En mikrodialysprofiler beskrivs för att ta prov på lösta porvattenlösta ämnen över ett oxisk-anoxiskt jord-vattengränssnitt in situ med minimal störning. Denna enhet är utformad för att fånga snabba förändringar i koncentrationsdjupprofiler som induceras av störningar vid mark-vattengränssnittet och bortom.
Biogeokemiska processer skiftar snabbt i både rumsliga (millimeterskala) och temporala (timskala till dagskala) dimensioner vid det oxisk-anoxiska gränssnittet som svar på störningar. För att dechiffrera de snabba biogeokemiska förändringarna krävs in situ, minimalt invasiva verktyg med hög rumslig och tidsmässig provtagningsupplösning. De tillgängliga passiva provtagningsanordningarna är dock inte särskilt användbara i många fall, antingen på grund av deras disponibla natur eller komplexiteten och den omfattande arbetsbelastningen för provberedning.
För att lösa detta problem etablerades en mikrodialysprofiler med 33 individuella polyetersulfonnanomembranrör (semipermeabla, <20 nm porstorlek) integrerade i det endimensionella skelettet (60 mm) för att iterativt ta prov på de upplösta föreningarna i porvatten över mark-vattengränssnittet med en hög upplösning på 1,8 mm (ytterdiameter plus ett avstånd, dvs 0,1 mm mellan sonder). Provtagningsmekanismen är baserad på principen om diffusion av koncentrationsgradienter. Den automatiska laddningen av avgasat vatten möjliggör minimal störning av de kemiska arterna över det oxisk-anoxiska gränssnittet.
Detta dokument beskriver procedurerna för installation av enheter och kontinuerlig porvattenprovtagning över mark-vattengränssnittet dagligen. Koncentrationsdjupsprofilerna mättes selektivt före (dag 6) och efter (dag 7) störningar orsakade av bevattning. Resultaten visade att koncentrationsdjupsprofilerna genomgick snabba förändringar, särskilt för redoxkänsliga element (dvs. järn och arsenik). Dessa protokoll kan hjälpa till att undersöka de biogeokemiska svaren över mark-vattengränssnittet under olika störningar orsakade av fysiska, kemiska och biologiska faktorer. Papperet diskuterar grundligt fördelarna och nackdelarna med denna metod för potentiell användning inom miljövetenskapen.
Ett oxisk-anoxiskt gränssnitt är en allmän egenskap i biosfären som är avgörande för den biogeokemiska cykeln1. Detta gränssnitt är mycket heterogent, med det rumsliga intervallet som sträcker sig från millimeter i gränssnittet mellan sediment och mark-vatten1,2 till tusentals meter i den oceaniska syrefria zonen 3,4. Detta gränssnitt är en idealisk livsmiljö för att studera komplexiteten hos elementär biogeokemi.
Gränsytor mellan jord och vatten har en typisk oxisk-anoxisk gradientfunktion inom centimeter och är lätt etablerade i mesokosmexperiment. Med utgångspunkt från förbrukningen av molekylärt syre från ytvatten driver de stratifierade funktionella mikrobiella samhällena utvecklingen av olika gradienter, såsomO2-, pH- och Eh-gradienter, på millimeterskala1. Biogeokemisk kretslopp vid det oxisk-anoxiska gränsvärdet är känsligt för olika störningar i naturen 5,6. När det gäller sediment och risfält kan tillförsel av färskt organiskt material såsom strö och halm, periodiska översvämningar och dränering, temperaturfluktuationer och extremiteter samt bioturbation orsaka förändringar i den biogeokemiska cykeln vid det oxisk-anoxiska gränssnittet, vilket sannolikt leder till bestående effekter, såsom utsläpp av växthusgaser, eutrofiering och kontaminering på en viss plats. Därför ger den oxisk-anoxiska gradienten vid mark-vattengränssnittet ett fönster för studier av globala, storskaliga, biogeokemiska cykler. Spatiotemporal provtagning och analys av lösta ämnen längs mark-vattengränssnittet i hög upplösning har alltid varit av intresse. Framstegen i metoden har dock varit begränsade.
För att kringgå nackdelarna med destruktiv porvattenextraktion används icke-destruktiv passiv provtagning alltmer för att undvika förändringar i porvattenkemin och ta itu med komplexiteten i provberedningen7. Flera enheter som kan utföra högprecision, in situ-provtagning (från mikrometer till centimeterskala) har använts i stor utsträckning, inklusive in situ-dialysprovtagare (känd som peepers)8, diffusiv jämvikt i tunna filmer (DET)9 och diffusiv gradient i tunna filmer (DGT)10. Löst ämnen provtas passivt via diffusions- och adsorptionsprocesserna. Även om de har visat sig vara användbara för att beskriva oxisk-anoxiska kemiska profiler, är de fortfarande engångsbruk, vilket begränsar deras bredare tillämpning.
Nyligen har mikrodialystekniken dykt upp som ett känsligt verktyg som kan användas för att övervaka löslig föreningsdynamik i jord på tidsskalor från minuter till dag11,12,13,14. För ett typiskt scenario med mikrodialys inom medicinsk och miljövetenskap används en miniatyrsond av koncentrisk typ bestående av ett semipermeabelt rörformigt membran (dvs. en mikrodialysator) för att sondra interstitiell vätska eller jordlösningar för att förhindra signifikanta störningar på, metaboliska processer och kemisk speciering15,16. En av de största inneboende fördelarna med mikrodialys är in situ-infångning av tidsberoende koncentrationsförändringar i jord eller biologiska vävnader15,16.
Baserat på mikrodialyskonceptet utvecklade vi en mer lättanvänd mikrodialysprofilerare, tidigare kallad integrerad porewater injection (IPI) profiler, som kan utföra kontinuerlig jämviktsdialys av porvattenlösta ämnen baserat på principen om koncentrationsgradientdiffusion2. Mikrodialysanordningen använder ihåliga nanomembranrör för aktiv förladdning av perfusatet och passiv diffusion av de upplösta lösta ämnena, vilket skiljer sig från bulkporvattendiffusionen som används i peepers, tryckfilter såsom Rhizon sampler och ackumuleringsbaserad DGT. Enheten har testats och validerats i tidsmässig och rumslig provtagning av både katjoniska och anjoniska element i både höglänta och översvämmade jordar (figur 1A-1) 13,15,16. Enkel pump in-och-ut mikrodialys minimerar antalet steg i provberedning 2,15.
Vi tillverkade en mikrodialysprofiler genom att integrera en uppsättning provtagare på ett endimensionellt stödskelett, och denna profiler uppnådde högupplöst provtagning vid mark-vattengränssnittet och rhizosfären 2,15,17. I denna studie gjordes betydande modifieringar av provtagningsanordningen och provtagningsmetoden för att möjliggöra insamling av 33 porvattenprover vid mark-vattengränssnittet (60 mm vertikalt djup) med minimal störning för nedströms elementanalys. Hela provtagningsproceduren tar ~ 15 minuter. Eftersom mikrodialysprofileraren är ny för miljövetenskapens gemenskap presenterar vi detaljer om enhetskomponenterna och provtagningsprocedurerna för att indikera mikrodialysens potential att övervaka förändringarna i kemiska signaler vid mark-vattengränssnittet.
Beskrivning av mikrodialysprofileraren
Mikrodialysprofileringsenheten, med lämpliga modifieringar av den tidigare konstruktionen2, visas i figur 1. Den effektiva porstorleken hos nanomembranet (figur 1C-1) uppskattas till endast flera nanometer för att förhindra diffusion av stora molekyler och mikrobiella celler. Ett tidigare test föreslog att en 6 månaders översvämmad inkubation inte resulterade i några järnavlagringar på varken insidan eller utsidan av rörytan15. Ett böjt, ihåligt skelett designades (figur 1C-2) och 3D-printades med ett stabilt nylonmaterial. Totalt 33 nanomembranrör (polyetersulfon; ytporstorlek: 0–20 nm; innerdiameter x ytterdiameter x effektiv provtagningslängd: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teoretisk volym: 42,4 μl) kopplade till matchade rör av polytetrafluoreten (PTFE) (längd: 18 cm x 2 cm diameter figur 1C-1) installerades på skelettet och över ena sidan av en PVC-behållare (figur 1B). För denna anordning är provtagningskomponenten (figur 1B-1) 2 cm från PVC-behållarens sidovägg. För injektionssidan (figur 1B-4) var alla rör anslutna till en en-till-många-kontakt, som var lufttät fastsatt i en buffertbehållare (figur 1B-7). En medicinsk infusionspåse (figur 1B-11) användes för att ansluta till buffertbehållaren med en trevägsventil. Systemets lufttäthet undersöktes noggrant i vatten före ytterligare experimentella operationer. Det förladdade vattnet (18,2 MΩ, 500 ml) i den medicinska infusionspåsen är alltid syrefritt (figur 1C-8). Detaljerad installation av utrustning och porvattenprovtagning beskrivs enligt följande.
Baserat på tidigare experiment och metoder2 kräver vissa överväganden särskild uppmärksamhet under montering av mikrodialysprofiler och provtagning av porvatten. Först bör nanomembranröret och anslutningsröret anslutas försiktigt för att undvika blockeringar eller läckage vid anslutningen. När jorden inkuberas under översvämmade förhållanden kommer införandet av syre snabbt att oxidera och fälla ut järnjärn i dialysslangen (figur 4). Av denna anledning, innan mikrodialysprofileraren monteras, måste varje mikrodialysrör kontrolleras för integritet (ingen skada), anslutningarnas lufttäthet och slangens patency. På samma sätt måste anslutningen av stödramen till inkubationsbehållarens sidovägg göras noggrant för att undvika läckage. Före formella experiment är läckagekontroller på de olika anslutningsplatserna alltid en prioritet. För det andra måste perfusatet i den anaeroba påsen vara tillräckligt deoxygenerat. Annars kommer järnjärn i porvatten att reagera med syret i perfusatet för att bilda olösliga fällningar (figur 4). Detta kommer allvarligt att förändra den lösta specieringen och koncentrationen och diffusionsprocesserna mot nanomembranrören. För det tredje kommer en låg provtagningsfrekvens (dagar och veckor) att få lösningsmedlet att diffundera in i buffertregionen. Detta kan förorena hela profilprovet. För att lösa detta problem kan tre möjliga lösningar övervägas: (1) provtagning med hög frekvens, till exempel en gång om dagen (detta kan dock leda till löst utarmning nära dialysprovtagaren när flera provtagningar utförs); (2) förlänga anslutningsrörets längd i injektionsområdet efter behov; (3) Omformning av provtagningsrörledningen för att uppnå en enda kontroll av en enda rörledning. Det här är också anvisningar för förbättring av enheten i framtiden. För det fjärde måste det under provtagningsprocessen säkerställas att vattenytans nivå i den anaeroba säcken, den översvämmade jorden och provtagningsröret är ungefär på samma höjd för att balansera vattentrycket. Annars kommer en vattenpotentialskillnad inuti och utanför membranröret att resultera i en minskning eller ökning av lösningsmedelsdiffusionen.
Begränsningar
För det första, eftersom mikrodialysprofilen inte är kommersiellt tillgänglig, förblir metoden tidskrävande när det gäller beredningen av enheten. Det tog dagar att förbereda ett enda dialysrör, inklusive utskrift av stödskelettet, montering av enheten och rengöring. Men de efterföljande återanvändbara funktionerna överbryggar helt detta gap. För det andra finns det vissa begränsningar vid tillämpning av enheten på icke-översvämmade markscenarier, vilka peepers kan användas för18. På grund av den signifikanta vattenpotentialskillnaden mellan insidan och utsidan av membranröret i torr jord upplever den förladdade lösningen diffusionsförlust; Faktum är att olika provvolymåtervinningar i intervallet 10% -36% observerades i det preliminära testet (detaljerade data visas inte), vilket skapar osäkerhet om resultaten.
Jämförelse av metoden med befintliga eller alternativa metoder
Metoden tar delvis itu med det faktum att de befintliga passiva provtagarna inte kan ta prov upprepade gånger och minimerar arbetsbelastningen för provberedning, särskilt för provtagning och konservering av anoxiskt porvatten2. De omedelbara förändringarna i koncentration och speciering av dialyserade lösta ämnen kan känsligt återspegla svaret från det oxisk-anoxiska gränssnittet på eventuella miljöstörningar. Teoretiskt sett möjliggör provtagning med en frekvens av minuter, timmar eller dagar inspelning av de snabbt föränderliga processerna vid gränssnittet. För passiva provtagare som måste vara i utplacering i flera dagar kan vissa heta stunder och hotspots missas 6,19.
Betydelse och potentiella tillämpningar inom miljövetenskap
Detta tillvägagångssätt kan främja biogeokemiska studier vid oxic-anoxiska gränssnitt, till exempel för att hitta heta stunder och hotspots för biogeokemiska processer under specifika Eh-pH-förhållanden. Redoxprocessen är den grundläggande processen för livsaktiviteter1. Särskilt mikroorganismer kräver optimala livsmiljöförhållanden och är mycket känsliga för miljöstörningar1. Detta resulterar i en mycket dynamisk utveckling av mikrobiella samhällen och biogeokemiska processer i heterogena miljöer20. Direkt provtagning, utan att ta hänsyn till den höga heterogeniteten, tenderar att erhålla ett blandat prov från olika miljöförhållanden. Detta orsakar oöverensstämmelse mellan den uppmätta kemiska informationen och viktiga mikroorganismer20. Inom några centimeter från ytskiktet av jord eller sediment i ett typiskt översvämmat risfält finns det branta redoxgradienter, liksom olika fysiska, kemiska21 och biologiska gradienter1. Tekniken måste kunna fånga biogeokemiska signaler i millimeterskala; Annars kan data som inte matchar den faktiska skalan leda till tvetydiga slutsatser. Mikrodialysprofilen kan övervaka biokemiska signaler i millimeterskala vid gränssnittet mellan mark och vatten på dagar eller timmar med minimal störning. I denna studie observerades den spatiotemporala dynamiken hos olika element under en 48-timmarsperiod, möjligen relaterad till störningen av vattenpåfyllning. Därför kan en bredare tillämpning av mikrodialysprofileraren hjälpa till att förstå hur störningar påverkar viktiga biogeokemiska processer i en föränderlig värld.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansieras av National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) och Key Programme Special Fund of XJTLU (KSF-A-20).
3D Printer | Snapmaker, United States | Snapmaker 2.0 | Model: A250 |
3M DP190 Scotch-Weld Gray | 3M United States | 489-483 | Gray |
Centrifuge tube | Titan, China | SWLX-JZ050-ZX | 50 mL, Sterilized DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Free |
Ceramic knife | R felngli, China | N.A. | General |
EDTA FREE ACID | Sigma-Aldrich | CAS 60-00-4 | Sigma-Aldrich#EDS-1KG |
Ethanol | Adamas | CAS 64-17-5 | Water ≤ 50 ppm (by K.F.), 99.5%, SafeDry, with molecular sieves, Safeseal |
Hot melt adhesive | Magic Dragon, China | N.A. | JTWJRRJB001 |
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry | PerkinElmer, Inc., Shelton, CT USA | N.A. | Model: NexION 350X |
Medical Infusion Bag | Hunan Kanglilai Medical Equipment Co., Ltd | N.A. | 250 Ml, Sterlized |
Milli-Q water system | Mingche, Inc., China | N.A. | 18.3 MΩ, water purification system model: 24UV |
Nanomembrane Tube (polyethersulfone) | Motimo Membrane Technology Co., Ltd., Tianjin, China | N.A. | Polyethersulfone, inner diameter 1 mm, poresize <20 nm, pretreated with ethanol (99.5%) |
Nitrogen gas | Suzhou Gas, Chuina | N.A. | High puriety |
Nitrotic acid (Concentrated) | Adamas | CAS 7697-37-2 | 69%,Single Metal < 50 ppt, PFA Bottle |
Nylon Fiber | Soumiety | 10052076600273 | For 3D-printing |
Pipette | Bond A3 Pipette | N.A. | 200 μL |
Pipette Tip | Titan | T2-H-T0200 | 200 μL, 300 μL Tip Box Non-sterile|200 μL|Titan |
Polytetrafluoroethylene Tube | ROHS, China | CJ-TTL | Out diameter 1 mm |
Sample vial | Titan, China | EP0060-B-N | 0.6 mL, Sterilized DNASE/RNASE/Protease/Pyrogen Free |
Silicon cap | Fuchenxiangsu, China | N.A. | Inner diameter 1 mm, length 1 cm |
Sonicator | Elma | N.A. | model:E120H |
Square PVC water pipe | Taobao.com | N.A. | hight x width, 12 cm x 15 cm |
Three-way valve for infusion | OEM, China | N.A. | Medical level; Valve body: PC material; valve core: PE material; screw cap: ABS material |