Описан микродиализный профилировщик для отбора проб растворенных растворенных веществ в поровой воде через кислородно-бескислородную границу раздела почва-вода in situ с минимальными нарушениями. Это устройство предназначено для регистрации быстрых изменений в профилях концентрации-глубины, вызванных нарушениями на границе раздела почва и вода и за ее пределами.
Биогеохимические процессы быстро смещаются как в пространственном (миллиметровый масштаб), так и во временном (от часового масштаба до суточного масштаба) измерениях на кислородно-аноксической границе в ответ на возмущения. Для расшифровки быстрых биогеохимических изменений требуются минимально инвазивные инструменты in situ с высоким пространственным и временным разрешением выборки. Однако имеющиеся пассивные устройства для отбора проб во многих случаях не очень полезны либо из-за их одноразового характера, либо из-за сложности и большой рабочей нагрузки по подготовке проб.
Для решения этой проблемы был создан микродиализный профилировщик с 33 отдельными полиэфирсульфоновыми наномембранными трубками (полупроницаемые, размер пор <20 нм), интегрированными в одномерный скелет (60 мм), для итеративного отбора проб растворенных соединений в поровой воде через границу раздела почва-вода с высоким разрешением 1,8 мм (наружный диаметр плюс один интервал, т.е. 0,1 мм между зондами). Механизм отбора проб основан на принципе диффузии градиента концентрации. Автоматическая загрузка дегазированной воды позволяет свести к минимуму воздействие химических веществ на кислородно-бескислородную границу.
В этой статье описываются процедуры настройки устройства и непрерывного отбора проб поровых вод на границе раздела почва-вода на ежедневной основе. Профили концентрации-глубины выборочно измеряли до (на 6-й день) и после (на 7-й день) нарушений, вызванных орошением. Результаты показали, что профили концентрации и глубины претерпевают быстрые изменения, особенно для окислительно-восстановительных элементов (т.е. железа и мышьяка). Эти протоколы могут помочь исследовать биогеохимические реакции на границе раздела почва и вода при различных нарушениях, вызванных физическими, химическими и биологическими факторами. В статье подробно обсуждаются преимущества и недостатки этого метода для потенциального использования в науках об окружающей среде.
Кислородно-бескислородная граница является одной из общих особенностей биосферы, которая имеет жизненно важное значение для биогеохимического цикла1. Эта граница раздела очень неоднородна, с пространственным диапазоном, простирающимся от миллиметровна границе раздела отложений/почва-вода 1,2 до тысяч метров в океанической бескислородной зоне 3,4. Этот интерфейс является идеальной средой обитания для изучения сложности элементарной биогеохимии.
Границы раздела почвы и воды имеют типичную особенность кислородно-аноксического градиента в пределах сантиметров и легко устанавливаются в экспериментах по мезокосму. Начиная с потребления молекулярного кислорода из поверхностных вод, стратифицированные функциональные микробные сообщества стимулируют развитие различных градиентов, таких как градиенты O2, pH и Eh, в миллиметровом масштабе1. Биогеохимический круговорот на кислородно-аноксической границе чувствительны к различным нарушениям природы 5,6. В случае отложений и рисовых полей поступление свежего органического вещества, такого как подстилка и солома, периодические наводнения и осушение, колебания температуры и экстремальные явления, а также биотурбация могут вызвать изменения в биогеохимическом цикле на границе кислородно-бескислородного баланса, что, вероятно, приведет к долгосрочным последствиям, таким как выбросы парниковых газов, эвтрофикация и загрязнение в данном месте. Таким образом, кислородно-бескислородный градиент на границе раздела почва-вода открывает окно для изучения глобальных, крупномасштабных, биогеохимических циклов. Пространственно-временной отбор проб и анализ растворенных веществ вдоль границы раздела почва-вода в высоком разрешении всегда представляли интерес; Вместе с тем в разработке методологии достигнут ограниченный прогресс.
Обходя недостатки деструктивной экстракции поровой воды, неразрушающий пассивный отбор проб все чаще используется, чтобы избежать изменений в химическом составе поровой воды и решить проблему сложности пробоподготовки7. Широко используются несколько устройств, которые могут выполнять высокоточный отбор проб in situ (от микрометра до сантиметра), в том числе диализные пробоотборники in situ (известные как гляделки)8, диффузионное уравновешивание в тонких пленках (DET)9 и диффузионный градиент в тонких пленках (DGT)10. Растворенные вещества пассивно отбираются с помощью механизма процессов диффузии и адсорбции. Хотя они оказались полезными при описании оксически-аноксических химических профилей, они по-прежнему являются одноразовыми, что ограничивает их более широкое применение.
В последнее время метод микродиализа стал чувствительным инструментом, который можно использовать для мониторинга динамики растворимых соединений в почве во временных масштабах отминут до дней 11,12,13,14. Для типичного сценария с использованием микродиализа в медицине и науках об окружающей среде миниатюрный зонд концентрического типа, состоящий из полупроницаемой трубчатой мембраны (т.е. микродиализатора), используется для зондирования интерстициальной жидкости или почвенных растворов для предотвращения значительных нарушений метаболических процессов и химического состава15,16. Одним из самых больших неотъемлемых преимуществ микродиализа является захват in situ зависящих от времени изменений концентрации в почве или биологических тканях15,16.
Основываясь на концепции микродиализа, мы разработали более простой в использовании профилировщик микродиализа, ранее называвшийся профилировщиком интегрированной впрыска поровой воды (IPI), который может выполнять непрерывный равновесный диализ растворенных веществ поровой воды на основе принципа диффузии градиента концентрации2. В устройстве микродиализа используются полые наномембранные трубки для активной предварительной загрузки перфузата и пассивной диффузии растворенных растворенных веществ, что отличается от объемной диффузии поровой воды, используемой в гляделках, напорных фильтрах, таких как пробоотборник Rizon, и DGT на основе накопления. Устройство было протестировано и проверено во временном и пространственном отборе проб как катионных, так и анионных элементов как в высокогорных, так и в затопленных почвах (рис. 1А-1)13,15,16. Простой микродиализ с входом и выходом сводит к минимуму количество этапов пробоподготовки 2,15.
Мы изготовили микродиализный профилировщик, интегрировав набор пробоотборников в одномерный опорный каркас, и этот профилировщик обеспечил отбор проб с высоким разрешением на границе раздела почва-вода и ризосфере 2,15,17. В этом исследовании были внесены значительные изменения в устройство для отбора проб и метод отбора проб, чтобы обеспечить сбор 33 проб поровой воды на границе раздела почва-вода (глубина 60 мм по вертикали) с минимальными помехами для последующего элементного анализа. Вся процедура отбора проб занимает ~15 минут. Поскольку микродиализный профилировщик является новым для сообщества наук об окружающей среде, мы представляем подробную информацию о компонентах устройства и процедурах отбора проб, чтобы указать на потенциал микродиализа в мониторинге изменений химических сигналов на границе раздела почва-вода.
Описание микродиализного профилировщика
Микродиализное профилирующее устройство с соответствующими модификациями предыдущей конструкции2 показано на рисунке 1. Эффективный размер пор наномембраны (рис. 1C-1) оценивается всего в несколько нанометров, чтобы предотвратить диффузию крупных молекул и микробных клеток. Предыдущее испытание показало, что 6-месячная затопленная инкубация не привела к образованию каких-либо отложений железа ни внутри, ни снаружи поверхности15 пробирки. Был разработан изогнутый полый каркас (рис. 1C-2) и напечатан на 3D-принтере с использованием стабильного нейлонового материала. В общей сложности 33 наномембранные трубки (полиэфирсульфон; размер поверхностных пор: 0-20 нм; внутренний диаметр x внешний диаметр x эффективная длина выборки: 1,0 мм x 1,7 мм x 54 мм; теоретический объем: 42,4 мкл), соединенных соответствующими трубами из политетрафторэтилена (ПТФЭ) (длина: 18 см x диаметр 2 см, рис. 1C-1), были установлены на каркасе и поперек одной стороны контейнера из ПВХ (рис. 1B). Для этого устройства компонент отбора проб (рис. 1B-1) находится на расстоянии 2 см от боковой стенки контейнера из ПВХ. Для стороны впрыска (рис. 1B-4) все трубки были соединены с разъемом «один ко многим», который был закреплен в буферном контейнере герметичным способом (рис. 1B-7). Медицинский инфузионный мешок (рис. 1В-11) использовался для соединения с буферным контейнером с помощью трехходового клапана. Герметичность системы была тщательно исследована в воде перед дальнейшими экспериментальными операциями. Предварительно загруженная вода (18,2 МОм, 500 мл) в медицинском инфузионном пакете всегда бескислородна (рис. 1C-8). Подробная настройка устройства и отбор проб поровой воды описаны ниже.
Основываясь на предыдущих экспериментах и практиках2, некоторые соображения требуют особого внимания при сборке микродиализного профилировщика и отборе проб поровой воды. Во-первых, наномембранная трубка и соединительная трубка должны быть аккуратно соединены, чтобы избежать засоров или утечек при соединении. Поскольку почва инкубируется в условиях затопления, введение кислорода быстро окисляет и осаждает двухвалентное железо в диализной трубке (рис. 4). По этой причине перед сборкой микродиализного профилировщика каждая микродиализная трубка должна быть проверена на целостность (отсутствие повреждений), герметичность соединений и проходимость трубки. Точно так же соединение опорной рамы с боковой стенкой инкубационного контейнера необходимо выполнять осторожно, чтобы избежать утечки. Перед формальными экспериментами проверка утечек в различных местах соединения всегда является приоритетом. Во-вторых, перфузат в анаэробном мешке должен быть адекватно дезоксигенирован. В противном случае двухвалентное железо в поровой воде будет реагировать с кислородом в перфузате с образованием нерастворимых осадков (рис. 4). Это серьезно изменит состав и концентрацию растворенного вещества, а также процессы диффузии в направлении наномембранных трубок. В-третьих, низкая частота выборки (дни и недели) приведет к диффундации растворенного вещества в буферную область. Это может привести к загрязнению всего образца профиля. Для решения этой проблемы можно рассмотреть три возможных решения: (1) отбор проб с высокой частотой, например, один раз в день (однако это может привести к истощению растворенного вещества вблизи диализного пробоотборника при проведении нескольких отборов проб); (2) увеличение длины соединительной трубы в зоне впрыска по мере необходимости; (3) перепроектирование пробоотборного трубопровода для достижения единого управления одним трубопроводом. Это также направления совершенствования устройства в будущем. В-четвертых, в процессе отбора проб необходимо убедиться, что уровень поверхности воды в анаэробном мешке, затопленной почве и трубе для отбора проб находится примерно на одной высоте, чтобы уравновесить давление воды. В противном случае разность потенциалов воды внутри и снаружи мембранной трубки приведет к уменьшению или увеличению диффузии растворенного вещества.
Ограничения
Во-первых, поскольку микродиализный профилировщик не является коммерчески доступным, метод остается трудоемким с точки зрения подготовки устройства. Потребовалось несколько дней, чтобы подготовить одну диализную трубку, включая печать опорного каркаса, сборку устройства и очистку. Но последующие многоразовые функции полностью восполняют этот пробел. Во-вторых, существуют определенные ограничения в применении устройства к сценариям незатопленного грунта, для которыхможно использовать 18 подглядывающих. Из-за значительной разницы водных потенциалов между внутренней и внешней частью мембранной трубки в сухой почве предварительно загруженный раствор испытывает диффузионные потери; Действительно, в предварительном тесте наблюдалось различное восстановление объема выборки в диапазоне 10-36% (подробные данные не показаны), что создает неопределенность в отношении результатов.
Сравнение метода с существующими или альтернативными методами
Этот метод частично учитывает тот факт, что существующие пассивные пробоотборники не могут многократно отбирать пробы, и сводит к минимуму рабочую нагрузку на пробоподготовку, особенно для отбора проб бескислородной поровой воды и консервации2. Мгновенные изменения концентрации и состава диализованных растворенных веществ могут чутко отражать реакцию кислородно-аноксической границы на любые нарушения окружающей среды. Теоретически выборка с периодичностью в минуты, часы или дни позволяет фиксировать быстро меняющиеся процессы на границе раздела. Для пассивных пробоотборников, которые должны находиться в развертывании в течение нескольких дней, некоторые горячие моменты и горячие точки могут быть пропущены 6,19.
Значение и потенциальное применение в науках об окружающей среде
Этот подход может продвинуть биогеохимические исследования на кислородно-аноксических границах, например, для поиска горячих моментов и горячих точек биогеохимических процессов в определенных условиях Eh-pH. Окислительно-восстановительный процесс является основным процессом жизнедеятельности1. Микроорганизмы, в частности, нуждаются в оптимальных условиях обитания и очень чувствительны к нарушениям окружающей среды1. Это приводит к высокодинамичному развитию микробных сообществ и биогеохимических процессов в гетерогенных средах20. Прямой отбор проб, без учета высокой гетерогенности, имеет тенденцию получать смешанную пробу из различных условий окружающей среды. Это приводит к несоответствию между измеренной химической информацией и ключевыми микроорганизмами20. В пределах нескольких сантиметров от поверхностного слоя почвы или отложений на типичном затопленном рисовом поле существуют крутые окислительно-восстановительные градиенты, а также различные физические, химические21 и биологические градиенты1. Технология должна быть способна улавливать биогеохимические сигналы миллиметрового масштаба; В противном случае данные, не соответствующие фактическому масштабу, могут привести к неоднозначным выводам. Микродиализный профилировщик способен контролировать биохимические сигналы миллиметрового масштаба на границе раздела почва-вода в течение нескольких дней или часов с минимальными помехами. В этом исследовании наблюдалась пространственно-временная динамика различных элементов в течение 48-часового периода, возможно, связанная с нарушением пополнения воды. Таким образом, более широкое применение микродиализного профилографа может помочь понять, как нарушения влияют на ключевые биогеохимические процессы в меняющемся мире.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа финансируется Национальным фондом естественных наук Китая (41977320, 41571305) и Специальным фондом ключевой программы 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 |