Elektrostatische Methode zur Entfernung organischer Partikel aus dem Boden

Genaue Schätzungen des organischen Kohlenstoffs (SOC) im Boden sind wichtig für die Bewertung von Veränderungen, die sich aus der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung oder der Umwelt ergeben. Partikuläre organische Substanz (POM) hat wichtige Funktionen in der Ökologie und Physik eines Bodens, aber es ist oft kurzlebig und variiert basierend auf mehreren Faktoren, einschließlich Jahreszeit, Feuchtigkeitsbedingungen, Belüftung, Probenentnahmetechniken, jüngste Bodenmanagement, Vegetationslebenszyklus und andere¹. Diese zeitlich instabilen Quellen können Schätzungen langfristiger Trends in stabilem und wirklich sequestriertem organischem Kohlenstoff im Boden^{verwirren 2}.

Obwohl POM gut definiert, häufig und wichtig ist, lässt es sich weder leicht vom Boden trennen, noch ist es einfach, es quantitativ zu messen. Es wurden organische Partikel gemessen als das, was in Flüssigkeiten schwimmt (leichte Fraktion, typischerweise 1,4-2,2 g cm^-3),oder als das, was nach Größe getrennt werden kann (z. B. > 53-250 μm oder > 250 μm), oder eine Kombination der^{beiden 3,4,5}. Sowohl größenbasierte als auch dichtebasierte Techniken können die quantitativen und chemischen Ergebnisse der POM-Messung beeinflussen⁴. Eine sorgfältige visuelle Inspektion des Bodens, der mit Routinemethoden größenfraktioniert wurde, zeigt oft lange, schmale Strukturen wie Wurzeln und Blatt- oder Stängelsplitter, die den Bildschirm passiert haben. Es hat sich gezeigt, dass das einfache Entfernen dieser Strukturen von Hand die Messungen des Gesamt-SOC²,⁶ erheblich^reduziert,aber die Methode unterliegt insbesondere der Sorgfalt und Sehschärfe des Bedieners. POM-Trennung von einer Bodenprobe als leichte Fraktion während der Flotation in einer dichten Flüssigkeit⁷ fängt nicht alle POM ein, und übermäßiges Schütteln während des Flotationsprozesses kann tatsächlich die Menge an Lichtfraktion reduzieren, die aus einer Probe gewonnen wird⁸. Die Flotation erfordert viele Schritte und setzt den Boden chemischen Lösungen aus, die die chemischen Eigenschaften verändern oder Bestandteile auflösen und entfernen können, die von Interesse sein könnten⁴.

Alternative Methoden zur Entfernung von POM wurden verwendet, um die Verwendung von dichten wässrigen Lösungen zu vermeiden oder zu verstärken. Kirkby, et al.⁶ verglichen die Entfernung leichter Fraktionen mit zwei Flotationsverfahren mit einer Trockensieb-/Winnowing-Methode⁹. Winnowing wurde durchgeführt, indem ein leichter Luftstrom über eine dünne Bodenschicht geleitet wurde, um das Licht sanft von der schweren Fraktion abzuheben. Das Trockensieben/Winnowing erfolgte ähnlich wie bei den beiden Flotationsverfahren in Bezug auf den Gehalt an C, N, P und S; Die Autoren schlagen jedoch vor, dass trockenes Sieben/Winnowing "etwas sauberere" Böden erzeugte⁶. POM wurde auch mit elektrostatischer Anziehung¹⁰,¹¹ vom Boden^getrennt,bei der organische Partikel isoliert werden, indem eine elektrostatisch geladene Oberfläche über dem Boden passiert wird. Mit dem elektrostatischen Anziehungsverfahren konnte POM, sogenanntes Kursorganische Partikel, aus getrockneten, gesiebten (> 0,315 mm) Böden mit statistischer Wiederholgenauigkeit gewonnen werden, die mit anderen Methoden der Größen- und Dichtefraktionierung vergleichbar^{ist 10}.

Hier zeigen wir, wie elektrostatische Anziehung genutzt werden kann, um POM von Größen von sichtbar bis mikroskopisch zu entfernen. Im Gegensatz zu anderen berichteten Methoden entfernt die elektrostatische Anziehung von feinem Boden auch einen kleinen Teil des mineralischen und aggregierten Bodens, der sichtbar wie der verbleibende Boden ist. Angesichts unserer bisherigen Ergebnisse ist davon auszugehen, dass die Entfernung eines kleinen Teils des Nicht-POM-Bodens keine wesentlichen Auswirkungen auf die nachgelagerten Analysen haben wird; Diese Annahme sollte jedoch für einen bestimmten Boden überprüft werden, wenn große Teile der gesamten Bodenprobe elektrostatisch entnommen werden. Die hier angeführten Methoden und Beispiele wurden auf Schlufflehm-Lössböden aus einer semiariden Umgebung durchgeführt.

Diese Methode ist möglicherweise nicht für alle Bodentypen geeignet, hat aber den Vorteil, dass sie schnell und effizient organische Partikel entfernt, die zu klein sind, um sie manuell oder durch einen Luftstrom zu entfernen. Die Prozessgeschwindigkeit ist wichtig, um Ermüdung zu reduzieren, Konsistenz zu gewährleisten und eine größere Replikation für eine bessere Genauigkeit der Schlussfolgerungen zu fördern. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, sehr kleine Partikel zu entfernen, wichtig, um Verzerrungen gegenüber Böden mit größeren statt kleinen Partikelgrößen zu vermeiden.

1. Bodenvorbereitung

1. Sammeln Sie Bodenproben in der gewünschten Tiefe. Trocknen Sie den Boden gründlich bei 40 °C oder nach laborspezifischen Standardprotokollen.
2. Sieben Sie den Boden durch bodensebgemischte Siebe, um ca. 10-25 g gesiebten Boden zu erhalten. Viele Studien verwenden ein 1- oder 2-mm-Sieb. Die Bodenmenge basiert auf der Masse, die für die nachgelagerten Analysen erforderlich ist, und beeinflusst die Häufigkeit, mit der der elektrostatische Entfernungsschritt wiederholt werden muss.
3. Legen Sie den Boden in eine saubere, trockene Pfanne mit flachem Metall- oder Glasboden, die groß genug ist, um den Boden dünn auszubreiten (mindestens 20 cm Durchmesser). Schütteln Sie die Pfanne vorsichtig horizontal, um den Boden gleichmäßig in einer möglichst dünnen Schicht zu verteilen.

2. Laden Sie eine elektrostatische Oberfläche auf

1. Halten Sie eine Glas- oder Polystyrol-Petrischale mit einem Durchmesser von 100 mm oben oder unten in einer Hand und reiben Sie die Außenfläche mehrmals mit einem sauberen Stück Nylontuch, Baumwolltuch oder Polystyrolschaum kräftig ein. Führen Sie die Oberflächenladung von der Probe weg durch, um zu verhindern, dass Gewebefragmente in die Probe eingebracht werden.
2. Überprüfen Sie die Oberfläche der Petrischale, um sicherzustellen, dass sie sauber ist.

3. Entfernen Sie organische Partikel

1. Senken Sie die geladene Oberfläche auf 0,5 cm bis 2 cm über den Boden und bewegen Sie sie horizontal, um so viel Partikelmaterial wie möglich aufzunehmen. Die Anziehungskraft auf die Oberfläche kann visuell und hörbar festgestellt werden.
2. Wenn die Petrischale keine zusätzlichen Partikel mehr anzieht, bewegen Sie die Schale von der Probe weg.

4. Reinigen Sie die elektrostatische Oberfläche

1. Halten Sie die geladene Oberfläche über eine Auffangschale und übertragen Sie das elektrostatisch angezogene Material mit einer feinen Bürste von der Petrischalenoberfläche in die Auffangschale. Eine Kamelhaarbürste funktioniert gut.

5. Wiederholen, bis die Partikelausbeute abnimmt

1. Wiederholen Sie die Schritte 2 bis 4, bis die Anzahl der aufgenommenen organischen Substanzpartikel abnimmt. Verteilen Sie die Bodenprobe durch horizontales Schütteln der Bodenpfanne, um neues Material an der Oberfläche freizulegen und die elektrostatische Sammlung fortzusetzen.
   HINWEIS: Der Endpunkt ist willkürlich und hängt vom Urteil des Forschers ab. Die Inspektion der geladenen Oberfläche nach Der Exposition gegenüber dem Boden gibt einen visuellen Hinweis darauf, ob noch eine signifikante Menge organischer Partikel aus dem Boden entfernt wird. Die Endprodukte sind Böden mit reduziertem Partikelgehalt und konzentriertes POM, das eine kleine Menge elektrostatisch entfernten Bodens enthält.

Die hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf der Analyse von Schlufflehmböden aus landwirtschaftlichen Standorten im pazifischen Nordwesten (Tabelle 1). Die Böden wurden bis zu einer Tiefe von 0-20 cm oder 0-30 cm gesammelt, bei 40 °C getrocknet, durch ein 2 mm-Sieb geleitet und mit einer mit einem Nylontuch aufgeladenen Polystyroloberfläche behandelt.

Die Menge an Elektrostatisch aus einer Probe entnommenem Boden variierte. Etwa 1 % bis 6 % der gesamten Bodenmasse wurden entfernt (Tabelle 2). In allen Fällen war der Anteil der insgesamt entnommenen Probe C größer als die entfernte Bodenmasse. Auch die C-Konzentration und das C:N-Verhältnis der elektrostatisch entfernten Bodenfraktion waren immer größer als der verbleibende Boden. Diese Faktoren deuten darauf hin, dass die Methode die Menge an unvollständig zersetzten organischen Substanzen reduzierte.

Die Umgebungsbedingungen und die Kombination der Materialien, die zur Herstellung der geladenen Oberfläche verwendet wurden, beeinflussten die Ergebnisse (Tabelle 3). Es wird erwartet, dass die elektrostatische Entfernungsmethode in einer feuchteren Laborumgebung aufgrund geringerer Oberflächenladungen weniger effektiv ist. Alle Materialien sollten für den elektrostatischen Prozess so trocken wie möglich sein. Nylon ist ein gutes Material für elektrostatische Aufladung, da es fusselfrei ist und bei Verwendung mit Polystyrol-Petrischalen eine der größten elektrostatischen Aufladungen erzeugen sollte12. Alternativ funktionieren einige Arten von Polystyrolschaum gut in Kombination mit Glas. Die Kombination aus Glasschale und Polystyrolschaum entfernte eine größere Menge an Erde und C als entweder Glas (Schüssel) / Baumwolle oder Polystyrol (Schüssel) / Nylon-Kombinationen.

Unabhängig von den Materialien, die für die Oberflächenbeladung verwendet wurden, entfernte die elektrostatische Behandlung einen größeren Anteil von C aus dem Boden und erzeugte eine Probe mit einem niedrigeren C: N-Verhältnis im Vergleich zur Zette / Winnowing-Methode, obwohl die Unterschiede nur bei Glas / Schaum signifikant waren. Im Vergleich dazu war die Flotation wirksamer als die elektrostatische Behandlung, um konzentriertes partikelförmiges C aus der Probe zu entfernen, wie durch das niedrigste C: N-Verhältnis der verbleibenden Probe und das größte C: N der entfernten Fraktion festgestellt wurde.

Die elektrostatische Behandlung kann mehrmals wiederholt werden, obwohl die Behandlungen beginnen, größere Anteile des Bodens zu entfernen, da die Mengen an Partikeln, die von der Telleroberfläche angezogen werden, abnehmen. Die Wirkungen der Behandlungsendpunkte wurden untersucht, indem eine Reihe von drei elektrostatischen Proben nacheinander aus derselben Bodenprobe entnommen wurde (Tabelle 4). Die erste Behandlung sammelte die größte Menge an C und obwohl die folgenden beiden Behandlungen weniger gesammelt wurden, waren beide im Vergleich zum verbleibenden Boden immer noch stark mit C angereichert. Das C:N-Verhältnis verringerte sich in der entfernten Fraktion, was darauf hindeutet, dass mit jedem nachfolgenden Schritt größere Anteile von Boden zu POM entfernt wurden.

Bei der Durchführung des ES-Verfahrens mit einer Polystyrol-Petrischale waren Kratzer auf der Oberfläche der Polystyrolschale sichtbar, was auf die Möglichkeit hindeutet, dass C aus der Kunststoffschale die Bodenproben kontaminieren könnte. Wenn die ES-Behandlung auf gewaschenem, C-freiem Sand mit einer Polystyrolschale durchgeführt wurde, gab es auch nach vier wiederholten Behandlungen mit derselben ES-Fraktion kein nachweisbares C in ES-Fraktionen (Daten nicht gezeigt).

Schließlich wurde die Menge an partikulärem Material, die elektrostatisch aus der feinen schlickgroßen Fraktion entfernt werden konnte, die durch ein 53 μm-Sieb ging, an fünf Schlicklehmböden getestet (Tabelle 5). Die elektrostatisch entfernten Fraktionen zeigten eine sehr geringe Anreicherung von organischem Feinstaub. Die mikroskopische Untersuchung zeigt, dass POM im <53 μm-Anteil dieser Böden vorhanden ist (Abbildung 1), jedoch in sehr geringen Mengen. Wenn die feine Bodenfraktion (d. h. <53 μm) sehr wenig POM enthält, kann diese Fraktion vor der elektrostatischen Behandlung entfernt werden, um die menge des zu behandelnden Bodens zu reduzieren. Sieben Sie den Boden über ein sehr feines Sieb, z.B. 53 μm. Entfernen Sie die Erde von der Oberseite des Siebes und legen Sie sie für die elektrostatische Behandlung in das Tablett oder verwenden Sie einfach das Sieb als Tablett zum Verteilen der Probe. Die feine Fraktion (durch das Sieb geleiteter Boden) wird vor der chemischen Analyse in den elektrostatisch behandelten Boden zurückgefüllt.

Tabelle 1: Geprüfte Böden. Liste der Proben, die zum Vergleich des elektrostatischen Prozesses zur Entfernung organischer Partikel verwendet wurden.

Tabelle 2: Repräsentative Entfernungsraten. Die Bodenmenge in der elektrostatisch entfernten Fraktion (Entfernt) und die verbleibende Bodenfraktion reduziert in Partikeln (Rest) als Anteil an der Gesamtprobenmasse und als Anteil an der Gesamtprobe C. Ebenfalls angegeben sind die Konzentrationen von C, N und C:N. Das geschätzte POM C:N ergibt das berechnete C:N der entfernten Fraktion über die Konzentrationen im Rest hinaus, was vermutlich das C:N des entfernten POM ist. Zahlen in Klammern sind Standardfehler des Mittelwerts. Die Varianzanalyse ergab, dass Removed sowohl für C als auch für C:N größer als Der Rest war (p > F von weniger als 0,0001). Replikate gibt die Anzahl der Beispiel-Replikate pro Wert an. Die elektrostatische Trennung wurde mit einer mit Nylontuch aufgeladenen Polystyrolschale nach dem Aussieben der feinen Fraktion (<53 μm) durchgeführt.

Tabelle 3: Technikvergleich. Entfernung von organischem Feinstaub aus dem Thatuna-Boden durch elektrostatische Anziehung (ES), manuelle Entfernung von sichtbaren Partikeln mit Einerzette und Luft (Zette/Winnow) und Flotation auf Natriumiodidlösung bei 1,7 g cm-3. Die elektrostatische Anziehung wurde mit einer Polystyrolschale durchgeführt, die mit einem Nylontuch aufgeladen war, oder einer Glasoberfläche, die mit einem Baumwolltuch oder Polystyrolschaum aufgeladen war. Glas/Schaum wurde auch unter befeuchteten Bedingungen getestet. Die manuelle Entfernung von Partikeln wurde durchgeführt, indem luftbehutsam über die Oberfläche eines dünn verteilten Bodens geblasen wurde, um sie zur Seite zu bewegen und die sichtbaren Rückstände mit einer Zette zu entfernen. Die Daten sind der Mittelwert von sechs Replikaten. Die Mittel, denen ein gemeinsamer Buchstabe folgt, unterscheiden sich laut Tukey-Test bei der Signifikanzebene von 5% nicht signifikant.

Tabelle 4: Untersuchung der Endpunkte. Ergebnisse von drei aufeinanderfolgenden elektrostatischen Behandlungen zur Entfernung von organischem Feinstaub. Durchschnittlich drei Proben aus dem Thatuna-Boden und jeweils eine aus den Ritzville-R-, Ritzville-E-, Walla Walla-M-Böden. Die Bodenfraktion, die durch ein 53 μm-Sieb ging, wurde vor der elektrostatischen Behandlung entfernt und separat analysiert. Die Daten sind der Mittelwert der sechs Analysen mit dem Standardfehler in Klammern. Die Analyse der Varianz ergab p = 0,06 sowohl für C als auch für geschätzte POM C:N. Buchstaben in der Spalte C:N zeigen signifikante Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Behandlungen bei p < 0,05.

Tabelle 5: Feinstaub in der feinen Bodenfraktion. Test der elektrostatischen Partikelentfernung an der Feinfraktion (<53 μm) von fünf Bodenproben aus Weizenanbausystemen. Eine Varianzanalyse von Removed versus Remainder war für C und C:N nicht signifikant. Der Unterschied in C:N war in den entfernten Brüchen nicht durchweg größer.

Abbildung 1: Visuelle Identifizierung organischer Partikel. Mikroskopische Aufnahmen des NT-AW-Bodens als (A) ganzer Boden, (B) entfernter Fraktion auf der geladenen Polystyroloberfläche, (C) <53 μm Bodenfraktion und (D) Material, das an die Oberfläche einer Wasseraufschlämmung des <53 μm Fraktionsbodens schwebte. Die Bilder wurden mit 50-facher oder 100-facher Vergrößerung aufgenommen. Bilder, die über mehrere verschiedene Schwerpunkte gesammelt wurden, wurden in der ImageJ-Software13 mit dem Stack Focuser-Plugin (https://imagej.nih.gov/ij/plugins/stack-focuser.html) kombiniert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Autoren haben nichts preiszugeben.