Toprak Organizmalarının Aktivitesi Yoluyla Mineral Ayrışmayı Geliştirmek için Bir Deney Düzeneğinin Tasarımı ve İnşası
Summary
Burada, ayrışmayı uyardığı bilinen abiyotik değişkenleri aynı anda manipüle ederken, toprak organizmalarının aktivitesi yoluyla mineral ayrışmayı geliştirmek için bir deney düzeneğinin inşasını ve işleyişini sunuyoruz. Kurulumun işleyişinden ve örnek analizlerinden elde edilen temsili sonuçlar, iyileştirme noktaları ile birlikte tartışılmaktadır.
Abstract
Gelişmiş yaşlandırma (EW), iklim değişikliğinin azaltılmasına katkıda bulunabilecek, gelişmekte olan bir karbondioksit (CO2 ) giderme teknolojisidir. Bu teknoloji, bu süreci yöneten abiyotik değişkenleri, özellikle mineral tane boyutunu ve suda çözünmüş asitlere maruz kalmayı manipüle ederek topraklardaki doğal mineral ayrışma sürecini hızlandırmaya dayanır. EW esas olarak inorganik karbon tutumunu artırarak atmosferikCO2 konsantrasyonlarını azaltmayı amaçlar. Şimdiye kadar, EW bilgisi esas olarak mineral ayrışmayı uyardığı bilinen abiyotik değişkenlere odaklanan ve böylece biyotik bileşenlerin potansiyel etkisini ihmal eden deneyler yoluyla elde edilmiştir. Bakterilerin, mantarların ve solucanların mineral ayrışma oranlarını arttırdığı bilinmekle birlikte, toprak organizmalarının EW bağlamında kullanımı yeterince araştırılmamıştır.
Bu protokol, aynı anda abiyotik koşulları kontrol ederken toprak organizmaları yoluyla mineral ayrışma oranlarını artırmak için geliştirilen bir deney düzeneğinin tasarımını ve inşasını açıklar. Kurulum, toprak organizmalarının aktivitesini korurken ayrışma oranlarını en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmıştır. Kaya tozu ve organik malzeme ile doldurulmuş, bir iklim odasında bulunan ve aşağı akışlı bir sulama sistemi ile uygulanan su ile çok sayıda kolondan oluşur. Sütunlar, sızıntı suyunu toplamak için bidon içeren bir buzdolabının üzerine yerleştirilir. Temsili sonuçlar, bu kurulumun toprak organizmalarının aktivitesini sağlamak ve inorganik karbon tutumu üzerindeki etkilerini ölçmek için uygun olduğunu göstermektedir. Sızıntı suyu kayıplarının en aza indirilmesi, iklim odasından homojen havalandırmanın sağlanması ve kolonların su basmasının önlenmesi konusunda zorluklar devam etmektedir. Bu kurulumla, toprak biyotasının aktivitesi yoluyla mineral ayrışma oranlarını artırmak ve EW’nin itici güçleri olarak biyotik ve abiyotik faktörlerin etkisini çözmek için yenilikçi ve umut verici bir yaklaşım önerilmiştir.
Introduction
Gelişmiş yaşlandırma (EW), iklim değişikliğini hafifletmek için önemli bir potansiyele sahip nispeten yeni ve düşük teknolojili bir karbondioksit giderme (CDR) teknolojisidir 1,2,3. Bu teknolojinin prensibi, topraklardaki doğal mineral ayrışma sürecini hızlandırmaya dayanır ve karbondioksitin (CO2) inorganik karbon (IC) olarak tutulmasına yol açar.3. Gelişmiş ayrışma, mineral ayrışmayı yöneten faktörleri yapay olarak optimize ederek IC sekestrasyonunu artırmayı ve böylece ayrışmanın insan açısından ilgili zaman ölçeklerinde meydana gelme hızını artırmayı amaçlar3. EW’nin en etkili olması için, hızlı ayrışan silikat mineralleri, ~ 1 m2 · g-1 aralığında yüksek reaktif bir yüzey alanına ulaşmak için mikrometre ila milimetre aralığında tane boyutu dağılımına sahip bir toz haline getirilir 3,4.
Şimdiye kadar, EW hakkındaki bilgiler esas olarak minerallerin çözünme oranlarını yöneten abiyotik faktörlere odaklanan deneylerle sağlanmıştır5. Bunlar arasında mineral reaktivitesi ve yüzey alanı, sıcaklık, çözelti bileşimi, suda kalma süresi ve asitlik 4,6,7 yer alır, ancak bu bağlamda hala araştırma yapılması gerekmektedir. Abiyotik faktörlerden etkilenmenin yanı sıra, doğal sistemler ve özellikle topraklar, mikroplardan solucanlar gibi makrofaunaya kadar çok sayıda organizma tarafından şekillendirilir. Bazı çalışmalar, mineral çözünmesininbiyotik aktivitesinin çok az etkisini veya hiç etkisini göstermemiş olmasına rağmen, 8,9,10, diğer çalışmalar, bakteri11,12, mantar13,14 ve solucan 15,16 gibi toprak organizmalarının mineral ayrışma oranlarını artırabilir. Bu nedenle, biyotik bileşenler, EW5’in gerçek IC sekestrasyon potansiyelini anlamanın anahtarı olabilir.
Toprak organizmalarının mineral çözünmesini hızlandırabileceği ilk yaygın mekanizma, solunum sırasında toprak asitlenmesini artıran CO2 salınımıdır17. Ayrıca, bakteri ve mantarlar, tümü mineral çözünmesini artıran protonlar, şelatlar, organik asitler ve enzimler yayarak mineral ayrışmasını artırabilir 18,19,20,21. Örneğin, karboksil ve hidroksil grupları yoluyla şelasyon, iyon dengesizlikleri yaratabilir, elementleri minerallerin yüzeylerinden uzağa taşıyabilir ve doygunluk durumlarınıdüşürebilir 20,22. Bu, daha az ikincil mineral oluşumuna ve daha yüksek EW verimliliğine yol açabilir. Dahası, toprak parçacıklarıyla beslenerek, solucanların vücut duvarlarının güçlü hareketleri, mineral tanelerini daha ince parçacıklara ayırarak mevcut reaktif yüzey alanlarını artırabilir23. Solucanların bağırsaklarında ve taze dışkılarda yaşayan mikroplar, organik asitleri ve enzimleri daha fazla eksüde eden bu küçük parçacıklara daha fazla saldırabilir24,25. Solucanlar, oyuk açma aktiviteleri sayesinde, organik ve mineral parçacıkların karışmasına katkıda bulunmanın yanı sıra, su akışının doymuş gözenek alanını atlamasına izin verebilecek makro gözenekler de oluştururlar17. Bu, suyun farklı mineral yüzeylerle etkileşime girmesini sağlayabilir ve su-kaya temas oranını artırabilir.
Şimdiye kadar, su girdileri, sıcaklık, mineral türü ve mineral tane boyutu gibi farklı ilgili abiyotik koşulları optimize etme imkanı sağlarken, toprak organizmalarını kullanarak EW oranlarını ve dolayısıyla IC sekestrasyonunu incelemek için herhangi bir kurulum yapılmamıştır. Burada, küçük mezokozmlarda toprak organizmalarının aktivitesi yoluyla EW oranlarını artırmayı amaçlayan yenilikçi bir kurulumun yapım adımlarının tasarımı ve açıklaması sunulmaktadır. Deney düzeneği, 8 hafta boyunca 25 °C’de bir iklim odasına (4.54 m x 2.72 m) yerleştirilmiş 203 sütundan (uzunluk 15 cm, çap 7 cm) oluşmaktadır. 203 sütun, iklim odasına sığması için 18’li 10 gruba ve 10’lu 2 gruba ayrılmıştır. 10 sütundan oluşan iki gruptan biri, boşluk olarak kullanılan üç sütunun daha eklenmesine izin vermek için kullanılır. Her grup bir buzdolabının üzerine yerleştirilir ve buzdolapları içinde ve arasında değişken sulama oranlarına izin veren uzaktan kontrol edilebilir bir sulama sistemi ile doldurulur. Her bir kolonun sızıntı suyu, buzdolabında sabit bir sıcaklıkta tutulan bir bidon içinde toplanır (Şekil 1). Bir buzdolabı, bir grup sütunun sızıntı suyunu toplar, yani bir buzdolabının 18 veya 10 sütundan oluşan tek bir sistem olarak düşünülebileceği anlamına gelir. Bu nedenle, bu deney düzeneğindeki sütun sayısı, maksimum 203 sütun ile deneysel gereksinimlere göre ayarlanabilir.
Şekil 1: 5 sütunu gösteren ancak 18 sütunlu bir sistem göz önüne alındığında kurulumun şematik yan görünümü. Kolonları tutan çerçeve paslanmaz çelik plakalardan, paslanmaz çelik vidalardan ve akrilik plakalardan yapılmıştır. Sütunlar çerçevenin ortasına yerleştirilmiştir ve bir sulama sistemi ile kaplanmıştır. Kolonların altında, sızıntı suyunu toplamak için huniler borular aracılığıyla bidonlara bağlanır. Bidonlar, tüm sistemi tutan bir buzdolabındadır. Buzdolabı kapağı kaldırılarak açılabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Bu kurulumda, belirli tane boyutlarında silikat kaya tozlarının kullanılması, yüksek ayrışma oranlarına ulaşılabilmesini sağlarken, özel olarak seçilmiş bakteri, mantar ve solucanlarla aşılama, bu yapay sistemdeki biyotik aktiviteyi sağlar. Kurulum, hem çözünmüş hem de katı IC’nin yanı sıra toplam alkaliniteyi (TA) ölçerek katıda ve sıvı numunelerde tutulan karbonun eşzamanlı olarak ölçülmesini sağlar. Ayrıca, sızıntı suyunda pH, elektriksel iletkenlik (EC) ve iyonlar gibi diğer parametreler yaşlandırma göstergesi olarak ölçülebilir. Bu kurulum aynı zamanda toprak organizmalarının hayatta kalma ve faaliyetlerinin etkisinin değerlendirilmesine de izin verir. Temsili sonuçların, bu protokolün, ayrışma oranlarındaki artışların sadece abiyotik faktörlerden değil, aynı zamanda biyotik faktörlerden de türetildiği bir kurulum oluşturmak için uygunluğunu kanıtladığı gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mevcut araştırma bağlamında, bu kurulum, toprak biyotasının aktivitesi yoluyla mineral ayrışmayı artırarak inorganik karbon tutumunu optimize etmek ve aynı zamanda ayrışmayı uyarmak için bilinen abiyotik faktörleri manipüle etmek için benzersiz bir şekilde tasarlanmıştır. Bu kurulumda hem katı işlenmiş malzemenin hem de sızıntı suyunun toplanması olasılığı, her iki fraksiyonun tam bir karakterizasyonunu sağlar. Çok sayıda sütuna rağmen, örneklerin toplanması ve yapılan analizler yüksek kaliteli bir veri toplama sağlar. Ayrıca, tek bir deneysel çalışmada çok sayıda kombinasyona sahip olmak, toplanan verilerin makine öğrenimi gibi modern ve gelişmiş istatistiksel yöntemlerle analiz edilmesi için çok önemlidir. Bu yöntemler, yüksek ayrışma oranlarına ve daha fazla karbon tutulmasına yol açan ana değişkenleri belirlemek için kullanılabilir. Sonuç olarak, bu kurulum, toprak organizmalarının EW ve IC sekestrasyonu üzerindeki etkilerinin anlaşılmasını geliştirme fırsatı sunar. Bu, EW’nin sınırları ve atmosferik CO2 konsantrasyonlarını azaltmadaki etkinliği hakkında daha gerçekçi kısıtlamalar oluşturmak için esastır. Bu kurulum, EW’yi ve toprak organizmalarının etkisini araştıran mevcut çalışmalara kıyasla çeşitli özgünlükler sunmaktadır.
Abiyotik faktörlerin EW üzerindeki etkileri ile ilgili olarak, bunlar daha önceki çalışmalardaaraştırılmıştır 4,29,30,31,32,33,34. Bu çalışmalardan bazıları, kayaların farklı miktarlarını, türlerini ve tane boyutlarını karşılaştırdı, ancak kurulumları ya bir çömlek deneyinden(32,33) oluşuyordu ya da kaya tozunun topraklakarıştırılmasını içeriyordu 34. Diğer deneyler, farklı sulama oranlarına sahip bir kaya türüne odaklandı, ancak otomatik bir sistemle sık sık sulama yapma imkanı yoktu veya çoklu sulama oranlarına ve sıklıklarına odaklandı35. Diğer çalışmalar, değişen kaya tanesi boyutları ve tiplerinin yanı sıra sulama oranlarını ayarlama ve sıcaklığı sabit tutma olasılığı ile mevcut protokolde sunulana benzer bir kurulum sunmuştur29,30. Ayrıca, bu kurulumların tasarımı, mevcut el yazmasında önerilenle karşılaştırılabilir ve daha ileri analizler için sızıntı suyunu toplamak üzere tasarlanmıştır29,30. Ek olarak, bu çalışmalarda CO2 konsantrasyonları, ayrışmayı artıran başka bir faktör olarak değiştirilmiştir29. Bununla birlikte, bu önceki çalışmaların hiçbiri biyotik faktörlerin EW’yi teşvik etme üzerindeki etkisine odaklanmamıştır. Bu kurulumda amaç, belirli bakterileri, mantarları ve solucanları aşılayarak ve EW’yi ne ölçüde hızlandırabileceklerini belirleyerek ayrışma sürecini ve daha fazla IC sekestrasyonunu geliştirmektir.
Biyotik faktörlerin EW üzerindeki etkisi ile ilgili olarak, az sayıda çalışma özellikle EW’ye odaklanmamış, ancak toprak organizmalarının mineral ayrışmasını etkileyip etkilemeyeceğini araştırmıştır. Bu çalışmalar esas olarak, kültür ortamları 19,21, Petri kapları36, toprağa gömülü naylon torbalar14 veya diğer substratlarla karıştırılmış az miktarda kaya tozu36,37 kullanılarak hava koşullarının toprak organizmalarından nasıl etkilendiğini araştırmıştır. Bu tür küçük sistemleri veya kurulumları kullanmak, organizmaların etkisini diğer değişkenlerden ayırmayı zorlaştırır. Bazı deneyler, burada önerilene benzer bir kurulum kullandı, ancak daha küçük ölçekte, toprak organizmaları ile aşılanmış kaya tozu dolu sütunlarla38,39,40. Bununla birlikte, bu deneyler ya bitkileri eşzamanlı olarak büyüttü ve belirli toprak organizmalarının özel etkisineodaklanmadı 13,35 ya da sızıntı suyunutoplamadı 36. Ayrıca, bakteri, mantar ve solucanların mineral ayrışmayı arttırdığını gösteren çalışmaların çoğu, bu organizmaların IC sekestrasyonundan ziyade ayrışmanın bir göstergesi olarak besin salınımı üzerindeki etkisine odaklanmıştır 11,13,14,19,36,37,38 . Her şeyden önce, bu önceki çalışmaların hiçbiri EW’yi teşvik etmeyi amaçlamadı veya deney süresi boyunca abiyotik faktörlerin ayarlanması ve sürdürülmesi olasılığını sunmadı. Bu kurulumda, tüm abiyotik faktörleri sabit tutmak yerine, toprak organizmalarının aktivitesi yoluyla EW’yi teşvik etmek amacıyla su sulama oranları ve sıklıkları, kaya tozu türü ve tane boyutu gibi dört abiyotik faktör için çok sayıda kombinasyon test edilir.
Ayrıca, abiyotik veya biyotik faktörlerin EW üzerindeki etkisine odaklanan önceki çalışmaların hiçbiri, bir deneysel çalışmada çok sayıda sütun ve değişkene sahip olma olasılığını sunmamıştır. Bu kurulumda, kurulumun tasarlandığı etkileyici sütun sayısı nedeniyle bir deneme çalıştırması sırasında çeşitli değişkenlerin birden çok farklı kombinasyonunu test etmek mümkündür ve yine de yüksek kaliteli sonuçlar sağlar. Kurulumun yeniliği göz önüne alındığında, gelecekteki benzer kurulumları tasarlarken göz önünde bulundurulabilecek bazı olası iyileştirmeler ve kalan zorluklar aşağıda sunulmuştur.
Kuluçka odasında homojen hava koşulları sağlanmalıdır. Kurulumun bir iklim odasına yerleştirilmesi, sabit sıcaklık ve bağıl nem sağladı. Havalandırma kısıtlamaları (örneğin, hava akışı) atmosferik koşullarda mekansal değişkenlik yaratmış ve bu nedenle belirli konumlarda kolonlardan orantısız buharlaşmaya yol açmış olabilir, bu da bu tür bir kurulumda yaygın bir fenomendir35. Bu dezavantajı gidermek için, çoğaltma ve rastgeleleştirme mümkün olmadığında, oda boyunca çeşitli yerlere yerleştirilmiş sütunlar için bir su dengesinin hesaplanması tavsiye edilir.
Sızıntı suyu kaybını önlemek için sütunlar akrilik plakaya yerleştirildikten sonra hunilerle dikkatlice hizalanmalıdır. Ele alınan deney süresi boyunca, hunilerin yanlış konumlandırılması veya ağların tıkanması nedeniyle kolonların altından sızıntı suyu kayıpları meydana geldi. Buharlaşma ile birlikte bu, toplanan sızıntı suyunun neden beklentilere göre daha düşük olduğunu kısmen açıklayabilir (Şekil 13). Bu kayıpları en aza indirmek için, hunilerin sütunların altına en uygun şekilde yerleştirildiğinden emin olmak önemlidir. Daha geniş huniler kullanmak da uygun bir seçenektir. Bu durumda akrilik levhaların yapımı sırasında deliklerin çapına ve akrilik levhalar arasındaki mesafeye dikkat edilmelidir.
Suyun sık uygulandığı toprak kolonu deneylerinde daha yavaş su akışı tekrar eden bir konudur 7,30,40. Sunulan düzenekle yapılan deneylerde, bazı durumlarda, başlangıçta topraklarda normal olarak gözlemlenen bir yapıya sahip olmayan oldukça yüksek sulama oranları ve çok ince mineral tane boyutları kullanılmıştır. Bu, sadece ince mineraller içeren sütunların altındaki ağların gözeneklerinin deneylerin çalışması sırasında tıkanmasına neden olmuş olabilir. Bu nedenle, su kolonlardan yeterince hızlı akmadı, bu da hem kolonların su basmasına, su sızmasının ve sızıntı suyu toplanmasının azalmasına hem de kolonlar içindeki anoksik koşullarda biyojeokimyasal süreçleri etkilemesine neden oldu. Bu sorunu hafifletmek için, her zaman belirli bir oranda kaba taneyi daha ince mineral tane boyutlarıyla karıştırmak ve %100 çok ince mineral tane boyutu karışımlarından kaçınmak önemlidir. Diğer bir seçenek ise, toprak yapısı oluşumunu başlatmak ve böylece su sızmasını iyileştirmek için kolonların belirli sayıda ıslatma/kurutma döngüsü yaşamasına izin vermektir. Ayrıca, deneye başlamadan önce, gaz akışını, mineral doygunluk durumunu ve organizmaların aktivitesinin itici güçlerini daha iyi anlamak için birkaç mezokozmda doymuş ve doymamış akış ve su tutma eğrisi gibi temel toprak su dinamiklerini belirlemek faydalı olacaktır.
Sunulan deney düzeneğinin kullanımı uygundur, basit bir kurulum sunar ve araştırma ihtiyaçlarına göre ayarlanabilir. Mineral ayrışma bağlamında, gerekli ayarlamalarla, sadece katı ve sulu fazdaki karbonu karakterize etmek için değil, aynı zamanda gaz fazındaki karbonun dinamiklerine de bakmak için bir gaz odası ile birleştirilebilir. Ayrıca, bu kurulum, kuru-ıslak dizilerle gerçekçi su sızma oranlarını incelemek için kullanılabilir, çünkü bu zamansal dinamikler ayrışmayı güçlü bir şekilde etkileyebilir41. Bu kurulumun kullanımı, yalnızca silikat minerallerine odaklanan deneylerle sınırlı değildir, ancak farklı substratlar kullanan kolon deneylerinde uygulanabilir. Ayrıca, deneylerin uzunluğu deneysel ihtiyaçlara göre kısaltılabilir veya uzatılabilir ve sütun sayısı değiştirilebilir. Hem katı işlenmiş malzemelerden hem de sızıntı suyundan numune toplama imkanı, iki bileşenden birine veya her ikisine odaklanmak için farklı analizler yapmamızı sağlar. Bilgi sunmak için, bu, yalnızca silikat mineralleri ve organik malzemelerden oluşan bir sistemde abiyotik koşulları kontrol ederken aynı zamanda mineral ayrışmayı iyileştirmek için toprak organizmalarını kullanmayı amaçlayan istisnai sayıda sütunla şimdiye kadar inşa edilmiş tek kurulumdur.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sulama sisteminin geliştirilmesi için Tupola’dan Ton van der Zalm’a teşekkür ederiz. Ek olarak, bu kurulumun inşası sırasında verilen kahkahalar ve zihinsel destek için Tupola’dan Jaco Baars’a teşekkür ederiz. Peter Garamszegi ve Ángel Velasco Sánchez’e, sulama sistemi çalışmadığında sütunların manuel olarak sulanmasına yardımcı oldukları için teşekkür ederiz. Ayrıca örnekleme sırasında sağlanan yardımlar için Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg ve Kangying Xie’ye teşekkür ederiz. Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen ve Gerlinde Vink’e laboratuvardaki yardımları, numunelerin analizleri ve verimli tartışmalar için teşekkür ederiz. Son olarak, iklim odasının sağlanması ve bakımı için Unifarm’dan Jeroen Zonneveld’e teşekkür ederiz. Bu kurulum, Avrupa Birliği Horizon 2020 çerçeve programı tarafından 964545 No’lu hibe sözleşmesi kapsamında araştırma ve yenilik için finanse edilen Biyo-Hızlandırılmış Mineral Ayrışma (BAM!) projesinin bir parçası olarak inşa edilmiştir.
Materials
| 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. |
References
- Beerling, D. J., et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature. 583 (7815), 242-248 (2020).
- Fuss, S., et al. Negative emissions – Part 2: Costs, potentials and side effects. Environmental Research Letters. 13, 063002 (2018).
- Goll, D. S., et al. Potential CO2 removal from enhanced weathering by ecosystem responses to powdered rock. Nature Geoscience. 14 (8), 545-549 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gouda, S., et al. Revitalization of plant growth promoting rhizobacteria for sustainable development in agriculture. Microbiological Research. 206, 131-140 (2018).
- Burghelea, C. I., et al. Trace element mobilization during incipient bioweathering of four rock types. Geochimica et Cosmochimica Acta. 234, 98-114 (2018).
- Wild, B., Imfeld, G., Daval, D. Direct measurement of fungal contribution to silicate weathering rates in soil. Geology. 49 (9), 1055-1058 (2021).
- Hu, L., et al. Earthworm gut bacteria increase silicon bioavailability and acquisition by maize. Soil Biology and Biochemistry. 125, 215-221 (2018).
- 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).
- Schwartzman, D. The geobiology of weathering: a 13th hypothesis. arXiv. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Suzuki, Y., Matsubara, T., Hoshino, M. Breakdown of mineral grains by earthworms and beetle larvae. Geoderma. 112 (1-2), 131-142 (2003).
- 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).
- Georgiadis, A., Marhan, S., Lattacher, A., Mäder, P., Rennert, T. Do earthworms affect the fractionation of silicon in soil. Pedobiologia. 75, 1-7 (2019).
- TRBA 450 classification criteria for biological agents. Available from: https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRBA/TRBA-450.html (2016)
- TRBA 466 Classification of prokaryotes (bacteria and archaea) into risk groups. Available from: https://www.baua.de/EN/Service/Legislative-texts-and-technical-rules/Rules/TRBA/TRBA-466.html (2010)
- TRBA 460 Classification of fungi in risk groups. Available from: https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRBA/TRBA-460.html (2016)
- Amann, T., Hartmann, J. Carbon accounting for enhanced weathering. Frontiers in Climate. 4, 849948 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- Amann, T., et al. Enhanced weathering and related element fluxes-a cropland mesocosm approach. Biogeosciences. 17 (1), 103-119 (2020).
- 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).
- 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).
- Carpenter, D., Hodson, M. E., Eggleton, P., Kirk, C. Earthworm induced mineral weathering: preliminary results. European Journal of Soil Biology. 43, S176-S183 (2007).
- De Souza, M. E. P., et al. Vermicomposting with rock powder increases plant growth. Applied Soil Ecology. 69, 56-60 (2013).
- Burghelea, C., et al. Mineral nutrient mobilization by plants from rock: influence of rock type and arbuscular mycorrhiza. Biogeochemistry. 124, 187-203 (2015).
- Zaharescu, D. G., et al. Ecosystem composition controls the fate of rare earth elements during incipient soil genesis. Scientific Reports. 7, 43208 (2017).
- 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).
- Calabrese, S., et al. Nano-to global-scale uncertainties in terrestrial enhanced weathering. Environmental Science & Technology. 56 (22), 15261-15272 (2022).
