Progettazione e realizzazione di un setup sperimentale per il miglioramento dell'alterazione dei minerali attraverso l'attività degli organismi del suolo
Summary
Qui presentiamo la costruzione e il funzionamento di un setup sperimentale per migliorare l’alterazione minerale attraverso l’attività degli organismi del suolo manipolando contemporaneamente variabili abiotiche note per stimolare l’erosione. Vengono discussi i risultati rappresentativi del funzionamento del setup e delle analisi del campione, insieme ai punti di miglioramento.
Abstract
L’Enhanced Weathering (EW) è una tecnologia emergente di rimozione dell’anidride carbonica (CO2 ) che può contribuire alla mitigazione dei cambiamenti climatici. Questa tecnologia si basa sull’accelerazione del processo naturale di alterazione dei minerali nei suoli manipolando le variabili abiotiche che governano questo processo, in particolare la granulometria dei minerali e l’esposizione agli acidi disciolti nell’acqua. L’EW mira principalmente a ridurre le concentrazioni atmosferiche di CO2 migliorando il sequestro del carbonio inorganico. Fino ad ora, la conoscenza dell’EW è stata acquisita principalmente attraverso esperimenti che si sono concentrati sulle variabili abiotiche note per stimolare l’erosione minerale, trascurando così la potenziale influenza delle componenti biotiche. Mentre batteri, funghi e lombrichi sono noti per aumentare i tassi di alterazione dei minerali, l’uso di organismi del suolo nel contesto dell’EW rimane poco esplorato.
Questo protocollo descrive la progettazione e la costruzione di un setup sperimentale sviluppato per migliorare i tassi di alterazione dei minerali attraverso gli organismi del suolo, controllando contemporaneamente le condizioni abiotiche. L’installazione è progettata per massimizzare i tassi di alterazione degli agenti atmosferici mantenendo l’attività degli organismi del suolo. È costituito da un gran numero di colonne riempite con polvere di roccia e materiale organico, situate in una camera climatica e con acqua applicata tramite un sistema di irrigazione a flusso discendente. Le colonne sono poste sopra un frigorifero contenente taniche per raccogliere il percolato. Risultati rappresentativi dimostrano che questa configurazione è adatta a garantire l’attività degli organismi del suolo e a quantificare il loro effetto sul sequestro del carbonio inorganico. Le sfide rimangono nel ridurre al minimo le perdite di percolato, garantire una ventilazione omogenea attraverso la camera climatica ed evitare l’allagamento delle colonne. Con questa configurazione, viene proposto un approccio innovativo e promettente per migliorare i tassi di alterazione minerale attraverso l’attività del biota del suolo e districare l’effetto dei fattori biotici e abiotici come driver dell’EW.
Introduction
L’Enhanced Weathering (EW) è una tecnologia relativamente nuova e a bassa tecnologia per la rimozione dell’anidride carbonica (CDR) con un potenziale significativo per mitigare il cambiamento climatico 1,2,3. Il principio di questa tecnologia si basa sull’accelerazione del processo naturale di alterazione dei minerali nel suolo, portando al sequestro dell’anidride carbonica (CO2 ) come carbonio inorganico (IC)3. L’invecchiamento potenziato mira ad aumentare il sequestro dell’IC ottimizzando artificialmente i fattori che governano l’erosione minerale, aumentando così la velocità con cui si verifica l’alterazione atmosferica a scale temporali umanamente rilevanti3. Affinché l’EW sia più efficace, i minerali silicati a rapida alterazione atmosferica vengono macinati in una polvere con una distribuzione granulometrica nell’intervallo da micrometri a millimetri per raggiungere un’elevata area superficiale reattiva nell’intervallo ~1 m2·g-1 3,4.
Finora, la conoscenza dell’EW è stata fornita principalmente da esperimenti che si concentrano sui fattori abiotici che governano la velocità con cui i minerali vengono disciolti5. Questi includono la reattività minerale e l’area superficiale, la temperatura, la composizione della soluzione, il tempo di permanenza dell’acqua e l’acidità 4,6,7, ma la ricerca deve ancora essere fatta in questo contesto. Oltre ad essere influenzati da fattori abiotici, i sistemi naturali, e i suoli in particolare, sono modellati da un vasto numero di organismi, che vanno dai microbi alla macrofauna come i lombrichi. Nonostante alcuni studi abbiano mostrato poca o nessuna influenza dell’attività biotica della dissoluzione minerale 8,9,10, altri studi hanno fornito prove che gli organismi del suolo come batteri 11,12, funghi 13,14 e lombrichi15,16 potrebbe aumentare i tassi di alterazione dei minerali. Pertanto, i componenti biotici potrebbero essere la chiave per comprendere l’effettivo potenziale di sequestro dell’ICdi EW 5.
Il primo meccanismo comune attraverso il quale gli organismi del suolo potrebbero accelerare la dissoluzione dei minerali è attraverso il rilascio di CO2 durante la respirazione, che aumenta l’acidificazione del suolo17. Inoltre, batteri e funghi potrebbero aumentare l’erosione minerale trasudando protoni, chelati, acidi organici ed enzimi, che migliorano la dissoluzione minerale 18,19,20,21. Ad esempio, la chelazione attraverso i gruppi carbossilici e ossidrilici può creare squilibri ionici, trasportando elementi lontano dalle superfici dei minerali e abbassando gli stati di saturazione20,22. Ciò potrebbe portare a una minore formazione di minerali secondari e a una maggiore efficienza dell’EW. Inoltre, nutrendosi di particelle di suolo, le forti azioni delle pareti del corpo dei lombrichi potrebbero scomporre i granuli minerali in particelle più fini, aumentando la loro superficie reattiva disponibile23. I microbi che vivono nell’intestino dei lombrichi e negli escrementi freschi potrebbero attaccare ulteriormente queste particelle più piccole, che essudano ulteriormente gli acidi organici e gli enzimi24,25. Attraverso la loro attività di scavo, oltre a contribuire alla miscelazione di particelle organiche e minerali, i lombrichi creano anche macropori che potrebbero consentire al flusso d’acqua di bypassare lo spazio poroso saturo17. Ciò potrebbe consentire all’acqua di interagire con diverse superfici minerali e migliorare il tasso di contatto acqua-roccia.
Fino ad ora, non è stata costruita alcuna configurazione per studiare i tassi di EW e quindi il sequestro di IC utilizzando organismi del suolo, garantendo al contempo la possibilità di ottimizzare diverse condizioni abiotiche rilevanti, come gli apporti idrici, la temperatura, il tipo di minerale e la dimensione dei grani minerali. Qui vengono presentati il progetto e la spiegazione delle fasi di costruzione di un setup innovativo che mira ad aumentare i tassi di EW attraverso l’attività degli organismi del suolo in piccoli mesocosmi. L’allestimento sperimentale consiste in 203 colonne (lunghezza 15 cm, diametro 7 cm) poste in una camera climatica (4,54 m x 2,72 m) a 25 °C per 8 settimane. Le 203 colonne sono divise in 10 gruppi da 18 e 2 gruppi da 10 per adattarsi alla camera climatica. Uno dei due gruppi di 10 colonne viene utilizzato per consentire l’inserimento di altre tre colonne che vengono utilizzate come spazi vuoti. Ogni gruppo è posizionato sopra un frigorifero ed è sormontato da un sistema di irrigazione controllabile a distanza, che consente velocità di irrigazione variabili all’interno e tra i frigoriferi. Il percolato di ogni colonna viene raccolto in una tanica mantenuta a temperatura costante in frigorifero (Figura 1). Un frigorifero raccoglie il percolato di un gruppo di colonne, il che significa che un frigorifero può essere considerato come un unico sistema di 18 o 10 colonne. Pertanto, il numero di colonne in questa configurazione sperimentale può essere regolato in base ai requisiti sperimentali con un massimo di 203 colonne.
Figura 1: Vista laterale schematica della configurazione che mostra 5 colonne ma considerando un sistema di 18 colonne. Il telaio che sostiene le colonne è costituito da piastre in acciaio inox, viti in acciaio inox e lastre in acrilico. Le colonne sono posizionate al centro del telaio e sono sormontate da un sistema di irrigazione. Al di sotto delle colonne, gli imbuti sono collegati alle taniche attraverso tubi per raccogliere il percolato. Le taniche si trovano in un frigorifero che contiene l’intero sistema. Il frigorifero può essere aperto sollevando il coperchio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In questo allestimento, l’utilizzo di polveri di roccia silicatica di granulometrie specifiche garantisce il raggiungimento di elevati tassi di invecchiamento, mentre l’inoculo con batteri, funghi e lombrichi appositamente selezionati garantisce l’attività biotica in questo sistema artificiale. La configurazione consente la quantificazione simultanea del carbonio sequestrato nei campioni solidi e liquidi misurando sia l’IC disciolto che quello solido, nonché l’alcalinità totale (TA). Inoltre, altri parametri come il pH, la conducibilità elettrica (EC) e gli ioni possono essere misurati nel percolato come indicatori di agenti atmosferici. Questa configurazione consente anche di valutare l’impatto della sopravvivenza e dell’attività degli organismi del suolo. Sono stati mostrati risultati rappresentativi che dimostrano l’idoneità di questo protocollo a costruire una configurazione in cui l’aumento dei tassi di alterazione atmosferica deriva non solo da fattori abiotici ma anche da fattori biotici.
Protocol
Representative Results
Discussion
All’interno dell’attuale contesto di ricerca, questa configurazione è stata progettata in modo univoco per ottimizzare il sequestro del carbonio inorganico migliorando l’erosione minerale attraverso l’attività del biota del suolo, manipolando contemporaneamente fattori abiotici noti per stimolare gli agenti atmosferici. La possibilità in questa configurazione di raccogliere sia il materiale solido lavorato che il percolato consente una caratterizzazione completa di entrambe le frazioni. Nonostante l’enorme quantità di colonne, la raccolta dei campioni e le analisi effettuate garantiscono una raccolta dati di alta qualità. Inoltre, avere un gran numero di combinazioni in un’unica esecuzione sperimentale è molto importante per analizzare i dati raccolti con metodi statistici moderni e avanzati, come il machine learning. Questi metodi possono essere utilizzati per determinare le principali variabili che portano ad alti tassi di invecchiamento e a un ulteriore sequestro del carbonio. Di conseguenza, questa configurazione offre l’opportunità di migliorare la comprensione degli effetti che gli organismi del suolo possono avere sul sequestro di EW e IC. Questo è fondamentale per stabilire vincoli più realistici sui confini dell’EW e sulla sua efficienza nel ridurre le concentrazioni atmosferiche di CO2 . Questa configurazione presenta diverse originalità rispetto agli studi esistenti che indagano l’EW e l’effetto degli organismi del suolo.
Per quanto riguarda gli effetti dei fattori abiotici sull’EW, questi sono già stati studiati in precedenti studi 4,29,30,31,32,33,34. Alcuni di questi studi hanno confrontato diverse quantità, tipi e granulometrie di rocce, ma la loro configurazione consisteva in un esperimento in vaso 32,33 o includeva la miscelazione di polvere di roccia con terreno34. Altri esperimenti si sono concentrati su un tipo di roccia con diverse velocità di irrigazione, ma non hanno avuto la possibilità di irrigare frequentemente con un sistema automatizzato o si sono concentrati su più velocità e frequenzedi irrigazione 35. Altri studi hanno presentato una configurazione simile a quella presentata nell’attuale protocollo, con la possibilità di regolare le portate di irrigazione e mantenere costante la temperatura, oltre a variare le dimensioni e i tipi di grani di roccia29,30. Inoltre, il disegno di questi allestimenti era paragonabile a quello proposto nel presente manoscritto e progettato per raccogliere il percolato per ulteriori analisi29,30. Inoltre, le concentrazioni di CO2 sono state variate in questi studi come un altro fattore che migliora l’invecchiamento29. Tuttavia, nessuno di questi studi precedenti si è concentrato sull’effetto dei fattori biotici sulla promozione dell’EW. In questa configurazione, l’obiettivo è quello di migliorare il processo di alterazione e l’ulteriore sequestro dei circuiti integrati, inoculando batteri, funghi e lombrichi specifici e determinando in che misura possono accelerare l’EW.
In relazione all’effetto dei fattori biotici sull’EW, pochi studi non si sono concentrati specificamente sull’EW, ma hanno indagato se gli organismi del suolo possono influenzare l’erosione minerale. Questi studi hanno esplorato principalmente come gli agenti atmosferici siano influenzati dagli organismi del suolo utilizzando terreni di coltura 19,21, piastre di Petri 36, sacchi di nylon sepolti nel terreno14 o piccole quantità di polvere di roccia mescolata con altri substrati36,37. L’utilizzo di sistemi o configurazioni così piccoli rende difficile distinguere l’effetto degli organismi da altre variabili. Alcuni esperimenti hanno utilizzato una configurazione simile a quella qui proposta, ma su scala più piccola, con colonne piene di polvere di roccia inoculate con organismi del suolo38,39,40. Tuttavia, questi esperimenti hanno coltivato contemporaneamente piante e non si sono concentrati sull’effetto esclusivo di specifici organismi del suolo13,35, o non hanno raccolto il percolato 36. Inoltre, la maggior parte degli studi che hanno dimostrato che batteri, funghi e lombrichi aumentano l’erosione minerale si sono concentrati sull’effetto di questi organismi sul rilascio di nutrienti come indicazione di agenti atmosferici piuttosto che sul sequestro di IC 11,13,14,19,36,37,38 . Soprattutto, nessuno di questi studi precedenti mirava a promuovere l’EW o presentava la possibilità di regolare e mantenere i fattori abiotici durante tutto il periodo sperimentale. In questa configurazione, invece di mantenere costanti tutti i fattori abiotici, viene testata una moltitudine di combinazioni per quattro fattori abiotici, come i tassi e le frequenze di irrigazione dell’acqua, il tipo di polvere di roccia e la dimensione dei grani, con l’obiettivo di promuovere l’EW attraverso l’attività degli organismi del suolo.
Inoltre, nessuno degli studi precedenti che si sono concentrati sull’effetto di fattori abiotici o biotici sull’EW ha presentato la possibilità di avere un numero estremamente elevato di colonne e variabili all’interno di un ciclo sperimentale. In questa configurazione, è possibile testare più combinazioni diverse di varie variabili durante un’esecuzione di esperimenti grazie all’impressionante numero di colonne per le quali è stata progettata la configurazione, fornendo comunque risultati di alta qualità. Data la novità della configurazione, di seguito vengono presentati alcuni possibili miglioramenti e sfide rimanenti che potrebbero essere prese in considerazione durante la progettazione di future configurazioni simili.
Devono essere garantite condizioni omogenee dell’aria nella camera di incubazione. Il posizionamento dell’impianto in una camera climatica ha garantito temperatura e umidità relativa costanti. I vincoli di ventilazione (ad esempio, il flusso d’aria) possono aver creato variabilità spaziale nelle condizioni atmosferiche e quindi portato a un’evaporazione sproporzionata dalle colonne in determinati punti, che è un fenomeno comune in questo tipo di configurazione35. Per gestire questo inconveniente, quando la replicazione e la randomizzazione non sono possibili, si consiglia di calcolare un bilancio idrico per colonne posizionate in vari punti della camera.
Le colonne devono essere accuratamente allineate con gli imbuti una volta inserite nella piastra acrilica per evitare la perdita di percolato. Durante il periodo sperimentale considerato, si sono verificate perdite di percolato dal fondo delle colonne a causa di un errato posizionamento degli imbuti o a causa dell’intasamento delle maglie. Insieme all’evaporazione, questo può in parte spiegare perché il percolato raccolto è stato inferiore rispetto alle aspettative (Figura 13). Per ridurre al minimo queste perdite, è importante assicurarsi che gli imbuti siano posizionati in modo ottimale sotto le colonne. Anche l’utilizzo di imbuti più larghi è un’opzione praticabile. In questo caso, è necessario prestare attenzione al diametro dei fori durante la costruzione delle lastre acriliche e alla distanza tra le lastre acriliche.
Il flusso d’acqua più lento negli esperimenti sulla colonna del suolo in cui l’acqua viene applicata frequentemente è un problema ricorrente 7,30,40. Negli esperimenti effettuati con l’impianto presentato, in alcuni casi sono state utilizzate velocità di irrigazione piuttosto elevate e granulometrie minerali molto fini, che inizialmente mancano di una struttura come normalmente osservata nei terreni. Ciò potrebbe aver causato l’ostruzione dei pori delle maglie nella parte inferiore delle colonne contenenti solo minerali fini durante l’esecuzione degli esperimenti. Pertanto, l’acqua non scorreva abbastanza velocemente attraverso le colonne, il che ha provocato sia l’allagamento delle colonne, riducendo l’infiltrazione dell’acqua e la raccolta del percolato, sia le condizioni anossiche all’interno delle colonne, con un impatto sui processi biogeochimici. Per mitigare questo problema, è importante miscelare sempre una certa percentuale di granulometrie minerali grossolane con granulometrie minerali più fini ed evitare miscele di granulometrie minerali molto fini al 100%. Un’altra opzione è quella di consentire alle colonne di sperimentare un certo numero di cicli di bagnatura/essiccazione per avviare la formazione della struttura del suolo e quindi migliorare l’infiltrazione dell’acqua. Inoltre, prima dell’inizio dell’esperimento, sarebbe utile determinare le dinamiche idriche di base del suolo, come il flusso saturo e insaturo e la curva di ritenzione idrica, in alcuni mesocosmi per comprendere meglio il flusso di gas, lo stato di saturazione minerale e i driver dell’attività degli organismi.
La configurazione sperimentale presentata è comoda da usare, presenta un’installazione semplice e può essere regolata in base alle esigenze di ricerca. Nel contesto dell’alterazione minerale, con i necessari aggiustamenti, può essere accoppiato con una camera a gas per caratterizzare non solo il carbonio nella fase solida e acquosa, ma anche per osservare la dinamica del carbonio nella fase gassosa. Inoltre, questa configurazione può essere utilizzata per studiare tassi di infiltrazione d’acqua realistici con sequenze secco-umido, poiché queste dinamiche temporali potrebbero influenzare fortemente l’erosione41. L’uso di questa configurazione non è limitato agli esperimenti che si concentrano esclusivamente sui minerali silicati, ma può essere implementato in esperimenti su colonna che utilizzano substrati diversi. Inoltre, la durata degli esperimenti può essere ridotta o estesa in base alle esigenze sperimentali e il numero di colonne può essere modificato. La possibilità di prelevare campioni sia dai materiali solidi lavorati che dal percolato ci permette di effettuare diverse analisi per focalizzarci su uno dei due componenti o su entrambi. Per quanto riguarda le conoscenze, questa è l’unica configurazione che è stata costruita finora con un numero eccezionale di colonne che mira a utilizzare gli organismi del suolo per migliorare l’erosione minerale controllando contemporaneamente le condizioni abiotiche in un sistema fatto di soli minerali silicati e materiali organici.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Ton van der Zalm di Tupola per lo sviluppo del sistema di irrigazione. Inoltre, ringraziamo Jaco Baars di Tupola per le risate e il supporto mentale dato durante la costruzione di questa configurazione. Ringraziamo Peter Garamszegi e Ángel Velasco Sánchez per averci aiutato ad innaffiare manualmente le colonne quando il sistema di irrigazione non funzionava. Ringraziamo anche Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg e Kangying Xie per l’aiuto fornito durante il campionamento. Ringraziamo Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen e Gerlinde Vink per l’assistenza in laboratorio, le analisi dei campioni e le fruttuose discussioni. Infine, ringraziamo Jeroen Zonneveld di Unifarm per la fornitura e la manutenzione della camera climatica. Questa configurazione è stata realizzata nell’ambito del progetto Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), finanziato dal programma quadro dell’Unione europea Horizon 2020 per la ricerca e l’innovazione nell’ambito dell’accordo di sovvenzione n. 964545.
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. |
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