Um aparelho ultra limpo Multicamado para coleta de plâncton marinho tamanho fracionado e partículas em suspensão

Resumo

Plâncton e partículas em suspensão desempenham um papel importante nos ciclos biogeoquímicos no oceano. Aqui, nós fornecemos um método ultra-limpo, baixo stress para a recolha de vários tamanhos de partículas e plâncton no mar com a capacidade de lidar com grandes volumes de água do mar.

Resumo

As distribuições de muitos elementos de traço no oceano são fortemente associadas com o crescimento, morte e remineralização do plâncton marinho e das partículas suspensas/afundando. Aqui, apresentamos um todo plástico (polipropileno e policarbonato), multi-camada sistema de filtragem para coleção de partículas em suspensão (SPM) no mar. Este dispositivo de amostragem ultra-limpo foi projetado e desenvolvido especificamente para estudos do elemento de traço. Seleção meticulosa de todos os materiais não-metálicos e a utilização de um procedimento de escoamento em linha minimiza qualquer possível contaminação de metal durante a amostragem. Este sistema com êxito foi testado e tweaked para determinação de metais (por exemplo, Fe, Al, Mn, Cd, Cu, Ni) em partículas de tamanho variável em águas costeiras e aberto do oceano. Resultados do mar da China Meridional, na estação South East Asia séries temporais (lugares) indicam que as variações diurnas e distribuição espacial de plâncton na zona eufótica podem ser facilmente resolvidos e reconhecidos. Análise química de partículas de tamanho-fracionada nas águas de superfície do Estreito de Taiwan sugere que as partículas maiores (> 153 µm) foram principalmente biologicamente derivado, enquanto as partículas menores (10-63 µm) foram na sua maioria compostas de matéria inorgânica. Além do Cd, as concentrações de metais (Fe, Al, Mn, Cu, Ni) diminuíram com o aumento de tamanho.

Introdução

Partículas no oceano desempenham um papel importante nos ciclos biogeoquímicos marinhos¹. A maioria das propriedades de partículas, tais como tamanho, mineralogia e composição, pode mudar profundamente de uma configuração geológica ou hidrográfica para mais². Além disso, as distribuições de elementos no oceano também estão associadas com o ciclo de vida do fitoplâncton marinho: crescimento, morte, afundando e remineralização^3,4. Partículas marinhas abrangem pelo menos 4 ordens de magnitude, em tamanho, variando de partículas submicron para agregados grandes (> 5 mm). A maioria das partículas são biologicamente derivadas, processos como lise viral, exsudação, secreção, produção de sedimento fecal, etc. Outras partículas são formadas de física coagulação das células, restos celulares ou de materiais de lithogenic¹. Várias características químicas e biológicas de partículas controlam ambos os ciclos geoquímicos e processos biológicos que ocorrem na e dentro as partículas^4,5,6. Estas partículas são habitats importantes, bem como fontes de alimento para alguns organismos, tais como o zooplâncton ou saprófitas. Nesse sentido, o destino das partículas é muitas vezes relacionado com seu tamanho, o que pode ser modificado por processos biológicos e em torno de partículas.

Amostragem de partículas marinhas geralmente requer filtragem, mas esta abordagem apresenta uma certa ambiguidade em identificar as propriedades das partículas, desde partículas marinhas não são homogêneas em composição e tamanho. Partículas em suspensão, compostas principalmente de partículas pequenas e de baixa densidade que são quase permanentemente em suspensão, são misturadas com diferentes quantidades de partículas maiores e mais densas em suspensão apenas por um curto período de tempo, dependendo das condições hidrodinâmicas ⁷. os primeiros relatos de na composição de metal de rastreamento das amostras de plâncton foram coletados por reboques de plâncton ou suspensão de redes de plâncton em um navio de investigação⁸. Os autores frequentemente encontraram partículas de metal e pintar fichas nas amostras, sugerindo um grave problema de contaminação durante a amostragem de partículas marinho para análise química. Outros esforços incluem reboque por balsas de borracha líquida ou usando um cloreto de polivinila (PVC)-mão guincho³. A dificuldade de amostragem confiável de partículas faz progressos em nossa compreensão da composição química das partículas marinhas mais difícil, especialmente para os oligoelementos. Como tal, informações cruciais sobre a concentração de oligoelementos em fitoplâncton tem provenientes de^9,de estudos de cultura¹⁰. Este reconhecimento tem motivado os cientistas marinhos para criar novos métodos para o estudo de partículas no mar durante os últimos trinta anos¹¹.

Oceanógrafos utilizaram várias técnicas de amostragem, incluindo a bordo filtração, filtração em situ , e armadilhas de sedimentos¹¹. O processamento de grandes volumes de água do mar para recolher amostras não-contaminada pode ser um desafio, especialmente para mar aberto e águas profundas, em que as concentrações de partículas são muito baixas (0,001 - 0,1 mg/L). Também é necessário filtrar grandes volumes de água do mar para obter uma quantidade adequada de partículas para medir concentrações de metal de rastreamento. Alguns pesquisadores usou o método de fracionamento de tamanho para separar partículas suspensas de partículas a afundar-se. No entanto, forma, porosidade, densidade e tamanho de partícula podem todas as partículas de influência velocidades a afundar-se. Armadilhas de sedimentos não são ferramentas práticas para coletar partículas em suspensão, uma vez que aqueles são projetados para afundar as partículas. Portanto, é importante desenvolver métodos de amostragem e tratamento que podem coletar quantidades suficientes de partículas em suspensão com contaminação mínima. Daí, tamanho-fracionamento por filtração em situ ainda é uma ferramenta promissora na caixa de ferramentas de amostragem da oceanógrafa, já que pode revelar informações críticas sobre a dinâmica da partícula marinho. Aqui, descrevemos um testado com êxito rastreamento-metal-limpa, filtração por gravidade multi-camada aparelho, que pode tratar grandes volumes (120-240 L) de amostragem de água do mar a bordo em um passe de politetrafluoretileno (PTFE) revestido garrafas de colheita de amostras de água em um matriz de amostragem multi garrafa. Este aparelho de amostragem utiliza redes de nylon sintético desbotados em sequência, e as redes são colocadas dentro de um recipiente de policarbonato para coletar suavemente tamanho-fracionada suspendida matéria e fitoplâncton^{12,13, 14,15} (Figura 1). O objetivo deste trabalho é fornecer uma ferramenta melhor para estudar as associações de metal-partícula e sua dinâmica de reação em ambientes marinhos e melhorar a nossa compreensão do destino de uma grande variedade de planktons, partículas e metais em estas ambientes.

Protocolo

O seguinte protocolo envolve trabalhar com produtos químicos prejudiciais. Por favor leia as folhas de dados de segurança (SDS) e siga as diretrizes institucionais de segurança química.

1. multi camada gravidade filtração Sampler preparação

1. Amostrador de limpeza
   1. Encher a tubulação e filtração unidade com 1% (p/v) de solução de detergente de enzima protease aniônicos e molho por 24 h. Flush o sampler de filtração multi camada gravidade com água bidestilada osmose reversa (RO-DDW) cuidadosamente e, em seguida, preenchê-lo com 0,1% (v/v) ácido clorídrico (HCl, grau de reagente) e molho por 72 h.
   2. Lave minuciosamente o sampler de filtração multi camada gravidade com osmose reversa água desionizada bidestilada (RO-DD-DIW) três a cinco vezes, pelo menos 20 litros cada vez e armazenar o conjunto em sacos plásticos.
2. Partícula contêiner limpeza/preparação da amostra
   1. Uso de polietileno de baixa densidade (LDPE, 125 mL) ou frascos de propileno (FEP, 125 mL) de etileno fluorado como recipientes para as partículas. Limpe as garrafas, embebendo-os primeiro em detergente alcalino (Micro, 1%), em seguida, em 50% (v/v) o ácido nítrico (HNO₃, grau de reagente) e, em seguida, soluções de HCl 10% (v/v) pelo menos 24, 48 e 24 h, respectivamente. Lave as garrafas com água deionizada (RO-DD-DIW) entre as duas etapas de imersão.
   2. Depois de um final HCl imersão, lave as garrafas com água deionizada (RO-DD-DIW) e as garrafas em uma sala limpa ou classe-100 banco limpo a seco.
      Anexar o frasco limpo para o sampler de filtragem multicamada de gravidade, ou selo limpado garrafas em sacos com zíper PE e dois sacos-los para o transporte.
3. Taxocenose de amostrador de filtração multi camada gravidade
   1. Ligar seis tubos de elastômero termoplástico tempo quimicamente resistente de 4 m (diâmetro exterior de 0,635 cm) nas seis entradas direcionais em cima do amostrador.
   2. Montar os três filtros de nylon malha diferente com recipientes de amostra de polietileno de baixa densidade (PEBD de 125 mL) em sequência em uma sala limpa (banco), depois elas são limpas (veja abaixo), com o filtro de rede de 10 µm posicionado do lado de fora, o filtro de malha de 63 µm na médio e o filtro de malha de 153 µm no interior. Para o transporte, armazenar o sampler de filtração multi camada gravidade em duas camadas de sacos de polietileno (PE) e, em seguida, colocá-lo no recipiente de transporte de polipropileno (PP).

2. amostragem

1. Coleta de amostra
   1. Após a chegada no local da amostragem, ter uma pessoa remover o sampler de filtração multi-camada de gravidade de um contêiner no convés do navio de pesquisa e abra o saco com o sampler. Então, tê-los pôr as luvas de PE, conectar os seis tubos de elastômero termoplástico de 4 m para as torneiras de água das garrafas de seis 20 revestida com PTFE L amostragem na matriz elevada multi garrafa de amostragem e guiar esta unidade de filtração da água do mar. A água do mar fluirá através das entradas de direcionais, e o plâncton/partículas serão gentilmente separados/fracionada através das redes e firmar a 125 mL frascos LDPE que estão garantidos na base das redes.
   2. Quando a água do mar tem vertido (geralmente 120 L de água do mar costeiro e 240 L para a água de mar aberto), remover cada rede em sequência (em primeiro lugar, a 153 µm, em seguida, o 63 µm e finalmente a 10 µm) em uma bancada limpa de classe 100, em seguida, spray net com rastreamento-metal-limpa 0,4 µm f iltered água do mar para lavar qualquer preso na superfície interna das redes de plâncton. Colete a água do mar com partículas/plâncton concentrada em frascos de polietileno de 125 mL.
   3. Desaperte estes frascos de redes e filtrar as soluções com partículas/plâncton concentrada novamente através de um aparelho de filtração de vácuo desbotados com pre-pesava, desbotados 47 mm, 10 filtros de tamanho de poro policarbonato µm sob baixo-vácuo condições (< 5 kPa).
   4. Para coletar partículas/plâncton menor que 10 µm, espere pelo menos 20 L de água do mar fluir através do amostrador, então depois disso, coletar dois a cinco litros de água no recipiente de 5 L PE e filtrar estas águas de amostra por um aparato de filtração de vácuo desbotados com filtros de policarbonato tamanho de poro pré-pesados, desbotados, 47-mm, 0.4-µm.
   5. Após a filtragem de vácuo, lave os filtros de amostra imediatamente com água DDW para remover o resíduo de água do mar, minimizando a influência de sais do mar em determinar o peso seco das partículas/plâncton de alta pureza. Manter o volume de lavagem para apenas um par de mililitros para não danificar o frágil plâncton.
   6. Então, após esta etapa de lavagem, remova cuidadosamente o filtro da unidade de filtração de vácuo, armazenar os filtros de amostra em pré-pesados, lavada com ácido acrílicos plásticos pratos de petri e sele em sacos plásticos resealable. Manter os sacos em um congelador-20 ˚ c a bordo até retornar a um laboratório terrestre para posterior amostra pré-tratamento e química análise.

3. tratamento de amostra

1. Congelar a secagem e digestão de partículas
   1. Colocar os filtros com amostras de partículas na câmara de coletor da máquina liofilização e ligar a máquina. Como a máquina atinja a-40 ° C, ligue a bomba de vácuo da máquina e iniciar a processos de liofilização.
      Nota: O nível de vácuo deve ser mantido firmemente abaixo 0.12 mBar. Por favor, leia atentamente o manual de usuário e siga as orientações do fabricante para cada etapa.
   2. Após 72 h, desligue a máquina de liofilização, retire os filtros secos e pesá-los. Em seguida, colocar filtros de amostra seca em navios de perfluoroalkoxy pré-pesados alcano (PFA) (capacidade de 60 mL) e adicionar 3 mL de ácido nítrico ultrapura concentrado em navios^2,3,6,7.
   3. Apertar os vasos com uma chave de torque com um torque constante de 2,5 kg-m e coloque os vasos em um forno convencional a 130 ° C, durante 12 h para a primeira sequência de digestão. Após arrefecimento, retire os vasos do forno, abrir os vasos e adicionar 2 mL de ultrapura ácido fluorídrico em navios^2,3,6,7.
   4. Apertar os vasos com um torque de 2,5 kg-m e coloque os vasos em um forno convencional a 130 ° C, durante 12 h, que é a segunda sequência de digestão. Após arrefecimento, abrir os vasos e adicionar 16 mL de solução de ácido bórico ultra puro de 4,5% para os navios^2,3,6,7.
   5. Apertar os vasos com um torque constante de 2,5 kg-metros e digerir as amostras em forno a 130 ° C, durante 12 h para a sequência final da digestão. Após arrefecimento, pesar cada recipiente e determinar a massa final e a massa específica de cada solução digerida para produzir um volume final digestant.
      Nota: A massa específica é determinada pela medição do peso exatamente 1,00 ml de digestant.
   6. Com cuidado, despeje o digestant 30 mL ácida garrafa PE limpada para nova análise de metal de rastreamento.
2. Análise de Metal de rastreamento
   1. Determine o rastreamento metal concentrações (Cd, Cu, Fe, Mn, Ni e Al) em soluções digeridas de partículas usando um grafite fornalha absorção atómica espectrômetro (GF-AAS)⁶.
   2. Como um teste de precisão, usar material de referência certificado (CRM), tais como materiais de referência de sedimentos marinhos do Conselho de pesquisa nacional do Canadá, material de referência padrão de sedimentos estuarinos do Instituto Nacional de padrões e tecnologia da Estados Unidos da América e material de referência de plâncton do serviço da Comissão Europeia de ciência e conhecimento. O processo dá a recuperação de 95 a 107% do valor certificado para os metais de rastreamento fornecidos no CRM.

Resultados

Com o desenvolvimento da Oceanografia moderna, agora é uma prática comum de usar "técnicas de limpas" para obter o rastreamento preciso metais concentrações em partículas marinhas, ou plâncton. Desde que a maioria das partículas em águas naturais são no baixo mg/L a gama µ g/L, o tratamento de grandes volumes de água do mar é necessário investigar os efeitos biológicos e geoquímicos de metais em várias partículas em ambientes de ambientes. Com o uso de técnicas de amost...

Discussão

Obtenção de rastreamento confiável metais concentrações em plâncton e partículas em suspensão nas águas naturais, que são geralmente presentes em concentrações muito baixas, exige muito cuidado durante a coleta, processamento, pré-tratamentos e análise, com o objectivo de reduzindo a contaminação. Portanto, os procedimentos para projetar e preparar o equipamento de amostragem, recipientes de amostras e materiais usados para coletar e amostras do processo são todos críticos passos em direção à obtenç...

Materiais

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