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 konstruksjon av et eksperimentelt oppsett for å forbedre mineralforvitring gjennom aktiviteten til jordorganismer

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 presenterer vi konstruksjon og drift av et eksperimentelt oppsett for å forbedre mineralforvitring gjennom aktiviteten til jordorganismer samtidig som de manipulerer abiotiske variabler kjent for å stimulere forvitring. Representative resultater fra oppsettets virkemåte og utvalgsanalyser diskuteres sammen med forbedringspunkter.

Abstract

Forbedret forvitring (EW) er en fremvoksende teknologi for fjerning av karbondioksid (CO2) som kan bidra til å redusere klimaendringene. Denne teknologien er avhengig av å akselerere den naturlige prosessen med mineralforvitring i jord ved å manipulere de abiotiske variablene som styrer denne prosessen, spesielt mineralkornstørrelse og eksponering for syrer oppløst i vann. EW tar hovedsakelig sikte på å redusere atmosfæriske CO2 -konsentrasjoner ved å øke uorganisk karbonbinding. Hittil har kunnskap om EW hovedsakelig blitt oppnådd gjennom eksperimenter som fokuserte på de abiotiske variablene som er kjent for å stimulere mineralforvitring, og dermed forsømme den potensielle påvirkning av biotiske komponenter. Mens bakterier, sopp og regnormer er kjent for å øke mineralforvitringshastigheten, er bruken av jordorganismer i sammenheng med EW fortsatt underutforsket.

Denne protokollen beskriver design og konstruksjon av et eksperimentelt oppsett utviklet for å forbedre mineralforvitringshastigheter gjennom jordorganismer samtidig som abiotiske forhold kontrolleres. Oppsettet er designet for å maksimere forvitringshastighetene samtidig som jordorganismenes aktivitet opprettholdes. Den består av et stort antall søyler fylt med steinpulver og organisk materiale, plassert i et klimakammer og med vann påført via et nedløpsvanningsanlegg. Kolonner er plassert over et kjøleskap som inneholder jerrykanner for å samle sigevannet. Representative resultater viser at dette oppsettet er egnet til å sikre aktiviteten til jordorganismer og kvantifisere deres effekt på uorganisk karbonbinding. Det er fortsatt utfordringer med å minimere sigevannstap, sikre homogen ventilasjon gjennom klimakammeret og unngå oversvømmelse av søylene. Med dette oppsettet foreslås en innovativ og lovende tilnærming for å forbedre mineralforvitringshastighetene gjennom aktiviteten til jordbiota og disentangle effekten av biotiske og abiotiske faktorer som drivere av EW.

Introduction

Forbedret forvitring (EW) er en relativt ny og lavteknologisk teknologi for fjerning av karbondioksid (CDR) med et betydelig potensial for å redusere klimaendringene 1,2,3. Prinsippet for denne teknologien er avhengig av å akselerere den naturlige mineralforvitringsprosessen i jord, noe som fører til sekvestrering av karbondioksid (CO2) som uorganisk karbon (IC) 3. Forbedret forvitring tar sikte på å øke IC-sekvestrering ved kunstig å optimalisere faktorene som styrer mineralforvitring, og dermed øke hastigheten gjennom hvilken forvitring skjer til menneskelig relevante tidsskalaer3. For at EW skal være mest effektive, blir hurtigforvitrende silikatmineraler malt til et pulver med en kornstørrelsesfordeling i mikrometer til millimeterområdet for å nå et høyt reaktivt overflateareal i ~ 1 m2 · g-1-området 3,4.

Så langt har kunnskapen om EW hovedsakelig blitt gitt av eksperimenter som fokuserer på abiotiske faktorer som styrer hastigheten som mineraler oppløses5. Disse inkluderer mineralreaktivitet og overflateareal, temperatur, løsningssammensetning, vannoppholdstid og surhet 4,6,7, men forskning må fortsatt gjøres i denne sammenhengen. Foruten å bli påvirket av abiotiske faktorer, er naturlige systemer, og jord spesielt, formet av et stort antall organismer, alt fra mikrober til makrofauna som regnormer. Til tross for at noen studier har vist liten eller ingen påvirkning av den biotiske aktiviteten til mineraloppløsning 8,9,10, har andre studier gitt bevis for at jordorganismer som bakterier 11,12, sopp 13,14 og15,16 kan øke mineralforvitringshastigheten. Derfor kan biotiske komponenter være nøkkelen til å forstå det faktiske IC-sekvestrasjonspotensialet til EW5.

Den første vanlige mekanismen der jordorganismer kan akselerere mineraloppløsning er via CO2 -utslipp under respirasjon, noe som øker jordforsuring17. Dessuten kan bakterier og sopp øke mineralforvitring ved å utstråle protoner, chelater, organiske syrer og enzymer, som alle forbedrer mineraloppløsningen 18,19,20,21. For eksempel kan kelering gjennom karboksyl- og hydroksylgrupper skape ionubalanser, transportere elementer bort fra mineraloverflatene og senke metningstilstandene20,22. Dette kan føre til mindre sekundær mineraldannelse og høyere effektivitet av EW. Videre, ved å mate på jordpartikler, kan de sterke handlingene til kroppsvegger bryte ned mineralkorn til finere partikler, og øke deres tilgjengelige reaktive overflateareal23. Mikrober som bor i tarmer og friske avføring kan ytterligere angripe disse mindre partiklene, som ytterligere ekssuderer organiske syrer og enzymer24,25. Gjennom sin gravende aktivitet, i tillegg til å bidra til blanding av organiske og mineralske partikler, skaper også makroporer som kan tillate vannstrømmen å omgå mettet porerom17. Dette kan gjøre det mulig for vannet å samhandle med forskjellige mineraloverflater og øke kontakthastigheten mellom vann og bergarter.

Hittil har det ikke blitt bygget noe oppsett for å studere EW-hastigheter og derfor IC-sekvestrering ved bruk av jordorganismer, samtidig som man sikrer muligheten til å optimalisere forskjellige relevante abiotiske forhold, for eksempel vanninnganger, temperatur, mineraltype og mineralkornstørrelse. Her presenteres design og forklaring av konstruksjonstrinnene til et innovativt oppsett som tar sikte på å øke EW-hastighetene gjennom aktiviteten til jordorganismer i små mesokosmer. Det eksperimentelle oppsettet består av 203 søyler (lengde 15 cm, diameter 7 cm) plassert i et klimakammer (4,54 m x 2,72 m) ved 25 °C i 8 uker. De 203 søylene er delt inn i 10 grupper på 18 og 2 grupper på 10 for å passe inn i klimakammeret. En av de to gruppene på 10 kolonner brukes til å tillate innsetting av tre kolonner som brukes som emner. Hver gruppe er plassert over et kjøleskap og toppes av et fjernstyrbart vanningsanlegg, som muliggjør variable vanningshastigheter i og mellom kjøleskap. Sigevannet fra hver søyle samles i en jerrykanne som oppbevares ved konstant temperatur i kjøleskapet (figur 1). Ett kjøleskap samler sigevann fra en gruppe kolonner, noe som betyr at ett kjøleskap kan betraktes som et enkelt system med enten 18 eller 10 kolonner. Derfor kan antall kolonner i dette eksperimentelle oppsettet justeres i henhold til eksperimentelle krav med maksimalt 203 kolonner.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk sidevisning av oppsettet som viser 5 kolonner, men vurderer et system med 18 kolonner. Rammen som holder kolonnene er laget av rustfrie stålplater, rustfrie stålskruer og akrylplater. Kolonnene er plassert midt på rammen og toppes av et vanningsanlegg. Under kolonnene er trakter koblet til jerrykanner gjennom rør for å samle sigevannet. Jerrycans er i et kjøleskap som holder hele systemet. Kjøleskapet kan åpnes ved å løfte lokket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

I dette oppsettet sikrer bruken av silikatbergpulver av spesifikke kornstørrelser at høye forvitringshastigheter kan nås, mens inokuleringen med spesifikt utvalgte bakterier, sopp og regnormer gir den biotiske aktiviteten i dette kunstige systemet. Oppsettet muliggjør samtidig kvantifisering av karbon som bindes i det faste stoffet og i væskeprøvene ved å måle både oppløst og fast IC, samt total alkalitet (TA). Dessuten kan andre parametere som pH, elektrisk ledningsevne (EC) og ioner måles i sigevannet som indikatorer på forvitring. Dette oppsettet gjør det også mulig å vurdere virkningen av jordorganismers overlevelse og aktivitet. Representative resultater er vist å bevise egnetheten til denne protokollen for å bygge et oppsett der økninger i forvitringshastigheter ikke bare kommer fra abiotiske faktorer, men også fra biotiske.

Protocol

Nedenfor beskrives en detaljert protokoll for konstruksjon av de forskjellige delene av oppsettet med tanke på et system med 18 kolonner.

1. Konstruere rammen som holder søylene

  1. Forbered akrylplater for å holde vanningsanlegget, kolonnene, traktene og rørene for å samle sigevannet.
    1. Skjær tre akrylplater (akrylplater 1-3) med dimensjoner på 63 cm x 67 cm og en akrylplate (akrylplate 4) med dimensjoner på 45 cm x 56 cm.
    2. Klipp 18 hull på hver akrylplate ved å følge instruksjonene i trinnene nedenfor.
      1. Akrylplate 1 - topplaten: kutt hull med diameter 0,7 cm for å sette inn rørene til vanningsanlegget senere.
      2. Akrylplate 2 - andre fra topplaten: kutt hull med diameter 8 cm for å sette inn kolonnene senere (figur 2).
      3. Akrylplate 3 - andre fra bunnplaten: kutt hull med diameter 1,2 cm for å sette inn traktene senere.
      4. Akrylplate 4 - bunnplate: kutt hull med diameter 1,2 cm for senere å sette inn plastrørene som bringer sigevannet til jerrykannene.
    3. I tillegg kutter du ett hull med diameter 1,1 cm i hvert hjørne og ett hull med diameter 1,1 cm på sidene av akrylplater 1-3 for å sette inn skruene i rustfritt stål.
    4. For hver akrylplate, skriv ut plastetiketter med tallene på kolonnene (1-18) ved hjelp av en etikettskriver og fest dem under det respektive hullet.
      MERK: Festeetiketter på akrylplatene 2, 3 og 4 i henhold til nummeret på de 18 kolonnene hjelper til med å plassere de forskjellige delene av oppsettet på deres respektive plassering under installasjonen.
  2. Bruk plater og skruer i rustfritt stål til å holde akrylplatene.
    1. Ta de skreddersydde rustfrie stålplatene, som er laget etter designet vist i figur 3 med dimensjoner 63,6 cm x 67,3 cm x 4 cm og en tykkelse på 1,5 mm.
    2. Bor hull med diameter 1,1 cm i hvert hjørne og på sidene av hver rustfritt stålplate.
    3. Ta rustfritt stålskruer (50 cm i lengde).
    4. Sett inn akrylplater etter rekkefølgen fra topp til bunn for akrylplatene 1 (vanningsrør), 2 (kolonner) og 3 (trakter) på skruene i rustfritt stål. Bruk to sekskantmuttere og to skiveholdere for hvert hjørne for å holde akrylplaten på plass.
      MERK: Hold nok avstand mellom hver akrylplate til å sette inn de forskjellige komponentene senere. Hold en avstand på ~19,5 cm fra akrylplate 1 til akrylplate 2, ~10,5 cm fra akrylplate 2 til akrylplate 3 og ~16,5 cm fra akrylplate 3 til akrylplate 4.
    5. Monter topp- og bunnplater i rustfritt stål på skruene i rustfritt stål ved hjelp av to sekskantmuttere og to skiveholdere for hvert hjørne.
    6. Plasser hele systemet på toppen av kjøleskapet etter at konstruksjonen av kjøleskapssystemet er fullført.

Figure 2
Figur 2: Skjematisk toppbilde av utformingen av akrylplate 2 der søylene er plassert. Nummererte etiketter angir hvor de tilsvarende kolonnene må plasseres. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Design av rustfrie stålplater. (A,B) Topplaten. (C,D) Bunnplate. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

2. Konstruksjon av kjøleskapssystemet for sigevannsoppsamlingen

  1. Sett opp kjøleskapet for å plassere jerrykannene.
    1. Ta begge lokkene ut av kjøleskapet og sett på baklokket med akrylplate 4.
      MERK: Når den er installert, skal ikke denne akrylplaten fjernes. For å arbeide inne i kjøleskapet, fjern frontlokket ved å løfte det.
    2. Sett kjøleskapet i klimakammeret og koble det til.
    3. Sett kjøleskapstemperaturen til 4 °C og plasser en datalogger inne i kjøleskapet.
    4. Lukk kjøleskapet med frontlokket.
    5. Overvåk dataene som er registrert av dataloggeren over natten. Hvis temperaturen avviker fra ønsket verdi, fjern gitteret nederst i kjøleskapet og juster temperaturen. Gjenta denne prosedyren til ønsket temperatur er nådd.
  2. Bruk polyvinylklorid (PVC) rør for å koble traktene til jerrykannene.
    1. Klipp 18 PVC-rør (innvendig diameter 0,8 cm) med en passende lengde for å nå hver jerrycan fra de forskjellige traktene i henhold til de respektive tallene.
      MERK: Lengden varierer fra minimum 38 cm for det korteste røret til maksimalt 81 cm for det lengste røret.
    2. Skyll rørene i demi-vann før første gangs bruk; i alle andre tilfeller, suge dem i 4 dager i 50 liter vann hvor 30 g sitronsyreproduktet ble fortynnet for å fjerne karbonatutfellinger. Skyll deretter rørene igjen med demi-vann.
      FORSIKTIG: Selv om produktet for sitronsyre er trygt å bruke, unngå kontakt med øynene og langvarig kontakt med huden ved å bruke riktige beskyttelsestiltak.
      MERK: Hvis ultrarent vann er tilgjengelig, er det å foretrekke å bruke det i stedet for demi-vann.
    3. La rørene lufttørke i 24 timer.
    4. Sett rørene i akrylplate 4 i henhold til deres respektive tall.
  3. Monter trakter for å lede sigevannet til jerrykannene.
    1. Tørk 18 trakter med etanol før første gangs bruk; i alle andre tilfeller, følg samme prosedyre som angitt for PVC-rørene.
      FORSIKTIG: Etanol er brannfarlig og kan forårsake irritasjon av øyne, hud og luftveier, svimmelhet og grunne åndedrett. Etanol er skadelig ved inntak, innånding eller hudabsorpsjon.
    2. Sett traktene i akrylplate 3 og koble dem til de respektive rørene i henhold til tallene.
  4. Installer jerrycans for å samle sigevannet.
    1. Ta 10 høydensitets polyetylen (HDPE) jerrykanner med en kapasitet på 10 L og 8 HDPE jerrykanner med en kapasitet på 5 L.
      MERK: Jerrykanner på 5 L brukes til lave vanningshastigheter, mens jerrykanner på 10 L brukes til høye vanningshastigheter (se tabell 1). Jerrycans i HDPE er valgt da dette materialet er kjemisk inert.
    2. Fortynn 50 ml oppvaskmaskinsåpe i 10 l vann fra springen. Skyll jerrykannene en gang med denne løsningen, en gang med vann fra springen, og en gang med demi-vann. Gjenta denne rengjøringsprosedyren før annen bruk.
      MERK: Hvis ultrarent vann er tilgjengelig, er det å foretrekke å bruke det i stedet for demi-vann.
    3. La jerrykannene lufttørke i 24 timer.
    4. Bor et hull i lokket på hver jerrykan med diameter 1,2 cm for å sette inn plastrøret for å samle sigevannet.
    5. Lukk jerrykannene med det respektive lokket.
    6. Plasser jerrykannene i kjøleskapet i to lag etter skjemaet vist i figur 4 mens du samtidig kobler rørene til jerrykannene.

Figure 4
Figur 4: Skjematisk oversikt over jerrykannene inne i kjøleskapet i to stablede lag, bunn (venstre side) og øverste lag (høyre side). Svarte sirkler indikerer retningen på lokkene, mens de blå og grønne rektanglene indikerer henholdsvis 10 L og 5 L jerrykanner. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

3. Konstruere kolonnene og maskesystemet

  1. Bruk PVC-kolonner som mesokosmer for å inkubere steinpulver og jordorganismer
    1. Klipp PVC-rørene i 18 kolonner med en lengde på 15 cm.
    2. Rengjør kolonnene etter prosedyre 1 hvis det er for første gangs bruk, og prosedyre 2 i andre tilfeller.
      1. Fremgangsmåte 1:
        1. Bløtlegg søylene i demi-vann i 48 timer.
          MERK: Hvis ultrarent vann er tilgjengelig, er det å foretrekke å bruke det i stedet for demi-vann.
        2. Skyll kolonnene med demi-vann. Tørk og tørk kolonnene med etanol.
        3. Nummerer kolonnene ved hjelp av etiketter eller direkte med en markør på røret.
      2. Prosedyre 2:
        1. Bløtlegg kolonnene i vann i 1 dag.
        2. Bruk børsten til å skrubbe bort eksperimentelle rester.
        3. Tørk og tørk kolonnene med etanol.
  2. Bruk midtringer til å holde kolonner over traktene.
    1. Med en 3D-skriver designer du en ring (diameter på 8,5 cm og tykkelse på 0,5 cm). Sørg for å tegne en annen ring i bunnen som passer i hullene i akrylplate 2 for mer stabilitet i kolonnene (figur 5).
    2. Skriv ut 18 ringer med 3D-skriveren ved hjelp av termoplastisk polyuretan (TPU) 95A-materiale.
    3. Plasser ringene på søylene i en posisjon som holder søylene 2-3 cm over traktene.
  3. Bruk et maskesystem nederst i kolonnene for å filtrere sigevannet og minimere tap av partikler.
    1. Skjær nettet (10 μm og 20 μm porestørrelse) i firkanter på 12 cm x 12 cm.
    2. Bløtlegg nettet i ultrarent vann i 2 dager. La nettet lufttørke.
    3. Nederst i kolonnen plasserer du det første nettet på 20 μm. Legg et 1 cm lag med plastperler over 20 μm nettet.
    4. Plasser det andre nettet på 10 μm på toppen av 20 μm nettet og laget av plastperler.
    5. Plasser to buntebånd for å holde maskesystemet på plass. Stram buntebåndene og klipp kantene.
      MERK: Figur 6 viser hvordan maskesystemet skal monteres nederst i kolonnen.
  4. Bruk et toppnett for å unngå at rømmer.
    1. Skjær nettet med 1 mm porestørrelse i firkanter på 12 cm x 12 cm.
    2. Når søylene er fylt med steinpudder, og er introdusert (seksjon 7), plasserer du nettet på toppen av søylene.
      MERK: Dette nettet bør plasseres på toppen av søylene for å forhindre at rømmer fra søylene. Hvis regnormer ikke blir introdusert, anbefales det fortsatt å bruke dette nettverket for å opprettholde de samme forholdene for alle kolonnene.
    3. Plasser et gummibånd rundt nettet for å holde det på plass.

Figure 5
Figur 5: Modell av ringen som skal inneholde kolonnene for 3D-skriveren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Skjema for konstruksjon av maskesystemet nederst i kolonnen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

4. Konstruksjon av vanningsanlegget

  1. Design og lag sprinklere for å spre vannet jevnt over kolonnene
    1. Med en 3D-skriver kan du lage et design for en sprinkler ved å følge modellen og relative dimensjoner vist i figur 7.
    2. Skriv ut 18 sprinklere med 3D-skriveren ved hjelp av TPU 95A-materiale.
      NOTAT: Etter utskrift, la sprinkleranleggene tørke i minst 24 timer før du setter dem inn i PE-mikroslangene for å unngå å bryte dem.
  2. Installer vanningsanlegget: ventiler og rør.
    1. Skru to nesestykker foran på to magnetventiler, og skru to T-stykke plug-in beslag på baksiden av magnetventilene.
      MERK: Hvis man vil at vannslangen skal ende med dette systemet og ikke fortsette til andre systemer, skru på baksiden av ventilen som skal plasseres mot slutten av kjøleskapet en plug-in montering med to tilkoblinger i stedet for T-stykke plug-in montering. På denne måten slutter vannforbindelsen her.
    2. Monter de to magnetventilene på den ene siden av den øverste platen i rustfritt stål.
      MERK: En ventil styrer ett vanningsrør, som igjen vanner 8 eller 10 kolonner av de totalt 18 kolonnene.
    3. Klipp vanningsrøret av polyetylen med lav tetthet (LDPE) i to rør på 53 cm.
    4. Lukk den ene siden av hvert rør med en endehette.
    5. Pakk den andre enden av rørene i polytetrafluoretylen (PFTE) tape og koble den til magnetventilene.
    6. Lag 8 hull i det første vanningsrøret nærmere forsiden av kjøleskapet og lag 10 hull i det andre vanningsrøret lenger fra forsiden av kjøleskapet.
      MERK: Det er svært viktig å lage hullene ved hjelp av et håndslag, da dette er nødvendig for riktig posisjonering og funksjon av trykkregulatorene. Bruk av andre verktøy som drill frarådes.
    7. Sett trykkregulatorene inn i hullene i de to rørene.
    8. Klipp mikroslangen av polyetylen (PE) i 18 små rør med en lengde på 20 cm for å nå kolonnene fra vanningsrøret og fest dem til trykkregulatorene.
    9. Sett de små rørene inn i hullene på akrylplate 1.
    10. Sett sprinkleranleggene inn i de små rørene horisontalt til overflaten av kolonnene.
      MERK: Hvis man får problemer med vanningssystemet (f.eks. blokkeringer i vannstrømmen eller ukontrollerbar vannstrøm), kan dette skyldes: (a) funksjonsfeil i ventilene, (b) partikler som er igjen i røret; (c) PFTE-tape som ikke er pakket ordentlig rundt enden av røret. For punkt a, bytt ventilen. For punkt b og c, sørg for at rørene rengjøres før du starter vanningen av søylene, og at det ikke henger rester av PFTE-tapen fra henholdsvis røret. Det er viktig å unngå overføring av partikler som kan hindre ventilen i å fungere korrekt.
  3. Sett opp tilkoblingen for transport av vann.
    1. Klipp polyuretanslangen (PU) i tre forskjellige slanger for vanntilkoblingen. De nøyaktige lengdene på slangene varierer avhengig av utformingen av systemet og kammeret. Bruk den første slangen til å koble T-stykket til den første ventilen til kranen, den andre slangen for å koble T-stykkene til hver ventil, og den tredje slangen for å koble T-stykket til den andre ventilen til neste system.
      NOTAT: Hvis det ikke er behov for tilkobling til neste system, er det unødvendig å kutte den tredje slangen.
    2. Koble PU-slangene til T-stykkets plug-in-beslag på baksiden av magnetventilene.
    3. Koble PU-slangen til den første ventilen med kranen ved å skru en plug-in-montering med to tilkoblinger på adapterringen.
    4. Åpne kranen for å la vann strømme inn i rørene.
  4. Installer kontrollsystemet og sett opp tilkoblingen til vanningsanlegget.
    1. Koble til den nettaktiverte kontrolleren, utvidelsesmodulen med åtte reléer og strømforsyningen. Plasser dem i polykarbonatkapslingen i henhold til instruksjonene fra produsenten.
      MERK: En modulær kontroller tilsvarer en enhet, som igjen styrer åtte releer. Ett relé styrer åpning og lukking av en bestemt ventil.
    2. Koble de to ventilene til hverandre ved hjelp av de elektriske kablene, og koble strømkabelen til hver ventil.
    3. Koble den andre enden av strømkabelen til den nettaktiverte kontrolleren.
    4. Koble alt til en stikkontakt og lag en internettforbindelse for den nettaktiverte kontrolleren.
  5. Sett opp online-kontrollen av vanningsinnstillinger for å angi vanningshastighetene.
    1. Følg instruksjonene fra produsenten for konfigurasjon og oppsett. For programmering og testing, bruk nettleseren.
    2. Gå til http://10.73.10.250/setup.html.
    3. Bruk et brukernavn og passord for å logge inn.
    4. På menyen til venstre går du til Control / Logic og deretter til Oppgaver / funksjoner.
    5. Ett relé styrer åpning og lukking av en ventil. For hvert relé er det to oppgaver, en slår reléet på (ventil åpen), og den andre slår av reléet (ventil lukket). For å endre innstillingen for hver oppgave, klikk på Rediger.
      1. Når reléets oppgave skal settes på, angir du datoen og klokkeslettet da reléet må begynne å fungere ved å klikke på Startdato og Starttidspunkt (f.eks. 4. mai 2022 kl. 07:45:00; se figur 8). For å stille inn vanningsfrekvensen, klikk på Still inn Gjenta og Gjenta hver (f.eks. daglig hver 1. dag (er) for en vanningsfrekvens på en gang om dagen; se figur 8). For å angi datoen da reléet slutter å fungere, klikk på Avslutt gjentakelsesdato (f.eks. 20. mai 2022 kl. 23:59:59; se figur 8).
      2. Når oppgaven for reléet skal settes av, angir du tidspunktet da reléet må slutte å fungere. Dette avhenger av vanningshastigheten som kreves og vanningsfrekvensen, for eksempel stille inn tiden til 7:46:30 for en daglig gjentakelse. Dette betyr at reléet fungerer i 1 min 30 s, for mengden vann på 50 ml · dag-1 ved vanningsfrekvensen en gang i døgnet (se tabell 1). Start- og sluttdatoene er de samme som oppgaven for å sette stafetten på, samt vanningsfrekvensen.
    6. Når oppsettet av hvert relé er gjort, husk å klikke på Lagre endringer.
      MERK: Ikke alle releer må fungere samtidig for å forhindre overbelastning av systemet. La det alltid være minst 30 s mellom oppgavene til forskjellige releer (f.eks. relé 1 på enhet 1 avslutter oppgaven klokken 07:46:30, relé 2 på enhet 1 starter oppgaven klokken 07:47:00).
    7. Kontroller at innstillingene for hvert relé har samme startdato og sluttdato. Tabell 1 viser et eksempel på tiden som trengs for forskjellige vanningshastigheter ved forskjellige vanningsfrekvenser.
      MERK: Vanningsanlegget tillater flere vanningshastigheter og vanningsfrekvenser i tillegg til de som er oppført, men det må testes for hvor lenge ventilene må være åpne for forskjellige mengder vann. For vanningshastighetene som er oppført i tabell 1, er det fortsatt godt å sjekke med en første test om dette er gyldig, da det kan endres i henhold til vanntrykk og utformingen av systemet.

Figure 7
Figur 7: Modell av sprinkleranlegget for vanningsanlegget med relative dimensjoner. (A) Ovenfra av sprinkleren. (B) Sidevisning av sprinkleren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Eksempel på innstillingsvisning av vanningsanlegget for å sette reléet på. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Vanningshastighet for vann (ml·dag-1) Vanningsfrekvens (antall ganger ·dag-1) Tid for stafett til arbeid (er)
    
50		 1 95
2 50
5 23
    
100		 1 190
2 100
5 45
    
150		 1 280
2 140
5 55

Tabell 1: Indikasjoner på tidene som trengs for at ventilene skal være åpne for å tillate forskjellige vanningshastigheter ved forskjellige vanningsfrekvenser.

5. Velge steinpulver, organiske materialer og jordbiota

MERK: For dette eksperimentet velges steinpulver, organiske materialer og jordorganismer basert på tilgjengelighet, lokal forekomst og litteraturgjennomgang. I tillegg velges mikrober basert på deres ikke-patogenisitet, bestemt ved klassifisering av de tekniske reglene for biologiske agenser (TRBA) 26,27,28. Avhengig av det eksakte forskningsspørsmålet, kan disse faktorene justeres.

  1. Velg ut steinpudder til forsøkene.
    MERK: Bergpulverene som er valgt for disse forsøkene er både ultramafiske og mafiske bergarter av forskjellige mineralogiske sammensetninger, som dunite og diabase. Hver stein har to hovedklasser av kornstørrelser, fint (mikrometerområde) og grovt (millimeterområde).
  2. Velg organiske materialer for eksperimentet.
    MERK: De organiske materialene som er valgt for disse forsøkene som matkilde for jordbiota, er hvetehalm og fordøyes fra gjødsel og dyrefôrrester.
  3. Velg bakteriene for eksperimentet.
    MERK: Bakteriene som er valgt for disse forsøkene er Bacillus subtilis og Cupriavidus metallidurans. Bakterier er hentet fra Leibniz Institute DSMZ (Tyskland).
    1. Dyrk bakterier i næringsbuljong, bestående av bactopepton (10 g · L-1), kjøttekstrakt (3 g · L-1) og natriumklorid (10 g · L-1) oppløst i ultrarent vann (18,2 mΩ), i henhold til leverandørens instruksjoner.
    2. Autoklav alle kulturmedier ved 121 °C i 20 minutter før inokulering med den gamle kulturen (volum = 1% av ny kultur).
    3. Bestem celletettheten via celletelling med et hemacytometer og verifiser celleantallet via flowcytometri.
      MERK: Denne studien brukte et flowcytometer utstyrt med fiolette (405 nm) og blå (488 nm) lasere, med en strømningshastighet på 10 μL / min, og detektert i FL1-kanalen (EX 488, EM 525 / 40).
  4. Velg soppene for forsøket.
    MERK: Soppene som er valgt for disse forsøkene er Knufia petricola, Suillus variegatus og Aerobasidium pullulans. Svampe er hentet fra Leibniz-instituttet DSMZ (Tyskland), unntatt K. petricola, som er hentet fra Westerdijk Institute (Nederland).
    1. Dyrk soppkulturene i maltekstraktbuljong, bestående av maltekstrakt (20 g · L-1), D-(+)-glukose (20 g · L-1) og kaseinhydrolysat (3 g · L-1) oppløst i ultrarent vann (18,2 mΩ), i henhold til leverandørens instruksjoner.
    2. Autoklav alle kulturmedier ved 121 °C i 20 minutter før inokulering med den gamle kulturen (volum = 1% av ny kultur). Bestem celletettheten via celletelling med et hemacytometer.
  5. Velg for eksperimentet.
    Merk: Meitemarkene som er valgt for disse forsøkene er de endogeiske artene Aporrectodea caliginosa og Allolobophora chlorotica. er hentet fra parken De Blauwe Bergen nær Wageningen University &; Research i Nederland (51°58'51.8"N 5°39'38.0"Ø) før eksperimentet.

6. Fylle kolonnene

  1. Bestemme vannholdingskapasiteten (WHC) til bergkruttene og de organiske materialene ved først å tørke hvert materiale ved 105 °C. Legg deretter det tørre materialet i en bolle og registrer vekten. Tilsett vann litt etter litt til materialene er våte nok og registrer den endelige vekten. WHC er da gitt ved ligning 1.
    Equation 1 (1)
  2. Mal halmen gjennom en 6 mm kvern.
  3. Ovntørk mineraler og organiske materialer ved 40 °C i 2 påfølgende dager.
  4. Vei 400 g mineraler og 10 g organiske materialer i en bolle.
    MERK: Mengder kan tilpasses etter eksperimentelle behov, men materialblandingen skal passe inn i kolonnen.
  5. Juster WHC til 80% i henhold til mineraltype, mineralkornstørrelse og organisk kilde til stede.
  6. Bland alt forsiktig med en metallskje.
  7. Fyll kolonnene med blandingen.
  8. Plasser de fylte søylene i klimakammeret på deres respektive plassering, som vist i figur 2. Hvis søylene ikke kan plasseres umiddelbart i klimakammeret, oppbevar dem ved 15 °C og dekk dem med en plastplate for å forhindre vanntap og for å begrense endringer i de opprinnelige forholdene.
    MERK: Hold søyler nederst og sett dem forsiktig inn i akrylplatene for å unngå tap av innholdet. Figur 9 illustrerer skjematisk trinnene som bør følges for å fylle kolonnene.

Figure 9
Figur 9: Skjematisk oversikt over de ulike trinnene for å fylle kolonnene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

7. Jordbiota inokulering

  1. Inokuler bakterier og sopp i to øyeblikk mens du fyller kolonnene (metode 1) eller like før meitemarktilsetning (metode 2).
    1. Metode 1
      1. Avhengig av ønsket inokulasjonstetthet (et område av celletettheter mellom 1,5 x 10 9 og 4,8 x 10 celler per kolonne for bakterier og mellom 5,5 x 107 og 5,5 x 108 celler per kolonne for sopp), inokuler de forskjellige mikrobielle artene til blandingen av mineralerog organiske materialer når vannet er tilsatt i henhold til behandlingen ved hjelp av en pipette.
        MERK: Det tilsatte vannet må justeres tilsvarende på en måte at mengden (milliliter) som tilsettes gjennom inokulering, trekkes fra den totale mengden vann som tilsettes for å nå 80% av WHC.
      2. Bland alt forsiktig med en metallskje.
      3. Fyll kolonnene med blandingen.
      4. Tørk bollen og skjeen som brukes til å blande materialene med etanol for suksessiv bruk.
      5. Dekk kolonnene med toppnettet.
    2. Metode 2:
      1. Avhengig av ønsket inokulasjonstetthet, inokuler de forskjellige mikrobielle artene på overflaten av kolonnene i henhold til behandling ved hjelp av en pipette.
      2. Dekk kolonnene med toppnettet.
  2. Avhengig av ønsket tetthet (enten 4, 8 eller 10 regnormer per kolonne), introduser regnormer i kolonnene i henhold til behandling ved å forsiktig sette dem på overflaten av kolonnene. Etterpå dekker du kolonnen med toppnettet.
    MERK: Både mikrober og meitemark bør inokuleres 1 dag før vanningen begynner for å tillate dem å tilpasse seg systemet. Inokulasjonstetthet kan endres i henhold til eksperimentelle behov. Vær oppmerksom på at dette ikke er et sterilt miljø, og det kan være potensiell forurensning med mikroorganismer transportert med luft, vann eller inngangsmateriale. For å forhindre bakteriell forurensning fra ventilasjon, legg til et 0,2 μm filter på toppen av kolonnene.

8. Prøveinnsamling og analyser

  1. Fjern kolonnene fra kammeret på slutten av eksperimentperioden.
    1. Samle regnormer og telle dem for å bestemme overlevelsesraten og vurdere aktiviteten deres.
    2. Homogeniser blandingen av bergpulver og organiske materialer og ta underprøver for mikrobielle analyser for ytterligere å karakterisere tilstedeværelsen og aktiviteten til mikroorganismer av interesse.
    3. Tørk innholdet av kolonnene ved 40 °C i 5-7 dager for påfølgende fastfaseanalyser for fast uorganisk karbon (SN).
  2. Vei jerrykannene for å bestemme det endelige sigevannsvolumet og samle sigevannsprøver for videre analyser, for eksempel TA, oppløst uorganisk karbon (DIC), pH, EC og ioner.
  3. Det eksperimentelle endepunktet er å avgjøre om jordorganismer kan forbedre forvitringshastighetene i dette systemet og å finne den optimale kombinasjonen av variablene som vurderes, noe som fører til det høyeste karbonbindingspotensialet. Bestem dette ved å sammenligne resultatene for de analyserte parametrene i henhold til de forskjellige kombinasjonene.
    MERK: Prøvetakingsstrategien og videre analyser kan justeres i henhold til eksperimentelle innstillinger og forskningsbehov.

Representative Results

Det presenterte oppsettet besto av totalt 203 søyler plassert i et klimakammer ved 25 °C (figur 10). Valget av lokalisering av oppsettet i et klimakammer tillot kontrollert konstant temperatur og relativ fuktighet. Ved å sette jerrykanner i kjøleskap ved 4 °C sørget man for at sammensetningen av sigevannet ikke ble endret over tid på grunn av mikrobiell aktivitet.

Figure 10
Figur 10: Bilder av det eksperimentelle oppsettet i klimakammeret. (A) Oversikt over et enkelt system. (B) Nærbilde av en enkelt kolonne. (C) Nærbilde av jerrykanner i kjøleskapet. (D) Oversikt over alle systemer i det klimakontrollerte rommet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Bruken av et avansert automatisert vanningssystem betydde at søylene kunne vannes med varierende hastigheter og frekvenser ved hjelp av det elektroniske kontrollsystemet (figur 11). Vanningsanlegget tillot å endre mengden vann som kolonnene mottok. Validering av systemet viste at det førte til en minimumsforskjell på 1% og til en maksimal forskjell på 6% i mengden vann gitt mellom forskjellige kolonner (figur 12). Mindre forskjeller ble funnet for lavere vanningshastigheter, mens større forskjeller ble funnet for høyere vanningshastigheter. Samlet sett var gjennomsnittet lavere for vanningshastigheter på 50 ml·dag-1 og 150 ml·dag-1, mens det var høyere for en vanningshastighet på 100 ml·dag-1 (figur 12).

Figure 11
Figur 11: Gjennomsnittlig mengde vann vs. tid. Gjennomsnittlig vannmengde målt for en irrigasjonshastighet på 50 ml·dag-1 fordelt over en 24-timers periode i henhold til tre vanningsfrekvenser på en gang daglig, to ganger daglig og fem ganger per dag for 8 kolonner. Stolper angir standardfeilen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 12
Figur 12: Gjennomsnittlig mengde vann vs. vanningshastighet. Gjennomsnittlig vannmengde målt for en vanningshastighet på 50 ml·dag-1 over 8 kolonner og for vanningshastigheter på 100 ml·dag-1 og 150 ml·dag-1 over 10 kolonner. Stolper angir standardfeilen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Konstruksjonen og utformingen av dette oppsettet tillot innsamling av både det faste innholdet inne i kolonnene, bestående av (bearbeidet) steinpulver og organiske materialer, og den totale mengden sigevann som dryppet fra søylene over hele eksperimentperioden (figur 13). Til tross for at det lyktes å samle sigevannet, var den endelige mengden sigevann som ble samlet inn lavere enn mengden sigevann som var forventet å bli samlet inn ved slutten av forsøkene i henhold til vanningshastigheten (figur 14). Det reduserte oppsamlede sigevannet var mest sannsynlig et resultat av direkte fordampning og sigevannsutslipp i bunnen av søylene. Dette bør det tas hensyn til når resultatene fra analysene analyseres.

Figure 13
Figur 13: Representative bilder av søylene og sigevannet. Kolonner fylt med steinpulver og organisk materiale i begynnelsen av forsøkene (venstre side) og sigevann samlet i jerrykannene på slutten av forsøkene (høyre side). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 14
Figur 14: Totalt antall liter samlet på slutten av forsøkene per vanningshastighet. Stiplede linjer angir forventet mengde sigevann samlet inn i henhold til irrigasjonshastighet per forsøksperiode, angitt med den lyseblå linjen for 50 ml·dag-1, den mørkeblå linjen for 100 ml·dag-1 og den grønne linjen for 150 ml·dag-1. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Blandingen av bergpulver og organisk materiale ble analysert for å vurdere suksessraten for jordbiota med hensyn til mikrobiell samfunnssammensetning av bakterier og sopp og overlevelse og aktivitet for (figur 15).

Figure 15
Figur 15: soppvekst og overlevelse .På slutten av forsøkene og før prøvetaking, visuelle tegn på soppvekst (venstre side) og overlevelse (høyre side) i søylene fylt med steinpulver og organisk materiale. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Foruten andre parametere ble sigevannet analysert for TA og DIC, da TA og IC er gode proxyer for mineralforvitringshastigheter 4,29,30,31. TA ble målt med en Metrohm Titrando29,30, mens DIC var med en Skalar total organic carbon (TOC) analysator. Ved å bruke en TOC-analysator beregnes DIC ut fra forskjellen mellom totalt oppløst karbon (DC) og oppløst organisk karbon (DOC). Figur 16 og figur 17 viser den kumulative fordelingen for noen eksempelverdier hentet fra disse analysene for en eksperimentell kjøring. Ved å bruke dette eksperimentelle oppsettet varierte verdier for TA fra 0,019 mol til 0,025 mol, mens verdier for DIC varierte fra 7,352 mg C til 259,279 mg C (figur 16 og figur 17).

Figure 16
Figur 16: Sannsynlighetsfordeling av eksempelverdier målt for TA i sigevannet samlet inn ved slutten av forsøksperioden. Behandlinger der kolonner ble oversvømmet, vises ikke. Verdiene uttrykkes i mol og korrigeres for den totale mengden sigevann samlet ved slutten av forsøkene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 17
Figur 17: Sannsynlighetsfordeling av eksempelverdier målt for DIC i sigevannet samlet inn på slutten av forsøksperioden. Behandlinger der kolonner ble oversvømmet, vises ikke. Verdiene uttrykkes i mg karbon (C) og korrigeres for den totale mengden sigevann samlet inn ved slutten av forsøkene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Innenfor den nåværende forskningskonteksten har dette oppsettet blitt unikt designet for å optimalisere uorganisk karbonbinding ved å øke mineralforvitring gjennom aktiviteten til jordbiota, samtidig som man manipulerer abiotiske faktorer kjent for å stimulere forvitring. Muligheten i dette oppsettet for å samle både det faste bearbeidede materialet og sigevannet muliggjør en full karakterisering av begge fraksjonene. Til tross for den enorme mengden kolonner, sikrer innsamlingen av prøvene og analysene som utføres en datainnsamling av høy kvalitet. Dessuten er det å ha et stort antall kombinasjoner i en enkelt eksperimentell kjøring svært viktig for å analysere de innsamlede dataene med moderne og avanserte statistiske metoder, for eksempel maskinlæring. Disse metodene kan brukes til å bestemme hovedvariablene som fører til høye forvitringshastigheter og ytterligere karbonbinding. Følgelig gir dette oppsettet muligheten til å forbedre forståelsen av effektene som jordorganismer kan ha på EW og IC-sekvestrering. Dette er grunnleggende for å etablere mer realistiske begrensninger på grensene for EW og dens effektivitet i å redusere atmosfæriske CO2 -konsentrasjoner. Dette oppsettet presenterer flere originaliteter sammenlignet med eksisterende studier som undersøker EW og effekten av jordorganismer.

Når det gjelder effekten av abiotiske faktorer på EW, har disse allerede blitt undersøkt i tidligere studier 4,29,30,31,32,33,34. Noen av disse studiene sammenlignet forskjellige mengder, typer og kornstørrelser av bergarter, men oppsettet deres besto enten av et potteeksperiment 32,33 eller inkluderte blanding av steinpulver med jord34. Andre eksperimenter fokuserte på en bergart med forskjellige vanningshastigheter, men hadde ikke mulighet til å vanne ofte med et automatisert system eller fokuserte på flere vanningshastigheter og frekvenser35. Andre studier presenterte et oppsett som ligner på det som presenteres i gjeldende protokoll, med mulighet for å justere vanningshastigheter og opprettholde temperaturkonstant, i tillegg til varierende bergkornstørrelser og typer29,30. Videre var utformingen av disse oppsettene sammenlignbar med den som ble foreslått i dette manuskriptet og designet for å samle sigevannet for videre analyser29,30. I tillegg var CO2 -konsentrasjonene varierte i disse studiene som en annen faktor som øker forvitringen29. Imidlertid har ingen av disse tidligere studiene fokusert på effekten av biotiske faktorer på å fremme EW. I dette oppsettet er målet å forbedre forvitringsprosessen, og videre IC-sekvestrering, ved å inokulere spesifikke bakterier, sopp og og bestemme i hvilken grad de kan akselerere EW.

I forhold til effekten av biotiske faktorer på EW, har få studier ikke spesifikt fokusert på EW, men har undersøkt om jordorganismer kan påvirke mineralforvitring. Disse studiene har hovedsakelig undersøkt hvordan forvitring påvirkes av jordorganismer ved hjelp av kulturmedier 19,21, petriskåler 36, nylonposer nedgravd i jord14, eller små mengder steinpulver blandet med andre substrater36,37. Bruk av slike små systemer eller oppsett gjør det utfordrende å skille effekten av organismer fra andre variabler. Noen eksperimenter brukte et lignende oppsett som det her foreslåtte, men i mindre skala, med steinpulverfylte kolonner inokulert med jordorganismer38,39,40. Imidlertid vokste disse forsøkene enten samtidig planter og fokuserte ikke på den eksklusive effekten av spesifikke jordorganismer13,35, eller samlet ikke sigevannet 36. Dessuten har de fleste studiene som viste at bakterier, sopp og øker mineralforvitringen, fokusert på effekten av disse organismene på næringsfrigjøring som en indikasjon på forvitring i stedet for IC-sekvestrasjon 11,13,14,19,36,37,38 . Fremfor alt var ingen av disse tidligere studiene rettet mot å fremme EW eller presenterte muligheten for å justere og opprettholde abiotiske faktorer gjennom hele eksperimentelle perioden. I dette oppsettet, i stedet for å holde alle abiotiske faktorer konstante, testes en rekke kombinasjoner for fire abiotiske faktorer, for eksempel vanningshastigheter og frekvenser, bergpulvertype og kornstørrelse, med sikte på å fremme EW gjennom jordorganismers aktivitet.

Dessuten har ingen av de tidligere studiene som har fokusert på effekten av enten abiotiske eller biotiske faktorer på EW presentert muligheten for å ha et ekstremt stort antall kolonner og variabler innen en eksperimentell kjøring. I dette oppsettet er det mulig å teste flere forskjellige kombinasjoner av forskjellige variabler under en kjøring av eksperimenter på grunn av det imponerende antallet kolonner som oppsettet er designet for, samtidig som det gir resultater av høy kvalitet. Gitt nyheten i oppsettet, presenteres noen mulige forbedringer og gjenværende utfordringer som kan vurderes mens du designer fremtidige lignende oppsett.

Homogene luftforhold i inkubasjonskammeret bør sikres. Plasseringen av oppsettet i et klimakammer sørget for konstant temperatur og relativ fuktighet. Ventilasjonsbegrensninger (f.eks. luftstrøm) kan ha skapt romlig variasjon i atmosfæriske forhold og dermed ført til disproporsjonal fordampning fra søylene på bestemte steder, noe som er et vanlig fenomen i denne typen oppsett35. For å håndtere denne ulempen, når replikering og randomisering ikke er mulig, anbefales det å beregne en vannbalanse for kolonner plassert på forskjellige steder i hele kammeret.

Kolonnene skal være nøye justert med traktene når de er satt inn i akrylplaten for å unngå sigevannstap. I løpet av den eksperimentelle perioden som ble vurdert, oppstod sigevannstap fra bunnen av kolonnene på grunn av feil plassering av traktene eller på grunn av tilstopping av maskene. Sammen med fordampning kan dette delvis forklare hvorfor sigevannet som samlet seg var lavere enn forventet (figur 13). For å minimere disse tapene er det viktig å sørge for at traktene er optimalt plassert under kolonnene. Å bruke bredere trakter er også et levedyktig alternativ. I dette tilfellet bør det tas hensyn til hullets diameter under konstruksjonen av akrylplatene og avstanden mellom akrylplater.

Langsommere vannføring i jordsøyleforsøk der vann påføres ofte, er et tilbakevendende problem 7,30,40. I forsøkene som ble utført med det presenterte oppsettet, ble det i noen tilfeller brukt ganske høye vanningshastigheter og meget fine mineralkornstørrelser, som i utgangspunktet mangler en struktur som normalt observert i jord. Dette kan ha forårsaket at porene i maskene nederst i kolonnene som bare inneholder fine mineraler, tetter seg under forsøkene. Derfor strømmet ikke vann raskt nok gjennom søylene, noe som resulterte både i oversvømmelse av søylene, reduserte vanninfiltrasjon og sigevannsoppsamling, og i anoksiske forhold i kolonnene, noe som påvirket biogeokjemiske prosesser. For å redusere dette problemet er det viktig å alltid blande en viss prosentandel grovt med finere mineralkornstørrelser og unngå 100% veldig fine mineralkornstørrelsesblandinger. Et annet alternativ er å tillate er å la søylene oppleve et visst antall fukting / tørkesykluser for å initiere jordstrukturdannelse, og dermed forbedre vanninfiltrasjon. Dessuten, før starten av forsøket, ville det være nyttig å bestemme grunnleggende jordvannsdynamikk, som mettet og umettet strømnings- og vannretensjonskurve, i noen få mesokosmer for bedre å forstå gasstrømmen, mineralmetningstilstanden og drivere av organismers aktivitet.

Det presenterte eksperimentelle oppsettet er praktisk å bruke, presenterer en enkel installasjon og kan justeres i henhold til forskningsbehov. I sammenheng med mineralforvitring, med de nødvendige justeringene, kan den kobles til et gasskammer for ikke bare å karakterisere karbon i den faste og vandige fasen, men også å se på karbondynamikken i gassfasen. Dessuten kan dette oppsettet brukes til å studere realistiske vanninfiltrasjonshastigheter med tørr-våte sekvenser, da disse tidsdynamikkene sterkt kan påvirke forvitring41. Bruken av dette oppsettet er ikke begrenset til eksperimenter som utelukkende fokuserer på silikatmineraler, men det kan implementeres i kolonneeksperimenter som bruker forskjellige substrater. Dessuten kan lengden på forsøkene forkortes eller utvides i henhold til eksperimentelle behov, og antall kolonner kan endres. Muligheten for å samle prøver fra både det faste bearbeidede materialet og sigevannet gjør at vi kan utføre forskjellige analyser for å fokusere på en av de to komponentene eller begge. For å presentere kunnskap er dette det eneste oppsettet som er bygget så langt med et eksepsjonelt antall kolonner som tar sikte på å bruke jordorganismer for å forbedre mineralforvitring samtidig som de kontrollerer abiotiske forhold i et system laget av utelukkende silikatmineraler og organiske materialer.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker Ton van der Zalm fra Tupola for utviklingen av vanningsanlegget. I tillegg takker vi Jaco Baars fra Tupola for latteren og den mentale støtten som ble gitt under byggingen av dette oppsettet. Vi takker Peter Garamszegi og Ángel Velasco Sánchez for å hjelpe til med å vanne søylene manuelt når vanningsanlegget ikke fungerte. Vi takker også Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg og Kangying Xie for hjelpen under prøvetakingen. Vi takker Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen og Gerlinde Vink for hjelpen i laboratoriet, analysene av prøvene og de fruktbare diskusjonene. Til slutt takker vi Jeroen Zonneveld fra Unifarm for tilrettelegging og vedlikehold av klimakammeret. Dette oppsettet ble bygget som en del av prosjektet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), som er finansiert av EUs rammeprogram Horizon 2020 for forskning og innovasjon under tilskuddsavtale No 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

Biokjemi utgave 201
Design og konstruksjon av et eksperimentelt oppsett for å forbedre mineralforvitring gjennom aktiviteten til jordorganismer
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