En mikrodialyseprofil beskrives til at prøve opløste porevandsopløste stoffer over en oxisk-anoxisk jord-vand-grænseflade in situ med minimal forstyrrelse. Denne enhed er designet til at registrere hurtige ændringer i koncentrationsdybdeprofiler induceret af forstyrrelser ved jord-vand-grænsefladen og videre.
Biogeokemiske processer skifter hurtigt i både rumlige (millimeter skala) og tidsmæssige (time skala til dag skala) dimensioner ved den oxisk-anoxiske grænseflade som reaktion på forstyrrelser. Dekryptering af de hurtige biogeokemiske ændringer kræver in situ, minimalt invasive værktøjer med høj rumlig og tidsmæssig prøveudtagningsopløsning. De tilgængelige passive prøveudtagningsenheder er imidlertid ikke særlig nyttige i mange tilfælde, enten på grund af deres engangskarakter eller kompleksiteten og den omfattende arbejdsbyrde i forbindelse med prøveforberedelse.
For at løse dette problem blev der etableret en mikrodialyseprofil med 33 individuelle polyethersulfon nanomembranrør (semipermeable, <20 nm porestørrelse) integreret i det endimensionelle skelet (60 mm) til iterativt at prøve de opløste forbindelser i porevand over jord-vand-grænsefladen ved en høj opløsning på 1,8 mm (ydre diameter plus en afstand, dvs. 0,1 mm mellem sonder). Prøveudtagningsmekanismen er baseret på princippet om koncentrationsgradientdiffusion. Den automatiske påfyldning af afgasset vand tillader minimal forstyrrelse af de kemiske arter på tværs af den oxisk-anoxiske grænseflade.
Dette papir beskriver procedurerne for enhedsopsætning og kontinuerlig porevandsprøveudtagning på tværs af jord-vand-grænsefladen dagligt. Koncentrationsdybdeprofiler blev selektivt målt før (på dag 6) og efter (på dag 7) forstyrrelser forårsaget af kunstvanding. Resultaterne viste, at koncentrationsdybdeprofiler undergik hurtige ændringer, især for redoxfølsomme elementer (dvs. jern og arsen). Disse protokoller kan hjælpe med at undersøge de biogeokemiske reaktioner på tværs af jord-vand-grænsefladen under forskellige forstyrrelser forårsaget af fysiske, kemiske og biologiske faktorer. Papiret diskuterer grundigt fordele og ulemper ved denne metode til potentiel anvendelse i miljøvidenskaben.
En oxisk-anoxisk grænseflade er et generelt træk i biosfæren, der er afgørende for den biogeokemiske cyklus1. Denne grænseflade er meget heterogen, idet det rumlige område strækker sig fra millimeter i sediment/jord-vand-grænsefladen1,2 til tusinder af meter i den oceaniske anoxiske zone 3,4. Denne grænseflade er et ideelt levested for at studere kompleksiteten af elementær biogeokemi.
Jord-vand-grænseflader har en typisk oxisk-anoxisk gradientfunktion inden for centimeter og er let etableret i mesokosmoseksperimenter. Med udgangspunkt i forbruget af molekylært ilt fra overfladevand driver de stratificerede funktionelle mikrobielle samfund udviklingen af forskellige gradienter, såsomO2-, pH- og Eh-gradienter, på millimeterskala1. Biogeokemisk kredsløb ved den oxisk-anoxiske grænseflade er følsom over for forskellige forstyrrelser i naturen 5,6. I tilfælde af sedimenter og rismarker kan tilførsel af frisk organisk materiale såsom strøelse og halm, periodisk oversvømmelse og dræning, temperatursvingninger og ekstremer og bioturbation forårsage ændringer i den biogeokemiske cyklus ved den oxic-anoxiske grænseflade, hvilket sandsynligvis resulterer i varige virkninger, såsom drivhusgasemissioner, eutrofiering og forurening på et givet sted. Derfor giver den oxisk-anoxiske gradient ved jord-vand-grænsefladen et vindue til undersøgelse af globale, store, biogeokemiske cyklusser. Den rumlige tidsmæssige prøveudtagning og analyse af opløste stoffer langs jord-vand-grænsefladen i høj opløsning har altid været af interesse; Der er dog kun sket begrænsede fremskridt med hensyn til metoden.
For at omgå ulemperne ved destruktiv porevandsekstraktion anvendes ikke-destruktiv passiv prøveudtagning i stigende grad for at undgå ændringer i porevandskemien og afhjælpe kompleksiteten af prøveforberedelse7. Flere enheder, der kan udføre in situ-prøveudtagning med høj præcision (fra mikrometer til centimeterskala), er blevet brugt i vid udstrækning, herunder in situ-dialyseprøvetagere (kendt som peepers)8, diffusiv ligevægt i tynde film (DET)9 og diffusiv gradient i tynde film (DGT)10. Der udtages passivt prøver af opløste stoffer via diffusions- og adsorptionsprocessen. Selvom de har vist sig nyttige til at beskrive oxisk-anoxiske kemiske profiler, er de stadig engangsbrug, hvilket begrænser deres bredere anvendelse.
For nylig har mikrodialyseteknikken vist sig som et følsomt værktøj, der kan bruges til at overvåge opløselig forbindelsesdynamik i jord på tidsmæssige skalaer fra minutter til dage11,12,13,14. For et typisk scenarie, der anvender mikrodialyse inden for medicinsk videnskab og miljøvidenskab, anvendes en miniature, koncentrisk sonde bestående af en semipermeabel rørformet membran (dvs. en mikrodialysator) til at undersøge de interstitielle væske- eller jordopløsninger for at forhindre signifikante forstyrrelser på, metaboliske processer og kemisk speciering15,16. En af de største iboende fordele ved mikrodialyse er di situ-indfangning af tidsafhængige koncentrationsændringer i jord eller biologisk væv15,16.
Med udgangspunkt i mikrodialysekonceptet udviklede vi en mere brugervenlig mikrodialyseprofil, tidligere kaldet IPI-profilen (integrated porewater injection), der kan udføre kontinuerlig ligevægtsdialyse af porevandsopløste stoffer baseret på princippet om koncentrationsgradientdiffusion2. Mikrodialyseindretningen bruger hule nanomembranrør til aktiv forspænding af perfusat og passiv diffusion af de opløste opløste stoffer, hvilket adskiller sig fra bulkporevanddiffusionen, der anvendes i peepers, trykfiltre såsom Rhizon sampler og akkumuleringsbaseret DGT. Udstyret er blevet testet og valideret i den tidsmæssige og rumlige prøveudtagning af både kationiske og anioniske elementer i både højland og oversvømmet jord (figur 1A-1)13,15,16. Enkel pumpe ind-og-ud mikrodialyse minimerer antallet af trin i prøveforberedelse 2,15.
Vi fremstillede en mikrodialyseprofil ved at integrere et sæt prøveudtagere på et endimensionelt støtteskelet, og denne profil opnåede prøveudtagning i høj opløsning ved jord-vand-grænsefladen og rhizosfæren 2,15,17. I denne undersøgelse blev der foretaget betydelige ændringer af prøveudtagningsanordningen og prøveudtagningsmetoden for at muliggøre indsamling af 33 porevandsprøver ved grænsefladen mellem jord og vand (60 mm lodret dybde) med minimal forstyrrelse til nedstrøms elementanalyse. Hele prøveudtagningsproceduren tager ~ 15 minutter. Da mikrodialyseprofilen er ny i miljøvidenskabens samfund, præsenterer vi detaljer om enhedens komponenter og prøveudtagningsprocedurer for at indikere mikrodialyseens potentiale til overvågning af ændringer i kemiske signaler ved jord-vand-grænsefladen.
Beskrivelse af mikrodialyseprofilen
Mikrodialyseprofilenheden, med korrekte ændringer af det tidligere design2, er vist i figur 1. Den effektive porestørrelse af nanomembranen (figur 1C-1) anslås kun at være flere nanometer for at forhindre diffusion af store molekyler og mikrobielle celler. En tidligere test antydede, at en 6 måneders oversvømmet inkubation ikke resulterede i nogen jernaflejringer på hverken indersiden eller ydersiden af røroverfladen15. Et buet, hult skelet blev designet (figur 1C-2) og 3D-printet ved hjælp af et stabilt nylonmateriale. I alt 33 nanomembranrør (polyethersulfon; overfladeporestørrelse: 0-20 nm; indvendig diameter x udvendig diameter x effektiv prøveudtagningslængde: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teoretisk volumen: 42,4 μL) forbundet med matchede polytetrafluorethylenrør (PTFE) (længde: 18 cm x 2 cm diameter figur 1C-1) blev installeret på skelettet og på tværs af den ene side af en PVC-beholder (figur 1B). For denne enhed er prøveudtagningskomponenten (figur 1B-1) 2 cm væk fra PVC-beholderens sidevæg. På injektionssiden (figur 1B-4) var alle rør forbundet til et en-til-mange-stik, som blev fastgjort i en bufferbeholder på en lufttæt måde (figur 1B-7). En medicinsk infusionspose (figur 1B-11) blev brugt til at forbinde med bufferbeholderen ved hjælp af en trevejsventil. Systemets lufttæthed blev omhyggeligt undersøgt i vand inden yderligere eksperimentelle operationer. Det forfyldte vand (18,2 MΩ, 500 ml) i den medicinske infusionspose er altid iltfrit (figur 1C-8). Detaljeret enhedsopsætning og porevandsprøveudtagning er beskrevet som følger.
Baseret på tidligere eksperimenter og praksis2 kræver nogle overvejelser særlig opmærksomhed under mikrodialyseprofilsamlingen og porevandsprøvetagningen. For det første skal nanomembranrøret og forbindelsesrøret forbindes omhyggeligt for at undgå blokeringer eller lækager ved forbindelsen. Da jorden inkuberes under oversvømmede forhold, vil indførelsen af ilt hurtigt oxidere og udfælde jernholdigt jern i dialyseslangen (figur 4). Af denne grund skal hvert mikrodialyserør kontrolleres for integritet (ingen skade), forbindelsernes lufttæthed og slangens tålmodighed, inden mikrodialyseprofilen samles. På samme måde skal forbindelsen af støtterammen til inkubationsbeholderens sidevæg udføres omhyggeligt for at undgå lækage. Før formelle eksperimenter er lækagekontrol på de forskellige forbindelsessteder altid en prioritet. For det andet skal perfusatet i den anaerobe pose være tilstrækkeligt deoxygeneret. Ellers vil jernholdigt jern i porevand reagere med iltet i perfusatet for at danne uopløselige bundfald (figur 4). Dette vil alvorligt ændre speciering og koncentration af opløste stoffer og diffusionsprocesserne mod nanomembranrørene. For det tredje vil en lav prøveudtagningsfrekvens (dage og uger) medføre, at det opløste stof diffunderer ind i stødpudeområdet. Dette kan forurene hele profilprøven. For at løse dette problem kan tre mulige løsninger overvejes: (1) prøveudtagning med høj frekvens, såsom en gang dagligt (dette kan dog føre til nedbrydning af opløst stof nær dialyseprøveudtageren, når der udføres flere prøveudtagninger); 2) forlængelse af forbindelsesrørets længde i injektionsområdet efter behov 3) omlægning af prøveudtagningsrørledningen for at opnå en enkelt kontrol af en enkelt rørledning. Dette er også retninger for forbedring af enheden i fremtiden. For det fjerde skal det under prøveudtagningsprocessen sikres, at vandoverfladen i den anaerobe pose, den oversvømmede jord og prøveudtagningsrøret er omtrent i samme højde for at afbalancere vandtrykket. Ellers vil en vandpotentialeforskel inden for og uden for membranrøret resultere i et fald eller en stigning i opløst diffusion.
Begrænsninger
For det første, da mikrodialyseprofilen ikke er kommercielt tilgængelig, forbliver metoden tidskrævende med hensyn til fremstilling af enheden. Det tog dage at forberede et enkelt dialyserør, herunder udskrivning af støtteskelettet, enhedsmontering og rengøring. Men de efterfølgende genanvendelige funktioner bygger bro over dette hul fuldstændigt. For det andet er der visse begrænsninger ved at anvende enheden på ikke-oversvømmede jordscenarier, som peepers kan bruges til18. På grund af den betydelige vandpotentialeforskel mellem indersiden og ydersiden af membranrøret i tør jord oplever den forudindlæste opløsning diffusionstab; Faktisk blev der observeret forskellige prøvetagningsvolumengenvindinger i intervallet 10%-36% i den foreløbige test (detaljerede data ikke vist), hvilket skaber usikkerhed om resultaterne.
Sammenligning af metoden med eksisterende eller alternative metoder
Metoden adresserer delvist det faktum, at de eksisterende passive prøvetagere ikke kan tage prøver gentagne gange, og minimerer arbejdsbyrden ved prøveforberedelse, især til anoxisk porevandsprøveudtagning og konservering2. De øjeblikkelige ændringer i koncentration og speciering af dialyserede opløste stoffer kan følsomt afspejle responsen fra den oxisk-anoxiske grænseflade på eventuelle miljøforstyrrelser. Teoretisk set giver prøveudtagning med en frekvens på minutter, timer eller dage mulighed for at fange de hurtigt skiftende processer ved grænsefladen. For passive samplere, der skal være i implementering i dagevis, kan nogle varme øjeblikke og hotspots gå glip af 6,19.
Betydning og potentielle anvendelser inden for miljøvidenskab
Denne tilgang kunne fremme biogeokemiske undersøgelser ved oxic-anoxiske grænseflader, for eksempel for at finde varme øjeblikke og hotspots for biogeokemiske processer under specifikke Eh-pH-forhold. Redoxprocessen er den grundlæggende proces med livsaktiviteter1. Især mikroorganismer kræver optimale levevilkår og er meget følsomme over for miljøforstyrrelser1. Dette resulterer i en meget dynamisk udvikling af mikrobielle samfund og biogeokemiske processer i heterogene miljøer20. Direkte prøveudtagning, uden at overveje den høje heterogenitet, har tendens til at opnå en blandet prøve fra forskellige miljøforhold. Dette medfører uoverensstemmelser mellem den målte kemiske information og vigtige mikroorganismer20. Inden for få centimeter af overfladelaget af jord eller sediment i et typisk oversvømmet uafskallet felt er der stejle redoxgradienter samt forskellige fysiske, kemiske21 og biologiske gradienter1. Teknologien skal være i stand til at opfange biogeokemiske signaler i millimeterskala; Ellers kan data, der ikke svarer til den faktiske skala, føre til tvetydige konklusioner. Mikrodialyseprofilen er i stand til at overvåge biokemiske signaler i millimeterskala ved jord-vand-grænsefladen på dage eller timer med minimal forstyrrelse. I denne undersøgelse blev den rumlige tidsmæssige dynamik af forskellige elementer over en periode på 48 timer observeret, muligvis relateret til forstyrrelsen af vandpåfyldning. Derfor kan en bredere anvendelse af mikrodialyseprofilen hjælpe med at forstå, hvordan forstyrrelser påvirker vigtige biogeokemiske processer i en verden i forandring.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde er finansieret af National Natural Science Foundation of China (41977320, 41571305) og Key Programme Special Fund of 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 |