Kohlenstoff und Stickstoff-Analyse von Umweltproben

Die Analyse der Mengen an Kohlenstoff und Stickstoff in Umweltproben - ein Prozess, der als "Elementaranalyse" bezeichnet wird - liefert wichtige Einblicke in die ökologischen Eigenschaften der Umwelt.

Kohlenstoff und Stickstoff sind zwei der wichtigsten Elemente für das Leben. Kohlenstoff ist die Grundlage für organische Verbindungen, die die Grundlage aller Lebewesen bilden, und eignet sich besonders gut als Maß für Moleküle wie Kohlenhydrate, die primäre Energiequelle für Organismen. Auf der anderen Seite kommt Stickstoff in Molekülen wie Nukleinsäuren und Aminosäuren vor. Diese dienen jeweils als genetisches Material und als Bausteine der Proteine, die von Organismen für Struktur und Funktion verwendet werden.

Da diese verschiedenen Klassen organischer Moleküle unterschiedliche biologische Rollen haben, benötigen Organismen sie in unterschiedlichen Mengen. Zum Beispiel benötigen Mikroorganismen im Boden typischerweise Nahrungsquellen mit einem C:N-Verhältnis von 24:1. Da verschiedene Pflanzenreste unterschiedliche C:N-Verhältnisse haben, die von 13:1 (wie Luzerne) bis 57:1 reichen, wie z. B. bei Mais, werden sie von Mikroben unterschiedlich schnell und in unterschiedlichem Ausmaß zersetzt, was sich wiederum darauf auswirkt, wie Nährstoffe in den Boden zurückgeführt werden.

In diesem Video werden die Prinzipien der Analyse der elementaren Zusammensetzung von Kohlenstoff und Stickstoff vorgestellt. ein Protokoll für die Durchführung von Elementaranalysen an Bodenproben; und schließlich einige Anwendungen dieser Analysemethode in der Umweltforschung.

Die Elementaranalyse kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, z. B. durch die Verwendung spezifischer chemischer Reaktionen, an denen oft starke Säuren beteiligt sind, was zu charakteristischen Produkten führt, die nachgewiesen werden können. Eine wesentliche Verbesserung der Methodik der Elementaranalyse war die Entwicklung der Flash-Verbrennungstechnik, die den Einsatz gefährlicher Chemikalien überflüssig machte, den Prozess stark vereinfachte und beschleunigte und eine Automatisierung ermöglichte.

Die Grundlage der auf Blitzverbrennung basierenden Elementaranalyse besteht darin, die Probe in einer "Oxidationskammer" zu oxidieren, indem sie in Gegenwart von Sauerstoff bei hohen Temperaturen von etwa 1.000 ? C in Gegenwart eines Katalysators, der die Reaktion beschleunigt. Dabei wird der Kohlenstoff in der Probe in Kohlendioxidgas und der Stickstoff in Stickoxid und Stickstoffgase umgewandelt. Ein inertes "Trägergas" wie Helium wird dann verwendet, um diese Verbrennungsprodukte in eine "Reduktionskammer" mit Kupferfüllung zu transportieren, wo die Stickoxide weiter in Stickstoffgas umgewandelt werden. Überschüssiger Wasserdampf wird durch Filtration mit einem Trockenmittel wie Magnesiumperchlorat aus dem Gasgemisch entfernt.

Die Flash-Verbrennungsprodukte können dann durch Gaschromatographie getrennt werden, bei der die Gasmoleküle durch einen Schlauch strömen, der als Säule bezeichnet wird und eine dünne Schicht aus Flüssigkeit oder Polymer enthält. Die Gase lösen und verdampfen auf ihrem Weg durch die Säule immer wieder aus diesem Substrat, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die davon abhängt, wie stark die Moleküle mit dem Substrat und dem Trägergas interagieren. Eine Spezies, die mehr Zeit im Substrat gelöst verbringt, bewegt sich langsamer durch die Säule, wodurch die Gase differenziert werden können.

Sobald sie die Säule verlassen, können die Gase identifiziert werden, indem man zum Beispiel erkennt, wie gut sie Wärme leiten, eine Eigenschaft, die als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet wird. Durch die Darstellung der Zeit, die jedes Gas benötigt, um durch die Spule zu wandern, erhalten die Wissenschaftler ein "Chromatogramm" mit Peaks, die jedes Gas darstellen. Durch die Berechnung der detektierten Mengen an Kohlendioxid und Stickstoffgasen anhand der Fläche unter den jeweiligen Peaks kann dann das C:N-Verhältnis in der ursprünglichen Probe abgeleitet werden.

Nachdem Sie nun die Prinzipien der Kohlenstoff- und Stickstoff-Elementaranalyse mit der Flash-Verbrennungsmethode verstanden haben, gehen wir ein Protokoll für die Durchführung mit einem automatisierten Elementaranalysator durch.

Um die Bodenproben für die Analyse vorzubereiten, trocknen Sie die Proben zunächst in einem 60 ? C Backofen für 48 h. Geben Sie dann die getrocknete Erde durch ein 2 x 2 mm großes Sieb und entsorgen Sie alle Bodenpartikel, die nicht durchkommen. Als nächstes mahlen Sie mit einer Kugelmühle ca. 5 g des Bodens 2 Minuten lang, um ein homogenes Pulver herzustellen. Geben Sie die gemahlene Erde in einen kleinen Behälter, z. B. ein Polyethylenfläschchen, und bewahren Sie sie bis zur Verwendung in einem Exsikkator auf.

Stellen Sie die Analyseparameter am Elementaranalysator gemäß den Anweisungen des Herstellers ein. Dazu gehören die Temperaturen des Oxidationsofens, des Reduktionsofens und des Gaschromatographie-Ofens, die Durchflussrate des Trägergases, die Sauerstoffinjektionsrate, die Durchflussrate des Referenzgases, die Zykluslaufzeit, die Verzögerung zwischen Probentropfen und Sauerstoffinjektion in die Oxidationskammer sowie die Dauer der Sauerstoffinjektion.

Um die Zusammensetzung der Probe quantitativ zu bestimmen, wird zunächst eine Standardkurve unter Verwendung unterschiedlicher Mengen einer Verbindung bekannter Zusammensetzung, wie z. B. Asparaginsäure, erstellt.

Entfernen Sie dazu zunächst mit einer Pinzette eine Probenhaltescheibe aus einer Packung und formen Sie sie mit der speziellen Siegelvorrichtung in eine Becherform. Vermeiden Sie es, die Zinnscheibe mit den Fingern zu berühren, da dies zum Übertragen von Ölen auf die Scheibe führen kann.

Stellen Sie nun den Zinnbecher auf eine Mikrowaage und stellen Sie die Taramasse ein. Nehmen Sie den Blechbecher heraus und geben Sie dann mit einem Mikrospatel etwa 1 mg des Asparaginsäurestandards in den Becher. Wiegen Sie den Becher und notieren Sie die Masse. Verschließen Sie dann den Blechbecher und stellen Sie ihn in den Autosampler, der jede Probe automatisch in die Reaktionskammer abgibt.

Wiederholen Sie die obigen Schritte für mehrere Mengen des Standards. Legen Sie dann alle Standards in den Autosampler.

Geben und wiegen Sie die Bodenproben in Blechbechern ähnlich wie bei den Standards, wobei ca. 50 mg jeder homogenisierten Bodenprobe verwendet werden. Jede Probe wird in dreifacher Ausfertigung vorbereitet.

Sobald alle Proben in den Autosampler gegeben wurden und die entsprechenden Temperaturen im Gerät erreicht wurden, stellen Sie die Messungen auf Lauf ein. Die Gerätesoftware erstellt ein Chromatogramm für jeden Standard und jede Probe.

Abhängig von den verwendeten Parametern sollte der Peak für Stickstoffgas bei etwa 110 s auf dem Chromatogramm liegen, während der Kohlendioxid-Peak bei etwa 190 s detektiert wird. Standardkurven werden mit Asparaginsäure erstellt, die ein Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis von 4 zu 1 hat. Mit diesem Wissen und der Konzentration jedes Standards kann die Fläche unter jedem Peak zur Berechnung der Menge an Stickstoff und Kohlenstoff in jeder Probe verwendet werden.

Basierend auf der Masse der Originalprobe können der prozentuale Stickstoff- und der prozentuale Kohlenstoffgehalt jeder Probe berechnet werden. In dieser Demonstration wurde festgestellt, dass das C:N-Verhältnis dieser Bodenprobe etwa 13:1 beträgt, was niedriger ist als das Verhältnis von 14,25:1, das normalerweise für Böden unter offenen Wäldern gefunden wird, und ein Hinweis auf Wälder, die von invasiven Sanddornbäumen dominiert werden.

Die Analyse des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts kann nicht nur auf den Boden, sondern auch auf eine Vielzahl von Umweltproben angewendet werden und hat breite Anwendung in der Umweltforschung.

In diesem Beispiel sammelten die Forscher Wasserproben aus verschiedenen marinen Lebensräumen, wie zum Beispiel Korallenriffen. Um die Verfügbarkeit von organischen Nährstoffen für marine mikrobielle Gemeinschaften zu verstehen, wurden verschiedene chemische Parameter gemessen, darunter Kohlenstoff- und Stickstoff-Elementaranalysen. Der Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff wurde direkt aus der Wasserprobe gemessen, während organische Partikel aus dem Wasser gefiltert und analysiert wurden.

Die Elementaranalyse kann auch verwendet werden, um den Nährstoffverlust im Abfluss aus der Bewässerung von Stadtlandschaften und Rasenflächen zu überwachen, der die Wasserversorgung verschmutzen kann. Hier richten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Versuchsflächen ein, um Stadtlandschaften zu simulieren und diesen Prozess besser zu verstehen. Eine Vielzahl chemischer Tests wurde verwendet, um bestimmte Nährstoffe wie Nitrate und Ammoniak im gesammelten Abfluss zu analysieren, und die verbrennungsbasierte Elementaranalyse wurde verwendet, um den Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff und Stickstoff zu messen.

Schließlich ergab die Analyse des C:N-Verhältnisses in pflanzenfressenden Kadavern einen interessanten Zusammenhang zwischen dem Prädationsrisiko und der Zersetzungsrate im Boden. In dieser Studie wurden Heuschrecken mit oder ohne das Risiko einer Fressfeindschaft durch Spinnen aufgezogen. Die Kadaver dieser Heuschrecken wurden dann in Erdparzellen zersetzen gelassen, und später wurden Pflanzenreste zur Zersetzung in den Boden gegeben.

Die Elementaranalyse zeigte ein leicht erhöhtes C:N-Verhältnis bei Heuschrecken, die mit Prädationsrisiko aufgezogen wurden, was jedoch wiederum zu einer signifikant verringerten Zersetzungsrate im Boden führte, in dem die gestresste Heuschrecke zersetzt wurde, was auf eine unerwartete komplexe Dynamik im Nährstoffkreislauf des Ökosystems hinweist.

Sie haben gerade das Video von JoVE über die Kohlenstoff- und Stickstoffanalyse von Umweltproben gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien hinter dieser Analysemethode verstehen. wie man es mit einem Elementaranalysator für die Blitzverbrennung durchführt; und einige seiner Anwendungen in den Umweltwissenschaften. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!