Un apparato multistrato ultra-pulito per la raccolta di plancton marino dimensioni frazionato e particelle in sospensione

Riepilogo

Plancton e particelle in sospensione giocano un ruolo importante nei cicli biogeochimici nell'oceano. Qui, forniamo un metodo ultra-pulito, basso sforzo per la raccolta di varie dimensioni delle particelle e plancton in mare con la capacità di gestire grandi volumi di acqua di mare.

Abstract

Le distribuzioni di numerosi oligoelementi nell'oceano sono fortemente associate con la crescita, la morte e rimineralizzazione del plancton marino e quelli delle particelle sospese/affondamento. Qui, presentiamo un tutto in plastica (polipropilene e policarbonato), filtrazione multistrato sistema per la raccolta del particolato sospeso (SPM) in mare. Questo dispositivo di campionamento ultra-pulito è stato progettato e sviluppato specificatamente per gli studi dell'oligoelemento. Meticolosa selezione di tutti i materiali non metallici e l'utilizzo di una procedura di flusso continuo in linea riduce al minimo qualsiasi possibile contaminazione del metallo durante il campionamento. Questo sistema è stato correttamente testato e ottimizzato per la determinazione di metalli in tracce (ad es., Fe, Al, Mn, Cd, Cu, Ni) sulle particelle di varie dimensioni in acque costiere e aperta dell'oceano. Risultati dal mare cinese del Sud presso la stazione di South East Asia Time-Series (posti) indicano che variazioni diurne e distribuzione spaziale di plancton in zona eufotica può essere facilmente risolto e riconosciuti. Analisi chimica delle particelle di dimensione-frazionato nelle acque superficiali dello stretto di Taiwan suggeriscono che le particelle più grandi (> 153 µm) sono stati per lo più biologicamente derivati, mentre le particelle più piccole (10-63 µm) erano principalmente composto di materia inorganica. Oltre a Cd, le concentrazioni di metalli (Fe, Al, Mn, Cu, Ni) è diminuito con l'aumento di dimensioni.

Introduzione

Le particelle nell'oceano giocano un ruolo importante nei cicli biogeochimici marini¹. La maggior parte delle proprietà delle particelle, quali dimensioni, mineralogia e composizione, può cambiare radicalmente da un contesto geologico o idrografico per un altro². Inoltre, le distribuzioni di elementi nell'oceano inoltre sono associate con il ciclo di vita del fitoplancton marino: crescita, morte, affondando e rimineralizzazione^3,4. Marine particelle estendono almeno 4 ordini di grandezza in dimensione, che vanno da particelle di submicron per grandi aggregati (> 5 mm). La maggior parte delle particelle biologicamente derivate, da processi quali virale Lisi, essudazione, secrezione, produzione di pellet fecali, ecc. Altre particelle sono formate da coagulazione fisica delle cellule, detriti cellulari o lithogenic materiali¹. Varie caratteristiche chimiche e biologiche delle particelle controllano sia i cicli geochimici e processi biologici che si verificano su e all'interno le particelle^4,5,6. Queste particelle sono habitat importanti così come le fonti di cibo per alcuni organismi, come zooplancton o saprotrophs. Di conseguenza, il destino delle particelle è spesso legato alla loro dimensione, che possa essere modificate da processi biologici su e intorno a particelle.

Campionamento marine particelle solitamente richiede filtrazione, ma questo approccio introduce una certa ambiguità nell'individuare le proprietà delle particelle, poiché le particelle marine non sono omogenee in composizione e dimensione. Particelle sospese, composte principalmente da particelle di piccola e bassa densità che sono quasi permanentemente in sospensione, sono mescolate con diverse quantità di particelle più grande e più dense in sospensione solo per un breve periodo di tempo, a seconda delle condizioni idrodinamiche ⁷. i primi rapporti della composizione dei campioni di plancton metallo traccia sono stati raccolti dalla risalita di plancton o sospensione plancton reti su una nave di ricerca⁸. Gli autori spesso trovano particelle di metallo e vernice chip nei campioni, suggerendo un grave problema di contaminazione durante il campionamento di particelle marine per l'analisi chimica. Altri sforzi includono netto traino di gommoni o utilizzando un cloruro di polivinile (PVC)-mano verricello³. La difficoltà di campionamento affidabile delle particelle fa progressi nella nostra comprensione della composizione chimica delle particelle marine più difficile, soprattutto per gli oligoelementi. Come tale, più cruciali informazioni sulla concentrazione di oligoelementi in fitoplancton sono venuto dalla cultura studi^9,10. Questo riconoscimento ha motivato gli scienziati marini per creare nuovi metodi per lo studio delle particelle nel mare negli ultimi trent'anni¹¹.

Gli oceanografi hanno usato varie tecniche di campionamento, compreso la fiancata della nave filtrazione, in situ , e sedimenti trappole¹¹. L'elaborazione di grandi volumi di acqua di mare per raccogliere campioni non contaminati può essere difficile, soprattutto per il mare aperto e acque profonde in cui la concentrazione di particelle sono molto bassa (0.001 - 0.1 mg/L). Inoltre è necessario filtrare grandi volumi di acqua di mare per ottenere un'adeguata quantità di particelle per misurare le concentrazioni di metallo traccia. Alcuni ricercatori hanno usato il metodo dimensione-frazionamento per separare particelle sospese dall'affondamento di particelle. Tuttavia, la forma, porosità, densità e dimensione delle particelle può tutte le particelle di influenza le velocità di affondamento. Trappole di sedimenti non sono strumenti pratici per raccogliere le particelle in sospensione, poiché quelli sono progettati per l'affondamento di particelle. Pertanto, è importante sviluppare metodi di campionamento e trattamento che possono raccogliere una quantità sufficiente di particelle in sospensione con contaminazione minima. Quindi, dimensione-frazionamento mediante filtrazione in situ è ancora un promettente strumento nel pannello strumenti di campionamento dell'oceanografo, poiché si possono rivelare informazioni critiche sulle dinamiche delle particelle marino. Qui, descriviamo una collaudata con successo traccia-metallo-pulire, filtrazione multistrato gravità campionamento apparato, che può trattare grandi volumi (120-240 L) di acqua di mare a bordo in una sola passata da politetrafluoroetilene (PTFE) rivestito bottiglie di campionamento di acqua in un matrice di campionamento multi-bottiglia. Questo apparato di campionamento utilizza reti di nylon sintetico acido lavato in sequenza, e le reti sono racchiusi all'interno di un contenitore in policarbonato per raccogliere delicatamente frazionati dimensione sospesa materia e fitoplancton^{12,13, 14,15} (Figura 1). Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire uno strumento migliore per studiare le associazioni di particella di metallo e le loro dinamiche di reazione negli ambienti marini e migliorare la nostra comprensione del destino di una vasta gamma di plancton e particelle di metalli in traccia in questi ambienti.

Protocollo

Il seguente protocollo coinvolge funzionare con sostanze chimiche nocive. Si prega di leggere attentamente le schede di dati di sicurezza (SDS) e seguire le linee guida istituzionali sulla sicurezza chimica.

1. multi-strato gravità filtrazione Sampler preparazione

1. Campionatore di pulizia
   1. Riempire l'unità della tubazione e filtrazione con 1% (p/v) di soluzione detergente anionico proteasi enzima e ammollo per 24 h. Flush il campionatore di filtrazione multistrato gravità con dell'acqua distillata doppia osmosi inversa (RO-DDW) accuratamente, poi riempire con 0.1% (v/v) acido cloridrico (HCl, Reagent Grade) e ammollo per 72 h.
   2. Sciacquare bene il campionatore di filtrazione multistrato gravità con osmosi inversa acqua deionizzata distillata doppia (RO-DD-DIW) tre a cinque volte, almeno 20 litri ogni volta e conservare l'assemblaggio in sacchetti di plastica.
2. Particella contenitore pulizia/preparazione del campione
   1. È possibile utilizzare fluorurati etilene propilene (FEP, 125 mL) bottiglie o polietilene a bassa densità (LDPE, 125 mL) come contenitori per le particelle. Per pulire le bottiglie, li ammollo prima in detergente alcalino (Micro, 1%), poi a 50% (v/v) di acido nitrico (HNO₃, Reagent Grade), quindi soluzioni di HCl 10% (v/v) per almeno 24, 48 e 24 h, rispettivamente. Sciacquare le bottiglie con acqua deionizzata (RO-DD-DIW) tra i due passaggi di immersione totale.
   2. Dopo un finale HCl ammollo, sciacquare le bottiglie accuratamente con acqua deionizzata (RO-DD-DIW) e asciugare le bottiglie in un banco pulito camera pulita o classe-100.
      Attaccare la bottiglia pulita per il campionatore di filtrazione multistrato gravità o tenuta pulita bottiglie in PE sacchetti con zip e doppio-borsa li per il trasporto.
3. Assemblaggio del campionatore di filtrazione multistrato gravità
   1. Connettere sei tubi di elastomero termoplastico lungo chimicamente resistente 4 m (diametro esterno di 0,635 cm) alle sei entrate direzionale in cima il campionatore.
   2. Assemblare i tre filtri in nylon maglia differente con contenitori di campioni di polietilene a bassa densità (125 mL LDPE) in sequenza in una camera pulita (panca) dopo sono puliti (Vedi sotto), con il filtro a rete 10 µm posizionato sulla parte esterna, il filtro a maglia 63 µm nella medio e il filtro a maglia 153 µm all'interno. Per il trasporto, conservare il campionatore di filtrazione multistrato gravità in due strati di sacchetti di polietilene (PE), quindi inserirlo nel contenitore per la spedizione in polipropilene (PP).

2. il campionamento

1. Raccolta del campione
   1. All'arrivo presso il sito di campionamento, è necessario avere una persona rimuovere il campionatore di filtrazione multistrato gravità da un container sul ponte della nave da ricerca e aprire la borsa con il campionatore. Poi, li hanno messo i guanti di PE, collegare i sei tubi di 4m in elastomero termoplastico per le spine di acqua delle bottiglie per il campionamento di sei 20 rivestite in PTFE L sulla matrice elevati della multi-bottiglia campionamento e guida l'acqua di mare in questa unità di filtrazione. L'acqua di mare fluirà attraverso le insenature direzionale, e il plancton/particelle saranno separati/frazionato delicatamente attraverso le reti e stabilirsi in 125 mL flaconi LDPE che sono fissati alla base delle reti.
   2. Dopo l'acqua di mare ha fluito attraverso (solitamente 120 L per acqua di mare nelle zone costiere e 240 L per acqua di mare aperto), rimuovere ogni rete in sequenza (in primo luogo, il µm 153, poi il 63 µm e infine il 10 µm) in un banco pulito di classe-100, poi spruzzare la rete con traccia-metallo-pulire 0,4 µm f iltered acqua di mare per lavare qualsiasi plancton bloccato sulla superficie interna delle reti. Raccogliere l'acqua di mare con concentrato di particelle/plancton in flaconi di polietilene 125 mL.
   3. Svitare queste bottiglie dalle reti e filtrare le soluzioni con particelle/plancton concentrato ancora una volta attraverso un apparecchio di filtrazione sotto vuoto lavata con acido con pre-pesati, lavata con acido 47mm, filtri da 10 µm in policarbonato dimensioni dei pori sotto basso vuoto condizioni (< 5 kPa).
   4. Per raccogliere le particelle/plancton inferiore a 10 µm, attendere almeno 20 L di acqua di mare a fluire attraverso il campionatore, quindi dopo che, raccogliere due a cinque L di acqua nel contenitore 5 L PE e filtrare queste acque di campione da un apparato di filtrazione sotto vuoto acido lavato con filtri di pre-pesati, lavata con acido, 47-mm, 0.4-µm poro formato in policarbonato.
   5. Dopo filtrazione sotto vuoto, sciacquare i filtri di esempio con elevata purezza acqua DDW per rimuovere il residuo di acqua di mare, riducendo al minimo l'influenza dei sali marini su come determinare i pesi a secco di particelle/plancton. Tenere il volume di risciacquo a solo un paio di millilitri per evitare di danneggiare il fragile plancton.
   6. Quindi, dopo questa fase di risciacquo, rimuovere delicatamente il filtro dall'unità di filtrazione sotto vuoto, archiviare i filtri del campione di pre-pesati, lavata con acido acrilici plastica Petri e sigillare in sacchetti di plastica richiudibili. Tenere i sacchetti in un congelatore a-20 ˚ c a bordo fino a ritornare indietro verso un laboratorio terrestri per ulteriori analisi di pretrattamento e chimica del campione.

3. il campione trattamento

1. Congelare l'essiccazione e la digestione delle particelle
   1. Posizionare i filtri con campioni di particelle nella camera di raccolta della macchina liofilizzazione e accendere la macchina. Come la temperatura della macchina raggiunge i-40 ° C, accendere la pompa del vuoto della macchina e avviare i processi di liofilizzazione.
      Nota: Il livello di vuoto deve essere mantenuto costantemente inferiore a 0,12 mBar. Si prega di leggere attentamente il manuale e attenersi alle indicazioni del produttore per ogni passaggio.
   2. Dopo 72 h, spegnere la macchina liofilizzazione, rimuovere i filtri secchi e pesarli. Quindi, inserire filtri campione essiccato in vasi di perfluoroalkoxy pre-pesati alcano (PFA) (60 mL di capacità) e aggiungere 3 mL di acido nitrico ultrapuro concentrato nel vasi^2,3,6,7.
   3. Stringere i vasi sanguigni con una chiave dinamometrica alla coppia costante di 2,5 kg-m e posizionare i vasi in un forno convenzionale a 130 ° C per 12 h per la prima sequenza di digestione. Dopo il raffreddamento, togliere i vasi dal forno, aprire i vasi e aggiungere 2 mL di acido fluoridrico ultrapura nel vasi^2,3,6,7.
   4. Stringere i vasi sanguigni con una coppia di 2,5 kg-m e posizionare i vasi in un forno convenzionale a 130 ° C per 12 h, che è la seconda sequenza di digestione. Dopo il raffreddamento, i vasi aperti e aggiungere 16 mL di soluzione di acido borico ultra-puro del 4,5% nel vasi^2,3,6,7.
   5. Stringere i vasi sanguigni per una coppia costante di 2,5 kg-metri e digerire i campioni in forno a 130 ° C per 12 h per la sequenza finale della digestione. Dopo il raffreddamento, pesare ogni nave e determinare la messa conclusiva e la massa specifica di ciascuna soluzione digerita per produrre un volume di enzima finale.
      Nota: Massa specifica è determinata misurando il peso esattamente 1,00 ml di enzima.
   6. Attentamente, versare 30 mL acido puliti PE bottiglia per ulteriore analisi dei metalli traccia l'enzima.
2. Analisi dei metalli traccia
   1. Determinare le concentrazioni del metallo traccia (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni e Al) nelle soluzioni digeriti di particelle usando un forno di grafite assorbimento atomico spettrometro (GF-AAS)⁶.
   2. Come un test di precisione, utilizzare materiali di riferimento certificati (CRM), come materiali di riferimento di sedimenti marini dal National Research Council of Canada, materiale di riferimento standard di sedimenti d'estuario dal National Institute of Standards e tecnologia della Stati Uniti d'America e materiale di riferimento di plancton da servizio di scienza e conoscenza della Commissione europea. Il processo dà 95% al 107% recupero del valore certificato per i metalli traccia forniti nel CRM.

Risultati

Con lo sviluppo di oceanografia moderna, è ora una pratica comune utilizzare "tecniche di puliti" per ottenere accurata traccia metallo concentrazioni nelle particelle marine o plancton. Poiché la maggior parte delle particelle nelle acque naturali sono in mg/L basso alla gamma di µ g/L, il trattamento di grandi volumi di acqua di mare è necessario studiare la geochimici e biologici effetti di metalli in traccia su varie particelle in ambiente ambienti. Con l'uso di tecniche di campio...

Discussione

Come ottenere affidabile traccia metallo concentrazioni di plancton e particelle in sospensione nelle acque naturali, che sono generalmente presenti a concentrazioni molto basse, richiede grande attenzione durante la raccolta del campione, elaborazione, pretrattamenti e analisi, con l'obiettivo di riducendo la contaminazione. Di conseguenza, le procedure per progettare e preparare l'attrezzatura di campionamento, contenitori per campioni e materiali utilizzati per raccogliere e campioni di processo sono tutti elementi cr...

Materiali

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