JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioquímica

תכנון ובנייה של מערך ניסיוני לשיפור בליה מינרלית באמצעות פעילות אורגניזמים בקרקע

Published: November 10, 2023
doi:
10.3791/65563
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
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

כאן אנו מציגים את הקמתו והפעלתו של מערך ניסיוני לשיפור בליה מינרלית באמצעות פעילותם של אורגניזמים בקרקע, תוך מניפולציה מקבילה של משתנים אביוטיים הידועים כמעוררי בליה. תוצאות מייצגות מתפקוד ההתקנה וניתוחי מדגם נדונים יחד עם נקודות לשיפור.

Abstract

בליה משופרת (EW) היא טכנולוגיה מתפתחת לסילוק פחמן דו חמצני (CO2) שיכולה לתרום להפחתת שינויי האקלים. טכנולוגיה זו מסתמכת על האצת התהליך הטבעי של בליה מינרלית בקרקעות על ידי מניפולציה של המשתנים הא-ביוטיים השולטים בתהליך זה, במיוחד גודל גרגרי המינרלים והחשיפה לחומצות המומסות במים. EW שואפת בעיקר להפחית את ריכוזיCO2 באטמוספירה על ידי שיפור קיבוע פחמן אנאורגני. עד כה, הידע על EW הושג בעיקר באמצעות ניסויים שהתמקדו במשתנים אביוטיים הידועים כמעוררי בליה מינרלית, ובכך הזניחו את ההשפעה הפוטנציאלית של רכיבים ביוטיים. בעוד חיידקים, פטריות ותולעי אדמה ידועים כמגבירים את שיעורי הבליה של מינרלים, השימוש באורגניזמים בקרקע בהקשר של EW עדיין לא נחקר.

פרוטוקול זה מתאר תכנון ובנייה של מערך ניסיוני שפותח כדי לשפר את קצב בליה של מינרלים דרך אורגניזמים בקרקע תוך שליטה בו זמנית בתנאים אביוטיים. המערך נועד למקסם את שיעורי הבליה תוך שמירה על פעילות האורגניזמים בקרקע. הוא מורכב ממספר רב של עמודים מלאים באבקת סלע וחומר אורגני, הממוקמים בתא אקלים ועם מים המיושמים באמצעות מערכת השקיה במורד הזרם. עמודים ממוקמים מעל מקרר המכיל ג’ריקנים לאיסוף התשיפה. תוצאות מייצגות מראות כי מערך זה מתאים להבטיח את פעילותם של אורגניזמים בקרקע ולכמת את השפעתם על קיבוע פחמן אנאורגני. נותרו אתגרים במזעור הפסדי התשיפה, הבטחת אוורור הומוגני דרך תא האקלים ומניעת הצפה של העמודים. עם הגדרה זו, מוצעת גישה חדשנית ומבטיחה כדי לשפר את שיעורי בליה מינרליים באמצעות הפעילות של ביוטה הקרקע ולהתיר את ההשפעה של גורמים ביוטיים ואביוטיים כמניעים של EW.

Introduction

בליה משופרת (EW) היא טכנולוגיה חדשה יחסית ולואו-טק להסרת פחמן דו חמצני (CDR) עם פוטנציאל משמעותי למתן את שינויי האקלים 1,2,3. העיקרון של טכנולוגיה זו מסתמך על האצת תהליך בליה מינרלי טבעי בקרקע, המוביל לקיבוע של פחמן דו חמצני (CO2) כמו פחמן אנאורגני (IC)3. בליה משופרת נועדה להגביר את קיבוע המעגלים המשולבים על ידי אופטימיזציה מלאכותית של הגורמים השולטים בבליית מינרלים, ובכך להגביר את המהירות שבה מתרחשת בליה לטווחי זמן רלוונטיים מבחינה אנושית3. כדי ש-EW יהיה היעיל ביותר, מינרלים סיליקטיים בעלי בלייה מהירה נטחנים לאבקה עם התפלגות גודל גרגר בטווח המיקרומטרים עד מילימטרים כדי להגיע לשטח פנים תגובתיגבוה בטווח ~1 מ ‘2·g-1 3,4.

עד כה, הידע על EW סופק בעיקר על ידי ניסויים המתמקדים בגורמים אביוטיים השולטים בקצב המסת מינרלים5. אלה כוללים תגובתיות מינרלית ושטח פנים, טמפרטורה, הרכב תמיסה, זמן שהייה במים וחומציות 4,6,7, אך עדיין צריך לעשות מחקר בהקשר זה. מלבד היותן מושפעות מגורמים אביוטיים, מערכות טבעיות, וקרקעות בפרט, מעוצבות על ידי מספר עצום של אורגניזמים, החל ממיקרובים ועד למקרופאונה כגון תולעי אדמה. למרות שמחקרים מסוימים הראו השפעה מועטה, אם בכלל, של הפעילות הביוטית של המסת מינרלים 8,9,10, מחקרים אחרים סיפקו ראיות לכך שאורגניזמים באדמה כגון חיידקים 11,12, פטריות 13,14 ותולעי אדמה 15,16 עלול להגביר את שיעורי בליה של מינרלים. לכן, רכיבים ביוטיים יכולים להיות המפתח להבנת פוטנציאל קיבוע המעגלים המשולבים בפועל של EW5.

המנגנון הנפוץ הראשון שבאמצעותו אורגניזמים בקרקע יכולים להאיץ את המסת המינרלים הוא באמצעות שחרורCO2 במהלך הנשימה, אשר מגביר את החמצת הקרקע17. חוץ מזה, חיידקים ופטריות יכולים להגביר את בליה מינרלית על ידי הפרשה של פרוטונים, כלאטים, חומצות אורגניות ואנזימים, שכולם מגבירים את המסת המינרלים 18,19,20,21. לדוגמה, כלציה באמצעות קבוצות קרבוקסיל והידרוקסיל יכולה ליצור חוסר איזון יונים, להעביר אלמנטים הרחק מפני השטח של מינרלים ולהוריד מצבי רוויה20,22. זה יכול להוביל לפחות היווצרות מינרלים משנית ויעילות גבוהה יותר של EW. יתר על כן, על ידי הזנה מחלקיקי אדמה, הפעולות החזקות של דפנות הגוף של תולעי אדמה יכולות לפרק גרגרי מינרלים לחלקיקים עדינים יותר, ולהגדיל את שטח הפנים הריאקטיבי הזמין שלהם23. חיידקים השוכנים במעיים של תולעי אדמה וגללים טריים יכולים לתקוף עוד יותר את החלקיקים הקטנים האלה, אשר מפרישים עוד חומצות אורגניות ואנזימים24,25. באמצעות פעילות המחילות שלהן, בנוסף לתרומתן לערבוב של חלקיקים אורגניים ומינרליים, תולעי אדמה יוצרות גם מקרו-נקבוביות שיכולות לאפשר לזרימת מים לעקוף את חלל הנקבוביות הרווי17. זה יכול לאפשר למים לתקשר עם משטחים מינרליים שונים ולשפר את קצב המגע בין מים לסלע.

עד כה, לא נבנה מערך לחקר שיעורי EW ולכן קיבוע IC באמצעות אורגניזמים בקרקע תוך הבטחת האפשרות לייעל תנאים אביוטיים רלוונטיים שונים, כגון תשומות מים, טמפרטורה, סוג מינרל וגודל גרגרי מינרלים. כאן מוצגים התכנון וההסבר של שלבי הבנייה של מערך חדשני שמטרתו להגדיל את שיעורי EW באמצעות פעילות אורגניזמים בקרקע במזוקוסמות קטנות. מערך הניסוי מורכב מ-203 עמודים (אורך 15 ס”מ, קוטר 7 ס”מ) שהונחו בתא אקלים (4.54 מ’ x 2.72 מ’) בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס למשך 8 שבועות. 203 הטורים מחולקים ל-10 קבוצות של 18 ו-2 קבוצות של 10 כדי להתאים לתא האקלים. אחת משתי הקבוצות של 10 עמודות משמשת כדי לאפשר הוספה של שלוש עמודות נוספות המשמשות כריקים. כל קבוצה ממוקמת מעל מקרר ומעליה מערכת השקיה הנשלטת מרחוק, המאפשרת קצבי השקיה משתנים בתוך ובין מקררים. השטיפה של כל עמוד נאספת בג’ריקן שנשמר בטמפרטורה קבועה במקרר (איור 1). מקרר אחד אוסף את השטיפה של קבוצת עמודות, כלומר מקרר אחד יכול להיחשב כמערכת אחת של 18 או 10 עמודות. לכן, ניתן להתאים את מספר העמודות במערך ניסיוני זה בהתאם לדרישות הניסוי עם מקסימום של 203 עמודות.

Figure 1
איור 1: מבט סכמטי צדדי על המערך המציג 5 עמודות אך בהתחשב במערכת של 18 עמודות. המסגרת המחזיקה את העמודים עשויה לוחות נירוסטה, ברגי נירוסטה ולוחות אקריליק. העמודים ממוקמים במרכז המסגרת ומעליהם מערכת השקיה. מתחת לעמודים, משפכים מחוברים לג’ריקנים באמצעות צינורות לאיסוף התשיפה. הג’ריקנים נמצאים במקרר שמחזיק את כל המערכת. ניתן לפתוח את המקרר על ידי הרמת המכסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

במערך זה, השימוש באבקות סלע סיליקט בגדלים ספציפיים מבטיח שניתן להגיע לשיעורי בליה גבוהים, בעוד שהחיסון עם חיידקים, פטריות ותולעי אדמה שנבחרו במיוחד מעניק את הפעילות הביוטית במערכת מלאכותית זו. ההתקנה מאפשרת כימות בו-זמני של פחמן שנלכד במוצק ובדגימות הנוזליות על ידי מדידת IC מומס ומוצק, כמו גם בסיסיות כוללת (TA). חוץ מזה, פרמטרים אחרים כגון pH, מוליכות חשמלית (EC) ויונים ניתן למדוד בשטיפה כאינדיקטורים של בליה. מערך זה מאפשר גם להעריך את השפעת הישרדותם ופעילותם של אורגניזמים בקרקע. תוצאות מייצגות הוכיחו את התאמתו של פרוטוקול זה לבניית מערך שבו עלייה בשיעורי הבליה נגזרת לא רק מגורמים אביוטיים אלא גם מגורמים ביוטיים.

Protocol

להלן, פרוטוקול מפורט לבניית החלקים השונים של ההתקנה מתואר בהתחשב במערכת של 18 עמודות. 1. בניית המסגרת המחזיקה את העמודים הכינו לוחות אקריליק שיחזיקו את מערכת ההשקיה, העמודים, המשפכים והצינורות לאיסוף התשיפה.חותכים שלוש פלטות אקריליק (לוחות אקריליק 1-3) במידות 63X67 ס”מ וצלחת אקרילית אחת (צלחת אקרילית 4) במידות 45X56 ס”מ. על כל צלחת אקרילית, חתכו 18 חורים בהתאם להוראות בשלבים הבאים.צלחת אקרילית 1 – צלחת עליונה: חותכים חורים בקוטר 0.7 ס”מ כדי להכניס את צינורות מערכת ההשקיה מאוחר יותר. צלחת אקרילית 2 – שנייה מהלוח העליון: חתכו חורים בקוטר 8 ס”מ כדי להכניס את העמודים מאוחר יותר (איור 2). צלחת אקרילית 3 – שנייה מהצלחת התחתונה: חותכים חורים בקוטר 1.2 ס”מ כדי להכניס את המשפכים מאוחר יותר. צלחת אקרילית 4 – צלחת תחתונה: חותכים חורים בקוטר 1.2 ס”מ כדי להחדיר בהמשך את צינורות הפלסטיק המובילים את השטיפה אל הג’ריקנים. בנוסף, חתכו חור אחד בקוטר 1.1 ס”מ בכל פינה וחור אחד בקוטר 1.1 ס”מ בצידי לוחות אקריליק 1-3 כדי להכניס את ברגי הנירוסטה. עבור כל לוח אקרילי, הדפס תוויות פלסטיק עם מספרי העמודות (1-18) באמצעות מדפסת תוויות והדבק אותן מתחת לחור המתאים.הערה: הדבקת תוויות על לוחות אקריליים 2, 3 ו-4 בהתאם למספר 18 העמודות מסייעת למקם את חלקי ההתקנה השונים במיקומם המתאים במהלך התקנתו. השתמש לוחות נירוסטה ברגים להחזיק את לוחות אקריליק.קחו לדוגמה את לוחות הנירוסטה המחויטים, שיוצרו בהתאם לעיצוב המוצג באיור 3 עם מידות 63.6 ס”מ x 67.3 ס”מ x 4 ס”מ ועובי של 1.5 מ”מ. קודחים חורים בקוטר 1.1 ס”מ בכל פינה ובצידי כל פלטת נירוסטה. קח ברגי נירוסטה (50 ס”מ אורך). הכניסו לוחות אקריליים לפי הסדר מלמעלה למטה עבור לוחות אקריליים 1 (צינורות השקיה), 2 (עמודים) ו-3 (משפכים) על ברגי הנירוסטה. השתמשו בשני אומי משושה ובשני מנשאי כביסה לכל פינה כדי לשמור על צלחת האקריליק במקומה.הערה: שמור על מרחק מספיק בין כל לוח אקרילי כדי להכניס את הרכיבים השונים מאוחר יותר. שמור על מרחק של ~19.5 ס”מ מצלחת אקרילית 1 לצלחת אקרילית 2, ~ 10.5 ס”מ מצלחת אקרילית 2 לצלחת אקרילית 3, ו~ 16.5 ס”מ מצלחת אקרילית 3 לצלחת אקרילית 4. התקינו לוחות נירוסטה עליונים ותחתונים על ברגי הנירוסטה באמצעות שני אומי משושים ושני מנשאי כביסה לכל פינה. הניחו את כל המערכת על גבי המקרר לאחר סיום בניית מערכת המקרר. איור 2: מבט סכמטי עליון על עיצוב לוח אקריליק 2 שבו ממוקמים העמודים. תוויות ממוספרות מציינות היכן יש למקם את העמודות המתאימות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 3: עיצוב לוחות הנירוסטה. (A,B) צלחת עליונה. (ג,ד) צלחת תחתונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 2. בניית מערכת המקררים לאיסוף התשטיפים הגדירו את המקרר כך שימקם את הג’ריקנים.מוציאים את שני המכסים מהמקרר ומחליפים את המכסה האחורי בצלחת אקרילית 4.הערה: לאחר ההתקנה, לוחית אקרילית זו אינה אמורה להיות מוסרת. כדי לעבוד בתוך המקרר, הסירו את המכסה הקדמי על ידי הרמתו. הכניסו את המקרר לתא האקלים וחברו אותו לחשמל. כוונו את טמפרטורת המקרר ל-4°C והניחו אוגר נתונים בתוך המקרר. סגרו את המקרר עם המכסה הקדמי. עקוב אחר הנתונים שנרשמו על ידי אוגר הנתונים במהלך הלילה. אם הטמפרטורה חורגת מהערך הרצוי, הסירו את הסריג בתחתית המקרר והתאימו את הטמפרטורה. חזור על הליך זה עד שתגיע לטמפרטורה הרצויה. השתמש בצינורות פוליוויניל כלוריד (PVC) כדי לחבר את המשפכים לג’ריקנים.חותכים 18 צינורות PVC (קוטר פנימי 0.8 ס”מ) באורך מתאים כדי להגיע לכל ג’ריקן מהמשפכים השונים בהתאם למספרים המתאימים.הערה: האורך משתנה ממינימום של 38 ס”מ עבור הצינור הקצר ביותר למקסימום של 81 ס”מ עבור הצינור הארוך ביותר. לשטוף את הצינורות בדמי מים לפני השימוש הראשון שלהם; בכל מקרה אחר, להשרות אותם במשך 4 ימים ב 50 L של מים שבו 30 גרם של מוצר חומצת לימון היה מדולל כדי להסיר משקעים פחמתיים. לאחר מכן, שטפו שוב את הצינורות בדמי מים.אזהרה: גם אם המוצר לחומצת לימון בטוח לשימוש, יש להימנע ממגע עם העיניים וממגע ממושך עם העור על ידי שימוש באמצעי הגנה מתאימים.הערה: אם מים טהורים במיוחד זמינים, עדיף להשתמש בהם במקום דמי-מים. תנו לצינורות להתייבש באוויר למשך 24 שעות. הכנס את הצינורות בלוח אקרילי 4 בהתאם למספרם המתאים. התקינו משפכים כדי לכוון את השטיפה אל הג’ריקנים.לנגב 18 משפכים עם אתנול לפני השימוש הראשון שלהם; בכל מקרה אחר, בצע את אותו הליך שצוין עבור צינורות PVC.אזהרה: אתנול הוא חומר דליק ועלול לגרום לגירוי בעיניים, בעור ובדרכי הנשימה, בסחרחורת ובנשימה רדודה. אתנול מזיק בבליעה, בשאיפה או בספיגת העור. הכנס את המשפכים בלוח אקרילי 3 וחבר אותם לצינורות המתאימים בהתאם למספרם. התקן ג’ריקנים כדי לאסוף את השטיפה.קח 10 ג’ריקנים פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE) עם קיבולת של 10 L ו 8 ג’ריקנים HDPE עם קיבולת של 5 L.הערה: ג’ריקנים של 5 ליטר משמשים לשיעורי השקיה נמוכים, בעוד שג’ריקנים של 10 ליטר משמשים לשיעורי השקיה גבוהים (ראה טבלה 1). Jerrycans ב HDPE נבחרים כמו חומר זה הוא אינרטי מבחינה כימית. לדלל 50 מ”ל של סבון מדיח כלים במי ברז 10 ליטר. שטפו את הג’ריקנים פעם אחת בתמיסה זו, פעם במי ברז ופעם במי דמי. חזור על הליך ניקוי זה לפני כל שימוש אחר.הערה: אם מים טהורים במיוחד זמינים, עדיף להשתמש בהם במקום דמי-מים. תנו לג’ריקנים להתייבש באוויר במשך 24 שעות. קדח חור במכסה של כל ג’ריקן בקוטר 1.2 ס”מ כדי להכניס את צינור הפלסטיק כדי לאסוף את התשיפה. סגור את הג’ריקנים עם המכסה המתאים. הניחו את הג’ריקנים במקרר בשתי שכבות בהתאם לסכמה המוצגת באיור 4 , תוך חיבור בו זמנית של הצינורות לג’ריקנים. איור 4: סקירה סכמטית של הג’ריקנים בתוך המקרר לשתי שכבות מוערמות, שכבה תחתונה (צד שמאל) ושכבה עליונה (צד ימין). עיגולים שחורים מציינים את כיוון המכסים, ואילו המלבנים הכחולים והירוקים מציינים ג’ריקנים 10 L ו- 5 L, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 3. בניית העמודים ומערכת הרשת השתמשו בעמודי PVC כמזוקוסמוס כדי לדגור על אבקת סלע ואורגניזמים באדמהחותכים את צינורות PVC לתוך 18 עמודים באורך של 15 ס”מ. נקה את העמודות לאחר הליך 1 אם הוא מיועד לשימוש הראשון שלהן והליך 2 בכל מקרה אחר.נוהל 1:משרים את העמודים בדמי מים למשך 48 שעות.הערה: אם מים טהורים במיוחד זמינים, עדיף להשתמש בהם במקום דמי-מים. שוטפים את העמודים בדמי מים. יבשו ונגבו את העמודים באתנול. מספור העמודות באמצעות תוויות או ישירות עם סמן על הצינור. הליך 2:השרו את העמודים במים למשך יום אחד. השתמשו במברשת כדי לקרצף את שאריות הניסוי. יבשו ונגבו את העמודים באתנול. השתמש בטבעות אמצעיות כדי להחזיק עמודות מעל המשפכים.בעזרת מדפסת תלת מימד מעצבים טבעת (קוטר 8.5 ס”מ ועובי 0.5 ס”מ). הקפידו לצייר טבעת נוספת בתחתית שמתאימה לחורים של לוח אקרילי 2 ליציבות רבה יותר של העמודים (איור 5). הדפס 18 טבעות באמצעות מדפסת התלת-ממד באמצעות חומר פוליאוריתן תרמופלסטי (TPU) 95A. מניחים את הטבעות על העמודים במיקום השומר על העמודים 2-3 ס”מ מעל המשפכים. השתמשו במערכת רשת שינוי בתחתית העמודות כדי לסנן את השטיפה ולמזער הפסדים של חלקיקים.חותכים את הרשת (10 מיקרומטר וגודל נקבוביות 20 מיקרומטר) לריבועים של 12 ס”מ x 12 ס”מ. משרים את הרשת במים טהורים במיוחד למשך יומיים. הניחו לרשת להתייבש באוויר. בתחתית העמודה, מקם את הרשת הראשונה של 20 מיקרומטר. מניחים שכבה של 1 ס”מ של חרוזי פלסטיק על רשת 20 מיקרומטר. מניחים את הרשת השנייה של 10 מיקרומטר על גבי רשת 20 מיקרומטר ושכבת חרוזי הפלסטיק. הניחו שני אזיקונים, כדי לשמור על מערכת הרשת במקומה. הדקו את האזיקונים וחתכו את הקצוות שלהם.הערה: איור 6 מראה כיצד יש להרכיב את מערכת הרשת בתחתית העמודה. השתמשו ברשת עליונה כדי למנוע בריחה של תולעי אדמה.חותכים את הרשת בגודל נקבוביות 1 מ”מ לריבועים של 12 ס”מ x 12 ס”מ. לאחר מילוי העמודים באבקת סלע, והחדרת תולעי אדמה (קטע 7), הניחו את הרשת על גבי העמודים.הערה: רשת זו צריכה להיות ממוקמת על גבי העמודים כדי למנוע מתולעי אדמה לברוח מהעמודים. במקרה שתולעי אדמה אינן מוצגות, עדיין מומלץ להשתמש ברשת זו כדי לשמור על אותם תנאים עבור כל העמודים. הניחו גומייה סביב הרשת כדי לשמור אותה במקומה. איור 5: דגם הטבעת להחזקת העמודות עבור מדפסת התלת-ממד. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 6: סכמת בניית מערכת הרשת בתחתית העמודה. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 4. הקמת מערכת ההשקיה עצבו וצרו ספרינקלרים לפיזור מים באופן שווה על פני העמודיםבעזרת מדפסת תלת-ממד, עצבו ספרינקלר בהתאם לדגם ולמידות היחסיות המוצגות באיור 7. הדפס 18 ספרינקלרים עם מדפסת התלת-ממד באמצעות חומר TPU 95A.הערה: לאחר ההדפסה, תן למתזים להתייבש במשך 24 שעות לפחות לפני הכנסתם לצינורות המיקרו PE כדי למנוע שבירה שלהם. התקן את מערכת ההשקיה: שסתומים וצינורות.הברג שני חלקי אף בחלק הקדמי של שני שסתומי סולנואידים, והבריג שני אביזרי תקע של חתיכות T בחלק האחורי של שסתומי הסולנואיד.הערה: אם רוצים שצינור המים יסתיים במערכת זו ולא ימשיך למערכות אחרות, הבריגו בגב השסתום שיונח לקראת קצה המקרר תוסף עם שני חיבורים במקום התאמת התקע T-Piece . בדרך זו, חיבור המים מסתיים כאן. התקן את שני שסתומי הסולנואיד בצד אחד של לוח הנירוסטה העליון.הערה: שסתום אחד שולט על צינור השקיה אחד, שבתורו משקה 8 או 10 עמודות מתוך סך הכל 18 עמודות. חותכים את צינור ההשקיה פוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE) לשני צינורות של 53 ס”מ. סגור צד אחד של כל צינור עם מכסה קצה. עטפו את הקצה השני של הצינורות בסרט פוליטטרה-פלואוראתילן (PFTE) וחברו אותו לשסתומי הסולנואיד. עשו 8 חורים בצינור ההשקיה הראשון קרוב יותר לחזית המקרר ועשו 10 חורים בצינור ההשקיה השני רחוק יותר מקדמת המקרר.הערה: חשוב מאוד לעשות את החורים באמצעות אגרוף יד, שכן זה הכרחי עבור המיקום הנכון ותפקוד של הרגולטורים הלחץ. שימוש בכלים אחרים כתרגיל אינו מומלץ. הכנס את וסתי הלחץ לתוך החורים של שני הצינורות. חתכו את צינור המיקרו פוליאתילן (PE) ל-18 צינורות קטנים באורך של 20 ס”מ כדי להגיע לעמודים מצינור ההשקיה ולחבר אותם לווסת הלחץ. הכנס את הצינורות הקטנים לתוך החורים של צלחת אקריליק 1. הכנס את המתזים לתוך הצינורות הקטנים אופקית לפני השטח של העמודים.הערה: אם מישהו נתקל בבעיות במערכת ההשקיה (למשל, סתימות בזרימת המים או זרימת מים בלתי נשלטת), זה יכול להיות בגלל: (א) תקלה בשסתומים, (ב) חלקיקים שנותרו בצינור; (ג) סרט PFTE שאינו עטוף כראוי סביב קצה הצינור. עבור נקודה a, החלף את השסתום. עבור נקודות b ו- c, ודא כי הצינורות מנוקים לפני תחילת השקיית העמודים וכי אין שאריות של סרט PFTE תלויים מן הצינור בהתאמה. חשוב להימנע מכל העברה של חלקיקים שעלולה למנוע מהשסתום לתפקד כראוי. הגדר את החיבור להובלת מים.חתכו את צינור הפוליאוריתן (PU) לשלושה צינורות שונים לחיבור המים. האורכים המדויקים של הצינורות משתנים בהתאם לעיצוב המערכת והחדר. השתמש בצינור הראשון כדי לחבר את חתיכת ה- T של השסתום הראשון לברז, בצינור השני כדי לחבר את חתיכות ה- T של כל שסתום, ובצינור השלישי כדי לחבר את חתיכת ה- T של השסתום השני למערכת הבאה.הערה: אם אין צורך בחיבור למערכת הבאה, חיתוך הצינור השלישי מיותר. חבר את צינורות הפוליאורטן לאביזרי התקע של T-piece בגב שסתומי הסולנואיד. חבר את צינור ה- PU של השסתום הראשון עם הברז על ידי הברגת מתקן תקע עם שני חיבורים בטבעת המתאם. פתחו את הברז כדי לאפשר למים לזרום לתוך הצינורות. התקן את מערכת הבקרה והגדר את החיבור למערכת ההשקיה.חבר את הבקר המותאם לאינטרנט, את מודול ההרחבה בעל שמונה הממסרים ואת ספק הכוח של המסילה. הכניסו אותם למארז הפוליקרבונט בהתאם להוראות היצרן.הערה: בקר מודולרי אחד מתאים להתקן אחד, שבתורו שולט בשמונה ממסרים. ממסר אחד שולט על פתיחה וסגירה של שסתום ספציפי אחד. חבר את שני השסתומים זה עם זה באמצעות כבלי החשמל, וחבר את כבל החשמל לכל שסתום. חבר את הקצה השני של כבל החשמל לבקר המותאם לשימוש באינטרנט. חבר הכל לתקע חשמלי וצור חיבור לאינטרנט עבור הבקר המותאם לאינטרנט. הגדר את הבקרה המקוונת של הגדרות ההשקיה כדי לקבוע את תעריפי ההשקיה.בצע את ההוראות שסופקו על-ידי היצרן עבור הגדרת תצורה והגדרה. לצורך תיכנות ובדיקות, השתמש בדפדפן האינטרנט. עבור אל http://10.73.10.250/setup.html. השתמש בשם משתמש ובסיסמה כדי להיכנס. בתפריט הימני, עבור אל Control/Logic ולאחר מכן אל Tasks/Functions. ממסר אחד שולט בפתיחה ובסגירה של שסתום אחד. עבור כל ממסר, ישנן שתי משימות, אחת מפעילה את הממסר (שסתום פתוח), והשנייה מכבה את הממסר (שסתום סגור). כדי לשנות את ההגדרה של כל משימה, לחץ על ערוך.כאשר יש להגדיר את משימת הממסר, הגדר את התאריך והשעה שבהם הממסר חייב להתחיל לעבוד על-ידי לחיצה על תאריך התחלה ושעת התחלה (לדוגמה,4 במאי 2022 בשעה 7:45:00; ראה איור 8). כדי להגדיר את תדירות ההשקיה, לחצו על Set Repeat and Repeat Every (למשל, כל יום כל יום לתדירות השקיה של פעם ביום; ראו איור 8). כדי להגדיר את התאריך שבו הממסר מפסיק לעבוד, לחץ על End Repeat Date (לדוגמה, 20במאי 2022 בשעה 23:59:59; ראה איור 8). כאשר יש להגדיר את המשימה עבור הממסר, הגדר את הזמן שבו הממסר חייב להפסיק לפעול. הדבר תלוי בקצב ההשקיה הנדרש ובתדירות ההשקיה, למשל, הגדר את השעה לשעה 7:46:30 לחזרה יומית. משמעות הדבר היא שהממסר עובד במשך דקה ו-30 שניות, עבור כמות מים של 50 מ”ל יום-1 בתדירות השקיה של פעם ביום (ראה טבלה 1). תאריכי ההתחלה והסיום זהים למשימה להגדרת הממסר, כמו גם לתדירות ההשקיה. לאחר סיום ההתקנה של כל ממסר, זכור ללחוץ על שמור שינויים.הערה: לא כל הממסרים חייבים לפעול בו-זמנית, כדי למנוע עומס יתר על המערכת. השאר תמיד לפחות 30 שניות בין המשימות של ממסרים שונים (לדוגמה, ממסר 1 של התקן 1 מסיים את משימתו בשעה 07:46:30, ממסר 2 של התקן 1 מתחיל את משימתו בשעה 07:47:00). ודא שלהגדרות של כל ממסר יש תאריך התחלה ותאריך סיום זהים. טבלה 1 מציגה דוגמה לזמן הדרוש לקצבי השקיה שונים בתדרי השקיה שונים.הערה: מערכת ההשקיה מאפשרת יותר שיעורי השקיה ותדרי השקיה מלבד אלה המפורטים, אך יש לבדוק כמה זמן השסתומים צריכים להישאר פתוחים עבור כמויות שונות של מים. לגבי שיעורי ההשקיה המפורטים בטבלה 1, עדיין טוב לבדוק בבדיקה ראשונה אם הם תקפים, שכן הם עשויים להשתנות בהתאם ללחץ המים ולתכנון המערכת. איור 7: דגם הממטרה למערכת ההשקיה בממדים יחסיים . (A) מבט מלמעלה על הממטרה. (B) מבט מהצד על הממטרה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 8: דוגמה לתצוגת ההגדרות של מערכת ההשקיה להגדרת הממסר. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. שיעור השקיית מים (מ”ל·יום-1) תדירות השקיה (מספר פעמים ·יום-1) זמן לממסר לעבודה     50 1 95 2 50 5 23     100 1 190 2 100 5 45     150 1 280 2 140 5 55 טבלה 1: אינדיקציות לזמנים הדרושים לפתיחת השסתומים כדי לאפשר קצבי השקיה שונים בתדרי השקיה שונים. 5. בחירת אבקות סלע, חומרים אורגניים וביוטה של הקרקע הערה: עבור ניסוי זה, אבקות סלע, חומרים אורגניים ואורגניזמים באדמה נבחרים על בסיס זמינות, התרחשות מקומית וסקירת ספרות. בנוסף, מיקרובים נבחרים על סמך אי-פתוגניותם, הנקבעת על ידי סיווג הכללים הטכניים לסוכנים ביולוגיים (TRBA)26,27,28. בהתאם לשאלת המחקר המדויקת, גורמים אלה עשויים להיות מותאמים. בחרו אבקות סלע לניסויים.הערה: אבקות הסלע שנבחרו לניסויים אלה הן סלעים אולטרה-מאפיים ומאפיים בעלי הרכבים מינרלוגיים שונים, כגון דוניט ודיבייס. לכל סלע שני סוגים עיקריים של גדלי גרגרים, דק (טווח מיקרומטר) וגס (טווח מילימטר). בחר חומרים אורגניים לניסוי.הערה: החומרים האורגניים שנבחרו לניסויים אלה כמקור מזון לביוטה של הקרקע הם קש חיטה ומתעכלים מזבל ושאריות מזון לבעלי חיים. בחר את החיידקים לניסוי.הערה: החיידקים שנבחרו לניסויים אלה הם Bacillus subtilis ו – Cupriavidus metallidurans. החיידקים מגיעים ממכון לייבניץ DSMZ (גרמניה).לגדל חיידקים במרק מזין, המורכב מפפטון בקטו (10 גרם · L-1), תמצית בשר (3 גרם · L-1), ונתרן כלורי (10 גרם · L-1) מומס במים אולטרה-טהורים (18.2 mΩ), בהתאם להוראות הספק. בצע אוטוקלאב, כל אמצעי התרבות בטמפרטורה של 121°C למשך 20 דקות לפני החיסון עם התרבות הישנה (נפח = 1% מהתרבות החדשה). לקבוע את צפיפות התא באמצעות ספירת תאים עם hemacytometer ולאמת את ספירת התא באמצעות ציטומטריית זרימה.הערה: במחקר זה נעשה שימוש בציטומטר זרימה המצויד בלייזרים סגולים (405 ננומטר) וכחולים (488 ננומטר), עם קצב זרימה של 10 מיקרוליטר/דקה, וזוהה בערוץ FL1 (EX 488, EM 525/40). בחר את הפטריות לניסוי.הערה: הפטריות שנבחרו לניסויים אלה הן Knufia petricola, Suillus variegatus ו – Aerobasidium pullulans. מקור הפטריות הוא במכון לייבניץ DSMZ (גרמניה), למעט K. petricola, שמקורו במכון Westerdijk (הולנד).מגדלים את תרביות הפטריות בציר תמצית מאלט, המורכב מתמצית לתת (20 גרם· L-1), D-(+)-גלוקוז (20 גרם· L-1), וקזאין הידרוליזה (3 גרם · L-1) מומס במים אולטרה-טהורים (18.2 mΩ), בהתאם להוראות הספקים. בצע אוטוקלאב, כל אמצעי התרבות בטמפרטורה של 121°C למשך 20 דקות לפני החיסון עם התרבות הישנה (נפח = 1% מהתרבות החדשה). קבע את צפיפות התאים באמצעות ספירת תאים באמצעות המאציטומטר. בחר תולעי אדמה לניסוי.הערה: תולעי האדמה שנבחרו לניסויים אלה הן המינים האנדוגיים Aporrectodea caliginosa ו – Allolobophora chlorotica. תולעי אדמה נאספות מפארק De Blauwe, ברגן, ליד אוניברסיטת Wageningen ומחקר בהולנד (51°58’51.8″N, 5°39’38.0″E) לפני הניסוי. 6. מילוי העמודות קבע את יכולת אחיזת המים (WHC) של אבקות הסלע ושל החומרים האורגניים על ידי ייבוש תחילה של כל חומר ב 105 ° C. לאחר מכן, מניחים את החומר היבש בקערה ורושמים את המשקל. מוסיפים מים לאט לאט עד שהחומרים רטובים מספיק ורושמים את המשקל הסופי. WHC נתון אז על ידי משוואה 1. (1) טוחנים את הקש דרך מטחנה בקוטר 6 מ”מ. יש לייבש בתנור את המינרלים והחומרים האורגניים בטמפרטורה של 40°C למשך יומיים רצופים. שוקלים 400 גרם מינרלים ו-10 גרם חומרים אורגניים בקערה.הערה: ניתן להתאים את הכמויות בהתאם לצרכי הניסוי, אך תערובת החומרים צריכה להתאים לעמודה. התאימו את ה-WHC ל-80% בהתאם לסוג המינרל, גודל גרגרי המינרלים והמקור האורגני הנוכחי. מערבבים הכל בזהירות עם כף מתכת. ממלאים את העמודות בתערובת. מקמו את העמודים המלאים בתא האקלים במיקום המתאים להם, כפי שמודגם באיור 2. אם לא ניתן למקם את העמודים באופן מיידי בתא האקלים, אחסנו אותם בטמפרטורה של 15 מעלות צלזיוס וכסו אותם ביריעות פלסטיק כדי למנוע הפסדי מים ולהגביל את השינויים בתנאים הראשוניים.הערה: החזק עמודות בתחתית והכנס אותן בזהירות ללוחות האקריליים כדי למנוע אובדן של תכולתן. איור 9 ממחיש באופן סכמטי את השלבים שיש לבצע כדי למלא את העמודות. איור 9: סקירה סכמטית של השלבים השונים למילוי העמודות. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 7. חיסון ביוטה בקרקע חסן חיידקים ופטריות בשני רגעים בעת מילוי העמודים (שיטה 1) או ממש לפני הוספת תולעי אדמה (שיטה 2).שיטה 1בהתאם לצפיפות החיסון הרצויה (טווח של צפיפות תאים בין 1.5 x 109 ו 4.8 x 10 10 תאים לעמודה עבור חיידקים ובין 5.5 x 107 ו 5.5 x10 8 תאים לעמודה עבור פטריות), לחסן את מיני החיידקים השונים לתערובת של מינרלים וחומרים אורגניים לאחר הוספת המים על פי הטיפול באמצעות פיפטה.הערה: יש להתאים את המים הנוספים בהתאם באופן שהכמות (מיליליטר) המתווספת באמצעות החיסון תופחת מכמות המים הכוללת המתווספת כדי להגיע ל -80% מה- WHC. מערבבים הכל בזהירות עם כף מתכת. ממלאים את העמודות בתערובת. נגבו את הקערה ואת הכפית המשמשת לערבוב החומרים עם אתנול לשימוש רצוף. כסו את העמודים ברשת השינוי העליונה. שיטה 2:בהתאם לצפיפות החיסון הרצויה, יש לחסן את מיני החיידקים השונים על פני השטח של העמודים בהתאם לטיפול באמצעות פיפטה. כסו את העמודים ברשת השינוי העליונה. בהתאם לצפיפות הרצויה (4, 8 או 10 תולעי אדמה לעמודה), הציגו תולעי אדמה בעמודים בהתאם לטיפול על ידי הפקדתם בעדינות על פני השטח של העמודים. לאחר מכן, כסו את העמוד ברשת העליונה.הערה: יש לחסן גם חיידקים וגם תולעי אדמה יום אחד לפני תחילת ההשקיה כדי לאפשר להם להסתגל למערכת. ניתן לשנות את צפיפות החיסון בהתאם לצרכי הניסוי. שימו לב שזו אינה סביבה סטרילית, ויכול להיות זיהום פוטנציאלי עם מיקרואורגניזמים המועברים על ידי אוויר, מים או חומר קלט. כדי למנוע זיהום חיידקי כתוצאה מהאוורור, הוסף מסנן של 0.2 מיקרומטר על גבי העמודים. 8. איסוף דוגמאות וניתוחן הסר את העמודות מהחדר בסוף תקופת הניסוי.אספו תולעי אדמה וספרו אותן כדי לקבוע את שיעור הישרדותן ולהעריך את פעילותן. הומוגניזציה של תערובת אבקת סלע וחומרים אורגניים ולקחת תת-דגימות לניתוחים מיקרוביאליים כדי לאפיין עוד יותר את נוכחותם ופעילותם של המיקרואורגניזמים המעניינים. יבש את התוכן של העמודות ב 40 ° C במשך 5-7 ימים עבור ניתוח שלב מוצק הבאים עבור פחמן אנאורגני מוצק (SIC). שקלו את הג’ריקנים כדי לקבוע את נפח השטיפה הסופי ואספו דגימות שטיפה לניתוחים נוספים, כגון TA, פחמן אנאורגני מומס (DIC), pH, EC ויונים. מטרת הניסוי היא לקבוע האם אורגניזמים בקרקע יכולים לשפר את קצב הבליה במערכת זו ולמצוא את השילוב האופטימלי של המשתנים הנחשבים, מה שמוביל לפוטנציאל קיבוע הפחמן הגבוה ביותר. קבע זאת על ידי השוואת התוצאות עבור הפרמטרים שנותחו על פי השילובים השונים.הערה: ניתן להתאים את אסטרטגיית הדגימה וניתוחים נוספים בהתאם להגדרות הניסוי ולצרכי המחקר.

Representative Results

המערך המוצג כלל בסך הכל 203 עמודים הממוקמים בתא אקלים בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס (איור 10). הבחירה למקם את המערך בתא אקלים אפשרה טמפרטורה קבועה מבוקרת ולחות יחסית. הצבת הג’ריקנים במקרר בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס הבטיחה שהרכב השטיפה לא ישתנה עם הזמן בגלל פעילות מיקרוביאלית. איור 10: תמונות של מערך הניסוי בתא האקלים. (א) סקירה כללית של מערכת אחת. (B) תקריב של עמודה בודדת. (C) תקריב של ג’ריקנים במקרר. (D) סקירה כללית של כל המערכות בחדר מבוקר האקלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. השימוש במערכת השקיה אוטומטית מתקדמת איפשר שניתן היה להשקות את העמודים בקצב ובתדרים משתנים באמצעות מערכת הבקרה המקוונת (איור 11). מערכת ההשקיה אפשרה לשנות את כמות המים שהעמודים קיבלו. תיקוף המערכת הראה שהיא הובילה להפרש מינימלי של 1% ולהפרש מקסימלי של 6% בכמות המים שניתנה בין עמודים שונים (איור 12). הבדלים קטנים יותר נמצאו עבור שיעורי השקיה נמוכים יותר, בעוד הבדלים גדולים יותר נמצאו עבור שיעורי השקיה גבוהים יותר. בסך הכל, הממוצע היה נמוך יותר עבור שיעורי השקיה של 50 מ”ל יום-1 ו-150 מ”ל יום-1, בעוד שהוא היה גבוה יותר עבור קצב השקיה של 100 מ”ל·יום-1 (תרשים 12). תרשים 11: כמות מים ממוצעת לעומת זמן. כמות מים ממוצעת שנמדדה לקצב השקיה של 50 מ”ל יום-1 המחולקת על פני תקופה של 24 שעות על פי שלושה תדרי השקיה של פעם ביום, פעמיים ביום וחמש פעמים ביום במשך 8 עמודות. עמודות מציינות את שגיאת התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. תרשים 12: כמות מים ממוצעת לעומת שיעור השקיה. כמות מים ממוצעת שנמדדה לקצב השקיה של 50 מ”ל·יום-1 על פני 8 עמודים ולשיעורי השקיה של 100 מ”ל·יום-1 ו-150 מ”ל·יום-1 על פני 10 עמודים. עמודות מציינות את שגיאת התקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. הבנייה והעיצוב של מערך זה אפשרו איסוף הן של התוכן המוצק בתוך העמודים, המורכב מאבקת סלע (מעובדת) וחומרים אורגניים, והן של הכמות הכוללת של שטיפה שטפטפה מהעמודים במשך כל תקופת הניסוי (איור 13). למרות ההצלחה באיסוף התשיפה, כמות השטיפה הסופית שנאספה הייתה נמוכה מכמות השטיפה שהייתה צפויה להיאסף בסוף הניסויים בהתאם לקצב ההשקיה (איור 14). הירידה שנאספה הייתה ככל הנראה תוצאה של אידוי ישיר ושפיכת שטיפה בתחתית העמודים. זה צריך להילקח בחשבון בעת ניתוח התוצאות מן הניתוחים. איור 13: תמונות מייצגות של העמודים והשטיפה. עמודים מלאים באבקת סלעים וחומרים אורגניים בתחילת הניסויים (צד שמאל) ושטיפה שנאספה בג’ריקנים בסוף הניסויים (צד ימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 14: סך כל הליטרים שנאספו בתום הניסויים לכל שיעור השקיה. קווים מקווקווים מציינים את כמות השטיפה הצפויה שנאספה בהתאם לקצב ההשקיה לתקופת ניסוי, המסומנת על ידי הקו הכחול הבהיר עבור 50 מ”ל·יום-1, הקו הכחול הכהה עבור 100 מ”ל·יום-1 והקו הירוק עבור 150 מ”ל·יום-1. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. התערובת של אבקת סלע וחומר אורגני נותחה כדי להעריך את שיעור ההצלחה של ביוטה של הקרקע במונחים של הרכב הקהילה המיקרוביאלית של חיידקים ופטריות ושל הישרדות ופעילות של תולעי אדמה (איור 15). איור 15: גדילה פטרייתית והישרדות של תולעי אדמה. בתום הניסויים ולפני הדגימה, סימנים חזותיים של צמיחת פטריות (צד שמאל) והישרדות תולעי אדמה (צד ימין) בעמודים מלאים באבקת סלע וחומרים אורגניים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. מלבד פרמטרים אחרים, השטיפה נותחה עבור TA ו- DIC, שכן TA ו- IC הם פרוקסי טובים לשיעורי בליה מינרליים 4,29,30,31. ת”א נמדדה עם מטרום טטרנדו29,30, בעוד DIC נמדדה עם מנתח פחמן אורגני כולל (TOC) סקלאר. באמצעות מנתח TOC, DIC מחושב מההפרש בין סך הפחמן המומס (DC) והפחמן האורגני המומס (DOC). איור 16 ואיור 17 מציגים את ההתפלגות המצטברת עבור כמה ערכים לדוגמה שהתקבלו מניתוחים אלה עבור ריצה ניסיונית אחת. באמצעות מערך ניסיוני זה, הערכים עבור TA נעו בין 0.019 mol ל-0.025 mol, בעוד שהערכים עבור DIC נעו בין 7.352 mg C ל-259.279 mg C (איור 16 ואיור 17). תרשים 16: התפלגות הסתברותית של ערכי דוגמה שנמדדו עבור ת”א בתשטיפים שנאספו בסוף תקופת הניסוי. טיפולים שבהם עמודים מוצפים, אינם מוצגים. הערכים מבוטאים ב-mol ומתוקנים עבור הכמות הכוללת של שטיפה שנאספה בסוף הניסויים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 17: התפלגות הסתברותית של ערכי דוגמה שנמדדו עבור DIC בשטיפה שנאספה בסוף תקופת הניסוי. טיפולים שבהם עמודים מוצפים, אינם מוצגים. הערכים מבוטאים במ”ג פחמן (C) ומתוקנים עבור הכמות הכוללת של שטיפה שנאספה בסוף הניסויים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

בהקשר המחקרי הנוכחי, מערך זה תוכנן באופן ייחודי כדי לייעל את קיבוע הפחמן האי-אורגני על ידי שיפור בליה מינרלית באמצעות פעילות ביוטה של הקרקע, תוך מניפולציה מקבילה של גורמים אביוטיים הידועים כמעוררי בליה. האפשרות במערך זה לאסוף הן את החומר המעובד המוצק והן את השטיפה מאפשרת אפיון מלא של שני השברים. למרות כמות העמודות העצומה, איסוף הדגימות והניתוחים שבוצעו מבטיחים איסוף נתונים באיכות גבוהה. חוץ מזה, קיום מספר רב של שילובים בריצה ניסיונית אחת חשוב מאוד לניתוח הנתונים שנאספו בשיטות סטטיסטיות מודרניות ומתקדמות, כגון למידת מכונה. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לקבוע את המשתנים העיקריים המובילים לשיעורי בליה גבוהים ולקיבוע פחמן נוסף. כתוצאה מכך, מערך זה מספק הזדמנות לשפר את ההבנה של ההשפעות שיכולות להיות לאורגניזמים באדמה על תפיסת EW ו- IC. זה חיוני לקביעת אילוצים מציאותיים יותר על גבולות EW ויעילותו בהפחתת ריכוזי CO2 באטמוספרה. מערך זה מציג מספר מקוריות בהשוואה למחקרים קיימים החוקרים את EW ואת ההשפעה של אורגניזמים בקרקע.

לגבי ההשפעות של גורמים אביוטיים על EW, אלה כבר נחקרו במחקרים קודמים 4,29,30,31,32,33,34. חלק מהמחקרים הללו השוו כמויות, סוגים וגדלי דגנים שונים של סלעים, אך המבנה שלהם כלל ניסוי בעציצים 32,33 או כלל ערבוב אבקת סלע עם אדמה34. ניסויים אחרים התמקדו בסוג סלע אחד בעל קצבי השקיה שונים, אך לא הייתה אפשרות להשקות בתדירות גבוהה באמצעות מערכת אוטומטית או התמקדו בקצבי השקיה מרובים ובתדירויות35. מחקרים אחרים הציגו מערך דומה לזה שהוצג בפרוטוקול הנוכחי, עם אפשרות להתאים את קצבי ההשקיה ולשמור על טמפרטורה קבועה, מלבד גדלים וסוגים שונים של גרגרי סלע29,30. יתר על כן, העיצוב של מערכים אלה היה דומה לזה שהוצע בכתב היד הנוכחי ונועד לאסוף את השטיפה לניתוחים נוספים29,30. בנוסף, ריכוזיCO2 השתנו במחקרים אלה כגורם נוסף המשפר את הבליה29. עם זאת, אף אחד מהמחקרים הקודמים הללו לא התמקד בהשפעה של גורמים ביוטיים על קידום EW. במערך זה, המטרה היא לשפר את תהליך הבליה, ועוד יותר קיבוע IC, על ידי חיסון חיידקים, פטריות ותולעי אדמה ספציפיים ולקבוע באיזו מידה הם יכולים להאיץ EW.

ביחס להשפעה של גורמים ביוטיים על EW, מחקרים מעטים לא התמקדו באופן ספציפי ב-EW אלא חקרו אם אורגניזמים בקרקע יכולים להשפיע על בליה מינרלית. מחקרים אלה בדקו בעיקר כיצד מושפעת בליה מאורגניזמים בקרקע באמצעות אמצעי תרבית 19,21, צלחות פטרי 36, שקיות ניילון קבורות באדמה14, או כמויות קטנות של אבקת סלע מעורבבת עם מצעים אחרים36,37. השימוש במערכות או במערכים קטנים כאלה מקשה על הפרדת ההשפעה של אורגניזמים ממשתנים אחרים. חלק מהניסויים השתמשו במערך דומה לזה שהוצע כאן, אך בקנה מידה קטן יותר, עם עמודים מלאים באבקת סלע שחוסנו באורגניזמים של אדמה38,39,40. עם זאת, ניסויים אלה גידלו צמחים במקביל ולא התמקדו בהשפעה הבלעדית של אורגניזמים מסוימים בקרקע13,35, או שלא אספו את השטיפה36. חוץ מזה, רוב המחקרים שהראו כי חיידקים, פטריות ותולעי אדמה מגבירים את בליה מינרלית התמקדו בהשפעה של אורגניזמים אלה על שחרור חומרי מזון כאינדיקציה לבליה ולא על קיבוע IC 11,13,14,19,36,37,38 . מעל לכל, אף אחד מהמחקרים המוקדמים הללו לא נועד לקדם EW או הציג את האפשרות להתאים ולשמר גורמים אביוטיים לאורך תקופת הניסוי. במערך זה, במקום לשמור על כל הגורמים הא-ביוטיים קבועים, מספר רב של שילובים נבדקים עבור ארבעה גורמים אביוטיים, כגון קצבי ותדירויות השקיית מים, סוג אבקת סלע וגודל גרגרים, במטרה לקדם EW באמצעות פעילות אורגניזמים בקרקע.

חוץ מזה, אף אחד מהמחקרים הקודמים שהתמקדו בהשפעה של גורמים אביוטיים או ביוטיים על EW לא הציג את האפשרות של מספר גדול מאוד של עמודות ומשתנים בתוך ריצה ניסיונית אחת. במערך זה, ניתן לבדוק שילובים שונים של משתנים שונים במהלך סבב ניסויים אחד בשל המספר המרשים של עמודות שעבורן תוכננה ההתקנה, תוך מתן תוצאות באיכות גבוהה. בהתחשב בחידוש של ההתקנה, להלן מוצגים כמה שיפורים אפשריים ואתגרים שנותרו שניתן לשקול בעת תכנון הגדרות דומות עתידיות.

יש להבטיח תנאי אוויר הומוגניים בתא הדגירה. מיקום המערך בתא אקלים הבטיח טמפרטורה קבועה ולחות יחסית. ייתכן שאילוצי אוורור (למשל, זרימת אוויר) יצרו שונות מרחבית בתנאים אטמוספריים ולכן הובילו לאידוי לא פרופורציונלי מהעמודים במקומות מסוימים, תופעה נפוצה במערך35 מסוג זה. כדי להתמודד עם חיסרון זה, כאשר שכפול ואקראיות אינם אפשריים, מומלץ לחשב מאזן מים עבור עמודים הממוקמים במקומות שונים ברחבי החדר.

יש ליישר בזהירות את העמודים עם המשפכים לאחר הכנסתם ללוח האקרילי כדי למנוע אובדן תשיפה. במהלך תקופת הניסוי הנחשבת, התרחשו הפסדי תשטיפים מתחתית העמודים עקב מיקום שגוי של המשפכים או עקב סתימת הרשתות. יחד עם האידוי, זה יכול להסביר חלקית מדוע הפסולת שנאספה הייתה נמוכה יותר בהשוואה לציפיות (איור 13). כדי למזער הפסדים אלה, חשוב לוודא שהמשפכים ממוקמים בצורה אופטימלית מתחת לעמודות. שימוש במשפכים רחבים יותר הוא גם אפשרות מעשית. במקרה זה, יש לשים לב לקוטר החורים במהלך בניית הלוחות האקריליים ולמרחק בין לוחות אקריליים.

זרימת מים איטית יותר בניסויי עמודת קרקע שבהם מים מיושמים לעתים קרובות היא בעיה חוזרת 7,30,40. בניסויים שבוצעו עם ההתקנה המוצגת, במקרים מסוימים שיעורי השקיה גבוהים למדי גדלי דגנים מינרליים עדינים מאוד שימשו, אשר בתחילה חסר מבנה כפי שנצפה בדרך כלל בקרקע. ייתכן שהדבר גרם לנקבוביות של רשתות בתחתית העמודים המכילות מינרלים עדינים בלבד להיסתם במהלך הניסויים. לכן, המים לא זרמו מהר מספיק דרך העמודים, מה שהביא הן להצפה של העמודים, הפחתת חלחול המים ואיסוף תשטיפים והן בתנאים אנוקסיים בתוך העמודים, שהשפיעו על תהליכים ביו-גיאוכימיים. כדי להקל על בעיה זו, חשוב תמיד לערבב אחוז מסוים של גס עם גדלים עדינים יותר של גרגרי מינרלים ולהימנע מתערובות בגודל 100% דגנים מינרליים עדינים מאוד. אפשרות נוספת היא לאפשר לאפשר לעמודים לחוות מספר מסוים של מחזורי הרטבה/ייבוש כדי ליזום היווצרות מבנה הקרקע, ובכך לשפר את חלחול המים. חוץ מזה, לפני תחילת הניסוי, יהיה שימושי לקבוע דינמיקה בסיסית של מי קרקע, כגון זרימה רוויה ובלתי רוויה ועקומת אגירת מים, בכמה מזוקוסמות כדי להבין טוב יותר את זרימת הגז, מצב רוויית המינרלים ומניעי פעילות האורגניזמים.

מערך הניסוי המוצג נוח לשימוש, מציג התקנה פשוטה וניתן להתאים אותו בהתאם לצרכי המחקר. בהקשר של בליה מינרלית, עם ההתאמות הנדרשות, ניתן להצמיד אותו לתא גזים לא רק כדי לאפיין פחמן בפאזה המוצקה והמימית אלא גם כדי להסתכל על הדינמיקה של פחמן בפאזה הגזית. חוץ מזה, ניתן להשתמש במערך זה כדי לחקור שיעורי חדירת מים מציאותיים עם רצפים יבשים-רטובים, שכן דינמיקות זמן אלה יכולות להשפיע מאוד על בליה41. השימוש במערך זה אינו מוגבל לניסויים המתמקדים אך ורק במינרלים סיליקטים, אך ניתן ליישמו בניסויי עמודות המשתמשים במצעים שונים. מלבד זאת, ניתן לקצר או להאריך את אורך הניסויים בהתאם לצרכי הניסוי, וניתן לשנות את מספר העמודות. האפשרות לאסוף דגימות הן מהחומרים המעובדים המוצקים והן מהשטיפה מאפשרת לנו לבצע ניתוחים שונים כדי להתמקד באחד משני המרכיבים או בשניהם. כדי להציג את הידע, זהו המבנה היחיד שנבנה עד כה עם מספר יוצא דופן של עמודים שמטרתו להשתמש באורגניזמים בקרקע כדי לשפר את בליה מינרלית תוך שליטה בתנאים אביוטיים במערכת העשויה אך ורק מינרלים סיליקטיים וחומרים אורגניים.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים לטון ואן דר זלם מטופולה על פיתוח מערכת ההשקיה. בנוסף, אנו מודים לג’קו בארס מטופולה על הצחוקים והתמיכה הנפשית שניתנה במהלך בניית מערך זה. אנו מודים לפיטר גראמסגי ואנחל ולסקו סאנצ’ז על עזרתם בהשקיית העמודים באופן ידני כאשר מערכת ההשקיה לא פעלה. אנו מודים גם לסטיבן היסטרמן, שומינג לי, קארן מורן ריברה, ג’ונה ואן דן ברג וקאנגינג שיה על העזרה שניתנה במהלך הדגימה. אנו מודים לפגי ברטש, טום יפינן, פיטר נובלס, ברנט רוטגאנס, אנדרה ואן לוון וג’רלינד וינק על הסיוע במעבדה, ניתוח הדגימות והדיונים הפוריים. לבסוף, אנו מודים לג’רואן זונוולד מיוניפארם על האספקה והתחזוקה של תא האקלים. מערך זה נבנה כחלק מפרויקט Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), הממומן על ידי תוכנית המסגרת Horizon 2020 של האיחוד האירופי למחקר וחדשנות במסגרת הסכם מענק מספר 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. 
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referencias

  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. 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)
  27. 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)
  28. 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)
  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

Enhanced WeatheringCarbon Dioxide RemovalSoil BiotaEarthwormsBacteriaFungiWeathering RatesCarbon Dioxide CaptureExperimental SetupMineral Weathering

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artículo
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).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image