This research was supported by the German Federal Ministry of Research and Education to Project Management Julich (PtJ). The authors thank Mr. Ulf L&#252;der, for technical support in the biochar laboratory. The authors are also thankful to Ms. Maria Sanchez, and Mr. Jonas Nekat for their volunteer activities in the biogas, and analytical laboratory, respectively. Marcel Schmidt and Antje Schmidt are also acknowledged for their valuable efforts on videography and editing.

1. Digestione Anaerobica della paglia di grano Nota: Per la digestione anaerobica in 39 reattori L UASs, utilizzare 5-65 mm di lunghezza braciole di paglia di frumento crudo come mangime. Il contenuto di sostanza secca organica della materia prima in questo particolare esperimento è stato 85,9% e la frazione di fibra grezza è stata del 46,3%. I reattori UASs sono realizzati in acciaio inossidabile con una finestrella in vetro acrilico. Due 30 L filtro anaerobico (AF) sono combinati con ogni reattore UASs 39 L. AFS sono costruiti in vetro acrilico trasparente. Lo schema dei sistemi di reattori sono mostrati in Figura 2 e progettazione architettonica descritto altrove 4. Dettagli sulla inoculazione e la messa in reattori sono indicati altri 5. <ol><li> Riempire ogni AF con 325 vettori polietilene biofilm a forma di botte. Nota: I vettori biofilm utilizzati hanno una superficie di 305 m 2 / m 3. </li><li> Impostare le pompe d&#39;acqua per la circolazione del liquido di processoin entrambi i reattori mesofili e termofili per una portata di 1,15 l / h. </li><li> Impostare bagni riscaldamento al livello di temperatura del reattore desiderata, 37 ° C per la mesofila e 55 ° C per il reattore termofilo. </li><li> Per l&#39;alimentazione quotidiana dei reattori UASs, peso 120 g FM di paglia di grano (= 99,5 g VS) per ogni reattore per raggiungere un tasso di carico organico pari a 2,5 g VS / L · giorno. </li><li> Aperto UASs &#39;tubo di alimentazione e rimuovere il timbro. </li><li> Versare paglia di grano nel tubo di alimentazione diagonale e spingerlo nella parte inferiore del reattore con l&#39;aiuto del timbro alimentazione. Da lì, la paglia galleggia contro un setaccio e formare il letto a stato solido. </li><li> Pulire la superficie di tenuta per accertarsi, è a tenuta di gas e quindi chiudere il tubo di alimentazione. </li><li> Le pompe In continuo, trasmettendo 1.2 L / h liquore processo attraverso il sistema del reattore (UASs e AF). </li><li> Misurare il flusso di biogas continuamente tramite tamburo mete gasrs e conservare in un sacchetto di gas 20 L. Nota: l&#39;uscita dalla borsa del gas per l&#39;analizzatore di biogas. Nell&#39;analizzatore biogas, CH 4, H 2 S, O 2, CO 2 e H 2 sono misurate. Prima il biogas deve passare 3 diversi filtri per rimuovere l&#39;umidità, e altri composti tossici che sono nocivi per il rivelatore. L&#39;analizzatore deve essere tarato una volta in una settimana per un accurato composizione del biogas. </li><li> Misurare biogas composizione regolarmente utilizzando un analizzatore di biogas industriale. Nota: L&#39;analizzatore di biogas può misurare solo il biogas quando la borsa biogas è almeno mezzo pieno. Per la misurazione della composizione del biogas, la valvola al sacchetto gas deve essere aperto e attendere la composizione biogas costante (ci vogliono circa 20-30 sec). </li><li> Per il controllo di processo, misurare il pH e la temperatura online utilizzando installato pH-metro e termometro. </li><li> Rimuovere circa 3 kg di digestato (80-90% wet) una volta a settimana, che dà un tempo di ritenzione di solidi (SRT) of 2-3 settimane. Utilizzare questo digestato come mangime per il processo di HTC. Il biogas prodotto in seguito è sufficiente per estrudere l&#39;aria e creare condizioni anaerobiche entro poche ore. </li><li> Analizzare liquore di processo e di digestato su base settimanale per le loro proprietà chimiche (pH, EC, TS, VS, acidi grassi, CHNS, ammoniaca, oligoelementi, e da fibra grezza). </li></ol> 2. Idrotermale carbonizzazione della paglia di grano Digestato Nota: Per la carbonizzazione idrotermale del digestato dal punto 1, un lotto di 18 L agitata reattore viene utilizzato. Il controllo e la tempistica di processo viene effettuata tramite controller reattore 4848 e il software SpecView 32 849, in esecuzione su un computer. Nel programma, la temperatura del reattore, temperatura di camicia di riscaldamento, pressione e velocità di agitazione può essere mostrato. Inoltre, il programma per i parametri di processo (temperatura iniziare, temperatura impostata, velocità di riscaldamento, velocità di agitazione) può essere impostato per ogni esperimenti HTC. <ol><li> Pesare 2,5 kgdel digestato paglia con una bilancia con la precisione di 0,1 g e trasferire nel contenitore del reattore. </li><li> Utilizzare lo stesso equilibrio di misurare 10 kg make-up acqua e versarlo nel contenitore del reattore pure. Questo manterrà digestato, rapporto acqua 01:04. </li><li> Prima di chiudere pneumatico, mescolare manualmente il contenuto del reattore per impedire il blocco di elica agitatore. Chiudere il reattore e fissarlo trasversalmente stringendo i bulloni con una forza di 50 Nm. </li><li> Impostare la reazione seguente rampa ammollo: </li><li> Raggiungere la temperatura iniziale di 30 ° C in 15 min dalla temperatura ambiente. <ol><li> Impostare il tempo di riscaldamento per temperatura di reazione di 230 ° C è di 100 min. </li><li> Tenere la temperatura finale di reazione per 6 ore. </li><li> Dopo 6 ore di tempo tiene, raffreddare il reattore di 15 ore a partire da 230 ° C a temperatura ambiente. </li><li> Mescolare il contenuto del reattore a 30 rpm durante tutto il processo HTC completo. </li><li> Spegnere l&#39;agitatore dopo la fase di raffreddamento e psollecitare il gas in un sacchetto gas 20 L. </li><li> Assicurarsi che il gas passa attraverso un separatore di condensa e un filtro a carboni attivi. </li><li> Conservare il gas per ulteriori analisi. </li></ol></li><li> Dopo il campionamento gas, scaricare l&#39;impasto dal recipiente ad un contenitore attraverso una temperatura elevata, la valvola a sfera ad alta pressione e poi filtrare attraverso una maglia con dimensione dei pori di circa 0,5 mm. </li><li> Raccogliere il liquido e tarare il biochar HTC prodotta per determinare la quantità di char HTC-prodotto rispetto alle materie prime. </li></ol> 3. Analisi elementare di Raw, digestato, e HTC Biochar di paglia di grano Nota: Per qualsiasi analisi combustibile solido, un analizzatore o Chons elementare è spesso utilizzato. La composizione elementare del carbonio atomico, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e può essere ottenuto da questa analisi. Da Chons, si può stimare il valore calorifico superiore o valore di energia del combustibile. Inoltre, il tenore di zolfo atomico sarà anche indicmangiato la qualità del combustibile. In questo studio, un analizzatore elementare viene utilizzata per determinare il valore di carburante HTC biochar, paglia di grano crudo e digestato. Come l&#39;analizzatore consente solo un campione molto piccolo, analizzare ciascun campione almeno tre volte per una migliore riproducibilità. <ol><li> In un portacampione (stagno, 6 x 6 x 12 mm), pesare 30 mg di tungsteno (VI) ossido utilizzando il saldo specifico nel pacchetto elementare. Nota: La precisione di un tale equilibrio è di solito 1 mg. Tungsteno (VI) ossido funziona come catalizzatore nell&#39;analizzatore elementare. </li><li> Pesare 5-10 mg di campione secco e mettere nella stessa padella del campione, mescolare, e avvolgerlo. Il campione di dimensione pan avvolto dovrebbe essere di circa 2 x 2 x 5 mm 3. </li><li> Posizionare i campioni nel campionatore automatico. Nota la posizione di ciascun campione e utilizzando acido solfonico in questa analisi elementare come riferimento </li><li> Avviare il software Vario nel computer collegato all&#39;analizzatore Elemental, definire le condizioni, il flusso di gas campione, temperature del2 forni (i due forni sono a 1.150 e 850 ° C, rispettivamente). Quindi, definire i nomi dei campioni secondo le posizioni autosampling. Avviare il programma. La macchina funziona automaticamente, esegue l&#39;analisi, e memorizza i risultati nel computer. Nota: Elemental CHNS sono l&#39;output dell&#39;analizzatore elementare e di solito sono riportati direttamente sullo schermo del computer. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

UASs reattori sono in grado di mitigare le carenze discussi nell&#39;introduzione. Tuttavia, c&#39;è molto spazio di miglioramento. Sistema di alimentazione e il digestato revoca sono ancora manuale. Il sistema UASs affronta problemi di movimentazione materie prime di dimensioni superiori a 60 mm. Il sistema funziona meglio con materie prime fibrose che fluttuano attraverso il liquido, ma altre materie prime come il concime animale e fanghi potrebbe non favorire il sistema UASs. Il sistema UASs è progettato in modo tale che il liquido di processo circola dal reattore per Af al reattore di nuovo. Tuttavia, anche 2-5% solido nel liquido circolante è stato dimostrato di essere problematico, come si depositano nella AF o bloccare l&#39;ingresso del tubo e ostacolano la circolazione del liquido. L&#39;analisi chimica del liquido di processo è importante, come la produzione di acidi grassi liberi e azoto può cambiare il sistema microbica con conseguente produzione di biogas insolito. Il sistema UASs è robusto, e può essere eseguito più di 200 giorni senza mostrare alcuna significazionent problemi. I tubi di collegamento dalle pompe ai reattori ad AFS devono essere sostituiti ogni mese alternativa. Il livello dell&#39;acqua nella vasca deve essere controllato su base settimanale e riempito, se necessario. HTC del digestato surf è molto efficace per il trattamento dei rifiuti, nonché la produzione di biocombustibili solidi. Il dewateribility del prodotto solido sarà inoltre agevolata dal processo HTC come mostrato nella Figura 7. Tuttavia, HTC di digestato deve essere eseguita appena possibile, preferibilmente lo stesso giorno in cui il digestato viene rimosso. In caso contrario, il digestato inizia a degradare biologicamente, che non è favorevole per HTC. Come HTC è una temperatura elevata (200-260 ° C) e ad alta pressione (20-50 bar) processo, con tutte le precauzioni necessarie per tutta la procedura HTC è molto importante. Tutti i collegamenti sono controllati almeno una volta al mese per assicurarsi che siano a tenuta di gas. Liquido di processo HTC ha una maggiore concentrazione di furfurolo, 5-HMF e fenolica compounds, che sono classificati come sostanze tossiche. Quindi, si consiglia di utilizzare una mascherina e guanti durante la manipolazione di processo HTC liquido, soprattutto quando il processo HTC liquore viene drenata dal reattore in un altro contenitore. Anche se HTC ha molti vantaggi per la movimentazione di materie prime bagnato come digestato, è ancora un processo batch. In una valutazione economica, processo batch HTC sarà difficile da giustificare. Più ricerca è quindi tenuto a facilitare il funzionamento continuo di HTC. Analisi elementare è un metodo efficace per substrati solidi omogenei, ma non per substrati eterogenei. Biocombustibili solidi di solito è eterogenea ed elementare analizzatore consente solo il 5-10 mg di dimensione del campione, si raccomanda di effettuare almeno tre repliche e l&#39;uso medio. Un altro limite di analisi elementare è misurare substrati solidi con alto contenuto di ceneri. Analizzatori elementari misurano solo Chons, e non altre sostanze inorganiche. Quindi, analisi elementare di substrati solidi ad alta cenere potrebbe non reveal concentrazioni Chons reali. La preparazione del campione in analisi elementare è vitale, come campione deve essere avvolto con precisione, altrimenti, ci sarà una contraddizione nelle analisi. Valore del combustibile del combustibile solido può essere stimata Chons, ma si consiglia di utilizzare un calorimetro a bomba per una precisa determinazione del valore del carburante. Circa 92-161 L di metano è stato prodotto per chilogrammo di volatili solido nel mangime. Il totale solido o organico volatile solida della paglia di grano secca è stata 86,9%. Digestato secco ha ossigeno e idrogeno minore concentrazione atomico, che è un&#39;altra indicazione di degradazione di polisaccaridi e semplice degradazione zucchero durante la digestione anaerobica 22,23. Inoltre, minore H e O concentrazioni aumentano la HHV del digestato 24. HHV del digestato secco è del 22% superiore a quello asciutto materia prima grezza. I risultati simili si ottengono con una dettagliata analisi statistica da Pohl et al 23. Digestato da digestione anaerobica contiene 80-90% di acqua 6. Questi sono idrofili e l&#39;acqua è parzialmente vincolati in cellule microbiche o vegetali. Di conseguenza disidratazione o essiccazione del digestato è ingombrante e molto alta intensità energetica. Ad esempio, 2 kg di digestato secca lega 8 kg di acqua (80% umido), che richiede 20,7 MJ di calore per asciugare digestato. Inoltre, si tende a bio-degrado in tempi relativamente brevi in condizioni ambientali, perde nutrienti vegetali, e rilascia emissioni di GHG (gas serra) come N 2 O e CH 4. Quindi, nonostante la crescita potenziale energetico, digestato fresco non può essere utilizzato direttamente come combustibile solido. Esso dovrebbe essere asciugato subito dopo la digestione 20. Dalla tabella 1, si può essere dimostrato che il digestato secco ha un simile tenore di carbonio atomico come la paglia grezza, e sono visivamente simili, prima e dopo la digestione anaerobica (Figura 6). Questo suggerisce che la lignina e la cellulosa lignina incrostatosono per lo più non reagito. Tuttavia, una resa di massa del 63% osservata, il che significa paglia elaborati è il 37% più leggero di paglia grezza a secco. Simile concentrazione di carbonio elementare non significa di carbonizzazione si è verificato durante la digestione anaerobica 22. Come mostrato in figura 7, biochar HTC da digestato (termofili) è molto stabile e morbida. A causa del significativo aumento della idrofobicità, può letteralmente immergere in acqua per mesi senza la sua struttura fisica e chimica essere colpiti 12,25. L&#39;idrofobicità migliora anche la disidratazione dei HTC biochar 14. Struttura della paglia non è percepibile nel biochar HTC più, il che significa che la cellulosa potrebbe essere stato reagito. Un carbonizzazione significativo si osserva in HTC biochar insieme alla riduzione dell&#39;ossigeno atomico. Questa è un&#39;altra indicazione di cellulosa essere fatto reagire anziché lignina. Concentrazione di carbonio atomico in lignina è molto superiore a quella della cellulosa 24-29. Come risultato, HTC Biochar ha un HHV di 29,6 MJ / kg, che è 61% superiore paglia crudo e 32% rispetto digestato asciutta, rispettivamente. HHV di HTC paglie trasformati è 28,8 MJ / kg, che è anche simile a quella di HTC digestato paglie trasformati (29,6 MJ / kg). Tuttavia, la resa di massa è più alto in paglia HTC 40,7% rispetto a quello di HTC digestato con il confronto di materia prima grezza. Di conseguenza, se 1 kg di paglia grezza (18,4 MJ) è idrotermicamente carbonizzato, biochar paglia HTC avrà il potenziale di 11,0 MJ. Altrimenti, se stessa quantità viene applicato AD e HTC, un totale bioenergetico 13,2 MJ, in forme di biometano (5.2 MJ) e biochar HTC da digestato (8,0 MJ), può essere prodotto (Figura 8). Inoltre, fase liquida del processo UASs è un potenziale fertilizzante liquido. Inoltre, HTC biochar potrebbe avere maggiore potenziale elevato valore d&#39;uso di materiale o usare come ammendante. Per il sequestro del carbonio o il ciclo del carbonio punto di vista, l&#39;uso di materiali di HTC biochar è più fattibile che la produzione di energia. &lt;/ P&gt; La digestione anaerobica combinata con carbonizzazione idrotermale può produrre bioenergia più rispetto ai singoli processi. Tuttavia, un disegno in cascata è necessario per una migliore efficienza. Il bilancio energetico complessivo, seguito da una valutazione economica, è necessaria per convalidare questo processo. La ricerca futura dovrebbe includere l&#39;uso di HTC liquori e di post-trattamento (chimico o biologico) di HTC biochar. Inoltre, sarà necessaria automazione sia UASs e sistemi HTC. Questo studio è stato condotto utilizzando un UASs scala di laboratorio e reattore HTC, ma scale-up del processo sarebbe necessario se il processo deve essere commercializzato.

Trovare fonti di energia rinnovabili e sostenibili sono i principali problemi del settore energetico del mondo. Recentemente, le Nazioni Unite ha riferito che fino al 77% dell&#39;energia mondiale nel 2050 ci si aspetta da fonti rinnovabili 1. Biomasse lignocellulosiche come la paglia, erba, bucce di riso, pannocchie di mais non hanno conflitti con il cibo rispetto problema di carburante. Inoltre, la biomassa è probabilmente l&#39;unica fonte di energia rinnovabile con carbonio strutturale, rispetto ad altre fonti energetiche rinnovabili come eolico, solare e acqua 2. Tuttavia, la manovrabilità, minore densità di massa, ad alto contenuto di ceneri, e il contenuto energetico inferiore ostacolano l&#39;uso della biomassa lignocellulosica per la produzione di energia 2. La digestione anaerobica (AD) è uno dei primi esempi di produzione di bioenergia da biomasse di scarto. 3 In generale, ci sono quattro passaggi di degradazione coinvolgere nella digestione anaerobica, come mostrato in Figura 1 4 </sup&gt;. Nei primi tre passi consecutivi, i polisaccaridi della biomassa sono convertiti in acidi organici. Nella fase finale, gli organismi metanogeni producono biometano. AD tradizionale è un tempo e di processo che richiede energia. L&#39;agitazione continua riduce economia complessivi di AD, in particolare per l&#39;AD di biomassa lignocellulosica. Un romanzo Upflow anaerobico a stato solido (UAS) reattore ha il potenziale per risolvere gli inconvenienti indicati (Figura 2) 4. Spontanee separazioni solido-liquido è uno dei vantaggi significativi di UASs, poiché la creazione facilita biogas bolle di sollevare reagiti residui solidi verso l&#39;alto 5. Questo elimina l&#39;utilizzo di agitatore e quindi riduce il consumo di energia in loco. Inoltre, la circolazione del liquido assicura una distribuzione dei microrganismi e metaboliti in tutto il reattore e 5. Rispetto ai biocombustibili solidi, biogas è più facile da gestire, e lascia poco o nessun residuo. Infatti, la densità di energia specificadel biogas è parecchie volte superiore biomassa grezza 4. Tuttavia, AD favorisce polisaccaridi semplici come l&#39;amido, acidi grassi, ed emicellulosa 1. Come risultato, cellulosa e lignina, maggiore porzione di biomassa lignocellulosica fibrosi come la paglia, rimane come solido digestato dopo AD 5. Sebbene la produzione di biogas varia da materia prima, tipo di microrganismi, temperatura di reazione, e il tempo di reazione, una quantità enorme di digestato è solitamente prodotto. Mentre biogas sono utilizzati per l&#39;energia, digestato (fino al 90% di acqua) vengono generalmente memorizzati in una fermentazione residuo deposito per raccogliere rimanenti emissioni di metano. Successivamente questi vengono essiccate e distribuite sul terreno agricolo per migliorare la fertilità del suolo e la capacità di ritenzione idrica. Alto contenuto inorganico spesso ostacola digestato direttamente per il carburante, come elevate quantità di scorie potrebbero corrodere le attrezzature 6. Idrotermale di carbonizzazione (HTC) è un processo di trattamento termochimico appositamente per bagnato. feedstock, dove biomassa (con 80-90% di acqua) viene riscaldata a 200-260 ° C a pressione di saturazione dell&#39;acqua premuto per 0,5-6 h (Figura 3) 7,8 cri acqua ha prodotto ionico massimo a 200 - 260 ° C, che significa acqua in queste condizioni è reattivo e si comporta come un acido debole e una base mite simultaneamente 9. Emicellulosa, insieme ad altri estrattivi, degrada circa 180-200 ° C, mentre cellulosa reagisce circa 220-230 ° C, e lignina reagisce a temperatura relativamente elevata (&gt; 250 ° C), ma molto più lento di cellulosa ed emicellulosa 10. A causa di disidratazione significativa e decarbossilazione, risultati HTC prodotto solido chiamato HTC biochar, con resa di massa (HTC secca biochar alimentazione / secco) del 40-80%, liquore contenenti acidi carbossilici, derivati ​​del furano, sostanze fenoliche, e monomeri zucchero, e 5 - 10% CO 2 gassosa ricca di prodotto 11. Durante HTC, ossigeno contenenti sostanze volatili sono significativamenteridotto e quindi lasciare un solido ricco di carbonio. Biochar HTC è anche stabile, idrorepellente, e friabile confrontare crudo materia prima umida 12,13. Grazie alle sue caratteristiche idrofobiche, dewateribility di HTC biochar aumenta più volte rispetto al digestato crudo o addirittura biomassa grezza. 14-18 Inoltre, biochar HTC ha valori simili a combustibile lignite carbone 16,17. Tuttavia, cellulosa e lignina parzialmente degradano nell&#39;ambiente HTC 18. Ora, emicellulosa e cellulosa nella biomassa contribuiscono a biogas durante dC, mentre la cellulosa e la lignina contribuiscono soprattutto alla solida HTC biochar 4,5. Pertanto, la combinazione di AD-HTC potenzialmente in grado di aumentare il rendimento globale delle bioenergie. Hoffmann et al. Simulato una combinazione simile, ma con AD e HTL (idrotermale liquefazione) anziché AD-HTC 19. HTL è un metodo comune di liquefazione frazione di biomassa e di prodotto liquido ha un elevato valore di carburante [43,1 MJ / kg]. Tuttavia, HTL requires ad altissima pressione (250 bar) confronta con HTC (10-50 bar), che implica un elevato costi di installazione e di funzionamento di HTC. Anche in questo caso, la sequenza combinazione di AD e HTC può essere messa in discussione come Wirth et al. Recentemente riportato AD del processo di HTC liquido 20. Tuttavia, un AD efficace dipende dalla concentrazione di zucchero nelle materie prime. Zuccheri nel processo di HTC liquidi, prodotti durante l&#39;idrolisi, spesso degradano rapidamente sotto l&#39;acqua subcritical. Ecco perché dC prima che HTC è più favorevole in termini di bioenergia. Tuttavia, AD di processo HTC liquido può produrre bioenergia supplementare, in questo caso, la sequenza combinazione sarebbe AD-HTC-AD. Lo scopo del lavoro era di valutare l&#39;integrazione dei processi AD e HTC alla produzione di energia (Figura 3). Il potenziale di produzione di biogas per AD termofili e mesofili dal reattore UASs è stata valutata in un continuo funzionamento di più di 200 giorni. Successivamente, la produzione HTC biochar from digestato è stato anche studiato. Il bilancio di massa e l&#39;energia del AD-HTC cascata è stata effettuata e confrontato con i singoli processi.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="715">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:247px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:151px;">Company</td>
			<td style="width:151px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">UASS reactor</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;">Patented design</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Weighing machine</td>
			<td style="width:151px;">KERN</td>
			<td style="width:151px;">440-55N</td>
			<td style="width:167px;">0.2 g precision</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:247px;">Biofilm carrier</td>
			<td style="width:151px;">RVT Process Equipment GmbH, Germany</td>
			<td style="width:151px;">Bioflow 40</td>
			<td style="width:167px;">Establish 305&#160; m2/m3</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:247px;">Heating bath</td>
			<td style="width:151px;">Lauda-Konigshofen, Germany</td>
			<td style="width:151px;">Lauda Ecoline 011</td>
			<td style="width:167px;">Ensure mesophilic and thermophilic temperature</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Recirculation pump</td>
			<td style="width:151px;">Heidolph pumpdrive</td>
			<td style="width:151px;">5201</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:247px;">Wheat straw</td>
			<td style="width:151px;">Dittmannsdorfer Milch GmbH, Germany</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;">5-65 mm length</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Biogas analyzer</td>
			<td style="width:151px;">Pronova, Germany</td>
			<td style="width:151px;">SSM 6000</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Gas meter</td>
			<td style="width:151px;">Ritter, Germany</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;">Drum type</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Process parameters</td>
			<td style="width:151px;">Mettler, Toledo, USA</td>
			<td style="width:151px;">InPro 4260</td>
			<td style="width:167px;">Online</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">HTC reactor</td>
			<td style="width:151px;">Parr instrument, Moline, IL, USA</td>
			<td style="width:151px;">Parr 4555</td>
			<td style="width:167px;">5 gallon volume</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">HTC Temperature controller</td>
			<td style="width:151px;">Parr instrument, IL, USA</td>
			<td style="width:151px;">4848</td>
			<td style="width:167px;">K type thermocouple</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Weighing machine</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;">KERN FKB</td>
			<td style="width:167px;">0.1g precision&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:247px;">Heating system</td>
			<td style="width:151px;">Parr</td>
			<td style="width:151px;">A1600EEE</td>
			<td style="width:167px;">Band heater, 2 &#176;C min-1</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">Software</td>
			<td style="width:151px;">SpecView</td>
			<td style="width:151px;">32849</td>
			<td style="width:167px;">Digital monitoring and programming interface</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;"></td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Catalyst</td>
			<td style="width:151px;"></td>
			<td style="width:151px;">Tungsten (VI) oxide</td>
			<td style="width:167px;">Elemental analyzer</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Weighing machine</td>
			<td style="width:151px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:151px;">SN-1128123281</td>
			<td style="width:167px;">Precision 1 &#181;g</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">Sample pan</td>
			<td style="width:151px;">Elemental Analyssystem GmbH</td>
			<td style="width:151px;">Tin (Sn) 6x6x12 mm pan</td>
			<td style="width:167px;">Elemental analysis</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:247px;">Drying oven</td>
			<td style="width:151px;">Binder GmbH, Germany</td>
			<td style="width:151px;">FP 115</td>
			<td style="width:167px;">105 oC oven</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:247px;">Elemental analyzer</td>
			<td style="width:151px;">Vario</td>
			<td style="width:151px;">EL III</td>
			<td style="width:167px;">CHNS analyzer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluation of integrated anaerobic digestion and hydrothermal carbonization for bioenergy production

Biomassa lignocellulosica è una delle risorse energetiche rinnovabili più abbondanti ancora sottoutilizzate. Entrambi digestione anaerobica (AD) e di carbonizzazione idrotermale (HTC) sono promettenti tecnologie per la produzione di bioenergia da biomassa in termini di biogas e biochar HTC, rispettivamente. In questo studio, si propone la combinazione di AD e HTC per aumentare la produzione globale di bioenergia. Paglia di grano è stato digerito anaerobicamente in un romanzo Upflow reattore a stato solido anaerobico (UAS) in entrambi (55 ° C) condizioni mesofile (37 ° C) e termofili. Wet digerito da termofili dC fu idrotermicamente carbonizzato a 230 ° C per 6 ore per la produzione di HTC biochar. A temperatura termofila, il sistema UASs produce una media di 165 L CH4 / kg VS (VS: solidi volatili) e 121 L CH4 / kg VS a mesofila DC nel funzionamento continuo di 200 giorni. Nel frattempo, 43,4 g di HTC biochar con 29,6 MJ / kg dry_biochar era obtained da HTC di 1 kg di digestato (secco) dal mesofilo AD. La combinazione di AD e HTC, in questo particolare set di esperimenti resa 13,2 MJ di energia per 1 kg di secca paglia di grano, che è almeno del 20% superiore rispetto al solo HTC e il 60,2% in più rispetto solo AD.

La digestione anaerobica Gli esperimenti biogas rivelato che il sistema UASs è in grado di utilizzare il 38% e il 50% del potenziale formare metano operazione mesofila (37 ° C) e termofilo (55 ° C), rispettivamente. A termofila dC, il sistema UASs produce una media di 165 L CH4 / kg VS (VS: solidi volatili) e 121 L CH4 / kg VS a mesofilo AD per 200 giorni di funzionamento continuo (Figura 4). Tali valori di performance sono stati calcolati dall&#39;analisi quantitativa e qualitativa del biogas relativi alla materia prima agricola asciutto. Il potenziale biometano per la paglia di grano è stato determinato (seguendo linee guida VDI 4630) per essere 304,3 L CH4 / kg VS per termofili e 244,2 L CH4 / kg VS per il funzionamento mesofili, rispettivamente, e presentato in Figura 50; 21. In termini di qualità, biogas prodotto dalla UASs contenute tra il 41% e il 61% di metano (Figura 5). HTC del digestato La figura 6 mostra paglia secca, asciutta digestato derivante dalla paglia da AD, e HTC biochar derivato da digestato secco da HTC. Digestato secco simile alla paglia secca, che è solo un po &#39;di colore più scuro. Per questo lavoro, il digestato da condizioni di termofili sono stati considerati per HTC. Come mostrato in Tabella 1, il 63% della massa totale rimane nel digestato (Tabella 1). Lavaggio HTC biochar è più leggero paglia crudo secco, probabilmente a causa della degradazione dei monomeri e polimeri semplici da microrganismi termofili durante AD. La Figura 7 mostra il comportamento idrofobo, e la morbidezza del HTC biochar. Durante HTC, le strutture cristalline fibrose vengono distrutti e producono un morbido ca amorforicco di rbon HTC biochar 16,17,28. Si può vedere dalla tabella 1 che la resa di massa del digestato e paglia prime derivanti biochar HTC sono il 43,4% e 38,3%, rispettivamente. Il prodotto solido, HTC biochar è molto idrofobico 12; si può rimanere in contatto con l&#39;acqua per un tempo prolungato 13. Inoltre è molto morbido, in quanto richiede quasi nessuna pressione per polverizzare. Per l&#39;industria del carbone-potenza, mantenendo morbidezza della materia prima è molto importante, in quanto questo può eliminare i passaggi polverizzazione espansive. Analisi elementare Dalle composizioni elementari presentate in Tabella 1, si può notare che il carbonio elementare e idrogeno rimangono gli stessi nel solido durante la digestione anaerobica. Carbonio aumenta elementari e le diminuzioni di idrogeno durante HTC. La maggior parte dell&#39;azoto elementare rimane nel solido poiché il contenuto di azoto elementare aumenta durante sia una digestione<html> processi d HTC. Poiché zolfo in paglia di grano è traccia, la concentrazione di zolfo elementare non è presentato nei risultati. Contenuto di ossigeno elementare è stata calcolata sottraendo C, H, N e da 100% e anche presentato in Tabella 1, assumendo la materia prima è costituita da soli Chons. La concentrazione di ossigeno è diminuita drammaticamente durante HTC, mentre rimane simile durante la digestione. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Concetto di base e fasi di digestione anaerobica. Questa figura descrive i concetti di base della digestione anaerobica. In questa figura, quattro passi generali (idrolisi, acedogenesis, acetogenesi, e metanogenesi) di digestione anaerobica sono presentati g2highres.jpg &quot;width =&quot; 500 &quot;/&gt; Figura 2:. Rappresentazione schematica del reattore UASs scala di laboratorio per la digestione anaerobica Questo è lo schema del sistema reattore UASs. Qui il reattore UASs e filtro anaerobico (AF) sono mostrati collegati da una corrente liquida, in cui gli acidi grassi prodotte nel reattore UASs vengono a AF e metano è prodotto. Dal fondo della AF, un&#39;altra corrente liquida è attirata UASs, in cui i microrganismi vanno da AF a reattore UASs. <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. (Top) Concetto di HTC di biomassa lignocellulosica, (in basso) concetto di integrazione della digestione anaerobica e HTC * cellulosa sarà parzialmente reagito 24. In questo schema a blocchi, si può notare che i componenti di fibre diverse vengono a contatto con acqua subcritica e sono convertiti in biochar HTC (CTipo di OAL). <img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Produzione di metano da reattore UASs sia in condizioni termofile e mesofile con il filtro anaerobico. Questi sono i risultati sperimentali del reattore UASs per 210 giorni di funzionamento per entrambe le condizioni termofili e mesofili. L&#39;asse X è giorni di funzionamento, mentre l&#39;asse Y è la resa metano (CH4 L / kg VS) rispetto ai solidi volatili (VS). <img alt="Figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Frazione di metano di biogas da reattore UASs in entrambe le condizioni termofili e mesofili. Questi sono i risultati sperimentali del reattore UASs per 210 giorni di funzionamento sia sotto un termofilicondizioni mesofile d. L&#39;asse X è giorni di funzionamento, mentre l&#39;asse Y è la frazione metano (%) nel biogas. I valori riportati sono medie di duplicati. <img alt="Figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. (Da sinistra a destra) paglia di grano secco, asciutto digestato paglia di grano, e biochar HTC del digestato paglia di grano. Questa è l&#39;immagine in tempo reale dei diversi stati di paglia di grano. Qui, in questa figura, l&#39;effetto di digestione anaerobica (AD) e HTC può essere visibile. La struttura della fibra è ancora visibile nel digestato, mentre diventa polverosa dopo HTC. <img alt="Figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. Idrofobicità del biochar HTC (a sinistra), friabilità del biochar HTC (a destra) </strong&gt;. Questa è ancora una volta l&#39;immagine reale tempo di idrofobicità e friabilità di HTC biochar. Nella prima immagine, biochar HTC è affondata sotto l&#39;acqua, mentre i prossimi due immagini la condizione di biochar, prima e dopo il duro-pigiatura vengono visualizzati. <img alt="Figura 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51734/51734fig8highres.jpg" width="500" /> Figura 8. (Top) potenziale Bioenergy da digestione anaerobica (AD) da 1 kg di materie prime paglia di grano e (in basso) potenziale bioenergetico integrando AD-HTC da 1 kg di paglia di grano secco. Questa è una figura di valutare la necessità di combinazione concetti. Il diagramma a blocchi mostra quanta energia si estrae da AD e HTC dalla materia prima. <img alt="Tabella 1" fo:content-width="7in" src="/files/ftp_upload/51734/51734table1v2.jpg" width="700" /> Tabella 1. Analisi elementare, HHV, resa di massa, e l&#39;analisi della fibra grezza di paglia di grano, digestato (termofili), e corrispondenti biochar HTC. HHV è calcolata da composizione CHNS come mostrato in letteratura 18,24. Tabella 1 sono i risultati sperimentali di analisi elementare, e resa di massa dopo AD e HTC. Lignina, cellulosa ed emicellulosa sono misurate da van Soest fibra di analisi [12]. Nota:. Na non viene analizzato <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51734/51734table1.jpg" target="_blank">Cliccare qui per vedere una versione più grande di questa tabella.</a>

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Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Un romanzo Upflow anaerobica Solid State (UAS) reattore è stato utilizzato per la produzione di biogas da materie prime fibrose. Digestato prodotto dal reattore UASs è stato idrotermicamente carbonizzato in HTC biochar in un reattore batch di pressione. L&#39;integrazione dei due concetti bioenergetici è stato applicato in questo studio per aumentare la produzione globale di bioenergia.

Valutazione della gestione integrata digestione anaerobica e carbonizzazione idrotermale per Bioenergy Production

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

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Research

JoVE Journal

Environment

25.3K Views.  Leibniz Institute for Agricultural Engineering.  Un romanzo Upflow anaerobica Solid State (UAS) reattore è stato utilizzato per la produzione di biogas da materie prime fibrose. Digestato prodotto dal reattore UASs è stato idrotermicamente carbonizzato in HTC biochar in un reattore batch di pressione. L'integrazione dei due concetti bioenergetici è stato applicato in questo studio per aumentare la produzione globale di bioenergia. 

Video: Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals is often not well understood. Here we demonstrate an integrated field lysimetry and porewater sampling method for evaluating the mobility of chemicals applied to soils and established vegetation. Lysimeters, open columns made of metal or plastic, are driven into bareground or vegetated soils. Porewater samplers, which are commercially available and use vacuum to collect percolating soil water, are installed at predetermined depths within the lysimeters. At prearranged times following chemical application to experimental plots, porewater is collected, and lysimeters, containing soil and vegetation, are exhumed. By analyzing chemical concentrations in the lysimeter soil, vegetation, and porewater, downward leaching rates, soil retention capacities, and plant uptake for the chemical of interest may be quantified. Because field lysimetry and porewater sampling are conducted under natural environmental conditions and with minimal soil disturbance, derived results project real-case scenarios and provide valuable information for chemical management. As chemicals are increasingly applied to land worldwide, the described techniques may be utilized to determine whether applied chemicals pose adverse effects to human health or the environment.

Field lysimetry and porewater sampling allow researchers to evaluate the fate of chemicals applied to soils and established vegetation. The goal of this protocol is to demonstrate how to install required instrumentation and collect samples for chemical analysis during integrated field lysimetry and porewater sampling experiments.

Integrato Campo Lysimetry e Porewater campionamento per la valutazione della chimica Mobilità nel suolo e alla vegetazione Fondata

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

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Ambiente

A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes

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.

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.

Una tabella soffietto Thermogradient di controllo della temperatura del suolo per la valutazione di crescita delle piante e monitoraggio processi del suolo

Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a ...

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron (Oxy)Hydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as redox potential (Eh) and pH, but also to microbial activities that can play a direct or indirect role on speciation and/or mobility. Indeed, some bacteria can directly oxidize As(III) to As(V) or reduce As(V) to As(III). Likewise, bacteria are strongly involved in Hg cycling, either through its methylation, forming the neurotoxin monomethyl mercury, or through its reduction to elemental Hg&#176;. The fates of both As and Hg are also strongly linked to soil or aquifer composition; indeed, As and Hg can bind to organic compounds or (oxy)hydroxides, which will influence their mobility. In turn, bacterial activities such as iron (oxy)hydroxide reduction or organic matter mineralization can indirectly influence As and Hg sequestration. The presence of sulfate/sulfide can also strongly impact these particular elements through the formation of complexes such as thio-arsenates with As or metacinnabar with Hg.
Consequently, many important questions have been raised on the fate and speciation of As and Hg in the environment and how to limit their toxicity. However, due to their reactivity towards aquifer components, it is difficult to clearly dissociate the biogeochemical processes that occur and their different impacts on the fate of these TE.
To do so, we developed an original, experimental, column setup that mimics an aquifer with As- or Hg-iron-oxide rich areas versus iron depleted areas, enabling a better understanding of TE biogeochemistry in anoxic conditions. The following protocol gives step by step instructions for the column set-up either for As or Hg, as well as an example with As under iron and sulfate reducing conditions.

Experimental Column Setup for Studying Anaerobic Biogeochemical Interactions Between Iron OxyHydroxides, Trace Elements, and Bacteria

Fate and speciation of arsenic and mercury in aquifers are closely related to physio-chemical conditions and microbial activity. Here, we present an original experimental column setup that mimics an aquifer and enables a better understanding of trace element biogeochemistry in anoxic conditions. Two examples are presented, combining geochemical and microbiological approaches.

Installazione colonna sperimentale per lo studio anaerobici biogeochimici interazioni tra batteri, oligoelementi e idrossidi di ferro (ossi)

Fate and speciation of trace elements (TEs), such as arsenic (As) and mercury (Hg), in aquifers are closely related to physio-chemical conditions, such as ...

Ecosystem Fabrication (EcoFAB) Protocols for The Construction of Laboratory Ecosystems Designed to Study Plant-microbe Interactions

Beneficial plant-microbe interactions offer a sustainable biological solution with the potential to boost low-input food and bioenergy production. A better mechanistic understanding of these complex plant-microbe interactions will be crucial to improving plant production as well as performing basic ecological studies investigating plant-soil-microbe interactions. Here, a detailed description for ecosystem fabrication is presented, using widely available 3D printing technologies, to create controlled laboratory habitats (EcoFABs) for mechanistic studies of plant-microbe interactions within specific environmental conditions. Two sizes of EcoFABs are described that are suited for the investigation of microbial interactions with various plant species, including Arabidopsis thaliana, Brachypodium distachyon, and Panicum virgatum. These flow-through devices allow for controlled manipulation and sampling of root microbiomes, root chemistry as well as imaging of root morphology and microbial localization. This protocol includes the details for maintaining sterile conditions inside EcoFABs and mounting independent LED light systems onto EcoFABs. Detailed methods for addition of different forms of media, including soils, sand, and liquid growth media coupled to the characterization of these systems using imaging and metabolomics are described. Together, these systems enable dynamic and detailed investigation of plant and plant-microbial consortia including the manipulation of microbiome composition (including mutants), the monitoring of plant growth, root morphology, exudate composition, and microbial localization under controlled environmental conditions. We anticipate that these detailed protocols will serve as an important starting point for other researchers, ideally helping create standardized experimental systems for investigating plant-microbe interactions.

Ecosystem Fabrication EcoFAB Protocols for The Construction of Laboratory Ecosystems Designed to Study Plant-microbe Interactions

This article describes detailed protocols for ecosystem fabrication of devices (EcoFABs) that enable the studies of plants and plant-microbe interactions in highly controlled laboratory conditions.

Protocolli di fabbricazione (EcoFAB) di ecosistema per la costruzione degli ecosistemi di laboratorio progettato per studiare le interazioni piante-microrganismi

Beneficial plant-microbe interactions offer a sustainable biological solution with the potential to boost low-input food and bioenergy production. A ...

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the deep ocean. Roles of minerals are critical in many hydrothermal organic geochemical processes. Traditional hydrothermal methodology, which includes using reactors made of gold, titanium, platinum, or stainless-steel, is usually associated with the high cost or undesired metal catalytic effects. Recently, there is a growing tendency for using the cost-effective and inert quartz or fused silica glass tubes in hydrothermal experiments. Here, we provide a protocol for carrying out organic-mineral hydrothermal experiments in silica tubes, and we describe the essential steps in the sample preparation, experimental setup, products separation, and quantitative analysis. We also demonstrate an experiment using a model organic compound, nitrobenzene, to show the effect of an iron-containing mineral, magnetite, on its degradation under a specific hydrothermal condition. This technique can be applied to study complex organic-mineral hydrothermal interactions in a relatively simple laboratory system.

Earth-abundant minerals play important roles in the natural hydrothermal systems. Here, we describe a reliable and cost-effective method for the experimental investigation of organic-mineral interactions under hydrothermal conditions.

Un protocollo sperimentale per lo studio di minerali effetti sulle trasformazioni organiche idrotermale

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

An Anaerobic Biosensor Assay for the Detection of Mercury and Cadmium

Mercury (Hg) bioavailability to microbes is a key step to toxic Hg biomagnification in food webs. Cadmium (Cd) transformations and bioavailability to bacteria control the amount that will accumulate in staple food crops. The bioavailability of these metals is dependent on their speciation in solution, but more particularly under anoxic conditions where Hg is methylated to toxic monomethylmercury (MeHg) and Cd persists in the rhizosphere. Whole-cell microbial biosensors give a quantifiable signal when a metal enters the cytosol and therefore are useful tools to assess metal bioavailability. Unfortunately, most biosensing efforts have so far been constrained to oxic environments due to the limited ability of existing reporter proteins to function in the absence of oxygen. In this study, we present our effort to develop and optimize a whole-cell biosensor assay capable of functioning anaerobically that can detect metals under anoxic condition in quasi-real time and within hours. We describe how the biosensor can help assess how chemical variables relevant to the environmental cycling of metals affect their bioavailability. The following protocol includes methods to (1) prepare Hg and Cd standards under anoxic conditions, (2) prepare the biosensor in the absence of oxygen, (3) design and execute an experiment to determine how a series of variable affects Hg or Cd bioavailability, and (4) to quantify and interpret biosensor data. We show the linear ranges of the biosensors and provide examples showing the method's ability to distinguish between metal bioavailability and toxicity by utilizing both metal-inducible and constitutive strains.

Here, we present a protocol to use an anaerobic whole-cell microbial biosensor to evaluate how different environmental variables affect the bioavailability of Hg and Cd to bacteria in anoxic environments.

Un dosaggio di biosensore anaerobico per la rilevazione di mercurio e cadmio

Mercury (Hg) bioavailability to microbes is a key step to toxic Hg biomagnification in food webs. Cadmium (Cd) transformations and bioavailability to ...

An Induction System for Clustered Stomata by Sugar Solution Immersion Treatment in Arabidopsis thaliana Seedlings

Stomatal movement mediates plant gas exchange, which is essential for photosynthesis and transpiration. Stomatal opening and closing are accomplished by a significant increase and decrease in guard cell volume, respectively. Because shuttle transport of ions and water occurs between guard cells and larger neighboring epidermal cells during stomatal movement, the spaced distribution of plant stomata is considered an optimal distribution for stomatal movement. Experimental systems for perturbing the spaced pattern of stomata are useful to examine the spacing pattern's significance. Several key genes associated with the spaced stomatal distribution have been identified, and clustered stomata can be experimentally induced by altering these genes. Alternatively, clustered stomata can be also induced by exogenous treatments without genetic modification. In this article, we describe a simple induction system for clustered stomata in Arabidopsis thaliana seedlings by immersion treatment with a sucrose-containing medium solution. Our method is easy and directly applicable to transgenic or mutant lines. Larger chloroplasts are presented as a cell biological hallmark of sucrose-induced clustered guard cells. In addition, a representative confocal microscopic image of cortical microtubules is shown as an example of intracellular observation of clustered guard cells. The radial orientation of cortical microtubules is maintained in clustered guard cells as in spaced guard cells in control conditions.

An Induction System for Clustered Stomata by Sugar Solution Immersion Treatment in Arabidopsis thaliana Seedlings

The goal of this protocol is to demonstrate how to induce clustered stomata in cotyledons of Arabidopsis thaliana seedlings by immersion treatment with a sugar-containing medium solution and how to observe intracellular structures such as chloroplasts and microtubules in the clustered guard cells using confocal laser microscopy.

Un sistema di induzione per cluster stomi da trattamento di immersione di soluzione di zucchero nei semenzali di Arabidopsis thaliana

Stomatal movement mediates plant gas exchange, which is essential for photosynthesis and transpiration. Stomatal opening and closing are accomplished by a ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

Simulazione di camini idrotermali della Terra primordiale in un ambiente a gradiente termico

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Metodo anaerobico simulato in situ per la coltura di microbi ambientali

A Set of In Situ Informed Simulated Medium Formats for Culturing Environmentally Acquired Anaerobic Microorganisms

Culture-dependent research of anaerobic microorganisms rests upon methodological competence. These methods must create and maintain suitable growth conditions (e.g., pH and carbon sources) for anaerobic microorganisms while also allowing samples to be extracted without compromising the artificial environment. To this end, methods that are informed by and simulate an in situ environment can be of great aid in culturing microorganisms from that environment. Here, we outline an in situ informed and simulated anaerobic method for culturing terrestrial surface and subsurface microorganisms, emphasizing anaerobic sample collection with minimal perturbation. This protocol details the production of a customizable anaerobic liquid medium, and the environmental&#160;acquisition and in vitro growth of anaerobic microorganisms. The protocol also covers critical components of an anaerobic bioreactor used for environmental simulations of sediment and anaerobic liquid media for environmentally acquired cultures. We have included preliminary Next Generation Sequencing data from a maintained microbiome over the lifespan of a bioreactor where the active culture dynamically adjusted in response to an experimental carbon source.

Autore in primo piano: Svelare i misteri dei microrganismi anaerobi terrestri in ambienti inesplorati mediante coltura in situ

The focus of this paper is to detail best practices for making media for fastidious anaerobic microorganisms acquired from an environment. These methods help manage anaerobic cultures and can be applied to support the growth of elusive uncultured microorganisms, the "microbial dark matter."

Un insieme di mezzi di comunicazione simulati informati in situ per la coltura di microrganismi anaerobici acquisiti nell'ambiente

Culture-dependent research of anaerobic microorganisms rests upon methodological competence. These methods must create and maintain suitable growth ...