Summary
En mikrodialysprofiler beskrivs för att ta prov på lösta porvattenlösta ämnen över ett oxisk-anoxiskt jord-vattengränssnitt in situ med minimal störning. Denna enhet är utformad för att fånga snabba förändringar i koncentrationsdjupprofiler som induceras av störningar vid mark-vattengränssnittet och bortom.
Abstract
Biogeokemiska processer skiftar snabbt i både rumsliga (millimeterskala) och temporala (timskala till dagskala) dimensioner vid det oxisk-anoxiska gränssnittet som svar på störningar. För att dechiffrera de snabba biogeokemiska förändringarna krävs in situ, minimalt invasiva verktyg med hög rumslig och tidsmässig provtagningsupplösning. De tillgängliga passiva provtagningsanordningarna är dock inte särskilt användbara i många fall, antingen på grund av deras disponibla natur eller komplexiteten och den omfattande arbetsbelastningen för provberedning.
För att lösa detta problem etablerades en mikrodialysprofiler med 33 individuella polyetersulfonnanomembranrör (semipermeabla, <20 nm porstorlek) integrerade i det endimensionella skelettet (60 mm) för att iterativt ta prov på de upplösta föreningarna i porvatten över mark-vattengränssnittet med en hög upplösning på 1,8 mm (ytterdiameter plus ett avstånd, dvs 0,1 mm mellan sonder). Provtagningsmekanismen är baserad på principen om diffusion av koncentrationsgradienter. Den automatiska laddningen av avgasat vatten möjliggör minimal störning av de kemiska arterna över det oxisk-anoxiska gränssnittet.
Detta dokument beskriver procedurerna för installation av enheter och kontinuerlig porvattenprovtagning över mark-vattengränssnittet dagligen. Koncentrationsdjupsprofilerna mättes selektivt före (dag 6) och efter (dag 7) störningar orsakade av bevattning. Resultaten visade att koncentrationsdjupsprofilerna genomgick snabba förändringar, särskilt för redoxkänsliga element (dvs. järn och arsenik). Dessa protokoll kan hjälpa till att undersöka de biogeokemiska svaren över mark-vattengränssnittet under olika störningar orsakade av fysiska, kemiska och biologiska faktorer. Papperet diskuterar grundligt fördelarna och nackdelarna med denna metod för potentiell användning inom miljövetenskapen.
Introduction
Ett oxisk-anoxiskt gränssnitt är en allmän egenskap i biosfären som är avgörande för den biogeokemiska cykeln1. Detta gränssnitt är mycket heterogent, med det rumsliga intervallet som sträcker sig från millimeter i gränssnittet mellan sediment och mark-vatten1,2 till tusentals meter i den oceaniska syrefria zonen 3,4. Detta gränssnitt är en idealisk livsmiljö för att studera komplexiteten hos elementär biogeokemi.
Gränsytor mellan jord och vatten har en typisk oxisk-anoxisk gradientfunktion inom centimeter och är lätt etablerade i mesokosmexperiment. Med utgångspunkt från förbrukningen av molekylärt syre från ytvatten driver de stratifierade funktionella mikrobiella samhällena utvecklingen av olika gradienter, såsomO2-, pH- och Eh-gradienter, på millimeterskala1. Biogeokemisk kretslopp vid det oxisk-anoxiska gränsvärdet är känsligt för olika störningar i naturen 5,6. När det gäller sediment och risfält kan tillförsel av färskt organiskt material såsom strö och halm, periodiska översvämningar och dränering, temperaturfluktuationer och extremiteter samt bioturbation orsaka förändringar i den biogeokemiska cykeln vid det oxisk-anoxiska gränssnittet, vilket sannolikt leder till bestående effekter, såsom utsläpp av växthusgaser, eutrofiering och kontaminering på en viss plats. Därför ger den oxisk-anoxiska gradienten vid mark-vattengränssnittet ett fönster för studier av globala, storskaliga, biogeokemiska cykler. Spatiotemporal provtagning och analys av lösta ämnen längs mark-vattengränssnittet i hög upplösning har alltid varit av intresse. Framstegen i metoden har dock varit begränsade.
För att kringgå nackdelarna med destruktiv porvattenextraktion används icke-destruktiv passiv provtagning alltmer för att undvika förändringar i porvattenkemin och ta itu med komplexiteten i provberedningen7. Flera enheter som kan utföra högprecision, in situ-provtagning (från mikrometer till centimeterskala) har använts i stor utsträckning, inklusive in situ-dialysprovtagare (känd som peepers)8, diffusiv jämvikt i tunna filmer (DET)9 och diffusiv gradient i tunna filmer (DGT)10. Löst ämnen provtas passivt via diffusions- och adsorptionsprocesserna. Även om de har visat sig vara användbara för att beskriva oxisk-anoxiska kemiska profiler, är de fortfarande engångsbruk, vilket begränsar deras bredare tillämpning.
Nyligen har mikrodialystekniken dykt upp som ett känsligt verktyg som kan användas för att övervaka löslig föreningsdynamik i jord på tidsskalor från minuter till dag11,12,13,14. För ett typiskt scenario med mikrodialys inom medicinsk och miljövetenskap används en miniatyrsond av koncentrisk typ bestående av ett semipermeabelt rörformigt membran (dvs. en mikrodialysator) för att sondra interstitiell vätska eller jordlösningar för att förhindra signifikanta störningar på, metaboliska processer och kemisk speciering15,16. En av de största inneboende fördelarna med mikrodialys är in situ-infångning av tidsberoende koncentrationsförändringar i jord eller biologiska vävnader15,16.
Baserat på mikrodialyskonceptet utvecklade vi en mer lättanvänd mikrodialysprofilerare, tidigare kallad integrerad porewater injection (IPI) profiler, som kan utföra kontinuerlig jämviktsdialys av porvattenlösta ämnen baserat på principen om koncentrationsgradientdiffusion2. Mikrodialysanordningen använder ihåliga nanomembranrör för aktiv förladdning av perfusatet och passiv diffusion av de upplösta lösta ämnena, vilket skiljer sig från bulkporvattendiffusionen som används i peepers, tryckfilter såsom Rhizon sampler och ackumuleringsbaserad DGT. Enheten har testats och validerats i tidsmässig och rumslig provtagning av både katjoniska och anjoniska element i både höglänta och översvämmade jordar (figur 1A-1) 13,15,16. Enkel pump in-och-ut mikrodialys minimerar antalet steg i provberedning 2,15.
Vi tillverkade en mikrodialysprofiler genom att integrera en uppsättning provtagare på ett endimensionellt stödskelett, och denna profiler uppnådde högupplöst provtagning vid mark-vattengränssnittet och rhizosfären 2,15,17. I denna studie gjordes betydande modifieringar av provtagningsanordningen och provtagningsmetoden för att möjliggöra insamling av 33 porvattenprover vid mark-vattengränssnittet (60 mm vertikalt djup) med minimal störning för nedströms elementanalys. Hela provtagningsproceduren tar ~ 15 minuter. Eftersom mikrodialysprofileraren är ny för miljövetenskapens gemenskap presenterar vi detaljer om enhetskomponenterna och provtagningsprocedurerna för att indikera mikrodialysens potential att övervaka förändringarna i kemiska signaler vid mark-vattengränssnittet.
Beskrivning av mikrodialysprofileraren
Mikrodialysprofileringsenheten, med lämpliga modifieringar av den tidigare konstruktionen2, visas i figur 1. Den effektiva porstorleken hos nanomembranet (figur 1C-1) uppskattas till endast flera nanometer för att förhindra diffusion av stora molekyler och mikrobiella celler. Ett tidigare test föreslog att en 6 månaders översvämmad inkubation inte resulterade i några järnavlagringar på varken insidan eller utsidan av rörytan15. Ett böjt, ihåligt skelett designades (figur 1C-2) och 3D-printades med ett stabilt nylonmaterial. Totalt 33 nanomembranrör (polyetersulfon; ytporstorlek: 0–20 nm; innerdiameter x ytterdiameter x effektiv provtagningslängd: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teoretisk volym: 42,4 μl) kopplade till matchade rör av polytetrafluoreten (PTFE) (längd: 18 cm x 2 cm diameter figur 1C-1) installerades på skelettet och över ena sidan av en PVC-behållare (figur 1B). För denna anordning är provtagningskomponenten (figur 1B-1) 2 cm från PVC-behållarens sidovägg. För injektionssidan (figur 1B-4) var alla rör anslutna till en en-till-många-kontakt, som var lufttät fastsatt i en buffertbehållare (figur 1B-7). En medicinsk infusionspåse (figur 1B-11) användes för att ansluta till buffertbehållaren med en trevägsventil. Systemets lufttäthet undersöktes noggrant i vatten före ytterligare experimentella operationer. Det förladdade vattnet (18,2 MΩ, 500 ml) i den medicinska infusionspåsen är alltid syrefritt (figur 1C-8). Detaljerad installation av utrustning och porvattenprovtagning beskrivs enligt följande.
Protocol
1. Individuell förberedelse av mikrodialysprovtagare
- Skär noggrant orörda nanomembranrör (innerdiameter x ytterdiameter x längd: 1,0 mm x 1,7 mm) i totalt 33 korta rör (58 mm långa).
- Skär PTFE-röret noggrant i 66 rör (180 mm långa) med en keramisk kniv.
OBS: Använd inga metallbaserade knivar för att undvika kontaminering. - Blanda det tvådelade (AB) epoxilimet helt på en ren plastplatta och låt det stå i 30 minuter tills det blir klibbigt. Applicera AB-epoxilimet försiktigt på den yttre ytan på toppen av PTFE-röret. Se till att AB-epoxilim endast täcker rörets 4 mm längd och att det inte finns några ytterligare självhäftande blockerande rör.
- Anslut de två PTFE-rören som förberetts i steg 1.2-1.4 med varje nanomembranrör som förberetts i steg 1.1 genom att försiktigt skruva fast PTFE-rören i nanomembranröret.
OBS: Låt inte överflödigt lim ackumuleras på fogen. Se till att inget lim förorenar nanomembranröret. - Upprepa steg 1.4 för att helt montera alla 33 orörda mikrodialysprovtagare.
- Låt provtagarna monterade i steg 1.6 stå över natten för att säkerställa fullständig härdning och stabilisering av limet.
- Förbättra hydrofiliciteten och rengör mikrodialysprovtagarna genom att blötlägga dem i etanol (99,5% renhet) i 1 timme, följt av ultraljudsrengöring (rumstemperatur) med 2% utspädd HNO3 och ultrarent vatten i 15 minuter vardera.
- Kontrollera mikrodialysprovtagarens patency och lufttäthet genom att bubbla i vatten med en 5 ml spruta.
2. Montering av mikrodialysprofiler
- Använd den bifogade CAD-filen (kompletterande fil 1) för att skriva ut det fördesignade skelettet med nylonmaterial (figur 1C-2).
- Ihålig ut en PVC-behållare (syratvättad) med två parallella slitsar (5 cm intervall) för att matcha skelettstorleken. Använd graveringsmodulen i 3D-skrivaren för slitsning.
- Konstruera en en-till-många-kontakt genom att stabilisera epoxilim i form av locket på ett 50 ml centrifugrör. Sätt in 33 kisellock (1 cm långa) i epoxilimet före härdning och låt stå över natten.
- Ta ut en-till-många-kontakten från rörlocket.
- Använd en keramisk kniv för att skära det härdade epoxilimet så att alla kisellocksändar är fria.
- Skölj en-till-många-kontakten noggrant med 2% utspädd HNO3 och ultrarent vatten i 15 minuter vardera. Torka en-till-många-kontakten under omgivande förhållanden.
- Anslut en trevägsventil till rörets botten för att fungera som en buffertbehållare.
- Montera buffertbehållaren genom att installera en en-till-många-kontakt till ett 50 ml centrifugrör med AB-epoxilim.
- Montera de enskilda mikrodialysprovtagarna som beretts i avsnitt 1 på skelettet (steg 2.1). I detta steg, använd smältlim för att hjälpa till att fixera så att varje provtagare är parallell med skelettets övre / nedre kant.
- Upprepa steg 2.9 tills alla mikrodialysprovtagare (n = 33) är installerade på skelettet.
- Se till att de 33 provtagarna på båda sidor av skelettet passerar genom PVC-spåren. Försegla luckorna vid skelettets fogar och slitsarna med AB-epoxilim.
- Anslut de 33 provtagarna på ena sidan av skelettet till en buffertbehållare på ett lufttätt sätt via en en-till-många-anslutningsventil förinstallerad i ett 50 ml centrifugrör (steg 2.8)
- Anslut en medicinsk infusionspåse förfylld med vatten (18,3 MΩ) till buffertbehållaren genom trevägsventilen.
- Använd kisellock för att stänga de 33 provtagarna på provtagningssidan. Dubbelkontrollera patency och lufttäthet hos varje mikrodialysprovtagare genom att vrida trevägsventilen, så att vatten kan strömma från den medicinska infusionspåsen till provtagaren. När du har slutfört alla kontroller, stäng och stäng av alla provtagare och ventilen på buffertbehållaren.
3. Jordinkubation
- Före inkubation av översvämd jord, avgasa vattnet i den medicinska infusionspåsen för att avlägsna syre. Bubbelkvävgas över natten längs vägen för linjen med kvävgas med hög renhet till infusionspåsen för medicinskt bruk (figur 1-C8).
- Använd en trevägsventil för att stänga anslutningen mellan profileraren och den avgasade påsen.
- Tillsätt försiktigt 450 g siktad, lufttorkad jord (partikelstorlek < 2 mm) i en PVC-behållare, så att fem mikrodialysprovtagare kan hålla sig ovanför markytan.
- Använd en vävnad för att täcka markytan och häll sedan ultrarent vatten (18,3 MΩ) på jorden för att översvämma den. Ta bort vävnaden när jorden är helt översvämmad med 5 cm över markytan.
- Rensa systemet med den förladdade lösningen omedelbart när jordinkubationen har initierats. Slå på anslutningen mellan den anaeroba påsen och dialysprovtagaren för att spola provtagningssystemet. Använd 10 gånger provtagarens totala volym när du rensar varje provtagare med vatten.
- När du avslutar rensningen av en provtagare, täck den med ett rent kisellock.
- Upprepa steg 3.6 tills alla provtagare har rensats. Vid denna tidpunkt upprättas ett översvämmat markinkubations- och provtagningssystem.
- Justera den anaeroba påsen till vattenytans höjd.
- Se till att alla rör är fulla av vatten. Om inte, ta bort locket och sänk tubtoppen, så att vattnet kan rinna ut från den anaeroba påsen.
- Stäng alla lock och ventiler.
- Stäng av anslutningen mellan den anaeroba påsen och dialysprovtagaren under inkubationen i 7 dagar.
4. Provtagning av mikrodialysprofiler
- Före provtagning, justera vattennivåerna i jordbehållaren, provtagningstopparna och den anaeroba påsen till en liknande höjd för att undvika markant olika vattenpotentialer. Behåll alltid denna praxis under jordinkubationsperioden.
- Slå på anslutningen mellan den anaeroba påsen och buffertbehållaren.
- Ta bort locket på den första provtagaren från topp till botten.
- Använd en pipett för att noggrant aspirera 133 μL från provtagaren till en injektionsflaska (0,6 ml) som är förladdad med 133 μL 2%HNO3 för konservering.
- Under provtagningsprocessen observeras ett långsamt men jämnt flöde av vattendroppar mot mikrodialysprovtagaren i observationskammaren (figur 1A-9) i den anaeroba säcken.
- Stäng tubtoppen med ett kisellock. Flytta till nästa provtagningsrör.
OBS: För analys av redoxkänsliga element såsom järn Fe måste en annan konserveringsmetod såsom avgasad (10 mM) EDTA-lösning användas, och provtagningen bör utföras under kvävereningsförhållanden. - Upprepa steg 4.6 tills alla 33 prover har samlats in. Stäng av anslutningen mellan den anaeroba påsen och buffertbehållaren.
OBS: Provtagningen kan i allmänhet slutföras på 15 minuter. Med nuvarande konstruktion utförs provtagningen dagligen för att undvika korskontaminering mellan rören. Även om den lösta diffusionen längs röret är långsam, skulle den diffundera in i buffertbehållaren och förorena andra rör. - Omedelbart efter provtagningen på dag 6, fyll på det översvämmade vattnet, vilket kommer att orsaka störningar på markytan.
- Beräkna provets volymåtervinning genom att väga injektionsflaskan före och efter det att porvattenprovet överförts.
- Använd induktivt kopplad plasmamasspektrometri (ICP-MS) för att mäta de totala upplösta koncentrationerna av element i porvattnet.
Anmärkning: En extern standardkurva användes för koncentrationskvantifieringen, medan den interna standarden Rh användes för övervakning av ICP-MS driftsstabilitet.
Representative Results
Efter detta protokoll upprättades ett mikrodialysprofileringssystem, som beskrivs i figur 1. Markinkubation utfördes under översvämningsförhållanden (24 °C, avtäckt från ljus). Prover på dag 6 och dag 7 mättes selektivt för att indikera potentiell störning på markytan på grund av praxis att fylla på det översvämmade vattnet.
Under varje provtagning observerades ett konsekvent antal vattendroppar i observationskammaren som strömmade mot mikrodialysprovtagaren, vilket indikerar att den överförda provlösningen kontinuerligt fylldes på av lösningen i den anaeroba påsen. Som visas i figur 2 var återvinningsprocenten för provvolymen i genomsnitt 101,4% ± 0,9% och varierade från 100,2% till 103,6%. En något högre återvinning av provvolymen kan tyda på att det fanns en vattennivåskillnad mellan den anaeroba påsen och toppen av provtagningsröret.
Med hjälp av proverna över mark-vattengränssnittet som samlats in dag 6 och dag 7 bestämdes de totala upplösta koncentrationerna av järn (Fe), mangan (Mn), arsenik (As), kadmium (Cd), koppar (Cu), bly (Pb), nickel (Ni) och zink (Zn) i porvattnet (figur 3). Koncentrationsdjupprofilerna varierade mycket beroende på elementtypen och före och efter övningen att fylla på det översvämmade vattnet. Även om vi inte utförde replikationer här eftersom denna studie använde en gradientbaserad experimentell design, visade vår tidigare studie goda replikeringar av förändringar i djupberoende kemiska signaler18.
På dag 6 ökade de upplösta koncentrationerna av Mn, Fe och As tillsammans med jorddjupet, medan de av Cu och Pb minskade med ökande markdjup. Resultaten överensstämmer med de allmänna principerna och observationerna i gränsytorna mellan mark och vatten. specifikt skulle en mer reducerad miljö i djupare jord orsaka en förbättrad reduktiv frisättning av Mn15, Fe och As samtidigt som man hämmar frisättningen av katjoniska metaller på grund av bildandet av mindre lösliga mineraler. För Cd, Ni och Zn indikerade dock koncentrationsdjupprofilerna ett annat mönster, eftersom de upplösta koncentrationerna hade en ökande trend från ett djup på cirka −20 mm till djupare platser.
Jämfört med koncentrationsdjupprofilerna för Fe (4,95 mg· L−1) och As (3,3 μg· L−1) på djupet av −12 mm på dag 6, koncentrationerna av Fe (1,46 mg· L−1) och As (0,8 μg· L−1) var signifikant lägre dag 7; Fe- och As-koncentrationerna var dock signifikant högre (djupberoende lutning, p < 0,001) från djupet -18 mm till -50 mm. För de flesta fastställda element, utom Mn, var de upplösta koncentrationerna i ytvattnet och den jämna ytjorden på djupet -15 mm signifikant lägre, i varierande grad, efter aerob vattenpåfyllning. Det noterades att det fanns en koncentrationstopp för Pb på djupet av cirka -10 mm på dag 7, vilket visar ett kontrasterande mönster till det som observerades på dag 6. Dessa inkonsekventa resultat orsakas sannolikt av störningen av vattenpåfyllning och den tidsmässiga utvecklingen av biogeokemi över mark-vattengränssnittet. I båda fallen indikerade mikrodialysprofilen sin stora potential att övervaka de temporära förändringarna i kemiska profiler över gränssnittet mellan mark och vatten.
Figur 1: Inställning av mikrodialysprofiler för övervakning av kemisk dynamik vid gränsdragningar mellan mark och vatten till jorddjupet 50 mm. (A) För en profilerare som används på 50 mm djup, se även kompletterande figur S1. Huvudkomponenterna inkluderar (B1, C1) 33 mikrodialysprovtagare (B2, C2) installerade på ett 3D-tryckt skelett, som vidare installeras på en (B3) inkubationsbehållare (ett 50 ml provrör), (B4, B7, C4) en en-till-många buffertbehållare, (B9-B12) en medicinsk infusionspåse som används som leverantör av avgasat vatten och en (C5) offline-provtagningspipett. (B5) Provtagningsplatserna för alla 33 provtagare är inriktade på samma höjd med (B6) en plastremsa. Deoxygenerat vatten framställs genom (C8) kväve som bubblar i omvänd riktning mot vattentillförseln. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Provtagning av volymåtervinning medH2Osom perfusat. Felstaplarna anger standardavvikelsen för två oberoende profileringsurval. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Profiler för koncentrationsdjup . (A) mangan, (B) järn, (C) arsenik, (D) kadmium, (E) koppar, (F) bly, (G) nickel och (H) zink uppmätt dag 6 och dag 7. De negativa bocketiketterna på Y-axeln anger djupet under vatten-jordgränsen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Felfall av läckage som resulterar i järnutfällning inuti provtagarna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Kompletterande fil 1: Datorstödd designfil för en utskrift av det fördesignade skelettet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande figur S1: Den profilerare som används. (A) På översvämmad mark. (B–E) Bilder av topp- och sidovyer och anslutningsdetaljer presenteras separat. (E) Trevägsventiler används för att ansluta buffertbehållaren och den medicinska infusionspåsen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Baserat på tidigare experiment och metoder2 kräver vissa överväganden särskild uppmärksamhet under montering av mikrodialysprofiler och provtagning av porvatten. Först bör nanomembranröret och anslutningsröret anslutas försiktigt för att undvika blockeringar eller läckage vid anslutningen. När jorden inkuberas under översvämmade förhållanden kommer införandet av syre snabbt att oxidera och fälla ut järnjärn i dialysslangen (figur 4). Av denna anledning, innan mikrodialysprofileraren monteras, måste varje mikrodialysrör kontrolleras för integritet (ingen skada), anslutningarnas lufttäthet och slangens patency. På samma sätt måste anslutningen av stödramen till inkubationsbehållarens sidovägg göras noggrant för att undvika läckage. Före formella experiment är läckagekontroller på de olika anslutningsplatserna alltid en prioritet. För det andra måste perfusatet i den anaeroba påsen vara tillräckligt deoxygenerat. Annars kommer järnjärn i porvatten att reagera med syret i perfusatet för att bilda olösliga fällningar (figur 4). Detta kommer allvarligt att förändra den lösta specieringen och koncentrationen och diffusionsprocesserna mot nanomembranrören. För det tredje kommer en låg provtagningsfrekvens (dagar och veckor) att få lösningsmedlet att diffundera in i buffertregionen. Detta kan förorena hela profilprovet. För att lösa detta problem kan tre möjliga lösningar övervägas: (1) provtagning med hög frekvens, till exempel en gång om dagen (detta kan dock leda till löst utarmning nära dialysprovtagaren när flera provtagningar utförs); (2) förlänga anslutningsrörets längd i injektionsområdet efter behov; (3) Omformning av provtagningsrörledningen för att uppnå en enda kontroll av en enda rörledning. Det här är också anvisningar för förbättring av enheten i framtiden. För det fjärde måste det under provtagningsprocessen säkerställas att vattenytans nivå i den anaeroba säcken, den översvämmade jorden och provtagningsröret är ungefär på samma höjd för att balansera vattentrycket. Annars kommer en vattenpotentialskillnad inuti och utanför membranröret att resultera i en minskning eller ökning av lösningsmedelsdiffusionen.
Begränsningar
För det första, eftersom mikrodialysprofilen inte är kommersiellt tillgänglig, förblir metoden tidskrävande när det gäller beredningen av enheten. Det tog dagar att förbereda ett enda dialysrör, inklusive utskrift av stödskelettet, montering av enheten och rengöring. Men de efterföljande återanvändbara funktionerna överbryggar helt detta gap. För det andra finns det vissa begränsningar vid tillämpning av enheten på icke-översvämmade markscenarier, vilka peepers kan användas för18. På grund av den signifikanta vattenpotentialskillnaden mellan insidan och utsidan av membranröret i torr jord upplever den förladdade lösningen diffusionsförlust; Faktum är att olika provvolymåtervinningar i intervallet 10% -36% observerades i det preliminära testet (detaljerade data visas inte), vilket skapar osäkerhet om resultaten.
Jämförelse av metoden med befintliga eller alternativa metoder
Metoden tar delvis itu med det faktum att de befintliga passiva provtagarna inte kan ta prov upprepade gånger och minimerar arbetsbelastningen för provberedning, särskilt för provtagning och konservering av anoxiskt porvatten2. De omedelbara förändringarna i koncentration och speciering av dialyserade lösta ämnen kan känsligt återspegla svaret från det oxisk-anoxiska gränssnittet på eventuella miljöstörningar. Teoretiskt sett möjliggör provtagning med en frekvens av minuter, timmar eller dagar inspelning av de snabbt föränderliga processerna vid gränssnittet. För passiva provtagare som måste vara i utplacering i flera dagar kan vissa heta stunder och hotspots missas 6,19.
Betydelse och potentiella tillämpningar inom miljövetenskap
Detta tillvägagångssätt kan främja biogeokemiska studier vid oxic-anoxiska gränssnitt, till exempel för att hitta heta stunder och hotspots för biogeokemiska processer under specifika Eh-pH-förhållanden. Redoxprocessen är den grundläggande processen för livsaktiviteter1. Särskilt mikroorganismer kräver optimala livsmiljöförhållanden och är mycket känsliga för miljöstörningar1. Detta resulterar i en mycket dynamisk utveckling av mikrobiella samhällen och biogeokemiska processer i heterogena miljöer20. Direkt provtagning, utan att ta hänsyn till den höga heterogeniteten, tenderar att erhålla ett blandat prov från olika miljöförhållanden. Detta orsakar oöverensstämmelse mellan den uppmätta kemiska informationen och viktiga mikroorganismer20. Inom några centimeter från ytskiktet av jord eller sediment i ett typiskt översvämmat risfält finns det branta redoxgradienter, liksom olika fysiska, kemiska21 och biologiska gradienter1. Tekniken måste kunna fånga biogeokemiska signaler i millimeterskala; Annars kan data som inte matchar den faktiska skalan leda till tvetydiga slutsatser. Mikrodialysprofilen kan övervaka biokemiska signaler i millimeterskala vid gränssnittet mellan mark och vatten på dagar eller timmar med minimal störning. I denna studie observerades den spatiotemporala dynamiken hos olika element under en 48-timmarsperiod, möjligen relaterad till störningen av vattenpåfyllning. Därför kan en bredare tillämpning av mikrodialysprofileraren hjälpa till att förstå hur störningar påverkar viktiga biogeokemiska processer i en föränderlig värld.
Disclosures
Författarna deklarerar inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Detta arbete finansieras av National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) och 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 |
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).
