Waiting
Login processing...

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

Biochemistry

Design og konstruktion af en eksperimentel opsætning for at forbedre mineralforvitring gennem jordorganismers aktivitet

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

Summary

Her præsenterer vi konstruktionen og driften af en eksperimentel opsætning for at forbedre mineralforvitring gennem aktiviteten af jordorganismer, mens vi samtidig manipulerer abiotiske variabler, der vides at stimulere forvitring. Repræsentative resultater fra opsætningens funktion og prøveanalyser diskuteres sammen med punkter til forbedring.

Abstract

Forbedret forvitring (EW) er en ny teknologi til fjernelse af kuldioxid (CO2), der kan bidrage til afbødning af klimaændringer. Denne teknologi er afhængig af at fremskynde den naturlige proces med mineralforvitring i jorden ved at manipulere de abiotiske variabler, der styrer denne proces, især mineralkornstørrelse og eksponering for syrer opløst i vand. EW sigter primært mod at reducere atmosfæriske CO2 -koncentrationer ved at øge uorganisk kulstofbinding. Indtil nu er viden om EW hovedsageligt opnået gennem eksperimenter, der fokuserede på de abiotiske variabler, der er kendt for at stimulere mineralforvitring, og derved forsømmer den potentielle indflydelse af biotiske komponenter. Mens bakterier, svampe og regnorme er kendt for at øge mineralforvitringshastigheden, forbliver brugen af jordorganismer i forbindelse med EW underudforsket.

Denne protokol beskriver design og konstruktion af en eksperimentel opsætning udviklet til at forbedre mineralforvitringshastigheder gennem jordorganismer, samtidig med at abiotiske forhold kontrolleres. Opsætningen er designet til at maksimere forvitringshastighederne og samtidig opretholde jordorganismernes aktivitet. Den består af et stort antal søjler fyldt med stenpulver og organisk materiale, placeret i et klimakammer og med vand påført via et nedstrøms vandingssystem. Søjler placeres over et køleskab, der indeholder jerrycans for at opsamle perkolatet. Repræsentative resultater viser, at denne opsætning er egnet til at sikre jordorganismers aktivitet og kvantificere deres virkning på uorganisk kulstofbinding. Der er fortsat udfordringer med at minimere perkolattab, sikre homogen ventilation gennem klimakammeret og undgå oversvømmelse af søjlerne. Med denne opsætning foreslås en innovativ og lovende tilgang til at forbedre mineralforvitringshastigheder gennem aktiviteten af jordbiota og adskille effekten af biotiske og abiotiske faktorer som drivkræfter for EW.

Introduction

Forbedret forvitring (EW) er en relativt ny og lavteknologisk teknologi til fjernelse af kuldioxid (CDR) med et betydeligt potentiale til at afbøde klimaændringer 1,2,3. Princippet i denne teknologi er afhængig af at fremskynde den naturlige mineralforvitringsproces i jorden, hvilket fører til binding af kuldioxid (CO2) som uorganisk kulstof (IC)3. Forbedret forvitring sigter mod at øge IC-bindingen ved kunstigt at optimere de faktorer, der styrer mineralforvitring, og derved øge den hastighed, hvormed forvitring opstår, til menneskeligt relevante tidsskalaer3. For at EW skal være mest effektiv, formales hurtigt forvitrende silikatmineraler til et pulver med en kornstørrelsesfordeling i mikrometer til millimeterområdet for at nå et højt reaktivt overfladeareal i ~ 1 m2 · g-1 området 3,4.

Indtil videre er viden om EW hovedsageligt tilvejebragt af eksperimenter, der fokuserer på abiotiske faktorer, der styrer de hastigheder, hvormed mineraler opløses5. Disse omfatter mineralreaktivitet og overfladeareal, temperatur, opløsningssammensætning, vandopholdstid og surhedsgrad 4,6,7, men der skal stadig udføres forskning inden for denne sammenhæng. Udover at være påvirket af abiotiske faktorer, er naturlige systemer og især jord formet af et stort antal organismer, lige fra mikrober til makrofauna som regnorme. På trods af at nogle undersøgelser har vist ringe eller ingen indflydelse af den biotiske aktivitet af mineralopløsning 8,9,10, har andre undersøgelser vist, at jordorganismer som bakterier 11,12, svampe 13,14 og regnorme15,16 kunne øge mineralforvitringshastigheden. Derfor kan biotiske komponenter være nøglen til at forstå det faktiske IC-bindingspotentiale for EW5.

Den første almindelige mekanisme, hvorigennem jordorganismer kan fremskynde mineralopløsningen, er via frigivelse af CO2 under åndedræt, hvilket øger jordens forsuring17. Desuden kan bakterier og svampe øge mineralforvitringen ved at udstråle protoner, chelater, organiske syrer og enzymer, som alle forbedrer mineralopløsningen 18,19,20,21. For eksempel kan chelation gennem carboxyl- og hydroxylgrupper skabe ionubalancer, transportere elementer væk fra mineraloverfladerne og sænke mætningstilstande20,22. Dette kan føre til mindre sekundær mineraldannelse og højere effektivitet af EW. Desuden kan de stærke virkninger af regnormenes kropsvægge ved at fodre med jordpartikler nedbryde mineralkorn til finere partikler og øge deres tilgængelige reaktive overfladeareal23. Mikrober, der bor i regnormenes tarme og friske ekskrementer, kan yderligere angribe disse mindre partikler, som yderligere ekssuderer organiske syrer og enzymer24,25. Gennem deres gravaktivitet skaber regnorme ud over at bidrage til blanding af organiske og mineralske partikler også makroporer, der kan tillade vandstrøm at omgå mættet porerum17. Dette kan gøre det muligt for vandet at interagere med forskellige mineraloverflader og forbedre kontakthastigheden mellem vand og sten.

Indtil nu er der ikke bygget noget setup til at studere EW-hastigheder og derfor IC-binding ved hjælp af jordorganismer og samtidig sikre muligheden for at optimere forskellige relevante abiotiske forhold, såsom vandinput, temperatur, mineraltype og mineralkornstørrelse. Her præsenteres design og forklaring af konstruktionstrinnene i et innovativt setup, der sigter mod at øge EW-hastigheder gennem jordorganismers aktivitet i små mesokosmos. Den eksperimentelle opsætning består af 203 søjler (længde 15 cm, diameter 7 cm) placeret i et klimakammer (4,54 m x 2,72 m) ved 25 °C i 8 uger. De 203 søjler er opdelt i 10 grupper af 18 og 2 grupper af 10 for at passe ind i klimakammeret. En af de to grupper på 10 kolonner bruges til at tillade indsættelse af yderligere tre kolonner, der bruges som tomme felter. Hver gruppe er placeret over et køleskab og er toppet af et fjernstyret vandingssystem, som giver mulighed for variable vandingshastigheder inden for og mellem køleskabe. Perkolatet i hver kolonne opsamles i en dunke, der holdes ved en konstant temperatur i køleskabet (figur 1). Et køleskab opsamler perkolatet fra en gruppe søjler, hvilket betyder, at et køleskab kan betragtes som et enkelt system med enten 18 eller 10 søjler. Derfor kan antallet af kolonner i denne eksperimentelle opsætning justeres i henhold til eksperimentelle krav med maksimalt 203 kolonner.

Figure 1
Figur 1: Skematisk sidebillede af opsætningen, der viser 5 kolonner, men overvejer et system med 18 kolonner. Rammen, der holder søjlerne, er lavet af rustfrie stålplader, skruer i rustfrit stål og akrylplader. Søjler er placeret i midten af rammen og toppes af et vandingssystem. Under søjlerne er tragte forbundet med jerrycans gennem rør for at opsamle perkolatet. Jerrycans er i et køleskab, der rummer hele systemet. Køleskabet kan åbnes ved at løfte låget. Klik her for at se en større version af denne figur.

I denne opsætning sikrer brugen af silikatstenpulver af specifikke kornstørrelser, at der kan opnås høje forvitringshastigheder, mens podningen med specifikt udvalgte bakterier, svampe og regnorme giver den biotiske aktivitet i dette kunstige system. Opsætningen muliggør samtidig kvantificering af kulstof bundet i de faste og i væskeprøverne ved at måle både opløst og fast IC samt total alkalinitet (TA). Desuden kan andre parametre som pH, elektrisk ledningsevne (EC) og ioner måles i perkolatet som indikatorer for forvitring. Denne opsætning gør det også muligt at vurdere virkningen af jordorganismers overlevelse og aktivitet. Repræsentative resultater viser sig at bevise egnetheden af denne protokol til at opbygge en opsætning, hvor stigninger i forvitringshastigheder ikke kun stammer fra abiotiske faktorer, men også fra biotiske.

Protocol

Nedenfor beskrives en detaljeret protokol for konstruktionen af de forskellige dele af opsætningen under hensyntagen til et system med 18 kolonner.

1. Konstruktion af rammen, der holder kolonnerne

  1. Forbered akrylplader til at holde vandingssystemet, søjlerne, tragtene og rørene til opsamling af perkolatet.
    1. Skær tre akrylplader (akrylplader 1-3) med dimensioner på 63 cm x 67 cm og en akrylplade (akrylplade 4) med dimensioner på 45 cm x 56 cm.
    2. På hver akrylplade skal du skære 18 huller ved at følge instruktionerne i nedenstående trin.
      1. Akrylplade 1 - topplade: Skær huller med diameter 0,7 cm for at indsætte rørene i vandingssystemet senere.
      2. Akrylplade 2 - sekund fra toppladen: skær huller med diameter 8 cm for at indsætte søjlerne senere (figur 2).
      3. Akrylplade 3 - sekund fra bundpladen: skær huller med diameter 1,2 cm for at indsætte tragtene senere.
      4. Akrylplade 4 - bundplade: skær huller med diameter 1,2 cm for senere at indsætte plastrørene, der bringer perkolatet til jerrycans.
    3. Derudover skæres et hul med diameter 1,1 cm i hvert hjørne og et hul med diameter 1,1 cm på siderne af akrylplader 1-3 for at indsætte skruerne i rustfrit stål.
    4. For hver akrylplade skal du udskrive plastetiketter med numrene på kolonnerne (1-18) ved hjælp af en etiketprinter og sætte dem under det respektive hul.
      BEMÆRK: Klæbende etiketter på akrylplader 2, 3 og 4 i henhold til antallet af de 18 kolonner hjælper med at placere de forskellige dele af opsætningen på deres respektive placering under installationen.
  2. Brug plader og skruer i rustfrit stål til at holde akrylpladerne.
    1. Tag de skræddersyede plader i rustfrit stål, der er fremstillet efter designet vist i figur 3 med dimensioner 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm og en tykkelse på 1,5 mm.
    2. Bor huller med en diameter på 1,1 cm i hvert hjørne og på siderne af hver rustfri stålplade.
    3. Tag skruer i rustfrit stål (50 cm i længden).
    4. Indsæt akrylplader efter rækkefølgen fra top til bund for akrylplader 1 (vandingsrør), 2 (søjler) og 3 (tragte) på skruerne i rustfrit stål. Brug to sekskantmøtrikker og to skiveholdere til hvert hjørne for at holde akrylpladen på plads.
      BEMÆRK: Hold tilstrækkelig afstand mellem hver akrylplade til at indsætte de forskellige komponenter senere. Hold en afstand på ~19,5 cm fra akrylplade 1 til akrylplade 2, ~10,5 cm fra akrylplade 2 til akrylplade 3 og ~16,5 cm fra akrylplade 3 til akrylplade 4.
    5. Installer top- og bundplader i rustfrit stål på skruerne i rustfrit stål ved hjælp af to sekskantmøtrikker og to skiveholdere til hvert hjørne.
    6. Placer hele systemet oven på køleskabet, når konstruktionen af køleskabssystemet er afsluttet.

Figure 2
Figur 2: Skematisk set ovenfra af designet af akrylplade 2, hvor søjlerne er placeret. Nummererede etiketter angiver, hvor de tilsvarende kolonner skal placeres. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Konstruktion af plader af rustfrit stål. (A,B) Topplade. (C,D) Bundplade. Klik her for at se en større version af denne figur.

2. Konstruktion af køleskabssystemet til perkolatopsamling

  1. Sæt køleskabet op for at placere jerrycans.
    1. Tag begge låg ud af køleskabet, og sæt baglåget på igen med akrylplade 4.
      BEMÆRK: Når den er installeret, skal denne akrylplade ikke fjernes. For at arbejde inde i køleskabet skal du fjerne frontlåget ved at løfte det.
    2. Placer køleskabet i klimakammeret og sæt det i.
    3. Indstil køleskabstemperaturen til 4 °C, og placer en datalogger inde i køleskabet.
    4. Luk køleskabet med frontlåget.
    5. Overvåg de data, der er registreret af dataloggeren natten over. Hvis temperaturen afviger fra den ønskede værdi, skal du fjerne gitteret i bunden af køleskabet og justere temperaturen. Gentag denne procedure, indtil den ønskede temperatur er nået.
  2. Brug polyvinylchloridrør (PVC) til at forbinde tragtene til jerrycans.
    1. Skær 18 PVC-rør (indvendig diameter 0,8 cm) med en passende længde for at nå hver jerrycan fra de forskellige tragte i henhold til de respektive numre.
      BEMÆRK: Længden varierer fra minimum 38 cm for det korteste rør til maksimalt 81 cm for det længste rør.
    2. Skyl rørene i demivand inden deres første brug; I alle andre tilfælde blødlægges de i 4 dage i 50 liter vand, hvor 30 g citronsyreproduktet blev fortyndet for at fjerne carbonatbundfald. Skyl derefter rørene igen med demi-vand.
      FORSIGTIG: Selvom produktet til citronsyre er sikkert at bruge, skal du undgå kontakt med øjnene og langvarig kontakt med huden ved hjælp af passende beskyttelsesforanstaltninger.
      BEMÆRK: Hvis ultrarent vand er tilgængeligt, foretrækkes det at bruge det i stedet for demi-vand.
    3. Lad rørene lufttørre i 24 timer.
    4. Indsæt rørene i akrylplade 4 i henhold til deres respektive numre.
  3. Installer tragte for at lede perkolatet til jerrycans.
    1. Tør 18 tragte med ethanol inden deres første brug; i alle andre tilfælde skal du følge den samme procedure, der er angivet for PVC-rørene.
      FORSIGTIG: Ethanol er brandfarligt og kan forårsage irritation af øjne, hud og luftveje, svimmelhed og overfladisk åndedræt. Ethanol er skadeligt ved indtagelse, indånding eller hudabsorption.
    2. Indsæt tragtene i akrylplade 3, og tilslut dem til de respektive rør i henhold til deres antal.
  4. Installer jerrycans for at opsamle perkolatet.
    1. Tag 10 high-density polyethylen (HDPE) jerrycans med en kapacitet på 10 L og 8 HDPE jerrycans med en kapacitet på 5 L.
      BEMÆRK: Jerrycans på 5 L bruges til lave vandingshastigheder, mens jerrycans på 10 L bruges til høje vandingshastigheder (se tabel 1). Jerrycans i HDPE vælges, da dette materiale er kemisk inert.
    2. Fortynd 50 ml opvaskemaskinsæbe i 10 L ledningsvand. Skyl jerrycans en gang med denne opløsning, en gang med ledningsvand og en gang med demi-vand. Gentag denne rengøringsprocedure før anden brug.
      BEMÆRK: Hvis ultrarent vand er tilgængeligt, foretrækkes det at bruge det i stedet for demi-vand.
    3. Lad jerrydåserne lufttørre i 24 timer.
    4. Bor et hul i låget på hver dunke med en diameter på 1,2 cm for at indsætte plastrøret for at opsamle perkolatet.
    5. Luk jerrycans med det respektive låg.
    6. Anbring jerrycans i køleskabet i to lag efter skemaet vist i figur 4 , mens du samtidig forbinder rørene til jerrycans.

Figure 4
Figur 4: Skematisk oversigt over jerrycans inde i køleskabet i to stablede lag, nederste (venstre side) og øverste lag (højre side). Sorte cirkler angiver lågets retning, mens de blå og grønne rektangler angiver henholdsvis 10 L og 5 L jerrycans. Klik her for at se en større version af denne figur.

3. Konstruktion af søjlerne og maskesystemet

  1. Brug PVC-søjler som mesokosmos til at inkubere stenpulver og jordorganismer
    1. Skær PVC-rørene i 18 kolonner med en længde på 15 cm.
    2. Rengør kolonnerne efter procedure 1, hvis det er til deres første brug, og procedure 2 i andre tilfælde.
      1. Fremgangsmåde 1:
        1. Sug kolonnerne i blød i demi-vand i 48 timer.
          BEMÆRK: Hvis ultrarent vand er tilgængeligt, foretrækkes det at bruge det i stedet for demi-vand.
        2. Skyl kolonnerne med demi-vand. Tør og tør kolonnerne med ethanol.
        3. Nummerer kolonnerne ved hjælp af etiketter eller direkte med en markør på røret.
      2. Fremgangsmåde 2:
        1. Sug kolonnerne i vand i 1 dag.
        2. Brug børsten til at skrubbe eventuelle eksperimentelle rester væk.
        3. Tør og tør kolonnerne med ethanol.
  2. Brug midterste ringe til at holde kolonner over tragtene.
    1. Med en 3D-printer skal du designe en ring (diameter på 8,5 cm og tykkelse på 0,5 cm). Sørg for at tegne en anden ring i bunden, der passer i hullerne i akrylplade 2 for mere stabilitet af søjlerne (figur 5).
    2. Udskriv 18 ringe med 3D-printeren ved hjælp af termoplastisk polyurethan (TPU) 95A-materiale.
    3. Placer ringene på søjlerne i en position, der opretholder søjlerne 2-3 cm over tragtene.
  3. Brug et maskesystem i bunden af søjlerne til at filtrere perkolatet og minimere tab af partikler.
    1. Skær masken (10 μm og 20 μm porestørrelse) i firkanter på 12 cm x 12 cm.
    2. Sug masken i ultrarent vand i 2 dage. Lad masken lufttørre.
    3. I bunden af søjlen placeres det første maske på 20 μm. Læg et 1 cm lag plastperler over 20 μm masken.
    4. Placer det andet mask på 10 μm oven på 20 μm masken og laget af plastperler.
    5. Placer to kabelbindere for at holde netsystemet på plads. Stram kabelbindene og skær deres kanter.
      BEMÆRK: Figur 6 viser, hvordan maskesystemet skal samles nederst i kolonnen.
  4. Brug et topnet for at undgå regnormes flugt.
    1. Skær masken med 1 mm porestørrelse i firkanter på 12 cm x 12 cm.
    2. Når søjlerne er fyldt med stenpulver, og regnorme er indført (afsnit 7), skal du placere masken oven på søjlerne.
      BEMÆRK: Dette net skal placeres oven på søjlerne for at forhindre regnorme i at undslippe søjlerne. Hvis regnorme ikke introduceres, anbefales det stadig at bruge dette net til at opretholde de samme betingelser for alle søjlerne.
    3. Placer en elastik rundt om masken for at holde den på plads.

Figure 5
Figur 5: Model af ringen til opbevaring af kolonnerne til 3D-printeren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Skema for konstruktionen af maskesystemet nederst i kolonnen. Klik her for at se en større version af denne figur.

4. Konstruktion af vandingssystemet

  1. Design og opret sprinklere for at sprede vandet jævnt over søjlerne
    1. Med en 3D-printer skal du lave et design til en sprinkler efter modellen og de relative dimensioner vist i figur 7.
    2. Udskriv 18 sprinklere med 3D-printeren ved hjælp af TPU 95A-materiale.
      BEMÆRK: Efter udskrivning skal du lade sprinklerne tørre i mindst 24 timer, før du sætter dem i PE-mikroslangerne for at undgå at bryde dem.
  2. Installer vandingssystemet: ventiler og rør.
    1. Skru to næsestykker på forsiden af to magnetventiler, og skru to T-stykke plug-in-fittings bag på magnetventilerne.
      BEMÆRK: Hvis man ønsker, at vandslangen skal ende med dette system og ikke fortsætte til andre systemer, skal du skrue på bagsiden af ventilen, der placeres mod enden af køleskabet, en plug-in-beslag med to tilslutninger i stedet for T-stykket plug-in-beslag. På denne måde slutter vandforbindelsen her.
    2. Installer de to magnetventiler på den ene side af den øverste rustfri stålplade.
      BEMÆRK: En ventil styrer et vandingsrør, som igen irrigerer 8 eller 10 søjler af de i alt 18 søjler.
    3. Skær vandingsrøret af polyethylen med lav densitet (LDPE) i to rør på 53 cm.
    4. Luk den ene side af hvert rør med en endehætte.
    5. Pak den anden ende af rørene ind i polytetrafluorethylen (PFTE) tape og tilslut den til magnetventilerne.
    6. Lav 8 huller i det første vandingsrør tættere på forsiden af køleskabet og lav 10 huller i det andet vandingsrør længere væk fra køleskabets forside.
      BEMÆRK: Det er meget vigtigt at lave hullerne ved hjælp af en håndstans, da dette er nødvendigt for korrekt placering og funktion af trykregulatorerne. Brug af andre værktøjer som boremaskine frarådes.
    7. Indsæt trykregulatorerne i hullerne i de to rør.
    8. Skær polyethylen (PE) mikroslangen i 18 små rør med en længde på 20 cm for at nå søjlerne fra vandingsrøret og fastgør dem til trykregulatorerne.
    9. Indsæt de små rør i hullerne i akrylplade 1.
    10. Indsæt sprinklerne i de små rør vandret til overfladen af søjlerne.
      BEMÆRK: Hvis man løber ind i problemer med vandingssystemet (f.eks. blokeringer i vandstrømmen eller ukontrollabel vandgennemstrømning), kan dette skyldes: (a) funktionsfejl i ventilerne, (b) partikler, der forbliver i røret; c) PFTE-båndet er ikke viklet korrekt rundt om enden af røret. For punkt a skal du udskifte ventilen. For punkterne b og c skal du sørge for, at rørene er rengjort, inden vandingen af søjlerne påbegyndes, og at der ikke hænger rester af PFTE-båndet fra røret. Det er vigtigt at undgå overførsel af partikler, der kan forhindre ventilen i at fungere korrekt.
  3. Konfigurer forbindelsen til transport af vand.
    1. Skær polyurethanslangen (PU) i tre forskellige slanger til vandtilslutningen. De nøjagtige længder af slangerne varierer afhængigt af systemets og kammerets design. Brug den første slange til at forbinde T-stykket på den første ventil til hanen, den anden slange til at forbinde T-stykkerne på hver ventil og den tredje slange til at forbinde T-stykket på den anden ventil til det næste system.
      BEMÆRK: Hvis der ikke er behov for forbindelse til det næste system, er det unødvendigt at skære den tredje slange.
    2. Tilslut PU-slangerne til T-stykkets plug-in-fittings på bagsiden af magnetventilerne.
    3. Tilslut PU-slangen på den første ventil med hanen ved at skrue et plug-in-beslag med to forbindelser på adapterringen.
    4. Åbn hanen for at lade vand strømme ind i rørene.
  4. Installer styresystemet og opsæt forbindelsen til vandingssystemet.
    1. Tilslut den webaktiverede controller, udvidelsesmodulet med otte relæer og skinnestrømforsyningen. Anbring dem i polycarbonatkabinettet ved at følge producentens anvisninger.
      BEMÆRK: En modulær controller svarer til en enhed, som igen styrer otte relæer. Et relæ styrer åbning og lukning af en bestemt ventil.
    2. Tilslut de to ventiler med hinanden ved hjælp af de elektriske kabler, og tilslut strømkablet til hver ventil.
    3. Tilslut den anden ende af strømkablet til den webaktiverede controller.
    4. Tilslut alt til et elektrisk stik, og opret en internetforbindelse til den webaktiverede controller.
  5. Konfigurer onlinestyring af vandingsindstillinger for at indstille vandingshastighederne.
    1. Følg producentens instruktioner for konfiguration og opsætning. Brug webbrowseren til programmering og test.
    2. Gå til http://10.73.10.250/setup.html.
    3. Brug et brugernavn og en adgangskode til at logge ind.
    4. I menuen til venstre skal du gå til Control / Logic og derefter til Opgaver / Funktioner.
    5. Et relæ styrer åbning og lukning af en ventil. For hvert relæ er der to opgaver, den ene tænder relæet (ventil åben), og den anden slukker relæet (ventil lukket). For at ændre indstillingen for hver opgave skal du klikke på Rediger.
      1. Når relæets opgave skal indstilles til at indstille dato og klokkeslæt, hvor relæet skal begynde at arbejde ved at klikke på Startdato og Starttidspunkt (f.eks. 4. maj 2022 kl. 7:45:00; se figur 8). For at indstille vandingsfrekvensen skal du klikke på Indstil gentagelse og gentag hver (f.eks. dagligt hver 1. dag for en vandingsfrekvens på en gang om dagen; se figur 8). For at indstille den dato, hvor relæet holder op med at fungere, skal du klikke på Afslut gentagelsesdato (f.eks. 20. maj 2022 kl. 23:59:59; se figur 8).
      2. Når opgaven for relæet skal sættes i gang, skal du indstille det tidspunkt, hvor relæet skal stoppe med at arbejde. Dette afhænger af den nødvendige vandvandingshastighed og vandingsfrekvensen, f.eks. Indstil tiden til 7:46:30 for en daglig gentagelse. Det betyder, at relæet arbejder i 1 min 30 s, for mængden af vand på 50 ml · dag-1 ved vandingsfrekvensen en gang om dagen (se tabel 1). Start- og slutdatoerne er de samme som opgaven med at indstille relæet på, såvel som vandingsfrekvensen.
    6. Når opsætningen af hvert relæ er færdig, skal du huske at klikke på Gem ændringer.
      BEMÆRK: Ikke alle relæer skal arbejde samtidigt for at forhindre overbelastning af systemet. Efterlad altid mindst 30 s mellem opgaverne for forskellige relæer (f.eks. Relæ 1 på enhed 1 slutter sin opgave kl. 07:46:30, relæ 2 på enhed 1 starter sin opgave kl. 07:47:00).
    7. Kontroller, at indstillingerne for hvert relæ har samme startdato og slutdato. Tabel 1 viser et eksempel på den tid, det tager for forskellige vandvandingshastigheder ved forskellige vandingsfrekvenser.
      BEMÆRK: Vandingssystemet giver mulighed for flere vandvandingshastigheder og vandingsfrekvenser ud over dem, der er angivet, men det skal testes, hvor længe ventilerne skal forblive åbne for forskellige mængder vand. For de vandingshastigheder, der er anført i tabel 1, er det stadig godt at kontrollere med en første test, om dette er gyldigt, da det kan ændre sig i henhold til vandtryk og systemets design.

Figure 7
Figur 7: Model af sprinkleren til vandingssystemet med relative dimensioner. (A) Set ovenfra af sprinkleren. B) Set fra siden af sprinkleren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: Eksempel på indstillingsvisning af vandingssystemet til indstilling af relæet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Vandvandingshastighed (ml·dag-1) Vandingsfrekvens (antal gange ·dag-1) Tid for relæ til arbejde (er)
    
50		 1 95
2 50
5 23
    
100		 1 190
2 100
5 45
    
150		 1 280
2 140
5 55

Tabel 1: Indikationer af de tidspunkter, hvor ventilerne er åbne for at tillade forskellige vandvandingshastigheder ved forskellige vandingsfrekvenser.

5. Valg af stenpulver, organiske materialer og jordbiota

BEMÆRK: Til dette eksperiment vælges stenpulver, organiske materialer og jordorganismer baseret på tilgængelighed, lokal forekomst og litteraturgennemgang. Derudover udvælges mikrober på grundlag af deres ikke-patogenicitet, bestemt ved klassificeringen af de tekniske regler for biologiske agenser (TRBA)26,27,28. Afhængigt af det nøjagtige forskningsspørgsmål kan disse faktorer justeres.

  1. Vælg stenpulver til eksperimenterne.
    BEMÆRK: De stenpulvere, der vælges til disse eksperimenter, er både ultramafiske og mafiske klipper af forskellige mineralogiske sammensætninger, såsom dunite og diabase. Hver sten har to hovedklasser af kornstørrelser, fint (mikrometerområde) og groft (millimeterområde).
  2. Vælg organiske materialer til eksperimentet.
    BEMÆRK: De organiske materialer, der vælges til disse forsøg som fødekilde til jordens biota, er hvedehalm og fermentat fra gødning og foderrester.
  3. Vælg bakterierne til eksperimentet.
    BEMÆRK: De bakterier, der er udvalgt til disse eksperimenter, er Bacillus subtilis og Cupriavidus metallidurans. Bakterier kommer fra Leibniz Institute DSMZ (Tyskland).
    1. Dyrk bakterier i næringsbouillon, der består af bacto pepton (10 g· L-1), kødekstrakt (3 g· L-1) og natriumchlorid (10 g· L-1) opløst i ultrarent vand (18,2 mΩ) efter leverandørens anvisninger.
    2. Alle kulturmedier autoklaves ved 121 °C i 20 minutter før podning med den gamle kultur (volumen = 1 % ny kultur).
    3. Bestem celletæthederne via celletælling med et hæmacytometer, og kontroller celletællingerne via flowcytometri.
      BEMÆRK: Denne undersøgelse anvendte et flowcytometer udstyret med violette (405 nm) og blå (488 nm) lasere med en strømningshastighed på 10 μL / min og detekteret i FL1-kanalen (EX 488, EM 525/40).
  4. Vælg svampene til eksperimentet.
    BEMÆRK: De svampe, der er udvalgt til disse eksperimenter, er Knufia petricola, Suillus variegatus og Aerobasidium pullulans. Svampe kommer fra Leibniz Institute DSMZ (Tyskland), undtagen K. petricola, som kommer fra Westerdijk Institute (Holland).
    1. Dyrk svampekulturerne i maltekstraktbouillon, der består af maltekstrakt (20 g· L-1), D-(+)-glucose (20 g· L-1) og kaseinhydrolysat (3 g· L-1) opløst i ultrarent vand (18,2 mΩ) efter leverandørens anvisninger.
    2. Alle kulturmedier autoklaves ved 121 °C i 20 minutter før podning med den gamle kultur (volumen = 1 % ny kultur). Bestem celletæthederne via celletælling med et hæmacytometer.
  5. Vælg regnorme til eksperimentet.
    BEMÆRK: De regnorme, der er udvalgt til disse eksperimenter, er de endogeiske arter Aporrectodea caliginosa og Allolobophora chlorotica. Regnorme indsamles fra parken De Blauwe Bergen nær Wageningen University & Research i Holland (51°58'51.8"N 5°39'38.0"E) før forsøget.

6. Udfyldning af kolonnerne

  1. Bundpulvernes og de organiske materialers vandbindingsevne (WHC) bestemmes ved først tørring af hvert materiale ved 105 °C. Læg derefter det tørre materiale i en skål og registrer vægten. Tilsæt vand lidt efter lidt, indtil materialerne er våde nok, og registrer den endelige vægt. WHC er derefter givet ved ligning 1.
    Equation 1 (1)
  2. Slib halmen gennem en 6 mm kværn.
  3. Mineralerne og de organiske materialer tørres i ovn ved 40 °C i 2 på hinanden følgende dage.
  4. Væg 400 g mineraler og 10 g organiske materialer i en skål.
    BEMÆRK: Mængder kan tilpasses efter eksperimentelle behov, men materialeblandingen skal passe ind i søjlen.
  5. Juster WHC til 80% i henhold til mineraltype, mineralkornstørrelse og organisk kilde.
  6. Bland alt omhyggeligt med en metalske.
  7. Fyld kolonnerne med blandingen.
  8. Placer de fyldte kolonner i klimakammeret på deres respektive placeringer som vist i figur 2. Hvis søjlerne ikke umiddelbart kan placeres i klimakammeret, opbevares de ved 15 °C, og de dækkes med en plastplade for at forhindre vandspild og begrænse ændringer i udgangsbetingelserne.
    BEMÆRK: Hold kolonner i bunden og indsæt dem forsigtigt i akrylpladerne for at undgå tab af deres indhold. Figur 9 illustrerer skematisk de trin, der skal følges for at udfylde kolonnerne.

Figure 9
Figur 9: Skematisk oversigt over de forskellige trin til udfyldning af kolonnerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

7. Podning af jordbiota

  1. Pod bakterier og svampe på to øjeblikke, mens kolonnerne fyldes (metode 1) eller lige før tilsætning af regnorme (metode 2).
    1. Metode 1
      1. Afhængigt af den ønskede podningstæthed (et interval af celletætheder mellem 1,5 x 109 og 4,8 x 10 10 celler pr. kolonne for bakterier og mellem 5,5 x 107 og 5,5 x10 8 celler pr. kolonne for svampe) podes de forskellige mikrobielle arter til blandingen af mineraler og organiske materialer, når vandet er tilsat i henhold til behandling ved hjælp af en pipette.
        BEMÆRK: Det tilsatte vand skal justeres i overensstemmelse hermed på en sådan måde, at mængden (milliliter), der tilsættes gennem podning, trækkes fra den samlede mængde vand, der tilsættes for at nå 80% af WHC.
      2. Bland alt omhyggeligt med en metalske.
      3. Fyld kolonnerne med blandingen.
      4. Tør skålen og skeen, der bruges til at blande materialerne med ethanol til successiv brug.
      5. Dæk kolonnerne med det øverste net.
    2. Metode 2:
      1. Afhængigt af den ønskede podningstæthed podes de forskellige mikrobielle arter på overfladen af søjlerne i henhold til behandling ved hjælp af en pipette.
      2. Dæk kolonnerne med det øverste net.
  2. Afhængigt af den ønskede tæthed (enten 4, 8 eller 10 regnorme pr. søjle) indføres regnorme i kolonnerne efter behandling ved forsigtigt at deponere dem på overfladen af søjlerne. Dæk derefter søjlen med det øverste net.
    BEMÆRK: Både mikrober og regnorme skal podes 1 dag før vandingen begynder for at give dem mulighed for at tilpasse sig systemet. Inokulationstæthed kan ændres i henhold til eksperimentelle behov. Vær opmærksom på, at dette ikke er et sterilt miljø, og at der kan være potentiel forurening med mikroorganismer, der transporteres med luft, vand eller inputmateriale. For at forhindre bakteriel kontaminering fra ventilation skal du tilføje et 0,2 μm filter oven på søjlerne.

8. Indsamling og analyse af prøver

  1. Fjern kolonnerne fra kammeret i slutningen af forsøgsperioden.
    1. Saml regnorme og tæl dem for at bestemme deres overlevelsesrate og vurdere deres aktivitet.
    2. Homogeniser blandingen af stenpulver og organiske materialer og udtag delprøver til mikrobielle analyser for yderligere at karakterisere tilstedeværelsen og aktiviteten af de mikroorganismer, der er af interesse.
    3. Indholdet af kolonnerne tørres ved 40 °C i 5-7 dage til efterfølgende fastfaseanalyser for fast uorganisk kulstof (SIC).
  2. Vejen jerrycans for at bestemme det endelige perkolatvolumen og indsamle perkolatprøver til yderligere analyser, såsom TA, opløst uorganisk kulstof (DIC), pH, EC og ioner.
  3. Det eksperimentelle endepunkt er at bestemme, om jordorganismer kan forbedre forvitringshastigheden i dette system og at finde den optimale kombination af de betragtede variabler, hvilket fører til det højeste kulstofbindingspotentiale. Bestem dette ved at sammenligne resultaterne for de analyserede parametre i henhold til de forskellige kombinationer.
    BEMÆRK: Prøveudtagningsstrategien og yderligere analyser kan justeres i henhold til eksperimentelle indstillinger og forskningsbehov.

Representative Results

Den præsenterede opsætning bestod af i alt 203 søjler placeret i et klimakammer ved 25 °C (figur 10). Valget af at placere opsætningen i et klimakammer tillod kontrolleret konstant temperatur og relativ luftfugtighed. Anbringelse af dunke i køleskab ved 4 °C sikrede, at perkolatets sammensætning ikke blev ændret over tid på grund af mikrobiel aktivitet.

Figure 10
Figur 10: Billeder af forsøgsopstillingen i klimakammeret. (A) Oversigt over et enkelt system. (B) Nærbillede af en enkelt kolonne. (C) Nærbillede af dunke i køleskabet. D) Oversigt over alle systemer i det klimastyrede rum. Klik her for at se en større version af denne figur.

Brugen af et avanceret automatiseret vandingssystem betød, at søjlerne kunne vandes med varierende hastigheder og frekvenser ved hjælp af online-kontrolsystemet (figur 11). Vandingssystemet tillod at ændre mængden af vand, som kolonnerne modtog. Validering af systemet viste, at det førte til en minimumsforskel på 1% og til en maksimal forskel på 6% i mængden af vand, der blev givet mellem forskellige søjler (figur 12). Mindre forskelle blev fundet for lavere vandingshastigheder, mens større forskelle blev fundet for højere vandingshastigheder. Samlet set var gennemsnittet lavere for vandingshastigheder på 50 ml dag 1 og 150 ml dag 1, mens det var højere for en vandingshastighed på 100 ml dag 1 (figur 12).

Figure 11
Figur 11: Gennemsnitlig mængde vand vs. tid. Gennemsnitlig mængde vand målt for en vandingshastighed på 50 ml · dag-1 fordelt over en periode på 24 timer i henhold til tre vandingsfrekvenser en gang dagligt, to gange dagligt og fem gange om dagen for 8 kolonner. Søjler angiver standardfejlen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 12
Figur 12: Gennemsnitlig mængde vand vs. vandingshastighed. Gennemsnitlig mængde vand målt for en vandingshastighed på 50 ml·dag-1 over 8 søjler og for vandingshastigheder på 100 ml·dag-1 og 150 ml·dag-1 over 10 søjler. Søjler angiver standardfejlen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Konstruktionen og designet af denne opsætning tillod indsamling af både det faste indhold inde i søjlerne, der består af (forarbejdet) stenpulver og organiske materialer, og den samlede mængde perkolat, der dryppede fra søjlerne over hele forsøgsperioden (figur 13). På trods af at det lykkedes at indsamle perkolatet, var den endelige mængde perkolat, der blev indsamlet, lavere end den mængde perkolat, der forventedes at blive indsamlet ved afslutningen af forsøgene i henhold til vandingshastigheden (figur 14). Det reducerede opsamlede perkolat var sandsynligvis et resultat af direkte fordampning og perkolatspild i bunden af søjlerne. Dette bør tages i betragtning ved analysen af resultaterne fra analyserne.

Figure 13
Figur 13: Repræsentative billeder af søjlerne og perkolatet. Søjler fyldt med stenpulver og organiske materialer i begyndelsen af eksperimenterne (venstre side) og perkolat opsamlet i jerrycans i slutningen af eksperimenterne (højre side). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 14
Figur 14: Samlet antal liter indsamlet ved forsøgenes afslutning pr. vandingshastighed. Stiplede linjer angiver den forventede mængde perkolat, der er indsamlet i henhold til vandingshastigheden pr. forsøgsperiode, angivet med den lyseblå linje for 50 ml·dag-1, den mørkeblå linje for 100 ml·dag-1 og den grønne linje for 150 ml·dag-1. Klik her for at se en større version af denne figur.

Blandingen af stenpulver og organisk materiale blev analyseret for at vurdere succesraten for jordbiota med hensyn til mikrobiel samfundssammensætning af bakterier og svampe og overlevelse og aktivitet for regnorme (figur 15).

Figure 15
Figur 15: Svampevækst og overlevelse af regnorme. Ved afslutningen af forsøgene og før prøveudtagning ses der visuelle tegn på svampevækst (venstre side) og regnormes overlevelse (højre side) i søjlerne fyldt med stenpulver og organiske materialer. Klik her for at se en større version af denne figur.

Udover andre parametre blev perkolatet analyseret for TA og DIC, da TA og IC er gode proxyer for mineralforvitringshastigheder 4,29,30,31. TA blev målt med en Metrohm Titrando29,30, mens DIC var med en Skalar total organisk carbon (TOC) analysator. Ved hjælp af en TOC-analysator beregnes DIC ud fra forskellen mellem totalt opløst kulstof (DC) og opløst organisk kulstof (DOC). Figur 16 og figur 17 viser den kumulative fordeling for nogle eksempelværdier opnået fra disse analyser for en forsøgskørsel. Ved hjælp af denne eksperimentelle opsætning varierede værdierne for TA fra 0,019 mol til 0,025 mol, mens værdierne for DIC varierede fra 7,352 mg C til 259,279 mg C (figur 16 og figur 17).

Figure 16
Figur 16: Sandsynlighedsfordeling af eksempelværdier målt for TA i perkolatet indsamlet ved forsøgsperiodens afslutning. Behandlinger, hvor kolonner oversvømmes, vises ikke. Værdierne udtrykkes i mol og korrigeres for den samlede mængde perkolat, der er indsamlet ved forsøgenes afslutning. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 17
Figur 17: Sandsynlighedsfordeling af eksempelværdier målt for DIC i perkolatet indsamlet ved forsøgsperiodens afslutning. Behandlinger, hvor kolonner oversvømmes, vises ikke. Værdierne udtrykkes i mg kulstof (C) og korrigeres for den samlede mængde perkolat, der er indsamlet ved forsøgenes afslutning. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

Inden for den nuværende forskningskontekst er denne opsætning unikt designet til at optimere uorganisk kulstofbinding ved at forbedre mineralforvitring gennem aktiviteten af jordbiota, samtidig med at man manipulerer abiotiske faktorer, der er kendt for at stimulere forvitring. Muligheden i denne opsætning for at indsamle både det faste forarbejdede materiale og perkolatet muliggør en fuldstændig karakterisering af begge fraktioner. På trods af den enorme mængde kolonner sikrer indsamlingen af prøverne og de udførte analyser en dataindsamling af høj kvalitet. Desuden er det meget vigtigt at have et stort antal kombinationer i en enkelt eksperimentel kørsel for at analysere de indsamlede data med moderne og avancerede statistiske metoder, såsom maskinindlæring. Disse metoder kan bruges til at bestemme de vigtigste variabler, der fører til høje forvitringshastigheder og yderligere kulstofbinding. Derfor giver denne opsætning mulighed for at forbedre forståelsen af de virkninger, som jordorganismer kan have på EW- og IC-binding. Dette er afgørende for at etablere mere realistiske begrænsninger for grænserne for EW og dens effektivitet med hensyn til at reducere atmosfæriske CO2 -koncentrationer. Denne opsætning præsenterer flere originaliteter sammenlignet med eksisterende undersøgelser, der undersøger EW og effekten af jordorganismer.

Med hensyn til virkningerne af abiotiske faktorer på EW er disse allerede blevet undersøgt i tidligere undersøgelser 4,29,30,31,32,33,34. Nogle af disse undersøgelser sammenlignede forskellige mængder, typer og kornstørrelser af klipper, men deres opsætning bestod enten af et potteeksperiment 32,33 eller omfattede blanding af stenpulver med jord34. Andre eksperimenter fokuserede på en bjergart med forskellige vandingshastigheder, men havde ikke mulighed for at vande ofte med et automatiseret system eller fokuserede på flere vandingshastigheder og frekvenser35. Andre undersøgelser præsenterede en opsætning svarende til den, der blev præsenteret i den nuværende protokol, med mulighed for at justere vandingshastigheder og holde temperaturen konstant udover varierende stenkornstørrelser og typer29,30. Desuden var udformningen af disse opstillinger sammenlignelig med den, der foreslås i nærværende manuskript og designet til at indsamle perkolatet til yderligere analyser29,30. Derudover blev CO2 -koncentrationerne varieret i disse undersøgelser som en anden faktor, der forbedrede forvitringen29. Ingen af disse tidligere undersøgelser har imidlertid fokuseret på effekten af biotiske faktorer på at fremme EW. I denne opsætning er målet at forbedre forvitringsprocessen og yderligere IC-binding ved at inokulere specifikke bakterier, svampe og regnorme og bestemme, i hvilket omfang de kan fremskynde EW.

I forhold til effekten af biotiske faktorer på EW har få undersøgelser ikke specifikt fokuseret på EW, men har undersøgt, om jordorganismer kan påvirke mineralforvitring. Disse undersøgelser har hovedsageligt undersøgt, hvordan forvitring påvirkes af jordorganismer ved hjælp af dyrkningsmedier 19,21, petriskåle 36, nylonposer begravet i jorden14 eller små mængder stenpulver blandet med andre substrater36,37. Brug af sådanne små systemer eller opsætninger gør det udfordrende at adskille effekten af organismer fra andre variabler. Nogle eksperimenter brugte en lignende opsætning som den, der her foreslås, men i mindre skala, med stenpulverfyldte søjler podet med jordorganismer38,39,40. Imidlertid dyrkede disse eksperimenter enten samtidigt planter og fokuserede ikke på den eksklusive virkning af specifikke jordorganismer13,35 eller indsamlede ikke perkolatet 36. Desuden har de fleste af de undersøgelser, der viste, at bakterier, svampe og regnorme øger mineralforvitring, fokuseret på virkningen af disse organismer på næringsstoffrigivelse som en indikation af forvitring snarere end på IC-binding 11,13,14,19,36,37,38 . Frem for alt havde ingen af disse tidligere undersøgelser til formål at fremme EW eller præsenteret muligheden for at justere og opretholde abiotiske faktorer i hele forsøgsperioden. I denne opsætning, i stedet for at holde alle abiotiske faktorer konstante, testes en lang række kombinationer for fire abiotiske faktorer, såsom vandvandingshastigheder og frekvenser, stenpulvertype og kornstørrelse med det formål at fremme EW gennem jordorganismers aktivitet.

Desuden præsenterede ingen af de tidligere undersøgelser, der har fokuseret på effekten af enten abiotiske eller biotiske faktorer på EW, muligheden for at have et ekstremt stort antal kolonner og variabler inden for en eksperimentel kørsel. I denne opsætning er det muligt at teste flere forskellige kombinationer af forskellige variabler under en kørsel af eksperimenter på grund af det imponerende antal kolonner, som opsætningen er designet til, samtidig med at der stadig leveres resultater af høj kvalitet. I betragtning af opsætningens nyhed præsenteres nedenfor nogle mulige forbedringer og resterende udfordringer, der kan overvejes under design af fremtidige lignende opsætninger.

Homogene luftforhold i inkubationskammeret bør sikres. Placeringen af opsætningen i et klimakammer sikrede konstant temperatur og relativ luftfugtighed. Ventilationsbegrænsninger (f.eks. luftstrøm) kan have skabt rumlig variation i atmosfæriske forhold og dermed ført til uforholdsmæssig fordampning fra søjlerne på visse steder, hvilket er et almindeligt fænomen i denne form for opsætning35. For at håndtere denne ulempe, når replikation og randomisering ikke er mulig, anbefales det at beregne en vandbalance for søjler placeret forskellige steder i hele kammeret.

Søjlerne skal omhyggeligt justeres med tragtene, når de er indsat i akrylpladen for at undgå perkolattab. I den betragtede forsøgsperiode opstod perkolattab fra bunden af søjlerne på grund af en forkert placering af tragtene eller på grund af tilstopning af maskerne. Sammen med fordampning kan dette delvis forklare, hvorfor det indsamlede perkolat var lavere i forhold til forventningerne (figur 13). For at minimere disse tab er det vigtigt at sikre, at tragtene er optimalt placeret under søjlerne. Brug af bredere tragte er også en levedygtig mulighed. I dette tilfælde skal man være opmærksom på hullernes diameter under konstruktionen af akrylpladerne og afstanden mellem akrylplader.

Langsommere vandgennemstrømning i jordsøjleforsøg, hvor vand tilføres ofte, er et tilbagevendende problem 7,30,40. I forsøgene udført med den præsenterede opsætning blev der i nogle tilfælde anvendt ret høje vandingshastigheder og meget fine mineralkornstørrelser, som oprindeligt mangler en struktur som normalt observeret i jord. Dette kan have fået porerne i maskerne i bunden af søjlerne, der kun indeholder fine mineraler, til at tilstoppe under forsøgene. Derfor strømmede vandet ikke hurtigt nok gennem søjlerne, hvilket resulterede både i oversvømmelse af søjlerne, reduktion af vandinfiltration og perkolatopsamling og under anoxiske forhold i søjlerne, hvilket påvirkede biogeokemiske processer. For at afbøde dette problem er det vigtigt altid at blande en vis procentdel grove med finere mineralkornstørrelser og undgå blandinger af 100% meget fine mineralkornstørrelser. En anden mulighed er at tillade er at lade søjlerne opleve et bestemt antal befugtnings-/tørringscyklusser for at starte dannelsen af jordstrukturer og dermed forbedre vandinfiltrationen. Desuden ville det før eksperimentets start være nyttigt at bestemme grundlæggende jordvandsdynamik, såsom mættet og umættet strømning og vandretention kurve, i nogle få mesokosmos for bedre at forstå gasstrøm, mineralmætningstilstand og drivkræfter for organismers aktivitet.

Den præsenterede eksperimentelle opsætning er praktisk at bruge, præsenterer en ligetil installation og kan justeres efter forskningsbehov. I forbindelse med mineralforvitring kan det med de nødvendige justeringer kobles med et gaskammer for ikke kun at karakterisere kulstof i den faste og vandige fase, men også for at se på kulstofdynamikken i gasfasen. Desuden kan denne opsætning bruges til at studere realistiske vandinfiltrationshastigheder med tør-våde sekvenser, da disse tidsmæssige dynamikker stærkt kan påvirke forvitring41. Brugen af denne opsætning er ikke begrænset til eksperimenter, der udelukkende fokuserer på silikatmineraler, men den kan implementeres i søjleeksperimenter, der bruger forskellige substrater. Desuden kan længden af eksperimenterne forkortes eller forlænges efter eksperimentelle behov, og antallet af kolonner kan ændres. Muligheden for at indsamle prøver fra både de faste forarbejdede materialer og perkolatet giver os mulighed for at udføre forskellige analyser for at fokusere på en af de to komponenter eller begge. For at præsentere viden er dette det eneste setup, der hidtil er bygget med et usædvanligt antal søjler, der sigter mod at bruge jordorganismer til at forbedre mineralforvitringen og samtidig kontrollere abiotiske forhold i et system udelukkende lavet af silikatmineraler og organiske materialer.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi anerkender Ton van der Zalm fra Tupola for udviklingen af vandingssystemet. Derudover takker vi Jaco Baars fra Tupola for de grin og den mentale støtte, der blev givet under opbygningen af dette setup. Vi takker Peter Garamszegi og Ángel Velasco Sánchez for at hjælpe med at vande søjlerne manuelt, når vandingssystemet ikke fungerede. Vi takker også Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg og Kangying Xie for hjælpen under prøveudtagningen. Vi takker Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen og Gerlinde Vink for hjælpen i laboratoriet, analyserne af prøverne og de frugtbare diskussioner. Endelig takker vi Jeroen Zonneveld fra Unifarm for levering og vedligeholdelse af klimakammeret. Denne opsætning blev bygget som en del af projektet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), Som er finansieret af EU's Horizon 2020-rammeprogram for forskning og innovation under tilskudsaftale nr. 964545.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Biokemi udgave 201
Design og konstruktion af en eksperimentel opsætning for at forbedre mineralforvitring gennem jordorganismers aktivitet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Calogiuri, T., Hagens, M., Van… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter