Eine Ultra-clean Multilayer Vorrichtung zum Sammeln von Größe fraktioniert Meeresplankton und Schwebeteilchen

Zusammenfassung

Plankton und Schwebeteilchen spielen eine wichtige Rolle in den biogeochemischen Zyklen im Ozean. Hier bieten wir eine Ultra-clean, low-Stress-Methode für die Sammlung verschiedener Größen von Partikeln und Plankton auf hoher See mit der Fähigkeit zur Handhabung großer Mengen von Meerwasser.

Zusammenfassung

Die Verteilungen der viele Spurenelemente im Ozean sind eng verbunden mit dem Wachstum, den Tod und die Remineralisierung von Meeresplankton und derer ausgesetzt/Untergang Partikel. Hier präsentieren wir Ihnen ein alle Kunststoff (Polypropylen und Polycarbonat), Mehrschichtfiltration System zur Sammlung von suspendierten Partikeln (SPM) am Meer. Diese Ultra-clean Probenahmegerät wurde konzipiert und entwickelt speziell für Spurenelement Studien. Sorgfältige Auswahl aller nicht-metallischen Materialien und Nutzung eines Inline-durchströmten Verfahrens minimiert etwaige Metall Kontaminationen während der Probenahme. Dieses System wurde erfolgreich getestet und optimiert für die Bestimmung von Spurenelementen (z.B.Fe, Al, Mn, Cd, Cu, Ni) auf Partikel unterschiedlicher Größe im Küsten- und offenen Meerwasser. Ergebnisse aus dem Südchinesischen Meer an der Station South East Asia Time Series (Sitzplätze) zeigen, dass tagaktive Variationen und räumliche Verteilung des Planktons in der euphotischen Zone leicht gelöst und erkannt werden können. Chemische Analyse der Größe fraktioniert Partikel in den Oberflächengewässern der Taiwan-Straße schlägt vor, dass die größeren Partikel (> 153 µm) wurden vor allem biologisch abgeleitet, während die kleineren Teilchen (10-63 µm) meist aus anorganischer Materie bestanden. Abgesehen von Cd verringerte sich die Konzentrationen von Metallen (Fe, Al, Mn, Cu, Ni) mit zunehmender Größe.

Einleitung

Partikel im Ozean spielen eine wichtige Rolle in der marine biogeochemische Zyklen¹. Die meisten Eigenschaften von Partikeln, wie Größe, Mineralogie und Zusammensetzung, können von einer geologischen oder hydrographischen um weitere²tiefgreifend verändern. Die Verteilung der Elemente im Ozean sind darüber hinaus auch verbunden mit dem Lebenszyklus des marinen Phytoplanktons: Wachstum, Tod, Untergang und Remineralisierung^3,4. Marine Partikel umfassen mindestens 4 Größenordnungen in der Größe von Submikron-Partikeln bis hin zu großen Aggregaten (> 5 mm). Die meisten Partikel sind biologisch, Prozesse wie virale Lyse, Exsudation, Sekretion, fäkale pelletherstellungabgeleitet. Andere Partikel werden von physischen Koagulation von Zellen, zelltrümmer oder lithogen Materialien¹gebildet. Verschiedene chemische und biologische Eigenschaften der Partikel zu steuern die geochemische Zyklen und biologische Vorgänge auf und innerhalb der Partikel^4,5,6. Diese Partikel sind wichtige Lebensräume und Nahrungsquellen für einige Organismen, wie Zooplankton oder Saprotrophs. Dementsprechend bezieht sich das Schicksal der Partikel oft auf ihre Größe, die durch biologische Prozesse auf und um Partikel geändert werden können.

Sampling-marine Partikel in der Regel erfordert Filtration, aber dieser Ansatz stellt eine gewisse Unklarheit bei der Ermittlung der Eigenschaften der Partikel, da marine Partikel nicht homogen in Zusammensetzung und Größe sind. Schwebeteilchen, hauptsächlich bestehend aus kleinen und niedrigen Dichte Partikel, die fast permanent in der Schwebe, sind nur für einen kurzen Zeitraum, abhängig von den hydrodynamischen Bedingungen mit unterschiedlichen Mengen von größeren und dichteren Partikel in Suspension gemischt. ⁷. die ersten Berichte über die Spur Metallzusammensetzung Plankton Proben wurden durch Plankton schleppt oder Aussetzung Plankton Netze auf einem Forschung Schiff⁸gesammelt. Die Autoren oft Metallpartikel gefunden und Chips in Proben, zu malen, was auf ein schwerwiegendes Problem der Kontamination während der marine Partikel Probenahme für die chemische Analyse. Andere Bemühungen sind net Abschleppen von Schlauchbooten oder mit einer Polyvinylchlorid (PVC)-hand seilwinde³. Die Schwierigkeit der zuverlässige Probenahme von Partikeln erschwert Fortschritte in unserem Verständnis von der chemischen Zusammensetzung der marine Partikel, vor allem für Spurenelemente. Als solche ist wichtigste Aussagen über den Gehalt an Spurenelementen im Phytoplankton von Kultur Studien^9,10gekommen. Diese Anerkennung hat Meereswissenschaftler zum Erstellen von neuen Methoden für Partikel im Meer über den letzten dreißig Jahren¹¹Studium motiviert.

Meeresforscher haben verschiedene Sampling-Techniken, einschließlich an Bord Filtration, in Situ Filtration verwendet und Sediment fallen¹¹. Die Verarbeitung großer Mengen von Meerwasser unbelastete Proben sammeln kann schwierig sein, vor allem für Hochsee und tiefen Gewässern, in denen die Partikelkonzentrationen sehr niedrig sind (0,001 - 0,1 mg/L). Es ist auch notwendig, Filtern Sie große Mengen von Meerwasser, eine ausreichende Menge von Partikeln Spur Metallkonzentrationen messen zu erhalten. Einige Forscher haben die Größe-Fraktionierung-Methode verwendet, um Schwebeteilchen Untergang Partikel trennen. Partikelgröße, Porosität, Dichte und Form können jedoch alle Einfluss Partikel sinken Geschwindigkeiten. Sediment fallen sind nicht praktische Werkzeuge, Schwebstoffe, zu sammeln, da die zum Untergang Partikel vorgesehen sind. Daher ist es wichtig, Probenahme und Behandlungsmethoden zu entwickeln, die ausreichende Mengen an suspendierten Teilchen mit minimalen Verunreinigungen sammeln können. Daher ist Größe-Fraktionierung von in Situ Filtration noch ein viel versprechendes Instrument der Ozeanograph Probenahme Toolbox, da es wichtige Informationen über marine Partikel Dynamik offenbaren kann. Hier beschreiben wir eine erfolgreich erprobte Spur-Metall-clean, mehrschichtige Schwerkraft Filtration Probenahme Apparat, die große Mengen (120-240 L) behandeln kann Meerwasser an Bord in einem Arbeitsgang aus Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet Probenahme Wasserflaschen in eine Multi-Flasche Probenahme Array. Dieser Apparat Probenahme verwendet säuregewaschen synthetischen Nylon Netze nacheinander und die Netze sind eingeschlossen in einem Polycarbonat-Container, Größe fraktioniert abgehängte Angelegenheit und Phytoplankton^12,13, sanft zu sammeln ^14,15 (Abbildung 1). Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Werkzeug für die Untersuchung der Metall-Partikel-Verbände und ihre Reaktion Dynamik in marinen Lebensräume bieten, und zu einem besseren Verständnis über das Schicksal einer Vielzahl von Plankton, Partikeln und Spurenmetalle in diesen Umgebungen.

Protokoll

Das folgende Protokoll schließt die Arbeit mit schädlichen Chemikalien. Bitte lesen Sie sorgfältig die Sicherheitsdatenblätter (SDB) und befolgen Sie institutionellen Chemikaliensicherheit Richtlinien.

1. multi-Layer-Schwerkraft Filtration Sampler Vorbereitung

1. Sampler-Reinigung
   1. Füllen Sie die Schläuche und Filtration Einheit mit 1 % (w/V) des anionischen Protease Enzym Reinigungslösung und legen Sie ihn für 24 h Flush den mehrschichtigen Schwerkraft Filtration Sampler mit doppelt destilliertem Wasser Umkehrosmose (RO-DDW) gründlich, dann füllen Sie ihn mit 0,1 % (V/V) Salzsäure (HCl, Reagenz Grade) und für 72 Stunden einweichen.
   2. Spülen Sie gründlich den mehrschichtigen Schwerkraft Filtration Sampler mit Umkehrosmose doppeltes destilliertem deionisiertes Wasser (RO-DD-DIW) drei-bis fünfmal, mindestens 20 Liter Zeit, und die Assemblage in Plastiktüten aufbewahren.
2. Partikel-Container Reinigung/Probenvorbereitung
   1. Verwenden Sie Polyethylen niedriger Dichte (LDPE, 125 mL) oder fluorierten Ethylen-Propylen (FEP, 125 mL) Flaschen als Behälter für Partikel. Reinigen Sie die Flaschen durch Einweichen zuerst in alkalischen Reinigungsmittel (Mikro, 1 %), dann in 50 % (V/V) Salpetersäure (Druckaufschluss₃, Reagenz Grad), dann 10 % (V/V) HCl Lösungen für mindestens 24, 48 und 24 h, beziehungsweise. Spülen Sie die Flaschen mit deionisiertes Wasser (RO-DD-DIW) zwischen den zwei Schritten einweichen.
   2. Spülen Sie nach einer abschließenden HCl Einweichen die Flaschen mit deionisiertes Wasser (RO-DD-DIW) gründlich und trocknen Sie die Flaschen in einem Reinraum oder Klasse-100 sauberen Werkbank.
      Legen die gereinigte Flasche auf der mehrschichtigen Schwerkraft-Filtration-Sampler oder Dichtung gereinigt Flaschen in PE-Beutel mit Reißverschluss und Doppel-Tasche sie für den Transport.
3. Assemblage von mehrschichtigen Schwerkraft Filtration sampler
   1. Sechs 4 m lange chemisch beständigen thermoplastischen Elastomer-Rohre (Außen-ø von 0,635 cm) an die sechs Richtungen Buchten auf dem Sampler anschließen.
   2. Montieren Sie die drei verschiedenen Mesh Nylon Filter mit Polyethylen niedriger Dichte probenbehältern (125 mL LDPE) nacheinander in einem Reinraum (Bank) nach der Reinigung sind (siehe unten), mit den 10 µm Siebfilter positioniert auf der Außenseite der 63 µm-Siebfilter in der Mitte und den Siebfilter 153 µm auf der Innenseite. Für den Transport speichern Sie den mehrschichtigen Schwerkraft Filtration Sampler in zwei Schichten von Taschen aus Polyethylen (PE) zu, dann legen Sie sie in Polypropylen (PP)-Versandbehälter.

2. Probenahme

1. Entnahme von Proben
   1. Haben Sie bei der Ankunft auf dem Gelände der Probenahme eine Person den mehrschichtigen Schwerkraft Filtration Sampler aus einem Container auf dem Deck des Forschungsschiffes entfernen und öffnen Sie den Beutel mit dem Sampler. Dann haben sie die PE-Handschuhe anziehen, verbinden Sie die sechs 4 m thermoplastische Elastomer Schläuche mit Wasser Zapfen von sechs 20 L PTFE-beschichtete Probenahme Flaschen auf dem erhöhten Multi-Flasche Probenahme-Array und führen das Meerwasser in diesem Filtrationseinheit. Das Meerwasser fließt durch die direktionalen Buchten, und Partikel/Plankton wird sanft durch die Netze getrennt/fraktioniert und LDPE-Flaschen, die auf der Basis der Netze gesichert sind in 125 mL zu begleichen.
   2. Nachdem das Meerwasser durch (in der Regel 120 L für Küsten Meerwasser und 240 L für offenen Ozeanwasser) geflossen ist, entfernen Sie jedes Netz in Reihenfolge (Erstens die 153 µm, dann die 63 µm und schließlich die 10 µm) in einem Klasse-100 sauberen Werkbank, dann Sprühen im Netz mit Trace-Metall-clean 0,4 µm f Iltered Meerwasser zu spülen alle Plankton stecken auf der inneren Oberfläche der Netze. Das Meerwasser mit konzentrierter Partikel/Plankton in 125 mL-Polyethylen-Flaschen zu sammeln.
   3. Schrauben Sie diese Flaschen aus den Netzen, und Filtern Sie die Lösungen mit konzentrierter Partikel/Plankton wieder durch eine Säure gewaschen Vakuumfiltration Vorrichtung mit vorab gewogen, säuregewaschen 47 mm 10 µm Porengröße Polycarbonat Filter unter niedrig-Vakuum Bedingungen (< 5 kPa).
   4. Um Partikel/Plankton kleiner als 10 µm zu sammeln, warten Sie mindestens 20 L Meerwasser zu durchfließen der Sampler, dann danach, zwei bis fünf Liter Wasser in den 5 L PE-Behälter sammeln und Filtern diese Probe Gewässer durch eine Säure gewaschen Vakuumfiltration-Vorrichtung mit vorgewogene, säuregewaschen, 47mm, 0,4 µm Pore Größe Polycarbonat Filter.
   5. Spülen Sie nach Vakuumfiltration die Probenahmefilter mit hochreinem Wasser DDW, das Entfernen von Meerwasser, Meersalz Beeinflussung bestimmen die trockene Gewichte der Partikel/Plankton zu minimieren. Halten Sie die Spülung, nur ein paar Milliliter beschädigen das fragile Plankton zu verhindern.
   6. Dann, nach dieser Spülung Schritt sorgfältig entfernen Sie den Filter aus der Vakuumfiltration, speichern Sie die Probenahmefilter in Säure gewaschen, vorgewogene Acryl Kunststoff Petrischalen und in wiederverschließbaren Plastiktüten versiegeln. Halten Sie die Taschen in Tiefkühltruhe an Bord-20 ° c bis zu seiner Rückkehr ins Land ansässige Labor für weitere Vorbehandlung und chemische Analyse von Proben.

3. Probe-Behandlung

1. Frieren Sie ein, Trocknen und die Verdauung von Partikeln
   1. Setzen Sie die Filter mit Partikel-Proben in der Kollektor-Kammer der Gefriertrocknung Maschine, und die Maschine einschalten. Als die Maschinentemperatur-40 ° C erreicht, schalten Sie die Vakuumpumpe der Maschine und starten Sie die Gefriertrocknung Prozesse zu.
      Hinweis: Das Vakuumniveau stetig unter 0,12 mBar aufrechterhalten werden. Bitte lesen Sie die Bedienungsanleitung sorgfältig und befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers für jeden Schritt.
   2. Nach 72 h die Gefriertrocknung Maschine ausschalten, entfernen Sie die getrockneten Filter und sie wiegen. Dann legen Sie getrocknete Beispielfilter in vorgewogene Perfluoroalkoxy Alkan (PFA) Schiffe (60 mL Fassungsvermögen), und fügen Sie 3 mL konzentrierter Salpetersäure ultrapure in die Schiffe^2,3,6,7.
   3. Ziehen Sie die Gefäße mit einem Drehmomentschlüssel auf ein konstantes Drehmoment von 2,5 kg-m, und legen Sie die Schiffe in einem konventionellen Ofen bei 130 ° C für 12 h für die erste Sequenz der Verdauung. Nach dem Abkühlen die Schiffe aus dem Ofen nehmen, die Gefäße zu öffnen, und 2 mL ultrapure Flusssäure in die Schiffe^2,3,6,7.
   4. Ziehen Sie die Gefäße mit einem Drehmoment von 2,5 kg-m, und legen Sie die Schiffe in einem konventionellen Ofen bei 130 ° C für 12 h, welches die zweite Sequenz der Verdauung ist. Nach dem Abkühlen, öffnen Sie die Gefäße und 16 mL 4,5 % Ultrareines Borsäurelösung in die Schiffe^2,3,6,7.
   5. Ziehen Sie die Schiffe, die ein konstantes Drehmoment von 2,5 kg-m, und verdauen Sie die Proben im Backofen bei 130 ° C für 12 h für die endgültige Verdauung-Sequenz zu. Nach dem Abkühlen wiegen Sie jedes Schiff und bestimmen Sie die endgültige Masse und spezifische Masse der jeweiligen verdaute Lösung um eine endgültige Digestivum Volumen zu erzielen.
      Hinweis: Spezifische Masse wird bestimmt durch die Messung des Gewichts der genau 1,00 mL Digestivum.
   6. Gießen Sie vorsichtig die Digestivum in 30 mL Säure gereinigte PE-Flasche für weitere Metall Spurenanalyse.
2. Spurenanalyse Metall
   1. Bestimmen Sie die Ablaufverfolgung Metallkonzentrationen (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni und Al) in verdauliche Lösungen von Partikeln mit einem Graphit Ofen Atomabsorption Spektrometer (GF-AAS)⁶.
   2. Als ein Genauigkeitstest verwenden zertifiziertes Referenzmaterial (CRM), wie z. B. Meeresablagerungen Referenzmaterialien vom National Research Council of Canada, Mündungs Sediment standard Referenzmaterial vom National Institute of Standards and Technology von der USA und Plankton Referenzmaterial aus Wissenschaft und des Wissens Dienst der Europäischen Kommission. Der Prozess gibt 95 bis 107 % Rückgewinnung von zertifizierten Wert für die Spurenmetalle in das CRM zur Verfügung gestellt.

Ergebnisse

Mit der Entwicklung der modernen Ozeanographie, es ist jetzt eine gängige Praxis, "saubere Techniken" verwenden, um genaue Spur Metallkonzentrationen in marine Partikel oder Plankton zu erhalten. Da die meisten Partikel in natürlichen Gewässern in den niedrigen mg/L µg/L-Bereich sind, ist die Behandlung von großen Mengen von Meerwasser notwendig, geochemische und biologischen Effekte von spurenmetallen auf verschiedene Partikel in ambient Umgebungen zu untersuchen. Mit dem Einsatz vo...

Diskussion

Erhalten zuverlässige Spur Metallkonzentrationen von Plankton und Schwebeteilchen in natürlichen Gewässern, die in der Regel in sehr geringen Konzentrationen vorhanden sind, erfordert große Sorgfalt bei der Probenentnahme, Verarbeitung, Vorbehandlungen und Analyse mit dem Ziel Verringerung der Kontamination. Daher die Verfahren zu entwerfen und bereiten Probenahme Gang, Probenbehälter und Materialien zur Erhebung und prozessproben sind alle wichtigen Schritte in Richtung qualitativ hochwertiger Daten für Spurenmeta...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
thermoplastic elastomer (C-Flex) Tubings	Cole Palmer	EW-06424-67	O.D. 0.635 cm, Opaque White 1/8"ID x 1/4"OD, 25 ft/pack
LDPE Bottle (Nalgene)	ThermoFisher Scientific	2103-0004	125 mL, Nalgene Wide-Mouth LDPE Bottles with Closure
anionic protease enzyme detergent detergent (Tergazyme)	Alconox	1104-1	1×4 lb box (1.8 kg)
Hydrochloric Acid	Sigma-Aldrich	258148	Reagent grade
Nitric acid	Sigma-Aldrich	695025	Reagent grade
alkaline detergnet (Micro)	Cole Palmer	EW-99999-14	Micro-90 Cleaning Solution
polycarbonate filter, 47 mm, 0.4 µm	Sigma-Aldrich	WHA111107	Whatman Nuclepore Track-Etched Membranes, diam. 47 mm, pore size 0.4 μm, polycarbonate
polycarbonate filter, 47 mm, 10 µm	Sigma-Aldrich	WHA111115	Whatman Nuclepore Track-Etched Membranes, diam. 47 mm, pore size 10 μm, polycarbonate
PFA vessel, 60 ml capacity	Savillex	300-060-03	60 mL Digestion Vessel, Flat Interior, Flat Exterior, Buttress Threaded Top
Nitric acid, ultrapure	Seastar Chemicals	N/A	BASELINE Nitric Acid
HF, ultrapure	Seastar Chemicals	N/A	BASELINE Hydrofluoric Acid
Boric acid, ultrapure	Seastar Chemicals	N/A	BASELINE Hydrobromic Acid
polyethylene (PE) gloves	Safty Zone	GDPL-MD-5	Clear Powder Free Polyethylene Gloves
Multiple layer filtering and collecting device	Sino Instrumnets Co. Ltd	not available	Multiple layer filtering and collecting device, CATNET
10 um Nylon filters, Nitex	Dynamic Aqua-Supply Ltd.	NTX 10	Nitex - Standard Widths (40 - 44 inches)
60 um Nylon filters, Nitex	Dynamic Aqua-Supply Ltd.	NTX 60	Nitex - Standard Widths (40 - 44 inches)
150 um Nylon filters, Nitex	Dynamic Aqua-Supply Ltd.	NTX 150	Nitex - Standard Widths (40 - 44 inches)
torque wrench	Halfords	200238	Halfords Professional Torque Wrench 8-60Nm
multi-bottle sampling array, Rosette	General Oceanics	Model 1018	Rosette Sampler
PTFE-coated sampling bottles, GO-Flo	General Oceanics	108020T	GO-Flo water sampler teflon coated
Marine sediment reference materials	National Research Council Canada	MESS-3
Estuarine sediment standard reference material	National Institute of Standards and Technology	1646a
Plankton reference material	The European Commission's science and knowledge service	CRM414