Un aparato de múltiples capas ultra limpio para recoger plancton marino tamaño fraccionado y partículas en suspensión

Resumen

Plancton y partículas en suspensión juegan un papel importante en los ciclos biogeoquímicos en el mar. Aquí, nos proporcionan un método ultra limpia y bajo estrés para la colección de varios tamaños de partículas y plancton en el mar con la capacidad de manejar grandes volúmenes de agua de mar.

Resumen

Las distribuciones de muchos elementos de rastro en el océano están fuertemente asociadas con el crecimiento, muerte y re-mineralización de plancton marino y de partículas suspendidas/que se hunde. Aquí, presentamos un todo plástico (polipropileno y policarbonato), filtración de múltiples capas el sistema para colección de partículas en suspensión (SPM) en el mar. Este dispositivo de muestreo ultra-clean ha sido diseñado y desarrollado específicamente para estudios de elementos traza. Cuidada selección de todos los materiales no metálicos y la utilización de un procedimiento de flujo en línea reduce al mínimo cualquier posible contaminación metálica durante el muestreo. Este sistema ha sido con éxito probado y ajustado para determinar metales traza (p. ej., Fe, Al, Mn, Cd, Cu, Ni) en partículas de diferente tamaño en aguas del océano costero y abierto. Resultados desde el mar de China del sur en la estación de Series de tiempo del sur de Asia Oriental (asientos) indican que variaciones diurnas y distribución espacial del plancton en la zona eufótica pueden ser fácilmente resuelto y reconocidos. Análisis químico de las partículas tamaño fraccionado en las aguas superficiales del estrecho de Taiwán sugiere que las partículas más grandes (> μm 153) se derivaron principalmente biológico, mientras que las partículas más pequeñas (10-63 μm) fueron compuestas sobre todo de materia inorgánica. Aparte de Cd, las concentraciones de metales (Fe, Al, Mn, Cu, Ni) disminuyeron con el aumento de tamaño.

Introducción

Partículas en el océano juegan un papel importante en los ciclos biogeoquímicos marinos¹. La mayoría de las propiedades de partículas, tales como tamaño, mineralogía y composición, puede cambiar profundamente de una configuración geológica o hidrográfica a otros². Además, las distribuciones de elementos en el océano también están asociadas con el ciclo de vida del fitoplancton marino: crecimiento, muerte, hundimiento y remineralización^3,4. Partículas marinas abarcan por lo menos 4 órdenes de magnitud de tamaño, que van desde partículas de submicron para agregados grandes (> 5 mm). Mayoría de las partículas se deriva biológicamente, de procesos como la lisis viral, exudación, secreción, producción de pellets fecales, etcetera. Otras partículas se forman por coagulación física de células, detritos celulares o litogénico materiales¹. Diversas características químicas y biológicas de las partículas de controlan los ciclos geoquímicos y procesos biológicos que ocurren en y dentro de las partículas^4,5,6. Estas partículas son hábitats importantes como fuentes de alimento para algunos organismos, como el zooplancton o safrofitos. Por consiguiente, el destino de las partículas a menudo relaciona con su tamaño, lo cual puede ser modificada por procesos biológicos en y alrededor de las partículas.

Muestreo de partículas marinas generalmente requiere filtración, pero este enfoque presenta una cierta ambigüedad en la identificación de las propiedades de las partículas, ya que partículas marinas no son homogéneas en composición y tamaño. Las partículas suspendidas, principalmente compuestas de partículas pequeñas y de baja densidad que están casi permanentemente en suspensión, se mezclan con cantidades variables de mayor tamaño y densidad de las partículas en suspensión sólo por un corto período de tiempo, dependiendo de las condiciones hidrodinámicas ⁷. los primeros informes de la composición del metal de rastro de las muestras de plancton fueron recogidos por arrastres de plancton o suspender redes de plancton en un buque de investigación⁸. Los autores a menudo encontraron partículas de metal y pintan chips en muestras, lo que sugiere un problema grave de contaminación durante el muestreo de partículas marinas para el análisis químico. Otros esfuerzos incluyen la red remolque de balsas de goma o con un cloruro de polivinilo (PVC)-mano cabrestante³. La dificultad de muestreo confiable de partículas avanza en la comprensión de la composición química de partículas marinas más difícil, especialmente para elementos traza. Así, información más crucial en la concentración de elementos traza en fitoplancton proviene de cultura estudios^9,10. Este reconocimiento ha motivado a los científicos marinos para crear nuevos métodos para el estudio de las partículas en el mar durante los últimos treinta años¹¹.

Oceanógrafos han utilizado varias técnicas de muestreo, incluyendo filtración a bordo, filtración en situ , y trampas de sedimento¹¹. El procesamiento de grandes volúmenes de agua de mar para obtener muestras no contaminadas puede ser difícil, especialmente para mar abierto y aguas profundas, en el que las concentraciones de partículas son muy bajas (0.001 - 0.1 mg/L). También es necesario filtrar grandes volúmenes de agua de mar para obtener una cantidad adecuada de partículas para medir concentraciones de metales traza. Algunos investigadores han utilizado el método de fraccionamiento de tamaño para separar las partículas suspendidas se depositen las partículas. Sin embargo, forma, porosidad, densidad y tamaño de partícula pueden toda partícula de influencia velocidades de hundimiento. Trampas de sedimentos no son herramientas prácticas para recoger las partículas en suspensión, ya que aquellos están diseñados para hundir las partículas. Por lo tanto, es importante desarrollar métodos de muestreo y el tratamiento que pueden recoger suficientes cantidades de partículas en suspensión con la mínima contaminación. Por lo tanto, tamaño-fraccionamiento por filtración de situ todavía es una herramienta prometedora en la caja de herramientas de muestreo de oceanógrafo, ya que puede revelar información crítica sobre la dinámica de la partícula Marina. Aquí, describimos una prueba con éxito limpieza de metales traza, filtración de múltiples capas gravedad muestreo aparato, que puede tratar grandes volúmenes (120-240 L) de agua de mar a bordo en una sola pasada de politetrafluoroetileno (PTFE) recubierto de botellas de muestreo de agua en un matriz multi-botella de muestreo. Este aparato de muestreo utiliza redes de nylon sintético ácido lavado en secuencia, y las redes son incluidas dentro de un contenedor de policarbonato para recoger suavemente fraccionado tamaño suspendidas materia y fitoplancton^{12,13, 14,15} (figura 1). El objetivo de este trabajo es proporcionar una mejor herramienta para el estudio de las asociaciones de partículas de metal y su dinámica de reacción en el medio marino y mejorar nuestra comprensión del destino de una amplia variedad de plancton, las partículas y metales traza en estos ambientes.

Protocolo

El siguiente protocolo implica trabajar con productos químicos nocivos. Por favor lea las hojas de datos de seguridad (SDS) y seguir las pautas institucionales de seguridad química.

1. múltiples capas gravedad filtración Sampler preparación

1. Dechado de limpieza
   1. Llene la unidad de filtración y tubo de 1% (p/v) de solución de detergente aniónico proteasa enzima y remójela durante 24 h. al ras el dechado de filtración de gravedad de múltiples capas con agua destilada doble ósmosis reversa (RO-DDW) completamente, luego llenarlo con un 0,1% (v/v) ácido clorhídrico (HCl, grado reactivo) y remojo durante 72 h.
   2. Enjuagar bien el dechado de filtración de gravedad de múltiples capas con osmosis inversa agua bidestilada desionizada (RO-DD-DIW) tres a cinco veces, por lo menos 20 litros por cada vez y guardar al conjunto en bolsas de plástico.
2. Partículas envase limpieza/Preparación de la muestra
   1. Uso de polietileno de baja densidad (LDPE, 125 mL) o fluorado etileno propileno (FEP, 125 mL) botellas como recipientes para las partículas. Limpiar las botellas sumergiéndolas primero en un detergente alcalino (Micro, 1%), luego en 50% (v/v) de ácido nítrico (HNO₃, grado reactivo), a continuación, soluciones de ácido clorhídrico 10% (v/v) para por lo menos 24, 48 y 24 h, respectivamente. Enjuague las botellas con agua desionizada (RO-DD-DIW) entre los dos pasos de remojo.
   2. Después de un final HCl remojo, enjuagar las botellas con agua desionizada (RO-DD-DIW) y secar las botellas en un banco limpio de la habitación o clase-100.
      Colocar el frasco limpio en el sampler de filtración multicapa gravedad o sello limpiar las botellas en bolsas con cremallera de PE y bolsa de doble les para transporte.
3. Ensamblaje del dechado de filtración de múltiples capas de gravedad
   1. Conectar seis tubos de elastómero termoplástico largo químicamente resistente de 4 m (diámetro exterior de 0,635 cm) a las seis entradas direccionales en la parte superior el sampler.
   2. Montar los tres filtros de diferente malla nylon con envases de polietileno de baja densidad muestra (125 mL polietileno de baja densidad) en orden en una sala limpia (Banco) después de que se limpian (véase abajo), con el filtro de malla de 10 μm colocado en el exterior, el filtro de malla de 63 μm en el medio y el filtro de malla de 153 μm en el interior. Para el transporte, almacenar el dechado de filtración de gravedad de múltiples capas en dos capas de bolsas de polietileno (PE) y, a continuación, colóquelo en el contenedor de polipropileno (PP).

2. muestreo

1. Recogida de muestras
   1. A su llegada en el sitio de muestreo, que una persona Retire el dechado de filtración de múltiples capas de gravedad de un contenedor de carga en la cubierta del buque de investigación y abrir la bolsa con el sampler. Tienen a continuación, colóquese los guantes del PE, conectar los seis tubos de elastómero termoplástico de 4 m a los grifos de agua de botellas de muestreo recubiertas de PTFE L seis 20 en la matriz de muestreo multi-botella elevado y guiar el agua de mar en esta unidad de filtración. El agua fluirá a través de las boquillas direccionales, y partículas/plancton será separado/fraccionado suavemente a través de las redes y asentarse en la 125 mL botellas de polietileno de baja densidad que son asegurados en la base de las redes.
   2. Después de que el agua de mar ha atravesado (generalmente 120 L de agua de mar costera y 240 L de agua de mar abierto), retire cada red de secuencia (en primer lugar, 153 μm, entonces el 63 μm y finalmente el 10 μm) en un banco limpio de clase 100, luego rocíe la red con rastro-metal-limpieza 0.4 μm f iltered agua de mar para enjuagar cualquier plancton pegado en la superficie interna de las redes. Recoger el agua de mar con concentración partículas/plancton en botellas de polietileno de 125 mL.
   3. Desenroscar las botellas de las redes y las soluciones con concentración partículas/plancton nuevamente a través de un aparato de filtración de vacío lavado con ácido con de filtro previamente pesado, lavado con ácido 47 mm, filtros de policarbonato de tamaño de poro de 10 μm bajo vacío condiciones (< 5 kPa).
   4. Para recoger las partículas/plancton más pequeño que 10 μm, espere por lo menos 20 L de agua de mar atraviesan el dechado, entonces después de eso, recoger de dos a cinco litros de agua en el recipiente de 5 L PE y filtrar estas aguas muestra un aparato de filtración de vacío lavado con ácido con filtros de policarbonato de tamaño de poro previamente pesado, lavado con ácido, 47mm, 0.4 μm.
   5. Después de la filtración de vacío, enjuague los filtros muestra inmediatamente con alta pureza agua DDW para eliminar los residuos de agua de mar, minimizando la influencia de sales marinas en determinar el peso seco de las partículas/plancton. Mantenga el volumen de enjuague a sólo un par de mililitros para evitar dañar el plancton frágil.
   6. Entonces, después de este paso de lavado, retire con cuidado el filtro de la unidad de filtración de vacío, almacenar los filtros de muestra en cajas previamente pesado, lavado con ácido acrílico plástico Petri y sellar en bolsas resellables de plástico. Mantener las bolsas en un congelador de-20 ° c a bordo hasta regresar a un laboratorio en tierra para más muestra pretratamiento y análisis químico.

3. muestra tratamiento

1. Congelación de secado y digestión de partículas
   1. Colocar los filtros con las muestras de partículas en la cámara del colector de la máquina de liofilización y encender la máquina. Como la temperatura de la máquina alcanza los-40 ° C, en la bomba de vacío de la máquina y lo procesos de liofilización.
      Nota: El nivel de vacío debe ser mantenido constantemente por debajo de 0.12 mBar. Por favor lea el manual del usuario detenidamente y siga las instrucciones del fabricante para cada paso.
   2. Después de 72 h, apague la máquina de la liofilización, quite los filtros secos y pesarlos. Luego, colocar filtros de muestra seca en recipientes de alcano (PFA) de perfluoroalkoxy previamente pesado (capacidad de 60 mL) y añadir 3 mL de ácido nítrico ultrapuro concentrado en los vasos^2,3,6,7.
   3. Apriete los vasos con una llave dinamométrica a un par constante de 2,5 kg-m y colocar los vasos en un horno convencional a 130 ° C durante 12 h para la primera secuencia de la digestión. Después de enfriar, retire los recipientes del horno, abrir los vasos y añadir 2 mL de ácido fluorhídrico alta puro en los vasos^2,3,6,7.
   4. Apriete los vasos con un par de 2,5 kg-m y colocar los vasos en un horno convencional a 130 ° C por 12 h, que es la segunda secuencia de digestión. Después de enfriar, abrir los vasos y añadir 16 mL de solución de ácido bórico ultra puro del 4,5% en los vasos^2,3,6,7.
   5. Apriete los vasos con un par constante de 2,5 kg-metros y digerir las muestras en estufa a 130 ° C durante 12 h para la secuencia final de la digestión. Después de enfriar, pesar cada buque y determinar la masa final y masa específico de cada solución digerida para obtener un volumen final digestivo.
      Nota: Masa específica se determina midiendo el peso exactamente 1,00 ml de digestivo.
   6. Vierta con cuidado el digestivo en 30 mL ácido limpia botella del PE para su posterior análisis de metales traza.
2. Análisis de trazas metálicas
   1. Determinar la traza concentraciones de metales (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni y Al) en soluciones digeridas de partículas usando un horno de grafito absorción atómica espectrómetro (GF-AAS)⁶.
   2. Como una prueba de precisión, utilizar material de referencia certificado (CRM), como materiales de referencia de sedimentos marinos del Consejo de investigación nacional de Canadá, material de referencia estándar de sedimentos estuarinos del Instituto Nacional de estándares y tecnología de la Estados Unidos y material de referencia de plancton del servicio ciencia y el conocimiento de la Comisión Europea. El proceso da recuperación de 95% a 107% del valor del certificado para los metales de rastro en el CRM.

Resultados

Con el desarrollo de la oceanografía moderna, es ahora una práctica común utilizar "técnicas limpias" para obtener la traza precisa concentraciones de metales en partículas marina o plancton. Puesto que la mayoría de las partículas en las aguas naturales está en el bajo mg/L a gama de μg/L, el tratamiento de grandes volúmenes de agua de mar es necesario investigar los efectos biológicos y geoquímicos de metales traza en varias partículas en entornos de ambiente. Con el uso de...

Discusión

Seguimiento confiable la obtención de concentraciones de metales en el plancton y las partículas en suspensión en las aguas naturales, que están generalmente presentes en concentraciones muy bajas, requiere gran cuidado durante la recogida de muestras, procesamiento, pretratamientos y análisis, con el objetivo de reducción de la contaminación. Por lo tanto, los procedimientos para diseñar y preparar el equipo de muestreo, contenedores y materiales usados para recoger y muestras del proceso son todos críticos pas...

Materiales

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