمادا على نوع العنصر وقبل وبعد ممارسة تجديد المياه المغمورة. على الرغم من أننا لم نقم بإجراء النسخ المتماثلة هنا لأن هذه الدراسة استخدمت تصميما تجريبيا قائما على التدرج ، فقد أظهرت دراستنا السابقة تكرارا جيدا للتغيرات في الإشارات الكيميائية المعتمدة على العمق18.
في اليوم 6 ، زادت تركيزات المنصهر من Mn و Fe و As جنبا إلى جنب مع عمق التربة ، في حين انخفضت تركيزات النحاس والرصاص مع زيادة عمق التربة. وتتفق النتائج مع المبادئ والملاحظات العامة في الوصلات البينية بين التربة والمياه؛ على وجه التحديد ، فإن البيئة الأكثر انخفاضا في التربة العميقة من شأنها أن تتسبب في إطلاق مختزل محسن ل Mn15 و Fe و As مع تثبيط إطلاق المعادن الكاتيونية بسبب تكوين معادن أقل قابلية للذوبان. ومع ذلك ، بالنسبة ل Cd و Ni و Zn ، أشارت ملامح عمق التركيز إلى نمط مختلف ، حيث كان للتركيزات الذائبة اتجاه متزايد من عمق حوالي -20 مم إلى مواقع أعمق.
مقارنة بملامح عمق التركيز للحديد (4.95 مجم · L−1) و As (3.3 ميكروغرام· L−1) على عمق −12 مم في اليوم 6 ، تركيزات الحديد (1.46 ملغ· L−1) و As (0.8 ميكروغرام · L−1) كانت أقل بكثير في اليوم 7 ؛ ومع ذلك ، كانت تركيزات Fe و As أعلى بكثير (المنحدر المعتمد على العمق ، p < 0.001) من أعماق -18 مم إلى -50 مم. بالنسبة لمعظم العناصر المحددة ، باستثناء Mn ، كانت التركيزات الذائبة في المياه السطحية والتربة السطحية المستوية على عمق -15 مم أقل بكثير ، بدرجات متفاوتة ، بعد تجديد المياه الهوائية. ولوحظ أن هناك ذروة تركيز للرصاص عند عمق -10 ملم تقريبا في اليوم 7، مما يدل على نمط متناقض مع النمط الذي لوحظ في اليوم 6. من المحتمل أن تكون هذه النتائج غير المتسقة ناتجة عن اضطراب تجديد المياه والتطور الزمني للكيمياء الحيوية عبر واجهة التربة والمياه. وفي كلتا الحالتين، أشار محدد ملامح غسيل الكلى الدقيق إلى قدرته الكبيرة على رصد التغيرات الزمانية المكانية في الملامح الكيميائية عبر السطح البيني بين التربة والماء.
الشكل 1: إعداد ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق لرصد الديناميات الكيميائية في السطوح البينية بين التربة والمياه حتى عمق التربة البالغ 50 مم. (أ) للاطلاع على محدد ملامح قيد الاستخدام على عمق 50 مم، انظر أيضا الشكل التكميلي S1. تشمل المكونات الرئيسية (B1 ، C1) 33 جهاز أخذ عينات غسيل الكلى الدقيقة (B2 ، C2) مثبتة على هيكل عظمي مطبوع ثلاثي الأبعاد ، والذي يتم تثبيته أيضا على حاوية حضانة (B3) (أنبوب عينة 50 مل) ، (B4 ، B7 ، C4) حاوية تخزين مؤقت واحد إلى متعدد ، (B9-B12) كيس تسريب طبي يستخدم كمورد للمياه المنزوعة الغازات ، و (C5) أخذ العينات دون اتصال ماصة . (ب 5) تتم محاذاة مواقع أخذ العينات لجميع أجهزة أخذ العينات البالغ عددها 33 إلى نفس الارتفاع مع شريط بلاستيكي (B6). يتم تحضير الماء غير المؤكسج بواسطة فقاعات النيتروجين (C8) في اتجاه عكسي لإمدادات المياه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: استعادة حجم أخذ العينات باستخدام H2O باعتباره perfusate. تشير أشرطة الخطأ إلى الانحراف المعياري لعينتين مستقلتين من منشئ ملفات التعريف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: ملامح عمق التركيز. أ: المنغنيز، ب: الحديد، ج: الزرنيخ، د: الكادميوم، ه: النحاس، (و) الرصاص، (ز) النيكل، (ح) الزنك الذي تم قياسه في اليومين 6 واليوم 7. تشير ملصقات التجزئة السلبية على المحور Y إلى الأعماق أسفل حدود الماء والتربة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: حالة فشل التسرب مما أدى إلى ترسيب الحديد داخل أجهزة أخذ العينات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الملف التكميلي 1: ملف تصميم بمساعدة الكمبيوتر لنسخة مطبوعة من الهيكل العظمي المصمم مسبقا. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي S1: ملف التعريف المستخدم. أ: على التربة المغمورة. (ب - ه) يتم عرض صور للمناظر العلوية والجانبية وتفاصيل الاتصال بشكل منفصل. (ه) تستخدم صمامات ثلاثية الاتجاهات لتوصيل الحاوية العازلة وكيس التسريب الطبي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Discussion
استنادا إلى التجارب والممارسات السابقة2 ، تتطلب بعض الاعتبارات اهتماما خاصا أثناء تجميع ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق وأخذ عينات من مياه المسام. أولا ، يجب توصيل أنبوب الغشاء النانوي وأنبوب التوصيل بعناية لتجنب الانسداد أو التسرب عند الاتصال. عندما يتم تحضين التربة في ظل ظروف الفيضانات ، فإن إدخال الأكسجين سوف يتأكسد بسرعة ويترسب الحديد الحديدي في أنبوب غسيل الكلى (الشكل 4). لهذا السبب ، قبل تجميع ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق ، يجب فحص كل أنبوب غسيل الكلى للتأكد من سلامته (بدون ضرر) ، وإحكام الوصلات ، وسالكية الأنبوب. وبالمثل ، يجب أن يتم توصيل إطار الدعم بالجدار الجانبي لحاوية الحضانة بعناية لتجنب التسرب. قبل التجارب الرسمية ، تكون فحوصات التسرب في مواقع الاتصال المختلفة أولوية دائما. ثانيا ، يجب أن تكون البيرفوسات في الكيس اللاهوائي غير مؤكسجة بشكل كاف. خلاف ذلك ، سوف يتفاعل الحديد الحديدي في ماء المسام مع الأكسجين الموجود في البيرفوسات لتكوين رواسب غير قابلة للذوبان (الشكل 4). سيؤدي ذلك إلى تغيير شديد في انتواع المذاب وتركيزه وعمليات الانتشار نحو أنابيب الغشاء النانوي. ثالثا، سيؤدي انخفاض تواتر أخذ العينات (أيام وأسابيع) إلى انتشار المذاب في المنطقة العازلة. قد يؤدي ذلك إلى تلويث عينة الملف الشخصي بأكملها. ولمعالجة هذه المشكلة، يمكن النظر في ثلاثة حلول ممكنة: (1) أخذ العينات بتواتر عال، مثل مرة واحدة في اليوم (ومع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى استنفاد المذاب بالقرب من جهاز أخذ عينات غسيل الكلى عند إجراء عينات متعددة)؛ و (2) أخذ العينات بتواتر كبير، مثل مرة واحدة في اليوم (ومع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى استنفاد المذاب بالقرب من جهاز أخذ عينات غسيل الكلى عند إجراء عينات متعددة)؛ و (2) أخذ العينات بتواتر عال؛ و (2) أخذ العينات بتواتر كبير، مثل مرة واحدة في اليوم (ومع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى استنفاد المذاب بالقرب من جهاز أخذ عينات غسيل الكلى عند إجراء عينات متعددة)؛ و (2) أخذ العينات بتواتر كبير، مثل مرة واحدة في اليوم (ومع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى استنفاد المذاب (2) تمديد طول أنبوب التوصيل في منطقة الحقن كما هو مطلوب ؛ (3) إعادة تصميم خط أنابيب أخذ العينات لتحقيق تحكم واحد في خط أنابيب واحد. هذه أيضا توجيهات لتحسين الجهاز في المستقبل. رابعا ، أثناء عملية أخذ العينات ، يجب التأكد من أن مستوى سطح الماء في الكيس اللاهوائي والتربة المغمورة وأنبوب أخذ العينات على نفس الارتفاع تقريبا لموازنة ضغط الماء. وإلا فإن فرق جهد الماء داخل الأنبوب الغشائي وخارجه سيؤدي إلى انخفاض أو زيادة انتشار المذاب.
القيود
أولا ، نظرا لأن ملف تعريف غسيل الكلى الدقيق غير متاح تجاريا ، تظل الطريقة تستغرق وقتا طويلا من حيث إعداد الجهاز. استغرق الأمر أياما لإعداد أنبوب غسيل كلوي واحد ، بما في ذلك طباعة الهيكل العظمي للدعم وتجميع الجهاز والتنظيف. لكن الميزات اللاحقة القابلة لإعادة الاستخدام تسد هذه الفجوة تماما. ثانيا ، هناك قيود معينة في تطبيق الجهاز على سيناريوهات التربة غير المغمورة ، والتي يمكن استخدام مختلسو النظر لمدة18 عاما. نظرا للفرق الكبير في جهد الماء بين داخل وخارج أنبوب الغشاء في التربة الجافة ، فإن المحلول المحمل مسبقا يتعرض لفقدان الانتشار ؛ في الواقع ، لوحظت عمليات استرداد مختلفة لحجم العينات في حدود 10٪ -36٪ في الاختبار الأولي (البيانات التفصيلية غير معروضة) ، مما يخلق حالة من عدم اليقين بشأن النتائج.
مقارنة الطريقة بالطرق الحالية أو البديلة
تعالج الطريقة جزئيا حقيقة أن العينات السلبية الحالية لا يمكنها أخذ عينات بشكل متكرر وتقلل من عبء العمل على تحضير العينة ، خاصة بالنسبة لأخذ عينات من مياه المسام وحفظها2. يمكن أن تعكس التغيرات الفورية في تركيز وانتواع المواد المذابة التي تم تحليلها بحساسية استجابة واجهة الأكسجين ونقص الأكسجين لأي اضطرابات بيئية. من الناحية النظرية ، يسمح أخذ العينات بتكرار دقائق أو ساعات أو أيام بالتقاط العمليات المتغيرة بسرعة في الواجهة. بالنسبة لأخذ العينات السلبية التي يجب أن تكون قيد النشر لعدة أيام ، يمكن تفويت بعض اللحظات الساخنة والنقاط الساخنة 6,19.
الأهمية والتطبيقات المحتملة في العلوم البيئية
يمكن لهذا النهج أن يعزز دراسات الكيمياء الجيولوجية الحيوية في واجهات الأكسجين ونقص الأكسجين ، على سبيل المثال ، للعثور على اللحظات الساخنة والنقاط الساخنة للعمليات البيوجيوكيميائية في ظل ظروف Eh-pH محددة. عملية الأكسدة والاختزال هي العملية الأساسية لأنشطة الحياة1. الكائنات الحية الدقيقة ، على وجه الخصوص ، تتطلب ظروف بيئة معيشية مثالية وحساسة للغاية للاضطرابات البيئية1. وهذا يؤدي إلى تطور ديناميكي للغاية للمجتمعات الميكروبية والعمليات البيوجيوكيميائية في البيئات غير المتجانسة20. يميل أخذ العينات المباشر ، دون النظر إلى عدم التجانس العالي ، إلى الحصول على عينة مختلطة من ظروف بيئية مختلفة. هذا يسبب عدم تطابق بين المعلومات الكيميائية المقاسة والكائنات الحية الدقيقة الرئيسية20. على بعد بضعة سنتيمترات من الطبقة السطحية للتربة أو الرواسب في حقل أرز نموذجي مغمور بالمياه ، توجد تدرجات أكسدة واختزال شديدة الانحدار ، بالإضافة إلى تدرجات فيزيائية وكيميائية21 وبيولوجيةمختلفة 1. يجب أن تكون التكنولوجيا قادرة على التقاط الإشارات البيوجيوكيميائية على نطاق المليمترات ؛ خلاف ذلك ، قد تؤدي البيانات التي لا تتطابق مع المقياس الفعلي إلى استنتاجات غامضة. إن جهاز تحديد ملفات تعريف غسيل الكلى الدقيق قادر على مراقبة الإشارات الكيميائية الحيوية على نطاق المليمتر عند واجهة التربة والمياه في أيام أو ساعات بأقل قدر من الاضطراب. في هذه الدراسة ، لوحظت الديناميات الزمانية المكانية للعناصر المختلفة على مدى فترة 48 ساعة ، ربما تتعلق باضطراب تجديد المياه. لذلك ، قد يساعد التطبيق الأوسع لملف تعريف غسيل الكلى الدقيق على فهم كيفية تأثير الاضطرابات على العمليات البيوجيوكيميائية الرئيسية في عالم متغير.
Disclosures
يعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.
Acknowledgments
يتم تمويل هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (41977320 ، 41571305) والصندوق الخاص للبرنامج الرئيسي ل XJTLU (KSF-A-20).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | Snapmaker, United States | Snapmaker 2.0 | Model: A250 |
| 3M DP190 Scotch-Weld Gray | 3M United States | 489-483 | Gray |
| Centrifuge tube | Titan, China | SWLX-JZ050-ZX | 50 mL, Sterilized DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Free |
| Ceramic knife | R felngli, China | N.A. | General |
| EDTA FREE ACID | Sigma-Aldrich | CAS 60-00-4 | Sigma-Aldrich#EDS-1KG |
| Ethanol | Adamas | CAS 64-17-5 | Water ≤ 50 ppm (by K.F.), 99.5%, SafeDry, with molecular sieves, Safeseal |
| Hot melt adhesive | Magic Dragon, China | N.A. | JTWJRRJB001 |
| Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry | PerkinElmer, Inc., Shelton, CT USA | N.A. | Model: NexION 350X |
| Medical Infusion Bag | Hunan Kanglilai Medical Equipment Co., Ltd | N.A. | 250 Ml, Sterlized |
| Milli-Q water system | Mingche, Inc., China | N.A. | 18.3 MΩ, water purification system model: 24UV |
| Nanomembrane Tube (polyethersulfone) | Motimo Membrane Technology Co., Ltd., Tianjin, China | N.A. | Polyethersulfone, inner diameter 1 mm, poresize <20 nm, pretreated with ethanol (99.5%) |
| Nitrogen gas | Suzhou Gas, Chuina | N.A. | High puriety |
| Nitrotic acid (Concentrated) | Adamas | CAS 7697-37-2 | 69%,Single Metal < 50 ppt, PFA Bottle |
| Nylon Fiber | Soumiety | 10052076600273 | For 3D-printing |
| Pipette | Bond A3 Pipette | N.A. | 200 μL |
| Pipette Tip | Titan | T2-H-T0200 | 200 μL, 300 μL Tip Box Non-sterile|200 μL|Titan |
| Polytetrafluoroethylene Tube | ROHS, China | CJ-TTL | Out diameter 1 mm |
| Sample vial | Titan, China | EP0060-B-N | 0.6 mL, Sterilized DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Free |
| Silicon cap | Fuchenxiangsu, China | N.A. | Inner diameter 1 mm, length 1 cm |
| Sonicator | Elma | N.A. | model:E120H |
| Square PVC water pipe | Taobao.com | N.A. | hight x width, 12 cm x 15 cm |
| Three-way valve for infusion | OEM, China | N.A. | Medical level; Valve body: PC material; valve core: PE material; screw cap: ABS material |
References
- Brune, A., Frenzel, P., Cypionka, H. Life at the oxic-anoxic interface: Microbial activities and adaptations. FEMS Microbiology Reviews. 24 (5), 691-710 (2000).
- Yuan, Z. -F., et al. Tracing the dynamic changes of element profiles by novel soil porewater samplers with ultralow disturbance to soil-water interface. Environmental Science & Technology. 53 (9), 5124-5132 (2019).
- Henkel, S., et al. Diagenetic barium cycling in Black Sea sediments - A case study for anoxic marine environments. Geochimica et Cosmochimica Acta. 88, 88-105 (2012).
- Zhong, H., et al. Novel insights into the Thaumarchaeota in the deepest oceans: Their metabolism and potential adaptation mechanisms. Microbiome. 8 (1), 78 (2020).
- Lueder, U., et al. Influence of physical perturbation on Fe(II) supply in coastal marine sediments. Environmental Science & Technology. 54 (6), 3209-3218 (2020).
- Sharma, N., Wang, Z., Catalano, J. G., Giammar, D. E. Dynamic responses of trace metal bioaccessibility to fluctuating redox conditions in wetland soils and stream sediments. ACS Earth and Space Chemistry. 6 (5), 1331-1344 (2022).
- Vrana, B., et al. Passive sampling techniques for monitoring pollutants in water. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 24 (10), 845-868 (2005).
- VanOploo, P., White, I., Macdonald, B. C. T., Ford, P., Melville, M. D. The use of peepers to sample pore water in acid sulphate soils. European Journal of Soil Science. 59 (4), 762-770 (2008).
- Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Temporal, spatial, and resolution constraints for in situ sampling devices using diffusional equilibration: Dialysis and DET. Environmental Science & Technology. 31 (11), 3110-3119 (1997).
- Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Estimation of pore water concentrations from DGT profiles: a modelling approach. Aquatic Geochemistry. 5 (4), 337-355 (1999).
- Gao, S., DeLuca, T. H. Use of microdialysis to assess short-term soil soluble N dynamics with biochar additions. Soil Biology and Biochemistry. 136, 107512 (2019).
- Buckley, S., Brackin, R., Jämtgård, S., Näsholm, T., Schmidt, S. Microdialysis in soil environments: Current practice and future perspectives. Soil Biology and Biochemistry. 143, 107743 (2020).
- Miró, M., Jimoh, M., Frenzel, W. A novel dynamic approach for automatic microsampling and continuous monitoring of metal ion release from soils exploiting a dedicated flow-through microdialyser. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 382 (2), 396-404 (2005).
- Maddala, S., Savin, M. C., Stenken, J. A., Wood, L. S. Nitrogen dynamics: Quantifying and differentiating fluxes in a riparian wetland soil. ACS Earth and Space Chemistry. 5 (5), 1254-1264 (2021).
- Yuan, Z. -F., et al. Simultaneous measurement of aqueous redox-sensitive elements and their species across the soil-water interface. Journal of Environmental Sciences. 102, 1-10 (2021).
- Hamilton, E. M., Young, S. D., Bailey, E. H., Humphrey, O. S., Watts, M. J. Online microdialysis-high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry (MD-HPLC-ICP-MS) as a novel tool for sampling hexavalent chromium in soil solution. Environmental Science & Technology. 55 (4), 2422-2429 (2021).
- Yuan, Z. -F., et al. Distinct and dynamic distributions of multiple elements and their species in the rice rhizosphere. Plant and Soil. 471 (1), 47-60 (2022).
- Teasdale, P. R., Batley, G. E., Apte, S. C., Webster, I. T. Pore water sampling with sediment peepers. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 14 (6), 250-256 (1995).
- Wey, H., Hunkeler, D., Bischoff, W. -A., Bünemann, E. K. Field-scale monitoring of nitrate leaching in agriculture: assessment of three methods. Environmental Monitoring and Assessment. 194 (1), (2021).
- Cai, Y. -J., et al. Microbial community structure is stratified at the millimeter-scale across the soil-water interface. ISME Communications. 2 (1), 53 (2022).
- Jones, M. E., et al. Manganese-driven carbon oxidation at oxic-anoxic interfaces. Environmental Science & Technology. 52 (21), 12349-12357 (2018).
