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 tabeller er ikke ny, og deres anvendelse er blitt rapportert i litteraturen i løpet av flere tiår 1-6. Tidlige tabeller ble utviklet angivelig for laboratorie frøspiring testing ofte på papirsubstrat over et bredt område av temperaturer i et enkelt eksperiment (figur 1). Det finnes forskjellige utforminger av thermogradient bord, men en av de mest vanlige består av en forholdsvis tykk rektangulær metallplate, ofte aluminium for dets korrosjonsmotstand, med en løkke av firkantet rør sveises til bunnen i motsatte ender. Plastrør koble tabell inn- og utløpsrørene til temperaturstyrt, sirkulerende bad som pumper den avkjølt og oppvarmet væske gjennom rørene på motsatte ender under bordet. Røret leder fluid, vanligvis en vann frostvæske (etylenglykol) blanding, for å forhindre frysing dersom systemet skal opereres nær eller temperaturer under frysepunktet. Et annet motiv er å sveise strimler av metall sammen skape en grobunnspiste et fluidreservoar i hver ende av bordet med innløp og utløp for sirkulering av varme og kalde løsninger på hver ende. De sirkulerende bad kan være plassert på gulvet under bordet eller på en separat sidestilt bord. Elektriske thermogradient tabeller med varmebatterier og / eller Peltier kjølemoduler har blitt bygget, men høye kostnader, utfordringer generere konsekvent lave temperaturer, og pålitelighet har forhindret omfattende kommersiell bruk 8.
De sirkulerende væske utførelser passivt å skape en en-dimensjonal gradient via varmeledning. Hvis aluminiumsplaten er av ensartet form og tykkelse og godt isolert, strømmer varme jevnt fra den varme til den kalde enden av et bord å etablere en sammenhengende endimensjonal temperaturgradient, som følge av termodynamikkens andre lov 7. Gradienten over overflaten er en funksjon av tabellen lengde og forskjellene mellom ende temperaturer. Tabellen og plumbing er vanligvis plassert i en isolert boks med lokk for tilgang. Kapslingen isolerer bordet fra omgivelsene, noe som skaper et ensartet gradient over overflaten med liten temperaturvariasjon. Den isolerte kabinett kan støttes av ben eller plasseres på et flatt underlag som et bord eller benk. For anvendelser hvor uniform temperaturkontroll er nødvendig uten en gradient, kan en tabell settes opp til å produsere isotermiske betingelser hvis begge ender sirkulere væske ved samme temperatur.
Når gradient bordet fungerer som den skal, petriskåler, forseglet plastpose, flatbunnet containere, etc., er plassert på overflaten og termo-likevekt til de forskjellige temperaturer (figur 1). Den eksperimentelle Temperaturen i hver beholder er avhengig av luftrommene som kan eksistere mellom beholderen og bordflaten og tykkelse og isolerende egenskaper av hver beholder. Stigningen tabellen opprettholder effektivt prøve temperatures nær overflaten, men tap av kontroll over overflaten. Mangelen på vertikale temperaturstyring begrenser typer eksperimenter mulig på en tradisjonell gradient tabell.
Aluminiumbånd eller kneplater ble tilsatt til den tradisjonelle gradient tabell utforming for å forbedre temperaturkontroll over bordflaten. Gussets ble sveiset med mellomrom vinkelrett på bordflaten. Innfellingene lette konvektiv varmestrøm vertikalt over den flate bordflate. Prøvene er lagt mellom bogsplitt, har temperaturregulerte flater på tre sider som gir mer effektiv temperaturkontroll. Clegg og Eastin 2 plassert kvartssand på en gradient tabellen overflaten for å skape temperaturkontroll i dybden. Clegg og Eastin 2 også eksperimentert med å plassere isolasjon på toppen av tabellen. Webb et al. 9 er lagt rør fylt med jord på et bord i et forsøk på å uniformt kontroll temperatur.
Den nye TAold utforming rapportert her har ni 7,6 cm (3 tommer) høye innfellingene (aluminium strimler) som er sveiset til overflaten over lengden av bordet (figur 2). LED lysarmaturer emitting photosynthetically aktive frekvenser er installert på sidene av bordet for å støtte frøplante vekst når bordet er lukket. Den isolerte kabinett for folde thermogradient tabellen er laget av en hvit PVC-plater som er vann, varp, og crack motstandsdyktig. Hensikten med denne artikkelen er å beskrive den nye folde gradient tabellen design og mulige bruksområder.
Thermogradient tabeller har blitt brukt i mange år for å gjennomføre hovedsakelig frøspiring eksperimenter i grunne beholdere over et område av temperaturer samtidig. Imidlertid er de eksperimentelle temperaturene begrenset til bordflaten, slik at dybden av temperaturkontroll er begrenset. Seed testing protokoller utført på tradisjonelle gradient tabeller slutte med radicle veksten på papir substrat i petriskåler eller andre flate beholdere og ikke realistisk teste frøplante veksten og vekst som naturlig ville skje i jord. I dag seedet selskaper ønsker ofte å vurdere frø vigør (evnen til å spire under mindre enn optimale forhold) ved hjelp av simulerte feltforhold som dyrkere vil sannsynligvis oppstå etter planting. Soil testing avslører også frø til sopp- og bakteriesykdommer presset ikke vanlig i standardiserte laboratorie spiring tester på soilless medier. Når jorda er plassert på en flat non-foldebord, store variasjoner av 5 ºC eller mer vire ikke uvanlig mellom posisjoner i jordsmonnet og bordoverflater (upubliserte resultater).
En en-dimensjonal tabell gradient med sidefalser ble utviklet for å forbedre vertikal temperaturkontroll, slik at jord kan brukes i spire tester og andre eksperimenter hvor nøyaktig styring av jordtemperaturen er kritisk. De kiler begrense jord eller syntetiske dyrkingsmedier og kontroll temperatur i dybden. Innfellingene er aluminium, det samme materiale som bordplaten, og når sveiset vinkelrett på overflaten de gir temperaturregulering av rommet mellom ved ledende varmeoverføring. Innfellingene kan være orientert i lengderetningen ned på bordet eller i bredderetningen på tvers av bordet. Begge utførelser oppnå samme resultater, men i bredden kilen orientering er praktisk fordi avstanden mellom vinkelplatene kan tjene som en enkelt eksperimentell temperatur når gradienten er riktig justert. Horisontal orientering gjør det mulig for eksperimentelle enheter (frø i dette eksempel) til å bli adskilt enkrysse bordet i en linje ved siden av hverandre. Gusset avstanden bare kan varieres under produksjon fordi gussets er sveiset på plass slik at alternativ plassering kan ikke testes når bordet byggingen er ferdig. En kile avstand på 10,9 cm ble valgt for å få plass til grunne beholdere som ofte brukes for frø testing i tillegg til jord. Nærmere kilen avstanden kan tilveiebringe bedre temperaturkontroll, men vil begrense typer beholdere som kan brukes på bordet.
Temperaturen og fuktigheten av dyrkingsmedier i thermogradient tabellen må overvåkes kontinuerlig for å oppnå de ønskede forsøksbetingelser. Før planting, bør de sirkulerende bad settes litt under det ønskede minimum og litt over maksimumstemperaturer enn justert inntil prøvene har nådd de ønskede eksperimentelle temperaturer. Omtrent 24 timer bør være tillatt for prøvene til termisk likevekt med gradient tabellen. Fuktighetsinnholdet i the dyrkingsmedier bør være tilstrekkelig (70-80% av feltet kapasitet) for frø spiring eller andre biologiske prosesser for å fortsette. Tabellen isolasjon og to lokk redusere temperatursvingninger og vann fordampning når det er på plass.
Resultatene i tabell 1 sammenligner frøplante vekst av 4 arter ved forskjellige temperaturer. Veksten av melon og tomat frø begynte ved 15 ° C og spirer godt ved 40 ° C forklarer hvorfor de er karakterisert som varme-sesongen avlinger 10. I motsetning til dette, salat spirer best ved lave temperaturer. Oat frø spirer over et bredere spekter av temperaturer enn de andre artene (tabell 1). Selv om lignende resultater kunne oppnås ved anvendelse av en serie av vekstkamrene i en serie av eksperimenter koordinerte, gjør det mulig for kilen utforming både spiring og vekst frøplante som skal sammenlignes over et område av jordtemperaturer samtidig. Ulike felt jord eller vekstmedia kan være substituert for å simulere et område av feltforhold. Mikrobielle eller kjemiske behandlinger, gjødsel regimer, tørkestress, og variasjoner i lys miljø kan pålegges over temperaturer på gradient bordet.
De små loggere registrerte temperaturen ved forskjellige posisjoner på bordet. Temperaturdata viste, forholdsvis jevne temperaturer i midten av bordet med større variasjon, særlig ved den varme ende. Posisjonering loggere i kontakt med bordflaten og utsettes for luft på jordoverflaten sannsynlig aksentuert ytterpunktene. Temperaturer måles til midtstilling var nok mer en indikasjon på bulk grunnforhold. For eksempel vil et frø plantes i jorden på graderingen bordet mellom vinkelplatene for å simulere felt planting bare utsettes for bulk jordtemperatur og ikke luft eller bordoverflaten temperatur. Fuktighetsinnholdet og tekstur av jord spiller en rolle i å bestemme bord temperaturer. Hvis the jorda er tørr, luftrommene motstå temperaturendring, og ikke effektivt lede varme fra bogsplitt. Fuktig jord har få luft mellomrom og mer flytende vann å effektivt lede varme gjennom jordprofilet. I dette forsøket ble jord holdt ved 70 til 80% av sin maksimale vannholdekapasitet, men høyere vanninnhold kan ha redusert jordtemperaturvariasjoner. Sand har som færre store porerommene enn jord med høyt innhold av organisk materiale, og dermed ville være forventet å gi mer ensartede temperaturer.
Det var større variasjon i jordtemperatur på den varme enden av bordet i forhold til den kalde ende. En mulig forklaring ligger i fordelingen av fuktighet over bordet. Fuktighet har en tendens til å bli holdt tilbake i den kalde enden, mens den varme ende har en tendens til å tørke ut på grunn av større fordampningstap. Siden vann bidrar til å lede varme, er det viktig at fuktighetsinnholdet i tabellen være så jevn som mulig. Webb et al. 9 brukes blotter papir å gjennomføre vann over et thermogradient bord via kapillærkraft, mens avisen jobbet også som et rimeligere alternativ i folde thermogradient tabellen. Selv om gussets ble foret med hydrofil papir for å legge fuktighet distribusjon, holde både kul og varm endene jevnt våt er utfordrende.
Hurtig fordampning ved høye temperaturer forekommer på alle gradient borddesign. Kondensering er ofte et problem når container-forsøk utføres på en gradient bord ved temperaturer langt over omgivelsestemperaturen, fordi bunnen av beholderen er varmere enn den øverste forårsaker vann for å samle seg på innersiden av kjøleren lokket. I jord forsøk med foldebord, vann fordampes fra de øvre jordlag i luften ovenfor i foldebord. Hvis jorden er meget fuktig, kan fordampningstap ved den varme ende av bordet kondenserer på den kjøligere indre-akryl lokk. Hviler tettsittende stykker av akryl eller polystyren isolasjon direktely på toppen av innfellingene reduserer damputveksling med luftrommet over bordet holde jorda mer jevnt fuktig og temperaturen konstant (data ikke vist). Når bordet var dekket med isopor isolasjon, temperaturvariasjoner var bare 1-2 ° C gjennom jordprofilet på ekstreme temperaturer (data ikke vist). Imidlertid forhindrer polystyren isolasjon frøplanter fra voksende og må fjernes etter den første time av inkubasjon i vekstanalyser. En annen løsning for å hindre hurtig tørking av varme jord er for fortrinnsvis å legge til mer vann til den varme ende for å kompensere for fordampningstap. Hånd vanning er problematisk fordi lokkene må fjernes og søknadsvolumet er mindre presise. Mikro-vanning emittere kan utformes på en gradient bord og kan justeres for fortrinnsvis å anvende mer vann til den varme enden.
Thermogradient bord har den funksjonalitet og potensiale til å tjene som alternative vekstkamrene. when begge badene er det samme, bordet equilibrates å enkelt eksperimentell temperatur for applikasjoner der en gradient ikke er nødvendig. Dag og natt lys og temperatursvingninger kan også bli simulert ved hjelp av programmerbare sirkulerende bad og LED vokse lysene. Fylle innsiden av lokkene med LED vokse lysene kan øke belysning intensitet. LED vokse lysene innspill minimal varme inn i systemet, og ikke forstyrre gradient fordi lignende jordtemperaturer ble registrert med lysene på og av (data ikke vist). Tillegg av lys gjør at plantevekst og større miljøstyring.
Thermogradient bord har blitt brukt hovedsakelig av frø industrien for spiring studier i det siste, men mange andre programmer er mulig. Insect atferd har blitt studert på en gradient tabellen for å finne temperatur optima av visse atferd 11. Ice kan fryses på en gradient bordflate for testing fenomener på subfreezing temperatures (data ikke vist). Gassutveksling mellom jord og atmosfære, inkludert karbondioksydutviklingen, er mulig på en folde gradient bord ved varierende vanninnhold, jord-innganger, og temperaturer. Å studere effektene av bakterie- og soppvekst i forskjellige typer medier over et område av temperaturer er også mulig med dette eksperimentelle systemet.
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 |