Her præsenterer vi konstruktionen og driften af en eksperimentel opsætning for at forbedre mineralforvitring gennem aktiviteten af jordorganismer, mens vi samtidig manipulerer abiotiske variabler, der vides at stimulere forvitring. Repræsentative resultater fra opsætningens funktion og prøveanalyser diskuteres sammen med punkter til forbedring.
Forbedret forvitring (EW) er en ny teknologi til fjernelse af kuldioxid (CO2), der kan bidrage til afbødning af klimaændringer. Denne teknologi er afhængig af at fremskynde den naturlige proces med mineralforvitring i jorden ved at manipulere de abiotiske variabler, der styrer denne proces, især mineralkornstørrelse og eksponering for syrer opløst i vand. EW sigter primært mod at reducere atmosfæriske CO2 -koncentrationer ved at øge uorganisk kulstofbinding. Indtil nu er viden om EW hovedsageligt opnået gennem eksperimenter, der fokuserede på de abiotiske variabler, der er kendt for at stimulere mineralforvitring, og derved forsømmer den potentielle indflydelse af biotiske komponenter. Mens bakterier, svampe og regnorme er kendt for at øge mineralforvitringshastigheden, forbliver brugen af jordorganismer i forbindelse med EW underudforsket.
Denne protokol beskriver design og konstruktion af en eksperimentel opsætning udviklet til at forbedre mineralforvitringshastigheder gennem jordorganismer, samtidig med at abiotiske forhold kontrolleres. Opsætningen er designet til at maksimere forvitringshastighederne og samtidig opretholde jordorganismernes aktivitet. Den består af et stort antal søjler fyldt med stenpulver og organisk materiale, placeret i et klimakammer og med vand påført via et nedstrøms vandingssystem. Søjler placeres over et køleskab, der indeholder jerrycans for at opsamle perkolatet. Repræsentative resultater viser, at denne opsætning er egnet til at sikre jordorganismers aktivitet og kvantificere deres virkning på uorganisk kulstofbinding. Der er fortsat udfordringer med at minimere perkolattab, sikre homogen ventilation gennem klimakammeret og undgå oversvømmelse af søjlerne. Med denne opsætning foreslås en innovativ og lovende tilgang til at forbedre mineralforvitringshastigheder gennem aktiviteten af jordbiota og adskille effekten af biotiske og abiotiske faktorer som drivkræfter for EW.
Forbedret forvitring (EW) er en relativt ny og lavteknologisk teknologi til fjernelse af kuldioxid (CDR) med et betydeligt potentiale til at afbøde klimaændringer 1,2,3. Princippet i denne teknologi er afhængig af at fremskynde den naturlige mineralforvitringsproces i jorden, hvilket fører til binding af kuldioxid (CO2) som uorganisk kulstof (IC)3. Forbedret forvitring sigter mod at øge IC-bindingen ved kunstigt at optimere de faktorer, der styrer mineralforvitring, og derved øge den hastighed, hvormed forvitring opstår, til menneskeligt relevante tidsskalaer3. For at EW skal være mest effektiv, formales hurtigt forvitrende silikatmineraler til et pulver med en kornstørrelsesfordeling i mikrometer til millimeterområdet for at nå et højt reaktivt overfladeareal i ~ 1 m2 · g-1 området 3,4.
Indtil videre er viden om EW hovedsageligt tilvejebragt af eksperimenter, der fokuserer på abiotiske faktorer, der styrer de hastigheder, hvormed mineraler opløses5. Disse omfatter mineralreaktivitet og overfladeareal, temperatur, opløsningssammensætning, vandopholdstid og surhedsgrad 4,6,7, men der skal stadig udføres forskning inden for denne sammenhæng. Udover at være påvirket af abiotiske faktorer, er naturlige systemer og især jord formet af et stort antal organismer, lige fra mikrober til makrofauna som regnorme. På trods af at nogle undersøgelser har vist ringe eller ingen indflydelse af den biotiske aktivitet af mineralopløsning 8,9,10, har andre undersøgelser vist, at jordorganismer som bakterier 11,12, svampe 13,14 og regnorme15,16 kunne øge mineralforvitringshastigheden. Derfor kan biotiske komponenter være nøglen til at forstå det faktiske IC-bindingspotentiale for EW5.
Den første almindelige mekanisme, hvorigennem jordorganismer kan fremskynde mineralopløsningen, er via frigivelse af CO2 under åndedræt, hvilket øger jordens forsuring17. Desuden kan bakterier og svampe øge mineralforvitringen ved at udstråle protoner, chelater, organiske syrer og enzymer, som alle forbedrer mineralopløsningen 18,19,20,21. For eksempel kan chelation gennem carboxyl- og hydroxylgrupper skabe ionubalancer, transportere elementer væk fra mineraloverfladerne og sænke mætningstilstande20,22. Dette kan føre til mindre sekundær mineraldannelse og højere effektivitet af EW. Desuden kan de stærke virkninger af regnormenes kropsvægge ved at fodre med jordpartikler nedbryde mineralkorn til finere partikler og øge deres tilgængelige reaktive overfladeareal23. Mikrober, der bor i regnormenes tarme og friske ekskrementer, kan yderligere angribe disse mindre partikler, som yderligere ekssuderer organiske syrer og enzymer24,25. Gennem deres gravaktivitet skaber regnorme ud over at bidrage til blanding af organiske og mineralske partikler også makroporer, der kan tillade vandstrøm at omgå mættet porerum17. Dette kan gøre det muligt for vandet at interagere med forskellige mineraloverflader og forbedre kontakthastigheden mellem vand og sten.
Indtil nu er der ikke bygget noget setup til at studere EW-hastigheder og derfor IC-binding ved hjælp af jordorganismer og samtidig sikre muligheden for at optimere forskellige relevante abiotiske forhold, såsom vandinput, temperatur, mineraltype og mineralkornstørrelse. Her præsenteres design og forklaring af konstruktionstrinnene i et innovativt setup, der sigter mod at øge EW-hastigheder gennem jordorganismers aktivitet i små mesokosmos. Den eksperimentelle opsætning består af 203 søjler (længde 15 cm, diameter 7 cm) placeret i et klimakammer (4,54 m x 2,72 m) ved 25 °C i 8 uger. De 203 søjler er opdelt i 10 grupper af 18 og 2 grupper af 10 for at passe ind i klimakammeret. En af de to grupper på 10 kolonner bruges til at tillade indsættelse af yderligere tre kolonner, der bruges som tomme felter. Hver gruppe er placeret over et køleskab og er toppet af et fjernstyret vandingssystem, som giver mulighed for variable vandingshastigheder inden for og mellem køleskabe. Perkolatet i hver kolonne opsamles i en dunke, der holdes ved en konstant temperatur i køleskabet (figur 1). Et køleskab opsamler perkolatet fra en gruppe søjler, hvilket betyder, at et køleskab kan betragtes som et enkelt system med enten 18 eller 10 søjler. Derfor kan antallet af kolonner i denne eksperimentelle opsætning justeres i henhold til eksperimentelle krav med maksimalt 203 kolonner.
Figur 1: Skematisk sidebillede af opsætningen, der viser 5 kolonner, men overvejer et system med 18 kolonner. Rammen, der holder søjlerne, er lavet af rustfrie stålplader, skruer i rustfrit stål og akrylplader. Søjler er placeret i midten af rammen og toppes af et vandingssystem. Under søjlerne er tragte forbundet med jerrycans gennem rør for at opsamle perkolatet. Jerrycans er i et køleskab, der rummer hele systemet. Køleskabet kan åbnes ved at løfte låget. Klik her for at se en større version af denne figur.
I denne opsætning sikrer brugen af silikatstenpulver af specifikke kornstørrelser, at der kan opnås høje forvitringshastigheder, mens podningen med specifikt udvalgte bakterier, svampe og regnorme giver den biotiske aktivitet i dette kunstige system. Opsætningen muliggør samtidig kvantificering af kulstof bundet i de faste og i væskeprøverne ved at måle både opløst og fast IC samt total alkalinitet (TA). Desuden kan andre parametre som pH, elektrisk ledningsevne (EC) og ioner måles i perkolatet som indikatorer for forvitring. Denne opsætning gør det også muligt at vurdere virkningen af jordorganismers overlevelse og aktivitet. Repræsentative resultater viser sig at bevise egnetheden af denne protokol til at opbygge en opsætning, hvor stigninger i forvitringshastigheder ikke kun stammer fra abiotiske faktorer, men også fra biotiske.
Inden for den nuværende forskningskontekst er denne opsætning unikt designet til at optimere uorganisk kulstofbinding ved at forbedre mineralforvitring gennem aktiviteten af jordbiota, samtidig med at man manipulerer abiotiske faktorer, der er kendt for at stimulere forvitring. Muligheden i denne opsætning for at indsamle både det faste forarbejdede materiale og perkolatet muliggør en fuldstændig karakterisering af begge fraktioner. På trods af den enorme mængde kolonner sikrer indsamlingen af prøverne og de udførte analyser en dataindsamling af høj kvalitet. Desuden er det meget vigtigt at have et stort antal kombinationer i en enkelt eksperimentel kørsel for at analysere de indsamlede data med moderne og avancerede statistiske metoder, såsom maskinindlæring. Disse metoder kan bruges til at bestemme de vigtigste variabler, der fører til høje forvitringshastigheder og yderligere kulstofbinding. Derfor giver denne opsætning mulighed for at forbedre forståelsen af de virkninger, som jordorganismer kan have på EW- og IC-binding. Dette er afgørende for at etablere mere realistiske begrænsninger for grænserne for EW og dens effektivitet med hensyn til at reducere atmosfæriske CO2 -koncentrationer. Denne opsætning præsenterer flere originaliteter sammenlignet med eksisterende undersøgelser, der undersøger EW og effekten af jordorganismer.
Med hensyn til virkningerne af abiotiske faktorer på EW er disse allerede blevet undersøgt i tidligere undersøgelser 4,29,30,31,32,33,34. Nogle af disse undersøgelser sammenlignede forskellige mængder, typer og kornstørrelser af klipper, men deres opsætning bestod enten af et potteeksperiment 32,33 eller omfattede blanding af stenpulver med jord34. Andre eksperimenter fokuserede på en bjergart med forskellige vandingshastigheder, men havde ikke mulighed for at vande ofte med et automatiseret system eller fokuserede på flere vandingshastigheder og frekvenser35. Andre undersøgelser præsenterede en opsætning svarende til den, der blev præsenteret i den nuværende protokol, med mulighed for at justere vandingshastigheder og holde temperaturen konstant udover varierende stenkornstørrelser og typer29,30. Desuden var udformningen af disse opstillinger sammenlignelig med den, der foreslås i nærværende manuskript og designet til at indsamle perkolatet til yderligere analyser29,30. Derudover blev CO2 -koncentrationerne varieret i disse undersøgelser som en anden faktor, der forbedrede forvitringen29. Ingen af disse tidligere undersøgelser har imidlertid fokuseret på effekten af biotiske faktorer på at fremme EW. I denne opsætning er målet at forbedre forvitringsprocessen og yderligere IC-binding ved at inokulere specifikke bakterier, svampe og regnorme og bestemme, i hvilket omfang de kan fremskynde EW.
I forhold til effekten af biotiske faktorer på EW har få undersøgelser ikke specifikt fokuseret på EW, men har undersøgt, om jordorganismer kan påvirke mineralforvitring. Disse undersøgelser har hovedsageligt undersøgt, hvordan forvitring påvirkes af jordorganismer ved hjælp af dyrkningsmedier 19,21, petriskåle 36, nylonposer begravet i jorden14 eller små mængder stenpulver blandet med andre substrater36,37. Brug af sådanne små systemer eller opsætninger gør det udfordrende at adskille effekten af organismer fra andre variabler. Nogle eksperimenter brugte en lignende opsætning som den, der her foreslås, men i mindre skala, med stenpulverfyldte søjler podet med jordorganismer38,39,40. Imidlertid dyrkede disse eksperimenter enten samtidigt planter og fokuserede ikke på den eksklusive virkning af specifikke jordorganismer13,35 eller indsamlede ikke perkolatet 36. Desuden har de fleste af de undersøgelser, der viste, at bakterier, svampe og regnorme øger mineralforvitring, fokuseret på virkningen af disse organismer på næringsstoffrigivelse som en indikation af forvitring snarere end på IC-binding 11,13,14,19,36,37,38 . Frem for alt havde ingen af disse tidligere undersøgelser til formål at fremme EW eller præsenteret muligheden for at justere og opretholde abiotiske faktorer i hele forsøgsperioden. I denne opsætning, i stedet for at holde alle abiotiske faktorer konstante, testes en lang række kombinationer for fire abiotiske faktorer, såsom vandvandingshastigheder og frekvenser, stenpulvertype og kornstørrelse med det formål at fremme EW gennem jordorganismers aktivitet.
Desuden præsenterede ingen af de tidligere undersøgelser, der har fokuseret på effekten af enten abiotiske eller biotiske faktorer på EW, muligheden for at have et ekstremt stort antal kolonner og variabler inden for en eksperimentel kørsel. I denne opsætning er det muligt at teste flere forskellige kombinationer af forskellige variabler under en kørsel af eksperimenter på grund af det imponerende antal kolonner, som opsætningen er designet til, samtidig med at der stadig leveres resultater af høj kvalitet. I betragtning af opsætningens nyhed præsenteres nedenfor nogle mulige forbedringer og resterende udfordringer, der kan overvejes under design af fremtidige lignende opsætninger.
Homogene luftforhold i inkubationskammeret bør sikres. Placeringen af opsætningen i et klimakammer sikrede konstant temperatur og relativ luftfugtighed. Ventilationsbegrænsninger (f.eks. luftstrøm) kan have skabt rumlig variation i atmosfæriske forhold og dermed ført til uforholdsmæssig fordampning fra søjlerne på visse steder, hvilket er et almindeligt fænomen i denne form for opsætning35. For at håndtere denne ulempe, når replikation og randomisering ikke er mulig, anbefales det at beregne en vandbalance for søjler placeret forskellige steder i hele kammeret.
Søjlerne skal omhyggeligt justeres med tragtene, når de er indsat i akrylpladen for at undgå perkolattab. I den betragtede forsøgsperiode opstod perkolattab fra bunden af søjlerne på grund af en forkert placering af tragtene eller på grund af tilstopning af maskerne. Sammen med fordampning kan dette delvis forklare, hvorfor det indsamlede perkolat var lavere i forhold til forventningerne (figur 13). For at minimere disse tab er det vigtigt at sikre, at tragtene er optimalt placeret under søjlerne. Brug af bredere tragte er også en levedygtig mulighed. I dette tilfælde skal man være opmærksom på hullernes diameter under konstruktionen af akrylpladerne og afstanden mellem akrylplader.
Langsommere vandgennemstrømning i jordsøjleforsøg, hvor vand tilføres ofte, er et tilbagevendende problem 7,30,40. I forsøgene udført med den præsenterede opsætning blev der i nogle tilfælde anvendt ret høje vandingshastigheder og meget fine mineralkornstørrelser, som oprindeligt mangler en struktur som normalt observeret i jord. Dette kan have fået porerne i maskerne i bunden af søjlerne, der kun indeholder fine mineraler, til at tilstoppe under forsøgene. Derfor strømmede vandet ikke hurtigt nok gennem søjlerne, hvilket resulterede både i oversvømmelse af søjlerne, reduktion af vandinfiltration og perkolatopsamling og under anoxiske forhold i søjlerne, hvilket påvirkede biogeokemiske processer. For at afbøde dette problem er det vigtigt altid at blande en vis procentdel grove med finere mineralkornstørrelser og undgå blandinger af 100% meget fine mineralkornstørrelser. En anden mulighed er at tillade er at lade søjlerne opleve et bestemt antal befugtnings-/tørringscyklusser for at starte dannelsen af jordstrukturer og dermed forbedre vandinfiltrationen. Desuden ville det før eksperimentets start være nyttigt at bestemme grundlæggende jordvandsdynamik, såsom mættet og umættet strømning og vandretention kurve, i nogle få mesokosmos for bedre at forstå gasstrøm, mineralmætningstilstand og drivkræfter for organismers aktivitet.
Den præsenterede eksperimentelle opsætning er praktisk at bruge, præsenterer en ligetil installation og kan justeres efter forskningsbehov. I forbindelse med mineralforvitring kan det med de nødvendige justeringer kobles med et gaskammer for ikke kun at karakterisere kulstof i den faste og vandige fase, men også for at se på kulstofdynamikken i gasfasen. Desuden kan denne opsætning bruges til at studere realistiske vandinfiltrationshastigheder med tør-våde sekvenser, da disse tidsmæssige dynamikker stærkt kan påvirke forvitring41. Brugen af denne opsætning er ikke begrænset til eksperimenter, der udelukkende fokuserer på silikatmineraler, men den kan implementeres i søjleeksperimenter, der bruger forskellige substrater. Desuden kan længden af eksperimenterne forkortes eller forlænges efter eksperimentelle behov, og antallet af kolonner kan ændres. Muligheden for at indsamle prøver fra både de faste forarbejdede materialer og perkolatet giver os mulighed for at udføre forskellige analyser for at fokusere på en af de to komponenter eller begge. For at præsentere viden er dette det eneste setup, der hidtil er bygget med et usædvanligt antal søjler, der sigter mod at bruge jordorganismer til at forbedre mineralforvitringen og samtidig kontrollere abiotiske forhold i et system udelukkende lavet af silikatmineraler og organiske materialer.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender Ton van der Zalm fra Tupola for udviklingen af vandingssystemet. Derudover takker vi Jaco Baars fra Tupola for de grin og den mentale støtte, der blev givet under opbygningen af dette setup. Vi takker Peter Garamszegi og Ángel Velasco Sánchez for at hjælpe med at vande søjlerne manuelt, når vandingssystemet ikke fungerede. Vi takker også Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg og Kangying Xie for hjælpen under prøveudtagningen. Vi takker Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen og Gerlinde Vink for hjælpen i laboratoriet, analyserne af prøverne og de frugtbare diskussioner. Endelig takker vi Jeroen Zonneveld fra Unifarm for levering og vedligeholdelse af klimakammeret. Denne opsætning blev bygget som en del af projektet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), Som er finansieret af EU’s Horizon 2020-rammeprogram for forskning og innovation under tilskudsaftale nr. 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. |