Monstername van opgeloste opgeloste opgeloste stoffen over een oxisch-anoxische bodem-waterinterface met behulp van microdialyseprofilers
Summary
Een microdialyseprofiler wordt beschreven om opgeloste poriewateropgeloste stoffen over een oxisch-anoxische bodem-waterinterface in situ te bemonsteren met minimale verstoring. Dit apparaat is ontworpen om snelle veranderingen in concentratiediepteprofielen op te vangen die worden veroorzaakt door verstoringen op het grensvlak tussen bodem en water en daarbuiten.
Abstract
Biogeochemische processen verschuiven snel in zowel ruimtelijke (millimeterschaal) als temporele (uurschaal tot dagschaal) dimensies op de oxic-anoxische interface als reactie op verstoringen. Het ontcijferen van de snelle biogeochemische veranderingen vereist in situ, minimaal invasieve hulpmiddelen met een hoge ruimtelijke en temporele bemonsteringsresolutie. De beschikbare passieve bemonsteringsapparatuur is echter in veel gevallen niet erg nuttig, hetzij vanwege hun wegwerpkarakter, hetzij vanwege de complexiteit en de uitgebreide werklast voor de monstervoorbereiding.
Om dit probleem aan te pakken, werd een microdialyseprofiler met 33 individuele polyethersulfon nanomembraanbuizen (semipermeabel, <20 nm poriegrootte) geïntegreerd in het eendimensionale skelet (60 mm) opgericht om de opgeloste verbindingen in poriënwater over de bodem-waterinterface te bemonsteren met een hoge resolutie van 1,8 mm (buitendiameter plus één afstand, d.w.z. 0,1 mm tussen sondes). Het bemonsteringsmechanisme is gebaseerd op het principe van de diffusie van de concentratiegradiënt. De automatische belasting van ontgast water zorgt voor minimale verstoring van de chemische soorten over de oxisch-anoxische interface.
Dit artikel beschrijft de procedures voor het instellen van het apparaat en continue poriewaterbemonstering over de bodem-waterinterface op een dagelijkse basis. Concentratiediepteprofielen werden selectief gemeten vóór (op dag 6) en na (op dag 7) verstoringen veroorzaakt door irrigatie. De resultaten toonden aan dat concentratiediepteprofielen snelle veranderingen ondergingen, vooral voor redoxgevoelige elementen (d.w.z. ijzer en arseen). Deze protocollen kunnen helpen bij het onderzoeken van de biogeochemische reacties op het grensvlak tussen bodem en water onder verschillende verstoringen veroorzaakt door fysische, chemische en biologische factoren. Het artikel bespreekt grondig de voor- en nadelen van deze methode voor mogelijk gebruik in de milieuwetenschappen.
Introduction
Een oxisch-anoxische interface is een algemeen kenmerk in de biosfeer dat van vitaal belang is voor de biogeochemische cyclus1. Deze interface is zeer heterogeen, waarbij het ruimtelijke bereik zich uitstrekt van millimeters in de sediment/bodem-water interface1,2 tot duizenden meters in de oceanische anoxische zone 3,4. Deze interface is een ideale habitat voor het bestuderen van de complexiteit van elementaire biogeochemie.
Bodem-water interfaces hebben een typisch oxisch-anoxisch gradiëntkenmerk binnen centimeters en zijn gemakkelijk vast te stellen in mesokosmosexperimenten. Uitgaande van het verbruik van moleculaire zuurstof uit oppervlaktewater, stimuleren de gestratificeerde functionele microbiële gemeenschappen de ontwikkeling van verschillende gradiënten, zoals O2, pH en Eh-gradiënten, op de millimeterschaal1. Biogeochemische cycli op het oxic-anoxische grensvlak zijn gevoelig voor verschillende verstoringen in de natuur 5,6. In het geval van sedimenten en rijstvelden kan de inbreng van vers organisch materiaal zoals strooisel en stro, periodieke overstromingen en drainage, temperatuurschommelingen en extremen, en bioturbatie veranderingen in de biogeochemische cyclus op het oxisch-anoxische grensvlak veroorzaken, wat waarschijnlijk resulteert in blijvende effecten, zoals broeikasgasemissies, eutrofiëring en verontreiniging op een bepaalde locatie. Daarom biedt de oxisch-anoxische gradiënt op de bodem-waterinterface een venster voor de studie van wereldwijde, grootschalige, biogeochemische cycli. De spatiotemporele bemonstering en analyse van opgeloste stoffen langs het grensvlak tussen bodem en water in hoge resolutie zijn altijd van belang geweest; Er is echter beperkte vooruitgang geboekt in de methodologie.
Om de nadelen van destructieve poriewaterextractie te omzeilen, wordt niet-destructieve passieve bemonstering steeds vaker gebruikt om veranderingen in de poriewaterchemie te voorkomen en de complexiteit van de monstervoorbereiding aan te pakken7. Verschillende apparaten die zeer nauwkeurige, in situ bemonstering (van de micrometer tot op centimeterschaal) kunnen uitvoeren, zijn op grote schaal gebruikt, waaronder in situ dialyse-samplers (bekend als peepers)8, diffusieve equilibratie in dunne films (DET)9 en diffusieve gradiënt in dunne films (DGT)10. Opgeloste stoffen worden passief bemonsterd via het mechanisme van diffusie- en adsorptieprocessen. Hoewel ze nuttig zijn gebleken bij het beschrijven van oxisch-anoxische chemische profielen, zijn ze nog steeds voor eenmalig gebruik, wat hun bredere toepassing beperkt.
Onlangs is de microdialysetechniek naar voren gekomen als een gevoelig hulpmiddel dat kan worden gebruikt om de oplosbare samengestelde dynamiek in de bodem te volgen op temporele schalen van minuten tot dagen11,12,13,14. Voor een typisch scenario met behulp van microdialyse in de medische en milieuwetenschappen, wordt een miniatuur, concentrische sonde bestaande uit een semipermeabel buismembraan (d.w.z. een microdialyzer) gebruikt om de interstitiële vloeistof of bodemoplossingen te onderzoeken om significante verstoringen op, metabole processen en chemische speciatie te voorkomen15,16. Een van de grootste inherente voordelen van microdialyse is het in situ vastleggen van tijdsafhankelijke concentratieveranderingen in bodem of biologische weefsels15,16.
Op basis van het microdialyseconcept ontwikkelden we een meer gebruiksvriendelijke microdialyseprofiler, voorheen de geïntegreerde poriënwaterinjectie (IPI) profiler genoemd, die continue evenwichtsdialyse van poriewateropgeloste stoffen kan uitvoeren op basis van het principe van concentratiegradiëntdiffusie2. Het microdialyseapparaat maakt gebruik van holle nanomembraanbuizen voor actieve voorspanning van het perfusaat en passieve diffusie van de opgeloste opgeloste stoffen, wat verschilt van de bulkporiewaterdiffusie die wordt gebruikt in gluurders, drukfilters zoals de Rhizon-sampler en op accumulatie gebaseerde DGT. Het apparaat is getest en gevalideerd in de temporele en ruimtelijke bemonstering van zowel kationische als anionische elementen in zowel hoogland- als overstroomde bodems (figuur 1A-1)13,15,16. Eenvoudige pomp in-en-uit microdialyse minimaliseert het aantal stappen in de monstervoorbereiding 2,15.
We fabriceerden een microdialyseprofiler door een set samplers te integreren in een eendimensionaal ondersteuningsskelet, en deze profiler bereikte een hoge resolutie bemonstering op de bodem-waterinterface en rhizosfeer 2,15,17. In deze studie werden aanzienlijke wijzigingen aangebracht in de bemonsteringsapparatuur en de bemonsteringsmethode om het verzamelen van 33 poriewatermonsters op het grensvlak tussen bodem en water (60 mm verticale diepte) mogelijk te maken met minimale verstoring voor stroomafwaartse elementaire analyse. De hele bemonsteringsprocedure duurt ~ 15 minuten. Omdat de microdialyseprofiler nieuw is voor de gemeenschap van de milieuwetenschap, presenteren we details van de apparaatcomponenten en bemonsteringsprocedures om het potentieel van microdialyse aan te geven bij het monitoren van de veranderingen in chemische signalen op de bodem-waterinterface.
Beschrijving van de microdialyseprofiler
Het microdialyseprofielapparaat, met de juiste aanpassingen van het vorige ontwerp2, wordt weergegeven in figuur 1. De effectieve poriegrootte van het nanomembraan (figuur 1C-1) wordt geschat op slechts enkele nanometers om de diffusie van grote moleculen en microbiële cellen te voorkomen. Een eerdere test suggereerde dat een overstroomde incubatie van 6 maanden niet resulteerde in ijzerafzettingen aan de binnen- of buitenkant van het buisoppervlak15. Een gebogen, hol skelet werd ontworpen (figuur 1C-2) en 3D-geprint met behulp van een stabiel nylon materiaal. Een totaal van 33 nanomembraanbuizen (polyethersulfon; oppervlakte poriegrootte: 0-20 nm; binnendiameter x buitendiameter x effectieve bemonsteringslengte: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; theoretisch volume: 42,4 μL) verbonden met bijpassende polytetrafluorethyleen (PTFE) buizen (lengte: 18 cm x 2 cm diameter Figuur 1C-1) werden geïnstalleerd op het skelet en aan één kant van een PVC-container (figuur 1B). Voor dit apparaat bevindt de bemonsteringscomponent (figuur 1B-1) zich op 2 cm afstand van de zijwand van de PVC-container. Voor de injectiezijde (figuur 1B-4) waren alle buizen aangesloten op een één-op-veel connector, die luchtdicht in een buffercontainer werd bevestigd (figuur 1B-7). Een medische infuuszak (figuur 1B-11) werd gebruikt om verbinding te maken met de buffercontainer door middel van een driewegklep. De luchtdichtheid van het systeem werd zorgvuldig onderzocht in water voordat verdere experimentele operaties werden uitgevoerd. Het voorgeladen water (18,2 MΩ, 500 ml) in de medische infuuszak is altijd zuurstofvrij (figuur 1C-8). Gedetailleerde apparaatinstellingen en poriewatermonsters worden als volgt beschreven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Op basis van eerdere experimenten en praktijken2 vereisen sommige overwegingen speciale aandacht tijdens de assemblage van de microdialyseprofiler en de bemonstering van het poriewater. Ten eerste moeten de nanomembraanbuis en de verbindingsbuis zorgvuldig worden aangesloten om verstoppingen of lekkages bij de verbinding te voorkomen. Omdat de bodem onder overstroomde omstandigheden wordt geïncubeerd, zal de introductie van zuurstof snel oxideren en ijzer in de dialysebuizen neerslaan (figuur 4). Om deze reden moet elke microdialysebuis vóór het monteren van de microdialyseprofiler worden gecontroleerd op integriteit (geen schade), de luchtdichtheid van de verbindingen en de doorgankelijkheid van de slang. Evenzo moet de aansluiting van het steunframe op de zijwand van de incubatiecontainer zorgvuldig worden gedaan om lekkage te voorkomen. Voorafgaand aan formele experimenten zijn lekcontroles op de verschillende aansluitlocaties altijd een prioriteit. Ten tweede moet het perfusaat in de anaerobe zak voldoende worden gedeoxygeneerd. Anders zal ijzer in poriewater reageren met de zuurstof in het perfusaat om onoplosbare neerslag te vormen (figuur 4). Dit zal de speciatie en concentratie van opgeloste stoffen en de diffusieprocessen naar de nanomembraanbuizen ernstig veranderen. Ten derde zal een lage bemonsteringsfrequentie (dagen en weken) ervoor zorgen dat de opgeloste stof in het buffergebied diffundeert. Dit kan het hele profielmonster besmetten. Om dit probleem aan te pakken, kunnen drie mogelijke oplossingen worden overwogen: (1) bemonstering met een hoge frequentie, zoals eenmaal per dag (dit kan echter leiden tot uitputting van opgeloste stoffen in de buurt van de dialysebemonsteraar wanneer meerdere bemonsteringen worden uitgevoerd); (2) indien nodig de lengte van de verbindingsleiding in het injectiegebied verlengen; (3) het herontwerpen van de bemonsteringspijpleiding om één enkele leiding te bereiken. Dit zijn ook aanwijzingen voor de verbetering van het apparaat in de toekomst. Ten vierde moet er tijdens het bemonsteringsproces voor worden gezorgd dat het niveau van het wateroppervlak in de anaërobe zak, de overstroomde grond en de bemonsteringsleiding ongeveer op dezelfde hoogte liggen om de waterdruk in evenwicht te brengen. Anders zal een waterpotentiaalverschil binnen en buiten de membraanbuis resulteren in een afname of toename van de verspreiding van opgeloste stoffen.
Beperkingen
Ten eerste, omdat de microdialyseprofiler niet in de handel verkrijgbaar is, blijft de methode tijdrovend in termen van de voorbereiding van het apparaat. Het duurde dagen om een enkele dialysebuis voor te bereiden, inclusief het afdrukken van het ondersteuningsskelet, de assemblage van het apparaat en het reinigen. Maar de daaropvolgende herbruikbare functies overbruggen deze kloof volledig. Ten tweede zijn er bepaalde beperkingen bij het toepassen van het apparaat op niet-overstroomde bodemscenario’s, die gluurders kunnen worden gebruikt voor18. Vanwege het aanzienlijke waterpotentiaalverschil tussen de binnen- en buitenkant van de membraanbuis in droge grond, ervaart de voorgeladen oplossing diffusieverlies; In de voorlopige test werden inderdaad verschillende bemonsteringsvolumeterugnames in het bereik van 10% -36% waargenomen (gedetailleerde gegevens niet getoond), wat onzekerheid over de resultaten creëert.
Vergelijking van de methode met bestaande of alternatieve methoden
De methode pakt gedeeltelijk het feit aan dat de bestaande passieve monsternemers niet herhaaldelijk kunnen bemonsteren en minimaliseert de werklast van de monstervoorbereiding, met name voor anoxische poriënwaterbemonstering en conservering2. De onmiddellijke veranderingen in concentratie en soortvorming van gedialyseerde opgeloste stoffen kunnen de reactie van de oxic-anoxische interface op eventuele omgevingsverstoringen gevoelig weerspiegelen. Theoretisch maakt bemonstering met een frequentie van minuten, uren of dagen het mogelijk om de snel veranderende processen op de interface vast te leggen. Voor passieve samplers die dagenlang in gebruik moeten zijn, kunnen sommige hot moments en hotspots worden gemist 6,19.
Belang en mogelijke toepassingen in de milieuwetenschappen
Deze aanpak zou biogeochemische studies op oxisch-anoxische interfaces kunnen bevorderen, bijvoorbeeld om hete momenten en hotspots van biogeochemische processen onder specifieke Eh-pH-omstandigheden te vinden. Het redoxproces is het basisproces van levensactiviteiten1. Vooral micro-organismen vereisen optimale leefomstandigheden en zijn zeer gevoelig voor verstoringen van de omgeving1. Dit resulteert in een zeer dynamische ontwikkeling van microbiële gemeenschappen en biogeochemische processen in heterogene omgevingen20. Directe bemonstering, zonder rekening te houden met de hoge heterogeniteit, heeft de neiging om een gemengd monster te verkrijgen uit verschillende omgevingsomstandigheden. Dit veroorzaakt mismatches tussen de gemeten chemische informatie en belangrijke micro-organismen20. Binnen een paar centimeter van de oppervlaktelaag van grond of sediment in een typisch overstroomd rijstveld, zijn er steile redoxgradiënten, evenals verschillende fysische, chemische21 en biologische gradiënten1. Technologie moet biogeochemische signalen op millimeterschaal kunnen opvangen; Anders kunnen gegevens die niet overeenkomen met de werkelijke schaal tot dubbelzinnige conclusies leiden. De microdialyseprofiler is in staat om biochemische signalen op millimeterschaal op het grensvlak tussen bodem en water in dagen of uren te monitoren met minimale verstoring. In deze studie werd de spatiotemporele dynamiek van verschillende elementen over een periode van 48 uur waargenomen, mogelijk gerelateerd aan de verstoring van wateraanvulling. Daarom kan een bredere toepassing van de microdialyseprofiler helpen om te begrijpen hoe verstoringen belangrijke biogeochemische processen in een veranderende wereld beïnvloeden.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) en het Key Programme Special Fund van XJTLU (KSF-A-20).
Materials
| 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 |
References
- Brune, A., Frenzel, P., Cypionka, H. Life at the oxic-anoxic interface: Microbial activities and adaptations. FEMS Microbiology Reviews. 24 (5), 691-710 (2000).
- Yuan, Z. -. F., et al. Tracing the dynamic changes of element profiles by novel soil porewater samplers with ultralow disturbance to soil-water interface. Environmental Science & Technology. 53 (9), 5124-5132 (2019).
- Henkel, S., et al. Diagenetic barium cycling in Black Sea sediments – A case study for anoxic marine environments. Geochimica et Cosmochimica Acta. 88, 88-105 (2012).
- Zhong, H., et al. Novel insights into the Thaumarchaeota in the deepest oceans: Their metabolism and potential adaptation mechanisms. Microbiome. 8 (1), 78 (2020).
- Lueder, U., et al. Influence of physical perturbation on Fe(II) supply in coastal marine sediments. Environmental Science & Technology. 54 (6), 3209-3218 (2020).
- Sharma, N., Wang, Z., Catalano, J. G., Giammar, D. E. Dynamic responses of trace metal bioaccessibility to fluctuating redox conditions in wetland soils and stream sediments. ACS Earth and Space Chemistry. 6 (5), 1331-1344 (2022).
- Vrana, B., et al. Passive sampling techniques for monitoring pollutants in water. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 24 (10), 845-868 (2005).
- VanOploo, P., White, I., Macdonald, B. C. T., Ford, P., Melville, M. D. The use of peepers to sample pore water in acid sulphate soils. European Journal of Soil Science. 59 (4), 762-770 (2008).
- Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Temporal, spatial, and resolution constraints for in situ sampling devices using diffusional equilibration: Dialysis and DET. Environmental Science & Technology. 31 (11), 3110-3119 (1997).
- Harper, M. P., Davison, W., Tych, W. Estimation of pore water concentrations from DGT profiles: a modelling approach. Aquatic Geochemistry. 5 (4), 337-355 (1999).
- Gao, S., DeLuca, T. H. Use of microdialysis to assess short-term soil soluble N dynamics with biochar additions. Soil Biology and Biochemistry. 136, 107512 (2019).
- Buckley, S., Brackin, R., Jämtgård, S., Näsholm, T., Schmidt, S. Microdialysis in soil environments: Current practice and future perspectives. Soil Biology and Biochemistry. 143, 107743 (2020).
- Miró, M., Jimoh, M., Frenzel, W. A novel dynamic approach for automatic microsampling and continuous monitoring of metal ion release from soils exploiting a dedicated flow-through microdialyser. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 382 (2), 396-404 (2005).
- Maddala, S., Savin, M. C., Stenken, J. A., Wood, L. S. Nitrogen dynamics: Quantifying and differentiating fluxes in a riparian wetland soil. ACS Earth and Space Chemistry. 5 (5), 1254-1264 (2021).
- Yuan, Z. -. F., et al. Simultaneous measurement of aqueous redox-sensitive elements and their species across the soil-water interface. Journal of Environmental Sciences. 102, 1-10 (2021).
- Hamilton, E. M., Young, S. D., Bailey, E. H., Humphrey, O. S., Watts, M. J. Online microdialysis-high-performance liquid chromatography-inductively coupled plasma mass spectrometry (MD-HPLC-ICP-MS) as a novel tool for sampling hexavalent chromium in soil solution. Environmental Science & Technology. 55 (4), 2422-2429 (2021).
- Yuan, Z. -. F., et al. Distinct and dynamic distributions of multiple elements and their species in the rice rhizosphere. Plant and Soil. 471 (1), 47-60 (2022).
- Teasdale, P. R., Batley, G. E., Apte, S. C., Webster, I. T. Pore water sampling with sediment peepers. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 14 (6), 250-256 (1995).
- Wey, H., Hunkeler, D., Bischoff, W. -. A., Bünemann, E. K. Field-scale monitoring of nitrate leaching in agriculture: assessment of three methods. Environmental Monitoring and Assessment. 194 (1), (2021).
- Cai, Y. -. J., et al. Microbial community structure is stratified at the millimeter-scale across the soil-water interface. ISME Communications. 2 (1), 53 (2022).
- Jones, M. E., et al. Manganese-driven carbon oxidation at oxic-anoxic interfaces. Environmental Science & Technology. 52 (21), 12349-12357 (2018).
