דגימת מומס מומס על פני ממשק קרקע-מים אוקסיק-אנוקסי באמצעות פרופילי מיקרודיאליזה
Summary
פרופיל מיקרודיאליזה מתואר כדי לדגום מומסים של מי נקבוביות מומסים על פני ממשק קרקע-מים אוקסיק-אנוקסי באתרו עם הפרעה מינימלית. מכשיר זה נועד ללכוד שינויים מהירים בפרופילי עומק ריכוז הנגרמים על ידי הפרעות בממשק קרקע-מים ומעבר לו.
Abstract
תהליכים ביוגאוכימיים משתנים במהירות הן בממדים מרחביים (בקנה מידה מילימטרי) והן בממדים טמפורליים (סקאלה של שעות עד קנה מידה יומי) בממשק אוקסיק-אנוקסי בתגובה להפרעות. פענוח השינויים הביו-גיאוכימיים המהירים דורש באתרם, כלים זעיר פולשניים ברזולוציית דגימה מרחבית וזמנית גבוהה. עם זאת, מכשירי הדגימה הפסיביים הזמינים אינם שימושיים במיוחד במקרים רבים בשל אופיים החד פעמי או בשל המורכבות ועומס העבודה הרב להכנת הדגימה.
כדי לטפל בבעיה זו, הוקם פרופיילר מיקרודיאליזה עם 33 צינורות ננוממברנה פוליאתרסולפון בודדים (חדירים למחצה, בגודל נקבוביות <20 ננומטר) המשולבים בשלד החד-ממדי (60 מ"מ) כדי לדגום באופן איטרטיבי את התרכובות המומסות במי נקבוביות על פני ממשק הקרקע-מים ברזולוציה גבוהה של 1.8 מ"מ (קוטר חיצוני בתוספת מרווח אחד, כלומר 0.1 מ"מ בין בדיקות). מנגנון הדגימה מבוסס על עקרון דיפוזיית שיפוע הריכוז. הטעינה האוטומטית של מים שעברו גזים מאפשרת הפרעה מינימלית למינים הכימיים על פני הממשק האוקסיק-אנוקסי.
מאמר זה מתאר את ההליכים של הגדרת המכשיר ודיגום מתמשך של מי נקבוביות על פני ממשק הקרקע-מים על בסיס יומי. פרופילי עומק ריכוז נמדדו באופן סלקטיבי לפני (ביום 6) ואחרי (ביום 7) הפרעות הנגרמות על ידי השקיה. התוצאות הראו כי פרופילי עומק הריכוז עברו שינויים מהירים, במיוחד עבור יסודות רגישים לחמצון-חיזור (כלומר, ברזל וארסן). פרוטוקולים אלה יכולים לסייע בחקירת התגובות הביו-גיאוכימיות בממשק קרקע-מים תחת הפרעות שונות הנגרמות על ידי גורמים פיזיקליים, כימיים וביולוגיים. המאמר דן ביסודיות ביתרונות ובחסרונות של שיטה זו לשימוש פוטנציאלי במדעי הסביבה.
Introduction
ממשק אוקסיק-אנוקסי הוא תכונה כללית אחת בביוספרה החיונית למחזור הביוגאוכימי1. ממשק זה הוא הטרוגני מאוד, כאשר הטווח המרחבי משתרע ממילימטרים בממשק משקעים/קרקע-מים 1,2 ועד אלפי מטרים באזור האנוקסי האוקייני 3,4. ממשק זה הוא בית גידול אידיאלי לחקר המורכבות של ביוגאוכימיה אלמנטאלית.
לממשקי קרקע-מים יש תכונת שיפוע אוקסיק-אנוקסית טיפוסית בתוך סנטימטרים והם נקבעים בקלות בניסויי מזוקוסמוס. החל מצריכת חמצן מולקולרי ממים עיליים, הקהילות המיקרוביאליות המתפקדות המרובדות מניעות את התפתחותם של שיפועים שונים, כגון שיפועים O2, pH ו-Eh, בקנה מידה מילימטרי1. מחזור ביוגאוכימי בממשק אוקסיק-אנוקסי רגיש להפרעות שונות בטבע 5,6. במקרה של משקעים ושדות אורז, קלט של חומר אורגני טרי כגון פסולת וקש, הצפות וניקוז תקופתיים, תנודות טמפרטורה וקיצוניות, וביוטורבציה יכולים לגרום לשינויים במחזור הביו-גיאוכימי בממשק אוקסיק-אנוקסי, וככל הנראה לגרום להשפעות מתמשכות, כגון פליטת גזי חממה, אטרופיקציה וזיהום במיקום נתון. לכן, השיפוע האוקסיק-אנוקסי בממשק קרקע-מים מספק חלון לחקר מחזורים ביו-גיאוכימיים גלובליים, בקנה מידה גדול. הדגימה המרחבית-זמנית והניתוח של חומרים מומסים לאורך ממשק קרקע-מים ברזולוציה גבוהה תמיד היו מעניינים; עם זאת, חלה התקדמות מוגבלת במתודולוגיה.
תוך עקיפת החסרונות של מיצוי מי נקבוביות הרסניים, נעשה שימוש הולך וגובר בדגימה פסיבית לא הרסנית כדי למנוע שינויים בכימיה של מי נקבוביות ולטפל במורכבות של הכנת הדגימה7. מספר מכשירים שיכולים לבצע דגימה מדויקת באתרו (מקנה מידה של מיקרומטר עד סנטימטר) היו בשימוש נרחב, כולל דוגמי דיאליזה באתרם (המכונים מציצים)8, שיווי משקל דיפוזי בשכבות דקות (DET)9, ושיפוע דיפוזי בשכבות דקות (DGT)10. חומרים מומסים נדגמים באופן פסיבי באמצעות מנגנון של תהליכי דיפוזיה וספיחה. למרות שהם הוכחו כיעילים בתיאור פרופילים כימיים אוקסיק-אנוקסיים, הם עדיין חד-פעמיים, מה שמגביל את היישום הרחב שלהם.
לאחרונה, טכניקת המיקרודיאליזה התפתחה ככלי רגיש שניתן להשתמש בו כדי לעקוב אחר דינמיקה של תרכובות מסיסות בקרקע בקנה מידה זמני של דקות עד ימים11,12,13,14. עבור תרחיש טיפוסי באמצעות מיקרודיאליזה במדעי הרפואה והסביבה, בדיקה זעירה, מסוג קונצנטרי המורכבת מקרום צינורי חדיר למחצה (כלומר, מיקרודיאלייזר) משמשת לבדיקת נוזל אינטרסטיציאלי או תמיסות קרקע כדי למנוע הפרעות משמעותיות על, תהליכים מטבוליים ודגימה כימית15,16. אחד היתרונות הגדולים ביותר של מיקרודיאליזה הוא לכידה באתרו של שינויי ריכוז תלויי זמן בקרקע או ברקמות ביולוגיות15,16.
בהתבסס על רעיון המיקרודיאליזה, פיתחנו פרופיילר מיקרודיאליזה קל יותר לשימוש, שנקרא בעבר פרופיילר הזרקת מי נקבוביות משולב (IPI), שיכול לבצע דיאליזה בשיווי משקל רציף של מומסים במי נקבוביות בהתבסס על עקרון דיפוזיית שיפוע ריכוז2. מכשיר המיקרודיאליזה משתמש בצינורות ננוממברנה חלולים לטעינה מקדימה אקטיבית של הפרפוזט ולדיפוזיה פסיבית של המומסים המומסים, השונה מדיפוזיית מי נקבוביות בתפזורת המשמשת במציצים, מסנני לחץ כגון דוגם ריזון, ו- DGT מבוסס הצטברות. המכשיר נבדק ואומת בדגימה הרקתית והמרחבית של יסודות קטיוניים ואניונים הן בקרקעות הרריות והן בקרקעות מוצפות (איור 1A-1)13,15,16. מיקרודיאליזה פשוטה של משאבה פנימה והחוצה ממזערת את מספר השלבים בהכנת הדגימה 2,15.
יצרנו פרופיילר מיקרודיאליזה על ידי שילוב קבוצה של דוגמים על שלד תמיכה חד-ממדי, ופרופיילר זה השיג דגימה ברזולוציה גבוהה בממשק קרקע-מים וריזוספרה 2,15,17. במחקר זה בוצעו שינויים ניכרים במכשיר הדגימה ובשיטת הדגימה כדי לאפשר איסוף של 33 דגימות מים נקבוביות בממשק קרקע-מים (עומק אנכי של 60 מ”מ) עם הפרעה מינימלית לניתוח יסודות במורד הזרם. כל הליך הדגימה לוקח ~ 15 דקות. מכיוון שפרופיל המיקרודיאליזה חדש בקהילת מדעי הסביבה, אנו מציגים פרטים על רכיבי המכשיר ונהלי הדגימה כדי להצביע על הפוטנציאל של מיקרודיאליזה בניטור השינויים באותות כימיים בממשק קרקע-מים.
תיאור של פרופיל מיקרודיאליזה
מכשיר המיקרודיאליזה פרופיילר, עם שינויים נכונים בעיצוב הקודם2, מוצג באיור 1. גודל הנקבוביות האפקטיבי של הננוממברנה (איור 1C-1) מוערך כננומטרים ספורים בלבד כדי למנוע דיפוזיה של מולקולות גדולות ותאים מיקרוביאליים. בדיקה קודמת הצביעה על כך שדגירה מוצפת של 6 חודשים לא גרמה למשקעי ברזל בחלק הפנימי או החיצוני של משטח הצינור15. שלד מעוקל וחלול תוכנן (איור 1C-2) והודפס בתלת-ממד באמצעות חומר ניילון יציב. בסך הכל הותקנו 33 צינורות ננוממברנות (פוליאתרסולפון; גודל נקבוביות פני השטח: 0-20 ננומטר; קוטר פנימי x קוטר חיצוני x אורך דגימה אפקטיבי: 1.0 מ”מ x 1.7 מ”מ x 54 מ”מ; נפח תיאורטי: 42.4 מיקרוליטר) המחוברים לצינורות פוליטטרה-פלואוראתילן תואמים (PTFE) (אורך: 18 ס”מ x 2 ס”מ קוטר איור 1C-1) הותקנו על השלד ובצד אחד של מכל PVC (איור 1B). עבור התקן זה, רכיב הדגימה (איור 1B-1) נמצא במרחק של 2 ס”מ מהדופן הצדדית של מכל PVC. עבור צד ההזרקה (איור 1B-4), כל הצינורות חוברו למחבר יחיד לרבים, שהיה מקובע למיכל חציצה באופן אטום (איור 1B-7). שקית עירוי רפואית (איור 1B-11) שימשה לחיבור עם מיכל האגירה באמצעות שסתום תלת-כיווני. אטימות המערכת נבדקה בקפידה במים לפני פעולות ניסוי נוספות. המים הטעונים מראש (18.2 MΩ, 500 מ”ל) בשקית העירוי הרפואי הם תמיד נטולי חמצן (איור 1C-8). הגדרת התקן מפורטת ודגימת מי נקבוביות מתוארות כדלקמן.
Protocol
Representative Results
Discussion
בהתבסס על ניסויים ושיטות קודמות2, חלק מהשיקולים דורשים תשומת לב מיוחדת במהלך הרכבת פרופיל מיקרודיאליזה ודגימת מי נקבוביות. ראשית, יש לחבר בזהירות את צינור הננוממברנה ואת צינור החיבור כדי למנוע סתימות או דליפות בחיבור. כאשר הקרקע מודגרת בתנאים מוצפים, החדרת חמצן תחמצן במהירות ותזרז ברזל ברזלי בצינורות הדיאליזה (איור 4). מסיבה זו, לפני הרכבת פרופיל המיקרודיאליזה, יש לבדוק את תקינות כל צינור מיקרודיאליזה (ללא נזק), את אטימות החיבורים ואת הפטנט של הצינור. באופן דומה, חיבור מסגרת התמיכה לדופן הצדדית של מיכל הדגירה צריך להיעשות בזהירות כדי למנוע דליפה. לפני ניסויים רשמיים, בדיקות דליפה במיקומי החיבור השונים הן תמיד בראש סדר העדיפויות. שנית, הפרבוסט בשקית האנאירובית חייב להיות מחומצן כראוי. אחרת, ברזל ברזל במי נקבוביות יגיב עם החמצן שבפרפוזט ליצירת משקעים בלתי מסיסים (איור 4). זה ישנה באופן חמור את ההתמיינות והריכוז של המומסים ואת תהליכי הדיפוזיה לכיוון צינורות הננוממברנה. שלישית, תדירות דגימה נמוכה (ימים ושבועות) תגרום למומס להתפזר לאזור החיץ. הדבר עלול לזהם את כל דגימת הפרופיל. כדי להתמודד עם בעיה זו, ניתן לשקול שלושה פתרונות אפשריים: (1) דגימה בתדירות גבוהה, כגון פעם ביום (עם זאת, הדבר עלול להוביל לדלדול מומסים ליד דוגם הדיאליזה כאשר מבוצעות דגימות מרובות); (2) הארכת אורך הצינור המחבר באזור ההזרקה כנדרש; (3) תכנון מחדש של צינור הדגימה כך שישיג שליטה יחידה על צינור יחיד. אלה גם כיוונים לשיפור המכשיר בעתיד. רביעית, בתהליך הדיגום, יש לוודא כי מפלס פני המים בשקית האנאירובית, הקרקע המוצפת וצינור הדיגום נמצאים בערך באותו גובה כדי לאזן את לחץ המים. אחרת, הפרש פוטנציאלי מים בתוך צינור הממברנה ומחוצה לו יגרום לירידה או עלייה בדיפוזיה המומסה.
מגבלות
ראשית, מכיוון שפרופיל המיקרודיאליזה אינו זמין מסחרית, השיטה נשארת גוזלת זמן מבחינת הכנת המכשיר. נדרשו ימים להכנת צינור דיאליזה יחיד, כולל הדפסת שלד התמיכה, הרכבת המכשיר וניקוי. אבל התכונות הבאות לשימוש חוזר מגשרות לחלוטין על הפער הזה. שנית, ישנן מגבלות מסוימות ביישום המכשיר על תרחישי קרקע שאינם מוצפים, בהם ניתן להשתמש במציציםעבור 18. בשל ההבדל המשמעותי בפוטנציאל המים בין החלק הפנימי והחיצוני של צינור הממברנה בקרקע יבשה, התמיסה הטעונה מראש חווה אובדן דיפוזיה; ואכן, בבדיקה הראשונית נצפו שחזורים בהיקפי דגימה שונים בטווח של 10%-36% (נתונים מפורטים לא מוצגים), מה שיוצר אי ודאות לגבי התוצאות.
השוואת השיטה לשיטות קיימות או חלופיות
השיטה מתייחסת חלקית לעובדה שהדוגלים הפסיביים הקיימים אינם יכולים לדגום שוב ושוב וממזערת את עומס העבודה של הכנת הדגימה, במיוחד עבור דגימה ושימור של מי נקבוביות אנוקסיים2. השינויים המיידיים בריכוז ובאפיון של מומסים דיאליסטיים יכולים לשקף ברגישות את תגובת הממשק האוקסיק-אנוקסי לכל הפרעה סביבתית. תיאורטית, דגימה בתדירות של דקות, שעות או ימים מאפשרת ללכוד את התהליכים המשתנים במהירות בממשק. עבור דוגמים פסיביים שצריכים להיות בפריסה במשך ימים, כמה רגעים חמים ונקודות חמות ניתן להחמיץ 6,19.
חשיבות ויישומים פוטנציאליים במדעי הסביבה
גישה זו יכולה לקדם מחקרים ביו-גיאוכימיים בממשקים אוקסיק-אנוקסיים, למשל, כדי למצוא רגעים חמים ונקודות חמות של תהליכים ביו-גיאוכימיים בתנאי Eh-pH ספציפיים. תהליך החיזור הוא התהליך הבסיסי של פעילויות החיים1. מיקרואורגניזמים, במיוחד, זקוקים לתנאי סביבת חיים אופטימליים ורגישים מאוד להפרעות סביבתיות1. התוצאה היא התפתחות דינמית ביותר של קהילות מיקרוביאליות ותהליכים ביו-גיאוכימיים בסביבות הטרוגניות20. דגימה ישירה, מבלי לקחת בחשבון את ההטרוגניות הגבוהה, נוטה לקבל דגימה מעורבת מתנאי סביבה שונים. זה גורם לאי-התאמה בין המידע הכימי שנמדד לבין מיקרואורגניזמים מרכזיים20. במרחק של סנטימטרים ספורים משכבת פני השטח של אדמה או משקעים בשדה אורז מוצף טיפוסי, ישנם שיפועי חמצון-חיזור תלולים, כמו גם שיפועים פיזיקליים, כימיים21 וביולוגיים שונים1. הטכנולוגיה חייבת להיות מסוגלת ללכוד אותות ביו-גיאוכימיים בקנה מידה מילימטרי; אחרת, נתונים שאינם תואמים את קנה המידה בפועל עלולים להוביל למסקנות מעורפלות. פרופיל המיקרודיאליזה מסוגל לנטר אותות ביוכימיים בקנה מידה מילימטרי בממשק קרקע-מים תוך ימים או שעות עם הפרעה מינימלית. במחקר זה נצפתה דינמיקה מרחבית-זמנית של אלמנטים שונים במשך 48 שעות, שייתכן שהיא קשורה להפרעה בחידוש המים. לכן, יישום רחב יותר של פרופיל מיקרודיאליזה עשוי לעזור להבין כיצד הפרעות משפיעות על תהליכים ביו-גיאוכימיים מרכזיים בעולם משתנה.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומנת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (41977320, 41571305) והקרן המיוחדת של תוכנית המפתח של 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).
