Traditional thermogradient tables create a range of temperatures across the surface. Welding gussets perpendicular to the surface of a thermogradient table will control temperature in depth increasing possible research applications.
Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a series of incubators. A temperature gradient is passively established across the surface of the table between the heated and cooled ends and is lost quickly at distances above the surface. Since temperature is only controlled on the table surface, experiments are restricted to shallow containers, such as Petri dishes, placed on the table. Welding continuous aluminum vertical strips or gussets perpendicular to the surface of a table enables temperature control in depth via convective heat flow. Soil in the channels between gussets was maintained across a gradient of temperatures allowing a greater diversity of experimentation. The gusseted design was evaluated by germinating oat, lettuce, tomato, and melon seeds. Soil temperatures were monitored using individual, battery-powered dataloggers positioned across the table. LED lights installed in the lids or along the sides of the gradient table create a controlled temperature chamber where seedlings can be grown over a range of temperatures. The gusseted design enabled accurate determination of optimum temperatures for fastest germination rate and the highest percentage germination for each species. Germination information from gradient table experiments can help predict seed germination and seedling growth under the adverse soil conditions often encountered during field crop production. Temperature effects on seed germination, seedling growth, and soil ecology can be tested under controlled conditions in a laboratory using a gusseted thermogradient table.
Thermogradient 테이블은 새로운 것이 아니다 그들의 사용은 수십 년 동안 1-6 문헌에보고되었다. 초기 테이블 번의 실험에서 넓은 온도 범위에 걸쳐 종이 기판 상에 종종 실험실 종자 발아 시험 (도 1)에 대한 표면적으로 개발되었다. 거기 thermogradient 테이블의 다른 설계되지만 가장 일반적인 것은 양단 저부에 용접 사각 파이프의 루프 금속의 비교적 두꺼운 사각형 시트 내식성 종종 알루미늄으로 이루어져있다. 플라스틱 튜브는 테이블 아래에 양단에 파이프를 통해 냉각 및 가열 된 유체 펌프 화장실 순환, 온도 조절에 테이블 IN-와 출구 파이프를 연결합니다. 파이프 시스템 근처 또는 냉동실 온도 아래로 작동 할 경우, 동결 방지 유체, 일반적으로 물 부동액 (에틸렌 글리콜)의 혼합물을 행한다. 또 다른 디자인은 CRE 함께 금속 스트립을 용접하는 것입니다양쪽 끝에 따뜻하고 차가운 솔루션의 순환을 위해 입구와 출구와 테이블의 각 끝 부분에 유체 저수지를 먹었다. 순환 화장실은 테이블 아래 바닥에 또는 별도의 병치 된 테이블 상에 위치 될 수있다. 가열 코일 및 / 또는 펠티어 냉각 모듈과 전기 thermogradient 테이블이 내장되어 있지만, 높은 비용, 일관성 낮은 온도를 발생 문제 및 안정성 문제가 광범위하게 상업적으로 사용 (8)을 방지하고있다.
순환 액 디자인은 수동적으로 열 전도를 통해 한 차원 그라데이션을 만들 수 있습니다. 알루미늄 판 형상 일정한 두께이며 절연성을하면 열 7 열역학 제 2 법칙에 따라 연속적인 일차원 온도 구배를 설정하는 테이블의 감기 끝으로부터 따뜻한 균일하게 흐른다. 표면에 걸쳐 구배 테이블 길이의 함수와 단부의 온도 차이이다. 테이블과 plumbing는 일반적으로 액세스 뚜껑 절연 인클로저에 보관되어 있습니다. 인클로저는 작은 온도 변화와 표면에 걸쳐 균일 한 그라데이션을 만들어, 그 주변에서 테이블을 분리합니다. 절연 된 인클로저는 다리가 지원 또는 테이블이나 벤치로 평평한 표면에 배치 할 수 있습니다. 균일 한 온도 제어는 경사없이 필요한 응용 프로그램의 경우, 테이블은 양단을 동일 온도에서 유체를 순환 경우 등온 조건을 생성하도록 설정 될 수있다.
그라데이션 테이블이 제대로 작동 될 때, 페트리 접시 등 밀폐 된 비닐 봉지, 바닥이 평평한 용기는, 표면에 배치되고, 다양한 온도 (그림 1)에 열이-평형. 각 용기 내의 온도는 실험 용기 테이블면과 두께 및 각 용기의 절연성 사이에 존재하는 공극에 의존한다. 그라디언트 테이블을 효과적으로 샘플 테를 유지표면에 가까운 mperatures하지만 제어는 표면 위에 손실됩니다. 수직 온도 제어의 부족은 전통적인 구배 테이블 가능한 실험의 유형을 제한한다.
알루미늄 스트립 또는 보강 테이블 표면 위의 온도 제어를 향상시키기 위해 기존의 기울기에 나타난 설계 하였다. 거싯은 테이블 표면에 수직 간격으로 용접 하였다. 보강 판은 수직으로 평평한 테이블 표면 위의 대류 열 흐름을 촉진한다. 보강 판 사이에 배치 된 샘플은 더 효과적인 온도 제어를 제공 삼면 온도 조절 된 표면을 갖는다. 클레과 이스 틴이 깊이에서 온도 제어를 만들 그라데이션 테이블 표면에 석영 모래를 배치했다. 클레과 이스 틴 2는 테이블 위에 절연을 배치하는 실험. 웹은 등. (9)는 제어 온도로 균일 노력 테이블에 흙으로 채워진 파이프 두었다.
새로운 따여기에보고 상상력 디자인은 구 7.6 cm (3 인치) 테이블의 길이 (그림 2)을 통해 표면에 용접되어 높은 보강 판 (알루미늄 스트립)가 있습니다. 광합성 활성 주파수 발광 LED 조명기구는 테이블이 닫히면 모종의 성장을 지원하는 테이블의 양측에 설치된다. 거싯 thermogradient 테이블의 절연 케이스는 물, 워프입니다 흰색 PVC 보드로 구성하고, 저항하는 균열있다. 본 연구의 목적은 새로운 거싯 기울기에 나타난 디자인과 가능한 응용을 서술한다.
Thermogradient 테이블 동시에 온도 범위에서 주로 얕은 용기에서 종자 발아 실험을 위해 수년 동안 사용되어왔다. 그러나, 실험 온도는 온도 제어의 깊이에는 한계가 있으므로, 테이블면에 한정된다. 기존의 그라데이션 테이블에서 수행 종자 테스트 프로토콜은 페트리 접시 또는 다른 평평한 용기에 종이 기판 상에 잔뿌리의 출현으로 종료하고 현실적으로 자연적으로 토양에서 발생하는 것처럼 출현과 성장을 모종 테스트하지 않습니다. 오늘의 종자 회사들은 종자 활력 재배 가능성이 재배 후 발생합니다 시뮬레이션 필드 조건을 사용하여 (최적 조건 미만에서 발아 할 수있는 능력)을 평가하고 싶습니다. 토양 테스트는 곰팡이에 씨앗, 흙을 사용하지 않는 미디어에 표준화 된 실험실 발아 시험에서 일반적이지 세균성 질병 압력을 제공합니다. 5 ºC 이상 우리의 토양은 평면이 아닌 거싯 테이블에 배치되어, 큰 변화토양 프로파일의 위치와 테이블 표면 (미발표 결과) 사이 드물지 않다 다시.
보강와 1 차원 구배 테이블은 토양은 토양 온도의 정확한 제어가 중요한 발아 시험 및 다른 실험에 사용될 수 있도록, 수직 온도 제어를 개선하기 위해 개발되었다. 보강 판은 깊이에서 토양 또는 합성 성장 미디어 및 제어 온도를 한정. 보강 판은 알루미늄, 탁상과 동일한 물질이며, 상기 표면에 수직으로 용접 할 때 전도성 열 전달에 의해 사이의 공간의 온도 제어를 제공한다. 보강 판은 길이 테이블 아래로 또는 가로 테이블을 가로 질러 지향 할 수 있습니다. 두 가지 설계는 유사하게 수행하지만, 구배가 적절히 조절되는 경우 보강 판 사이의 공간이 하나의 실험 온도로 작용할 수 있기 때문에 폭 방향 마치 편리하다. 가로 방향 실험 장치 (이 예에서는 씨앗)가 이격 할 수 있습니다서로 옆 라인 테이블 크로스. 거싯 표 공사가 완료된 후에 시험 할 수없는 장소이므로 다른 위치에 용접되어 있기 때문에 마치 간격 만 제조 과정에서 변화 될 수있다. 10.9 cm의 간격 마치 종종 토양 외에 종자 검사에 사용 얕은 용기를 수용하기 위해 선택되었다. 마치 클로저 간격 나은 온도 조절을 제공 할 수 있지만, 테이블에 사용될 수 컨테이너의 유형을 제한 할 것이다.
thermogradient 테이블 성장 매체의 온도와 습도가 연속적으로 소정의 실험 조건을 달성하기 위해 모니터링되어야한다. 심기 전에 순환 화장실은 약간 원하는 최소보다 약간 샘플이 원하는 실험 온도에 도달 할 때까지 조정보다 최대 온도 이상으로 설정해야합니다. 열이 그라데이션 테이블과 평형에 약 24 시간은 샘플을 허용해야한다. 차의 함수율전자 성장 매체는 종자 발아 또는 진행하는 다른 생물학적 과정에 대한 (필드 용량을 70 ~ 80 %) 충분합니다. 때 장소에 테이블 절연 및 이중 뚜껑은 온도 변화와 수분 증발을 줄일 수 있습니다.
표 1의 결과는 서로 다른 온도에서 4 종의 모종의 성장을 비교한다. 멜론, 토마토 씨앗의 성장은 15 ° C에서 시작하고이 특징 이유와 같은 따뜻한 시즌 10 작물 설명 40 ° C에서 잘 발아. 반면, 양상추 낮은 온도에서 가장 잘 발아. 귀리 종자는 다른 종 (표 1)의 온도보다 더 넓은 범위에 걸쳐 발아. 유사한 결과가 조정 된 일련의 실험에서 성장 챔버의 시리즈를 사용하여 얻을 수 있지만, 마치 디자인 발아 및 육묘 성장이 동시에 토양 온도의 범위에 비교 될 수있다. 다른 필드 토양 또는 성장미디어 현장 조건의 범위를 시뮬레이션으로 치환 될 수있다. 조명 환경에서 미생물 또는 화학적 처리, 비료 체제 가뭄 스트레스와 변형 구배 테이블에 걸쳐 온도를 부과 할 수있다.
작은 데이터 로거는 테이블에 다양한 위치에서 온도를 기록했다. 온도 데이터는 특히 따뜻한 끝에 큰 변동으로 테이블의 중앙에서 비교적 균일 한 온도를 나타냈다. 테이블 표면과 접촉 로거를 위치시키고 토양 표면에 공기에 노출 될 가능성이 극단적 지기도. 중심 위치에서 기록 온도는 아마도 벌크 토양 조건을 더 지시 하였다. 예를 들어, 필드 재배 시뮬레이션 보강 판의 경사 테이블 토양에 심었다 시드 만 공기 또는 테이블 표면 온도는 벌크 토양 온도에 노출되지 않을 것이다. 토양의 수분 함량 및 질감 테이블의 온도를 결정하는 역할을한다. 일 경우즉 토양이 건조 공기 공간은 온도 변화에 저항 효과적으로 보강 판으로부터 열을 전도하지 않는다. 촉촉한 토양 효과적으로 토양 프로파일을 통해 열을 전도하기 위해 몇 공기 공간과 더 많은 액체 상태의 물이있다. 이 실험에서는, 토양 최대 보수력의 70 ~ 80 %로 유지하지만, 더 높은 수분 함량이 토양 온도 변화를 감소 할 수있다. 모래 높은 유기물 토양보다 적은 큰 기공 공간으로 가지며, 따라서보다 균일 한 온도를 제공 할 것으로 기대된다.
차가운 말에 비해 테이블의 따뜻한 말에 토양 온도에 큰 변화가 있었다. 한 가지 가능한 설명은 테이블에서 수분의 분포에있다. 따뜻한 단부 때문에 큰 손실을 증발 건조하는 경향하면서 수분이 냉각 단부에서 유지되는 경향이있다. 물 실시 열 도움 때문에 테이블의 수분 함량이 가능한 한 균일 것이 중요하다. 웹의 등. 9 blott 사용신문은 거싯 thermogradient 테이블에서 더 저렴한 대안으로 잘 작동하는 동안 어 용지는 모세관 작용을 통해 thermogradient의 테이블을 가로 질러 물을 수행합니다. 보강 판은 시원하고 따뜻한 끝을 모두 유지, 수분 분포를 추가하는 친수성 종이 늘어서 있었다하더라도 균일하게 젖은 도전이다.
높은 온도에서 빠른 증발 모든 그라데이션 테이블 디자인에서 발생합니다. 응축은 종종 용기의 하부는 냉각기 뚜껑의 내측에 수집 물을 일으키는 상단보다 따뜻하므로 컨테이너 실험 더 이상의 주변 온도 구배 테이블에서 수행되는 문제이다. 거싯 테이블에 토양 실험에서, 물은 거싯 테이블 위의 공기로 상부 토양 층에서 증발. 토양이 젖어있는 경우, 테이블의 따뜻한 끝에 증발 손실 냉각기 내측 아크릴 뚜껑에 응축된다. 아크릴 또는 직접 폴리스티렌 단열재의 꽉 끼는 조각을 휴식보강 판의 상단에 만민이보다 균일하게 촉촉한 온도를 일정하게 토양을 유지 테이블 위의 영공과 증기 교환을 최소화 (데이터는 도시하지 않음). 표 폴리스티렌 단열재로 피복했을 때, 온도 변화가 급격한 온도 변화에 토양 프로필 통해서만 1~2 ° C로 하였다 (데이터는 보이지 않음). 그러나, 폴리스티렌 절연 신흥로부터 모종을 방지하고 성장 배양 초기 시간 분석 후 제거되어야한다. 따뜻한 토양의 급속 건조를 방지하는 다른 솔루션은 우선적으로 증발 손실을 보상 할 수있는 웜 단부에 더 많은 물을 추가하는 것이다. 뚜껑을 제거하고 애플리케이션 볼륨 덜 정확해야하므로 핸드 물이 문제가된다. 마이크로 관개 터 그라데이션 테이블 상에 설계 될 수 있으며, 우선적으로 따뜻하게 단부에 더 많은 물을 적용하기 위해 조정될 수있다.
Thermogradient 테이블은 다른 성장 챔버를 제공하는 기능과 잠재력을 가지고있다. WHEN 양 화장실은 동일하게 설정되는 테이블은 그라데이션이 요구되지 않는 애플리케이션을위한 하나의 실험 온도로 평형화. 낮과 밤의 빛과 온도 변동은 또한 프로그램 순환 화장실을 사용하여 시뮬레이션 및 조명을 LED 성장 할 수 있습니다. LED와 뚜껑의 내부를 채우기 조명은 조명의 강도를 증가시킬 수있다 성장한다. LED는 시스템에 조명 입력 최소한의 열 성장과 유사한 토양 온도가 온 오프 조명 기록 되었기 때문에 그라데이션을 방해하지 않았다 (데이터는 도시하지 않음). 조명의 추가는 식물의 성장과 환경 적 제어 할 수 있습니다.
Thermogradient 테이블은 과거 발아 시험을위한 종자 산업에서 주로 사용되었지만, 다른 많은 응용이 가능하다. 곤충 동작은 특정 동작 (11)의 온도를 최적 조건을 결정하기 위해 경사 테이블에 검토되고있다. 얼음 영하 t에서 테스트 현상에 대한 구배 테이블 표면에 고정 될 수있다emperatures (데이터 미도시). 이산화탄소 방출을 포함하는 토양과 대기 사이의 가스 교환은 다양한 수분 함량, 토양 입력하고, 온도 구배에 거싯 테이블에있다. 온도 범위에 걸쳐 미디어의 다른 종류의 세균과 곰팡이 성장의 효과를 공부하는 것은이 실험 시스템으로도 가능합니다.
The authors have nothing to disclose.
We thank Kent J. Bradford and his students at the UC Davis Seed Biotechnology Center for recording seedling emergence data.
Thermogradient table | Appalachian Machinge Inc | Custom made, gussetted thermogradient table (schematics are included in the manuscript). The aluminum fabrication and welding were peformed by Appalachian Machinge Inc. 5304 State Rd 790, Dublin, VA 24084. | |
Insulated polymer board cabinet | TASCO LLC | The insulated polymer board cabinet containing the aluminum plate was constructed by TASCO LLC, 1440 Roanoke Street, Christiansburg, VA 24073 | |
Blue Hawk Folding Steel Adjustable Sawhorse | Lowes Home Improvement | 162111 | Model #: 60142 Folding Steel Adjustable Sawhorses |
Circulating Refrigerated water baths or comparable units | Brookfield Engineering | TC-550SD | |
Seeds (200 seeds) | Johnny's Selected Seeds | Oat, lettuce, tomato, melon seeds from Johnny's Selected Seeds 955 Benton Ave, Winslow, ME 04901 or any other seed for germination testing, | |
Professional 550 Grow Light | SolarOasis | Pro550 | |
ID braided PVC tubing | United States Plastics Inc. | 60703 | 0.6 m pieces of 200 cm OD, 130 mm (1/2") |
Super Tech 50/50 Antifreeze/Coolant Pre-Mix | Walmart | 1012574 | 4 liters distilled water-antifreeze (ethylene glycol) mixture |
WatchDog Data Loggers | Spectrum Technologies Inc | Model 100 | |
Parafilm M 4 cm wide | Fisher Scientific | S37440 | |
Container Acrylic 5 1/4"x5"x1 3/8" plastic boxes | Hoffman Manufacturing Inc | Hoffman Manufacturing Inc. 16541 Green Bridge Road, Jefferson, OR | |
1" Collared-screw | Global Industrial | CS16H | Global Industrial, 11 Harbor Park Drive, Port Washington, NY |
Collared Screw Worm Gear Hose Clamp | Global Industrial | WGB513588 | 3/4" – 1-1/2" Clamping Dia. 10-Pack . |
Everbilt Model Foam Pipe Insulation | Home Depot | ORP11812 | Internet # 204760805 Store SKU # 1000031792 1 in. x 6 ft. |
Capillary Mat | Farmtek | 106223 | greenhouse capillary matting – 4' x 100' or alternatively sheets of newspaper |
Sunshine Mix #3 | TerraLink | 3236320 | 3.8 cubic feet compressed bale,SKU: 3236320, Germinating media |