31Июл

Грунт однокомпонентный: для чего нужен, варианты применения, как наносить

Содержание

для чего нужен, варианты применения, как наносить

Автор Алексей Ефремов На чтение 11 мин. Опубликовано

Все металлические поверхности при соприкосновении с кислородом ржавеют. Избежать этого процесса не удастся, а отодвинуть время его возникновения как можно дальше возможно. А так хочется, чтобы автомобиль прослужит долго, не меняя своего внешнего вида! Для этого используются специальные средства, которые служат защитным слоем кузова автомобиля, который все время находится в агрессивной среде (дождь, снег, грязь, химические реагенты и т.п.)

Для защиты используют такие средства как кислотный грунт, которым обрабатывают кузов перед покраской. При этом вся поверхность кузова должна тщательно подготавливаться и этот этап нельзя пропускать или относиться к нему халатно. В противном случае, результат работ не впечатлит и обработанные детали быстро заржавеют.

Чтобы понять, на чем основано его действие, нужно ознакомиться с его составом, свойствами, правилами нанесения и какими плюсами, минусами обладает.

Предлагаем читателю погрузиться с нами в мир кислотных грунтов.

Что такое кислотный грунт

Что означает понятие «кислотный грунт»? Это праймерное вещество, выпускаемое в специальных баллончиках или в жидком виде в банке, в состав которого входит фосфорная кислота, цинк в определенном соотношении. Применяется для обеспечения адегизийных свойств поверхности, образование на ней защитного слоя, перед покраской изделия, и обладает высокими антикоррозийными характеристиками. Служит для первоначальной обработки кузова. Имеет желтый цвет.

Применяется как первое покрытие. Защищает материал от ржавчины благодаря входящим в состав элементам, что выгодно отличает от других грунтовок. Поверх данного покрытия не проводят эпоксидную обработку, чтобы не нейтрализовать кислотную среду. Кислотная грунтовка является сильнодействующим средством!

Полезные свойства материала:

  • выдерживает перепады температур внешней среды. Даже высокие температуры не влияют на средство;
  • влагоустойчивость. Грунтовое покрытие не способны повредить ни вода, ни соль, что особенно важно зимой, осенью, при повешенной влажности и применения химических реагентов;
  • эффективная защита метало от воздействия агрессивных сред. Грунтовка не вступает в реакции с химическими веществами;
  • устойчивость к воздействию внешней среды независимо от режима эксплуатации.

Состав кислотного грунта и его особенности

Кислотный грунт считается сильным компонентом, который создает устойчивую защитную пленку на металлической поверхности. Она не пропускает влагу, тормозит процесс ржавления. Для того чтобы устранить места развития коррозии, не нужно экономить на качестве грунта. Поэтому следует применять только известные, надежные изделия от поставщиков «на слуху».

Основа материала – фосфорная кислота с цинком. Это грунт только для применения в качестве начального слоя. Он наносится на металлическую поверхность.

Перед нанесением необходимо обязательное обезжиривание, которое устраняет ржавчину, жир. После обработки поверхность должна высохнуть в помещении, где +200С. Время подсыхания – 15 мин.

После схватывания состава поверхность обрабатывается грунтовкой на основе акрила. Подобное нанесение выравнивает слой. Швы обрабатываются кистями. Для нанесения на большие площади необходимо пользоваться пульверизатором.

Примечание. Состав не наносится на неочищенный металл, шпаклевку. В противном случае, грунт не будет выполнять защитную функцию. Кислотный грунт работает лучше всего, когда наносится на очищенную металлическую поверхность. На тех участках, где сохранилось старое покрытие, его части необходимо применять кислотный грунт с эпоксидной основой.

После обработки кислотным грунтом, его необходимо покрыть 2-х составным грунтовым веществом. После проведения подготовительных работ, уже можно приступить к грунтованию, шпаклевке, покраске.

Грунт на основе кислоты не наносится на другие составы, кроме изолирующей грунтовки.

Протравливающие составляющие грунта для обработки поверхности – служат хорошей защитой от ржавчины кузова авто. Кроме этого, все сварные швы должны быть покрыты этим составом, чтобы продлить их эксплуатации и уберечь от прежде

Автогрунтовка - обзор грунтовок для автомобилей

Грунтовка автомобиля — это необходимая операция, которую выполняют перед покраской. Грунтовка для авто выполняет несколько функций, а именно:

  • улучшение адгезии с лакокрасочным покрытием машины;
  • защиту от коррозии;
  • противодействие атмосферным факторам;
  • защиту от внешних механических воздействий;
  • нейтрализацию химически агрессивных факторов;
  • выравнивание поверхности перед покраской.
Грунтовка для кузова машины

На рынке сегодня представлен очень широкий выбор подобных средств от разных производителей. В зависимости от того, какой из вышеперечисленных факторов является определяющим, а также от специфики конкретной задачи мы можем выбрать, какая автогрунтовка лучше всего подходит.

Для того чтобы выбор был грамотным и осознанным, стоит лучше познакомиться с видами автомобильных грунтов, представленными на рынке, и с характеристиками и особенностями каждого из них.

Классификация

Грунтовка для авто может классифицироваться по различным признакам. По назначению, составу и способу действия она делится на следующие виды:

Очевидно, что по своему составу эти материалы отличаются. Каждый из них имеет свою специфику применения и особенности, которые мы рассмотрим ниже.

Двухкомпонентный акриловый заполняющий грунт

В зависимости от того, сколько компонентов присутствует в смеси, грунты делятся на 2 группы:

  • однокомпонентные;
  • двухкомпонентные.

Однокомпонетный состав, как это следует из названия, состоит из одного компонента. Он не требует предварительного приготовления. Однокомпонентные средства готовы к немедленному использованию.

Двухкомпонентная грунтовка для автомобилей имеет в своём составе, соответственно,2 компонента — перед использованием её необходимо приготовить. В состав добавляется отвердитель и при необходимости — растворитель.

У каждого из этих видов есть свои преимущества. Какой из них выбрать, зависит от специфики поставленной задачи.

Однокомпонентный грунт по пластику

По виду тары грунтовочные смеси делятся также на 2 вида:

  • в металлических банках;
  • в баллончиках.

Первый вариант — это, как правило, двухкомпонентные смеси, требующие предварительного приготовления. Обычно они имеют высокую вязкость и наносятся кистью, валиком или пневматическим пистолетом.

Второй вариант наносится аэрозольным методом — это однокомпонентные вещества, готовые к использованию без предварительного приготовления.

Выбор тары зависит от того, какой объем работы вы планируете. Для обработки локальных участков лучше подходит аэрозоль. Для больших масштабов вам понадобится грунт в металлических банках. Сколько бы ни говорили об удобстве аэрозольных баллончиков, они не в состоянии обеспечить высокую производительность на больших площадях.

Эпоксидный грунт в баллончике

Акриловый грунт для автомобиля

Акриловая группа автомобильных грунтов — наиболее широко используемая. Это наиболее универсальная разновидность, и любой мастер скажет, что с её помощью вы можете выполнить максимально широкий вид работ.

Акриловые грунты используются для всех типов поверхностей:

  • стали;
  • пластика;
  • хромированных поверхностей;
  • оцинкованных плоскостей;
  • лёгких сплавов;
  • лакокрасочного покрытия;
  • шпатлёвок.
Автомобильный акриловый грунт SEAL 0,834л+отвердитель0,166л

Если говорить о задачах, которые решает подобный вид грунта, можно назвать следующие факторы:

Акриловая грунтовка для кузова автомобиля

Перед покраской авто его поверхность необходимо соответствующим образом подготовить. Завершающим этапом приготовлений, который связывает все предыдущие шаги с окрашиванием, является процесс грунтования.

Нанесение грунтовки может ставить перед собой различные задачи — в зависимости от их специфики выбирается тот или иной состав. Одним из наиболее распространённых видов грунтовки для авто считается акриловая.

Акриловый грунт-наполнитель PYRAMID HS 5:1 (0,8л) + отвердитель

Определение и характеристики акриловой грунтовки

Как это понятно из названия, акриловый грунт для авто изготавливается на акриловой основе. Он может использоваться как для металлических, так для и пластиковых поверхностей. Наносится грунтовка непосредственно перед покраской авто.

При этом, как правило, ставятся такие задачи:

  • финишное выравнивание поверхности перед окрашиванием;
  • заполнение царапин, микропор и неровностей;
  • формирование адгезии между поверхностью и лакокрасочным покрытием;
  • защита металла от возникновения очагов коррозии.
Акриловая порозаполняющая 2-К грунтовка для авто

На загрунтованную поверхность краска ложится ровным слоем. Обеспечивается её хорошая сцепляемость с металлом. Покрытие получается долговечным и стойким.

Если говорить о характеристиках акриловой грунтовки, можно назвать следующие факторы:

  • термостойкость;
  • устойчивость к атмосферным влияниям;
  • влагостойкость;
  • долговечность.

Как уже говорилось выше, акриловый грунт для автомобилей является наиболее универсальным. Поэтому он наиболее широко используется по сравнению с остальными существующими разновидностями.

Грунт акриловый 5+1 HS Red Car MAX POD, серый + отвердитель

Разновидности

Акриловый грунт для автомобилей по своему составу бывает следующих типов:

  • однокомпонентным;
  • двухкомпонентным;
  • антикоррозийным;
  • для пластика.

Первый тип состоит из одного компонента — он служит средством улучшения адгезии между лакокрасочным покрытием авто и окрашиваемой поверхностью. Наносится такое средство очень тонким слоем и, по сути, выполняет лишь роль посредника.

Двухкомпонентная автомобильная грунтовка требует предварительного приготовления — она смешивается с растворителем. Этот состав наносится более толстым слоем и служит для финишного выравнивания поверхности под покраску авто и для заполнения небольших пор, царапин и неровностей после предварительного шлифования.

Двухкомпонентный акриловый грунт

Антикоррозийный состав наносится тонким слоем под двухкомпонентную смесь. Он обеспечивает плановую защиту металла от возникновения очагов коррозии. Если же есть основания предполагать, что среда будет интенсивно способствовать возникновению ржавчины, лучше воспользоваться специальными антикоррозийными средствами.

Грунт для пластика отличается очень высокими показателями пластичности и адгезии. Это гарантирует защиту от преждевременного растрескивания.

Существуют грунты разного цвета:

  • серый;
  • белый;
  • чёрный.
Акриловая грунтовка – серого цвета

При покраске автомобилей выбирают, какой цвет потребует меньшего числа слоёв при покраске, для сокращения расхода краски и, соответственно, экономии.

Промышленность выпускает акриловые грунты для авто в металлических банках. Для нанесения на поверхность можно использовать кисть, валик или пневматический пистолет.Последний хорошо использовать для обработки больших участков — он обеспечивает наилучшую производительность.

Однокомпонентный состав может быть в металлическом баллончике — в таком случае он распыляется аэрозольным спос

1 Компонент Soil Nutrition Bcuzz de la marca Atami

Описание продукта

1 Компонент Soil Nutrition B'cuzZ

1 Компонент Soil Nutrition es un Базовое удобрение de profescuales la marca Атами . Activa la vida del suelo y favorece el desarrollo de las plantas. Se puede usar tanto en crecimiento como en floración.

Características de 1 Component Soil Nutrition B'cuzZ de Atami

1 Componen Soil Nutrition де B'cuzZ имеет форму на биоминералес pueda aprovechar por éstas.

Este Ferizante de Atami оценивается как бактерии и микроорганизмы, содержащиеся в организме, для ревитализантов

Это основа B'cuzZ и yudará a que la planta se prepare para la etapa de floracion , dando lugar a que se formen más flores, más compactas y robustas. Utilizaremos 1 Component Soil Nutrition en el período de crecimiento y en el de floración aportando todos los nutritious base que necesitan nuestras plantas.

Este producto de Atami ha sido especializado para uso en tierra, en maceta o en suelo.

Доза одного компонента Soil Nutrtion activador de B'cuzZ de Atami

  1. Añadiremos 2,5 мл de activador por litro de agua en las primeras semanas.
  2. Iremos aumentando la dosis a 5 мл de 1 Component Soil Nutrition de B'cuzZ por cada litro de riego.

Cuando iniciemos el período de floración y aparezcan los primeros brotes de la etapa podemos combinarlo con otros Ferizantes como Bloomstimulator de B'cuzZ.

Composición

  • 2,59% Nitrógeno
  • 3,02% de xido fosfórico
  • 6,48% de ,4xido de Potasio
  • 2,32% de 2,3xido de Magnesio
  • 0,87% de xido de Azufre
  • 0,039% de Hierro
  • 0,036% de Manganeso
  • 0,065% Zinc
  • 0,016% de Boro
  • 0,02% Cobre
  • 0,013% de Molibdeno

1 Компонент Soil Nutrition base para crecimiento y floración disponible en Eurogrow en formatos de 1 L y 5 L. También dispones de просмотров hechas por otros clientes que han comprado el producto y lo usan en su cultivo de inner o external.

1 Component Soil Grow De BAC Abono Para Crecimiento

Описание продукта

1 Component Soil Grow es un abono concentrado de origen químico para plantas que se encuentran en crecimienrambra y hans. La fórmula contiene nutritious Minerales de gran pureza, que permite a tus plantas crecer de manera frondosa, vigorosa y adquirir las condiciones necesarias para soportar cosechas de gran peso.De la marca BAC.

1 Component Soil Grow Características

Идеально для выращивания в почве, пригодного для выращивания растений. Этот продукт представляет собой альтернативное содержание нитрогенов для всех растений и растений, которые содержат растительные ткани, живые и интенсивные.

¿Cuáles son los beneficios de usar 1 Component Oil Grow?

  • Alimento con alto contenido de micro y macronutrientes que allowirá a tus plantas desarrollarse óptimamente.
  • Proporciona una base de нутриенты Complete que maximiza el rendimiento de tus plantas de cannabis.
  • Идеально для конопли, которая используется для презентаций cogollos pesados, является дополнением к пропорционарному сопротивлению, действующему в лас-рамасе, для того, чтобы помочь вам в этом.

¿Dónde usar 1 Component Oil Grow?

Особое оформление для культурных растений на земле или в месклах турб, растений с использованием растений внутри и снаружи.Eficaz en cultivos de semillas tanto feminizadas como auto florecientes.

Modo de empleo 1 Component Oil Grow

Existen ciertos parámetros en los cultivos que hay que tomar en cuenta a la hora de aplicar este abono a las plantas, que son el nivel de pH que debe ser ajustado a 6.0 y el EC debe estar entre 1.6 y 2.4.

  • Emplear durante toda la fase de crecimiento y en las 2 primeras semanas de floración.
  • Se Recomienda colocar la cantidad Requerida hasta llegar a 0,8 Ms - 1 Ms de EC en la fase de crecimiento, toma en cuenta que si empleas Estimulador de raíces debes agreementgarlo inicialmente.
  • El Estimulador en la dosis que toque de ml / L y posteriormente el 1 Component Soil Grow hasta alcanzar el electric conductividad recomendada.

Dosis 1 Component Oil Grow

En la etapa de crecimiento puedes comenzar con 3,5 мл por cada litro de agua, el cual puedes ir aumentando en base a las necesidades de tu cultivo, no debes exceder los 5 ml en la etapa de floración.

Dato 1 Component Oil Grow

Para lograr resultados altamente efectivos puedes combinar el 1 Component Oil Grow with BAC Rootstimulator y lograras un crecimiento increíble en tus plantas de cannabis.Siempre considerando medir correctiveamente los niveles de EC para colocar las dosis en la proporción recomendada y en función del Requerimiento de tu cultivo.

Especificaciones 1 Component Oil Grow

  • Тип: Abono para favorecer el crecimiento.
  • Origen del abono: Mineral .
  • Состав: NPK 17-22-24
  • Нитрогено 17%.
  • Фосфоро 22%.
  • Potasio 24%.

Состав почвы | Национальное географическое общество

Почва содержит воздух, воду и минералы, а также растительные и животные вещества, как живые, так и мертвые. Эти компоненты почвы делятся на две категории. К первой категории относятся биотические факторы - все живые и некогда живые существа в почве, такие как растения и насекомые. Вторая категория состоит из абиотических факторов, которые включают все неживые предметы, например минералы, воду и воздух. Самыми распространенными минералами, которые поддерживают рост растений в почве, являются фосфор и калий, а также газообразный азот. Другие, менее распространенные минералы включают кальций, магний и серу. Биотические и абиотические факторы почвы составляют ее состав.

Состав почвы - это смесь почвенных ингредиентов, которые варьируются от места к месту. Служба охраны природных ресурсов (NRCS), входящая в состав Министерства сельского хозяйства США, составила почвенные карты и данные для 95 процентов территории Соединенных Штатов. NRCS обнаружила, что в каждом штате есть «государственная почва» с уникальным «рецептом» почвы, характерным для этого штата. Эти разные почвы являются причиной того, что в Соединенных Штатах выращивают такое большое разнообразие сельскохозяйственных культур.

Рассмотрим почвы трех штатов: Гавайи, Айова и Мэн.Глубокая, хорошо дренированная почва Гавайев содержит вулканический пепел, что делает ее идеальной для выращивания сахарного тростника, а также корней имбиря, папайи и орехов макадамия. В штате Айова, который находится на Среднем Западе США, есть государственные почвы, которые подходят для сельского хозяйства, поскольку они состоят из толстого слоя органических веществ, образовавшихся в результате разложения степных трав. Кукуруза и соя - основные культуры, выращиваемые на этих почвах. Государственная земля штата Мэн, расположенная в северо-восточной части страны, сделана из материалов, оставшихся после таяния местных ледников.Эта почва идеально подходит для выращивания деревьев, в частности красной ели и бальзамической пихты. Многие деревья, выращиваемые сегодня в штате Мэн, заготавливают для производства древесины или изготовления бумаги.

Ученые-почвоведы проводят различные тесты на почвах, чтобы узнать об их составе. Тестирование почвы может определить количество биотических и абиотических факторов в почве. Результаты этих тестов также могут показать, не слишком ли много в почве определенного минерала или ей нужно больше питательных веществ для поддержки растений. Ученые также измеряют другие факторы, такие как количество воды в почве и то, как оно изменяется со временем - например, является ли почва необычно влажной или сухой? Испытания также могут определять загрязнители и тяжелые металлы в почве и определять содержание азота в почве и уровень pH (кислотность или щелочность).Все эти измерения можно использовать для определения здоровья почвы.

1. Почвы и питательные вещества для растений

Эта глава учит людей:

  1. Определите физические свойства почвы и опишите, как они влияют на пригодность почвы для выращивания растений.
  2. Опишите органические вещества и способы их использования для улучшения почвы.
  3. Объясните, как собрать образец почвы и как использовать отчет об испытании почвы.
  4. Для каждого из шести макроэлементов опишите симптомы дефицита или избытка.
  5. Определить стратегии по снижению воздействия удобрений на качество воды.
  6. Определите разнообразие жителей почвы, их преимущества и стратегии по укреплению их здоровья.

Почва - это живая, дышащая, естественная сущность, состоящая из твердых тел, жидкостей и газов. Почва выполняет пять основных функций:

  1. Обеспечивает среду обитания для организмов
  2. Перерабатывает отходы
  3. Фильтры для воды
  4. Служит конструкционным материалом
  5. Обеспечивает среду для роста растений 1

Мы сосредоточимся на пятой функции.В этой роли почва обеспечивает структурную стабильность для растений и удерживает и отводит воду и питательные вещества, необходимые для роста растений.

Идеальная почва для роста растений содержит 50% пор и твердых частиц, при этом поровое пространство заполнено равными частями воздуха и воды. Такое распределение происходит редко, потому что поровое пространство зависит от текстуры почвы и управления почвой. Например, обработка почвы увеличивает поровое пространство, а плохой дренаж и уплотнение уменьшают его.

Твердые вещества почвы представляют собой смесь минеральных материалов и органических веществ .Минеральные материалы обычно представляют собой выветрившуюся породу разного размера, называемую песком, илом и глиной. Органическое вещество состоит из разлагающихся остатков растений и микробов. Относительные количества порового пространства, минерального и органического вещества сильно различаются в зависимости от типа почвы. Но для роста растений большинство почвоведов согласны с тем, что 50% порового пространства, 45% минеральных веществ и 5% органических веществ составляют идеальное соотношение (рис. 1–1a). Распределение почв и порового пространства в уплотненной и плохо дренированной почве показано на Рисунках 1–1b и 1–1c.

Даже небольшое количество органического вещества может сильно повлиять на физические, химические и биологические свойства почвы.

1 Brady, N.C. и R.R. Weil. 2004. Элементы природы и свойств почв, 2-е издание. Атланта, Джорджия: Prentice Hall
.

Рис. 1–1a.Распределение твердых частиц и порового пространства в идеальной почве.

Рисунок 1–1b. Распределение твердых частиц и порового пространства в уплотненном грунте.

Рис. 1–1c.Распределение твердых частиц и порового пространства в плохо дренированной почве.

Большинство естественных, нетронутых почв состоит из трех отдельных слоев переменной толщины. Слои - это верхний слой почвы, подпочва и материнский материал .Каждый слой может иметь два или более подслоя, называемых горизонтами . В совокупности горизонты составляют почвенный профиль. Преобладающий исходный материал зависит от региона Северной Каролины. В предгорьях и горах Северной Каролины материнский материал обычно представляет собой выветренную коренную породу, известную как сапролит. В днищах рек и на террасах ручьев предгорий и гор Северной Каролины материнскими материалами являются пойменные отложения, доставленные из верховьев рек, где произошла эрозия. На прибрежной равнине Северной Каролины материнскими веществами являются морские отложения, отложившиеся в течение эонов по мере того, как океаны проходят естественные циклы наступления и отступления.На самой восточной прибрежной равнине Северной Каролины преобладающим материнским материалом является органическое вещество. Эти органические почвы обычно встречаются в районах, которые всего 50 000 лет назад находились ниже уровня моря. Это болота, где растут и процветают растения. Но эти участки слишком влажные, чтобы остатки растений (листья, ветви, корни, стволы и т. Д.) Могли эффективно разложиться.

Свойства почв меняются в зависимости от глубины почвы. Поверхность почвы или верхний слой почвы (горизонт O и A на рис. 1-2) обычно содержит меньше глины, но больше органического вещества и воздуха, чем нижние слои почвы.Верхний слой почвы обычно более плодороден, чем другие слои, и имеет наибольшую концентрацию корней растений.

Подземный слой (горизонты B и C на Рисунке 1-2), известный как подпочва, обычно имеет более высокое содержание глины и более низкое содержание органических веществ, чем верхний слой почвы.

Свойства почвы часто ограничивают глубину, на которую могут проникать корни растений. Например, корни не прорастут через непроницаемый слой. Этот слой может быть скальной породой (рис. 1–3), уплотненной почвой или химическим барьером, например кислым (очень низким) pH .Высокий уровень грунтовых вод также может ограничить рост корней из-за плохой аэрации почвы. Немногие большие деревья растут на мелкой почве, потому что большие деревья не могут развить достаточно сильную корневую систему, чтобы предотвратить их опрокидывание. Мелкие почвы также более подвержены засухе, потому что они содержат меньше воды и, следовательно, высыхают быстрее, чем более глубокие почвы. Вода, теряемая в результате стока на мелководных почвах, вместо этого будет поглощена более глубокими почвами. Кроме того, глубокая почва позволяет корням исследовать больший объем, что означает, что корни могут удерживать больше воды и питательных веществ для растений.

Почвы меняются в трех измерениях. Первое измерение идет сверху вниз по профилю почвы. Два других измерения - с севера на юг и с востока на запад. Практическое значение этой трехмерной изменчивости состоит в том, что когда вы перемещаетесь по штату, округу или даже полю, почвы меняются. Это изменение объясняется пятью факторами почвообразования:

  1. Основной материал
  2. Биологическая активность
  3. Климат
  4. Топография
  5. Время

Различие даже в одном из этих факторов приведет к другому типу почвы.Почвы, сформированные из разных почвенных материалов, различаются. Почвы, сформированные из одного и того же материнского материала в разных климатических условиях, различаются. Почвы на вершине холма отличаются от почв внизу. Вершина холма теряет материал из-за естественной эрозии; нижняя часть получает материал сверху. Учитывая количество возможных комбинаций этих пяти факторов, неудивительно, что в настоящее время в Северной Каролине нанесено на карту более 450 уникальных серий почв. В мире насчитывается более 20 000 различных серий почв.Ряды почвы на уровне микрорайона можно найти, набрав «Web Soil Survey» в любой поисковой системе в Интернете.

Рисунок 1-2. Почвенные горизонты.

Джон А. Келли, USDA-Служба охраны природных ресурсов

Джон А. Келли, Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США

Распечатать изображение

Рисунок 1–3. Серия грунтов Craggey; пример неглубокой почвы.

Джон А. Келли, USDA-Служба охраны природных ресурсов

Джон А. Келли, Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США

Распечатать изображение

Физические свойства почвы - это характеристики, которые можно увидеть, почувствовать или измерить.К ним относятся цвет, текстура, структура и водоудерживающая способность. Такие свойства обычно определяют пригодность почвы в качестве питательной среды. Некоторые физические свойства, такие как текстура, экономически нецелесообразно изменять в больших масштабах.

Плодородие почвы, которое является химическим свойством, изменить легче, чем физические свойства почвы.

Органические вещества, присутствующие в почве минералы и условия дренажа влияют на цвет почвы. Сам по себе цвет не является показателем качества почвы, но цвет дает подсказку об определенных условиях.Например, светлые или бледные цвета зернистого верхнего слоя почвы часто связаны с низким содержанием органических веществ, высоким содержанием песка и чрезмерным выщелачиванием. Темный цвет почвы может быть результатом плохого дренажа или высокого содержания органических веществ. Оттенки красного указывают на то, что глинистая почва хорошо аэрирована, а оттенки серого указывают на недостаточный дренаж (рис. 1–4). В хорошо дренированных почвах гор Северной Каролины и Пьемонта цвета подпочвы часто имеют оттенки красного, коричневого и желтого. В слабо дренированных почвах подпочва имеет более серый цвет. Цвет

Текстура

Текстура почвы, которая относится к пропорциям песка, ила и глины, влияет почти на все аспекты использования почвы и управления ею. Песок - самая большая частица (от 2,0 до 0,05 мм), ил намного меньше (0,05-0,002 мм), а глина - самая мелкая (менее 0,002 мм) (рис. 1–5). Чтобы сравнить размеры частиц, представьте, что песчинка размером с баскетбольный мяч. В таком масштабе частица ила была бы размером с мрамор, а частица глины была бы острым предметом.От того, насколько мелкой (глинистой) или крупной (песчаной) будет почва, будут зависеть многие ее физические и химические свойства.

В значительной степени способность частиц почвы реагировать с водой и питательными веществами зависит от доступной площади поверхности (Таблица 1 1). Когда размер отдельных частиц невелик, больше отдельных частиц умещается в данном пространстве и, таким образом, делает доступной большую площадь поверхности. Глина с ее крошечными частицами и пластинчатой ​​структурой эффективно удерживает воду и питательные вещества, в то время как песок, имеющий крупную крупнокусковую структуру, не удерживает.Частицы глины не только меньше по размеру, но и состоят из минералов, отличных от песка и ила, а структура частицы глины больше похожа на стопку бумажных тарелок, чем на песчинку (рис. 1–6).


Таблица 1 - 1. Тип частиц, количество частиц на грамм и средняя площадь поверхности на грамм.

Тип частиц Диаметр (мм) Количество частиц на грамм Удельная поверхность (см 2 / г)
Глина <0.002 90 260 853 000 8 000 000
Крупный песок 1,00–0,50 720 23
Мелкий песок 0,25-0,10 46 000 91
Песок средний 0,50–0,25 5,700 45
Ил 0.05-0.002 5,776,000 454
Очень крупный песок 2,00–1,00 90 11
Очень мелкий песок 0,10-0,05 722 000 227

Камни и гравий

Камни и гравий, которые являются крупными крупными материалами, можно найти во многих почвах, но они не учитываются при определении текстуры почвы. Хотя некоторые камни и гравий в почве не влияют на усвоение питательных веществ растениями, они могут затруднить копание почвы. Если сад состоит в основном из камней или гравия, почва будет иметь пониженную способность удерживать воду и питательные вещества и будет непригодна для выращивания растений. В такой ситуации проще всего будет установить грядки и завозить грунт.

Добавление органических веществ - более экономически выгодная альтернатива улучшения почвы. Добавление органических веществ не изменяет структуру почвы - процентное содержание песка, ила и глины в почве, - но добавление органических веществ изменяет структуру почвы за счет увеличения порового пространства и улучшения дренажа.Садовники могут добиться успеха с любой структурой почвы, если они знают свойства и ограничения этой почвы. Относительные пропорции песка, ила и глины определяют текстурный класс почвы (рис. 1–7). Например, почва, состоящая из 12% песка, 55% глины и 33% ила, относится к классу текстуры глины. Текстура почвы - это постоянная характеристика, которую нелегко изменить в результате деятельности человека. Рассмотрим типичную минеральную почву глубиной 6 дюймов на 1 акре. Эта почва весит около 2 миллионов фунтов. Чтобы изменить содержание песка всего на 1%, потребуется добавить 20 000 фунтов (или 10 тонн) песка.Изменение содержания песка на 1% будет иметь минимальный эффект. Значительный эффект может потребовать изменения на 10%, что означает добавление 100 тонн песка.

Обычно для определения текстуры почвы используются лабораторные процедуры. Однако можно использовать процедуру, описанную на рис. 1–8, для определения класса текстуры методом « feel ». Это требует практики и калибровки, но может дать разумную оценку текстуры почвы.

Песчаные или крупнозернистые почвы (рис. 1–9)

  • Низкое содержание органических веществ и естественное плодородие.
  • Быстро проницаемый и не удерживающий влагу почвы.
  • Выщелачивание питательных веществ вызывает беспокойство, поэтому правильное внесение удобрений является обязательным. Применяйте меньшее количество питательных веществ и применяйте их чаще.
  • Низкое содержание катионита и буферная емкость .
  • Хорошо подходит для фундаментов дорог и строительных площадок.
  • Почувствуйте себя песчаным.

Суглинистые или среднетекстурированные почвы (рис. 1–10)

  • Содержит больше органических веществ.
  • Позволяют замедлить движение воды и лучше удерживать влагу и питательные вещества.
  • Обычно более плодовиты.
  • Обладают более высокой катионообменной и буферной емкостью.
  • На ощупь рассыпчатый.

Глинистые или мелкозернистые почвы (рис. 1–11)

  • Повышенная удерживающая способность.
  • Более высокая водоудерживающая способность.
  • Мелкозернистые почвы проявляют свойства, с которыми трудно справиться или преодолеть их.
  • Часто бывает слишком липким в мокром состоянии и слишком твердым в сухом для выращивания.
  • Может иметь характеристики усадки и набухания, которые влияют на использование в строительстве.
  • Почувствуйте себя скользким.

Как типы почвы влияют на садоводов?

Уплотнение. Уплотнение происходит, когда к частицам почвы прилагается давление, а воздух и вода выталкиваются из порового пространства. Крупные частицы песка кубической формы с трудом уплотняются. Частицы глины, мелкие и пластинчатые, легко выравниваются и могут уплотняться, особенно во влажном состоянии.Уплотнение препятствует движению воды, газов (воздуха) и корней. Уплотненные почвы имеют меньшую инфильтрацию, больший сток, более высокий риск эрозии и более ограниченный рост корней, чем почвы без уплотнения. Вода стекает медленно, что может увеличить вероятность заболеваний корней растений.

Эрозия. Частицы песка тяжелые, поэтому их сложно подобрать и сдвинуть под действием воды или ветра. Частицы глины липкие, поэтому их нелегко сдвинуть. Частицы илистого суглинка легкие и не липкие, поэтому эрозионные силы легко перемещают их.Эродированные почвы обычно труднее обрабатывать и имеют более низкую продуктивность, чем почвы без эрозии. Основными причинами эрозии почвы в Северной Каролине являются недостаточный растительный покров или мульчированный покров, а также неправильное оборудование и методы, используемые для подготовки и обработки почвы (рис. 1–12).

Эрозию почвы можно свести к минимуму, приняв ряд профилактических мер:

  • Выбирайте растения, подходящие к почве, чтобы они хорошо прижились.
  • Ежегодно мульчируйте поверхность органическими материалами на глубину от 1 до 3 дюймов.
  • Достаточно удобряйте, чтобы способствовать энергичному, но не чрезмерному росту растений.
  • Создайте водозабор, например, водный путь из травы, чтобы уловить и замедлить движение воды.
  • Выровняйте ряды по контуру земли, чтобы вода, стекающая с холма, замедлялась.
  • Используйте надлежащие методы обработки почвы, например, не обрабатывайте слишком влажную почву и не заделывайте ее.
  • Посадить озимую покровную культуру.
  • Рассмотрите возможность установки дождевых садов для сбора наносов и стоков.

Площадь поверхности. Самая активная часть частицы почвы - это площадь ее поверхности. На поверхности частицы происходит обмен питательными веществами. Частицы песка имеют небольшую площадь поверхности по сравнению с их массой, что означает, что они плохо удерживают питательные вещества. Частицы глины имеют большую площадь поверхности по сравнению с их массой, поэтому небольшое количество глины может добавить значительную площадь поверхности к почве, увеличивая способность удерживать питательные вещества.

Структура

Структура почвы означает группировку отдельных частиц почвы в более крупные куски, называемые peds или агрегатами .Структура верхнего слоя почвы обычно зернистая и напоминает крошки шоколадного печенья (рис. 1–13). Хорошая зернистая структура обеспечивает быстрое движение воздуха и воды в почве. Плохая зернистая структура уменьшает движение воздуха и воды. Хорошая структура почвы способствует широкому развитию корней; плохая структура может ограничить рост корней. Добавление достаточного количества органического вещества и обработка почвы только тогда, когда она не слишком влажная, способствует хорошей структуре верхнего слоя почвы.

Вместимость воды

Вода попадает в почву в результате атмосферных осадков или орошения.Он выходит через дренаж из почвы, испаряясь с поверхности, и через транспирацию из листьев растений. Влагоудерживающая способность - удерживание воды, проходящей через почву, - зависит от различий в пространстве пор почвы. Идеальные почвы - это полупористое пространство с равным количеством воздуха и воды, заполняющими поры. Слишком много воздуха означает, что растения увянут. Слишком много воды означает снижение жизнеспособности растений и подверженность корневой гнили, которая возникает из-за анаэробных условий.

Почвы различаются количеством крупных (макро), средних (мезо) и мелких (микро) пор.Макропоры, которые чаще встречаются в песчаных почвах, быстрее впитывают воду и быстрее дренируют, чем мезо- и микропоры. Этот быстрый сток из макропор называется «гравитационной водой», потому что более слабые силы адгезии и когезии в макропорах не могут преодолеть силу тяжести. В течение 24 часов после проливного дождя гравитационная вода достигает нижних горизонтов почвы, и почва имеет полевую емкость : мезо- и микропоры все еще полны воды, потому что их силы сцепления и сцепления сильнее силы тяжести.Вода в мезопорах доступна растениям. Но когда мезопоры теряют воду по мере высыхания почвы за счет поглощения растениями и транспирации, влажность почвы достигает точки постоянного увядания. В точке постоянного увядания микропоры все еще полны воды, но эта вода настолько плотно удерживается, что недоступна для растений. Обратите внимание, что растения могут увядать до точки постоянного увядания, если растение пропускает воду через листья быстрее, чем может забирать воду из почвы через корни. Вот почему растения могут увядать в жаркие дни, а затем восстанавливаться после захода солнца, и почему растения могут сбалансировать поглощение с транспирацией (рис. 1–14).

Как исправить уплотнение

Уплотнение является вероятной проблемой, если в этом районе недавно были строительные работы или другие транспортные средства. Для разрыхления почвы может потребоваться глубокая обработка почвы, при которой верхние слои почвы от 6 дюймов до 2 футов перемешиваются культиватором, диском или ручными инструментами. Включение органических веществ во время глубокой культивации может помочь восстановить структуру почвы за счет создания агрегатов, макропор (для дренажа) и мезопор (для воды, доступной для растений).Копка или обработка почвы, когда она влажная или чрезмерно сухая, могут разрушить структуру.

Будьте осторожны с быстрыми решениями, такими как начало работы с грузовиком верхнего слоя почвы. К сожалению, нет стандартов на материал, продаваемый как «верхний слой почвы». На место могут быть доставлены новые проблемы, такие как семена сорняков и болезнетворные организмы. Добавление нового верхнего слоя почвы к существующей почве также может создать проблемы с дренажом, когда вода проходит через приобретенный верхний слой почвы и достигает уплотненного слоя. Вода может скапливаться и создавать неблагоприятные условия для роста корней.

Глинистые почвы, которые имеют тенденцию удерживать чрезмерное количество воды и легко уплотняются, представляют некоторые сложные проблемы. Распространенные ошибки - добавление песка или торфяного мха для улучшения дренажа. Добавление песка в глину уменьшит структуру почвы, уменьшив поровое пространство. Добавление торфяного мха увеличит высокую влагоудерживающую способность глинистой почвы. Лучший совет - добавлять меньшее количество органического вещества каждый год, минимизировать уплотнение и позволить биологии почвы естественным образом улучшить структуру с течением времени.

Городские почвы

По мере того, как движение за местные продукты питания набирает обороты, все больше людей занимаются садоводством в городских районах. Городские почвы могут содержать такие загрязнители, как свинец, остатки пестицидов или нефтепродукты. Перед садоводством и особенно перед тем, как производить какие-либо продукты питания на городской почве, важно понимать историю земли и правильно определять любые возможные загрязнители. S oilFacts: Минимизация рисков загрязнения почвы в городских садах (номер публикации NC State Extension AG-439-78) предоставляет подробную информацию об уровнях риска для отдельных загрязнений почвы, методах восстановления и ресурсах для профессионалов, которые могут помочь с анализом и консультациями.

Вот несколько советов по садоводству на загрязненных почвах:

Дизайн сада:

Сажайте декоративные растения на загрязненных территориях и размещайте съедобные продукты как можно дальше от загрязнителей.

Не сажайте возле дорог или зданий.

Рассмотрите возможность использования приподнятых грядок с привозной почвой (рис. 1–15).

Управление почвами:

Повышение pH почвы может помочь замедлить поглощение некоторыми загрязнителями растениями.

Органические вещества, такие как компост, могут связывать некоторые загрязнители в почве.

Если необходимо крупномасштабное восстановление, обратитесь к профессионалу за помощью при выемке грунта, промывке или удалении паров.

Рекомендации по посадке:

Избегайте корнеплодов, съедобные части которых контактируют с почвой.

Побеги и листовые культуры (салат, капуста, брокколи, сельдерей, ревень) будут иметь меньший риск заражения.

Плодовые культуры (помидоры, кабачки, фасоль, перец) будут иметь наименьший риск заражения.

Гигиена сада:

Надевайте перчатки и мойте руки и одежду после работы в саду.

Не носите в доме садовую обувь.

Внимательно следите за детьми, чтобы не попала грязь.

Вымойте продукты в мягком моющем средстве, удалите первые листья листовых культур (самые близкие к земле) и очистите корнеплоды.

Рисунок 1–4.Цвет как индикатор дренажа. Почва слева представлена ​​серией Сесил, хорошо дренированной минеральной почвой, типичной для предгорий Северной Каролины. Почва справа - это серия Coxville, плохо дренированная минеральная почва, обнаруженная на прибрежной равнине Северной Каролины.

Джон А. Келли, USDA-Служба охраны природных ресурсов

Джон А. Келли, Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США

Распечатать изображение

Рисунок 1–5. Относительные размеры песка, ила и глины.

Рисунок 1–6. Изображение слева показывает крупный план частиц песка, которые кажутся зернистыми, если смотреть невооруженным глазом. Справа показана пластинчатая текстура глины, видимая только под микроскопом.

Рисунок 1–7.Пирамидальная диаграмма, показывающая типы почвы, основана на процентном содержании глины, песка и ила.

Рисунок 1–8. Метод Feel для определения текстурного класса почв.

Рисунок 1–9. Песчаные почвы малоплодородны и не удерживают почвенную влагу.

USDA, NRCS CC BY-SA - 4.0

Рисунок 1–10.Суглинистые почвы кажутся рассыпчатыми и обычно темнее, потому что содержат органические вещества.

USDA, NRCS CC BY-SA - 4.0

Рисунок 1–11. Глинистые почвы липкие во влажном состоянии и очень твердые в сухом.

Почвоведение, штат Северная Каролина CC BY - 2.0

Рисунок 1–12.Почва на этом холме подверглась эрозии из-за стока и отсутствия растительности.

Джон А. Келли, USDA-Служба охраны природных ресурсов CC BY - 2.0

Рисунок 1–13. Примеры зернистой структуры почвы (похожей на крошки шоколадного печенья) в верхнем слое почвы.

Джон А. Келли, USDA-Служба охраны природных ресурсов

Джон А.Келли, Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США

Распечатать изображение

Рисунок 1–14. Растения могут увядать в жаркую часть дня, но восстанавливаются после захода солнца.Растения могут уравновесить водопоглощение и потерю воды через транспирацию.

Скот Нельсон, Flickr CC BY - 2.0

Рисунок 1–15.Садоводство в городских условиях требует тщательного учета почвенных условий. Если присутствуют загрязненные или плохо дренированные почвы, могут понадобиться приподнятые грядки.

Дэвид Крамми, Flickr CC BY - 2. 0

Органическое вещество состоит из остатков растений и животных и придает почве цвет от серого до очень темно-коричневого.Органическое вещество является домом для многих почвенных организмов.

Дождевые черви, насекомые, бактерии, грибки и животные используют органические вещества в качестве пищи, расщепляя их для получения энергии и необходимых питательных веществ. Гумус - это часть органического вещества, которая остается после разложения в большей степени (рис. 1–16).

При разложении органического вещества в почве выделяется углекислый газ, который замещает часть кислорода в порах почвы. Двуокись углерода растворяется водой в почве с образованием слабой кислоты. Этот раствор вступает в реакцию с минералами почвы, высвобождая питательные вещества, которые могут усваиваться растениями. Перевариваемые и разлагающиеся органические вещества также помогают наладить хорошие отношения воздуха и воды. В песчаной почве органический материал занимает часть пространства между песчинками. Это связывает их вместе и увеличивает водоудерживающую способность. В мелкозернистой или глинистой почве органический материал образует агрегаты из частиц почвы. Это позволяет воде быстрее перемещаться вокруг частиц почвы.

Количество органического вещества в почве зависит в первую очередь от количества осадков, температуры воздуха, видов растений, которые росли в почве, методов управления, температуры почвы и дренажа.Часто обрабатываемые почвы обычно содержат мало органических веществ, потому что обработка почвы уменьшает размер частиц остатков и увеличивает количество воздуха в почве, увеличивая скорость разложения органических веществ. Плохо дренированные почвы, как правило, имеют высокий процент органического вещества, потому что низкий уровень кислорода ограничивает разложение организмов. Чтобы накапливать органические вещества в садовой почве, обрабатывать компост при создании сада, но не обрабатывайте его в последующие годы. Вместо этого ежегодно наносите на поверхность почвы тонкие слои (от 1 до 3 дюймов) органической мульчи или компоста (рис. 1–17).Этот материал разрушится, и уровень органических веществ в почве будет постепенно увеличиваться.

Улучшение почвы

Хорошая аэрация и дренаж, а также способность удерживать достаточное количество влаги и питательных веществ - ключевые компоненты идеальной почвенной среды. Несмотря на то, что рецептов создания этой идеальной среды не существует, есть несколько наиболее важных стратегий улучшения качества почвы:

  • Сведите к минимуму уплотнение почвы (не ходите по грядкам и не работайте с влажной почвой) (Рисунок 1–18).
  • Уменьшает проблемы с дренажем.
  • Уменьшает эрозию.
  • Посадите покровную культуру (Рисунок 1–19).
  • Включая органические вещества.
  • Нанесите на поверхность почвы слой органической мульчи толщиной от 1 до 3 дюймов.

Органические добавки могут улучшать почвы, страдающие от сильного уплотнения, плохого дренажа и эрозии. Такие материалы, как компост, навоз и сосновая кора, более эффективны и экономичны, чем вермикулит, торфяной мох, песок, верхний слой почвы или перлит.В таблице 1-2 приведены количества добавляемого в почву органического материала на 100 квадратных футов. При работе на небольших участках общее практическое правило заключается в том, чтобы заделать в почву слой органического материала толщиной от 3 до 6 дюймов. Прежде чем растения смогут использовать питательные вещества, необходимо разложить органические вещества. Скорость разложения органического вещества почвенными организмами зависит от влажности, температуры, размера частиц, отношения углерода к азоту и наличия азота. Для быстрого разложения необходим правильный баланс углерода и азота, а также высокие температуры и достаточная влажность. При использовании соломы, листьев или опилок (с высоким содержанием углерода) добавляйте азотные удобрения, пока материал разлагается. Почвенные микробы используют азот во время разложения и могут лишать растения, что приводит к замедлению или задержке роста растений. Внесение органических веществ за несколько месяцев до посадки сада позволяет материалу разложиться и иметь доступные для растений питательные вещества для хорошего роста растений.


Таблица 1-2. Органические материалы и нормы их применения.

Органический материал Сумма, добавляемая на 100 квадратных футов
Компост 10–20 кубических футов
Кукурузные початки 50 фунтов (2 бушеля)
Сено 60 фунтов (1 тюк)
Листья 75 фунтов (3–4 бушеля)
Опилки 50 фунтов (2 бушеля)
Солома 60 фунтов (1 тюк)
щепа 50 фунтов (2 бушеля)

Включение поправок к почвам

Для кондиционирования почвы необходимо увеличить содержание органических веществ до 25% по объему. Добавление минимум 2 дюймов материала в верхние 6 дюймов почвы создаст приблизительно 8 дюймов измененной почвы. Эти дополнения поднимают грядку, улучшая дренаж и делая растения более заметными. Включение более 50% органических веществ может отрицательно повлиять на рост растений. Будьте осторожны при использовании органического материала, убедитесь, что он полностью компостирован, а не просто выдержан. Микробы, привлеченные частично разложившимися материалами, будут конкурировать с растениями за питательные вещества, особенно азот и серу, что приведет к дефициту питательных веществ и плохому росту растений.

Лучшими добавками органических веществ для глинистых почв являются сосновая кора (менее 1 2 дюймов в диаметре) и компостная листовая плесень. Следующие поправки не рекомендуются, поскольку они недостаточно улучшают физические свойства глинистой почвы: торфяной мох, песок, кора твердых пород, древесная щепа и сосновая солома.

Для песчаных почв добавление органических веществ, таких как сосновая кора или компост, улучшит удержание воды.

Рисунок 1–16.Гумус - это органическое вещество, остающееся после разложения.

Guitarclass, Flickr CC BY-NC-SA - 4.0

Рисунок 1–17.Мульчирование слоем органического материала толщиной 1–3 дюйма поможет наладить хорошие воздушные и водные отношения в почве, а также добавит питательные вещества для поглощения растениями.

Кэтлин Мур CC BY - 2.0

Рисунок 1–18.Во избежание уплотнения в огороде уложена решетка из переработанного пластика, по которой можно ходить.

Сэм Сондерс, Flickr CC BY-SA - 4.0

Оценка сообщества и динамики почвенных бактерий с помощью интегрированного высокопроизводительного количественного определения абсолютной численности [PeerJ]

Введение

Бактерии являются важными компонентами почвенной экосистемы и играют жизненно важную роль в материальном цикле и потоке энергии в экосистеме Земли (Whitman, Coleman & Wiebe, 1998). Было подсчитано, что на Земле имеется 4–6 × 10 30 клеток прокариот и 2,6 × 10 30 в почве, которая является самой разнообразной и многочисленной клеточной формой жизни на Земле (Whitman, Coleman & Wiebe, 1998; Curtis & Sloan, 2005). Почвенные бактерии интенсивно изучаются на протяжении более ста лет на отдельных людях и в сообществах, но все еще существует более 85–99% бактерий, которые невозможно изолировать и выращивать в питательных средах (Lok, 2015). Следовательно, остается вопрос, сколько бактерий существует (абсолютное и относительное количество) и кто они (виды видов) в почве, составляющей сообщество.

За последние несколько десятилетий ученые пытались ответить на эти вопросы. Классический метод подсчета на чашках путем подсчета различных колоний на чашке был самым простым способом одновременного получения информации об абсолютном и относительном количестве почвенных бактерий, но этот метод имеет ограничение из-за низкого процента культивируемых бактерий в почве (Davey, 2011; Благодатская, Кузяков, 2013). Многие другие методы были применены для изучения абсолютной или относительной численности почвенного бактериального сообщества.Например, Brookes et al. (1985) и Вэнс, Брукс и Дженкинсон (1987) попытались оценить общую численность микробов, измерив микробную биомассу-N (MBN) и -C (MBC) в почве. С развитием молекулярной биологии и более проверенных конкретных генов-мишеней количественная ПЦР (кПЦР) также становится мощным и точным методом измерения общей или специфической абсолютной численности микробов в почве (Philippot et al., 2009).

Различные биомаркеры и молекулярные методы также оказались полезными для изучения структуры сообществ почвенных бактерий.Эти методы включают фосфолипидные жирные кислоты (PLFA), полимеразную цепную реакцию-денатурирующий гель-электрофорез в градиенте (PCR-DGGE), библиотеку клонов, флуоресценцию катализированного репортерного осаждения in situ гибридизацию (CARD-FISH), микрофлюидную qPCR и т. Д. (Li et al., 2006; Ding et al., 2011; Cai et al. , 2016; Kleyer, Tecon & Or, 2017). В частности, создание метода высокопроизводительного секвенирования открыло новую эру в микробиологии. Подтвержденный сообществом микробов-имитаторов и многочисленными исследованиями, этот метод может выявить относительную численность, а также виды видов сообщества почвенных бактерий с беспрецедентным объемом информации (Wang et al., 2007; Caporaso et al., 2012; Cai et al., 2016; Сингер и др., 2016; Tourlousse et al., 2017).

Так как метод высокопроизводительного секвенирования позволяет получить обширную информацию об относительной численности (Caporaso et al., 2012; Kozich et al., 2013; Dannemiller et al., 2014; Perst et al., 2014; Stokell, Hamp & Steck, 2016; Props et al., 2017; Zhang et al., 2017), он был объединен с методами абсолютной количественной оценки общего количества микроорганизмов для характеристики более информативных изменений микробных сообществ в нескольких исследованиях (Dannemiller et al., 2014; Perst et al., 2014; Props et al. , 2017; Zhang et al., 2017). В комбинированных методах для количественной оценки абсолютной численности микроорганизмов в целом использовались проточная цитометрия (FCM), аденозинтрифосфат (ATP), подсчет на гетеротрофных планшетах (HPC), qPCR, PLFAs и MBC. Например, Perst et al. (2014) объединили пиросеквенирование генов FCM и 16S рРНК и успешно выявили изменение бактериального сообщества в питьевой воде, которое не было обнаружено измерениями АТФ и HPC. Dannemiller et al.(2014) количественно сравнили популяции грибковых аэрозолей, объединив методы количественной ПЦР и высокопроизводительного секвенирования, которые были проверены по четырем выбранным конкретным таксонам: Alternaria alternata , Cladosporium cladosporioides , Epicoccum nigrum и Pengillium / Aspicillium виды

Недавно Zhang et al. (2017) исследовали бактериальные сообщества почвы в двух разных местах, объединив результаты АТФ, количественной ПЦР, PLFA и относительной численности метода высокопроизводительного секвенирования. Тем не менее, методы не были проверены с использованием конкретных штаммов или внутренних штаммов, как это было сделано в предыдущем исследовании Dannemiller et al. (2014). До сих пор ни одно исследование не подтвердило возможность объединения методов абсолютной количественной оценки общего количества микроорганизмов и данных высокопроизводительного секвенирования для характеристики почвенных бактериальных сообществ, что намного сложнее, чем в других средах (Whitman, Coleman & Wiebe, 1998; Smets et al. др., 2016; Tourlousse et al., 2017). Как упоминалось выше, метод кПЦР - это точный метод определения абсолютного количества генов, в то время как высокопроизводительное секвенирование является основным методом определения относительной численности сообщества бактерий.Поэтому мы предложили интегрированный высокопроизводительный метод количественного определения абсолютной численности (iHAAQ) для количественной оценки бактериальной экологии почвы путем объединения методов количественной ПЦР и высокопроизводительного секвенирования в этом исследовании.

Между тем, точность метода iHAAQ была проверена с помощью внутреннего эталонного штамма Escherichia coli O157: H7 EDL933, который можно легко классифицировать и отличить от местных почвенных бактерий. Кроме того, внутренний эталонный штамм может быть абсолютно количественно определен методом кПЦР, поскольку он содержит ген белка жгутика биосинтеза FliC ( fliC ) (Latif et al., 2014). Кроме того, метод iHAAQ был применен для характеристики изменений бактериального сообщества при биодеградации почвенного фенантрена.

Материалы и методы

Штаммы бактерий, питательная среда и химические вещества

Escherichia coli O157: штамм H7 EDL933 (ATCC 43895), агар SMAC (сорбитол МакКонки) -BCIG (5-бром-4-хлор-3-индоксил-β-D-глюкуронид) (LabM, Ланкашир, Великобритания) и среда Лурия-Бертани (LB) (Becton, Dickinson and Company, Франклин-Лейкс, штат Нью-Джерси, США), использованная здесь, была описана ранее (Wang et al., 2014). После инкубации при 37 ° C на водно-орбитальном шейкере (250 об / мин) культивированный штамм EDL933 собирали центрифугированием при 4 ° C (6000 × g в течение 10 мин) и трижды промывали стерильной деионизированной водой (Wang et al., 2014). Осадки клеток ресуспендировали в стерильной деионизированной воде для достижения концентрации клеток около 2,1 × 10 11 КОЕ / мл -1 (КОЕ, колониеобразующие единицы). При разбавлении стерильной деионизированной водой градиент концентрации штамма EDL933 составляет порядка 2.Готовили от 1 × 10 11 до 2,1 × 10 6 КОЕ мл -1 и добавляли к образцам почвы.

Модель Massilia sp. Штамм WG5 (CCTCC AB 2015362) был выделен из загрязненной ПАУ почвы из провинции Цзянсу, Китай, который обладает высокой способностью разлагать фенантрен (Lou et al., 2016; Wang et al., 2016). После предварительного культивирования в среде LB штамм WG5 собирали центрифугированием при 4 ° C (6000 × g в течение 10 мин) и трижды промывали стерильной деионизированной водой.Осадки клеток затем повторно суспендировали до D 600 нм 1,0 (приблизительно 1,5 × 10 8 КОЕ мл -1 ) для последующего использования.

Фенантрен (PHE; Sigma-Aldrich, Шанхай, Китай), рифампицин (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США), налидиксовая кислота (Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) и другие неорганические химические вещества, использованные в этом исследовании. были чистыми для ВЭЖХ или аналитической чистоты. Экстракцию и обнаружение PHE в почве проводили методом Gu et al.(2017).

Постановка эксперимента и выделение ДНК

Почва была собрана с поверхности горизонта (0–20 см) возле сталелитейного завода в провинции Фуцзянь, Китай. В лабораторию были доставлены три композитных пробы грунта с помощью холодильников с мешками для льда. Затем почву просеивали (2 мм) и хранили при 4 ° C для использования. Химические и физические свойства почвы такие же, как и у Gu et al. (2017).

Эксперимент включал 10 обработок: контроль (обработка Cont, только почва), почва с добавлением штамма EDL933 в шести концентрациях (около 10 9 , 10 8 , 10 7 , 10 6 , 10 5 и 10 4 КОЕ (г сухой почвы) -1 , что соответствует обработкам E9, E8, E7, E6, E5 и E4), почва с добавлением PHE (100 мкг (г сухой почвы) -1 , обработка P), в почву добавляли PHE (100 мкг (г сухой массы почвы) -1 ) и штамм WG5 (приблизительно 1.00 × 10 7 КОЕ (г сухой почвы) -1 , обработка W), и в почву добавляли ПГЭ (100 мкг (г сухой почвы) -1 ) и азид натрия (NaN 3 , 0,1% масс., Обработка S). Целью добавления NaN 3 было подавление нативной микробной активности (Wei & Pan, 2010).

В вариантах лечения E9, E8, E7, E6, E5 и E4, аликвота штамма EDL933 объемом 1,0 мл с градиентными концентрациями в порядке от 2,1 × 10 11 до 2,1 × 10 6 КОЕ мл −1 , соответственно, добавляли к каждому образцу почвы (30 г замороженной сухой основы).Обработки E9, E8, E7, E6, E5, E4 и Cont были использованы для разработки метода iHAAQ, а обработки P, W и S были использованы для выявления динамики сообщества почвенных бактерий во время биодеградации PHE.

Образцы каждой обработки готовили в трех экземплярах, помещая 30 г (замороженно-сухую основу) почвы в колбу на 100 мл. Все обработанные почвы были тщательно перемешаны (два часа), и влажность почвы была доведена до 100% от емкости поля (содержание воды в почве -33 кПа) путем добавления стерильной деионизированной воды.Непосредственно из каждой колбы отбирали десять граммов (замороженно-сухую основу) почвы. Кроме того, все колбы с обработками P, W и S инкубировали в темноте при 28 ± 1 ° C и еженедельно аэрировали на чистом столе в течение 30 мин. Стерильная деионизированная вода была добавлена ​​для компенсации потери влаги в почве во время инкубации и для поддержания квазипостоянного содержания влаги в почве для образцов. После 28 дней инкубации из каждой колбы с обработками P, W и S отбирали десять граммов (в пересчете на сухое замороженное состояние) почвы для экстракции ДНК.

Все образцы почвы, собранные из колб, немедленно замораживали и хранили в морозильной камере (-80 ° C). Аликвоту образца 0,21 г (замороженно-сухая основа) на собранный образец использовали для экстракции ДНК с помощью набора для выделения ДНК MoBio PowerSoil (MoBio Laboratories, Карлсбад, Калифорния, США). Извлеченную ДНК хранили в том же морозильнике (-80 ° C) перед анализом qPCR.

Количественный анализ ПЦР

Анализы qPCR были выполнены для количественной оценки специфических генов экстрагированной ДНК с тремя повторами с использованием прибора StepOnePlus ™ Real-Time PCR System (Applied Biosystems, Foster City, CA, USA).Две пары праймеров, 341F (5'-CCTACGGGAGGCAGCAG-3 ') и 534R (5'-ATTACCGCGGCTGCTGG-3'), 520F (5'-AYTGGGYDTAAAGNG-3 ') и 802RTA (5'-TACNVGGGTATC) были выбраны для определения количества копий гена 16S рРНК у бактерий в вариабельных областях V3 и V4 соответственно (Reddy et al., 2012; Guinane et al., 2013). Для измерения численности штамма EDL933 был выбран ген fliC из его хромосомы, которая имела только одну копию в геноме (Latif et al., 2014). В качестве прямого и обратного праймеров использовались 5'-GCGAAGTTAAACACCACGAC-3 'и 5'-ACCCGTACCAGCAGTAGATT-3' соответственно (Jun et al., 2011).

Стандартные кривые были построены с использованием 10-кратного серийного разведения плазмиды, содержащей целевые ДНК-ПЦР-фрагменты 16S рРНК и гены fliC . Реакции qPCR на 25 мкл содержали 12,5 мкл 2 × SYBR Green qPCR SuperMix-UDG с Rox (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA), 0,5 мкл каждого 10-мкМ прямого и обратного праймеров и 10,5 мкл стерильной воды, свободной от ДНК. Известное количество и образцы ДНК почвы добавляли по 1,0 мкл на реакцию. Реакцию проводили в следующих условиях термоциклера: 50 ° C в течение 2 минут × 1 цикл, 95 ° C в течение 5 минут × 1 цикл, затем 95 ° C в течение 15 секунд и 60 ° C в течение 30 секунд × 40 циклов; и, наконец, следует этап диссоциации для анализа кривой плавления.Все числа копий гена рассчитывали по стандартным кривым для 16S рРНК и генов fliC с использованием метода Δ C t (порог цикла). Все реакции КПЦР проводили в трех экземплярах.

Высокопроизводительное секвенирование и обработка данных

Согласно методу, описанному Ma et al. (2016) каждый составной образец ДНК для секвенирования был смешан путем объединения равных объемов экстракции ДНК из трех повторов.Бактериальные сообщества обработок Cont, E9 - E4, P, W и S были амплифицированы с областью V4 праймеров (520F, 5'-AYTGGGYDTAAAGNG-3 'и 802R, 5'-TACNVGGGTATCTAATCC-3'), а затем секвенирование на платформе Illumina Miseq по стандартным протоколам. Контроль качества считываний необработанных данных секвенирования выполнялся с использованием программного обеспечения QIIME (версия 1.7.0) (Caporaso et al., 2010). Последовательности удалялись, если среднее качество в движущемся окне на 5 бит / с ниже Q20, длина менее 150 бит / с и неоднозначный штрих-код.Последовательности с парными концами были сплайсированы по одному и тому же индексу с перекрытием не менее 10 п.о. и без несоответствия с использованием FLASH (Magoc & Salzberg, 2011). Последовательности химеры были идентифицированы de novo и удалены с использованием UCHIME (Edgar et al., 2011).

После качественной фильтрации кластеризация последовательностей была выполнена с использованием UCLUST с 97% сходством и отсортирована как операционные таксономические единицы (OTU) (Edgar, 2010). Затем OTU были классифицированы с использованием RDP-классификатора, чтобы соответствовать версии 119 базы данных SILVA (Wang et al., 2007; Quast et al., 2013). Необработанные данные, полученные в ходе этого исследования, были депонированы в NCBI SRA (Sequence Read Archive; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/) под номерами доступа SRP097773 и SRP105351.

Абсолютное количественное определение почвенных бактерий и их сообществ методом iHAAQ

Абсолютная численность каждого типа или рода в сообществе почвенных бактерий была рассчитана путем умножения общего количества бактерий (количество копий гена 16S рРНК всех бактерий из кПЦР) на соответствующую относительную численность по результатам высокопроизводительного секвенирования (рис.1). Рассчитанные абсолютные численности Escherichia - Shigella , Esch-V3 и Esch-V4 были основаны на их относительной численности и общих бактериальных количествах, измеренных по участкам V3 и V4 гена 16S рРНК, соответственно. Поскольку количество копий гена 16S рРНК варьировалось в разных геномах бактерий (Latif et al., 2014; Sun et al., 2013), семь копий гена 16S рРНК и 1 копия гена fliC в одном геноме штамма EDL993 (NZ_CP008957, NCBI: http: // www.ncbi.nlm.nih.gov) были рассмотрены в данном исследовании. Абсолютное содержание гена Escherichia - Shigella (Esch-V3 и Esch-V4) и 7 × копий гена fliC было логарифмически преобразовано перед выполнением анализа линейной регрессии.

Рисунок 1: Схема рабочего процесса метода iHAAQ и процедуры его проверки.
Для проверки метода внутренний эталонный штамм ( IRS ) был внесен в почву перед экстракцией ДНК и измерен методами iHAAQ и qPCR.Эти два результата были объединены и проанализированы с помощью линейной регрессии для проверки метода iHAAQ.

Линейная регрессия была выполнена с использованием Origin 2016 (OriginLab, Northampton, MA, USA), а дисперсионный анализ (ANOVA) - с помощью SPSS 20 (IBM, Armonk, США). Перед ANOVA проверяли однородность дисперсий с помощью теста Левена. Тест Тьюки на достоверную значимость различий использовался, когда дисперсии были однородными. В противном случае использовался тест Тамхана Т2. Тепловые карты и кластерный анализ были выполнены с использованием программного обеспечения R версии 3.3.1 с пакетом pheatmap (R Core Team, 2013; Колде, 2015).

Результаты

Общее количество бактерий и измерение штамма EDL933 методом кПЦР

Общие фоновые количества бактерий (число копий гена 16S рРНК) составили 3,53 × 10 9 ± 1,23 × 10 8 и 5,82 × 10 9 ± 3,29 × 10 8 копий (г сухой массы почвы) -1 соответственно для областей V3 и V4. Общее количество бактерий в вариантах лечения от E9 до E4 варьировалось от 7.От 00 × 10 10 до 3,53 × 10 9 и от 7,23 × 10 10 до 5,82 × 10 9 копий (г сухой массы почвы) -1 для регионов V3 и V4 соответственно. Общее количество бактерий в областях V3 и V4 в вариантах лечения E9 и E8 было значительно ( p <0,05) выше, чем в других вариантах лечения (рис. S1). По сравнению с фоновым общим количеством бактерий (∼10 9 копий (г сухой почвы) -1 ) добавленный штамм EDL933 в порядке от 10 4 до 10 7 копий (г сухой массы почвы) −1 (таблица 1) только незначительно влияла на общее количество бактерий в вариантах лечения E4 - E7 (рис.S1).

Таблица 1:

Обнаружение и расчет добавленного внутреннего эталонного штамма EDL933 (копии (г сухой почвы) -1 ) в почве с помощью кПЦР (ген fliC и ген 7 × fliC ) и методом iHAAQ (Esch-V3 и Esch -V4).

Обработки от E9 до E4 соответствуют 6 различным концентрациям от 10 9 до 10 4 КОЕ (г сухой массы почвы) -1 . Разные буквы указывают на значительную разницу ( p <0.05) среди гена fliC 7 × , Esch-V3 и Esch-V4 каждого лечения, обнаруженного с помощью теста ANOVA.
Лечение FLIC 7 × FLIC Esch-V3 Esch-V4
E9 4.79 × 10 9 ± 1,30 × 10 9 3,35 × 10 10 ± 9,11 × 10 8 а 4,67 × 10 10 ± 9,07 × 10 8 a 4,82 × 10 10 ± 1,09 × 10 9 a
E8 5,96 × 10 8 ± 1,20 × 10 7 4.17 × 10 9 ± 8,38 × 10 7 ab 3,59 × 10 9 ± 2,20 × 10 8 b 4,37 × 10 9 ± 3,53 × 10 8 a
E7 5,28 × 10 7 ± 1,40 × 10 6 3,70 × 10 8 ± 9,80 × 10 6 a 2.94 × 10 8 ± 1,17 × 10 7 a 3,39 × 10 8 ± 1,13 × 10 7 a
E6 5,70 × 10 6 ± 4,62 × 10 5 3,99 × 10 7 ± 3,23 × 10 6 a 2,82 × 10 7 ± 3,86 × 10 6 b 4.08 × 10 7 ± 2,52 × 10 6 a
E5 5,65 × 10 5 ± 5,19 × 10 4 3,95 × 10 6 ± 3,63 × 10 5 ab 3,48 × 10 6 ± 2,83 × 10 4 б 6,47 × 10 6 ± 2,07 × 10 5 а
E4 8.11 × 10 4 ± 3,15 × 10 3 5,68 × 10 5 ± 2,21 × 10 4 в 1,47 × 10 6 ± 7,66 × 10 4 б 3,14 × 10 6 ± 1,25 × 10 5 a
DOI: 10.7717 / peerj.4514 / table-1

Стандартная кривая гена fliC в диапазоне 3.60 × 10 1 до 3,60 × 10 9 копий мкл -1 было сконструировано для кПЦР. Значение C t стандартного образца, содержащего 3,60 × 10 1 копий, мкл -1 , составило 32,62 ± 0,76, а его стандартное отклонение (SD) было больше 0,5. Однако значение Cont (33,05 ± 0,98) для C t было даже больше, чем значение C t для стандартного образца, содержащего 3.60 × 10 1 копий мкл −1 . Этот результат qPCR показал, что обнаруженный ген в контрольной почве не был геном fliC (фиг. S2).

При лечении от E9 до E4 значения C t (от 13,73 ± 0,05 до 29,66 ± 0,06) гена fliC все находились в диапазоне стандартной кривой, и все значения SD были ниже чем 0,5. Копии гена fliC и добавленные концентрации штамма EDL933 (данные преобразованы в Log 10 ) хорошо подходят для линейной модели ( R 2 = 0.999) (рис. S3). С пересечением или без него наклоны были близки к 1, что указывает на то, что количественно определенный ген fliC в извлеченной почвенной ДНК можно использовать для прогнозирования концентраций штамма EDL993 в почве с высокой точностью.

Создание и проверка метода iHAAQ

После качественной фильтрации в общей сложности было 465 220 высококачественных последовательностей (66460 последовательностей на образец), и последовательности были разделены на 35 типов. На уровне рода штамм EDL933 был идентифицирован и классифицирован как род Escherichia-Shigella в базе данных SILVA.Относительная численность рода Escherichia-Shigella в обработках от E4 до E9 была намного выше, чем в Cont, и они увеличивались, когда в почву добавлялось больше штамма EDL933 (рис. 2). Процент рода Escherichia-Shigella в типе Proteobacteria составлял 89,76% в варианте E9 по сравнению с 0,07% в Cont.

Рисунок 2: Относительная численность представителей рода Escherichia-Shigella при различных обработках.
Добавленный внутренний стандартный штамм EDL933 классифицирован как род Escherichia-Shigella в базе данных SILVA.Обработки с E9 по E4 такие же, как описано в таблице 1, Cont - исходная контрольная почва.

После того, как копий гена fliC были умножены в семь раз (обозначены как 7 × fliC ), они оказались в том же порядке абсолютной численности Esch-V3 и Esch-V4, за исключением обработки E4 (таблица 1). Результаты ANOVA показали, что не было значимой разницы ( p > 0,05) между 7 × fliC и Esch-V4 во всех вариантах лечения, за исключением лечения E4 (таблица 1).В Обработке E4 как количество копий гена fliC , так и количество копий гена fliC 7 × были значительно ниже, чем абсолютные количества Esch-V3 и Esch-V4.

Кроме того, 7 × копий гена fliC были линейно связаны с рассчитанными абсолютными копиями Esch-V3 и Esch-V4 (Таблица 1, Рис. 3). Все четыре линейных уравнения очень хорошо согласуются с экспериментальными данными ( R 2 , 0,998–0,999), что указывает на то, что 7 × копий гена fliC штамма EDL933 можно надежно предсказать по абсолютной численности Esch- V3 и Esch-V4 (рис.3). Таким образом, очевидно, что метод iHAAQ, основанный на интеграции qPCR и высокопроизводительного секвенирования, может использоваться для расчета абсолютной численности (рис. 1 и 4).

Рисунок 3: Линейные регрессии для количества добавленного внутреннего стандартного штамма EDL933 из методов кПЦР и iHAAQ при различных обработках.
7 × копий гена fliC добавленного штамма внутреннего стандарта EDL933, обнаруженного с помощью кПЦР. Esch-V3 (A) и Esch-V4 (B) представляют копий Escherichia - Shigella , рассчитанных методом iHAAQ, с его относительной численностью, умноженной на общее количество копий бактериального гена 16S рРНК в вариабельных областях V3 и V4 соответственно.Все перехваты были привязаны к исходной точке (0). Обработки от E9 до E4 такие же, как описано в таблице 1. Сплошные и пунктирные линии представляют линейные модели без обработки E4 и с обработкой E4 соответственно.
Рисунок 4: Абсолютная численность основных типов при различных обработках.
Все классифицированные типы с относительной численностью <0,1% в выборке были объединены и отмечены как второстепенные. Обработки от E9 до E4 такие же, как в таблице 1, Cont - исходная контрольная почва.Гистограммы оттенков и теней не представляют номер типа, количественно определяемый по областям V3 и V4 гена 16S рРНК, соответственно.

Исследование динамики почвенных бактериальных сообществ методом iHAAQ

С семи до 28 дней инкубации остаточный ПГЭ быстро снижался с 22,01 до 8,44 мкг (г сухой почвы) -1 в варианте P и с 7,53 до 4,38 мкг (г сухой почвы) -1 в Обработка W. По сравнению с обработками P и W, обработка S содержала самый высокий остаточный PHE и имела малейшие изменения в течение 28 дней инкубации (47.79–60,45 мкг (г сухой массы почвы) -1 ). Следуя процедурам, показанным на рис. 1, динамика бактериального сообщества почвы в вариантах обработки P, W и S оценивалась методом iHAAQ. Общее количество бактерий увеличивалось со временем инкубации в вариантах обработки P и W, но уменьшалось со временем инкубации в лечении S (фиг. S4).

В основном насчитывалось 17 типов, в которых относительная численность превышала 0,1% в каждой из проб (таблица S1, рис. S5). Динамика относительной численности отражала изменение бактериального состава почвы в процессе инкубации (рис.S5). В целом относительная численность уменьшалась с увеличением времени инкубации более чем в половине типов. Типы Firmicutes , Proteobacteria , Planctomycetes , Bacteroidetes и Actinobacteria снизились на 5,58%, 1,93%, 1,59%, 1,28% и 1,24%, соответственно, при лечении P; типы Proteobacteria , Firmicutes и Verrucomicrobia снизились на 9,24%, 3,41% и 0,93%, соответственно, в вариантах лечения W; и филы Actinobacteria , Chloroflexi , Gemmatimonadetes и Proteobacteria уменьшились на 6.57%, 4,24%, 2,77% и 1,40% соответственно в варианте S. Однако тип Firmicutes в варианте S существенно увеличился с 8,53% до 25,87%, и в конечном итоге он стал доминирующими бактериями в почве.

Тем не менее, относительная численность не дает информации об изменении общего количества бактерий в почве. Основываясь на абсолютных количествах, рассчитанных с помощью предлагаемого нами метода iHAAQ, было только пять типов, показывающих уменьшение как относительной, так и абсолютной численности в варианте P, в то время как относительное и абсолютное количество других типов показало противоположную тенденцию (рис.1, 5–7; Таблица S1, Рис. S5). Например, разница в относительной и абсолютной численности была особенно очевидна для филума Proteobacteria в варианте P, в котором относительная численность снизилась на 6,67%, а абсолютная численность увеличилась на 42,22% и 21,02% в регионах V3 и V4. соответственно. Такой противоречивый результат наблюдался также в вариантах обработки W и S. В варианте W относительная численность четырех и шести типов снизилась, в то время как абсолютная численность всех типов увеличилась.В варианте S абсолютная численность филума не увеличилась, но относительная численность филума Firmicutes увеличилась на 17,54%.

Рисунок 5: Абсолютная численность основных типов, определенная методом iHAAQ в различных образцах почвы.
Все классифицированные типы с относительной численностью <0,1% в выборке были объединены и отмечены как второстепенные. P, S и W представляют собой обработки почвы с добавлением ПГЭ (100 мкг (г сухой почвы) -1 ), NaN 3 (0.1%, мас. / Мас.), И ПГЭ (100 мкг (г сухой массы почвы) -1 ) и штамм WG5 (приблизительно 1,00 × 10 7 КОЕ (г сухой массы почвы) -1 ), соответственно. 0 и 28 представляют собой образцы на 0 и 28 день инкубации. Гистограммы оттенков и теней не представляют номер типа, количественно определяемый по областям V3 и V4 гена 16S рРНК, соответственно.
Рисунок 6: Тепловые карты, показывающие относительную численность (A) и абсолютную численность (B), определенную методом iHAAQ для основных типов, количественно определенную по области V4 гена 16S рРНК.
Все классифицированные типы с относительной численностью <0,1% в выборке были объединены и отмечены как второстепенные. P0, P28, S0, S28, W0 и W28 такие же, как на рис. 5. Цветовые коды указывают относительную (A) или абсолютную (B) численность, в диапазоне от синего (низкая численность) до красного (высокая численность).
Рисунок 7: Репрезентативные роды обработок P, W и S.
P0, P28, S0, S28, W0 и W28 такие же, как на рис.5.

Несоответствие между относительной и абсолютной численностью наблюдалось также на уровне родов (рис.7, таблица S1). В варианте P 135 и 57 противоположные результаты по относительной и абсолютной численности наблюдались в областях V3 и V4 соответственно. В варианте W 77 и 160 противоположные относительные и абсолютные количества были обнаружены в областях V3 и V4 соответственно. Еще больше расхождений (258 и 245 родов в регионах V3 и V4, соответственно) наблюдалось в варианте S. В то время как общая тенденция заключалась в том, что относительная численность родов уменьшалась, а их абсолютная численность увеличивалась в вариантах обработки P и W (Таблица S1).Противоположная тенденция наблюдалась в варианте S, в котором относительная численность увеличивалась, а абсолютная численность снижалась. Например, относительная численность доминантного рода Bacillus , который принадлежал к типу Firmicutes , увеличилась с 3,67% до 13,11% в варианте S (рис. 7). Однако его абсолютная численность снизилась более чем на 20% (с 8,88 × 10 7 до 5,26 × 10 7 копий (г сухой массы почвы) −1 в районе V3, а с 1.10 × 10 8 до 8,69 × 10 7 копий (г сухой массы почвы) −1 в области V4).

Добавленный штамм WG5 в образце W0 также был обнаружен с помощью высокопроизводительного секвенирования и классифицирован как род Massilia . Относительная численность Massilia была выше, чем в пробах P0 и S0 (<0,10%). Изменения относительной и абсолютной численности Massilia также различались в варианте W после инкубации почвы при 28 ° C в течение 28 дней.Его относительное содержание в образцах составляло 10,71% и 2,71%, соответственно, в день 0 (Н0) и День 28 (Н28) (рис. 7), снизившись почти на три четверти (74,70%). При этом его абсолютное содержание в образцах W0 и W28 снизилось с 3,86 × 10 8 до 1,40 × 10 8 копий (г сухой массы почвы) −1 и с 5,13 × 10 8 до 2,47 × 10 8. копий (г сухой массы почвы) −1 , что составляет менее двух третей (63,69%) и половину (51,84%) уменьшения, соответственно, в регионах V3 и V4.

Кластерный анализ также показал несоответствие между относительной и абсолютной численностью бактерий в обработках (рис. 6, рис. S6). На основании относительного содержания образцы P0, W0 и P28, S0 были сгруппированы в две близкие группы, соответственно, тогда как образцы W28 и S28 находились далеко от этих групп (рис. 6A). Однако кластер по абсолютной численности показал совершенно другие результаты. Образцы P28, W28 в областях V3 и V4 были сгруппированы в одну группу (рис.6B, Рис. S6). Между тем, образцы P0, W0 и S0, S28 в области V4 были сгруппированы в две разные группы (фиг. 6B), что более рационально, чем результат в области V3 (фиг. S6).

Обсуждение

Области V3 и V4 гена 16S рРНК повсеместно использовались для определения общего количества бактерий в почве с помощью кПЦР (Reddy et al., 2012; Guinane et al., 2013). Юссеф и др. (2009) отметили, что существует разница в бактериальном сообществе почв в регионах V3 и V4.За исключением Обработки E9, все другие обработки или образцы показали, что общее количество бактерий в области V4 было значительно выше, чем в области V3. По сравнению с почти полным геном 16S рРНК, результаты области V3 в целом недооценивают общее количество почвенного бактериального сообщества, тогда как результаты области V4 обычно сравнимы с ним (Youssef et al., 2009). Между тем Ван и соавт. (2007) также сообщили, что область V4 имеет самую высокую надежность в классификации среди вариабельных областей 16S рРНК.Таким образом, было высказано предположение, что область V4 является лучшим выбором из вариабельных областей гена 16S рРНК для характеристики бактериального сообщества. Кластерный анализ также доказал, что результаты для одной и той же области (V4) кПЦР и высокопроизводительного секвенирования были лучше, чем результаты для разных областей. Поэтому в следующем обсуждении мы сосредоточили наше обсуждение только на результатах гена 16S рРНК в области V4.

По сравнению с выбранными таксонами, указанными Dannemiller et al.(2014), очень сложно выбрать штамм из почвы для проверки метода iHAAQ. Как сообщалось в предыдущем исследовании, ген fliC штамма EDL933 можно точно измерить с помощью кПЦР (Jun et al., 2011; Li & Chen, 2012). Поэтому для проверки точности абсолютной численности, рассчитанной нашим методом, был выбран внутренний эталонный штамм EDL933, который был внесен в почву для проверки. Высокие значения R 2 линейных зависимостей указывают на сильную связь между геном fliC и фактическим добавленным штаммом.Аналогичный результат был также получен Tourlousse et al. (2017), что крутизна спайков числа считываний и входных величин была близка к 1. Таким образом, мы пришли к выводу, что метод iHAAQ, основанный на кПЦР и высокопроизводительном секвенировании в той же области V4, может использоваться для надежного прогнозирования абсолютной численности из Escherichia-Shigella .

Валидация метода iHAAQ была дополнительно подтверждена добавлением Massilia sp. штамм WG5 в образце W0. Абсолютная численность рода Massilia , рассчитанная методом iHAAQ (5.13 × 10 8 копий (г сухой почвы) -1 ) была на порядок выше, чем концентрация добавленного штамма WG5 (1,00 × 10 7 КОЕ (г сухой почвы) -1 ). Учитывая, что одна хромосома штамма WG5 имеет 9 копий гена 16S рРНК (Lou et al., 2016), рассчитанная абсолютная численность Massilia была близка к добавленной концентрации штамма WG5.

При применении метода iHAAQ для количественной оценки динамики сообщества почвенных бактерий наблюдались как сходные, так и противоположные тенденции относительной и абсолютной численности, что согласуется с ранними исследованиями (Dannemiller et al., 2014; Perst et al., 2014; Сметс и др., 2016; Стокелл, Hamp & Steck, 2016; Zhang et al., 2017). Мы наблюдали, что как относительная, так и абсолютная численность рода Massilia снизилась в обработках W через 28 дней инкубации. Низкий остаточный ПГЭ и его медленное уменьшение в лечении W указывают на его низкую биодоступность, что может привести к небольшому снижению численности рода Massilia .

В варианте S добавление NaN 3 значительно снизило абсолютную численность таксонов почвенных бактерий, что согласуется с отчетом Rouwane et al.(2016). Род Bacillus стал доминирующим составом с увеличенной относительной численностью, но уменьшенной абсолютной численностью в сообществе бактерий из группы Treatment S. Klein et al. (1994) заявили, что некоторые виды рода Bacillus обладают высокой устойчивостью к NaN 3 . Это может привести к меньшему уменьшению количества бактерий рода Bacillus по сравнению с другими бактериями в обработке S.

Относительная численность может отражать изменения состава микробных сообществ, в то время как абсолютная численность может раскрывать динамику общих количеств (Reddy et al., 2012; Guinane et al., 2013; Dannemiller et al., 2014; Perst et al., 2014; Props et al., 2017; Zhang et al., 2017). Относительная численность от высокопроизводительного секвенирования может лишь частично охарактеризовать бактериальное сообщество (Smets et al., 2016; Props et al., 2017; Tourlousse et al., 2017). Фактическая динамика микробного сообщества может быть более объективно описана как относительной, так и абсолютной численностью, полученной методом iHAAQ, чем одной только относительной численностью.

Более того, даже если относительное количество образцов было получено в результате высокопроизводительного секвенирования, абсолютное количество каждого таксона в образцах будет достигнуто с помощью дополнительного анализа qPCR.Было рекомендовано использовать одну и ту же вариабельную область гена 16S рРНК для количественной ПЦР и высокопроизводительного секвенирования. Следовательно, метод iHAAQ подходит для определения абсолютной численности бактериального сообщества и может быть применен для изучения количественной бактериальной экологии в почве.

Стоит отметить, что диапазон действительной абсолютной численности каждого таксона ограничен техникой высокопроизводительного секвенирования. Основываясь на данных пиросеквенирования популяции грибковых аэрозолей, точная мера абсолютной численности грибковых видов может быть достигнута при достаточно высокой относительной численности (выше 4.4 × 10 −4 ) (Dannemiller et al., 2014). В нашем исследовании наименьший порядковый номер аборигенных бактерий в почве составлял пять чтений (т.е. наименьшая относительная численность составляла около 8,0 × 10 -5 ). Результаты кПЦР показали, что общее количество бактерий в наших образцах составляло от 10 8 до 10 10 копий (г сухой почвы) -1 . Следовательно, аборигенные бактерии в образцах почвы могут быть обнаружены методом iHAAQ, когда их абсолютная численность превышает 10 3 копий (г сухой массы почвы) -1 .С увеличением глубины секвенирования с высокой пропускной способностью могут быть обнаружены более редкие виды с меньшей численностью (Agogue et al., 2011; Polka et al., 2015), что может помочь лучше охарактеризовать микробные сообщества.

Заключение

Наши результаты показывают, что предлагаемый метод iHAAQ позволяет получить абсолютную численность каждого таксона в сообществах почвенных бактерий путем комбинирования количественной ПЦР (общее количество бактерий) и высокопроизводительного секвенирования (относительной численности каждого таксона), чего нельзя было достичь отдельно с помощью любой метод.Абсолютная численность отражает динамику бактериального сообщества более точно, чем данные об относительной численности. В нашем исследовании метод iHAAQ был успешно применен для характеристики почвенных бактериальных сообществ как с относительной, так и с абсолютной численностью, что может предоставить больше информации, чем только об относительной численности, с помощью высокопроизводительного секвенирования. Предлагаемый метод iHAAQ может помочь в изучении количественной бактериальной экологии почвы в будущем.

Дополнительная информация

Относительная и абсолютная численность областей V3 и V4 на уровне рода, определенная методом HAAQ в различных образцах почвы

P, S и W представляют собой обработки почвы с добавлением PHE (100 мкг (г сухой массы почвы) -1 ), NaN 3 (0.1%, мас. / Мас.), И ПГЭ (100 мкг (г сухой массы почвы) -1 ) и штамм WG5 (приблизительно 1,00 × 10 7 КОЕ (г сухой массы почвы) -1 ), соответственно. 0 и 28 представляют собой образцы на 0 и 28 день инкубации.

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-1

Суммарное количество копий гена 16S рРНК бактерий в почве различных обработок

Обработки от E9 до E4 соответствуют добавленному внутреннему эталонному штамму EDL933 в почве с 6 различными концентрациями от 10 9 до 10 4 КОЕ (г сухой массы почвы) -1 .Cont - исходная контрольная почва. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение трех независимых измерений. Полые и темные гистограммы соответственно представляют общее количество бактерий, определенное количественно по участкам V3 и V4 гена 16S рРНК. Разные буквы указывают на значимое различие ( p <0,05) области V3 или V4 гена 16S рРНК между обработками, обнаруженными с помощью теста ANOVA. * указывает на значительную разницу между разными участками гена 16S рРНК.

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-2

Кривая диссоциации гена fliC стандартной матричной ДНК-плазмиды, обработки с E9 по E4, Cont и NTC (контроль без матрицы) с помощью qPCR

Std-3,6 × 10 1 - Std-3,6 × 10 9 представляют собой стандартную плазмиду ДНК-матрицы с 6 различными концентрациями от 3,6 × 10 1 до 3,6 × 10 9 копий мкл -1 . E9 – E4 такие же, как на рис. S1, Cont - исходная контрольная почва.NTC - это контрольный образец без храма.

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-3

Линейная регрессия добавленных концентраций и количественная ПЦР выявила копии гена fliC штамма внутреннего стандарта EDL933, а количественная ПЦР обнаружила копии гена fliC в тестовой почве

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-4

Суммарный ген бактериальной 16S рРНК различных образцов почвы

Обработки P, S и W представляют собой почву с добавлением PHE (100 мкг (г сухой массы почвы) -1 ), NaN 3 (0.1%, мас. / Мас.), И ПГЭ (100 мкг (г сухой массы почвы) -1 ) и штамм WG5 (приблизительно 1,00 × 10 7 КОЕ (г сухой массы почвы) -1 ), соответственно. 0 и 28 представляют собой образцы на 0 и 28 день инкубации. Планка погрешности представляет собой стандартное отклонение трех независимых измерений. Полые и темные гистограммы представляют собой общее количество бактерий, определенное количественно по областям V3 и V4 гена 16S рРНК, соответственно.

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-5

Суммарный ген бактериальной 16S рРНК различных образцов почвы

Все классифицированные типы с относительной численностью <0.1% в выборке были объединены и обозначены как Незначительные. P0, P28, S0, S28, W0 и W28 такие же, как на рис. S4.

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-6

Тепловая карта, показывающая абсолютную численность, определенную методом iHAAQ основных типов, количественно определенную по области V3 гена 16S рРНК

Все классифицированные типы с относительной численностью <0,1% в выборке были объединены и представлены как Незначительные. P0, P28, S0, S28, W0 и W28 такие же, как на рис.S4. Цветовой код указывает на абсолютную численность, от синего (низкая численность) до красного (высокая численность).

DOI: 10.7717 / peerj.4514 / supp-7

Перенос растворенных веществ в почве | IntechOpen

1. Введение

1.1. Классификация растворенных веществ, загрязняющих веществ и подземных загрязнений

Перенос растворенных веществ важен с учетом перемещения питательных элементов, например по отношению к корневой системе растений и из-за широкого спектра загрязнителей. Загрязнение недр часто рассматривается как загрязнение из точечных источников или диффузных источников.Загрязнение из точечных источников охватывает ограниченную территорию и часто вызвано случайными (или незаконными) разливами (например, протекающие трубы, резервуары, хвостохранилища и т. Д.). Загрязнение из диффузных источников охватывает большую территорию и, как правило, вызвано крупномасштабным внесением как полезных, так и опасных соединений на поверхность почвы (навоз и удобрения, пестициды, атмосферные выпадения кислот и радионуклидов и т. Д.). Загрязнение не обязательно вызвано деятельностью человека, но может быть вызвано геологическими или геогидрологическими причинами, например.г. в случаях загрязнения мышьяком и солью.

Для загрязняющих веществ можно различать растворенные и несмешивающиеся, а также консервативные и реактивные. Растворенные загрязнители (загрязнители водной фазы) будут распространяться с грунтовыми водами за счет потока, диффузии и рассеивания грунтовых вод. Несмешивающиеся загрязнители будут распространяться в виде отдельной фазы (жидкости в неводной фазе, NAPL). Они будут содержать компоненты с очень низкой растворимостью в водной фазе. Они представляют собой долгосрочный источник загрязнения.

Консервативные загрязнители - это те, которые не вступают в реакцию с твердым материалом почвы, не вступают в реакцию с другими загрязнителями и не разлагаются биологической активностью. Реактивные растворенные вещества могут попадать в водную фазу или покидать ее в результате адсорбции / десорбции, химических реакций, растворения / осаждения и / или биоразложения.

1.2. Некоторые основные определения

Адвекция : распространение загрязняющего вещества потоком грунтовых вод.

Диффузия : распространение вещества, растворенного в водной фазе, за счет броуновского движения ионов (молекул).

Дисперсия : распространение видов, растворенных в водной фазе, за счет локальных изменений скорости воды.

Адсорбция / десорбция : взаимодействие веществ, растворенных в водной фазе, с твердой матрицей. Этот процесс может быть физическим или химическим, обратимым или необратимым.

Химические реакции : реакции веществ, растворенных в водной фазе, с другими веществами, приводящие к появлению различных веществ вместе.

Биодеградация : разложение бактериями видов, растворенных в водной фазе.

Радиоактивный распад : разложение видов под действием радиоактивности.

Концентрации видов в водной фазе C и (включая саму чистую воду) определяются как масса видов на единицу объема: кг / м 3 , г / л, мг / л , и т. Д.

Плотность многокомпонентной жидкости, состоящей из N компонентов, тогда определяется как:

Массовые доли ω компонентов (масса на единицу массы: кг / кг, г / г , и т.д.) определяются как:

ωi = Ciρ такие, что ∑i = 1Nωi = 1E2

Для разбавленных растворов (концентрации индикаторов) все массовые доли ω i << 1 , кроме чистой воды. Это означает, что плотность жидкости близка к плотности чистой воды, и ее можно считать постоянной.

Плотность воды зависит от давления, температуры и состава. Эта последняя зависимость важна только при высоких концентрациях. Например. в случае проникновения морской воды или в глубоких соленых водоносных горизонтах, которые иногда используются для хранения отходов или для производства энергии.В этих глубоких водоносных горизонтах концентрация соли может достигать 300 г / л , в результате чего плотность воды составляет 1200 г / л (что дает массовую долю соли 0,25). Колебания плотности воды также будут играть роль в хранении тепла под землей.

Вязкость воды зависит от давления, температуры и состава. Это влияет на гидравлическую проводимость (см. Следующий раздел). Зависимость от температуры, безусловно, наиболее важна. Следовательно, эту зависимость необходимо учитывать при анализе подповерхностного накопления тепла.

1.3. Поток подземных вод

Поток подземных вод описывается законом Дарси. Закон Дарси в принципе представляет собой форму баланса импульса (уравнение Навье-Стокса), усредненного по большому количеству пор. Это также следует из баланса сил на воду, протекающую через пористую среду.

Рис. 1.

Баланс сил воды в пористой среде

Рассмотрим поток в z-направлении (см. Рис. 1). Суммарные силы (положительные вверх), действующие на водоем с размерами Δx, Δy и Δz, составляют:

Силы давления: (p (z) -p (z + Δz)) ΔxΔy

Силы тяжести: -ρgΔxΔyΔz

Силы трения: -R'q z ΔxΔyΔz

, где R ' - коэффициент сопротивления, а q z - удельный расход (скорость Дарси) в z-направлении.

Для сил давления мы можем сделать следующее приближение, используя разложение в ряд Тейлора первого порядка:

pz − pz + Δz = pz− (pz + ∂p∂zΔz) = - ∂p∂zΔzE3

Затем установив силу баланс, находим:

qz = −1R '(∂p∂z + ρg) = - κzμ (∂p∂z + ρg) E4

, где мы предположили, что коэффициент сопротивления R' пропорционален вязкости жидкости мкм . κ z - собственная проницаемость в z-направлении (L 2 ), которая, как предполагается, является свойством пористой среды.Собственная проницаемость пористой среды в значительной степени определяется размером и формой пор. Существует сильная корреляция между проницаемостью и пористостью. Подобные выражения могут быть получены для потока в направлениях x и y:

qx = −κxμ∂p∂x qy = −κyμ∂p∂yE5

Основные предположения в этом выводе заключаются в том, что ускорением воды можно пренебречь и что силы трения линейно зависят от скорости.

Последнее не всегда верно (особенно при высоких скоростях воды, например.г. близко к водозаборной или инфильтрационной скважине), и в этом случае закон Дарси недействителен, но его следует заменить уравнением Форхгеймера:

qx + βqx2 = −κxμ∂p∂x qy + βqy2 = −κyμ∂p∂y qz + βqz2 = −κzμ (∂p∂z + ρg) E6

, где β снова является свойством пористой среды.

Определить пьезометрическую головку ч как:

ч = pρg + Z или р = ρg (ч-з) Е7

В основном, пьезометрическая головка состоит из головки под давлением р / ρg и вертикальное положение г относительно контрольного уровня.Это положение в верхней части толщи воды в наблюдательной скважине по отношению к уровню отсчета (обычно средний уровень моря). Это отличается от ненасыщенного потока, который формулируется в терминах напора.

Подстановка уравнения (7) в уравнение (4), предполагая, что плотность ρ постоянна, дает закон Дарси с точки зрения напора грунтовых вод ч :

qz = −κzμ (∂p∂z + ρg) = −κzμ (ρg (∂h∂z − 1) + ρg) = - κzρgμ∂h∂zE8

и аналогичные выражения могут быть получены для q x и q y .

Следовательно, если плотность ρ и вязкость μ постоянны, мы можем определить гидравлическую проводимость как:

kx = κxρgμ qx = −kx∂h∂xE9

и то же самое для направлений y и z. Это показывает, что гидравлическая проводимость k (л / т) зависит от свойств жидкости.

Уравнение потока грунтовых вод следует из баланса массы для полной водной фазы (включая все растворенные частицы). Рассмотрим элемент, изображенный на рисунке 2, с размерами Δx, Δy и Δz.Приток массы нетто за период Δt в направлении x определяется выражением:

(ρqx (x) −ρqx (x + Δx)) ΔyΔzΔt≈ (ρqx (x) - (ρqx (x) + ∂ (ρqx) ) ∂xΔx)) ΔyΔzΔt = −∂ (ρqx) ∂xΔxΔyΔzΔtE10
Рисунок 2.

Водный баланс в пористой среде

Аналогичное выражение может быть получено для притока чистой массы в направлениях y и z. Изменение общей массы элемента определяется как:

(nρ (t + Δt) −nρ (t)) ΔxΔyΔz≈∂∂t (nρ) ΔxΔyΔzΔtE11

, где n - пористость.

Уравнение притока массы нетто и изменения массы дает уравнение баланса массы для жидкой фазы:

∂∂t (nρ) + ∂∂x (ρqx) + ∂∂y (ρqy) + ∂∂z (ρqz) = 0E12

Для ситуаций с различными свойствами жидкости (проникновение соленой воды, накопление тепла и т. Д.)) следует использовать это уравнение вместе с формулировкой для давления закона Дарси (уравнения (4) и (5)). Обратите внимание, что уравнение потока в этом случае является нелинейным. Также обратите внимание, что в этих случаях, даже если пьезометрический напор может быть определен, он не будет движущей силой для потока грунтовых вод.

Если предполагается, что плотность жидкости ρ и пористость n зависят только от давления p , производная по времени в уравнении баланса массы может быть записана как:

∂∂t (nρ) = [ρ∂n∂p + n∂ρ∂p] ∂p∂t = ρg [ρ∂n∂p + n∂ρ∂p] ∂h∂t = ρSs∂h∂tE13

, где S s - это конкретное хранилище.Комбинируя это уравнение с формулировкой пьезометрического напора закона Дарси (уравнения (8) и (9)) и делением на (постоянную) плотность дает хорошо известное уравнение потока подземных вод:

Ss∂h∂t − ∂∂x (kx ∂h∂x) −∂∂y (ky∂h∂y) −∂∂z (kz∂h∂z) = 0E14

Обратите внимание, что средняя скорость поровой воды v отличается от удельного расхода q :

v = q / n.

2. Упрощенное описание процессов реактивного транспорта

2.1. Общий

Подобно водному балансу, мы можем получить общую форму баланса масс растворенного компонента в грунтовых водах.Предположим, что потоки массы в направлениях x, y и z задаются формулами F x , F y и F z (M / L 2 T ) соответственно (см. рисунок 3).

Рис. 3.

Общий баланс массы для растворенного компонента в пористой среде

Приток массы нетто в x-направлении за период Δt тогда определяется как:

(Fx (x) −Fx (x + Δx)) ΔyΔzΔt≈ (Fx (x) - (Fx (x) + ∂Fx∂xΔx)) ΔyΔzΔt = −∂Fx∂xΔxΔyΔzΔtE15

и аналогичные выражения могут быть получены для чистого притока массы в направлениях y и z. .

Изменение массы компонента в элементе за период Δt определяется как:

(nC (t + Δt) −nC (t)) ΔxΔyΔz≈∂∂t (nC) ΔxΔyΔzΔtE16

Из-за различных происходящих процессов, масса компонента может быть произведена или потеряна за определенный период, например из-за адсорбции / десорбции, химических реакций, распада и т. д. Потеря массы из-за этих процессов на единицу объема и единицу времени будет обозначена как I (M / L 3 T). Обратите внимание, что I может быть как положительным (потеря массы), так и отрицательным (прирост массы).Объединение различных членов дает следующее общее уравнение баланса массы:

∂∂t (nC) + ∂∂x (Fx) + ∂∂y (Fy) + ∂∂z (Fz) + I = 0E17

Далее, будут даны потоки массы и / или массовое производство, связанные с различными играющими роль процессами. В настоящее время будут даны упрощенные (линейные) выражения, которые приведут к уравнению баланса массы в форме классического уравнения адвекции-дисперсии (или дисперсии конвекции), CDE. Позже будут рассмотрены более сложные выражения.

2.2. Адвекция

Адвекция (или конвекция) - это перенос растворенных компонентов потоком грунтовых вод. Перенос массы растворенного компонента на единицу площади пористой среды за счет протекания грунтовых вод определяется по формуле:

, где F x - поток массы компонента в x-направлении (M / L 2 T), q x - удельный расход воды (скорость Дарси) в x-направлении (L 3 / L 2 T), а C - концентрация компонента в водная фаза (M / L 3 ).Масса не производится и не теряется, следовательно, I = 0 .

Основное предположение состоит в том, что средняя скорость ионов или молекул растворенного вещества такая же, как и средняя скорость воды: если мы перемещаем один литр воды на определенное расстояние, все химические вещества в этом литре переместятся на это расстояние. расстояние. В большинстве случаев это так, но есть исключения. Эти исключения возникают, например, когда молекулы растворенного вещества очень большие (коллоиды, вирус).Если мы рассматриваем поток воды в капилляре, скорость воды v на расстоянии r от центра определяется как:

, где v avg - средняя скорость воды, а r . 0 - радиус капилляра. Для больших молекул только часть капилляра доступна для транспорта. Это может быть вызвано либо размером молекул, либо электрическими зарядами на поверхности. В результате средняя скорость таких частиц в капилляре будет превышать среднюю скорость самой воды.Если радиус таких частиц задан как r c , можно легко сделать вывод, что средняя скорость частиц по сравнению со средней скоростью воды в воде определяется как:

vcvavg = 1 + 2α + α2 α = rcr0E20

(найти среднюю скорость воды, интегрировав скорость воды от 0 до r 0 , и найти среднюю скорость частиц, интегрировав скорость воды от 0 до r 0 -r c ).Например, для частиц размером 20% диаметра капилляра средняя скорость примерно на 40% больше, чем скорость воды. Эти эффекты наблюдались при переносе вирусов и коллоидов.

Если имеет место только адвективный перенос, баланс масс компонента следует из (17) и (18):

∂∂t (nC) + ∂∂x (qxC) + ∂∂y (qyC) + ∂∂z (qzC) = 0E21

Теперь рассмотрим одномерное уравнение баланса массы с постоянной пористостью n и постоянным удельным расходом q .Деление на n дает следующее уравнение:

∂∂t (C) + qn∂∂x (C) = ∂∂t (C) + v∂∂x (C) = DCDt = 0E22

, где DC / Dt - это материальная производная, т.е. изменение концентрации при движении вместе с частицей воды. Поскольку эта производная равна нулю, адвективный перенос приводит только к смещению начального распределения концентрации на vt , где t - прошедшее время. Это также верно в трехмерном измерении.

Уравнение (22) может быть записано в безразмерной форме путем определения следующих безразмерных переменных:

Cd = CCr td = ttr xd = xLrE23

, где C r , t r и L r - это справочные или характеристические значения для рассматриваемой системы.Подстановка этих безразмерных переменных в уравнение баланса масс (22) дает:

∂Cd∂td + vtrLr∂Cd∂xd = 0E24

Теперь мы можем выбрать любое из характеристических значений t r или L r , так что коэффициент перед пространственной производной в (24) равен 1. Это означает, что для данного характеристического времени t r характеристическая длина задается как vt r , в то время как для данной характеристической длины L r характеристическое время определяется как L r / v .Эти характеристические значения, очевидно, связаны соответственно с расстоянием пробега и временем пробега частиц воды.

Удельный расход, необходимый для количественной оценки адвективных потоков, следует из уравнения баланса массы для водной фазы в сочетании с законом Дарси. По сути, это означает, что требуется (локальная) информация о величине проницаемости (или гидравлической проводимости).

2.3. Диффузия

Диффузия - это распространение компонента, растворенного в водной фазе, за счет броуновского движения молекул / ионов.В открытой воде массовый поток за счет диффузии определяется первым законом Фика:

, где D м - коэффициент молекулярной диффузии (L 2 / T), который типичен для рассматриваемого компонента. В пористой среде массовый поток, обусловленный диффузией, определяется аналогичным выражением:

Fx = −nDmτ∂C∂x = −nDeff∂C∂xE26

Пористость n входит в уравнение для учета площади, которая эффективно доступен для общественного транспорта. τ - извилистость пористой среды (-), которая объясняет тот факт, что длина пути, который молекулы или ионы должны пройти в пористой среде, чтобы перейти из одного положения в другое, больше, чем расстояние между этими положениями. .Для нормальной пористой среды τ имеет значение порядка 1,6–1,7. Из-за диффузии масса не образуется и не теряется, поэтому I = 0 .

В случае, если происходит только диффузия, уравнение баланса массы выглядит следующим образом:

∂∂t (nC) −∂∂x (nDeff∂C∂x) −∂∂y (nDeff∂C∂y) −∂∂z (nDeff∂ C∂z) = 0E27

. Теперь рассмотрим одномерное уравнение баланса массы с постоянной пористостью n и коэффициентом диффузии D eff :

∂C∂t − Deff∂2C∂x2 = 0E28

Для этого уравнения известны многочисленные аналитические решения, зависящие от граничных условий, как в декартовой, так и в радиальной системах координат.Решение для установившегося состояния в декартовой системе координат:

, где A и B определяются граничными условиями. Обратите внимание, что это решение не зависит от эффективного коэффициента диффузии.

Уравнение (28) может быть записано в безразмерном формате для путем определения соответствующих характеристических значений для концентраций и масштабов времени и длины:

∂Cd∂td − DefftrLr2∂2Cd∂xd2 = 0E30

Установка коэффициента перед пространственной производной к 1 находятся характерные значения для времени и длины.Для заданного характерного времени t r , характеристическая длина определяется как L r = ( D eff t r) , а для заданной характерной длины L r характеристическое время определяется как t r = L r 2 75 / D Эфф .

В общем случае молекулярная диффузия не играет важной роли в переносе пористой среды, если только скорости грунтовых вод не очень малы (что, например, имеет место при переносе через очень низкопроницаемые глины).

Измерение эффективных коэффициентов диффузии в пористой среде обычно проводится в лаборатории путем проведения экспериментов, зависящих от времени

2.4. Дисперсия

Дисперсия - это распространение растворенного компонента из-за локальных изменений скорости грунтовых вод.В целом различают механическое и гидродинамическое диспергирование.

Механическое диспергирование происходит в масштабе пор и вызывается изменениями скорости в поперечном сечении капилляров (или пор). Обычно скорости грунтовых вод настолько малы, как и диаметры пор, что молекулярная диффузия является достаточно быстрой, чтобы уравновесить разницу концентраций в направлении, перпендикулярном потоку (то есть поперек пор).

Гидродинамическая дисперсия - это сумма молекулярной диффузии и механической дисперсии.Обычно это происходит в большем масштабе, чем отдельная пора, и вызвано всеми вариациями средней скорости движения грунтовых вод (т.е. усредненными по большому количеству пор), которые мы не учли явно, включая диффузию (Рисунок 4). Таким образом, если мы рассматриваем слои с разными значениями гидравлической проводимости (или проницаемости), это изменение не обязательно приводит к гидродинамической дисперсии. Однако очевидно, что такое изменение, безусловно, может привести к изменению скорости вытеснения химикатов и к истинному перемешиванию, если оно сочетается с диффузией.Это обычно называется макро- или мега-дисперсией (см., Например, Даган, 1987) и рассматривается далее в этой главе (раздел 7).

Как для механической, так и для гидродинамической дисперсии предполагается, что потоки массы задаются следующей формой первого закона Фика:

Fx = −Dxx∂C∂x − Dxy∂C∂y − Dxz∂C∂zE31

где D xx , D xy и D xz - элементы тензора дисперсии (L 2 / T).Аналогичные выражения справедливы для потоков массы по оси y и z. Тензор дисперсии является симметричным и состоит из 6 различных чисел: D xx , D xy = D yx , D z55 0008 x D zx , D yy , D yz = D zy и D z 90z754 0009.Элементы тензора дисперсии зависят от скорости грунтовых вод v , так что коэффициенты дисперсии в направлении потока и перпендикулярно потоку имеют следующий вид:

D (// v) = αl | v | D (⊥v) = αt | v | E32

, где α l и α t - продольная и поперечная дисперсии (L) соответственно. Предполагается, что они являются свойствами пористой среды и указывают размер неоднородностей в системе, которые не учитываются изменениями (средней) скорости грунтовых вод.Поскольку массоперенос за счет гидродинамического диспергирования и молекулярной диффузии описывается одним и тем же законом, они обычно объединяются.

В полностью трехмерной системе с компонентами скорости v x , v y и v z соответственно, элементы гидродинамической дисперсии (включая молекулярные диффузия) задаются следующим образом:

Dxx = Deff + αt | v | + (αl − αt) vx2 | v | Dyy = Deff + αt | v | + (αl − αt) vy2 | v | Dzz = Deff + αt | v | + (αl − αt) vz2 | v | Dxz = Dzx = (αl − αt) vxvz | v | Dyz = Dzy = (αl − αt) vyvz | v | Dxy = Dyx = (αl − αt) vxvy | v | E33

Поскольку гидродинамическое рассеивание происходит только в сочетании с потоком грунтовых вод, баланс массы для компонента следует из комбинации потоков массы, как определено уравнениями (18) и (31), с элементами тензора дисперсии, заданными уравнением (33) ).Используя сокращенные обозначения, этот баланс масс определяется как:

∂∂t (nC) + ∇⋅ (qC) −∇⋅ (nD⋅∇C) = 0E34

Теперь рассмотрим одномерную систему с постоянной пористостью, скорость и коэффициент дисперсии:

∂C∂t + v∂C∂x − D∂2C∂x2 = 0E35

Если сделать это уравнение безразмерным путем выбора соответствующих характеристических значений для концентрации, времени и длины, получим:

∂Cd∂td + vtrLr ∂Cd∂xd − DtrLr2∂2Cd∂xd2 = 0E36

Выбор характерного времени t r = L r / v , тогда получается следующее уравнение безразмерного баланса массы:

∂C ∂td + ∂Cd∂xd − 1Pe∂2Cd∂xd2 = 0 Pe = vLrDE37

, где Pe - число Пекле.Это число характерно для соотношения адвективного транспорта и дисперсионного транспорта. Решение (57) зависит только от Pe , а большие числа Пекле указывают на преобладание адвекции; маленькие числа Пекле указывают на преобладание дисперсии.

Рисунок 4.

Иллюстрация различных механизмов распыления. Перемешивание происходит из-за изменений скорости внутри пор и между порами в сочетании с диффузионным перемешиванием в местах, где встречаются потоки воды с различными концентрациями.Кроме того, скорости потока могут быть выровнены в направлении среднего потока, но он также может иметь компоненты, расположенные под углом к ​​этому направлению. Также более крупномасштабные вариации скорости потока из-за агрегации и расслоения могут привести к улучшенному перемешиванию.

Для механического диспергирования продольная дисперсность α l находится в порядке размера пор (в миллиметровом масштабе). Для гидродинамической дисперсии продольная дисперсия зависит от масштаба проблемы.Для лабораторных экспериментов в колоннах сообщалось о значениях от менее 1 мм до значений более 1 см. Для полевых экспериментов сообщалось о значениях более 10 м, в зависимости от масштабов эксперимента и неоднородности водоносного горизонта, в котором проводился эксперимент.

Необходимо сделать предостерегающее замечание относительно такой большой дисперсности, поскольку такие большие значения не могут быть связаны с полным истинным смешиванием воды различного состава в пористой среде.Такие большие значения обычно получаются из-за нескольких методологических сложностей: (i) оборудование, используемое для измерения «локальных» концентраций (например, наблюдательные скважины, геофизические методы), само отвечает за перемешивание, и (ii) моделирование с большой пространственно-временной дискретизацией с учетом вычислительная эффективность может привести к числовому смешиванию, и (iii) дисперсии могут быть «подогнаны» с использованием относительно простого уравнения переноса (например, одномерной версии уравнения переноса), что приводит к артефактам.

На основе полевых экспериментов эмпирическое соотношение для продольной дисперсии было предложено как:

, где L - характерная длина для интересующей области. Для больших масштабов (большие значения L ) достигается верхняя граница для α l . Отметим, что соотношение (38) основано на оценке ряда натурных экспериментов и дает оценку только дисперсий. Также обратите внимание, что эти оценки основаны на предположении, что проницаемость водоносного горизонта однородна в интересующей области.

Ориентировочно поперечная дисперсность обычно принимается от 5 до 10% продольной дисперсии.

2,5. Адсорбция / десорбция

Адсорбция / десорбция создает термин поглотитель / источник для компонента в водной фазе. Одновременно происходят два процесса: молекулы / ионы присоединяются к твердому материалу, а присоединенные молекулы / ионы могут выделяться из твердой фазы в водную фазу. В настоящее время мы примем линейное описание процесса, соответствующее случаю A на рисунке 5:

I = kaC − kdCs = kd (kakdC − Cs) = kd (KdC − Cs) E39

, где k a и k d - это коэффициенты прикрепления (1 / T) и отрыва (M / L 3 T) соответственно, а C s - концентрация компонента адсорбируется (М / М). k a и k d имеют разные единицы из-за разных единиц для C и C s соответственно. В этой формулировке не предполагалось никакого равновесия. K d - коэффициент распределения. В случае равновесия выражение в (39) в скобках равно 0, следовательно:

, что определяет линейную изотерму адсорбции. В принципе, такое соотношение действительно только в том случае, если концентрации очень низкие и если существует равновесие между водной фазой и твердым материалом.

Если происходит адвекция, диспергирование и линейная адсорбция / десорбция, уравнение баланса массы для компонента в водной фазе может быть представлено как:

∂∂t (nC) + ∇⋅ (qC) −∇⋅ (nD⋅∇C ) + kaC − kdCs = 0E41

Обратите внимание, что это уравнение не основано на предположении о локальном равновесии. Кроме того, в этом уравнении присутствуют два неизвестных: C и C s . Другое уравнение, необходимое для определения концентраций, дается уравнением баланса массы для адсорбированного компонента:

∂∂t ((1 − n) ρsCs) −kaC + kdCs = 0E42

, где ρ s - плотность твердого материала.По сути, это уравнение баланса массы сравнимо с уравнением (41), потому что адсорбированный компонент не переносится (нет адвекции и диспергирования), и что исходный член из-за адсорбции / десорбции имеет противоположный знак.

Сложение уравнений (41) и (42) дает общий баланс массы:

∂∂t (nC) + ∂∂t ((1 − n) ρsCs) + ∇⋅ (qC) −∇⋅ (nD⋅∇C ) = 0E43

Если теперь предположить равновесие, уравнение (40) может использоваться для исключения C s из уравнения (43):

∂∂t (nRC) + ∇⋅ (qC) −∇⋅ ( nD⋅∇C) = 0 R = 1 + 1 − nnρsKdE44

, где R - коэффициент замедления.Обратите внимание, что для нереактивных растворенных веществ (без адсорбции / десорбции) R = 1. Из этого уравнения ясно, что фактор запаздывания находится только в члене производной по времени. По этой причине он получил свое название, так как этот коэффициент R означает, что и ad / конвекция, и дисперсия в R в раз медленнее: они замедляются в R раз.

Рис. 5.

линейная (A) и нелинейная адсорбция, где B похожа на уравнения типа Фрейндлиха и Ленгмюра, а C похожа на реакции, контролируемые осаждением, если нелинейность гораздо более отчетливая, чем на этом рисунке.

Теперь рассмотрим одномерную форму этого баланса массы с постоянной пористостью, скоростью, коэффициентом дисперсии и коэффициентом замедления:

∂C∂t + vR∂C∂x − DR∂2C∂x2 = 0E45

Обратите внимание, что это уравнение идентично уравнению (35), уравнению баланса массы для нереактивного компонента, причем скорость v и дисперсия D , масштабированные с коэффициентом R . Если молекулярной диффузией можно пренебречь, коэффициент дисперсии пропорционален скорости v , и уравнение (45) даст те же результаты, что и уравнение баланса массы для нереактивного компонента со скоростью, которая уменьшается в раз. Р .

Теперь рассмотрим одномерную форму уравнения (41) (неравновесное) с постоянной пористостью, скоростью, коэффициентом дисперсии и константами прикрепления и отрыва. Это уравнение можно сделать безразмерным, выбрав соответствующие значения для характеристической концентрации, времени и длины. Если (как это было сделано ранее) мы определим характерное время t r = L r / v , безразмерное уравнение будет иметь вид:

∂Cd∂td + ∂Cd∂ xd − 1Pe∂2C∂x2 + kaLrnvCd − kdLrnvCsd = 0E46

Последние два коэффициента в этом уравнении представляют собой две формы безразмерного числа Дамколлера.Это число дает соотношение времени прохождения грунтовых вод и времени, необходимого для достижения равновесия. Большие числа Дамколера указывают на то, что допущение о локальном равновесии уместно, в то время как малые числа Дамколера указывают на то, что адсорбция / десорбция должна быть описана как неравновесный процесс.

Измерение коэффициента распределения адсорбции K d обычно выполняется в лабораторных серийных экспериментах. Образец почвы смешивается с водой, которая содержит растворенный компонент в определенной концентрации.Эту смесь осторожно перемешивают в течение длительного времени, чтобы обеспечить установление равновесия между водной фазой и почвой. Из измерения результирующей концентрации в водной фазе в состоянии равновесия можно определить адсорбированное количество и рассчитать коэффициент распределения:

Предположим, что у нас есть масса почвы M s . Добавляем объем воды V , который растворил в нем компонент при концентрации C i .В состоянии равновесия концентрация в водной фазе измеряется как C экв. . Количество добавляемого в систему компонента составляет VC i . В состоянии равновесия общая масса компонента в водной фазе составляет VC экв. . Следовательно, общая адсорбированная масса составляет В (C i -C экв ) , а концентрация адсорбированного компонента составляет C с = V i -C экв ) / M с , тогда как концентрация в водной фазе C экв .Значение коэффициента распределения следует непосредственно из уравнения (40).

Измерение коэффициентов прикрепления и отсоединения может быть выполнено в периодических экспериментах путем измерения концентрации в водной фазе как функции времени.

Взаимодействие растворенных веществ происходит не только с твердым материалом, но также может существовать с коллоидными частицами (например, природным органическим материалом), которые сами по себе подвижны. Следовательно, может возникнуть конкуренция между адсорбцией на твердой матрице и адсорбцией на коллоидах.Это может привести к усиленному переносу веществ (например, тяжелых металлов), которые в противном случае можно было бы рассматривать как сильно замедленные.

2.6. Распад

Для упрощенного описания, данного в этой главе, мы предположим, что распад из-за химических реакций, биологической активности и / или радиоактивности дается выражением первого порядка:

, где λ - константа распада / разложения. λ связано с периодом полураспада т 1/2 компонента по:

Период полураспада т 1/2 обычно измеряется в периодических экспериментах путем смешивания образца почвы. материал с водой, в которой растворен компонент.Измерение концентрации в водной фазе как функции времени даст оценку распада. В этих экспериментах также следует учитывать адсорбцию / десорбцию. Процесс распада / деградации первого порядка имеет большое значение для большей части теории переноса. Как уже может быть очевидно, радионуклиды распадаются пропорционально общей имеющейся распадающейся массе. Например, недавняя авария цунами на атомной электростанции Фукусима в Японии могла привести к загрязнению почвы радионуклидами, где скорость распада определяет период, в течение которого радиационные проблемы могут быть острыми.Точно так же таяние в Чернобыле привело к загрязнению в континентальном масштабе радионуклидами различными элементами, которые перемещаются в подземные воды с разной скоростью и с разной скоростью разложения. Чтобы оценить опасность для жизни, типичной транспортной проблемой является скорость движения химикатов вниз по отношению к скорости распада опасного излучения.

Закон скорости разложения первого порядка также является наиболее часто используемым законом скорости для описания разложения загрязняющих веществ, таких как пестициды, питательные химические вещества, такие как нитраты, загрязняющие вещества, такие как ПАУ, БТЭК, хлорированные углеводороды (последние в анаэробных условиях) и другие загрязнители (Keijzer et al., 1999, Jaesche et al., 2006, French et al., 2009), несмотря на то, что он игнорирует, что продукты трансформации также могут быть опасными.

Важность деградации можно оценить на примере загрязнения грунтовых вод (а не почвы). Примерно десять лет назад была разработана концепция естественного затухания. Эта концепция предполагает, что среда недр способна вызывать естественную деградацию загрязняющих веществ, например из-за внутренней активности микробных популяций. Хотя дисперсионное перемешивание и разбавление, а также улетучивание химических веществ могут способствовать естественному ослаблению, разложение является основным процессом в этой концепции.Сама по себе концепция важна, поскольку она снижает опасность загрязнения почвы для окружающей среды, и поэтому стала основной проблемой в стратегиях, управлении и принятии решений по загрязнению почвы и грунтовых вод.

2.7. Полное упрощенное уравнение баланса массы

Полное уравнение баланса массы, предполагающее линейную равновесную адсорбцию и распад первого порядка, теперь можно записать как:

∂∂t (nRC) + ∇⋅ (qC) −∇⋅ (nD⋅∇C) + nλRC = 0E49

, где также предполагалось, что компонент, растворенный в водной фазе, а также компонент, адсорбированный на твердой фазе, могут распадаться с одинаковой константой распада.На самом деле это не обязательно так (Beltman et al., 2008).

Это уравнение является основой большинства программ, предназначенных для моделирования загрязнения почвы и грунтовых вод, таких как MODFLOW / MT3D и связанных моделей.