הדמיה דו מימדית וכימות של Labile, חומרים מזינים ומזהמים צמחיים אנאורגניים באדמה

המחזור הביולוגי לכימי של יסודות בקרקע ממלא תפקיד מכריע במערכות סביבתיות. בעזרת פרוטוקול זה, ניתן לדמות את התפלגות שברי היסודות הזמינים של הצמח בדו-ממד באמצעות הדמיית ספקטרומטריית מסה DGT. שיטה זו ייחודית ביכולתה לדמיין ולכמת רמות אולטרה עקבות של מיני מומסים אנאורגניים מרובים בממשק המומס, העולה באופן משמעותי על הרזולוציה המרחבית של שיטות חלופיות.

בנוסף לחקירת שטפי עבודה ומומסים בקרקעות ובמשקעים, ניתן ליישם שיטה זו כדי לחקור כיצד שורשי צמחים קולטים יסודות מזינים ומזהמים. לייצור ג'ל DGT, יש לצפות תחילה סרט דק של מתלה ג'ל מעורב על בסיס פוליאוריטן על גבי צלחת זכוכית, ולהכניס את הצלחת לתנור כדי להתחיל היווצרות ג'ל על ידי אידוי ממס. לאחר חזרה על היישום והאידוי שלוש פעמים, יש להרטיב את צלחת הזכוכית המצופה המשולשת המתקבלת באמבט מים כדי לקבל ג'ל מחייב אניון וקטיון דק של 0.1 מילימטר.

כדי להרכיב את הריזוטרון, השתמש בשני מהדקים כדי לחבר להב אקרילי קטן אחד בתחתית עליית הריזוטרון עם לחץ המהדקים המכוונים אל מסגרת הריזוטרון, כך שהצלחת לא תתכופף פנימה. הטה מעט את הריזוטרון לכיוון צלחת הפלסטיק הקטנה ומלא את הריזוטרון באדמה לחה מראש עד לגובה משוער של ארבעה סנטימטרים. ערבבו מעט את קנה השורש כדי לפזר את האדמה באופן שווה והשתמשו בכלי דחיסה כדי לדחוס בעדינות את האדמה בכמה מילימטרים.

חזור על המילוי והדחיסה עד שקנה השורש מתמלא באדמה, ומשאיר פער של שלושה סנטימטרים בחלקו העליון. השתמש בסרט כדי לקבע בזהירות חתיכה של 13 על 22 סנטימטר של רדיד PTFE למסגרת הריזוטרון בפינה אחת בכל פעם, תוך הפעלת מתח כדי להבטיח משטח נייר כסף שטוח. כאשר רדיד ה-PTFE שטוח ורציף, חבר חתיכת נייר כסף שנייה בקצה התחתון של קנה השורש, חופף את חתיכת נייר הכסף העליונה של PTFE בסנטימטר אחד באותו אופן.

כאשר החלק השני מאובטח, מרחו כיסוי נייר כסף מגן. הניחו צלחת קדמית על הריזוטרון המלא באדמה ומכוסה בנייר כסף, והניחו מסילה אחת סביב כל צד של הריזוטרון. לאחר מכן הדק את הברגים ביד כדי לקבע את המסילות בצלחת הקדמית לקנה השורש כשהברגים ממקמים לכיוון הצד הסגור של הריזוטרון.

כדי להשקות את האדמה, דחפו את קצות הפיפטות לתוך בורות ההשקיה ותנו למים לזרום לאדמה על ידי כוח הכבידה. כדי לגדל צמחים, שתלו עד שני שתילים לתוך הריזוטרון והוסיפו חמישה מיליליטר מים ישירות לשתילים כדי לתמוך בצמיחתם. מכסים את הפתח העליון של הריזוטרון ביומיים הראשונים לאחר השתילה בסרט שומר לחות שקוף ועוטפים את הריזוטרון בנייר אלומיניום כדי למנוע צמיחה מיקרופיטית.

לאחר מכן הנח את הריזוטרון הנטוע בחדר גידול עם תנאי הסביבה המוגדרים לדרישות הצמח הספציפיות והטה את הריזוטרון 25 עד 35 מעלות כדי להבטיח התפתחות שורשים לאורך הצלחת הקדמית באמצעות גרביטרופיזם. כדי למרוח את ג'ל ה-DGT המפוברק, חותכים קרום פוליקרבונט בעובי 10 מיקרון בגודל נקבוביות של 0.2 מיקרון לרוחב ואורך של לפחות סנטימטר אחד של כל צד של הג'ל ומניחים את הממברנה על הג'ל. מרחו מים כדי להסיר בועות אוויר מהערימה והשתמשו בסרט חשמלי ויניל כדי לקבע את הממברנה לצלחת לאורך כל ארבעת הקצוות של הג'ל.

לאחר הסרת הצלחת הקדמית ונירדי המגן, יישר את העינית של מצלמת רפלקס דיגיטלית עם עדשה בודדת המצוידת בעדשת מאקרו למרכז אזור העניין בג'ל וכולל סרגל קנה מידה בתמונה רכש תמונה אורתוגונלית של אזור העניין. לאחר מכן יישר קצה אחד של הצלחת המצוידת בערימת קרום הג'ל עם קצה הריזוטרון הפתוח. כופפו בעדינות את הצלחת לכיוון האדמה והשתמשו במסילות ובברגים כדי לחבר את הצלחת לקנה השורש.

לאחר תקופת דגימת הבדידות, העבירו את הצלחת הקדמית מהריזוטרון למכסה זרימה למינרי כשצד ערימת קרום הג'ל פונה כלפי מעלה, והסר בזהירות את הסרט ואת קרום הפוליקרבונט המכסה את הג'ל. מרחו מים כדי לעזור לג'ל לצוף בחופשיות על סרט דק של מים על הצלחת כשצד המגע עם האדמה פונה כלפי מעלה והעבירו את הג'ל על קרום פוליאתרסולפון עם גודל נקבוביות של 0.45 מיקרון ותמיכת נייר סופג. לאחר כיסוי ערימת הג'ל בנייר כסף מגן, הניחו את הערימה במייבש ג'ל ואקום.

כאשר הג'ל התייבש לחלוטין, השתמש בסרט דבק דו צדדי כדי לקבע את הג'ל היבש יחד עם דגימות ג'ל אחרות על צלחת זכוכית. כדי לבצע ניתוח סריקת קו ספקטרומטריית מסה פלזמה בצימוד אינדוקטיבי של ג'ל ה-DGT היבש, תקן תחילה את החסר והתקנים של הדגימה על שלב דגימת האבלציה בלייזר, ונעל את שלב הלייזר בתא האבלציה של מערכת האבלציה בלייזר. בתוכנת אבלציה בלייזר הזיזו את אזור העניין על משטח הג'ל וציירו קו יחיד באורך של כמיליליטר על פני תקן הג'ל.

ליקוק ימני את הקו בחלון דפוסי הסריקה כדי לוודא שפרמטרי אבלציה בלייזר הוגדרו ואומצו והשתמש בכלי הסריקות הכפולות כדי לשכפל קו זה ארבע פעמים עם מרחק בין קווים גדול מקוטר הנקודה. לאחר חזרה על קו זה עבור כל ריק כיול סטנדרטי של ג'ל וריק שיטה, צייר קו בודד לאורך הקצה העליון של האזור המלבני של דגימת הג'ל לניתוח ושכפל את הקו כדי ליצור קווים מקבילים לכל שטח הדגימה כפי שמודגם, תוך שימוש במרחק בין קווים של 300 עד 400 מיקרומטר. ודא שכל נקודת התחלה וסיום של כל קו ממוקדת כראוי במשטח הג'ל ולחץ על ניתוח אצווה כדי להתחיל את רצף הדגימה בספקטרומטר מסת הפלזמה המשולב באופן אינדוקטיבי.

לחץ על פליטה בחלון אנרגיית הלייזר כדי להטעין את ראש הלייזר. לחץ על הפעל כדי לפתוח את חלון הפעלת הניסוי ולבחור תבניות נבחרות בלבד. הגדר את עיכוב השטיפה ל-20 עד 30 שניות.

בחר את תיבת הלייזר המופעלת במהלך סריקות והגדר את זמן חימום הלייזר ל-10 שניות. לאחר מכן לחץ על הפעל ובסדר כדי להתחיל את ניתוח סריקת הקו ולנטר את עוצמת האות הגולמי בספירה לשנייה עבור כל איזוטופ בספקטרומטר מסת הפלזמה המשולב אינדוקטיבי בזמן אמת. כל שורה צריכה להתחיל ולהסתיים עם ריק גז.

לאחר הניתוח, ייבא את קובץ הנתונים הגולמיים עבור כל שורה שנמחקה לגיליון אלקטרוני. טבלת הנתונים הגולמיים מציגה את קריאות ספקטרומטריית המסה של הפלזמה המשולבת באופן אינדוקטיבי עבור כל איזוטופ בספירה לשנייה, ואת נקודות הזמן המתאימות בשניות. רשום את כל השורות זו לצד זו בעמודות שונות.

חשב ריק גז ממוצע עבור כל איזוטופ מכל ערכי ריק הגז שנרשמו לפני אבלציות הקו והחסר את ריק הגז הממוצע מהעוצמות הגולמיות המתאימות עבור כל איזוטופ כדי לתקן את אות הרקע. כדי להחיל נורמליזציה פנימית, חלקו את עוצמת האות המתוקנת של כל איזוטופ ריק הגז בעוצמת האות המתוקנת של הפחמן הסטנדרטי הפנימי 13 עבור כל נקודת נתונים כדי לתקן שינויים בכמות החומר שנלקח והסחיפה האינסטרומנטלית. חתוך את הנתונים לפני ההתחלה ואחרי הסוף של כל קו שנמחק כדי להסיר את אות הרקע הריק של הגז והחלף את טבלת הנתונים כדי לקבל מטריצת רשת שבה כל שורה מתאימה לקו מגורר וכל עמודה מתאימה לערך עוצמת איזוטופ מנורמל.

לאחר מכן החל את פונקציית הכיול המתקבלת מניתוח תקני הג'ל ושמור את מטריצת הנתונים המכוילת כקובץ טקסט. כדי ליצור תמונה, ייבא את מטריצת נתוני הדגימה המכוילת לתוכנת ניתוח התמונות כתמונת טקסט והחל את גורם תיקון יחס הגובה-רוחב וטבלת חיפוש כדי לדמיין את השיפועים הכימיים בתמונת המומס. התאם את איזון צבעי התמונה כדי לשלוט בגבולות התחתונים והעליונים של טווח התצוגה, הוסף סרגל כיול ושמור את התמונה המומסת כקובץ TIF.

השתמש בפקודה העתק למערכת כדי להעתיק את התמונה האחידה ולהדביק את התמונה בתוכנת הוצאה לאור שולחנית. לאחר מכן התאם קנה מידה, יישר והרכיב את התמונה המוצקה עם תמונה של אזור העניין ושאר התמונות המומסות. יישור התמונות המומסות עם תמונה צילומית של אזור העניין מגלה כי התפלגות השטף המוצק הדו-ממדי התת-מילימטרי של יסודות שונים משתנה מאוד בהתאם למבנה הקרקע ולמורפולוגיה של השורשים.

לדוגמה, בניתוח זה של שורש כוסמת צעיר שגדל באדמה נטולת קרבונט, מופרה באמוניום חנקתי, התפלגות המומסים התת-מילימטריים הראתה אזורים של ירידה בשטפי אלומיניום, זרחן וברזל לצד קטעי שורש ישנים יותר עקב ספיגת שורשים, ושטפי מגנזיום, אלומיניום, זרחן, מנגן וברזל מוגברים מאוד בקודקוד השורש עקב תהליכי ניוד חומרים מזינים מקומיים. בניתוח זה, ניתן להבחין בדלדול מובהק של אבץ, קדמיום ועופרת במיקום השורש המיידי, מה שממחיש כי שורשי מין הערבה העמיד למתכות Salix smithiana פועלים ככיור מקומי למתכות קורט באדמה מזוהמת. בניתוח זה, התפלגות מתכות קורט לאביליות לצד שורשי Salix smithiana התמקמה במקביל להתפלגות ה-pH, באמצעות ג'ל קשירת קטיון מישורי משולב בשכבה אחת-DGT.

שילוב שיטות זה גילה כי שטפי מומסים מוגברים של מנגן, ברזל, קובלט, ניקל, נחושת ועופרת היו קשורים לירידה ב-pH בערך ביחידה אחת, מה שמרמז על מסיסות מתכת המושרה על ידי pH. זה קריטי להבטיח מגע הדוק ויציב בין כלי ה-DGT למשטח המוצק כדי למנוע חפצים אנליטיים. אם יש ספק, חזור על הליך מריחת הג'ל.

ניתן לשלב שיטה זו עם טכניקות הדמיה מוצקות אחרות המבוססות על דיפוזיה, כגון אופטודות מישוריות כדי להעריך בו זמנית מגוון פרמטרים המעורבים בספיגת אלמנטים צמחיים.