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 nye, og deres anvendelse er blevet rapporteret i litteraturen over flere årtier 1-6. Tidlige tabeller blev udviklet angiveligt til laboratorie- frøspiring testning ofte på papirsubstrat over et bredt område af temperaturer i et enkelt eksperiment (figur 1). Der er forskellige udformninger af thermogradient tabeller, men en af de mest almindelige består af et relativt tykt rektangulært ark af metal, ofte aluminium for sin korrosionsbestandighed, med en løkke af firkantrør svejset til bunden ved modsatte ender. Plastrør forbinde bordet ind- og udløbsrør til temperaturstyret, cirkulerende bade, som pumper den afkølede og opvarmet væske gennem rørene på modsatte ender under bordet. Røret udfører fluidum, sædvanligvis et vand-frostvæske (ethylenglycol) blanding, for at forhindre frysning hvis systemet skal betjenes i nærheden af eller under frysepunktet. Et andet motiv er at svejse strimler af metal sammen til CREspiste en fluidreservoir ved hver ende af bordet med indløb og udløb til cirkulation af varme og kolde opløsninger i begge ender. De cirkulerende bade kan placeres på gulvet under bordet eller på et separat siden af hinanden anbragte tabel. Elektriske thermogradient tabeller med varmelegemer og / eller Peltier kølemoduler er blevet bygget, men høje omkostninger, udfordringer genererer konsekvent lave temperaturer, og pålidelighed spørgsmål har forhindret udbredt kommerciel brug 8.
Det cirkulerende fluid motiver passivt oprette en endimensional gradient via termisk ledning. Hvis aluminium plade er af ensartet form og tykkelse og ordentligt isolerede, varmestrømme jævnt fra den varme til den kolde ende af et bord om en kontinuerlig endimensional temperaturgradient, efter den anden lov om termodynamik 7. Gradienten hen over overfladen er en funktion af bordet længde og forskellene mellem de endelige temperaturer. Tabellen og plumbing er normalt anbragt i en isoleret kabinet med låg til adgang. Indkapslingen isolerer tabellen fra sine omgivelser, der skabes en ensartet gradient over overfladen med lille temperaturvariation. Den isolerede kabinet kan understøttes af benene eller placeres på en flad overflade såsom et bord eller bænk. Til anvendelser, hvor der kræves ensartet temperaturstyring uden en gradient, kan en tabel sættes op til at producere isotermiske betingelser, hvis begge ender cirkulere væske ved den samme temperatur.
Når gradienten tabellen fungerer korrekt, petriskåle, forseglede plastposer, fladbundede beholdere osv, er anbragt på overfladen og termo-ækvilibrere til de forskellige temperaturer (figur 1). Den eksperimentelle temperatur i hver beholder afhænger af luftrum, der kan være mellem beholderen og bordfladen og tykkelsen og isolerende egenskaber af hver beholder. Gradienten Tabellen effektivt fastholder prøve temperatures tæt på overfladen, men kontrol er tabt over overfladen. Den manglende vertikal temperaturstyring begrænser de typer af eksperimenter muligt på en traditionel gradient tabel.
Aluminium strimler eller sidefolder blev tilsat til traditionelle gradient tabeldesignet at forbedre kontrollen temperatur over bordfladen. Sidefolder blev svejset med mellemrum vinkelret på bordpladen. Sidefolderne lette konvektionsvarme flow lodret over den flade bordfladen. Prøver placeret mellem lægge, har temperatur-regulerede overflader på tre sider giver mere effektiv temperaturstyring. Clegg og Eastin 2 placeret kvartssand på en gradient bord overflade for at skabe temperaturkontrol i dybden. Clegg og Eastin 2 også eksperimenteret med at placere isolering på toppen af tabellen. Webb et al. 9 anbragt rør fyldt med jord på et bord i et forsøg på ensartet at temperaturkontrol.
Den nye table design rapporteret her har ni 7,6 cm (3 inches) høje sidefolder (aluminium bånd), der er svejset til overfladen over længden af bordet (figur 2). LED lysarmaturer udsender fotosyntetisk aktive frekvenser er installeret på siderne af bordet for at understøtte vækst af frøplanter når bordet er lukket. Den isoleret indelukke for foldede thermogradient tabellen er konstrueret af en hvid PVC boards, der er vand, kæde, og krakelering. Formålet med dette dokument er at beskrive den nye foldede gradient bord design og anvendelsesmuligheder.
Thermogradient tabeller er blevet anvendt i mange år til ledning primært frøspiring eksperimenter i lave beholdere over et område af temperaturer samtidigt. Imidlertid er de eksperimentelle temperaturer begrænset til bordpladen, så dybden af temperaturregulering er begrænset. Seed testprotokoller udført på traditionelle gradient borde ender med kimroden fremkomsten på papir substrat i petriskåle eller andre flade beholdere og ikke realistisk teste sætteplante fremkomst og vækst som ville forekommer naturligt i jord. frø dag virksomhederne ofte ønsker at vurdere frø vigør (evnen til at spire under mindre end optimale betingelser) ved hjælp af simulerede markforhold at avlerne sandsynligvis vil støde efter plantning. Jord test udsætter også frø til svampe- og bakterielle sygdom pres ikke almindelige i standardiserede laboratorium spireevne test på soilless medier. Når jorden er placeret på en flad ikke-foldet tabel, store variationer af 5 ºC eller mere vire ikke ualmindeligt mellem positioner i jorden profil og tabel overflader (upublicerede resultater).
En endimensional gradient bord med sidefolder blev udviklet for at forbedre lodret temperaturkontrol så jorden kunne anvendes i Spiringsforsøgene og andre eksperimenter, hvor nøjagtig styring af jordtemperaturen er kritisk. De kiler begrænser jord eller syntetiske vækstmedier og temperaturkontrol i dybden. Sidefolderne er aluminium, det samme materiale som bordpladen, og når svejset vinkelret på overfladen de giver temperaturstyring af rummet mellem ved ledende varmeoverførsel. Sidefolderne kan orienteres i længderetningen ned bordet eller bredderetningen over bordet. Begge designs udføre tilsvarende men bredderetningen kilen orientering er praktisk, fordi rummet mellem sidefolder kan tjene som en enkelt eksperimentel temperatur, når gradienten er korrekt justeret. Horisontal orientering tillader eksperimentelle enheder (frø i dette eksempel) for at være anbragt med enkrydse bord i en linie ved siden af hinanden. Gusset afstand kan kun varieres under fremstillingen, fordi kiler er svejset på plads, så alternativ positionering kan ikke testes, når bordet byggeri er afsluttet. En kile afstand på 10,9 cm blev valgt til at rumme lave beholdere ofte bruges til frøanalyser foruden jord. Tættere kile afstand kan give bedre temperaturstyring, men ville begrænse de typer af containere, der kan bruges på bordet.
Temperaturen og fugt af de voksende medier i thermogradient tabel skal løbende overvåges for at opnå de ønskede eksperimentelle betingelser. Før plantning, bør de cirkulerende bade indstilles lidt under det ønskede minimum og lidt over maksimum temperaturer end reguleres indtil prøverne har nået de ønskede eksperimentelle temperaturer. Ca. 24 timer bør være tilladt for prøverne til termisk ligevægt med gradienten tabellen. Indholdet af th fugte vækstmedier bør være tilstrækkeligt (70-80% af marken kapacitet) for frøspiring eller andre biologiske processer til at fortsætte. Tabellen isolering og dobbelte låg reducere temperatur udsving og vand fordampning når på plads.
Resultaterne i tabel 1 sammenligner vækst af frøplanter af 4 arter ved forskellige temperaturer. Væksten i melon og tomat frø begyndte ved 15 ° C og spiret godt ved 40 ° C forklare, hvorfor de er karakteriseret som varme-sæson afgrøder 10. I modsætning hertil salat spiret bedst ved lave temperaturer. Havre frø spiret over et bredere temperaturområde, end de andre arter (tabel 1). Mens der kunne opnås lignende resultater ved anvendelse af en række vækstkamre i en række koordinerede eksperimenter, kilen design tillader både spiring og vækst af frøplanter skal sammenlignes over et område af jordtemperaturer samtidigt. Forskellige felt jord eller voksendemedier kan være substitueret at simulere en række feltbetingelser. Mikrobielle eller kemiske behandlinger, gødning regimer, tørkestress, og variationer i lys miljø kan pålægges tværs temperaturer på gradient bordet.
De små dataloggere registrerede temperatur i forskellige stillinger på bordet. Temperaturdata viste, relativt ensartede temperaturer i midten af bordet med større variation, især i den varme ende. Positionering loggere i kontakt med bordets overflade og udsat for luft på jordoverfladen sandsynligvis forværrede ekstremer. Temperaturer indspillet i midterposition var nok mere betegnende for bulk-jordbundsforhold. For eksempel ville et frø plantet i jorden på gradient viser sammenhængen mellem sidefolder at simulere felt plantning kun udsættes for bulk-jordtemperatur og ikke luft eller tabellen overfladetemperatur. Vandindholdet og tekstur af jordbunden spiller en rolle, når table temperaturer. Hvis the jorden er tør, luftrum modstå temperaturændringer og ikke effektivt leder varme fra kiler. Fugtig jord har få luft rum og mere flydende vand til effektivt lede varme gennem jorden profilen. I dette forsøg blev jord holdt på 70 til 80% af sin maksimale vandholdende evne, men højere vandindhold kan have reduceret temperatur variation jord. Sand har som færre store pore rum end jord med et højt organisk stof og dermed ville forventes at give mere ensartede temperaturer.
Der var større variation i jordtemperaturen ved den varme ende af bordet i forhold til den kolde ende. En mulig forklaring ligger i fordelingen af fugt over bordet. Fugt tendens til at blive tilbageholdt i den kolde ende, mens den varme ende tendens til at tørre ud på grund af større fordampningstab. Da vand hjælper adfærd varme, er det vigtigt, at indholdet af tabellen fugt være så ensartet som muligt. Webb et al. 9, skal Blottis papir til at lede vand over et thermogradient bord via kapillarvirkning, mens avisen arbejdede godt som et billigere alternativ i foldede thermogradient tabellen. Selvom kiler var foret med hydrofile papir for at tilføje fugt distribution, holder både kølige og varme ender ensartet vådt er udfordrende.
Hurtig fordampning ved høje temperaturer forekommer på alle gradient table designs. Kondensation er ofte et problem, når der udføres container eksperimenter på en gradient bord ved temperaturer meget over omgivende fordi bunden af beholderen er varmere end toppen forårsager vand at samle sig på den indvendige side af køleren låget. I jord eksperimenter på den foldede bordet, vand fordampet fra de øvre jordlag i luften over i foldede tabel. Hvis jorden er meget våd, kan fordampningstab ved den varme ende af tabellen kondensere på køleren indre-akryl låg. Resting tætsiddende stykker af akryl eller polystyren isolering direktely på toppen af sidefolder minimerer damp udveksling med luftrummet over tabellen holde jorden mere ensartet fugtig og temperaturen konstant (data ikke vist). Når bordet blev dækket med polystyren isolering, temperaturvariation var kun fra 1 til 2 ° C gennem jorden profilen ved ekstreme temperaturer (data ikke vist). Imidlertid polystyren isolering forhindrer frøplanter i at opstå og skal fjernes efter den indledende hr inkubation for vækst analyser. En anden løsning til at forhindre hurtig tørring af varm jord er fortrinsvis at tilføje mere vand til den varme ende til at kompensere for fordampningstab. Hand vanding er problematisk, fordi lågene skal fjernes og anvendelse mængder er mindre præcise. Mikro-vanding emittere kan udformes på en gradient tabel og kan justeres til fortrinsvis anvende mere vand til den varme ende.
Thermogradient tabeller har funktionalitet og potentiale til at tjene som alternative vækstkamre. when begge bade er sat det samme, bordet ligevægt til enkelt eksperimentel temperatur til applikationer, hvor en gradient ikke er påkrævet. Dag og nat lys og temperatursvingninger kan også simuleres ved hjælp af programmerbare cirkulerende bade og LED vokse lyser. Befolker indersiden af låg med LED vokse lys kan øge lysstyrken. LED vokse lys input minimal varme i systemet og ikke forstyrre gradienten fordi lignende temperaturer jord blev registreret med lys på og off (data ikke vist). Tilføjelsen af lys muliggør plantevækst og større miljømæssig kontrol.
Thermogradient tabeller er primært anvendt af frø branchen for spiring studier i fortiden, men mange andre programmer er mulig. Insekt adfærd er blevet undersøgt på en gradient tabel til at bestemme temperaturen optima af visse former for adfærd 11. Ice kan fryses på en gradient bord overflade til test fænomener på subfreezing temperatures (data ikke vist). Gas udveksling mellem jord og atmosfære, herunder udviklingen af carbondioxid, er mulig på en falset gradient tabel ved varierende vandindhold, jord indgange, og temperaturer. At studere virkningerne af bakterie- og svampevækst i forskellige typer af medier over et område af temperaturer er også muligt med dette eksperimentelle system.
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 |