Bir mikrodiyaliz profilcisi, çözünmüş gözenek suyu çözünen maddeleri oksik-anoksik toprak-su arayüzü boyunca in situ olarak minimum rahatsızlıkla örneklemek için tanımlanmıştır. Bu cihaz, toprak-su arayüzündeki ve ötesindeki rahatsızlıkların neden olduğu konsantrasyon derinliği profillerindeki hızlı değişiklikleri yakalamak için tasarlanmıştır.
Biyojeokimyasal süreçler, rahatsızlıklara yanıt olarak oksik-anoksik arayüzde hem mekansal (milimetre ölçeği) hem de zamansal (saat ölçeğinden güne ölçek) boyutlarda hızla değişmektedir. Hızlı biyojeokimyasal değişikliklerin deşifre edilmesi, yüksek uzamsal ve zamansal örnekleme çözünürlüğüne sahip in situ, minimal invaziv aletler gerektirir. Bununla birlikte, mevcut pasif numune alma cihazları, tek kullanımlık olmaları veya numune hazırlama konusundaki karmaşıklık ve kapsamlı iş yükleri nedeniyle birçok durumda çok kullanışlı değildir.
Bu sorunu çözmek için, tek boyutlu iskelete (60 mm) entegre edilmiş 33 ayrı polietersülfon nanomembran tüpüne (yarı geçirgen, <20 nm gözenek boyutu) sahip bir mikrodiyaliz profilleyicisi, gözenek suyundaki çözünmüş bileşikleri toprak-su arayüzü boyunca 1.8 mm'lik yüksek bir çözünürlükte (dış çap artı bir aralık, yani problar arasında 0.1 mm) yinelemeli olarak örneklemek için kurulmuştur. Örnekleme mekanizması, konsantrasyon gradyanı difüzyonu prensibine dayanmaktadır. Gazdan arındırılmış suyun otomatik olarak yüklenmesi, oksik-anoksik arayüz boyunca kimyasal türlere minimum rahatsızlık verir.
Bu yazıda, günlük olarak toprak-su arayüzü boyunca cihaz kurulumu ve sürekli gözenek suyu örneklemesi prosedürleri açıklanmaktadır. Konsantrasyon-derinlik profilleri, sulamanın neden olduğu rahatsızlıklardan önce (6. günde) ve sonra (7. günde) seçici olarak ölçüldü. Sonuçlar, konsantrasyon derinliği profillerinin, özellikle redoksa duyarlı elementler (yani demir ve arsenik) için hızlı değişiklikler geçirdiğini gösterdi. Bu protokoller, fiziksel, kimyasal ve biyolojik faktörlerin neden olduğu çeşitli rahatsızlıklar altında toprak-su arayüzündeki biyojeokimyasal tepkilerin araştırılmasına yardımcı olabilir. Makale, çevre bilimlerinde potansiyel kullanım için bu yöntemin avantajlarını ve dezavantajlarını kapsamlı bir şekilde tartışmaktadır.
Bir oksik-anoksik arayüz, biyojeokimyasal döngü1 için hayati önem taşıyan biyosferdeki genel bir özelliktir. Bu arayüz oldukça heterojendir, uzaysal aralık tortu / toprak-su arayüzündeki milimetrelerden 1,2’den okyanus anoksik bölgesi 3,4’teki binlerce metreye kadar uzanır. Bu arayüz, temel biyojeokimyanın karmaşıklığını incelemek için ideal bir yaşam alanıdır.
Toprak-su arayüzleri, santimetre içinde tipik bir oksik-anoksik gradyan özelliğine sahiptir ve mezokozmos deneylerinde kolayca kurulur. Yüzey suyundan moleküler oksijen tüketiminden başlayarak, tabakalaşmış fonksiyonel mikrobiyal topluluklar, milimetre ölçeğinde1 milimetre ölçeğindeO2, pH ve Eh gradyanları gibi çeşitli gradyanların gelişimini yönlendirir. Oksik-anoksik arayüzdeki biyojeokimyasal döngü, doğadaki çeşitli bozulmalara duyarlıdır 5,6. Tortular ve çeltik tarlaları söz konusu olduğunda, çöp ve saman, periyodik sel ve drenaj, sıcaklık dalgalanmaları ve aşırı uçlar ve biyotürbasyon gibi taze organik maddelerin girişi, oksik-anoksik arayüzdeki biyojeokimyasal döngüde değişikliklere neden olabilir ve muhtemelen sera gazı emisyonları, ötrofikasyon ve belirli bir yerde kirlenme gibi kalıcı etkilere neden olabilir. Bu nedenle, toprak-su arayüzündeki oksik-anoksik gradyan, küresel, büyük ölçekli, biyojeokimyasal döngülerin incelenmesi için bir pencere sağlar. Toprak-su arayüzü boyunca çözünmüş maddelerin yüksek çözünürlükte mekansal zamansal örneklemesi ve analizi her zaman ilgi çekici olmuştur; ancak, metodolojide sınırlı ilerleme kaydedilmiştir.
Tahribatlı gözenek suyu ekstraksiyonunun dezavantajlarını ortadan kaldıran tahribatsız pasif numune alma, gözenek suyu kimyasındaki değişiklikleri önlemek ve numune hazırlamanın karmaşıklığını ele almak için giderek daha fazla kullanılmaktadır7. Yerinde diyaliz örnekleyicileri (gözetleyiciler olarak bilinir)8, ince filmlerde difüzif denge (DET)9 ve ince filmlerde difüzif gradyan (DGT)10 dahil olmak üzere yüksek hassasiyetli, yerinde örnekleme (mikrometreden santimetre ölçeğine) yapabilen çeşitli cihazlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Çözünmüş maddeler, difüzyon ve adsorpsiyon işlemleri mekanizması ile pasif olarak örneklenir. Oksik-anoksik kimyasal profilleri tanımlamada yararlı oldukları kanıtlanmış olsa da, hala tek kullanımlıktırlar ve bu da daha geniş uygulamalarını sınırlar.
Son zamanlarda, mikrodiyaliz tekniği, topraktaki çözünür bileşik dinamiklerini dakikalar ila11,12,13,14 arasındaki zamansal ölçeklerde izlemek için kullanılabilecek hassas bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Tıp ve çevre bilimlerinde mikrodiyaliz kullanan tipik bir senaryo için, metabolik süreçler ve kimyasal türleşme15,16 üzerinde önemli rahatsızlıkları önlemek için interstisyel sıvı veya toprak çözeltilerini araştırmak için yarı geçirgen boru şeklindeki bir zardan (yani bir mikrodiyalizör) oluşan minyatür, konsantrik tip bir prob kullanılır. Mikrodiyalizin en büyük doğal avantajlarından biri, toprak veya biyolojik dokulardaki zamana bağlı konsantrasyon değişikliklerinin yerinde yakalanmasıdır15,16.
Mikrodiyaliz konseptine dayanarak, daha önce entegre gözenek suyu enjeksiyonu (IPI) profilleyicisi olarak adlandırılan, konsantrasyon gradyanı difüzyonu2 prensibine dayanarak gözenek suyu soluyanların sürekli denge diyalizini gerçekleştirebilen, kullanımı daha kolay bir mikrodiyaliz profilleyicisi geliştirdik. Mikrodiyaliz cihazı, çözünmüş çözünürlerin perfüzyon ve pasif difüzyonunun aktif ön yüklemesi için içi boş nanomembran tüpleri kullanır; bu, gözetleyicilerde, Rhizon örnekleyici gibi basınç filtrelerinde ve birikim bazlı DGT’de kullanılan dökme gözenek suyu difüzyonundan farklıdır. Cihaz, hem yayla hem de su basmış topraklarda hem katyonik hem de anyonik elementlerin zamansal ve mekansal örneklemesinde test edilmiş ve doğrulanmıştır (Şekil 1A-1)13,15,16. Basit pompa giriş ve çıkış mikrodiyalizi, numune hazırlamadaki adım sayısını en aza indirir 2,15.
Bir dizi örnekleyiciyi tek boyutlu bir destek iskeletine entegre ederek bir mikrodiyaliz profilleyicisi ürettik ve bu profilleyici toprak-su arayüzünde ve rizosfer 2,15,17’de yüksek çözünürlüklü örnekleme elde etti. Bu çalışmada, aşağı akış element analizi için minimum rahatsızlıkla toprak-su arayüzünde (60 mm dikey derinlik) 33 gözenekli su numunesinin toplanmasına izin vermek için örnekleme cihazında ve örnekleme yönteminde önemli değişiklikler yapılmıştır. Tüm örnekleme prosedürü ~ 15 dakika sürer. Mikrodiyaliz profilcisi çevre bilimi topluluğu için yeni olduğundan, toprak-su arayüzündeki kimyasal sinyallerdeki değişikliklerin izlenmesinde mikrodiyaliz potansiyelini göstermek için cihaz bileşenlerinin ve örnekleme prosedürlerinin ayrıntılarını sunuyoruz.
Mikrodiyaliz profil oluşturucusunun tanımı
Mikrodiyaliz profil oluşturucu cihaz, önceki tasarım2’nin uygun modifikasyonları ile Şekil 1’de gösterilmiştir. Nanomembranın etkili gözenek boyutunun (Şekil 1C-1), büyük moleküllerin ve mikrobiyal hücrelerin difüzyonunu önlemek için sadece birkaç nanometre olduğu tahmin edilmektedir. Önceki bir test, 6 aylık su basmış bir inkübasyonun, tüp yüzeyinin içinde veya dışında herhangi bir demir birikintisine neden olmadığını göstermiştir15. Kavisli, içi boş bir iskelet tasarlandı (Şekil 1C-2) ve kararlı bir naylon malzeme kullanılarak 3D baskılandı. İskelet üzerine ve PVC kabın bir tarafına eşleşen politetrafloroetilen (PTFE) borularla (uzunluk: 18 cm x 2 cm çap Şekil 1C-1) bağlı toplam 33 nanomembran tüp (polietersülfon; yüzey gözenek boyutu: 0-20 nm; iç çap x dış çap x etkili örnekleme uzunluğu: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teorik hacim: 42,4 μL) monte edilmiştir (Şekil 1B). Bu cihaz için, numune alma bileşeni (Şekil 1B-1) PVC kabın yan duvarından 2 cm uzaklıktadır. Enjeksiyon tarafı için (Şekil 1B-4), tüm tüpler, hava geçirmez bir şekilde tamponlama kabına sabitlenmiş bire çok konektöre bağlanmıştır (Şekil 1B-7). Tamponlama kabına üç bir valf ile bağlanmak için bir tıbbi infüzyon torbası (Şekil 1B-11) kullanıldı. Sistemin hava sızdırmazlığı, daha sonraki deneysel işlemlerden önce suda dikkatlice incelenmiştir. Tıbbi infüzyon torbasına önceden yüklenmiş su (18.2 MΩ, 500 mL) her zaman oksijensizdir (Şekil 1C-8). Detaylı cihaz kurulumu ve gözenek suyu örneklemesi aşağıdaki gibi açıklanmıştır.
Önceki deneylere ve uygulamalaradayanarak 2, mikrodiyaliz profilleyici montajı ve gözenek suyu örneklemesi sırasında bazı hususlara özel dikkat gösterilmesi gerekmektedir. İlk olarak, nanomembran tüpü ve bağlantı tüpü, bağlantıdaki tıkanmaları veya sızıntıları önlemek için dikkatlice bağlanmalıdır. Toprak su basmış koşullar altında inkübe edildiğinden, oksijenin girmesi diyaliz tüpünde demir demiri hızla oksitleyecek ve çökeltecektir (Şekil 4). Bu nedenle, mikrodiyaliz profilleyicisini monte etmeden önce, her bir mikrodiyaliz tüpünün bütünlüğü (hasar yok), bağlantıların hava sızdırmazlığı ve borunun açıklığı açısından kontrol edilmelidir. Benzer şekilde, destek çerçevesinin inkübasyon kabının yan duvarına bağlantısı, sızıntıyı önlemek için dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Resmi deneylerden önce, çeşitli bağlantı yerlerindeki sızıntı kontrolleri her zaman bir önceliktir. İkincisi, anaerobik torbadaki perfüzyonat yeterince oksijenden arındırılmalıdır. Aksi takdirde, gözenek suyundaki demirli demir, çözünmeyen çökeltiler oluşturmak için perfüzyonattaki oksijenle reaksiyona girer (Şekil 4). Bu, çözünen türleşme ve konsantrasyonu ve nanomembran tüplerine doğru difüzyon işlemlerini ciddi şekilde değiştirecektir. Üçüncüsü, düşük örnekleme sıklığı (günler ve haftalar) çözünenin tampon bölgeye yayılmasına neden olacaktır. Bu, tüm profil numunesini kirletebilir. Bu sorunu çözmek için üç olası çözüm düşünülebilir: (1) günde bir kez gibi yüksek bir frekansta örnekleme (ancak bu, birden fazla örnekleme yapıldığında diyaliz örnekleyicisinin yakınında çözünmüş tükenmeye neden olabilir); (2) enjeksiyon alanındaki bağlantı borusunun uzunluğunu gerektiği gibi uzatmak; (3) tek bir boru hattının tek bir kontrolünü elde etmek için örnekleme boru hattının yeniden tasarlanması. Bunlar aynı zamanda gelecekte cihazın iyileştirilmesi için talimatlardır. Dördüncüsü, numune alma işlemi sırasında, su basıncını dengelemek için anaerobik torbadaki su yüzeyinin, su basmış toprağın ve numune alma borusunun seviyesinin yaklaşık olarak aynı yükseklikte olması sağlanmalıdır. Aksi takdirde, membran tüpünün içindeki ve dışındaki bir su potansiyeli farkı, çözünen difüzyonda bir azalmaya veya artışa neden olacaktır.
Sınırlama
İlk olarak, mikrodiyaliz profilleyicisi ticari olarak temin edilemediğinden, yöntem cihazın hazırlanması açısından zaman alıcı olmaya devam etmektedir. Destek iskeletinin basılması, cihaz montajı ve temizliği de dahil olmak üzere tek bir diyaliz tüpünün hazırlanması günler sürdü. Ancak sonraki yeniden kullanılabilir özellikler bu boşluğu tamamen kapatır. İkincisi, cihazın18 için gözetleyicilerin kullanılabileceği su basmamış toprak senaryolarına uygulanmasında belirli sınırlamalar vardır. Kuru toprakta membran borusunun içi ve dışı arasındaki önemli su potansiyeli farkı nedeniyle, önceden yüklenmiş çözelti difüzyon kaybı yaşar; Gerçekten de, ön testte% 10 -% 36 aralığında çeşitli örnekleme hacmi iyileşmeleri gözlenmiştir (ayrıntılı veriler gösterilmemiştir), bu da sonuçlar hakkında belirsizlik yaratmaktadır.
Yöntemin mevcut veya alternatif yöntemlerle karşılaştırılması
Bu yöntem kısmen mevcut pasif numune alma cihazlarının tekrar tekrar numune alamayacağı gerçeğini ele alır ve özellikle anoksik gözenek suyu numunesi almave koruma 2 için numune hazırlama iş yükünü en aza indirir. Diyalize çözünen maddelerin konsantrasyonundaki ve türleşmesindeki anlık değişiklikler, oksik-anoksik arayüzün herhangi bir çevresel rahatsızlığa tepkisini hassas bir şekilde yansıtabilir. Teorik olarak, dakikalar, saatler veya günler frekansında örnekleme, arayüzde hızla değişen süreçlerin yakalanmasını sağlar. Günlerce konuşlandırılması gereken pasif numune alma cihazları için bazı sıcak anlar ve sıcak noktalarkaçırılabilir 6,19.
Çevre bilimlerindeki önemi ve potansiyel uygulamaları
Bu yaklaşım, örneğin belirli Eh-pH koşulları altında biyojeokimyasal işlemlerin sıcak anlarını ve sıcak noktalarını bulmak için oksik-anoksik arayüzlerde biyojeokimya çalışmalarını ilerletebilir. Redoks süreci, yaşam aktivitelerinin temel sürecidir1. Mikroorganizmalar, özellikle, optimal yaşam ortamı koşullarına ihtiyaç duyarlar ve çevresel rahatsızlıklara karşı çok hassastırlar1. Bu, heterojen ortamlarda mikrobiyal toplulukların ve biyojeokimyasal süreçlerin oldukça dinamik bir şekilde gelişmesiyle sonuçlanır20. Doğrudan örnekleme, yüksek heterojenliği dikkate almadan, çeşitli çevresel koşullardan karışık bir numune elde etme eğilimindedir. Bu, ölçülen kimyasal bilgi ile anahtar mikroorganizmalar arasında uyumsuzluklara neden olur20. Tipik bir su basmış çeltik tarlasındaki toprak veya tortu yüzey tabakasının birkaç santimetre içinde, dik redoks gradyanlarının yanı sıra çeşitli fiziksel, kimyasal21 ve biyolojik gradyanlar1 vardır. Teknoloji, milimetre ölçekli biyojeokimyasal sinyalleri yakalayabilmelidir; Aksi takdirde, gerçek ölçekle eşleşmeyen veriler belirsiz sonuçlara yol açabilir. Mikrodiyaliz profil oluşturucu, toprak-su arayüzündeki milimetre ölçekli biyokimyasal sinyalleri günler veya saatler içinde minimum rahatsızlıkla izleyebilir. Bu çalışmada, 48 saatlik bir süre boyunca farklı elementlerin mekansal zamansal dinamikleri, muhtemelen su ikmalinin bozulmasıyla ilişkili olarak gözlemlenmiştir. Bu nedenle, mikrodiyaliz profil oluşturucusunun daha geniş bir uygulaması, bozuklukların değişen bir dünyada anahtar biyojeokimyasal süreçleri nasıl etkilediğini anlamaya yardımcı olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (41977320, 41571305) ve XJTLU Anahtar Program Özel Fonu (KSF-A-20) tarafından finanse edilmektedir.
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 |