Her presenterer vi konstruksjon og drift av et eksperimentelt oppsett for å forbedre mineralforvitring gjennom aktiviteten til jordorganismer samtidig som de manipulerer abiotiske variabler kjent for å stimulere forvitring. Representative resultater fra oppsettets virkemåte og utvalgsanalyser diskuteres sammen med forbedringspunkter.
Forbedret forvitring (EW) er en fremvoksende teknologi for fjerning av karbondioksid (CO2) som kan bidra til å redusere klimaendringene. Denne teknologien er avhengig av å akselerere den naturlige prosessen med mineralforvitring i jord ved å manipulere de abiotiske variablene som styrer denne prosessen, spesielt mineralkornstørrelse og eksponering for syrer oppløst i vann. EW tar hovedsakelig sikte på å redusere atmosfæriske CO2 -konsentrasjoner ved å øke uorganisk karbonbinding. Hittil har kunnskap om EW hovedsakelig blitt oppnådd gjennom eksperimenter som fokuserte på de abiotiske variablene som er kjent for å stimulere mineralforvitring, og dermed forsømme den potensielle påvirkning av biotiske komponenter. Mens bakterier, sopp og regnormer er kjent for å øke mineralforvitringshastigheten, er bruken av jordorganismer i sammenheng med EW fortsatt underutforsket.
Denne protokollen beskriver design og konstruksjon av et eksperimentelt oppsett utviklet for å forbedre mineralforvitringshastigheter gjennom jordorganismer samtidig som abiotiske forhold kontrolleres. Oppsettet er designet for å maksimere forvitringshastighetene samtidig som jordorganismenes aktivitet opprettholdes. Den består av et stort antall søyler fylt med steinpulver og organisk materiale, plassert i et klimakammer og med vann påført via et nedløpsvanningsanlegg. Kolonner er plassert over et kjøleskap som inneholder jerrykanner for å samle sigevannet. Representative resultater viser at dette oppsettet er egnet til å sikre aktiviteten til jordorganismer og kvantifisere deres effekt på uorganisk karbonbinding. Det er fortsatt utfordringer med å minimere sigevannstap, sikre homogen ventilasjon gjennom klimakammeret og unngå oversvømmelse av søylene. Med dette oppsettet foreslås en innovativ og lovende tilnærming for å forbedre mineralforvitringshastighetene gjennom aktiviteten til jordbiota og disentangle effekten av biotiske og abiotiske faktorer som drivere av EW.
Forbedret forvitring (EW) er en relativt ny og lavteknologisk teknologi for fjerning av karbondioksid (CDR) med et betydelig potensial for å redusere klimaendringene 1,2,3. Prinsippet for denne teknologien er avhengig av å akselerere den naturlige mineralforvitringsprosessen i jord, noe som fører til sekvestrering av karbondioksid (CO2) som uorganisk karbon (IC) 3. Forbedret forvitring tar sikte på å øke IC-sekvestrering ved kunstig å optimalisere faktorene som styrer mineralforvitring, og dermed øke hastigheten gjennom hvilken forvitring skjer til menneskelig relevante tidsskalaer3. For at EW skal være mest effektive, blir hurtigforvitrende silikatmineraler malt til et pulver med en kornstørrelsesfordeling i mikrometer til millimeterområdet for å nå et høyt reaktivt overflateareal i ~ 1 m2 · g-1-området 3,4.
Så langt har kunnskapen om EW hovedsakelig blitt gitt av eksperimenter som fokuserer på abiotiske faktorer som styrer hastigheten som mineraler oppløses5. Disse inkluderer mineralreaktivitet og overflateareal, temperatur, løsningssammensetning, vannoppholdstid og surhet 4,6,7, men forskning må fortsatt gjøres i denne sammenhengen. Foruten å bli påvirket av abiotiske faktorer, er naturlige systemer, og jord spesielt, formet av et stort antall organismer, alt fra mikrober til makrofauna som regnormer. Til tross for at noen studier har vist liten eller ingen påvirkning av den biotiske aktiviteten til mineraloppløsning 8,9,10, har andre studier gitt bevis for at jordorganismer som bakterier 11,12, sopp 13,14 og15,16 kan øke mineralforvitringshastigheten. Derfor kan biotiske komponenter være nøkkelen til å forstå det faktiske IC-sekvestrasjonspotensialet til EW5.
Den første vanlige mekanismen der jordorganismer kan akselerere mineraloppløsning er via CO2 -utslipp under respirasjon, noe som øker jordforsuring17. Dessuten kan bakterier og sopp øke mineralforvitring ved å utstråle protoner, chelater, organiske syrer og enzymer, som alle forbedrer mineraloppløsningen 18,19,20,21. For eksempel kan kelering gjennom karboksyl- og hydroksylgrupper skape ionubalanser, transportere elementer bort fra mineraloverflatene og senke metningstilstandene20,22. Dette kan føre til mindre sekundær mineraldannelse og høyere effektivitet av EW. Videre, ved å mate på jordpartikler, kan de sterke handlingene til kroppsvegger bryte ned mineralkorn til finere partikler, og øke deres tilgjengelige reaktive overflateareal23. Mikrober som bor i tarmer og friske avføring kan ytterligere angripe disse mindre partiklene, som ytterligere ekssuderer organiske syrer og enzymer24,25. Gjennom sin gravende aktivitet, i tillegg til å bidra til blanding av organiske og mineralske partikler, skaper også makroporer som kan tillate vannstrømmen å omgå mettet porerom17. Dette kan gjøre det mulig for vannet å samhandle med forskjellige mineraloverflater og øke kontakthastigheten mellom vann og bergarter.
Hittil har det ikke blitt bygget noe oppsett for å studere EW-hastigheter og derfor IC-sekvestrering ved bruk av jordorganismer, samtidig som man sikrer muligheten til å optimalisere forskjellige relevante abiotiske forhold, for eksempel vanninnganger, temperatur, mineraltype og mineralkornstørrelse. Her presenteres design og forklaring av konstruksjonstrinnene til et innovativt oppsett som tar sikte på å øke EW-hastighetene gjennom aktiviteten til jordorganismer i små mesokosmer. Det eksperimentelle oppsettet består av 203 søyler (lengde 15 cm, diameter 7 cm) plassert i et klimakammer (4,54 m x 2,72 m) ved 25 °C i 8 uker. De 203 søylene er delt inn i 10 grupper på 18 og 2 grupper på 10 for å passe inn i klimakammeret. En av de to gruppene på 10 kolonner brukes til å tillate innsetting av tre kolonner som brukes som emner. Hver gruppe er plassert over et kjøleskap og toppes av et fjernstyrbart vanningsanlegg, som muliggjør variable vanningshastigheter i og mellom kjøleskap. Sigevannet fra hver søyle samles i en jerrykanne som oppbevares ved konstant temperatur i kjøleskapet (figur 1). Ett kjøleskap samler sigevann fra en gruppe kolonner, noe som betyr at ett kjøleskap kan betraktes som et enkelt system med enten 18 eller 10 kolonner. Derfor kan antall kolonner i dette eksperimentelle oppsettet justeres i henhold til eksperimentelle krav med maksimalt 203 kolonner.
Figur 1: Skjematisk sidevisning av oppsettet som viser 5 kolonner, men vurderer et system med 18 kolonner. Rammen som holder kolonnene er laget av rustfrie stålplater, rustfrie stålskruer og akrylplater. Kolonnene er plassert midt på rammen og toppes av et vanningsanlegg. Under kolonnene er trakter koblet til jerrykanner gjennom rør for å samle sigevannet. Jerrycans er i et kjøleskap som holder hele systemet. Kjøleskapet kan åpnes ved å løfte lokket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
I dette oppsettet sikrer bruken av silikatbergpulver av spesifikke kornstørrelser at høye forvitringshastigheter kan nås, mens inokuleringen med spesifikt utvalgte bakterier, sopp og regnormer gir den biotiske aktiviteten i dette kunstige systemet. Oppsettet muliggjør samtidig kvantifisering av karbon som bindes i det faste stoffet og i væskeprøvene ved å måle både oppløst og fast IC, samt total alkalitet (TA). Dessuten kan andre parametere som pH, elektrisk ledningsevne (EC) og ioner måles i sigevannet som indikatorer på forvitring. Dette oppsettet gjør det også mulig å vurdere virkningen av jordorganismers overlevelse og aktivitet. Representative resultater er vist å bevise egnetheten til denne protokollen for å bygge et oppsett der økninger i forvitringshastigheter ikke bare kommer fra abiotiske faktorer, men også fra biotiske.
Innenfor den nåværende forskningskonteksten har dette oppsettet blitt unikt designet for å optimalisere uorganisk karbonbinding ved å øke mineralforvitring gjennom aktiviteten til jordbiota, samtidig som man manipulerer abiotiske faktorer kjent for å stimulere forvitring. Muligheten i dette oppsettet for å samle både det faste bearbeidede materialet og sigevannet muliggjør en full karakterisering av begge fraksjonene. Til tross for den enorme mengden kolonner, sikrer innsamlingen av prøvene og analysene som utføres en datainnsamling av høy kvalitet. Dessuten er det å ha et stort antall kombinasjoner i en enkelt eksperimentell kjøring svært viktig for å analysere de innsamlede dataene med moderne og avanserte statistiske metoder, for eksempel maskinlæring. Disse metodene kan brukes til å bestemme hovedvariablene som fører til høye forvitringshastigheter og ytterligere karbonbinding. Følgelig gir dette oppsettet muligheten til å forbedre forståelsen av effektene som jordorganismer kan ha på EW og IC-sekvestrering. Dette er grunnleggende for å etablere mer realistiske begrensninger på grensene for EW og dens effektivitet i å redusere atmosfæriske CO2 -konsentrasjoner. Dette oppsettet presenterer flere originaliteter sammenlignet med eksisterende studier som undersøker EW og effekten av jordorganismer.
Når det gjelder effekten av abiotiske faktorer på EW, har disse allerede blitt undersøkt i tidligere studier 4,29,30,31,32,33,34. Noen av disse studiene sammenlignet forskjellige mengder, typer og kornstørrelser av bergarter, men oppsettet deres besto enten av et potteeksperiment 32,33 eller inkluderte blanding av steinpulver med jord34. Andre eksperimenter fokuserte på en bergart med forskjellige vanningshastigheter, men hadde ikke mulighet til å vanne ofte med et automatisert system eller fokuserte på flere vanningshastigheter og frekvenser35. Andre studier presenterte et oppsett som ligner på det som presenteres i gjeldende protokoll, med mulighet for å justere vanningshastigheter og opprettholde temperaturkonstant, i tillegg til varierende bergkornstørrelser og typer29,30. Videre var utformingen av disse oppsettene sammenlignbar med den som ble foreslått i dette manuskriptet og designet for å samle sigevannet for videre analyser29,30. I tillegg var CO2 -konsentrasjonene varierte i disse studiene som en annen faktor som øker forvitringen29. Imidlertid har ingen av disse tidligere studiene fokusert på effekten av biotiske faktorer på å fremme EW. I dette oppsettet er målet å forbedre forvitringsprosessen, og videre IC-sekvestrering, ved å inokulere spesifikke bakterier, sopp og og bestemme i hvilken grad de kan akselerere EW.
I forhold til effekten av biotiske faktorer på EW, har få studier ikke spesifikt fokusert på EW, men har undersøkt om jordorganismer kan påvirke mineralforvitring. Disse studiene har hovedsakelig undersøkt hvordan forvitring påvirkes av jordorganismer ved hjelp av kulturmedier 19,21, petriskåler 36, nylonposer nedgravd i jord14, eller små mengder steinpulver blandet med andre substrater36,37. Bruk av slike små systemer eller oppsett gjør det utfordrende å skille effekten av organismer fra andre variabler. Noen eksperimenter brukte et lignende oppsett som det her foreslåtte, men i mindre skala, med steinpulverfylte kolonner inokulert med jordorganismer38,39,40. Imidlertid vokste disse forsøkene enten samtidig planter og fokuserte ikke på den eksklusive effekten av spesifikke jordorganismer13,35, eller samlet ikke sigevannet 36. Dessuten har de fleste studiene som viste at bakterier, sopp og øker mineralforvitringen, fokusert på effekten av disse organismene på næringsfrigjøring som en indikasjon på forvitring i stedet for IC-sekvestrasjon 11,13,14,19,36,37,38 . Fremfor alt var ingen av disse tidligere studiene rettet mot å fremme EW eller presenterte muligheten for å justere og opprettholde abiotiske faktorer gjennom hele eksperimentelle perioden. I dette oppsettet, i stedet for å holde alle abiotiske faktorer konstante, testes en rekke kombinasjoner for fire abiotiske faktorer, for eksempel vanningshastigheter og frekvenser, bergpulvertype og kornstørrelse, med sikte på å fremme EW gjennom jordorganismers aktivitet.
Dessuten har ingen av de tidligere studiene som har fokusert på effekten av enten abiotiske eller biotiske faktorer på EW presentert muligheten for å ha et ekstremt stort antall kolonner og variabler innen en eksperimentell kjøring. I dette oppsettet er det mulig å teste flere forskjellige kombinasjoner av forskjellige variabler under en kjøring av eksperimenter på grunn av det imponerende antallet kolonner som oppsettet er designet for, samtidig som det gir resultater av høy kvalitet. Gitt nyheten i oppsettet, presenteres noen mulige forbedringer og gjenværende utfordringer som kan vurderes mens du designer fremtidige lignende oppsett.
Homogene luftforhold i inkubasjonskammeret bør sikres. Plasseringen av oppsettet i et klimakammer sørget for konstant temperatur og relativ fuktighet. Ventilasjonsbegrensninger (f.eks. luftstrøm) kan ha skapt romlig variasjon i atmosfæriske forhold og dermed ført til disproporsjonal fordampning fra søylene på bestemte steder, noe som er et vanlig fenomen i denne typen oppsett35. For å håndtere denne ulempen, når replikering og randomisering ikke er mulig, anbefales det å beregne en vannbalanse for kolonner plassert på forskjellige steder i hele kammeret.
Kolonnene skal være nøye justert med traktene når de er satt inn i akrylplaten for å unngå sigevannstap. I løpet av den eksperimentelle perioden som ble vurdert, oppstod sigevannstap fra bunnen av kolonnene på grunn av feil plassering av traktene eller på grunn av tilstopping av maskene. Sammen med fordampning kan dette delvis forklare hvorfor sigevannet som samlet seg var lavere enn forventet (figur 13). For å minimere disse tapene er det viktig å sørge for at traktene er optimalt plassert under kolonnene. Å bruke bredere trakter er også et levedyktig alternativ. I dette tilfellet bør det tas hensyn til hullets diameter under konstruksjonen av akrylplatene og avstanden mellom akrylplater.
Langsommere vannføring i jordsøyleforsøk der vann påføres ofte, er et tilbakevendende problem 7,30,40. I forsøkene som ble utført med det presenterte oppsettet, ble det i noen tilfeller brukt ganske høye vanningshastigheter og meget fine mineralkornstørrelser, som i utgangspunktet mangler en struktur som normalt observert i jord. Dette kan ha forårsaket at porene i maskene nederst i kolonnene som bare inneholder fine mineraler, tetter seg under forsøkene. Derfor strømmet ikke vann raskt nok gjennom søylene, noe som resulterte både i oversvømmelse av søylene, reduserte vanninfiltrasjon og sigevannsoppsamling, og i anoksiske forhold i kolonnene, noe som påvirket biogeokjemiske prosesser. For å redusere dette problemet er det viktig å alltid blande en viss prosentandel grovt med finere mineralkornstørrelser og unngå 100% veldig fine mineralkornstørrelsesblandinger. Et annet alternativ er å tillate er å la søylene oppleve et visst antall fukting / tørkesykluser for å initiere jordstrukturdannelse, og dermed forbedre vanninfiltrasjon. Dessuten, før starten av forsøket, ville det være nyttig å bestemme grunnleggende jordvannsdynamikk, som mettet og umettet strømnings- og vannretensjonskurve, i noen få mesokosmer for bedre å forstå gasstrømmen, mineralmetningstilstanden og drivere av organismers aktivitet.
Det presenterte eksperimentelle oppsettet er praktisk å bruke, presenterer en enkel installasjon og kan justeres i henhold til forskningsbehov. I sammenheng med mineralforvitring, med de nødvendige justeringene, kan den kobles til et gasskammer for ikke bare å karakterisere karbon i den faste og vandige fasen, men også å se på karbondynamikken i gassfasen. Dessuten kan dette oppsettet brukes til å studere realistiske vanninfiltrasjonshastigheter med tørr-våte sekvenser, da disse tidsdynamikkene sterkt kan påvirke forvitring41. Bruken av dette oppsettet er ikke begrenset til eksperimenter som utelukkende fokuserer på silikatmineraler, men det kan implementeres i kolonneeksperimenter som bruker forskjellige substrater. Dessuten kan lengden på forsøkene forkortes eller utvides i henhold til eksperimentelle behov, og antall kolonner kan endres. Muligheten for å samle prøver fra både det faste bearbeidede materialet og sigevannet gjør at vi kan utføre forskjellige analyser for å fokusere på en av de to komponentene eller begge. For å presentere kunnskap er dette det eneste oppsettet som er bygget så langt med et eksepsjonelt antall kolonner som tar sikte på å bruke jordorganismer for å forbedre mineralforvitring samtidig som de kontrollerer abiotiske forhold i et system laget av utelukkende silikatmineraler og organiske materialer.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Ton van der Zalm fra Tupola for utviklingen av vanningsanlegget. I tillegg takker vi Jaco Baars fra Tupola for latteren og den mentale støtten som ble gitt under byggingen av dette oppsettet. Vi takker Peter Garamszegi og Ángel Velasco Sánchez for å hjelpe til med å vanne søylene manuelt når vanningsanlegget ikke fungerte. Vi takker også Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg og Kangying Xie for hjelpen under prøvetakingen. Vi takker Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen og Gerlinde Vink for hjelpen i laboratoriet, analysene av prøvene og de fruktbare diskusjonene. Til slutt takker vi Jeroen Zonneveld fra Unifarm for tilrettelegging og vedlikehold av klimakammeret. Dette oppsettet ble bygget som en del av prosjektet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), som er finansiert av EUs rammeprogram Horizon 2020 for forskning og innovasjon under tilskuddsavtale No 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. |