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L’analyse des quantités de carbone et d’azote dans les échantillons environnementaux - un processus connu sous le nom d'"analyse élémentaire » - fournit des informations importantes sur les propriétés écologiques de l’environnement.
Le carbone et l’azote sont deux des éléments les plus importants pour la vie. Le carbone est la base des composés organiques qui constituent la base de tous les êtres vivants, et est particulièrement utile comme mesure pour des molécules telles que les glucides, la principale source d’énergie des organismes. D’autre part, l’azote se trouve dans des molécules telles que les acides nucléiques et aminés. Ceux-ci servent, respectivement, de matériel génétique et d’éléments constitutifs des protéines utilisées par les organismes pour la structure et la fonction.
Parce que ces différentes classes de molécules organiques ont des rôles biologiques différents, les organismes en ont besoin à des quantités différentes. Par exemple, les micro-organismes dans le sol ont généralement besoin de sources de nourriture avec un rapport C :N de 24:1. Parce que différents résidus végétaux ont des rapports C :N différents qui vont de 13:1, comme la luzerne, à 57:1, comme dans le maïs, ils seront décomposés par les microbes à des rythmes différents et à des degrés divers, ce qui affectera à son tour la façon dont les nutriments sont retournés au sol.
Cette vidéo présentera les principes d’analyse de la composition élémentaire du carbone et de l’azote ; un protocole pour effectuer l’analyse élémentaire sur des échantillons de sol ; et enfin, quelques applications de cette méthode d’analyse à la recherche environnementale.
L’analyse élémentaire peut être effectuée de plusieurs façons, telles que l’utilisation de réactions chimiques spécifiques, impliquant souvent des acides forts, ce qui permet d’obtenir des produits caractéristiques qui peuvent être détectés. Une amélioration majeure de la méthodologie d’analyse élémentaire a été la mise au point de la technique de combustion éclair, qui a éliminé la nécessité d’utiliser des produits chimiques dangereux, simplifié et accéléré considérablement le processus et permis l’automatisation.
La base de l’analyse élémentaire par combustion flash est d’oxyder l’échantillon dans une « chambre d’oxydation », en le brûlant en présence d’oxygène à des températures élevées d’environ 1 000 ? C en présence d’un catalyseur, ce qui accélère la réaction. Cela convertit le carbone de l’échantillon en dioxyde de carbone gazeux, et l’azote en oxyde d’azote et en gaz azoté. Un « gaz vecteur » inerte tel que l’hélium est ensuite utilisé pour transporter ces produits de combustion vers une « chambre de réduction » remplie de cuivre, où les oxydes d’azote sont ensuite convertis en azote gazeux. L’excès de vapeur d’eau est éliminé du mélange gazeux par filtration avec un déshydratant tel que le perchlorate de magnésium.
Les produits de combustion éclair peuvent ensuite être séparés par chromatographie en phase gazeuse, au cours de laquelle les molécules de gaz passent à travers un tube, appelé colonne, contenant une fine couche de liquide ou de polymère. Les gaz se dissolvent et se vaporisent à plusieurs reprises de ce substrat lorsqu’ils traversent la colonne, à des vitesses qui dépendent de la force avec laquelle les molécules interagissent avec le substrat et le gaz vecteur. Une espèce qui passe plus de temps dissoute dans le substrat se déplacera plus lentement dans la colonne, permettant ainsi aux gaz d’être différenciés.
Une fois qu’ils sortent de la colonne, les gaz peuvent être identifiés, par exemple, en détectant la façon dont ils conduisent la chaleur, une propriété connue sous le nom de conductivité thermique. En traçant le temps qu’il faut à chaque gaz pour traverser la bobine, les scientifiques obtiennent un « chromatogramme » avec des pics qui représentent chaque gaz. En calculant les quantités détectées de dioxyde de carbone et d’azote à l’aide de la zone sous les pics respectifs, le rapport C :N dans l’échantillon d’origine peut ensuite être déduit.
Maintenant que vous comprenez les principes de l’analyse élémentaire du carbone et de l’azote à l’aide de la méthode de combustion éclair, passons en revue un protocole pour effectuer cette opération à l’aide d’un analyseur élémentaire automatisé.
Pour préparer les échantillons de sol à l’analyse, il faut d’abord les sécher dans un récipient de 60 ? C four pendant 48 h. Ensuite, passez le sol séché dans un tamis de 2 x 2 mm et jetez toute particule de sol qui ne passe pas. Ensuite, à l’aide d’un broyeur à boulets, broyez environ 5 g de terre pendant 2 minutes pour obtenir une poudre homogène. Mettez la terre broyée dans un petit récipient tel qu’un flacon en polyéthylène et stockez-la dans un dessiccateur jusqu’au moment de l’utiliser.
Réglez les paramètres d’analyse sur l’analyseur élémentaire conformément aux instructions du fabricant. Il s’agit notamment des températures du four d’oxydation, du four de réduction et du four de chromatographie en phase gazeuse, du débit du gaz vecteur, du débit d’injection d’oxygène, du débit du gaz de référence, de la durée du cycle, du délai entre la chute de l’échantillon et l’injection d’oxygène dans la chambre d’oxydation et de la durée de l’injection d’oxygène.
Afin de déterminer quantitativement la composition de l’échantillon, une courbe standard est d’abord créée en utilisant différentes quantités d’un composé de composition connue, tel que l’acide aspartique.
Pour ce faire, utilisez d’abord une pince pour retirer un disque de maintien d’échantillon en étain d’un emballage et moulez-le en forme de tasse à l’aide du dispositif de scellage spécialisé. Évitez de toucher le disque d’étain avec vos doigts, car cela pourrait entraîner le transfert d’huiles sur le disque.
Maintenant, placez le gobelet d’étain sur une microbalance et réglez la masse de tare. Retirez le gobelet d’étain, puis utilisez une microspatule pour placer environ 1 mg de l’étalon d’acide aspartique dans le gobelet. Pesez la tasse et notez la masse. Ensuite, scellez le gobelet d’étain et placez-le dans l’échantillonneur automatique, qui livrera automatiquement chaque échantillon dans la chambre de réaction.
Répétez les étapes ci-dessus pour plusieurs quantités de la norme. Ensuite, placez tous les étalons dans l’échantillonneur automatique.
Distribuer et peser les échantillons de sol dans des gobelets en étain de la même manière que les normes, en utilisant environ 50 mg de chaque échantillon de sol homogénéisé. Préparez chaque échantillon en trois exemplaires.
Une fois que tous les échantillons sont placés dans l’échantillonneur automatique et que les températures appropriées ont été atteintes dans l’instrument, réglez les mesures pour qu’elles s’exécutent. Le logiciel de l’instrument produira un chromatogramme pour chaque étalon et échantillon.
Selon les paramètres utilisés, le pic d’azote gazeux doit être d’environ 110 s sur le chromatogramme, tandis que le pic de dioxyde de carbone est détecté d’environ 190 s. Les courbes standard sont générées avec l’acide aspartique, qui a un rapport carbone/azote de 4 à 1. Grâce à ces connaissances, ainsi qu’à la concentration de chaque étalon, la zone sous chaque pic peut être utilisée pour calculer la quantité d’azote et de carbone dans chaque échantillon.
Sur la base de la masse de l’échantillon d’origine, le pourcentage d’azote et le pourcentage de carbone de chaque échantillon peuvent être calculés. Dans cette démonstration, le rapport C :N de cet échantillon de sol s’est avéré être d’environ 13:1, ce qui est inférieur au rapport de 14,25:1 habituellement trouvé pour le sol sous des boisés ouverts et indique que les bois sont dominés par le nerprun européen envahissant.
L’analyse de la teneur en carbone et en azote peut être appliquée à une variété d’échantillons environnementaux en plus du sol, et a de nombreuses applications dans la recherche environnementale.
Dans cet exemple, les chercheurs ont collecté des échantillons d’eau de divers habitats marins, tels que les récifs coralliens. Pour comprendre la disponibilité des nutriments organiques pour les communautés microbiennes marines, divers paramètres chimiques ont été mesurés, notamment l’analyse élémentaire du carbone et de l’azote. Les niveaux de carbone organique dissous ont été mesurés directement à partir de l’échantillon d’eau, tandis que la matière organique particulaire a été filtrée de l’eau et analysée.
L’analyse élémentaire peut également être utilisée pour surveiller la perte de nutriments dans les eaux de ruissellement provenant de l’irrigation des paysages urbains et des pelouses, ce qui peut polluer les réserves d’eau. Ici, les scientifiques ont mis en place des parcelles d’essai pour simuler des paysages urbains et mieux comprendre ce processus. Divers tests chimiques ont été utilisés pour analyser des nutriments spécifiques tels que les nitrates et l’ammoniac dans les eaux de ruissellement recueillies, et l’analyse élémentaire basée sur la combustion a été utilisée pour mesurer les niveaux de carbone organique dissous et d’azote.
Enfin, l’analyse du rapport C :N dans les carcasses d’herbivores a révélé un lien intéressant entre le risque de prédation et le taux de décomposition dans le sol. Dans cette étude, les sauterelles ont été élevées avec ou sans risque de prédation par les araignées. Les carcasses de ces sauterelles ont ensuite été laissées se décomposer dans des parcelles de sol, et des détritus végétaux ont ensuite été ajoutés au sol pour se décomposer.
L’analyse élémentaire a montré une légère augmentation du rapport C :N chez les sauterelles élevées avec un risque de prédation, mais cela a entraîné une diminution significative du taux de décomposition dans le sol dans lequel la sauterelle stressée était décomposée, ce qui indique une dynamique complexe inattendue dans le cycle des nutriments de l’écosystème.
Vous venez de regarder la vidéo de JoVE sur l’analyse du carbone et de l’azote des échantillons environnementaux. Vous devriez maintenant comprendre les principes qui sous-tendent cette méthode d’analyse ; comment l’effectuer à l’aide d’un analyseur élémentaire à combustion flash ; et certaines de ses applications en sciences de l’environnement. Comme toujours, merci d’avoir regardé !
