Conception et construction d’un dispositif expérimental pour améliorer l’altération minérale par l’activité des organismes du sol
Summary
Nous présentons ici la construction et l’exploitation d’un dispositif expérimental visant à améliorer l’altération minérale par l’activité des organismes du sol tout en manipulant simultanément des variables abiotiques connues pour stimuler l’altération. Les résultats représentatifs du fonctionnement de l’installation et des analyses d’échantillons sont discutés ainsi que les points à améliorer.
Abstract
L’altération améliorée (EW) est une technologie émergente d’élimination du dioxyde de carbone (CO2) qui peut contribuer à l’atténuation du changement climatique. Cette technologie repose sur l’accélération du processus naturel d’altération minérale dans les sols en manipulant les variables abiotiques qui régissent ce processus, en particulier la granulométrie des minéraux et l’exposition aux acides dissous dans l’eau. L’EW vise principalement à réduire les concentrations atmosphériques de CO2 en améliorant la séquestration du carbone inorganique. Jusqu’à présent, la connaissance de la guerre électronique a été principalement acquise par le biais d’expériences qui se sont concentrées sur les variables abiotiques connues pour stimuler l’altération minérale, négligeant ainsi l’influence potentielle des composants biotiques. Alors que les bactéries, les champignons et les vers de terre sont connus pour augmenter les taux d’altération des minéraux, l’utilisation des organismes du sol dans le contexte de la guerre électronique reste sous-explorée.
Ce protocole décrit la conception et la construction d’un dispositif expérimental mis au point pour améliorer les taux d’altération des minéraux par les organismes du sol tout en contrôlant simultanément les conditions abiotiques. L’installation est conçue pour maximiser les taux d’altération tout en maintenant l’activité des organismes du sol. Il se compose d’un grand nombre de colonnes remplies de poudre de roche et de matière organique, situées dans une chambre climatique et avec de l’eau appliquée via un système d’irrigation à flux descendant. Des colonnes sont placées au-dessus d’un réfrigérateur contenant des jerrycans pour recueillir le lixiviat. Des résultats représentatifs démontrent que cette configuration est adaptée pour assurer l’activité des organismes du sol et quantifier leur effet sur la séquestration du carbone inorganique. Il reste des défis à relever pour minimiser les pertes de lixiviat, assurer une ventilation homogène à travers la chambre climatique et éviter l’inondation des colonnes. Avec cette configuration, une approche innovante et prometteuse est proposée pour améliorer les taux d’altération minérale grâce à l’activité du biote du sol et démêler l’effet des facteurs biotiques et abiotiques en tant que moteurs de la guerre électronique.
Introduction
L’altération améliorée (EW) est une technologie relativement nouvelle et peu technologique d’élimination du dioxyde de carbone (CDR) qui présente un potentiel important d’atténuation du changement climatique 1,2,3. Le principe de cette technologie repose sur l’accélération du processus naturel d’altération minérale dans les sols, conduisant à la séquestration du dioxyde de carbone (CO2) sous forme de carbone inorganique (IC)3. L’altération améliorée vise à augmenter la séquestration des CI en optimisant artificiellement les facteurs régissant l’altération minérale, augmentant ainsi la vitesse à laquelle l’altération se produit à des échelles de temps humainement pertinentes3. Pour que l’EW soit le plus efficace, les minéraux silicatés à altération rapide sont broyés en une poudre avec une distribution granulométrique de l’ordre du micromètre au millimètre pour atteindre une surface réactive élevée dans la plage ~1 m2·g-1 3,4.
Jusqu’à présent, les connaissances sur la guerre électronique ont été principalement fournies par des expériences qui se concentrent sur les facteurs abiotiques régissant les vitesses de dissolution des minéraux5. Il s’agit notamment de la réactivité minérale et de la surface, de la température, de la composition de la solution, du temps de séjour dans l’eau et de l’acidité 4,6,7, mais des recherches doivent encore être menées dans ce contexte. En plus d’être influencés par des facteurs abiotiques, les systèmes naturels, et les sols en particulier, sont façonnés par un grand nombre d’organismes, allant des microbes à la macrofaune comme les vers de terre. Bien que certaines études n’aient montré que peu ou pas d’influence de l’activité biotique de la dissolution minérale 8,9,10, d’autres études ont fourni des preuves que les organismes du sol tels que les bactéries 11,12, les champignons 13,14 et les vers de terre15,16 pourrait augmenter les taux d’altération des minéraux. Par conséquent, les composants biotiques pourraient être essentiels pour comprendre le potentiel réel de séquestration des CI d’EW5.
Le premier mécanisme courant par lequel les organismes du sol pourraient accélérer la dissolution des minéraux est la libération de CO2 pendant la respiration, ce qui augmente l’acidification du sol17. En outre, les bactéries et les champignons pourraient augmenter l’altération minérale en exsudant des protons, des chélates, des acides organiques et des enzymes, qui améliorent tous la dissolution minérale 18,19,20,21. Par exemple, la chélation par les groupes carboxyle et hydroxyle peut créer des déséquilibres ioniques, en transportant des éléments loin de la surface des minéraux et en abaissant les états de saturation20,22. Cela pourrait conduire à moins de formation de minéraux secondaires et à une plus grande efficacité de l’EW. De plus, en se nourrissant de particules du sol, les fortes actions des parois corporelles des vers de terre pourraient décomposer les grains minéraux en particules plus fines, augmentant ainsi leur surface réactive disponible23. Les microbes vivant dans les intestins des vers de terre et les excréments frais pourraient attaquer davantage ces particules plus petites, qui exsudent davantage d’acides organiques et d’enzymes24,25. Par leur activité fouisseuse, en plus de contribuer au mélange de particules organiques et minérales, les vers de terre créent également des macropores qui pourraient permettre à l’écoulement de l’eau de contourner l’espace interstitiel saturé17. Cela pourrait permettre à l’eau d’interagir avec différentes surfaces minérales et d’améliorer le taux de contact eau-roche.
Jusqu’à présent, aucun dispositif n’a été construit pour étudier les taux d’EW et donc la séquestration des CI à l’aide d’organismes du sol tout en assurant la possibilité d’optimiser différentes conditions abiotiques pertinentes, telles que les apports en eau, la température, le type de minéral et la taille des grains minéraux. Ici, la conception et l’explication des étapes de construction d’une installation innovante qui vise à augmenter les taux d’EW grâce à l’activité des organismes du sol dans de petits mésocosmes sont présentées. Le dispositif expérimental se compose de 203 colonnes (longueur 15 cm, diamètre 7 cm) placées dans une chambre climatique (4,54 m x 2,72 m) à 25 °C pendant 8 semaines. Les 203 colonnes sont divisées en 10 groupes de 18 et 2 groupes de 10 pour s’adapter à la chambre climatique. L’un des deux groupes de 10 colonnes est utilisé pour permettre l’insertion de trois colonnes supplémentaires qui sont utilisées comme blancs. Chaque groupe est placé au-dessus d’un réfrigérateur et est surmonté d’un système d’irrigation contrôlable à distance, qui permet des taux d’irrigation variables à l’intérieur et entre les réfrigérateurs. Le lixiviat de chaque colonne est recueilli dans un jerrycan conservé à température constante dans le réfrigérateur (figure 1). Un réfrigérateur recueille le lixiviat d’un groupe de colonnes, ce qui signifie qu’un réfrigérateur peut être considéré comme un système unique de 18 ou 10 colonnes. Par conséquent, le nombre de colonnes dans cette configuration expérimentale peut être ajusté en fonction des exigences expérimentales avec un maximum de 203 colonnes.
Figure 1 : Vue latérale schématique de l’installation montrant 5 colonnes mais considérant un système de 18 colonnes. Le cadre qui soutient les colonnes est composé de plaques en acier inoxydable, de vis en acier inoxydable et de plaques acryliques. Les colonnes sont positionnées au milieu du cadre et sont surmontées d’un système d’irrigation. Sous les colonnes, des entonnoirs sont reliés à des jerrycans par des tuyaux pour recueillir le lixiviat. Les jerrycans sont dans un réfrigérateur qui contient tout le système. Le réfrigérateur peut être ouvert en soulevant le couvercle. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Dans cette configuration, l’utilisation de poudres de roche silicatées de granulométrie spécifique garantit des taux d’altération élevés, tandis que l’inoculation avec des bactéries, des champignons et des vers de terre spécifiquement sélectionnés garantit l’activité biotique dans ce système artificiel. La configuration permet la quantification simultanée du carbone séquestré dans les échantillons solides et liquides en mesurant à la fois la CI dissoute et solide, ainsi que l’alcalinité totale (TA). En outre, d’autres paramètres tels que le pH, la conductivité électrique (EC) et les ions peuvent être mesurés dans le lixiviat en tant qu’indicateurs de l’altération. Cette configuration permet également d’évaluer l’impact de la survie et de l’activité des organismes du sol. Des résultats représentatifs sont présentés pour prouver l’adéquation de ce protocole à la construction d’une configuration où les augmentations des taux d’altération sont dérivées non seulement de facteurs abiotiques, mais aussi de facteurs biotiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans le contexte actuel de la recherche, cette configuration a été conçue de manière unique pour optimiser la séquestration du carbone inorganique en améliorant l’altération minérale par l’activité du biote du sol, tout en manipulant simultanément les facteurs abiotiques connus pour stimuler l’altération. La possibilité, dans cette configuration, de collecter à la fois la matière solide traitée et le lixiviat permet une caractérisation complète des deux fractions. Malgré l’énorme quantité de colonnes, la collecte des échantillons et les analyses effectuées garantissent une collecte de données de haute qualité. En outre, il est très important d’avoir un grand nombre de combinaisons dans un seul cycle expérimental pour analyser les données collectées avec des méthodes statistiques modernes et avancées, telles que l’apprentissage automatique. Ces méthodes peuvent être utilisées pour déterminer les principales variables conduisant à des taux d’altération élevés et à une séquestration supplémentaire du carbone. Par conséquent, cette configuration offre la possibilité d’améliorer la compréhension des effets que les organismes du sol peuvent avoir sur la séquestration de la guerre électronique et de l’IC. Ceci est fondamental pour établir des contraintes plus réalistes sur les limites de la guerre électronique et son efficacité à réduire les concentrations atmosphériques de CO2 . Cette configuration présente plusieurs originalités par rapport aux études existantes portant sur la guerre électronique et l’effet des organismes du sol.
En ce qui concerne les effets des facteurs abiotiques sur la guerre électronique, ceux-ci ont déjà été étudiés dans des études antérieures 4,29,30,31,32,33,34. Certaines de ces études ont comparé différentes quantités, types et tailles de grains de roches, mais leur configuration consistait soit en une expérience en pot 32,33, soit en un mélange de poudre de roche avec de la terre34. D’autres expériences se sont concentrées sur un type de roche avec des taux d’irrigation différents, mais n’avaient pas la possibilité d’irriguer fréquemment avec un système automatisé ou se sont concentrées sur plusieurs taux et fréquences d’irrigation35. D’autres études ont présenté une configuration similaire à celle présentée dans le protocole actuel, avec la possibilité d’ajuster les taux d’irrigation et de maintenir la température constante, en plus de varier la taille et le type de grains de roche29,30. De plus, la conception de ces installations était comparable à celle proposée dans le présent manuscrit et conçue pour recueillir le lixiviat en vue d’analyses ultérieures29,30. De plus, les concentrations de CO2 ont varié dans ces études, ce qui constitue un autre facteur d’altération29. Cependant, aucune de ces études antérieures ne s’est concentrée sur l’effet des facteurs biotiques sur la promotion de la guerre électronique. Dans cette configuration, l’objectif est d’améliorer le processus d’altération et la séquestration des CI en inoculant des bactéries, des champignons et des vers de terre spécifiques et en déterminant dans quelle mesure ils peuvent accélérer la guerre électronique.
En ce qui concerne l’effet des facteurs biotiques sur la guerre électronique, peu d’études ne se sont pas spécifiquement concentrées sur la guerre électronique, mais ont cherché à savoir si les organismes du sol peuvent influencer l’altération minérale. Ces études ont principalement exploré comment l’altération est affectée par les organismes du sol en utilisant des milieux de culture 19,21, des boîtes de Pétri 36, des sacs en nylon enfouis dans le sol14 ou de petites quantités de poudre de roche mélangée à d’autres substrats36,37. L’utilisation de systèmes ou d’installations aussi petits rend difficile de démêler l’effet des organismes des autres variables. Certaines expériences ont utilisé une configuration similaire à celle proposée ici, mais à une échelle plus petite, avec des colonnes remplies de poudre de roche inoculées avec des organismes du sol38,39,40. Cependant, ces expériences ont soit permis de cultiver simultanément des plantes et de ne pas se concentrer sur l’effet exclusif d’organismes spécifiques du sol13,35, soit de ne pas recueillir le lixiviat 36. En outre, la plupart des études qui ont montré que les bactéries, les champignons et les vers de terre augmentent l’altération minérale se sont concentrées sur l’effet de ces organismes sur la libération de nutriments comme indication de l’altération plutôt que sur la séquestration de l’IC 11,13,14,19,36,37,38 . Surtout, aucune de ces études antérieures ne visait à promouvoir la guerre électronique ou ne présentait la possibilité d’ajuster et de maintenir les facteurs abiotiques tout au long de la période expérimentale. Dans cette configuration, au lieu de maintenir tous les facteurs abiotiques constants, une multitude de combinaisons sont testées pour quatre facteurs abiotiques, tels que les taux et les fréquences d’irrigation de l’eau, le type de poudre de roche et la taille des grains, dans le but de favoriser la guerre électronique par l’activité des organismes du sol.
De plus, aucune des études précédentes qui se sont concentrées sur l’effet des facteurs abiotiques ou biotiques sur la guerre électronique n’a présenté la possibilité d’avoir un très grand nombre de colonnes et de variables au cours d’une seule série expérimentale. Dans cette configuration, il est possible de tester plusieurs combinaisons différentes de différentes variables au cours d’une seule série d’expériences en raison du nombre impressionnant de colonnes pour lesquelles la configuration a été conçue, tout en fournissant des résultats de haute qualité. Compte tenu de la nouveauté de la configuration, nous présentons ci-dessous quelques améliorations possibles et les défis restants qui pourraient être pris en compte lors de la conception de futures configurations similaires.
Des conditions d’air homogènes dans la chambre d’incubation doivent être assurées. Le placement de l’installation dans une chambre climatique a permis d’assurer une température et une humidité relative constantes. Les contraintes de ventilation (par exemple, le débit d’air) peuvent avoir créé une variabilité spatiale dans les conditions atmosphériques et donc conduit à une évaporation disproportionnée des colonnes à certains endroits, ce qui est un phénomène courant dans ce type d’installation35. Pour faire face à cet inconvénient, lorsque la réplication et la randomisation ne sont pas possibles, il est conseillé de calculer un bilan hydrique pour les colonnes placées à différents endroits dans la chambre.
Les colonnes doivent être soigneusement alignées avec les entonnoirs une fois insérées dans la plaque acrylique pour éviter la perte de lixiviat. Au cours de la période expérimentale considérée, des pertes de lixiviat se sont produites à partir du bas des colonnes en raison d’un mauvais positionnement des entonnoirs ou de l’encrassement des mailles. Avec l’évaporation, cela peut expliquer en partie pourquoi le lixiviat collecté était inférieur aux attentes (figure 13). Pour minimiser ces pertes, il est important de s’assurer que les entonnoirs sont positionnés de manière optimale sous les colonnes. L’utilisation d’entonnoirs plus larges est également une option viable. Dans ce cas, il convient de faire attention au diamètre des trous lors de la construction des plaques acryliques et à la distance entre les plaques acryliques.
Le ralentissement de l’écoulement de l’eau dans les expériences sur colonne de sol où l’eau est appliquée fréquemment est un problème récurrent 7,30,40. Dans les expériences réalisées avec la configuration présentée, dans certains cas, des taux d’irrigation assez élevés et des granulométries minérales très fines ont été utilisés, qui n’ont pas initialement la structure normalement observée dans les sols. Cela a pu provoquer l’obstruction des pores des mailles au bas des colonnes, qui ne contiennent que des minéraux fins, pendant le déroulement des expériences. Par conséquent, l’eau ne s’est pas écoulée assez rapidement à travers les colonnes, ce qui a entraîné à la fois l’inondation des colonnes, réduisant l’infiltration d’eau et la collecte de lixiviat, et des conditions anoxiques à l’intérieur des colonnes, ce qui a eu un impact sur les processus biogéochimiques. Pour atténuer ce problème, il est important de toujours mélanger un certain pourcentage de granulométrie grossière avec des granulométries minérales plus fines et d’éviter les mélanges granulométriques 100% minéraux très fins. Une autre option consiste à permettre aux colonnes de subir un certain nombre de cycles de mouillage/séchage pour initier la formation de la structure du sol, et ainsi améliorer l’infiltration de l’eau. En outre, avant le début de l’expérience, il serait utile de déterminer la dynamique de base de l’eau du sol, telle que le débit saturé et non saturé et la courbe de rétention d’eau, dans quelques mésocosmes pour mieux comprendre le flux de gaz, l’état de saturation minérale et les moteurs de l’activité des organismes.
Le dispositif expérimental présenté est pratique à utiliser, présente une installation simple et peut être ajusté en fonction des besoins de la recherche. Dans le cadre de l’altération minérale, avec les ajustements nécessaires, il peut être couplé à une chambre à gaz afin non seulement de caractériser le carbone en phase solide et aqueuse, mais aussi d’examiner la dynamique du carbone en phase gazeuse. De plus, cette configuration peut être utilisée pour étudier des taux d’infiltration d’eau réalistes avec des séquences sèches-humides, car ces dynamiques temporelles pourraient fortement influencer l’altération41. L’utilisation de cette configuration n’est pas limitée aux expériences qui se concentrent uniquement sur les minéraux silicatés, mais elle peut être mise en œuvre dans des expériences en colonne qui utilisent différents substrats. En outre, la durée des expériences peut être raccourcie ou prolongée en fonction des besoins expérimentaux, et le nombre de colonnes peut être modifié. La possibilité de prélever des échantillons à la fois sur les matériaux solides traités et sur le lixiviat nous permet d’effectuer différentes analyses pour nous concentrer sur l’un des deux composants ou sur les deux. Pour présenter les connaissances, il s’agit de la seule installation qui a été construite jusqu’à présent avec un nombre exceptionnel de colonnes qui vise à utiliser les organismes du sol pour améliorer l’altération minérale tout en contrôlant simultanément les conditions abiotiques dans un système composé uniquement de minéraux silicatés et de matières organiques.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions Ton van der Zalm de Tupola pour le développement du système d’irrigation. De plus, nous remercions Jaco Baars de Tupola pour les rires et le soutien mental qu’il a apportés lors de la construction de cette installation. Nous remercions Peter Garamszegi et Ángel Velasco Sánchez d’avoir aidé à arroser manuellement les colonnes lorsque le système d’irrigation ne fonctionnait pas. Nous remercions également Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg et Kangying Xie pour l’aide apportée lors de l’échantillonnage. Nous remercions Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen et Gerlinde Vink pour leur aide au laboratoire, les analyses des échantillons et les discussions fructueuses. Enfin, nous remercions Jeroen Zonneveld d’Unifarm pour la mise à disposition et l’entretien de l’enceinte climatique. Cette installation a été construite dans le cadre du projet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM !), financé par le programme-cadre de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention 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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