En mikrodialyseprofiler er beskrevet for å prøve oppløste porevannsoppløsninger over et oksisk-anoksisk jord-vanngrensesnitt in situ med minimal forstyrrelse. Denne enheten er designet for å fange opp raske endringer i konsentrasjon-dybdeprofiler indusert av forstyrrelser i jord-vann-grensesnittet og utover.
Biogeokjemiske prosesser skifter raskt i både romlige (millimeterskala) og tidsmessige (timeskala til dagskala) dimensjoner ved det oksisk-anoksiske grensesnittet som respons på forstyrrelser. Dekryptering av de raske biogeokjemiske endringene krever in situ, minimalt invasive verktøy med høy romlig og tidsmessig prøvetakingsoppløsning. Imidlertid er de tilgjengelige passive prøvetakingsenhetene ikke veldig nyttige i mange tilfeller, enten på grunn av deres engangs natur eller kompleksiteten og omfattende arbeidsbelastning for prøvepreparering.
For å løse dette problemet ble det etablert en mikrodialyseprofiler med 33 individuelle polyetersulfon nanomembranrør (semipermeable, <20 nm porestørrelse) integrert i det endimensjonale skjelettet (60 mm) for iterativt å prøve de oppløste forbindelsene i porevann over jord-vanngrensesnittet med en høy oppløsning på 1,8 mm (ytre diameter pluss en avstand, dvs. 0,1 mm mellom sonder). Prøvetakingsmekanismen er basert på prinsippet om konsentrasjonsgradientdiffusjon. Den automatiske lastingen av avgasset vann gir minimal forstyrrelse av de kjemiske artene over det oksisk-anoksiske grensesnittet.
Dette dokumentet beskriver prosedyrene for enhetsoppsett og kontinuerlig porevannsprøvetaking over jord-vann-grensesnittet på daglig basis. Konsentrasjonsdybdeprofiler ble selektivt målt før (på dag 6) og etter (på dag 7) forstyrrelser indusert av irrigasjon. Resultatene viste at konsentrasjonsdybdeprofilene gjennomgikk raske endringer, spesielt for redoksfølsomme elementer (dvs. jern og arsen). Disse protokollene kan bidra til å undersøke de biogeokjemiske responsene over jord-vann-grensesnittet under ulike forstyrrelser forårsaket av fysiske, kjemiske og biologiske faktorer. Papiret diskuterer grundig fordelene og ulempene ved denne metoden for potensiell bruk i miljøvitenskapen.
Et oksisk-anoksisk grensesnitt er et generelt trekk i biosfæren som er avgjørende for den biogeokjemiske syklusen1. Dette grensesnittet er svært heterogent, med det romlige området som strekker seg fra millimeter i sediment/jord-vann-grensesnittet 1,2 til tusenvis av meter i den oseanoksiske sonen 3,4. Dette grensesnittet er et ideelt habitat for å studere kompleksiteten til elementær biogeokjemi.
Jord-vann-grensesnitt har en typisk oksisk-anoksisk gradientfunksjon i centimeter og etableres lett i mesokosmoseksperimenter. Med utgangspunkt i forbruket av molekylært oksygen fra overflatevann, driver de stratifiserte funksjonelle mikrobielle samfunnene utviklingen av forskjellige gradienter, for eksempelO2, pH og Eh-gradienter, på millimeterskala1. Biogeokjemisk syklus ved oksisk-anoksisk grensesnitt er følsom for ulike forstyrrelser i naturen 5,6. Når det gjelder sedimenter og rismarker, kan tilførsel av ferskt organisk materiale som søppel og halm, periodisk flom og drenering, temperatursvingninger og ekstremer og bioturbasjon forårsake endringer i den biogeokjemiske syklusen ved det oksisk-anoksiske grensesnittet, noe som sannsynligvis resulterer i varige virkninger, for eksempel klimagassutslipp, eutrofiering og forurensning på et gitt sted. Derfor gir den oksisk-anoksiske gradienten ved jord-vanngrensesnittet et vindu for studiet av globale, store, biogeokjemiske sykluser. Den spatiotemporale prøvetaking og analyse av oppløste stoffer langs jord-vann-grensesnittet i høy oppløsning har alltid vært av interesse; Det har imidlertid vært begrenset fremgang i metodikken.
Ved å omgå ulempene ved destruktiv porevannsekstraksjon, brukes ikke-destruktiv passiv prøvetaking i økende grad for å unngå endringer i porevannskjemi og adressere kompleksiteten i prøvepreparering7. Flere enheter som kan utføre høy presisjon, in situ prøvetaking (fra mikrometer til centimeter skala) har blitt mye brukt, inkludert in situ dialyse samplere (kjent som peepers)8, diffusiv likevekt i tynne filmer (DET) 9, og diffusiv gradient i tynne filmer (DGT) 10. Oppløste stoffer blir passivt samplet via diffusjons- og adsorpsjonsprosessene. Selv om de har vist seg nyttige for å beskrive oksisk-anoksiske kjemiske profiler, er de fortsatt engangsbruk, noe som begrenser deres bredere anvendelse.
Nylig har mikrodialyseteknikken dukket opp som et følsomt verktøy som kan brukes til å overvåke løselig forbindelsesdynamikk i jord på tidsskalaer fra minutter til dag11,12,13,14. For et typisk scenario ved bruk av mikrodialyse i medisinsk og miljøvitenskap, brukes en miniatyr, konsentrisk type sonde bestående av en semipermeabel rørformet membran (dvs. en mikrodialyser) for å undersøke interstitiell væske eller jordløsninger for å forhindre betydelige forstyrrelser på, metabolske prosesser og kjemisk spesiering15,16. En av de største iboende fordelene ved mikrodialyse er in situ fangst av tidsavhengige konsentrasjonsendringer i jord eller biologisk vev15,16.
Basert på mikrodialysekonseptet utviklet vi en mer brukervennlig mikrodialyseprofiler, tidligere kalt integrated porewater injection (IPI) profilerer, som kan utføre kontinuerlig likevektsdialyse av porevannsoppløsninger basert på prinsippet om konsentrasjonsgradientdiffusjon2. Mikrodialyseenheten bruker hule nanomembranrør for aktiv forhåndsbelastning av perfusatet og passiv diffusjon av oppløste løsemidler, noe som er forskjellig fra bulk porevannsdiffusjon som brukes i peepers, trykkfiltre som Rhizon sampler og akkumuleringsbasert DGT. Enheten er testet og validert i tidsmessig og romlig prøvetaking av både kationiske og anioniske elementer i både høyland og oversvømmet jord (figur 1A-1) 13,15,16. Enkel pump inn og ut mikrodialyse minimerer antall trinn i prøvepreparering 2,15.
Vi fremstilte en mikrodialyseprofiler ved å integrere et sett med prøvetakere på et endimensjonalt støtteskjelett, og denne profileren oppnådde høyoppløselig prøvetaking ved jord-vann-grensesnittet og rhizosfæren 2,15,17. I denne studien ble det gjort betydelige modifikasjoner av prøvetakingsenheten og prøvetakingsmetoden for å tillate innsamling av 33 porevannsprøver ved jord-vann-grensesnittet (60 mm vertikal dybde) med minimal forstyrrelse for nedstrøms elementanalyse. Hele prøvetakingsprosedyren tar ~15 min. Siden mikrodialyseprofilen er ny for miljøvitenskapen, presenterer vi detaljer om enhetens komponenter og prøvetakingsprosedyrer for å indikere potensialet for mikrodialyse ved overvåking av endringene i kjemiske signaler ved jord-vann-grensesnittet.
Beskrivelse av mikrodialyseprofileren
Mikrodialyseprofileringsapparatet, med riktige modifikasjoner av forrige design2, er vist i figur 1. Den effektive porestørrelsen til nanomembranen (figur 1C-1) anslås å være bare flere nanometer for å forhindre diffusjon av store molekyler og mikrobielle celler. En tidligere test antydet at en 6 måneders oversvømmet inkubasjon ikke resulterte i noen jernavleiringer på verken innsiden eller utsiden av røroverflaten15. Et buet, hult skjelett ble designet (figur 1C-2) og 3D-trykt ved hjelp av et stabilt nylonmateriale. Totalt 33 nanomembranrør (polyetersulfon; overflateporestørrelse: 0-20 nm; indre diameter x ytre diameter x effektiv prøvetakingslengde: 1,0 mm x 1,7 mm x 54 mm; teoretisk volum: 42,4 μL) forbundet med matchede polytetrafluoretylenrør (PTFE) (lengde: 18 cm x 2 cm diameter figur 1C-1) ble installert på skjelettet og på den ene siden av en PVC-beholder (figur 1B). For denne enheten er prøvetakingskomponenten (figur 1B-1) 2 cm fra sideveggen til PVC-beholderen. For injeksjonssiden (figur 1B-4) var alle rør koblet til en en-til-mange-kontakt, som ble festet i en bufferbeholder på en lufttett måte (figur 1B-7). En medisinsk infusjonspose (figur 1B-11) ble brukt til å koble til bufringsbeholderen med en treveisventil. Systemets lufttetthet ble nøye undersøkt i vann før videre eksperimentelle operasjoner. Det forhåndslastede vannet (18,2 MΩ, 500 ml) i den medisinske infusjonsposen er alltid oksygenfritt (figur 1C-8). Detaljert enhetsoppsett og porevannsprøvetaking er beskrevet som følger.
Basert på tidligere eksperimenter og praksis2, krever noen hensyn spesiell oppmerksomhet under mikrodialyseprofilering og porevannsprøvetaking. Først bør nanomembranrøret og tilkoblingsrøret kobles nøye til for å unngå blokkeringer eller lekkasjer ved tilkoblingen. Siden jordsmonnet inkuberes under oversvømmede forhold, vil innføringen av oksygen raskt oksidere og utfelle jern i dialyseslangen (figur 4). Av denne grunn, før montering av mikrodialyseprofileren, må hvert mikrodialyserør kontrolleres for integritet (ingen skade), lufttettheten til tilkoblingene og slangens patency. På samme måte må tilkoblingen av støtterammen til inkubasjonsbeholderens sidevegg gjøres nøye for å unngå lekkasje. Før formelle eksperimenter er lekkasjekontroll på de forskjellige tilkoblingsstedene alltid en prioritet. For det andre må perfusatet i den anaerobe posen være tilstrekkelig deoksygenert. Ellers vil jern i porevann reagere med oksygenet i perfusatet og danne uløselige utfellinger (figur 4). Dette vil alvorlig endre løsemiddelspesieringen og konsentrasjonen og diffusjonsprosessene mot nanomembranrørene. For det tredje vil en lav samplingsfrekvens (dager og uker) føre til at løsemiddelet diffunderer inn i bufferområdet. Dette kan forurense hele profilprøven. For å løse dette problemet kan tre mulige løsninger vurderes: (1) prøvetaking med høy frekvens, for eksempel en gang daglig (dette kan imidlertid føre til løsemiddeluttømming nær dialyseprøvetakeren når flere prøvetakinger utføres); (2) forlenge lengden på tilkoblingsrøret i injeksjonsområdet etter behov; (3) redesigne prøvetakingsrørledningen for å oppnå enkelt kontroll av en enkelt rørledning. Dette er også retninger for forbedring av enheten i fremtiden. For det fjerde, under prøvetakingsprosessen, må det sikres at nivået på vannoverflaten i den anaerobe posen, den oversvømmede jorda og prøvetakingsrøret er omtrent i samme høyde for å balansere vanntrykket. Ellers vil en vannpotensialforskjell i og utenfor membranrøret resultere i en reduksjon eller økning i løsemiddeldiffusjon.
Begrensninger
For det første, siden mikrodialyseprofileren ikke er kommersielt tilgjengelig, forblir metoden tidkrevende når det gjelder fremstilling av enheten. Det tok dager å forberede et enkelt dialyserør, inkludert utskrift av støtteskjelettet, enhetsmontering og rengjøring. Men de påfølgende gjenbrukbare funksjonene bygger fullstendig bro over dette gapet. For det andre er det visse begrensninger i å bruke enheten på ikke-oversvømmede jordscenarier, som peepers kan brukes til18. På grunn av den betydelige vannpotensialforskjellen mellom innsiden og utsiden av membranrøret i tørr jord, opplever den forhåndslastede løsningen diffusjonstap; Faktisk ble ulike prøvetakingsvolumgjenopprettinger i området 10% -36% observert i den foreløpige testen (detaljerte data ikke vist), noe som skaper usikkerhet om resultatene.
Sammenligning av metoden med eksisterende eller alternative metoder
Metoden adresserer delvis det faktum at de eksisterende passive prøvetakerne ikke kan prøve gjentatte ganger og minimerer arbeidsbelastningen ved prøvepreparering, spesielt for anoksisk porevannsprøvetaking og konservering2. De umiddelbare endringene i konsentrasjon og spesiering av dialyserte oppløsninger kan sensitivt reflektere responsen til det oksisk-anoksiske grensesnittet til eventuelle miljøforstyrrelser. Teoretisk sett tillater prøvetaking med en frekvens på minutter, timer eller dager fangst av de raskt skiftende prosessene ved grensesnittet. For passive prøvetakere som må være i distribusjon i flere dager, kan noen varme øyeblikk og hotspots bli savnet 6,19.
Betydning og potensielle anvendelser i miljøvitenskap
Denne tilnærmingen kan fremme biogeokjemiske studier ved oksisk-anoksiske grensesnitt, for eksempel for å finne varme øyeblikk og hotspots av biogeokjemiske prosesser under spesifikke Eh-pH-forhold. Redoksprosessen er den grunnleggende prosessen med livsaktiviteter1. Spesielt mikroorganismer krever optimale levekår og er svært følsomme for miljøforstyrrelser1. Dette resulterer i en svært dynamisk utvikling av mikrobielle samfunn og biogeokjemiske prosesser i heterogene miljøer20. Direkte prøvetaking, uten å vurdere den høye heterogeniteten, har en tendens til å oppnå en blandet prøve fra forskjellige miljøforhold. Dette fører til misforhold mellom den målte kjemiske informasjonen og nøkkelmikroorganismer20. Innenfor noen få centimeter av overflatelaget av jord eller sediment i et typisk oversvømmet rismark, er det bratte redoksgradienter, samt forskjellige fysiske, kjemiske21 og biologiske gradienter1. Teknologien må kunne fange opp biogeokjemiske signaler i millimeterskala; Ellers kan data som ikke samsvarer med den faktiske skalaen, føre til tvetydige konklusjoner. Mikrodialyseprofileren er i stand til å overvåke biokjemiske signaler i millimeterskala ved jord-vann-grensesnittet i dager eller timer med minimal forstyrrelse. I denne studien ble den spatiotemporale dynamikken til forskjellige elementer over en 48 timers periode observert, muligens relatert til forstyrrelsen av vannpåfylling. Derfor kan en bredere anvendelse av mikrodialyseprofileren bidra til å forstå hvordan forstyrrelser påvirker viktige biogeokjemiske prosesser i en verden i endring.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet er finansiert av 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 |