Waiting
Login processing...

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

Environment

Prøveudtagning af opløst opløst stof over en oxisk-anoxisk jord-vand-grænseflade ved hjælp af mikrodialyseprofilere

Published: March 24, 2023 doi: 10.3791/64358
Automatic Translation
1,2, 2, 2, 2, 2, 2
1Department of Geography and Planning, University of Liverpool, 2Department of Health and Environmental Sciences, Xi’an Jiaotong-Liverpool University

Summary

En mikrodialyseprofil beskrives til at prøve opløste porevandsopløste stoffer over en oxisk-anoxisk jord-vand-grænseflade in situ med minimal forstyrrelse. Denne enhed er designet til at registrere hurtige ændringer i koncentrationsdybdeprofiler induceret af forstyrrelser ved jord-vand-grænsefladen og videre.

Abstract

Biogeokemiske processer skifter hurtigt i både rumlige (millimeter skala) og tidsmæssige (time skala til dag skala) dimensioner ved den oxisk-anoxiske grænseflade som reaktion på forstyrrelser. Dekryptering af de hurtige biogeokemiske ændringer kræver in situ, minimalt invasive værktøjer med høj rumlig og tidsmæssig prøveudtagningsopløsning. De tilgængelige passive prøveudtagningsenheder er imidlertid ikke særlig nyttige i mange tilfælde, enten på grund af deres engangskarakter eller kompleksiteten og den omfattende arbejdsbyrde i forbindelse med prøveforberedelse.

For at løse dette problem blev der etableret en mikrodialyseprofil med 33 individuelle polyethersulfon nanomembranrør (semipermeable, <20 nm porestørrelse) integreret i det endimensionelle skelet (60 mm) til iterativt at prøve de opløste forbindelser i porevand over jord-vand-grænsefladen ved en høj opløsning på 1,8 mm (ydre diameter plus en afstand, dvs. 0,1 mm mellem sonder). Prøveudtagningsmekanismen er baseret på princippet om koncentrationsgradientdiffusion. Den automatiske påfyldning af afgasset vand tillader minimal forstyrrelse af de kemiske arter på tværs af den oxisk-anoxiske grænseflade.

Dette papir beskriver procedurerne for enhedsopsætning og kontinuerlig porevandsprøveudtagning på tværs af jord-vand-grænsefladen dagligt. Koncentrationsdybdeprofiler blev selektivt målt før (på dag 6) og efter (på dag 7) forstyrrelser forårsaget af kunstvanding. Resultaterne viste, at koncentrationsdybdeprofiler undergik hurtige ændringer, især for redoxfølsomme elementer (dvs. jern og arsen). Disse protokoller kan hjælpe med at undersøge de biogeokemiske reaktioner på tværs af jord-vand-grænsefladen under forskellige forstyrrelser forårsaget af fysiske, kemiske og biologiske faktorer. Papiret diskuterer grundigt fordele og ulemper ved denne metode til potentiel anvendelse i miljøvidenskaben.

Introduction

En oxisk-anoxisk grænseflade er et generelt træk i biosfæren, der er afgørende for den biogeokemiske cyklus1. Denne grænseflade er meget heterogen, idet det rumlige område strækker sig fra millimeter i sediment/jord-vand-grænsefladen1,2 til tusinder af meter i den oceaniske anoxiske zone 3,4. Denne grænseflade er et ideelt levested for at studere kompleksiteten af elementær biogeokemi.

Jord-vand-grænseflader har en typisk oxisk-anoxisk gradientfunktion inden for centimeter og er let etableret i mesokosmoseksperimenter. Med udgangspunkt i forbruget af molekylært ilt fra overfladevand driver de stratificerede funktionelle mikrobielle samfund udviklingen af forskellige gradienter, såsomO2-, pH- og Eh-gradienter, på millimeterskala1. Biogeokemisk kredsløb ved den oxisk-anoxiske grænseflade er følsom over for forskellige forstyrrelser i naturen 5,6. I tilfælde af sedimenter og rismarker kan tilførsel af frisk organisk materiale såsom strøelse og halm, periodisk oversvømmelse og dræning, temperatursvingninger og ekstremer og bioturbation forårsage ændringer i den biogeokemiske cyklus ved den oxic-anoxiske grænseflade, hvilket sandsynligvis resulterer i varige virkninger, såsom drivhusgasemissioner, eutrofiering og forurening på et givet sted. Derfor giver den oxisk-anoxiske gradient ved jord-vand-grænsefladen et vindue til undersøgelse af globale, store, biogeokemiske cyklusser. Den rumlige tidsmæssige prøveudtagning og analyse af opløste stoffer langs jord-vand-grænsefladen i høj opløsning har altid været af interesse; Der er dog kun sket begrænsede fremskridt med hensyn til metoden.

For at omgå ulemperne ved destruktiv porevandsekstraktion anvendes ikke-destruktiv passiv prøveudtagning i stigende grad for at undgå ændringer i porevandskemien og afhjælpe kompleksiteten af prøveforberedelse7. Flere enheder, der kan udføre in situ-prøveudtagning med høj præcision (fra mikrometer til centimeterskala), er blevet brugt i vid udstrækning, herunder in situ-dialyseprøvetagere (kendt som peepers)8, diffusiv ligevægt i tynde film (DET)9 og diffusiv gradient i tynde film (DGT)10. Der udtages passivt prøver af opløste stoffer via diffusions- og adsorptionsprocessen. Selvom de har vist sig nyttige til at beskrive oxisk-anoxiske kemiske profiler, er de stadig engangsbrug, hvilket begrænser deres bredere anvendelse.

For nylig har mikrodialyseteknikken vist sig som et følsomt værktøj, der kan bruges til at overvåge opløselig forbindelsesdynamik i jord på tidsmæssige skalaer fra minutter til dage11,12,13,14. For et typisk scenarie, der anvender mikrodialyse inden for medicinsk videnskab og miljøvidenskab, anvendes en miniature, koncentrisk sonde bestående af en semipermeabel rørformet membran (dvs. en mikrodialysator) til at undersøge de interstitielle væske- eller jordopløsninger for at forhindre signifikante forstyrrelser på, metaboliske processer og kemisk speciering15,16. En af de største iboende fordele ved mikrodialyse er in situ-indfangning af tidsafhængige koncentrationsændringer i jord eller biologisk væv15,16.

Med udgangspunkt i mikrodialysekonceptet udviklede vi en mere brugervenlig mikrodialyseprofil, tidligere kaldet IPI-profilen (integrated porewater injection), der kan udføre kontinuerlig ligevægtsdialyse af porevandsopløste stoffer baseret på princippet om koncentrationsgradientdiffusion2. Mikrodialyseindretningen bruger hule nanomembranrør til aktiv forspænding af perfusat og passiv diffusion af de opløste opløste stoffer, hvilket adskiller sig fra bulkporevanddiffusionen, der anvendes i peepers, trykfiltre såsom Rhizon sampler og akkumuleringsbaseret DGT. Udstyret er blevet testet og valideret i den tidsmæssige og rumlige prøveudtagning af både kationiske og anioniske elementer i både højland og oversvømmet jord (figur 1A-1)13,15,16. Enkel pumpe ind-og-ud mikrodialyse minimerer antallet af trin i prøveforberedelse 2,15.

Vi fremstillede en mikrodialyseprofil ved at integrere et sæt prøveudtagere på et endimensionelt støtteskelet, og denne profil opnåede prøveudtagning i høj opløsning ved jord-vand-grænsefladen og rhizosfæren 2,15,17. I denne undersøgelse blev der foretaget betydelige ændringer af prøveudtagningsanordningen og prøveudtagningsmetoden for at muliggøre indsamling af 33 porevandsprøver ved grænsefladen mellem jord og vand (60 mm lodret dybde) med minimal forstyrrelse til nedstrøms elementanalyse. Hele prøveudtagningsproceduren tager ~ 15 minutter. Da mikrodialyseprofilen er ny i miljøvidenskabens samfund, præsenterer vi detaljer om enhedens komponenter og prøveudtagningsprocedurer for at indikere mikrodialyseens potentiale til overvågning af ændringer i kemiske signaler ved jord-vand-grænsefladen.

Beskrivelse af mikrodialyseprofilen
Mikrodialyseprofilenheden, med korrekte ændringer af det tidligere design2, er vist i figur 1. Den effektive porestørrelse af nanomembranen (figur 1C-1) anslås kun at være flere nanometer for at forhindre diffusion af store molekyler og mikrobielle celler. En tidligere test antydede, at en 6 måneders oversvømmet inkubation ikke resulterede i nogen jernaflejringer på hverken indersiden eller ydersiden af røroverfladen15. Et buet, hult skelet blev designet (figur 1C-2) og 3D-printet ved hjælp af et stabilt nylonmateriale. I alt 33 nanomembranrør (polyethersulfon; overfladeporestørrelse: 0-20 nm; indvendig diameter x udvendig diameter x effektiv prøveudtagningslængde: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teoretisk volumen: 42,4 μL) forbundet med matchede polytetrafluorethylenrør (PTFE) (længde: 18 cm x 2 cm diameter figur 1C-1) blev installeret på skelettet og på tværs af den ene side af en PVC-beholder (figur 1B). For denne enhed er prøveudtagningskomponenten (figur 1B-1) 2 cm væk fra PVC-beholderens sidevæg. På injektionssiden (figur 1B-4) var alle rør forbundet til et en-til-mange-stik, som blev fastgjort i en bufferbeholder på en lufttæt måde (figur 1B-7). En medicinsk infusionspose (figur 1B-11) blev brugt til at forbinde med bufferbeholderen ved hjælp af en trevejsventil. Systemets lufttæthed blev omhyggeligt undersøgt i vand inden yderligere eksperimentelle operationer. Det forfyldte vand (18,2 MΩ, 500 ml) i den medicinske infusionspose er altid iltfrit (figur 1C-8). Detaljeret enhedsopsætning og porevandsprøveudtagning er beskrevet som følger.

Protocol

1. Individuel fremstilling af mikrodialyseprøveudtager

  1. Skær nøjagtigt uberørte nanomembranrør (indvendig diameter x ydre diameter x længde: 1,0 mm x 1,7 mm) i i alt 33 korte rør (58 mm i længden).
  2. Skær PTFE-røret nøjagtigt i 66 rør (180 mm i længden) med en keramisk kniv.
    BEMÆRK: Brug ikke metalbaserede knive for at undgå forurening.
  3. Bland det todelte (AB) epoxyklæbemiddel helt på enhver ren plastplade, og lad det stå i 30 minutter, indtil det bliver klæbrigt. Påfør AB-epoxyklæbemidlet forsigtigt på den ydre overflade af toppen af PTFE-røret. Sørg for, at AB epoxyklæbemiddel kun dækker rørets 4 mm længde, og at der ikke er yderligere klæbende blokeringsrør.
  4. Forbind de to PTFE-rør, der er forberedt i trin 1.2-1.4, med hvert nanomembranrør, der er forberedt i trin 1.1, ved forsigtigt at skrue PTFE-rørene ind i nanomembranrøret.
    BEMÆRK: Lad ikke overskydende klæbemiddel samle sig på samlingen. Sørg for, at intet klæbemiddel forurener nanomembranrøret.
  5. Gentag trin 1.4 for at samle alle 33 uberørte mikrodialyseprøvetagere fuldt ud.
  6. Lad prøveudtagerne samlet i trin 1.6 stå natten over for at sikre fuldstændig hærdning og stabilisering af klæbemidlet.
  7. Forbedre hydrofiliciteten og rengør mikrodialyseprøveudtagerne ved at blødgøre dem i ethanol (99,5% renhed) i 1 time efterfulgt af ultralydsrensning (stuetemperatur) med 2% fortyndet HNO3 og ultrarent vand i 15 minutter hver.
  8. Kontroller mikrodialyseprøveudtagerens åbenhed og lufttæthed ved at boble i vand ved hjælp af en 5 ml sprøjte.

2. Montering af mikrodialyseprofilen

  1. Brug den vedhæftede CAD-fil (supplerende fil 1) til at udskrive det foruddesignede skelet ved hjælp af nylonmateriale (figur 1C-2).
  2. Udhul en PVC-beholder (syrevasket) med to parallelle slidser (5 cm interval) for at matche skeletstørrelsen. Brug graveringsmodulet i 3D-printeren til slotting.
  3. Konstruer et en-til-mange-stik ved at stabilisere epoxyklæbemiddel i form af hætten på et 50 ml centrifugerør. Indsæt 33 siliciumhætter (1 cm i længden) i epoxyklæbemidlet inden hærdning, og lad det stå natten over.
  4. Tag en-til-mange-stikket ud af rørhætten.
  5. Brug en keramisk kniv til at skære det hærdede epoxyklæbemiddel, så alle siliciumhætteenderne er uhindrede.
  6. Skyl en-til-mange-stikket grundigt med 2% fortyndet HNO3 og ultrarent vand i 15 minutter hver. Tør en-til-mange-stikket under omgivende forhold.
  7. Tilslut en trevejsventil til bunden af røret for at tjene som bufferbeholder.
  8. Saml bufferbeholderen ved at installere et en-til-mange-stik til et 50 ml centrifugerør ved hjælp af AB epoxyklæbemiddel.
  9. De enkelte mikrodialyseprøvetagere, der er fremstillet i punkt 1 på skelettet (trin 2.1), samles. I dette trin skal du bruge smeltelim til at hjælpe med fastgørelse, så hver sampler er parallel med skeletets øverste / nederste kant.
  10. Gentag trin 2.9, indtil alle mikrodialyseprøveudtagerne (n = 33) er installeret på skelettet.
  11. Sørg for, at de 33 prøveudtagere på begge sider af skelettet passerer gennem PVC-åbningerne. Forsegl hullerne ved skeletets samlinger og slidserne med AB epoxyklæbemiddel.
  12. Tilslut de 33 prøveudtagere på den ene side af skelettet til en bufferbeholder på en lufttæt måde via en en-til-mange-tilslutningsventil, der er forudinstalleret i et 50 ml centrifugerør (trin 2.8)
  13. Tilslut en medicinsk infusionspose, der er fyldt med vand (18,3 MΩ), til bufferbeholderen gennem trevejsventilen.
  14. Brug siliciumhætter til at lukke de 33 prøveudtagere på prøveudtagningssiden. Dobbelttjek patency og lufttæthed for hver mikrodialyseprøveudtager ved at dreje trevejsventilen, så vand kan strømme fra den medicinske infusionspose til prøveudtageren. Når du har gennemført alle kontrollerne, skal du lukke og slukke for alle prøveudtagere og ventilen på bufferbeholderen.

3. Jordinkubation

  1. Før inkubation af oversvømmet jord afgases vandet i den medicinske infusionspose for at fjerne ilt. Boble nitrogengas natten over i vejen for linjen med nitrogengas med høj renhed til den medicinske infusionspose (figur 1-C8).
  2. Brug en trevejsventil til at lukke forbindelsen mellem profilen og den afgassede pose.
  3. Der tilsættes forsigtigt 450 g sigtet, lufttørret jord (partikelstørrelse < 2 mm) i en PVC-beholder, så fem mikrodialyseprøvetagere forbliver over jordoverfladen.
  4. Brug et væv til at dække jordoverfladen, og hæld derefter ultrarent vand (18,3 MΩ) på jorden for at oversvømme det. Fjern vævet, når jorden er helt oversvømmet med 5 cm over jordoverfladen.
  5. Rens systemet med den forudindlæste opløsning straks, når jordinkubationen er initialiseret. Tænd for forbindelsen mellem den anaerobe pose og dialyseprøveudtageren for at skylle prøveudtagningssystemet. Brug prøveudtagerens samlede volumen 10 gange, når hver prøveudtager renses med vand.
  6. Når du er færdig med rensningen af en prøveudtager, skal du dække den med en ren siliciumhætte.
  7. Gentag trin 3.6, indtil alle prøveudtagerne er renset. På dette tidspunkt etableres et oversvømmet jordinkubations- og prøveudtagningssystem.
  8. Juster den anaerobe pose til vandoverfladens højde.
  9. Sørg for, at alle rørene er fulde af vand. Hvis ikke, skal du fjerne hætten og sænke rørtoppen, så vandet kan strømme ud fra den anaerobe pose.
  10. Luk alle hætter og ventiler.
  11. Sluk forbindelsen mellem den anaerobe pose og dialyseprøvetageren under inkubationen i 7 dage.

4. Prøveudtagning af mikrodialyseprofiler

  1. Før prøveudtagningen justeres vandstanden i jordbeholderen, prøvetagningstoppene og den anaerobe pose til en lignende højde for at undgå markant forskellige vandpotentialer. Oprethold altid denne praksis i perioden med jordinkubation.
  2. Tænd forbindelsen mellem den anaerobe pose og bufferbeholderen.
  3. Fjern hætten på den første sampler fra top til bund.
  4. Brug en pipette til nøjagtigt at aspirere 133 μL fra prøveudtageren til et hætteglas (0,6 ml), der er forudindlæst med 133 μL 2 % HNO3 til konservering.
  5. Under prøveudtagningsprocessen observeres en langsom, men ensartet strøm af vanddråber mod mikrodialyseprøvetageren i den anaerobe poses observationskammer (figur 1A-9).
  6. Luk rørtoppen med en siliciumhætte. Gå til næste prøvetagningsrør.
    BEMÆRK: Til analyse af redoxfølsomme grundstoffer såsom jernholdig Fe skal der anvendes en anden konserveringsmetode, såsom afgasset (10 mM) EDTA-opløsning, og prøvetagningen skal udføres under nitrogenrensningsbetingelser.
  7. Gentag trin 4.6, indtil alle 33 prøver er indsamlet. Sluk for forbindelsen mellem den anaerobe pose og bufferbeholderen.
    BEMÆRK: Prøvetagningen kan generelt afsluttes på 15 min. Med det nuværende design udføres prøveudtagningen dagligt for at undgå krydskontaminering mellem rørene. Selvom diffusionen af opløst stof langs røret er langsom, ville den diffundere ind i bufferbeholderen og forurene andre rør.
  8. Umiddelbart efter prøveudtagningen på dag 6 genopfyldes det oversvømmede vand, hvilket vil forårsage forstyrrelse på jordoverfladen.
  9. Genvindingen af prøvevolumen beregnes ved at veje prøvehætteglasset før og efter, at porevandsprøven er overført.
  10. Brug induktivt koblet plasmamassespektrometri (ICP-MS) til at måle de totale opløste koncentrationer af grundstoffer i porevandet.
    BEMÆRK: Der blev anvendt en ekstern standardkurve til kvantificering af koncentrationen, mens den interne standard Rh blev anvendt til overvågning af ICP-MS' driftsstabilitet.

Representative Results

Efter denne protokol blev der etableret et mikrodialyseprofilsystem som beskrevet i figur 1. Jordinkubation blev udført under oversvømmelsesforhold (24 °C, afdækket af lys). Prøver på dag 6 og dag 7 blev selektivt målt for at indikere potentiel forstyrrelse på jordoverfladen på grund af praksis med at genopfylde det oversvømmede vand.

Under hver prøveudtagning blev der observeret et konsistent antal vanddråber i observationskammeret, der strømmede mod mikrodialyseprøveudtageren, hvilket indikerer, at den overførte prøveopløsning kontinuerligt blev genopfyldt af opløsningen i den anaerobe pose. Som vist i figur 2 var genfindingsprocenten for prøvevolumen i gennemsnit 101,4 % ± 0,9 % og varierede fra 100,2 % til 103,6 %. En lidt højere genfinding af prøvevolumen kan tyde på, at der var en vandstandsforskel mellem den anaerobe pose og toppen af prøvetagningsglasset.

Ved hjælp af prøverne over jord-vand-grænsefladen indsamlet på dag 6 og dag 7 blev de totale opløste koncentrationer af jern (Fe), mangan (Mn), arsen (As), cadmium (Cd), kobber (Cu), bly (Pb), nikkel (Ni) og zink (Zn) i porevandet bestemt (figur 3). Koncentrationsdybdeprofilerne varierede meget afhængigt af elementtypen og før og efter praksis med at genopfylde det oversvømmede vand. Selvom vi ikke udførte replikationer her, da denne undersøgelse brugte et gradientbaseret eksperimentelt design, viste vores tidligere undersøgelse gode replikationer af ændringer i dybdeafhængige kemiske signaler18.

På dag 6 steg de opløste koncentrationer af Mn, Fe og As sammen med jorddybden, mens koncentrationerne af Cu og Pb faldt med stigende jorddybde. Resultaterne er i overensstemmelse med de generelle principper og observationer i grænseflader mellem jord og vand; specifikt ville et mere reduceret miljø i dybere jord forårsage en forbedret reduktiv frigivelse af Mn15, Fe og As, mens frigivelsen af kationiske metaller hæmmes på grund af dannelsen af mindre opløselige mineraler. For Cd, Ni og Zn indikerede koncentrationsdybdeprofilerne imidlertid et andet mønster, da de opløste koncentrationer havde en stigende tendens fra en dybde på omkring -20 mm til dybere steder.

Sammenlignet med koncentrationsdybdeprofilerne for Fe (4,95 mg· L−1) og As (3,3 μg· L-1) i dybden af -12 mm på dag 6, koncentrationerne af Fe (1,46 mg· L−1) og As (0,8 μg· L-1) var signifikant lavere på dag 7; Fe- og As-koncentrationerne var imidlertid signifikant højere (dybdeafhængig hældning, p < 0,001) fra dybder på -18 mm til -50 mm. For de fleste bestemte elementer, undtagen Mn, var de opløste koncentrationer i overfladevandet og den jævne overfladejord i dybden på -15 mm signifikant lavere i varierende grad efter aerob vandpåfyldning. Det blev bemærket, at der var en koncentrationstoppunkt for Pb i dybden på ca. -10 mm på dag 7, hvilket viste et kontrastmønster til det, der blev observeret på dag 6. Disse inkonsekvente resultater skyldes sandsynligvis forstyrrelsen af vandpåfyldning og den tidsmæssige udvikling af biogeokemi på tværs af jord-vand-grænsefladen. I begge tilfælde indikerede mikrodialyseprofilen sit store potentiale til at overvåge de temporospatiale ændringer i kemiske profiler på tværs af jord-vand-grænsefladen.

Figure 1
Figur 1: Opsætning af mikrodialyseprofiler til overvågning af kemisk dynamik ved jord-vand-grænseflader til jorddybden på 50 mm. (A) For profiler, der anvendes i 50 mm dybde, se også supplerende figur S1. Hovedkomponenterne omfatter (B1,C1) 33 mikrodialyseprøvetagere (B2,C2) installeret på et 3D-printet skelet, som yderligere installeres på en (B3) inkubationsbeholder (et 50 ml prøveglas), (B4,B7,C4) en en-til-mange bufferbeholder, (B9-B12) en medicinsk infusionspose, der anvendes som leverandør af afgasset vand, og en (C5) Offline prøveudtagningspipette. (B5) Prøveudtagningsstederne for alle 33 prøveudtagere er justeret i samme højde med (B6) en plaststrimmel. Deoxygeneret vand fremstilles ved (C8) nitrogen, der bobler i modsat retning af vandforsyningen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Genvinding af prøvetagningsvolumen med H2O som perfusat. Fejlbjælkerne angiver standardafvigelsen for to uafhængige profilprøver. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Koncentrationsdybdeprofiler . (A) Mangan, (B) jern, (C) arsen, (D) cadmium, (E) kobber, (F) bly, (G) nikkel og (H) zink målt på dag 6 og dag 7. De negative fluebenser på Y-aksen angiver dybderne under vand-jord-grænsen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Fejl, lækage, der resulterer i jernudfældning inde i prøveudtagerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: Computerstøttet designfil til udskrift af det foruddesignede skelet. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende figur S1: Den anvendte profil. (A) På oversvømmet jord. (B-E) Billeder af top- og sidevisninger og forbindelsesdetaljer vises separat. E) Der anvendes trevejsventiler til at forbinde bufferbeholderen og den medicinske infusionspose. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Baseret på tidligere eksperimenter og praksis2 kræver nogle overvejelser særlig opmærksomhed under mikrodialyseprofilsamlingen og porevandsprøvetagningen. For det første skal nanomembranrøret og forbindelsesrøret forbindes omhyggeligt for at undgå blokeringer eller lækager ved forbindelsen. Da jorden inkuberes under oversvømmede forhold, vil indførelsen af ilt hurtigt oxidere og udfælde jernholdigt jern i dialyseslangen (figur 4). Af denne grund skal hvert mikrodialyserør kontrolleres for integritet (ingen skade), forbindelsernes lufttæthed og slangens tålmodighed, inden mikrodialyseprofilen samles. På samme måde skal forbindelsen af støtterammen til inkubationsbeholderens sidevæg udføres omhyggeligt for at undgå lækage. Før formelle eksperimenter er lækagekontrol på de forskellige forbindelsessteder altid en prioritet. For det andet skal perfusatet i den anaerobe pose være tilstrækkeligt deoxygeneret. Ellers vil jernholdigt jern i porevand reagere med iltet i perfusatet for at danne uopløselige bundfald (figur 4). Dette vil alvorligt ændre speciering og koncentration af opløste stoffer og diffusionsprocesserne mod nanomembranrørene. For det tredje vil en lav prøveudtagningsfrekvens (dage og uger) medføre, at det opløste stof diffunderer ind i stødpudeområdet. Dette kan forurene hele profilprøven. For at løse dette problem kan tre mulige løsninger overvejes: (1) prøveudtagning med høj frekvens, såsom en gang dagligt (dette kan dog føre til nedbrydning af opløst stof nær dialyseprøveudtageren, når der udføres flere prøveudtagninger); 2) forlængelse af forbindelsesrørets længde i injektionsområdet efter behov 3) omlægning af prøveudtagningsrørledningen for at opnå en enkelt kontrol af en enkelt rørledning. Dette er også retninger for forbedring af enheden i fremtiden. For det fjerde skal det under prøveudtagningsprocessen sikres, at vandoverfladen i den anaerobe pose, den oversvømmede jord og prøveudtagningsrøret er omtrent i samme højde for at afbalancere vandtrykket. Ellers vil en vandpotentialeforskel inden for og uden for membranrøret resultere i et fald eller en stigning i opløst diffusion.

Begrænsninger
For det første, da mikrodialyseprofilen ikke er kommercielt tilgængelig, forbliver metoden tidskrævende med hensyn til fremstilling af enheden. Det tog dage at forberede et enkelt dialyserør, herunder udskrivning af støtteskelettet, enhedsmontering og rengøring. Men de efterfølgende genanvendelige funktioner bygger bro over dette hul fuldstændigt. For det andet er der visse begrænsninger ved at anvende enheden på ikke-oversvømmede jordscenarier, som peepers kan bruges til18. På grund af den betydelige vandpotentialeforskel mellem indersiden og ydersiden af membranrøret i tør jord oplever den forudindlæste opløsning diffusionstab; Faktisk blev der observeret forskellige prøvetagningsvolumengenvindinger i intervallet 10%-36% i den foreløbige test (detaljerede data ikke vist), hvilket skaber usikkerhed om resultaterne.

Sammenligning af metoden med eksisterende eller alternative metoder
Metoden adresserer delvist det faktum, at de eksisterende passive prøvetagere ikke kan tage prøver gentagne gange, og minimerer arbejdsbyrden ved prøveforberedelse, især til anoxisk porevandsprøveudtagning og konservering2. De øjeblikkelige ændringer i koncentration og speciering af dialyserede opløste stoffer kan følsomt afspejle responsen fra den oxisk-anoxiske grænseflade på eventuelle miljøforstyrrelser. Teoretisk set giver prøveudtagning med en frekvens på minutter, timer eller dage mulighed for at fange de hurtigt skiftende processer ved grænsefladen. For passive samplere, der skal være i implementering i dagevis, kan nogle varme øjeblikke og hotspots gå glip af 6,19.

Betydning og potentielle anvendelser inden for miljøvidenskab
Denne tilgang kunne fremme biogeokemiske undersøgelser ved oxic-anoxiske grænseflader, for eksempel for at finde varme øjeblikke og hotspots for biogeokemiske processer under specifikke Eh-pH-forhold. Redoxprocessen er den grundlæggende proces med livsaktiviteter1. Især mikroorganismer kræver optimale levevilkår og er meget følsomme over for miljøforstyrrelser1. Dette resulterer i en meget dynamisk udvikling af mikrobielle samfund og biogeokemiske processer i heterogene miljøer20. Direkte prøveudtagning, uden at overveje den høje heterogenitet, har tendens til at opnå en blandet prøve fra forskellige miljøforhold. Dette medfører uoverensstemmelser mellem den målte kemiske information og vigtige mikroorganismer20. Inden for få centimeter af overfladelaget af jord eller sediment i et typisk oversvømmet uafskallet felt er der stejle redoxgradienter samt forskellige fysiske, kemiske21 og biologiske gradienter1. Teknologien skal være i stand til at opfange biogeokemiske signaler i millimeterskala; Ellers kan data, der ikke svarer til den faktiske skala, føre til tvetydige konklusioner. Mikrodialyseprofilen er i stand til at overvåge biokemiske signaler i millimeterskala ved jord-vand-grænsefladen på dage eller timer med minimal forstyrrelse. I denne undersøgelse blev den rumlige tidsmæssige dynamik af forskellige elementer over en periode på 48 timer observeret, muligvis relateret til forstyrrelsen af vandpåfyldning. Derfor kan en bredere anvendelse af mikrodialyseprofilen hjælpe med at forstå, hvordan forstyrrelser påvirker vigtige biogeokemiske processer i en verden i forandring.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dette arbejde er finansieret af National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) og Key Programme Special Fund of 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brune, A., Frenzel, P., Cypionka, H. Life at the oxic-anoxic interface: Microbial activities and adaptations. FEMS Microbiology Reviews. 24 (5), 691-710 (2000).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Zhong, H., et al. Novel insights into the Thaumarchaeota in the deepest oceans: Their metabolism and potential adaptation mechanisms. Microbiome. 8 (1), 78 (2020).
  5. Lueder, U., et al. Influence of physical perturbation on Fe(II) supply in coastal marine sediments. Environmental Science & Technology. 54 (6), 3209-3218 (2020).
  6. 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).
  7. Vrana, B., et al. Passive sampling techniques for monitoring pollutants in water. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 24 (10), 845-868 (2005).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Jones, M. E., et al. Manganese-driven carbon oxidation at oxic-anoxic interfaces. Environmental Science & Technology. 52 (21), 12349-12357 (2018).

Tags

Denne måned i JoVE nummer 193
Prøveudtagning af opløst opløst stof over en oxisk-anoxisk jord-vand-grænseflade ved hjælp af mikrodialyseprofilere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhang, S., Yuan, Z., Cai, Y., Liu,… More

Zhang, S., Yuan, Z., Cai, Y., Liu, H., Liu, Z., Chen, Z. Dissolved Solute Sampling Across an Oxic-Anoxic Soil-Water Interface Using Microdialysis Profilers. J. Vis. Exp. (193), e64358, doi:10.3791/64358 (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