Här presenterar vi konstruktionen och driften av en experimentell uppställning för att förbättra mineralvittring genom aktiviteten hos markorganismer samtidigt som man manipulerar abiotiska variabler som är kända för att stimulera vittring. Representativa resultat från hur uppställningen fungerar och stickprovsanalyser diskuteras tillsammans med förbättringspunkter.
Enhanced weathering (EW) är en ny teknik för att avlägsna koldioxid (CO2) som kan bidra till att begränsa klimatförändringarna. Denna teknik bygger på att påskynda den naturliga processen för mineralvittring i jordar genom att manipulera de abiotiska variablerna som styr denna process, i synnerhet mineralkornstorlek och exponering för syror lösta i vatten. EW syftar främst till att minskaCO2-koncentrationerna i atmosfären genom att öka bindningen av oorganiskt kol. Fram tills nu har kunskapen om EW främst erhållits genom experiment som fokuserat på de abiotiska variabler som är kända för att stimulera mineralvittring, och därigenom försummat det potentiella inflytandet av biotiska komponenter. Även om bakterier, svampar och daggmaskar är kända för att öka mineralvittringshastigheten, är användningen av markorganismer i samband med EW fortfarande underutforskad.
Detta protokoll beskriver utformningen och konstruktionen av en experimentell uppställning som utvecklats för att förbättra mineralvittringshastigheter genom markorganismer samtidigt som abiotiska förhållanden kontrolleras. Uppställningen är utformad för att maximera vittringshastigheten samtidigt som markorganismernas aktivitet bibehålls. Den består av ett stort antal kolonner fyllda med stenpulver och organiskt material, placerade i en klimatkammare och med vatten som appliceras via ett bevattningssystem med nedflöde. Pelare är placerade ovanför ett kylskåp som innehåller dunkar för att samla upp lakvattnet. Representativa resultat visar att denna uppställning är lämplig för att säkerställa markorganismers aktivitet och kvantifiera deras effekt på inbindning av oorganiskt kol. Utmaningar kvarstår när det gäller att minimera lakvattenförlusterna, säkerställa homogen ventilation genom klimatkammaren och undvika översvämning av kolonnerna. Med denna uppställning föreslås ett innovativt och lovande tillvägagångssätt för att förbättra mineralvittringshastigheten genom aktiviteten hos markbiota och särskilja effekten av biotiska och abiotiska faktorer som drivkrafter för EW.
Enhanced weathering (EW) är en relativt ny och lågteknologisk teknik för koldioxidavskiljning (CDR) med en betydande potential att mildra klimatförändringarna 1,2,3. Principen för denna teknik bygger på att påskynda den naturliga mineralvittringsprocessen i marken, vilket leder till bindning av koldioxid (CO2) som oorganiskt kol (IC)3. Förbättrad vittring syftar till att öka IC-bindningen genom att artificiellt optimera de faktorer som styr mineralvittring och därigenom öka hastigheten genom vilken vittring sker till mänskligt relevanta tidsskalor3. För att EW ska vara mest effektivt mals snabbvittrande silikatmineraler till ett pulver med en kornstorleksfördelning i mikrometer- till millimeterområdet för att nå en hög reaktiv ytai intervallet ~1 m2·g-1 3,4.
Hittills har kunskapen om EW främst tillhandahållits genom experiment som fokuserar på abiotiska faktorer som styr hur snabbt mineraler löses upp. Dessa inkluderar mineralreaktivitet och ytarea, temperatur, lösningssammansättning, vattnets uppehållstid och surhetsgrad 4,6,7, men forskning behöver fortfarande göras inom detta sammanhang. Förutom att påverkas av abiotiska faktorer formas naturliga system, och i synnerhet jordar, av ett stort antal organismer, allt från mikrober till makrofauna som daggmaskar. Trots att vissa studier har visat liten eller ingen påverkan av den biotiska aktiviteten av mineralupplösning 8,9,10, har andra studier gett bevis för att markorganismer som bakterier 11,12, svampar 13,14 och daggmaskar 15,16 kan öka mineralvittringshastigheten. Därför kan biotiska komponenter vara nyckeln till att förstå den faktiska IC-bindningspotentialen hos EW5.
Den första vanliga mekanismen genom vilken markorganismer kan påskynda mineralupplösning är via CO2 -frisättning under andning, vilket ökar markförsurningen17. Dessutom kan bakterier och svampar öka mineralvittringen genom att utsöndra protoner, kelater, organiska syror och enzymer, som alla förbättrar mineralupplösningen 18,19,20,21. Till exempel kan kelering genom karboxyl- och hydroxylgrupper skapa jonobalanser, transportera element bort från mineralernas ytor och sänka mättnadstillstånden20,22. Detta kan leda till mindre sekundär mineralbildning och högre effektivitet hos EW. Dessutom, genom att livnära sig på jordpartiklar, kan de starka åtgärderna från daggmaskarnas kroppsväggar bryta ner mineralkorn till finare partiklar, vilket ökar deras tillgängliga reaktiva yta23. Mikrober som bor i daggmaskars tarmar och färsk spillning kan ytterligare angripa dessa mindre partiklar, som ytterligare utsöndrar organiska syror och enzymer24,25. Genom sin grävande aktivitet, förutom att bidra till blandningen av organiska och mineraliska partiklar, skapar daggmaskar också makroporer som kan tillåta vattenflödet att kringgå mättat porutrymme17. Detta skulle kunna göra det möjligt för vattnet att interagera med olika mineralytor och öka kontakthastigheten mellan vatten och berg.
Fram tills nu har ingen uppställning byggts för att studera EW-hastigheter och därmed IC-bindning med hjälp av markorganismer samtidigt som man säkerställer möjligheten att optimera olika relevanta abiotiska förhållanden, såsom vattentillförsel, temperatur, mineraltyp och mineralkornstorlek. Här presenteras design och förklaring av konstruktionsstegen för en innovativ uppställning som syftar till att öka EW-frekvensen genom aktiviteten hos markorganismer i små mesokosmer. Experimentuppställningen består av 203 kolonner (längd 15 cm, diameter 7 cm) placerade i en klimatkammare (4,54 m x 2,72 m) vid 25 °C i 8 veckor. De 203 kolumnerna är indelade i 10 grupper om 18 och 2 grupper om 10 för att få plats i klimatkammaren. En av de två grupperna med 10 kolumner används för att tillåta infogning av ytterligare tre kolumner som används som blanksteg. Varje grupp är placerad ovanför ett kylskåp och toppas av ett fjärrstyrbart bevattningssystem, vilket möjliggör variabla bevattningshastigheter inom och mellan kylskåp. Lakvattnet från varje kolonn samlas upp i en dunk som förvaras vid en konstant temperatur i kylskåpet (figur 1). Ett kylskåp samlar upp lakvattnet från en grupp kolonner, vilket innebär att ett kylskåp kan betraktas som ett enda system med antingen 18 eller 10 kolonner. Därför kan antalet kolumner i denna experimentella uppställning justeras enligt försökskraven med maximalt 203 kolumner.
Figur 1: Schematisk sidovy av uppställningen som visar 5 kolumner men överväger ett system med 18 kolumner. Ramen som håller pelarna är gjord av rostfria stålplåtar, rostfria skruvar och akrylplattor. Pelarna är placerade i mitten av ramen och kröns av ett bevattningssystem. Under pelarna är trattar anslutna till dunkar genom rör för att samla upp lakvattnet. Dunkar står i ett kylskåp som rymmer hela systemet. Kylskåpet kan öppnas genom att lyfta på locket. Klicka här för att se en större version av denna figur.
I denna uppställning säkerställer användningen av silikatstenpulver av specifika kornstorlekar att höga vittringshastigheter kan uppnås, medan inokulering med specifikt utvalda bakterier, svampar och daggmaskar ger den biotiska aktiviteten i detta konstgjorda system. Uppställningen möjliggör samtidig kvantifiering av kol som binds i det fasta och i de flytande proverna genom att mäta både upplöst och fast IC, samt total alkalinitet (TA). Dessutom kan andra parametrar som pH, elektrisk ledningsförmåga (EC) och joner mätas i lakvattnet som indikatorer på vittring. Detta upplägg gör det också möjligt att bedöma effekterna av markorganismers överlevnad och aktivitet. Representativa resultat har visat sig bevisa lämpligheten av detta protokoll för att bygga en uppställning där ökningar i vittringshastigheter inte bara härrör från abiotiska faktorer utan också från biotiska.
Inom det aktuella forskningssammanhanget har denna uppställning utformats på ett unikt sätt för att optimera inbindningen av oorganiskt kol genom att förbättra mineralvittringen genom aktiviteten hos markbiota, samtidigt som man manipulerar abiotiska faktorer som är kända för att stimulera vittring. Möjligheten att samla in både det fasta bearbetade materialet och lakvattnet möjliggör en fullständig karakterisering av båda fraktionerna. Trots den enorma mängden kolonner säkerställer insamlingen av proverna och analyserna en datainsamling av hög kvalitet. Dessutom är det mycket viktigt att ha ett stort antal kombinationer i en enda experimentell körning för att analysera insamlade data med moderna och avancerade statistiska metoder, såsom maskininlärning. Dessa metoder kan användas för att bestämma de viktigaste variablerna som leder till höga vittringshastigheter och ytterligare kolbindning. Följaktligen ger detta upplägg möjlighet att förbättra förståelsen för de effekter som markorganismer kan ha på EW- och IC-bindning. Detta är grundläggande för att skapa mer realistiska begränsningar av gränserna för EW och dess effektivitet när det gäller att minskaCO2-koncentrationerna i atmosfären. Detta upplägg uppvisar flera originaliteter jämfört med befintliga studier som undersöker EW och effekten av markorganismer.
När det gäller effekterna av abiotiska faktorer på EW har dessa redan undersökts i tidigare studier 4,29,30,31,32,33,34. Några av dessa studier jämförde olika mängder, typer och kornstorlekar av stenar, men deras upplägg bestod antingen av ett krukexperiment 32,33 eller inkluderade blandning av stenpulver med jord34. Andra experiment fokuserade på en bergart med olika bevattningshastigheter, men hade inte möjlighet att bevattna ofta med ett automatiserat system eller fokuserade på flera bevattningshastigheter och frekvenser35. Andra studier presenterade ett upplägg som liknar det som presenteras i det nuvarande protokollet, med möjlighet att justera bevattningshastigheter och hålla temperaturen konstant, förutom varierande stenkornsstorlekar och typer29,30. Dessutom var utformningen av dessa uppställningar jämförbar med den som föreslogs i detta manuskript och utformad för att samla in lakvattnet för vidare analyser29,30. Dessutom varierades CO2 -koncentrationerna i dessa studier som en annan faktor som förbättrade vittringen29. Ingen av dessa tidigare studier har dock fokuserat på effekten av biotiska faktorer för att främja EW. I detta upplägg är målet att förbättra vittringsprocessen och ytterligare IC-bindning genom att inokulera specifika bakterier, svampar och daggmaskar och bestämma i vilken utsträckning de kan påskynda EW.
När det gäller effekten av biotiska faktorer på EW är det få studier som inte specifikt har fokuserat på EW utan undersökt om markorganismer kan påverka mineralvittring. Dessa studier har främst undersökt hur vittring påverkas av markorganismer med hjälp av odlingssubstrat 19,21, petriskålar 36, nylonsäckar nedgrävda i jorden14, eller små mängder stenpulver blandat med andra substrat36,37. Att använda så små system eller uppställningar gör det svårt att särskilja effekten av organismer från andra variabler. Vissa experiment använde en liknande uppställning som den här föreslagna, men i mindre skala, med stenpulverfyllda kolonner inokulerade med jordorganismer38,39,40. Dessa experiment odlade dock antingen växter samtidigt och fokuserade inte på den exklusiva effekten av specifika markorganismer13,35, eller samlade inte in lakvattnet 36. Dessutom har de flesta studier som visat att bakterier, svampar och daggmaskar ökar mineralvittring fokuserat på effekten av dessa organismer på näringsfrisättning som en indikation på vittring snarare än på IC-bindning 11,13,14,19,36,37,38 . Framför allt syftade ingen av dessa tidigare studier till att främja EW eller presenterade möjligheten att justera och bibehålla abiotiska faktorer under hela försöksperioden. I denna uppställning, istället för att hålla alla abiotiska faktorer konstanta, testas en mängd kombinationer för fyra abiotiska faktorer, såsom vattenbevattningshastigheter och frekvenser, stenpulvertyp och kornstorlek, i syfte att främja EW genom markorganismers aktivitet.
Dessutom har ingen av de tidigare studierna som har fokuserat på effekten av vare sig abiotiska eller biotiska faktorer på EW presenterat möjligheten att ha ett extremt stort antal kolumner och variabler inom en experimentell körning. I den här konfigurationen är det möjligt att testa flera olika kombinationer av olika variabler under en experimentkörning på grund av det imponerande antalet kolumner som inställningen har utformats för, samtidigt som den ger resultat av hög kvalitet. Med tanke på hur ny installationen är, nedan presenteras några möjliga förbättringar och återstående utmaningar som kan övervägas vid utformningen av framtida liknande inställningar.
Homogena luftförhållanden i inkubationskammaren bör säkerställas. Placeringen av installationen i en klimatkammare säkerställde konstant temperatur och relativ luftfuktighet. Ventilationsbegränsningar (t.ex. luftflöde) kan ha skapat rumsliga variationer i atmosfäriska förhållanden och därmed lett till oproportionerlig avdunstning från kolonnerna på vissa platser, vilket är ett vanligt fenomen i denna typ av uppställning35. För att hantera denna nackdel, när replikering och randomisering inte är möjlig, rekommenderas det att beräkna en vattenbalans för kolonner placerade på olika platser i kammaren.
Kolonnerna bör noggrant riktas in mot trattarna när de väl har satts in i akrylplattan för att undvika lakvattenförlust. Under den undersökta försöksperioden inträffade lakvattenförluster från kolonnernas botten på grund av felaktig placering av trattarna eller på grund av igensättning av maskorna. Tillsammans med avdunstning kan detta delvis förklara varför det uppsamlade lakvattnet var lägre jämfört med förväntat (Figur 13). För att minimera dessa förluster är det viktigt att se till att trattarna är optimalt placerade under pelarna. Att använda bredare trattar är också ett gångbart alternativ. I det här fallet bör man vara uppmärksam på hålens diameter under konstruktionen av akrylplattorna och avståndet mellan akrylplattorna.
Långsammare vattenflöde i jordpelarförsök där vatten tillförs ofta är ett återkommande problem 7,30,40. I de experiment som utfördes med den presenterade uppställningen användes i vissa fall ganska höga bevattningshastigheter och mycket fina mineralkornstorlekar, som till en början saknar en struktur som normalt observeras i jordar. Detta kan ha lett till att porerna i maskorna längst ner i kolonnerna som bara innehåller fina mineraler täpptes till under experimentens gång. Därför flödade inte vattnet tillräckligt snabbt genom kolonnerna, vilket resulterade både i översvämning av kolonnerna, vilket minskade vatteninfiltrationen och lakvattenuppsamlingen, och i syrefria förhållanden i kolonnerna, vilket påverkade biogeokemiska processer. För att mildra detta problem är det viktigt att alltid blanda en viss andel grovt med finare mineralkornstorlekar och att undvika 100 % mycket fina mineralkornsblandningar. Ett annat alternativ är att tillåta att kolonnerna utsätts för ett visst antal vätnings-/torkningscykler för att initiera bildandet av markstruktur och därmed förbättra vatteninfiltrationen. Dessutom, innan experimentet börjar, skulle det vara användbart att bestämma grundläggande markvattendynamik, såsom mättat och omättat flöde och vattenhållningskurva, i några mesokosmer för att bättre förstå gasflöde, mineralmättnadstillstånd och drivkrafter för organismers aktivitet.
Den presenterade experimentella uppställningen är bekväm att använda, presenterar en enkel installation och kan justeras efter forskningsbehov. I samband med mineralvittring, med nödvändiga justeringar, kan den kopplas till en gaskammare för att inte bara karakterisera kol i den fasta och vattenhaltiga fasen utan också för att titta på kolets dynamik i gasfasen. Dessutom kan denna uppställning användas för att studera realistiska vatteninfiltrationshastigheter med torra-våta sekvenser, eftersom denna tidsdynamik starkt kan påverka vittring41. Användningen av denna uppställning är inte begränsad till experiment som enbart fokuserar på silikatmineraler, utan den kan implementeras i kolonnexperiment som använder olika substrat. Dessutom kan längden på experimenten förkortas eller förlängas beroende på experimentets behov, och antalet kolumner kan ändras. Möjligheten att samla in prover från både de fasta bearbetade materialen och lakvattnet gör att vi kan utföra olika analyser för att fokusera på en av de två komponenterna eller båda. För att presentera kunskap är detta den enda uppställningen som hittills har byggts med ett exceptionellt antal pelare som syftar till att använda markorganismer för att förbättra mineralvittring samtidigt som abiotiska förhållanden kontrolleras i ett system som enbart består av silikatmineraler och organiska material.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Ton van der Zalm från Tupola för utvecklingen av bevattningssystemet. Dessutom tackar vi Jaco Baars från Tupola för skratten och det mentala stödet som gavs under byggandet av denna installation. Vi tackar Peter Garamszegi och Ángel Velasco Sánchez för att de hjälpte till med att vattna pelarna manuellt när bevattningssystemet inte fungerade. Vi tackar också Steven Heesterman, Xuming Li, Karen Morán Rivera, Jonna van den Berg och Kangying Xie för hjälpen under provtagningen. Vi tackar Peggy Bartsch, Tom Jäppinen, Peter Nobels, Brent Rotgans, Andre van Leeuwen och Gerlinde Vink för hjälpen i labbet, analyserna av proverna och de givande diskussionerna. Slutligen tackar vi Jeroen Zonneveld från Unifarm för tillhandahållandet och underhållet av klimatkammaren. Denna installation byggdes som en del av projektet Bio-Accelerated Mineral Weathering (BAM!), som finansieras av EU:s Horizon 2020-ramprogram för forskning och innovation enligt bidragsavtal 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. |