Diese Methode ermöglicht eine gravimetrische Quantifizierung von Huminstoffen (z. B. Humin- und Fulvosäuren) auf aschefreier Basis in trockenen und flüssigen Materialien aus Weichkohlen (d. h. oxidierter und nicht oxidierter Braunkohle und subbituminöser Kohle), humaten Erzen und Schiefern, Peats, Komposten und handelsüblichen Düngemitteln und Bodenverbesserungen.
Methodenartikel
Quantifizierung von Humin- und Fulvosäuren in Humatarzen, DOC, humifizierten Materialien und huminstoffhaltigen Handelsprodukten
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Der Zweck dieser Methode besteht darin, eine genaue und präzise Konzentration von Huminsäure (HA) und/oder Fulvosäuren (FA) in Weichkohlen, Huminerzen und Schiefern, Torf, Komposten und huminhaltigen Handelsprodukten zu gewährleisten. Das Verfahren basiert auf der alkalischen Extraktion von Testmaterialien unter Verwendung von 0,1 N NaOH als Extraktionsmittel und der Trennung der alkalischen löslichen Huminstoffe (HS) aus unlöslichen Produkten durch Zentrifugation. Der pH-Wert des zentrifugierten alkalischen Extrakts wird dann auf pH 1 mit konz. HCl eingestellt, was zu einer Ausfällung des HA führt. Die ausgefällten HA werden durch Zentrifugation von der Fulvinfraktion (FF) (der in Lösung verbleibenden HS-Fraktion) getrennt. Der HA wird dann im Ofen oder gefriergetrocknet und der Aschegehalt des getrockneten HA bestimmt. Das Gewicht des reinen (d. h. aschefreien) HA wird dann durch das Gewicht der Probe dividiert und der resultierende Anteil mit 100 multipliziert, um den % HA in der Probe zu bestimmen. Zur Bestimmung des FA-Gehalts wird das FF auf ein hydrophobes DAX-8-Harz geladen, das die FA-Fraktion adsorbiert, die auch als hydrophobe Fulvosäure (HFA) bezeichnet wird. Die verbleibende nicht-fulvosäurefraktion, auch hydrophile Fulvofraktion (HyFF) genannt, wird dann durch Waschen des Harzes mit deionisiertem H2O entfernt, bis das gesamte nicht absorbierte Material vollständig entfernt ist. Der FA wird dann mit 0,1 N NaOH desorbiert. Das resultierende Na-Fulvat wird dann protoniert, indem es über ein starkes H +-Austauscherharz geleitet wird. Das resultierende FA ist ofen- oder gefriergetrocknet, der Aschegehalt bestimmt und die Konzentration in der Probe wie oben für HA beschrieben berechnet.
Einleitung
Huminstoffe (HS) sind dynamische Rückstände, die bei der mikrobiellen Zersetzung und Umwandlung abgestorbener Pflanzengewebe1,2,3 entstehen, angereichert mit mikrobiellen Nebenprodukten und Biomasse3,4,5 durch einen Prozess, der als Humifizierung bezeichnet wird6. HS sind in Böden, natürlichen Gewässern, Seesedimenten, Torf, Weichkohlen und Humikafern vorhanden und machen schätzungsweise 25% des gesamten organischen Kohlenstoffs auf der Erde aus7. Diese Substanzen sind komplexe Mischungen aus Tausenden von einzigartigen Molekülen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeiten in stark basischen und sauren wässrigen Lösungen in drei Hauptfraktionen fraktioniert sind. Bei diesen Fraktionen handelt es sich um Huminsäuren (HAs), die die alkalilösliche, aber säureunlösliche Fraktion umfassen; Fulvosäuren (FAs), die Fraktion, die sowohl in Alkali als auch in Säure löslich ist; und die Huminfraktion, die bei allen pH-Werten unlöslich ist6,8. Die Fulvinfraktion (FF) wird weiter unterteilt in die hydrophoben FA (HFA) und hydrophilen (HyFA) Fraktionen. Diese Fraktionen sind definiert als der Teil des FF, der an ein hydrophobes DAX-8-Harz (HFA) bindet, und der Teil, der nicht an das Harz bindet (HyFA).
HS werden zunehmend in der Landwirtschaft eingesetzt, wo sie als Pflanzenbiostimulanzien weit verbreitet sind, in der Tierhaltung, insbesondere als Futtermittelzusatzstoff, im Bergbau in Bohrschlämmen und in der Umweltsanierung als Elektronen-Shuttles. Auch die Forschung zum Einsatz von HS in humanmedizinischen Anwendungen nimmt zu.
Es gibt viele Methoden zur Quantifizierung von HA und FA. Die meisten dieser Methoden sind jedoch weder genau noch präzise. Beispielsweise sind die beiden am weitesten verbreiteten Methoden zur Bestimmung von HA in den USA die kolorimetrische Methode9 und die Methode des California Department of Food and Agriculture (CDFA), von denen beide gezeigt wurden, dass sie die Menge an HA in einer Reihe von Erz- und Extraktquellen aus den westlichen USA und Kanada überschätzen10. Die kolorimetrische oder spektralphotometrische Methode ist ungenau, da sie auf der Absorption alkalischer Extrakte beruht, die neben HA auch FA und andere Chromophore enthalten, die alle bei der verwendeten Wellenlänge absorbieren und der Standard nicht repräsentativ für die zu testenden Materialien ist10. Die CDFA-Methode ist nicht genau, da sie keine HA-Konzentrationen auf aschefreier Basis liefert. Da verschiedene Erze unterschiedliche Mengen an Asche aufweisen, von denen einige mit der Extraktion transportiert werden und der Extraktionsprozess selbst Asche hinzufügt, liefert diese Methode keinen genauen Wert für HA-Konzentrationen10. Als Reaktion auf den Bedarf an einer genauen und präzisen Methode wurde 2014 ein standardisiertes gravimetrisches Verfahren veröffentlicht, das auf dem von 11 beschriebenen Verfahren basiert, um die Quantifizierung von HA und FA auf aschefreier Basis zu adressieren12. Diese Methode wurde dann mit geringfügigen Modifikationen von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) im Jahr 2018 unter Düngemitteln und Bodenverbesserern als "Bestimmung der Humin- und hydrophoben Fulvosäurekonzentrationen in Düngemittelmaterialien"13 angepasst.
Dieses Papier skizziert das Protokoll für die Extraktion und Quantifizierung von Huminsäuren und hydrophoben Fulvosäuren und gibt Details über die Genauigkeit und Präzision der aus der Methode erzeugten Daten.
Protokoll
1. Solide Probenvorbereitung
- Zerkleinern Sie etwa 5 g der zu analysierenden Probe mit einem Mörser und Stößel, so dass 100% der zerkleinerten Probe durch eine US-Standard-Sieb-Maschenweite Nr. 200 (d. H. 74 μm) geleitet wird, um sicherzustellen, dass das Pulver gut gemischt ist.
- Bestimmen Sie den Feuchtigkeitsgehalt des Pulvers gravimetrisch.
- Wiegen Sie ein Aluminium-Wiegeboot und notieren Sie die Masse (Wwb).
- Geben Sie ca. 2 g Probenpulver in das Wiegeboot und zeichnen Sie die Masse (Wws+wb) auf.
- Stellen Sie das Wiegeboot für 24 h bei 102 °C (102 °C nicht überschreiten) in einen Trockenschrank. Nach 24 h das Wiegeboot aus dem Trockenschrank nehmen und in einen Exsikkator stellen, um mindestens 1 h abzukühlen.
- Wiegen und notieren Sie die Masse des Wiegebootes und des getrockneten Probenpulvers (Wds+wb).
- Bestimmen Sie den Feuchtigkeitsgehalt anhand der Formel 1.1.
Formel 1.1 Feuchtigkeitsgehalt von festem Probenpulver
% Feuchtigkeit = ((((Wws+wb- Wwb) – (Wds+wb - Wwb))/ (Wws+wb - Wwb)) * 100
2. Extraktionsverfahren
- Feste Proben
- Ca. 2,5 g des gesiebten Probenpulvers (Wsamp) in ein Kunststoff- oder Aluminiumwiegeboot wiegen und das Gewicht auf vier Dezimalstellen aufzeichnen.
- Laden Sie die Probe in einen 1 L Messzylinder und füllen Sie den Zylinder auf 1 L mit 0,1 M NaOH (4 g NaOH x L-1).
- Fügen Sie einen magnetischen Rührstab (z. B. 5 - 7 cm lang) hinzu und rühren Sie schnell (z. B. 300 - 400 U / min) auf einer Rührplatte, bis die Probe gründlich gemischt ist.
- Den gesamten Inhalt des Messzylinders in einen 1 L Erlenmeyerkolben überführen, den Kopfraum des Kolbens mit N2-Gas evakuieren und die Kolbenöffnung mit einer luftdichten Abdeckung abdecken.
- Den Erlenmeyerkolben auf eine Rührplatte stellen und bei 300 - 400 U/min für 16 - 18 h mischen.
- Flüssige Proben
- Mischen Sie bei flüssigen Materialien die Probe gründlich durch Schütteln, um sicherzustellen, dass die Testflüssigkeit homogen gemischt wird. Stellen Sie sicher, dass alle Rückstände, die möglicherweise auf den Boden des Behälters gefallen sind, gründlich gemischt sind.
- Etwa 5 g der auf 4 Dezimalstellen (WTL) gewogenen Prüfflüssigkeit in einen 1-Liter-Messzylinder geben.
- Füllen Sie den Messzylinder mit 0,1 M NaOH auf ein Endvolumen von 1 L.
- Fügen Sie einen magnetischen Rührstab (z. B. 5 – 7 cm lang) hinzu und rühren Sie schnell (z. B. 300 - 400 U / min) auf einer Rührplatte, bis das Prüfmuster vollständig gemischt ist.
- Das Gemisch in einen 1 L Erlenmeyerkolben überführen, den Kopfraum mit N2-Gas evakuieren und die Kolbenöffnung mit einer luftdichten Abdeckung abdecken.
- Den Erlenmeyerkolben auf eine Rührplatte stellen und bei 300 - 400 U/min für 1 h vermischen.
HINWEIS: Nach diesem Punkt ist die Handhabung von festen und flüssigen Proben gleich.
3. Entfernung von unlöslichen Materialien aus alkalischen Extrakten
- Nach Abschluss des Rührens wird der Kolben von der Rührplatte genommen, die Mischung in geeignete Zentrifugenröhrchen überführt und das gesamte Volumen bei 4.921 x g für 30 min zentrifugiert.
- Den alkalischen Überstand, der HA und FA enthält, wird in einem sauberen 1 L Erlenmeyerkolben mit einem Magnetrührstab aufgefangen. Entsorgen Sie das unlösliche Material. Die Filtration durch Glaswolle oder qualitatives Filterpapier mit einer Porengröße von 2,5 μm wird empfohlen, wenn nach der Zentrifugation keine Restpartikel ausgefällt werden.
4. Fällung und Trennung von HA von FF
- Unter Rühren des alkalischen Extraktes mit 300 - 400 U/min auf einer Rührplatte eine pH-Sonde in den mittleren Teil der Lösung (vertikal) einführen und conc. HCl tropfenweise in den alkalischen Extrakt geben, bis ein stabiler pH-Wert von pH 1,0 ± 0,1 erreicht ist.
- Sobald ein pH-Wert von pH 1 erreicht ist und stabil bleibt, entfernen Sie die pH-Sonde aus dem Kolben, nehmen Sie den Rührstab, bedecken Sie den Kolben mit einer luftdichten Abdeckung und lassen Sie den Kolben sitzen, bis sich das ausgefällte HA am Boden des Kolbens festgesetzt hat.
HINWEIS: Die Zeit, die ein HA benötigt, um die Lösung auszufällen und zu verlassen, hängt von der Quelle und der Menge an HA in der Probe ab. Es dauert typischerweise 1 -6 h, bis die HA vollständig ausfällt und aus der Lösung herausfällt. - Zentrifugieren Sie den Extrakt und das ausgefällte HA bei 4921 x g für 1 h. Nach der Zentrifugation den Überstand FF in einen sauberen 1 L Erlenmeyer abgießen und mit einer luftdichten Abdeckung abdecken.
HINWEIS: Eine längere Zentrifugenzeit kann erforderlich sein, um das HA fest genug zu verpacken, um das FF ohne Einbeziehung eines der ausgefällten HA zu dekantieren. - Stellen Sie die Zentrifugenröhrchen 24 h lang in einen trockenen Ofen, der bei 100 °C gehalten wird.
- Nach dem Trocknen die Röhrchen aus dem Trockenschrank nehmen und in einen Exsikkator geben, um auf Raumtemperatur abzukühlen. Nach dem Abkühlen den Rückstand aus dem Rohr quantitativ übertragen, indem Sie ihn mit einem Spatel von den Seiten und dem Boden des Rohres abkratzen, in ein geteertes Wiegeboot überführen und die Masse (WEHA) aufzeichnen. Dieser Rückstand ist der "extrahierte HA".
HINWEIS: Wenn bei der Trennung von HA und FF Zentrifugenröhrchen mit mehr als 50 ml verwendet wurden, ist es zweckmäßig, das ausgefällte HA für den Trocknungsprozess in temperaturbeständige 50 ml Zentrifugenröhrchen zu überführen. Wenn ein Gefriertrockner verfügbar ist, kann das ausgefällte HA auch gefriergetrocknet werden. Die Sammlung des HA im gefriergetrockneten Zustand ist einfacher, da der HA nicht an der Seite der Kunststoffrohre klebt und nicht verschrottet werden muss.
5. Bestimmung des Aschegehalts
HINWEIS: Das Verfahren zur Bestimmung des Aschegehalts von getrockneten HA- und FA-Proben ist dasselbe. Die Vorgehensweise unter Verwendung der Notation für HA wird gezeigt.
- Ca. 30 mg des getrockneten HA (WHA) in eine saubere, vorgewogene Keramikschale (WCD) geben, die zuvor in einem Trockenschrank bei 100 °C getrocknet und anschließend in einem Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Nachdem Sie die kombinierte Masse des gewichteten HA und der Schüssel (WHA + CD) aufgezeichnet haben, verbrennen Sie den HA in einem Muffelofen für 2 h bei 600 ° C.
HINWEIS: Für jede HA-Probe sollten drei Replikate verarbeitet und der durchschnittliche Aschegehalt bei der Berechnung von reinem HA verwendet werden. - Nach 2 h die Schüssel und den Inhalt aus dem Muffelofen nehmen und zum Abkühlen in einen Exsikkator geben. Nach dem Abkühlen die Schale mit Asche (WASH+CD) wiegen und das Ascheverhältnis (Ashrat) nach Formel 1.2 berechnen:
Formel 1.2 Ashrat = (WASH+CD - WCD) / (WHA+CD - WCD)
6. Bestimmung des Prozentsatzes an gereinigtem extrahiertem HA
- Bestimmen Sie die Endmasse des reinen HA (WPHA) durch Korrektur des Aschegehalts nach Formel 1.3:
Formel 1.3 WPHA = WEHA * (1- Ashrat)
7. Bestimmung der Konzentration (%) von reinem HA in der ursprünglichen Ausgangsprobe
- Bestimmen Sie die Konzentration von reinem HA unter Verwendung der Formeln 1.4 und 1.5:
Formel 1.4: % reine HA in fester Probe = (WPHA/Wsamp) * 100
Formel 1.5: % reine HA in flüssiger Probe = (WPHA/WTL) * 100
8. Säulenvorbereitung zur HFA-Reinigung
- Bereiten Sie eine Niederdruckchromatographiesäule vor, die mit Polymethylmethacrylat DAX-8-Harz gefüllt ist. Wenn das Harz zuvor nicht verwendet wurde, tränken Sie das Harz 2 h lang in Methanol und spülen Sie es dann gründlich mit deionisiertem H2O ab, bis das gesamte Methanol entfernt ist.
- Entfernen Sie kleine Harzpartikel, die zu diesem Zeitpunkt auf dem Wasser schwimmen. Wenn das Harz zuvor verwendet wurde, regenerieren Sie es wie in Abschnitt 10 beschrieben.
- Nach dem gründlichen Spülen gießen Sie das Harz in eine 5 x 25 cm große Glaschromatographiesäule, die mit einem Endstück mit einer 10 μm-Fritte zur Harzbettunterstützung ausgestattet ist. Lassen Sie 2,5 bis 5 cm an der Oberseite der Säule für harzfreie Lösung, um das Mischen des FF vor dem Betreten des Harzbettes zu ermöglichen. Befestigen Sie das obere Stück an der Säule und pumpen Sie deionisiertes H2O durch die Oberseite der Säule, um das DAX-8-Harzbett mit einer Peristaltikpumpe zu verpacken.
9. Isolierung von HFA
- Sobald das Harzbett gepackt ist, laden Sie das FF mit einer Peristaltikpumpe unter niedrigem Druck über die Oberseite der Säule auf die Säule. Verwenden Sie eine Durchflussrate von 35 – 40 ml/min. Es ist wichtig, dass die Oberseite des Harzes in der Säule während des gesamten Lade- und Spülvorgangs mit Lösung bedeckt bleibt, um das Trocknen des Harzes und das Kanalisieren des Extrakts durch das Harzbett zu verhindern.
- Sobald die Fulvic-Fraktion vollständig auf das Harz geladen wurde, waschen Sie das Harz mit deionisiertem Wasser, um die nicht adsorbierte "hydrophile Fulvi-Fraktion" (HyFF) zu entfernen, indem Sie sie mit der Peristaltikpumpe unter niedrigem Druck durch die Oberseite der Säule pumpen. Verwenden Sie eine Durchflussrate von 35 – 40 ml/min. Entsorgen Sie das HyFF-haltige Abwasser, es sei denn, es wird für die Analyse verwendet.
- Waschen Sie die Säule mit entionisiertem H2O, bis die Absorption des Säulenabflusses bei 350 nm (z. B. innerhalb von 0,015 Absorptionseinheiten) der des deionisierten H2O entspricht, das zum Waschen der Säule verwendet wird. Verwenden Sie entionisiertes Wasser, um das Spektralphotometer auf Null (d. H. Leer) zu bringen.
- Desorbieren Sie das HFA durch Rückelution, indem Sie 0,1 M NaOH über den Boden der Säule mit der Peristaltikpumpe pumpen. Verwenden Sie eine Durchflussrate von 35 – 40 ml/min. Das Pumpenabwasser (das Na-Fulvat) wird in einem sauberen, ausreichend großen Behälter (z. B. 2 L Erlenmeyer) aufgefangen.
HINWEIS: Der größte Teil des HFA adsorbiert ganz oben im DAX-8-Harzbett. Die Desorption durch Einbringen der 0,1 M NaOH von der Unterseite der Säule minimiert die Menge von 0,1 M NaOH, die benötigt wird, um das FA vollständig zu desorbieren. - Das gesamte HFA wurde desorbiert, wenn die Absorption des Säulenabflusses gleich der Absorption von 0,1 M NaOH-Zufluss bei 350 nm ist. Verwenden Sie 0,1 M NaOH als spektralphotometrischen Rohling. Fügen Sie das entnommene Abwasser hinzu, um die Absorption der desorbierten FA-Lösung zu überprüfen, um sicherzustellen, dass alle FA erfasst werden.
10. HFA-Entaschung durch Protonierung
- Die Na-Fulvat-Lösung wird wiederholt durch Schwerkraftzufuhr durch starkes Kationen-H +-Austauscherharz (Tabelle der Materialien) geleitet, das in einer 5 × 50 cm großen Säule mit Glasfritte enthalten ist, um das Harz zu halten, bis die elektrische Leitfähigkeit des Abwassers <120 μS / cm beträgt, wie mit einem elektrischen Leitfähigkeitsmessgerät gemessen. Vor jedem Durchgang muss das H+-Austauschharz wie in Abschnitt 11 beschrieben aufgearbeitet werden.
- Um sicherzustellen, dass das gesamte FA nach dem letzten Durchgang aus dem Harz entfernt wird, waschen Sie das Harz mit entionisiertem Wasser, bis die Absorption des Abwassers bei 350 nm die gleiche ist (z. B. innerhalb von 0,015 Absorptionseinheiten) wie das entionisierte Wasser, das zum Waschen der Säule verwendet wird. Verwenden Sie deionisiertes H2O als spektralphotometrischen Rohling. Fügen Sie die Wäsche und alle entnommenen Abwasserteile hinzu, um die Absorption der gereinigten FA-Lösung zu überprüfen. Um bei der Entfernung aller FA zu helfen, kann das Harz mehrmals gerührt werden (z. B. mit einem langen Glas- oder Kunststoffstab).
- Konzentrieren Sie das FA auf ein Volumen von ca. 15 ± 2 mL mit einem Rotationsverdampfer bei 55 °C.
- Das 15 mL FA-Konzentrat vollständig in ein 50 mL Kunststoffzentrifugenrohr geben und bei 60±3 °C bis zur konstanten Trockenheit in einem Trockenschrank trocknen. Die Gefriertrocknung ist eine Alternative zur Ofentrocknung. Nach dem Trocknen das Röhrchen zum Abkühlen in einen Exsikkator geben.
- Entfernen Sie FA aus dem Röhrchen, indem Sie die Rohrseiten und den Boden mit einem Spatel abkratzen und das gesammelte FA auf vorgeteertem Wiegepapier wiegen. Dieses Material ist das "Extracted FA" (WEFA).
- Bestimmen Sie das Ascheverhältnis (ASHrat) des extrahierten FA wie unter Schritt 6 für HA beschrieben und berechnen Sie das Ascheverhältnis unter Verwendung der Formel 1.2. Bestimmen Sie das Gewicht des extrahierten FA ohne Asche (WPFA) unter Verwendung der Formel 1.3 und ersetzen Sie das WEFA durch das Gewicht von WEHA. Schließlich wird der % reine FA in der Stichprobe unter Verwendung der Formel 1.4 bestimmt, die WPHA durch WPFA ersetzt.
11. DAX-8 Harzregeneration
- Regenerieren Sie das DAX-8-Harz, indem Sie 0,1 M HCl (8,33 ml konzentriertes HCl / 1000 ml Endvolumen deionisiertes H2O) mit einer Durchflussrate von 35 – 40 ml / min durch den Boden der Säule pumpen, bis der pH-Wert des Abwassers dem pH-Wert des Zuflusses entspricht. Verwenden Sie die Peristaltikpumpe, um während der Regeneration alle Reagenzien durch die DAX-8-Säule zu pumpen.
- Spülen Sie die Säule mit DI-Wasser ab, indem Sie sie in die Oberseite der Säule pumpen, bis der pH-Wert des Abwassers dem pH-Wert des Zuflusses (dh DI-Wasser) entspricht.
12. Regeneration von H+-Kationenaustauscherharzen
- Regenerieren Sie das H + Kationenaustauscherharz in einem Batch-Prozess, indem Sie das Harz in ein großes Becherglas (z. B. 4 L Kunststoffbecher) gießen, mehrmals spülen, indem Sie das Harz mit DI H2O abdecken, mischen und dann das Wasser abgießen.
- Bedecken Sie das Harz mit 1 M HCl (83,3 ml konzentriertes HCl/1000 mL Endvolumen DI-Wasser). Mindestens 2 h unter gelegentlichem Rühren (z.B. einmal alle 30 min) stehen lassen.
- Entfernen Sie die überschüssige Säure aus dem Harz, indem Sie die Säure abgießen und das Harz mit DI-Wasser bedecken. 15 s mit einem Rührstab kräftig umrühren, dann das Harz auf den Boden des Kolbens fallen lassen und dann das Wasser abgießen. Wiederholen Sie den Vorgang, bis die elektrische Leitfähigkeit des Spülwassers ≤ 0,7 μS/cm beträgt.
- Laden Sie das regenerierte Harz zurück in die Säule. Mit deionisiertem H2O abdecken, um sicherzustellen, dass das Harz zwischen den Anwendungen nass bleibt.
Ergebnisse
Leistungsdaten für die Methode sind in den Tabellen 1 – 5 enthalten. Die Präzision der Methode zur Extraktion von HA und FAH aus flüssigen kommerziellen Proben mit sehr unterschiedlichen Konzentrationen von HA und FHA ist in Tabelle 1 angegeben.
Die relativen Standardabweichungen (RSDs) für HA waren niedriger als die für HFA, aber der durchschnittliche HFA RSD über die drei flüssigen Proben lag bei 6,83%, was auf ein hohes Maß an Präzision hinweist. Das Horwitz-Verhältnis (HorRat) ist ein normalisierter Leistungsparameter, der die Eignung einer Analysemethode in Bezug auf die Laborgenauigkeit anzeigt. Hier wurde es für die laborinterne Präzision verwendet. Der Wert < 0,5 kann auf eine nicht offengelegte Mittelwertbildung oder ein hohes Maß an Erfahrung mit der Methode hinweisen. Werte > 2.0 weisen auf eine Heterogenität der Prüfmuster, einen Bedarf an Methodenoptimierung oder umfangreicherer Schulung, ein Arbeiten unterhalb der Nachweisgrenze oder eine nicht anwendbare Methode hin. Für die Analyse flüssiger Proben wurde der HorRat nur > 2 für eine der HFA-Analysen (Tabelle 1).
Präzisionsdaten für die Extraktion von HA und HFA aus drei Huminerzproben sind in Tabelle 2 aufgeführt. Mit Ausnahme des HFA aus Erz 2 und des HA aus Erz 3 lagen alle HorRats unter 2. Dies zeigt ein hohes Maß an Präzision dieser Methode zur Extraktion von HA und HFA für Huminerzproben.
Hersteller von pflanzlichen Biostimulanzien formulieren häufig Produkte, die neben anderen Inhaltsstoffen wie Algen, anorganischen Düngemitteln, Kohlen oder Melasse auch HS enthalten. Tabelle 3 enthält die Ergebnisse einer Analyse der Aufnahme dieser Arten von Additiven anhand der Genauigkeit der Methode. Keiner der Zusatzstoffe bewirkte die Rückgewinnung von HA oder HFA signifikant (Tabelle 3).
Tabelle 4 und Tabelle 5 berichten über die Gewinnungsraten von HA bzw. HFA aus flüssigen Proben, die kommerzielle Produkte mit sehr niedrigen Konzentrationen simulierten. Die Gewinnungsraten waren ausgezeichnet und lagen zwischen 88 % und 97 % für HA (Tabelle 4) und 92 % und 104 % für HFA (Tabelle 5). Die durchschnittlichen Gewinnungsraten für HA und HFA betrugen 93 % bzw. 97 % und der RSD-Prozentsatz für beide HS weniger als 5 %. Während die Präzision ausgezeichnet ist, weisen diese Daten auf die Notwendigkeit hin, Laborreplikate durchzuführen. Die Methodennachweisgrenze (MDL) und die Methodenquantifizierungsgrenze betrugen 4,62 und 1,47 mg/L für HA und 4,8 und 1,53 mg/L für HFA.
| Huminstoffe, % | |||||||
| Material | L16 | L17 | L2 | ||||
| HFA | HA | HFA | HA | HFA | HA | ||
| Vertreter 1 | 1.44 | 17 | 6.59 | 7.76 | 0.36 | 4.46 | |
| Vertreter 2 | 1.39 | 16.03 | 6.25 | 7.79 | 0.42 | 4.93 | |
| Vertreter 3 | 1.34 | 16.44 | 6.02 | 7.55 | 0.4 | 4.46 | |
| Vertreter 4 | 1.54 | 16.75 | 6.2 | 7.69 | 0.33 | 4.53 | |
| Bedeuten | 1.43 | 16.56 | 6.27 | 7.7 | 0.38 | 4.6 | |
| SD | 0.09 | 0.42 | 0 | 0.11 | 0.04 | 0.23 | |
| 24 | |||||||
| RSD, % | 6.29 | 2.53 | 3.8 | 1.39 | 10.4 | 4.91 | |
| Hor Rat(r) | 1.58 | 0.72 | 1.25 | 0.47 | 2.31 | 1.55 | |
| ein Die Extraktionsbedingungen waren 1 g in 1 L 0,1 M NaOH. | |||||||
Tabelle 1. Präzision der Methode bei der Extraktion und Quantifizierung von HA und HFA aus flüssigen kommerziellen Proben. Die Extraktionsbedingungen waren 1 g in 1 L 0,1 M NaOH.
| Huminstoffe, % | ||||||
| Erz 1 | Erz 2 | Erz 3 | ||||
| Material | HFA | HA | HFA | HA | HFA | HA |
| Vertreter 1 | 1.75 | 67.4 | 1.31 | 27.01 | 1.55 | 8.95 |
| Vertreter 2 | 1.69 | 67.63 | 1.25 | 27.48 | 1.41 | 7.2 |
| Vertreter 3 | 1.63 | 67.1 | 1.27 | 27.34 | 1.47 | 8.35 |
| Vertreter 4 | 1.77 | 67.59 | 1.55 | 26.89 | 1.51 | 7.98 |
| Bedeuten | 1.71 | 67.53 | 1.35 | 27.18 | 1.49 | 8.12 |
| SD | 0.06 | 0.94 | 0.14 | 0.28 | 0.06 | 0.73 |
| RSD, % | 3.7 | 1.39 | 10.33 | 1.02 | 4.02 | 9.02 |
| HorRat(r) | 0.99 | 0.66 | 2.71 | 0.42 | 1.07 | 3.09 |
Tabelle 2. Präzision der Methode bei der Extraktion und Quantifizierung von HA und HFA aus Huminerzen. Die Extraktionsbedingungen waren 1 g Probe in 1 L 0,1 M NaOH. (Daten entnommen aus Lamar et al., 2014)
| Replizieren | Verfälschungsmittel | HA, % | FA, % | Relative Rückgewinnung HA, % | Relative Rückgewinnung HFA, % |
| 1 | Nichts | 81.61 | 12.86 | ||
| 2 | Nichts | 80.16 | 12.78 | ||
| 1 | Seetang | 80.21 | 12.85 | ||
| 2 | Seetang | 80.72 | 12.79 | 99.5 | 99.6 |
| 1 | Dünger | 80.25 | 12.98 | ||
| 2 | Dünger | 79.57 | 123.77 | 98.8 | 101.6 |
| 1 | Kohle | 78.79 | 12.92 | ||
| 2 | Kohle | 81.27 | 12.84 | 98.9 | 101.8 |
| 1 | Melasse | 79.38 | 12.99 | ||
| 2 | Melasse | 81.02 | 12.72 | 99.2 | 100.9 |
| Bedeuten | 80.3 | 12.85 | |||
| SD | 0.885 | 0.09 | |||
| eine Endkonzentration von FA + HA von 2,5 g/L zugegeben auf 0,1 M NaOH. (Daten entnommen aus Lamar et al., 2015) | |||||
Tabelle 3. Wirkung von Verfälschungsmitteln auf die Quantifizierung von HA und HFA aus einem Gascoyne-Leonardit. (Daten entnommen aus Lamar et al., 2015)
| HA | |||
| Beispiel-ID | Extrahiert, mg | Wiederhergestellt, mg | Wiedereingezogen, % |
| 1 | 24.6 | 23.7 | 96.3 |
| 2 | 22.6 | 19.9 | 88.1 |
| 3 | 25.2 | 23.6 | 93.7 |
| 4 | 22.5 | 21.5 | 95.6 |
| 5 | 23.9 | 21.8 | 91.2 |
| 6 | 23.2 | 20.8 | 89.7 |
| 7 | 24 | 23.2 | 96.7 |
| Bedeuten | 23.7 | 22.1 | 93 |
| SD | 1.01 | 1.52 | 3.43 |
| RSD, % | 4.35 | 6.88 | 3.67 |
| (Daten entnommen aus Lamar et al., 2014) | |||
Tabelle 4. Rückgewinnung von HA aus spiked blanks. (Daten entnommen aus Lamar et al., 2014)
| FA | |||
| Beispiel-ID | Extrahiert, mg | Wiederhergestellt, mg | Wiedereingezogen, % |
| 1 | 19.9 | 19 | 95.48 |
| 2 | 23.1 | 22.9 | 99.13 |
| 3 | 20.7 | 19.4 | 93.72 |
| 4 | 20.5 | 19.8 | 96.39 |
| 5 | 20.8 | 21.6 | 103.85 |
| 6 | 21.9 | 20.1 | 91.78 |
| 7 | 22.7 | 22.3 | 98.24 |
| Bedeuten | 21.37 | 20.73 | 96.94 |
| SD | 1.21 | 1.53 | 3.95 |
| RSD, % | 5.64 | 7.36 | 4.07 |
| (Daten entnommen aus Lamar et al., 2014) | |||
Tabelle 5. Rückgewinnung von HFA aus spiked blanks. (Daten entnommen aus Lamar et al., 2014)
Diskussion
Die ersten Schritte der Extraktion und Isolierung des HA bei dieser Methode sind relativ einfach. Da die Isolierung des HFA eine Säulenchromatographie beinhaltet, ist die Erzielung wiederholbarer Ergebnisse mit der strikten Einhaltung der Details jedes Schritts und jeder Praxis verbunden. Insbesondere die richtige Aufbereitung der Harze ist von primärer Bedeutung. Es ist äußerst wichtig, dass das Polymethylmethacrylat DAX-8-Harz ordnungsgemäß vorbereitet und verpackt wird. Die korrekte Verpackung des Harzes wirkt sich sowohl auf die Ausbeute als auch auf die Qualität des HFA aus. Wenn eine Kanalisierung vorhanden ist, sind weder die Vorbehandlung (d. h. die Ansäuerung) noch die Adsorption von HFA abgeschlossen, und die Trennung führt zu ungenauen Ergebnissen. Wenn vor dem Laden der Probe Kanäle oder Zwischenräume im Harz beobachtet werden, sollte die Säule entfernt und geschüttelt werden, um die Harzperlen neu zu verteilen, indem sie sich ohne Kanäle absetzen können, und dann durch Pumpen von sauberem DI H2O durch das Harz neu verpackt werden. Darüber hinaus, wie im Protokoll erwähnt, ermöglicht die Aufrechterhaltung eines Flüssigkeitsvolumens über dem Harz beim Laden des FF auf das Harz, dass sich das FF vor dem Eintritt in das Harz vermischt und zu einer effektiveren Adsorption führt. Für das starke Kationen-H+-Austauscherharz (Materialtabelle) kann eine vollständige Regeneration nicht überstürzt werden. Der Na+/H+ -Austausch braucht Zeit und daher geschieht dies am besten in einer Bulk-Behandlung, so dass das Harz gemischt werden kann, während es wieder angesäuert wird. Das Mischen des Harzes während des Spülens mit DI H2O hilft, das überschüssige HCl zu entfernen. Beim Aufsteigen des angesäuerten Harzes, um überschüssige Säure zu entfernen, hilft das Mischen des Harzes, das HCl zu entfernen. Es ist äußerst wichtig, die Säure bis zu dem Punkt zu entfernen, an dem eine elektrische Leitfähigkeit von ≤ 0,7 μS/cm erreicht wird. Wenn nicht, wird die HCl mit der HFA übertragen.
Schließlich ist es bei der Desorption des HFA aus dem DAX-8-Harz, sobald die Absorption des Zuflusses der Absorption des Abwassers entspricht, eine gute Praxis, die Säule für ein paar Stunden sitzen zu lassen, um zu sehen, ob zusätzliches HFA freigesetzt wird. Wenn ja, wird es als eine Gelbfärbung der Flüssigkeit über dem Harz gesehen. In diesem Fall kann das zusätzliche HFA durch fortgesetzte Desorption entfernt werden, bis die Zufluss-/Abwasserabsorptionsgrade wieder gleich sind.
Einer der Nachteile der HFA-Isolierung besteht darin, dass der gesamte Prozess zeitaufwändig ist. Die vollständige Desorption von HFA aus dem DAX-8-Harz und die vollständige Entfernung aus dem H+-Austauscherharz führen zu einem erheblichen Volumen an HFA, das durch Rotationsverdampfung reduziert werden muss. Dies ist definitiv ein Engpass in der Analyse. Um diese Zeit zu verkürzen, wurde vorgeschlagen, das HFA aus dem DAX-8-Harz mit Aceton anstelle von 0,1 M NaOH zu desorbieren14. Die Autoren behaupteten, dass durch die Verwendung von 50% Aceton als Desorbens anstelle von NaOH ein ähnliches HFA-Ergebnis erzielt wurde und der DAX-8 ausreichend regeneriert wurde und somit der H +-Austauschschritt eliminiert werden konnte. Diese Modifikation führte zu einer stark verkürzten Analysezeit aufgrund des verringerten produzierten Volumens und der schnelleren Rotationsverdampfung von Aceton im Vergleich zu Wasser. Diese Modifikation verdient weitere Untersuchungen.
Diese Methode beschränkt sich auf die Analyse von organischem Material, das den Humifizierungsprozess durchlaufen hat, und für den Fall von Torf und Weichkohle die weiteren Prozesse der Torfifikation bzw. sowohl der Torf- als auch der Koalifikation. Humifizierung ist der Prozess, bei dem totes, hauptsächlich pflanzliches Material, durch eine Abfolge von Mikroben zersetzt wird, die zunehmend widerspenstige Substrate verbrauchen und modifizieren. Abiotische Prozesse sind auch an Zersetzungs- und Resynthesereaktionen beteiligt. Humifizierung führt letztendlich zur Herstellung von relativ widerspenstigen Materialien, die heterogene Mischungen aus Tausenden von Molekülen umfassen, die eine Reihe von Molekulargewichten und Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffgehalten bilden, die HS bilden. HS werden durch Torf- und Koalifikation weiter modifiziert. Daher ist diese Methode nicht für pflanzliche Materialien geeignet, die durch chemische Prozesse verändert wurden. Zum Beispiel wird Lignosulfonat häufig als HFA-Verfälschungsmittel verwendet. Lignosulfonat ist ein Nebenprodukt des Sulfitaufschlussprozesses. Daher wurde dieses Material nicht durch den Prozess der Humifizierung produziert. Darüber hinaus gibt es viele Substanzen, die an das DAX-8-Harz binden. Zum Beispiel wurde DAX-8-Harz verwendet, um Pestizide aus Lösung zu adsorbieren15. Offensichtlich sind Pestizide kein HS. Daher rechtfertigt die Bindung eines Materials an DAX-8-Harz nicht die Behauptung, dass es sich um ein HFA handelt. Voraussetzungen sind sowohl die Herstellung durch Humifizierung als auch die Bindung an DAX-8-Harz.
Wenn mehr über den Beitrag der verschiedenen Komponenten von HS in verschiedenen Anwendungen erfahren wird, kann es vorteilhaft werden, HS weiter zu fraktionieren und damit das Verfahren entsprechend zu modifizieren. So wie es existiert, quantifiziert die Methode die HYFA nicht. Diese Fraktion könnte jedoch auch eine Aktivität haben, z. B. bei der Pflanzenbiostimulation, bei der das gesamte FF im Allgemeinen in landwirtschaftlichen Behandlungen und nicht in gereinigtem HFA angewendet wird.
Offenlegungen
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären.
Danksagungen
Die Autoren danken der Humic Products Trade Association (HPTA) für ihre Unterstützung bei der Finanzierung der Arbeit, die zur Standardisierung der in diesem Papier beschriebenen Methoden führte, sowie Lawrence Mayhew und Drs. Dan Olk und Paul Bloom für die technische Unterstützung während der Standardisierungsarbeit.
Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Amberlite IR 120 H+-Austauschharz | Sigma-Aldrich | 10322 | H+ form |
| Analysenwaage | Ohaus | PA214 | mit Windschutz aus Glas |
| Zentrifuge | Beckman Coulter | Allegra Allegra X-14 | minimum 4300 U/min |
| Zentrifugenröhrchen | Beckman Coulter | Passend für den Rotor selected | |
| Keramik Brenntiegel | Sigma | Z247103 | |
| Chromatographiesäule für DAX-8 | Diba | Omnifit 006EZ-50-25-FF | |
| Chromatographiesäule für IR 120 | Chemglass | CG-1187-21 2 Zoll x 24 Zoll | |
| Exsikkator | Capitol Scientic | Kimax 21200-250 | |
| Vakuum-Trockenschrank | Fisher Scientific | Isotemp | Precision± 3? C |
| Elektrisches Leitfähigkeitsmessgerät | HM Digital | EC-3 | |
| Erlenmeyerkolben | Amazon | 1L, 2L | |
| HCl konzentriert | Sigma-Aldrich | 320331 | |
| Magnetrührplatte | Barnstead-Thermolyne Dataplate | 721 | |
| Magnetrührstäbchen | Diese sind an vielen Steckdosen erhältlich | ||
| Muffel Ofen | Fisher wissenschaftlich | Thermolyne Typ 47900 | |
| NaOH | Sigma-Aldrich | 795429 | |
| Stickstoffgas | Praxair | UNI1066 | 99,99% Reinheit |
| Schlauchpumpe | Cole Parmer | Masterflex 7518-00 | |
| Perstaltische Schläuche | Cole Parmer | Masterflex Pharmed 06508-17 | |
| pH-Meter | Oakton Instrumente | WD-35618--03 | |
| Rotationsverdampfer | Buchi | R-210/R-215 | |
| Spektralphotometer | Gesundheitswesen SCiences | Ultrospec II | Dualbeam 200 bis 900 nm mit einer Wellenlängengenauigkeit von ± 1 nm und Reproduzierbarkeit von ± 0,5 nm. |
Referenzen
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Nachdrucke und Genehmigungen
