Traditional thermogradient tables create a range of temperatures across the surface. Welding gussets perpendicular to the surface of a thermogradient table will control temperature in depth increasing possible research applications.
Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a series of incubators. A temperature gradient is passively established across the surface of the table between the heated and cooled ends and is lost quickly at distances above the surface. Since temperature is only controlled on the table surface, experiments are restricted to shallow containers, such as Petri dishes, placed on the table. Welding continuous aluminum vertical strips or gussets perpendicular to the surface of a table enables temperature control in depth via convective heat flow. Soil in the channels between gussets was maintained across a gradient of temperatures allowing a greater diversity of experimentation. The gusseted design was evaluated by germinating oat, lettuce, tomato, and melon seeds. Soil temperatures were monitored using individual, battery-powered dataloggers positioned across the table. LED lights installed in the lids or along the sides of the gradient table create a controlled temperature chamber where seedlings can be grown over a range of temperatures. The gusseted design enabled accurate determination of optimum temperatures for fastest germination rate and the highest percentage germination for each species. Germination information from gradient table experiments can help predict seed germination and seedling growth under the adverse soil conditions often encountered during field crop production. Temperature effects on seed germination, seedling growth, and soil ecology can be tested under controlled conditions in a laboratory using a gusseted thermogradient table.
Thermogradient表不是新的,它们的使用已在文献中几十年1-6的报道。早期表被用于经常实验室种子发芽测试纸基材上在宽范围的温度下在一个单一实验中( 图1)表面上的发展。有thermogradient表的不同设计,但最常见的一种是由金属的相对厚的矩形片状,常常铝为其耐腐蚀性,与在相对的两端焊接在底部方管的一个循环。塑料管连接表入口和出口管道温度控制,循环上表下方相对端通过管道泵送冷却并加热的流体浴池。管道进行流体,通常是水防冻剂(乙二醇)混合物中,以防止冷冻系统是否接近或低于冰点的温度下进行操作。另一种设计是焊缝金属条一起CRE在与入口和出口为在任一端冷暖溶液循环表中的每个端部吃的流体贮存器。循环浴可定位在桌子下方的地板上或单独的并列表。与加热线圈和/或珀尔帖冷却模块电动thermogradient表已经建成,但成本高,挑战产生一致的低温和可靠性等问题阻碍了广泛的商业用途8。
循环液的设计被动创建经由热传导的一维梯度。如果该铝板是均匀的形状和厚度,并适当地绝缘,热均匀地从温暖的流向表建立一个连续的一维温度梯度的冷端,以下热力学7的第二定律。在表面上的梯度是表长度的函数和端温度之间的差异。该表和plumbing的通常装在绝缘外壳,带有盖子的访问。外壳分离与其周围的表,创建在表面均匀梯度很小的温度变化。绝缘外壳可通过腿来支撑或放置在一个平面上,如一个桌子或工作台。对于需要均匀的温度控制,而不梯度应用中,一个表格可以被设置以产生等温条件,如果两端在相同温度下循环的流体。
当梯度表被正常,培养皿中,密封的塑料袋,平底容器等,被放置在表面上,并热平衡到的各种温度( 图1)。在每个容器中的试验温度取决于可能在容器和表面和厚度与每个容器的绝缘性能之间存在空域。梯度表有效地保持样品TEmperatures靠近表面,而是控制表面上方丢失。缺乏垂直温度控制限制了类型的实验可能对传统的梯度表。
铝条或角撑板被添加到传统的梯度表设计,提高表面以上的温度控制。角撑板被间隔垂直于表面的焊接。褶子方便垂直上方的平坦台面对流热流。样品放置角撑板之间,有三面温度调节表面提供更有效的温度控制。克莱格和伊斯汀2放置在梯度台面石英砂创建深入的温度控制。克莱格和伊斯汀2也尝试把绝缘的桌子上。 Webb 等9放置在努力均匀地控制温度装满土表上的管道。
新的TA这里报告BLE设计具有九个7.6厘米(3英寸),它们在表的长度( 图2)焊接到所述表面高褶子(铝条)。 LED灯具发光光合有效频率被安装在桌子上的两侧,以支持幼苗生长时表被关闭。所述隔热的外壳的内裆部thermogradient表被构造为白色PVC板是水,经纱,以及抗裂。本文的目的是描述新插角梯度表的设计和可能的应用。
Thermogradient表已被使用了许多年,用于同时在一定温度范围内进行,主要在浅容器种子发芽实验。然而,实验的温度被限制在台面所以温度控制的深度是有限的。传统的梯度表进行种子检验协议,结束在培养皿或其他平面容器纸基上胚根出现,不实事求是地测试出苗和生长的自然会发生的土壤。今天,种子公司往往希望评估种子活力采用模拟现场条件种植者种植后可能会遇到(下少发芽比最佳条件的能力)。土壤测试也暴露出种子真菌和细菌性疾病的压力在无土介质标准化实验室发芽试验并不常见。当土壤被放置在平坦的非插角表5ºC或多个我们的大的变化再没有在土壤剖面位置和表面(未发表的结果)之间罕见。
与角撑板的一维梯度表被开发,以提高垂直温度控制,使得土壤可以在发芽试验和其他实验,其中土壤温度的精确控制是关键的使用。褶子限制在土层或合成的生长介质和控制温度。角板是铝,相同的材料的桌面,并且当垂直于表面焊接它们提供通过传导热传递之间的空间的温度控制。褶子能向下纵向表或横向桌子对面的被导向。这两种设计类似地进行,但在宽度方向联接片取向是方便的,因为联接板之间的空间可以用作单一实验温度时梯度被适当地调节。水平取向允许实验单位(在这个例子中的种子)被间隔开一交叉表中彼此相邻的线。角撑板间距可由于角板到位,因此替代定位焊接一次表施工完成后不能进行测试,只在制造过程中变化。 10.9厘米的间距扣板选择,以适应浅容器通常用于除土壤种子测试。更靠近联接板间距可提供更好的温度控制,但会限制可在桌上使用的容器的类型。
在thermogradient表生长介质的温度和湿度必须不断监视,以达到预期的实验条件。播种前,循环浴应略低于所需的最小和稍高于比调整,直到样品达到所需的实验的温度的最高温度来设定。大约24小时应允许对于样品热与梯度表平衡。次的水分含量Ë不断发展的媒体应该是足够了(田间持水量的70-80%)的种子发芽或其他生物过程进行。在地方,当该表绝缘和双眼睑减少温度波动和水的蒸发。
表1中的结果比较在不同温度下的4种幼苗生长。甜瓜和番茄种子的增长开始在15℃和40℃发芽很好解释为什么他们的特点是温暖季作物10。与此相反,莴苣发芽最好在低温下。燕麦种子发芽以上的温度比其它物种( 表1)的范围更广。而可以使用一系列的生长室中的一系列协调实验得到类似的结果,在角撑板设计允许两萌发和幼苗生长到在一定范围的同时土壤温度进行比较。不同领域的土壤或成长媒体可以被取代,以模拟各种领域的条件。微生物或化学处理,化肥制度,干旱胁迫,和变化的光环境可以在温度上梯度表的罚款。
在桌子上的不同位置记录的小数据记录器温度。温度数据表明,相对均匀的温度下在表中的具有更大的变化的中间,特别是在暖端。定位记录仪与表面接触,并暴露于土壤表面上的空气可能加剧了极端。记录在中心位置的温度很可能更能说明大宗土壤条件。例如,栽在上的角撑板来模拟定植之间的梯度表中的土壤的种子将只暴露于散装土壤温度,而不是空气或表面温度。土壤中的水分含量和质地起着决定表的温度的作用。如果日戊土干燥,空气空间抵御温度变化而不能有效地从褶子传导热量。湿润的土壤几乎没有空气的空间和更多的液体水通过土壤剖面,有效地传导热量。在该实验中,土壤保持在其最大持水量的70%至80%,但更高的水含量可能降低土壤的温度变化。砂具有如比具有高有机质土壤较少的大孔隙,因此预计将提供更均匀的温度。
有在相对于冷端表中的热端在土壤温度更大的变化。一种可能的解释是在湿气横跨表的分布情况。水分趋于冷端得以保留,而热端趋于枯竭,因为更大的蒸发损失了。因为水有助于导热,该表中的水分含量是尽可能均匀是重要的。 Webb 等 。9中使用blott呃纸张通过毛细管作用穿过thermogradient表进行水,同时报纸工作以及在裆部thermogradient表更便宜的替代方案。尽管角撑板用亲水纸内衬补充水分的分布,既保持凉爽和温暖的两端均匀润湿是具有挑战性的。
在高温下迅速蒸发发生在所有的梯度表的设计。缩合通常是当容器实验在温度上的梯度表进行多高于环境,因为容器的底部比顶部使水收集冷却器盖的内侧暖的问题。在对角撑板的表土壤实验中,水从上部土壤层蒸发到空气中在上面的角撑板的表。如果土壤是非常潮湿,在表中的热端蒸发损失可能会凝结在冷却器内的丙烯酸盖。休息丙烯酸或聚苯乙烯保温直接的紧身件LY对角板顶部减少与表上空水汽交换保持土壤更均匀湿润,温度恒定(数据未显示)。当表嵌着聚苯乙烯绝缘,温度变化通过设置在极端温度土壤剖面仅为1〜2℃(数据未示出)。然而,聚苯乙烯保温防止幼苗出现和孵化成长初期小时后进行分析,必须拆除。为了防止暖土壤快速干燥另一个解决方案是优选添加更多的水热端,以补偿蒸发损失。手浇水是有问题的,因为盖子必须去除和应用卷不太精确。微灌发射器可被设计到一个梯度表,并可以调整,以优先地应用于更多的水热端。
Thermogradient表具有的功能和潜力作为替代生长室。 WHEÑ两个浴场设置相同,表平衡到单个实验温度为在不要求梯度的应用程序。昼夜光照和温度的波动也可以使用可编程循环水浴模拟和LED植物生长灯。填充带LED眼睑的内侧生长灯可提高照明亮度。该LED植物生长灯输入最少的热量到系统中,并没有随着干扰梯度因为类似的土壤温度,用灯光和关闭记录(数据未显示)。添加灯光使植物生长和更大的环境控制。
Thermogradient表已被主要由种子工业发芽研究在过去,但许多其它应用是可能的。昆虫行为已经研究了一个梯度表来确定某些行为11的最适温度。冰可以在梯度台面在零下T为冻结测试现象emperatures(数据未显示)。土壤和大气中,包括二氧化碳进化之间的气体交换,有可能在一个插角梯度表在不同的含水量,土壤的投入,和温度。研究在温度范围内的不同类型的媒体细菌和真菌的生长的效果,也可以与此实验系统。
The authors have nothing to disclose.
We thank Kent J. Bradford and his students at the UC Davis Seed Biotechnology Center for recording seedling emergence data.
Thermogradient table | Appalachian Machinge Inc | Custom made, gussetted thermogradient table (schematics are included in the manuscript). The aluminum fabrication and welding were peformed by Appalachian Machinge Inc. 5304 State Rd 790, Dublin, VA 24084. | |
Insulated polymer board cabinet | TASCO LLC | The insulated polymer board cabinet containing the aluminum plate was constructed by TASCO LLC, 1440 Roanoke Street, Christiansburg, VA 24073 | |
Blue Hawk Folding Steel Adjustable Sawhorse | Lowes Home Improvement | 162111 | Model #: 60142 Folding Steel Adjustable Sawhorses |
Circulating Refrigerated water baths or comparable units | Brookfield Engineering | TC-550SD | |
Seeds (200 seeds) | Johnny's Selected Seeds | Oat, lettuce, tomato, melon seeds from Johnny's Selected Seeds 955 Benton Ave, Winslow, ME 04901 or any other seed for germination testing, | |
Professional 550 Grow Light | SolarOasis | Pro550 | |
ID braided PVC tubing | United States Plastics Inc. | 60703 | 0.6 m pieces of 200 cm OD, 130 mm (1/2") |
Super Tech 50/50 Antifreeze/Coolant Pre-Mix | Walmart | 1012574 | 4 liters distilled water-antifreeze (ethylene glycol) mixture |
WatchDog Data Loggers | Spectrum Technologies Inc | Model 100 | |
Parafilm M 4 cm wide | Fisher Scientific | S37440 | |
Container Acrylic 5 1/4"x5"x1 3/8" plastic boxes | Hoffman Manufacturing Inc | Hoffman Manufacturing Inc. 16541 Green Bridge Road, Jefferson, OR | |
1" Collared-screw | Global Industrial | CS16H | Global Industrial, 11 Harbor Park Drive, Port Washington, NY |
Collared Screw Worm Gear Hose Clamp | Global Industrial | WGB513588 | 3/4" – 1-1/2" Clamping Dia. 10-Pack . |
Everbilt Model Foam Pipe Insulation | Home Depot | ORP11812 | Internet # 204760805 Store SKU # 1000031792 1 in. x 6 ft. |
Capillary Mat | Farmtek | 106223 | greenhouse capillary matting – 4' x 100' or alternatively sheets of newspaper |
Sunshine Mix #3 | TerraLink | 3236320 | 3.8 cubic feet compressed bale,SKU: 3236320, Germinating media |