Aqui apresentamos a construção e operação de um arranjo experimental para melhorar o intemperismo mineral através da atividade de organismos do solo enquanto manipulamos simultaneamente variáveis abióticas conhecidas por estimular o intemperismo. Resultados representativos do funcionamento do setup e análises amostrais são discutidos juntamente com pontos de melhoria.
O intemperismo aprimorado (EW) é uma tecnologia emergente de remoção de dióxido de carbono (CO2) que pode contribuir para a mitigação das mudanças climáticas. Esta tecnologia baseia-se na aceleração do processo natural de intemperismo mineral nos solos, manipulando as variáveis abióticas que governam este processo, em particular o tamanho de grão mineral e a exposição a ácidos dissolvidos em água. A EW visa principalmente reduzir as concentrações atmosféricas de CO2 através do aumento do sequestro de carbono inorgânico. Até agora, o conhecimento da EW tem sido adquirido principalmente através de experimentos que se concentraram nas variáveis abióticas conhecidas por estimular o intemperismo mineral, negligenciando assim a influência potencial de componentes bióticos. Enquanto bactérias, fungos e minhocas são conhecidos por aumentar as taxas de intemperismo mineral, o uso de organismos do solo no contexto da EW permanece pouco explorado.
Este protocolo descreve o projeto e a construção de um arranjo experimental desenvolvido para aumentar as taxas de intemperismo mineral através de organismos do solo enquanto simultaneamente controla as condições abióticas. A configuração é projetada para maximizar as taxas de intemperismo, mantendo a atividade dos organismos do solo. Consiste em um grande número de colunas preenchidas com pó de rocha e material orgânico, localizadas em uma câmara climática e com água aplicada através de um sistema de irrigação a jusante. Colunas são colocadas acima de uma geladeira contendo galões para coletar o chorume. Resultados representativos demonstram que essa configuração é adequada para garantir a atividade dos organismos do solo e quantificar seu efeito sobre o sequestro de carbono inorgânico. Os desafios permanecem em minimizar as perdas de lixiviado, garantir uma ventilação homogênea através da câmara climática e evitar o alagamento das colunas. Com esta configuração, uma abordagem inovadora e promissora é proposta para aumentar as taxas de intemperismo mineral através da atividade da biota do solo e desvendar o efeito de fatores bióticos e abióticos como direcionadores de EW.
O intemperismo aprimorado (EW) é uma tecnologia relativamente nova e de baixa tecnologia de remoção de dióxido de carbono (CDR) com um potencial significativo para mitigar as mudanças climáticas 1,2,3. O princípio dessa tecnologia baseia-se na aceleração do processo de intemperismo mineral natural nos solos, levando ao sequestro de dióxido de carbono (CO2) na forma de carbono inorgânico (CI)3. O aumento do intemperismo visa aumentar o sequestro de CI otimizando artificialmente os fatores que regem o intemperismo mineral, aumentando assim a velocidade através da qual o intemperismo ocorre em escalas de tempo humanamente relevantes3. Para que o EW seja mais eficaz, os minerais silicatados de intemperismo rápido são moídos em um pó com uma distribuição de tamanho de grão na faixa de micrômetros a milímetros para atingir uma alta área de superfície reativa na faixa de ~1 m2·g-1 3,4.
Até o momento, o conhecimento sobre a ME tem sido fornecido principalmente por experimentos que se concentram em fatores abióticos que governam as taxas de dissoluçãodos minerais 5. Estes incluem reatividade mineral e área superficial, temperatura, composição da solução, tempo de residência da água e acidez 4,6,7, mas pesquisas ainda precisam ser feitas dentro desse contexto. Além de serem influenciados por fatores abióticos, os sistemas naturais, e os solos em particular, são moldados por um grande número de organismos, que vão desde micróbios até a macrofauna, como minhocas. Apesar de alguns estudos mostrarem pouca ou nenhuma influência da atividade biótica da dissolução mineral 8,9,10, outros estudos têm evidenciado que organismos do solo como bactérias 11,12, fungos 13,14 e minhocas 15,16 poderia aumentar as taxas de intemperismo mineral. Portanto, componentes bióticos podem ser a chave para a compreensão do real potencial de sequestro de CI da EW5.
O primeiro mecanismo comum pelo qual os organismos do solo podem acelerar a dissolução mineral é via liberação de CO2 durante a respiração, o que aumenta a acidificação do solo17. Além disso, bactérias e fungos podem aumentar o intemperismo mineral pela exalação de prótons, quelatos, ácidos orgânicos e enzimas, os quais aumentam a dissolução mineral 18,19,20,21. Por exemplo, a quelação através dos grupos carboxila e hidroxila pode criar desequilíbrios iônicos, transportando elementos para longe das superfícies dos minerais e diminuindo os estados de saturação20,22. Isso poderia levar a uma menor formação de minerais secundários e maior eficiência da EW. Além disso, ao se alimentarem de partículas do solo, as fortes ações das paredes do corpo das minhocas poderiam quebrar os grãos minerais em partículas mais finas, aumentando sua área de superfície reativa disponível23. Micróbios que habitam o intestino das minhocas e excrementos frescos poderiam atacar ainda mais essas partículas menores, que exsudam ainda mais ácidos orgânicos e enzimas24,25. Por meio de sua atividade de escavação, além de contribuir para a mistura de partículas orgânicas e minerais, as minhocas também criam macroporos que poderiam permitir que o fluxo de água contornasse o espaço de poros saturados17. Isso poderia permitir que a água interagisse com diferentes superfícies minerais e aumentasse a taxa de contato água-rocha.
Até agora, nenhuma configuração foi construída para estudar as taxas de EW e, portanto, o sequestro de CI usando organismos do solo, garantindo a possibilidade de otimizar diferentes condições abióticas relevantes, como entradas de água, temperatura, tipo de mineral e tamanho de grão mineral. Aqui, são apresentados o projeto e a explicação das etapas de construção de um arranjo inovador que visa aumentar as taxas de EW através da atividade de organismos do solo em pequenos mesocosmos. O arranjo experimental consiste de 203 colunas (comprimento 15 cm, diâmetro 7 cm) colocadas em câmara climática (4,54 m x 2,72 m) a 25 °C por 8 semanas. As 203 colunas são divididas em 10 grupos de 18 e 2 grupos de 10 para caber na câmara climática. Um dos dois grupos de 10 colunas é usado para permitir a inserção de mais três colunas que são usadas como espaços em branco. Cada grupo é colocado acima de uma geladeira e é coberto por um sistema de irrigação remotamente controlável, que permite taxas de irrigação variáveis dentro e entre geladeiras. O chorume de cada coluna é coletado em um jerrycan mantido em temperatura constante na geladeira (Figura 1). Uma geladeira coleta o chorume de um grupo de colunas, o que significa que uma geladeira pode ser considerada como um único sistema de 18 ou 10 colunas. Portanto, o número de colunas neste arranjo experimental pode ser ajustado de acordo com as exigências experimentais com um máximo de 203 colunas.
Figura 1: Vista lateral esquemática da configuração mostrando 5 colunas, mas considerando um sistema de 18 colunas. A estrutura que sustenta as colunas é feita de chapas de aço inoxidável, parafusos de aço inoxidável e placas de acrílico. As colunas são posicionadas no meio da estrutura e são encimadas por um sistema de irrigação. Abaixo das colunas, funis são conectados a galões através de canos para coletar o chorume. Os jerrycans estão em uma geladeira que comporta todo o sistema. O frigorífico pode ser aberto levantando a tampa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Nessa configuração, o uso de pós de rocha silicatada de tamanhos de grão específicos garante que altas taxas de intemperismo possam ser alcançadas, enquanto a inoculação com bactérias, fungos e minhocas especificamente selecionados concede a atividade biótica neste sistema artificial. A configuração permite a quantificação simultânea do carbono sequestrado nas amostras sólidas e líquidas através da medição de CI dissolvido e sólido, bem como alcalinidade total (AT). Além disso, outros parâmetros como pH, condutividade elétrica (CE) e íons podem ser medidos no lixiviado como indicadores de intemperismo. Essa configuração também permite avaliar o impacto da sobrevivência e atividade dos organismos do solo. Resultados representativos são mostrados para provar a adequação deste protocolo para construir uma configuração onde aumentos nas taxas de intemperismo são derivados não apenas de fatores abióticos, mas também bióticos.
Dentro do contexto de pesquisa atual, essa configuração foi projetada exclusivamente para otimizar o sequestro de carbono inorgânico, melhorando o intemperismo mineral por meio da atividade da biota do solo, ao mesmo tempo em que manipula fatores abióticos conhecidos por estimular o intemperismo. A possibilidade nesta configuração de coletar tanto o material sólido processado quanto o lixiviado permite uma caracterização completa de ambas as frações. Apesar da enorme quantidade de colunas, a coleta das amostras e as análises realizadas garantem uma coleta de dados de alta qualidade. Além disso, ter um grande número de combinações em uma única execução experimental é muito importante para analisar os dados coletados com métodos estatísticos modernos e avançados, como o aprendizado de máquina. Esses métodos podem ser usados para determinar as principais variáveis que levam a altas taxas de intemperismo e posterior sequestro de carbono. Consequentemente, esta configuração fornece a oportunidade de melhorar a compreensão dos efeitos que os organismos do solo podem ter sobre o EW e o sequestro de CI. Isso é fundamental para estabelecer restrições mais realistas sobre os limites da EW e sua eficiência na redução das concentrações atmosféricas de CO2 . Este arranjo apresenta diversas originalidades em relação aos estudos existentes que investigaram a ME e o efeito de organismos do solo.
Em relação aos efeitos dos fatores abióticos sobre a ME, estes já foram investigados em estudos anteriores 4,29,30,31,32,33,34. Alguns desses estudos compararam diferentes quantidades, tipos e tamanhos de grãos de rochas, mas sua configuração consistiu em um experimento em vaso 32,33 ou incluiu a mistura de pó de rocha com solo34. Outros experimentos focaram em um tipo de rocha com diferentes taxas de irrigação, mas não tiveram a possibilidade de irrigar frequentemente com um sistema automatizado ou focaram em múltiplas taxas e frequências de irrigação35. Outros estudos apresentaram arranjo semelhante ao apresentado no protocolo atual, com possibilidade de ajustar as taxas de irrigação e manter a temperatura constante, além de variar tamanhos e tipos de grãos de rocha29,30. Além disso, o desenho desses setups foi comparável ao proposto no presente manuscrito e destinado à coleta do lixiviado para análises posteriores29,30. Além disso, as concentrações de CO2 foram variadas nesses estudos como outro fator que aumenta o intemperismo29. No entanto, nenhum desses estudos anteriores enfocou o efeito de fatores bióticos na promoção da ME. Nesta configuração, o objetivo é melhorar o processo de intemperismo e posterior sequestro de CI, inoculando bactérias, fungos e minhocas específicas e determinando até que ponto eles podem acelerar a EW.
Em relação ao efeito de fatores bióticos sobre a ME, poucos estudos não se concentraram especificamente na ME, mas investigaram se os organismos do solo podem influenciar o intemperismo mineral. Esses estudos têm explorado principalmente como o intemperismo é afetado por organismos do solo utilizando meios de cultura 19,21, placas de Petri 36, sacos de nylon enterrados no solo14 ou pequenas quantidades de pó de rocha misturado com outros substratos36,37. O uso de sistemas ou configurações tão pequenos torna desafiador separar o efeito dos organismos de outras variáveis. Alguns experimentos utilizaram arranjo semelhante ao aqui proposto, porém em menor escala, com colunas cheias de pó de rocha inoculadas com organismos do solo38,39,40. No entanto, esses experimentos ou cultivaram plantas concomitantemente e não focaram no efeito exclusivo de organismos específicos do solo13,35, ou não coletaram o lixiviado 36. Além disso, a maioria dos estudos que mostraram que bactérias, fungos e minhocas aumentam o intemperismo mineral tem focado no efeito desses organismos na liberação de nutrientes como um indicativo de intemperismo e não no sequestro de CI 11,13,14,19,36,37,38. Sobretudo, nenhum desses estudos anteriores visou promover a ME ou apresentou a possibilidade de ajustar e manter fatores abióticos ao longo do período experimental. Nessa configuração, em vez de manter todos os fatores abióticos constantes, uma infinidade de combinações é testada para quatro fatores abióticos, como taxas e frequências de irrigação da água, tipo de pó de rocha e tamanho de grão, com o objetivo de promover a ME através da atividade dos organismos do solo.
Além disso, nenhum dos estudos anteriores que enfocaram o efeito de fatores abióticos ou bióticos sobre a ME apresentou a possibilidade de ter um número extremamente grande de colunas e variáveis dentro de um ensaio experimental. Nesta configuração, é possível testar várias combinações diferentes de várias variáveis durante uma série de experimentos devido ao impressionante número de colunas para as quais a configuração foi projetada, enquanto ainda fornece resultados de alta qualidade. Dada a novidade da configuração, abaixo são apresentadas algumas possíveis melhorias e desafios remanescentes que poderiam ser considerados ao projetar futuras configurações semelhantes.
Devem ser asseguradas condições homogéneas de ar na câmara de incubação. A colocação do setup em uma câmara climática garantiu temperatura e umidade relativa constantes. Restrições de ventilação (por exemplo, fluxo de ar) podem ter criado variabilidade espacial nas condições atmosféricas e, assim, levado à evaporação desproporcional das colunas em determinados locais, o que é um fenômeno comum nesse tipo de configuração35. Para lidar com essa desvantagem, quando a replicação e a randomização não são possíveis, é aconselhável calcular um balanço hídrico para colunas colocadas em vários locais ao longo da câmara.
As colunas devem ser cuidadosamente alinhadas com os funis uma vez inseridas na placa de acrílico para evitar a perda de lixiviado. Durante o período experimental considerado, ocorreram perdas de lixiviado do fundo dos pilares devido ao posicionamento incorreto dos funis ou ao entupimento das telas. Juntamente com a evaporação, isso pode explicar, em parte, por que o lixiviado coletado foi menor em comparação com o esperado (Figura 13). Para minimizar essas perdas, é importante certificar-se de que os funis estejam posicionados de forma ideal abaixo das colunas. Usar funis mais largos também é uma opção viável. Neste caso, deve-se atentar para o diâmetro dos furos durante a construção das placas de acrílico e a distância entre as placas de acrílico.
O fluxo de água mais lento em experimentos com coluna de solo onde a água é aplicada com frequência é um problema recorrente 7,30,40. Nos experimentos realizados com o arranjo apresentado, em alguns casos foram utilizadas taxas de irrigação bastante elevadas e granulometrias minerais muito finas, que inicialmente carecem de uma estrutura como normalmente observada nos solos. Isso pode ter feito com que os poros das malhas na parte inferior das colunas contendo apenas minerais finos obstruíssem durante a execução dos experimentos. Portanto, a água não fluiu rápido o suficiente através das colunas, o que resultou tanto em alagamento das colunas, reduzindo a infiltração de água e a coleta de lixiviado, quanto em condições anóxicas dentro das colunas, impactando os processos biogeoquímicos. Para mitigar esse problema, é importante sempre misturar uma certa porcentagem de grãos grossos com minerais mais finos e evitar misturas de grãos minerais 100% muito finos. Outra opção é permitir que as colunas experimentem um certo número de ciclos de molhamento/secagem para iniciar a formação da estrutura do solo e, assim, melhorar a infiltração de água. Além disso, antes do início do experimento, seria útil determinar a dinâmica básica da água no solo, como fluxo saturado e insaturado e curva de retenção de água, em alguns mesocosmos para melhor entender o fluxo de gases, o estado de saturação mineral e os direcionadores da atividade dos organismos.
O arranjo experimental apresentado é conveniente de usar, apresenta uma instalação simples e pode ser ajustado de acordo com as necessidades da pesquisa. No contexto do intemperismo mineral, com os ajustes necessários, ele pode ser acoplado a uma câmara de gás, a fim de não apenas caracterizar o carbono na fase sólida e aquosa, mas também observar a dinâmica do carbono na fase gasosa. Além disso, essa configuração pode ser usada para estudar taxas realistas de infiltração de água com sequências seco-úmido, uma vez que essas dinâmicas temporais podem influenciar fortemente o intemperismo41. O uso dessa configuração não se limita a experimentos que focam apenas em minerais silicatos, mas pode ser implementado em experimentos em coluna que utilizam diferentes substratos. Além disso, a duração dos experimentos pode ser encurtada ou ampliada de acordo com as necessidades experimentais, e o número de colunas pode ser alterado. A possibilidade de coletar amostras tanto dos materiais sólidos processados quanto do lixiviado nos permite realizar diferentes análises para focar em um dos dois componentes ou em ambos. Para o conhecimento atual, esta é a única configuração que foi construída até agora com um número excepcional de colunas que visa usar organismos do solo para melhorar o intemperismo mineral e, ao mesmo tempo, controlar as condições abióticas em um sistema feito exclusivamente de minerais silicatados e materiais orgânicos.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Ton van der Zalm de Tupola pelo desenvolvimento do sistema de irrigação. Além disso, agradecemos a Jaco Baars de Tupola pelas risadas e apoio mental dado durante a construção deste setup. Agradecemos a Peter Garamszegi e Ángel Velasco Sánchez por ajudarem a regar as colunas manualmente quando o sistema de irrigação não estava funcional. Agradecemos também a Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg e Kangying Xie pela ajuda prestada durante a amostragem. Agradecemos a Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen e Gerlinde Vink pela assistência no laboratório, pelas análises das amostras e pelas frutíferas discussões. Por fim, agradecemos a Jeroen Zonneveld, da Unifarm, pelo fornecimento e manutenção da câmara climática. Esta configuração foi construída como parte do projeto Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), que é financiado pelo programa-quadro de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia ao abrigo do acordo de subvenção n.º 964545.
Acryl sheet plates | WSV kunststoffen BV | N/A | Used for holding columns, funnels, irrigation tubes and pipes. |
Adapter ring | Tameson | FL2S-FM-B-014G-034G | Used ot make the system to connect the PU hose to the tap. |
Cable ties | Gamma | 456196 | Used for holding the mesh system. |
Citric acid | Nortembio (amazon.nl) | B01BDLOGW2 | Used for cleaning pipes and funnels. |
CytoFLEX flow cytometer | Beckam Coulter | CytoFLEX | |
Dishwasher soap | BOOM | 77000307.9010 | Used for cleaning the jerrycans. |
Eight relay expansion module | Control by web | X-12s | Used to control the valves of hte irrigation system. |
End cap | Wildkamp | 819906 | Used to close one end of the main tube of the irrigation system. |
Fridges | HorecaGemak | DIA-BVL031/6P | Used for storing the jerrycans. |
Funnels | Praxisdienst | 135864 | Used for directing the leachate from the columns to the jerrycans. 75 mm diamater. |
Hand punch | Wildkamp | 719928 | Used to cut holes for small tubes in the main tube of the irrigation tube. |
HDPE Jerrycan 10 L | Glas-shop.be | 105157 | Come with lid. Used to collect the leachate. |
HDPE Jerrycan 5 L | Glas-shop.be | 105156 | Come with lid. Used to collect the leachate. |
Hexagon nut | Fabory | 51080.100.001 | Used to block acryl sheets on metal screws. |
Label printer | Brother | PT-H107B | Used for printing labels to stick on acryl sheets. |
Ldpe irrigation pipe | Wildkamp | 15382585 | Used to make main tube of the irrigation system. |
Luggage scale | United Entertainment | 8718274546996 | Used to weigh jerrycans. |
Mesh 10 μm | Franz Eckert | PES-10/2 | Used for the mesh system. |
Mesh 20 μm | Franz Eckert | PES-20/13 | Used for the mesh system. |
Metal screws | Schroeven goothandel.nl | 100975401010 | Used to install acryl sheets. |
Micro hose for drip irrigation | Wildkamp | 15119128 | Used to make small tubes of the irrigation system. |
Middle ring | self-made with 3D printer | self-made with 3D printer | Used for holding the columns a few centimeters above the funnels. |
Nosepiece | Wildkamp | 15045986 | Used to connect the solenoid valve to the irrigation pipe. |
Nylon mesh | Sefar | N/A | 1 mm mesh used for the top of the columns to prevent earthworms' escape. |
Plastic beads | lyondelbasell | TRC 352N C12507 | Used for the mesh system. |
Plug-in fitting with 2 connections | Tameson | F24V5 | Used at the end of the system to end the PU hose. |
Polycarbonate enclosure | RS | 498-5387 | Used to house the electronical compontents of the irrigation system. |
Power cable | RS | 775-6075 | Used to connect the valves. |
pp coupling | Wildkamp | 719780 | Used to make the system to connect the PU hose to the tap. |
Pressure regulator | Wildkamp | 719943 | Used to make sure all small tubes were releasing same amount of water. |
PTFE tape | GAMMA | 237001 | Used ot wrap the end of hte irrigation pipe. |
PU hose | Tameson | PU-8-1198-50-1 | Used to connect all the valves with eath other and to the tap. |
PVC pipes | Rubbermagazijn | 99001230 | Used for connecting the funnels to the jerrycans. |
PVC tubes | Wildkamp | 91700 | Used to make the columns. |
Rail power supply | RS | 145-7873 | Used to supply power to the eight relay expansion module. |
Rubber bands | PasschierTerpo | 8714603820621 | Used to hold the mesh for earthworms. |
Solenoid valve | Tameson | CM-DA014B020E-024DC | Used for opening and closing of the waterflow. |
Sprinklers | self-made with 3D printer | self-made with 3D printer | Used for evenly distribute the water over the columns. |
Stainless steel plates | 24/7 tailor steel | N/A | Used as a frame for the set-up above the fridge. |
T-piece plug in fitting | Tameson | F25DT | Used to connect the solenoid valve to the PU hose. |
TPU 95A material | MakerPoint | 1756 | Used to print components with 3D printer. |
Washer carriers | Fabory | 50095.100.001 | Used to put below hexagon nut. |
Web Enabled Controller | Control by web | X-400-I(9-28 VDC) | Used for allowing online control of the irrigation settings. |