Metodo elettrostatico per rimuovere il particolato organico dal suolo

Stime accurate del carbonio organico del suolo (SOC) sono importanti per valutare i cambiamenti derivanti dalla gestione agricola o dall'ambiente. Il particolato organico (POM) ha importanti funzioni nell'ecologia e nella fisica di un suolo, ma è spesso di breve durata e varia in base a diversi fattori tra cui stagione, condizioni di umidità, aerazione, tecniche di raccolta dei campioni, gestione recente del suolo, ciclo di vita della vegetazione e altri¹. Queste fonti temporaneamente instabili possono confondere le stime delle tendenze a lungo termine in carbonio organico del suolo stabile e veramente sequestrato².

Nonostante sia ben definito, comune e importante, il POM non è facilmente separato dal suolo né è facile da misurare quantitativamente. Il particolato organico è stato misurato come quello che galleggia nei liquidi (frazione leggera, tipicamente 1,4-2,2 g cm^-3), o come quello che può essere separato per dimensione (ad esempio, > 53-250 μm o > 250 μm), o una combinazione dei^{due 3,4,5}. Sia le tecniche basate sulle dimensioni che su densità possono influenzare i risultati quantitativi e chimici della misurazione pom⁴. Un'attenta ispezione visiva del terreno che è stato frazionato di dimensioni utilizzando metodi di routine rivela spesso strutture lunghe e strette come radici e frammenti di foglie o steli che sono passati attraverso lo schermo. La semplice rimozione di queste strutture a mano ha dimostrato di ridurre sostanzialmente le misurazioni del SOC^{totale 2},^{6, ma} il metodo è notevolmente soggetto alla diligenza e all'acuità visiva dell'operatore. La separazione del POM da un campione di terreno come frazione leggera durante la flottazione in un liquido^{denso 7} non cattura tutti i POM e l'eccessivo scuotimento durante il processo di flottazione può effettivamente ridurre la quantità di frazione leggera recuperata da un^{campione 8}. La flottazione richiede molti passaggi ed espone il terreno a soluzioni chimiche che possono cambiare le caratteristiche chimiche o sciogliere e rimuovere i costituenti che possono essere di interesse⁴.

Metodi alternativi per rimuovere il POM sono stati utilizzati per evitare o aumentare l'uso di soluzioni acquose dense. Kirkby, et^al. Winnowing è stato eseguito passando una leggera corrente d'aria attraverso un sottile strato di terreno per sollevare delicatamente la luce dalla frazione pesante. Il setaccio/winnowing a secco si è svolto in modo simile ai due metodi di flottazione per quanto riguarda il contenuto di C, N, P e S; tuttavia, gli autori suggeriscono che il setaccio/winnowing secco produceva terreni "leggermente più puliti"⁶. Pom è stato anche separato dal suolo utilizzando l'attrazione^{elettrostatica 10,11} in cui le particelle organiche sono isolate passando una superficie carica elettrostatica sopra il suolo. Il metodo di attrazione elettrostatica ha recuperato con successo pom, indicato come particelle organiche di corso, da terreni essiccati setacciati (> 0,315 mm) con ripetibilità statistica paragonabile ad altri metodi di frazionamento delle dimensioni e della densità¹⁰.

Qui dimostriamo come l'attrazione elettrostatica può essere utilizzata per rimuovere pom di dimensioni che vanno dal visibile al microscopico. A differenza di altri metodi riportati, l'attrazione elettrostatica del terreno fine rimuove anche una piccola porzione di terreno minerale e aggregato che è visibilmente come il suolo rimanente. Alla base dei nostri risultati finora ottenuti, è ragionevole presumere che l'eliminazione di una piccola porzione di suolo non POM non avrà alcun effetto sostanziale sulle analisi a valle; tuttavia, questa ipotesi dovrebbe essere verificata per un terreno specifico se grandi proporzioni del campione totale di suolo vengono rimosse elettrostaticamente. I metodi e gli esempi qui forniti sono stati eseguiti su terreni di loess di loess di limo provenienti da un ambiente semi-arido.

Questo metodo potrebbe non essere adatto a tutti i tipi di terreno, ma ha il vantaggio di essere rapido ed efficiente nel rimuovere il particolato organico troppo piccolo per essere rimosso manualmente o da una corrente d'aria. La velocità del processo è importante per ridurre l'affaticamento, garantire la coerenza e incoraggiare una maggiore replicazione per una migliore accuratezza delle conclusioni. Inoltre, la capacità di rimuovere particelle molto piccole è importante per evitare distorsioni verso terreni con dimensioni di particolato più grandi piuttosto che piccole.

1. Preparazione del suolo

1. Raccogliere campioni di terreno alla profondità desiderata. Asciugare accuratamente il terreno a 40 °C o seguendo protocolli standard specifici del laboratorio.
2. Setacciare il terreno attraverso setacci di terreno di dimensioni appropriate per ottenere circa 10-25 g di terreno setacciato. Molti studi usano un setaccio da 1 o 2 mm. La quantità di terreno si basa sulla massa richiesta per le analisi a valle e avrà un impatto sul numero di volte in cui la fase di rimozione elettrostatica dovrà essere ripetuta.
3. Posizionare il terreno in una padella pulita, asciutta, a fondo piatto o in vetro abbastanza grande da poter distribuire il terreno sottile (almeno 20 cm di diametro). Agitare delicatamente la padella orizzontalmente per distribuire il terreno in modo uniforme in uno strato il più sottile possibile.

2. Caricare una superficie elettrostatica

1. Tenere un bicchiere di 100 mm di diametro o un piano petri in polistirolo in una mano e strofinare vigorosamente la superficie esterna con un pezzo pulito di stoffa di nylon, stoffa di cotone o schiuma di polistirolo più volte. Eseguire la ricarica superficiale lontano dal campione per evitare l'introduzione di frammenti di tessuto nel campione.
2. Ispezionare la superficie della piastra di Petri per assicurarsi che sia pulita.

3. Rimuovere il particolato organico

1. Abbassare la superficie carica entro 0,5 cm a 2 cm sopra il terreno e spostarla orizzontalmente per raccogliere il minor materiale particolato possibile. L'attrazione per la superficie può essere notata visivamente e udibile.
2. Quando la piastra di Petri non attira più particelle aggiuntive, allontanare la piastra dal campione.

4. Pulire la superficie elettrostatica

1. Tenere la superficie carica su una piastra di raccolta e utilizzare un pennello fine per trasferire il materiale elettrostaticamente attratto dalla superficie della piastra di Petri nella piastra di raccolta. Una spazzola per capelli in cammello funziona bene.

5. Ripetere fino a quando la resa del particolato diminuisce

1. Ripetere i passaggi da 2 a 4 fino a quando il numero di particelle di materia organica prelevate diminuisce. Ridistribuire il campione di terreno mediante scuotimento orizzontale della padella del suolo per esporre nuovo materiale in superficie e continuare la raccolta elettrostatica.
   NOTA: L'endpoint è arbitrario e dipende dal giudizio del ricercatore. L'ispezione della superficie carica dopo l'esposizione al suolo fornisce un'indicazione visiva se una quantità significativa di particelle organiche viene ancora rimossa dal suolo. I prodotti finali sono terreni con ridotto contenuto di particolato e POM concentrato contenente una piccola quantità di terreno rimosso elettrostaticamente.

I risultati qui presentati si basano sull'analisi dei suoli di limo provenienti da siti agricoli del Pacifico nord-occidentale(tabella 1). I terreni sono stati raccolti a profondità di 0-20 cm o 0-30 cm, essiccati a 40 °C, passati attraverso un setaccio di 2 mm e trattati utilizzando una superficie in polistirolo carica di un panno di nylon.

La quantità di terreno rimossa elettrostaticamente da un campione variava. Circa l'1-6% della massa totale del suolo è stata rimossa(tabella 2). In tutti i casi la percentuale del campione totale C rimosso è stata superiore alla massa del suolo rimossa. Inoltre, la concentrazione C e il rapporto C:N della frazione del suolo rimossa elettrostaticamente erano sempre maggiori del suolo rimanente. Questi fattori indicano che il metodo ha ridotto la quantità di sostanze organiche incompletamente decomposte.

Le condizioni ambientali e la combinazione di materiali utilizzati per produrre la superficie caricata hanno influito sui risultati(tabella 3). Si prevede che il metodo di rimozione elettrostatica sarà meno efficace in un ambiente di laboratorio più umido a causa delle minori cariche superficiali. Tutti i materiali devono essere il più asciutti possibile per il processo elettrostatico. Il nylon è un buon materiale per la ricarica elettrostatica perché è privo di pelucchi e, se utilizzato con piastre petri in polistirolo, dovrebbe produrre una delle più grandi cariche elettrostatiche12. In alternativa, alcuni tipi di schiuma di polistirolo funzionano bene in combinazione con il vetro. La combinazione di un piatto di vetro e di una schiuma di polistirolo ha rimosso una maggiore quantità di terreno e C rispetto alle combinazioni vetro(piatto)/cotone o polistirolo (piatto)/nylon.

Indipendentemente dai materiali utilizzati per la carica superficiale, il trattamento elettrostatico ha rimosso una percentuale maggiore di C dal terreno e ha prodotto un campione con un rapporto C:N inferiore rispetto al metodo forceps/winnowing, sebbene le differenze fossero significative solo con il vetro / schiuma. Comparativamente, la flottazione è stata più efficace del trattamento elettrostatico nella rimozione del particolato concentrato C dal campione, come notato dal rapporto C:N più basso del campione rimanente e dal maggiore C:N della frazione rimossa.

Il trattamento elettrostatico può essere ripetuto numerose volte anche se i trattamenti inizieranno a rimuovere maggiori proporzioni di terreno a causa della diminuzione delle quantità di particolato attratte dalla superficie del piatto. Gli effetti degli endpoint di trattamento sono stati esaminati raccogliendo una serie di tre campioni elettrostatici uno dopo l'altro dallo stesso campione di suolo(tabella 4). Il primo trattamento ha raccolto la maggior quantità di C e sebbene i due trattamenti successivi siano stati raccolti meno, entrambi erano ancora altamente arricchiti in C rispetto al terreno rimanente. Il rapporto C:N è diminuito nella frazione rimossa indicando che proporzioni maggiori di terreno in POM sono state rimosse ad ogni fase successiva.

Quando si esegue la procedura ES utilizzando una piastra di Petri in polistirolo, erano visibili graffi sulla superficie della piastra di polistirolo, suggerendo la possibilità che C dalla piastra di plastica potesse contaminare i campioni di terreno. Quando il trattamento ES è stato eseguito su sabbia lavata e priva di C utilizzando un piatto di polistirolo, non c'era C rilevabile nelle frazioni ES anche dopo quattro trattamenti ripetuti sulla stessa frazione ES (dati non mostrati).

Infine, la quantità di materiale particolato che poteva essere rimosso elettrostaticamente dalla frazione fine delle dimensioni del limo che passava attraverso uno schermo da 53 μm è stata testata su cinque terreni di lomo di limo(tabella 5). Le frazioni eliminate elettrostaticamente hanno dimostrato pochissimo arricchimento di particolato organico. L'ispezione microscopica rivela che il POM esiste nella frazione <53 μm di questi suoli (Figura 1), ma in quantità molto piccole. Se la frazione fine del suolo (cioè <53 μm) contiene pochissimo POM, tale frazione può essere rimossa prima del trattamento elettrostatico per ridurre la quantità di terreno trattato. Setacciare il terreno su un setaccio molto fine, come 53 μm. Rimuovere il terreno dalla parte superiore del setaccio e posizionarsi nel vassoio per il trattamento elettrostatico, o semplicemente utilizzare il setaccio come vassoio per diffondere il campione. Riportare la frazione fine (terreno passato attraverso il setaccio) nel terreno trattato elettrostaticamente prima dell'analisi chimica.

Tabella 1: Terreni testati. Elenco dei campioni utilizzati per confrontare il processo elettrostatico per la rimozione del materiale organico particolato.

Tabella 2: Tassi rappresentativi di trasloco. La quantità di terreno nella frazione rimossa elettrostaticamente (rimossa) e la frazione del suolo rimanente ridotta in particolato (resto) in proporzione alla massa totale del campione e in proporzione al campione totale C. Sono inoltre date le concentrazioni di C, N e C:N. Il POM C:N stimato fornisce il C:N calcolato della frazione rimossa in eccesso rispetto alle concentrazioni nel Resto, che è presumibilmente il C:N del POM rimosso. I numeri tra parentesi sono errori standard della media. L'analisi della varianza ha indicato che Removed era maggiore del resto sia per C che per C:N (p > F inferiore a 0,0001). Replica indica il numero di repliche di esempio per valore. La separazione elettrostatica è stata eseguita con un piatto di polistirolo caricato con tessuto di nylon dopo aver setacciato la frazione fine (<53 μm).

Tabella 3: Confronto delle tecnicai. Rimozione del materiale organico particolato dal suolo di Thatuna mediante attrazione elettrostatica (ES), rimozione manuale di particelle visibili con forcep e aria (Forceps/winnow) e flottazione su soluzione di ioduro di sodio a 1,7 g cm-3. L'attrazione elettrostatica è stata eseguita con un piatto di polistirolo caricato con un panno di nylon o una superficie di vetro caricata con un panno di cotone o schiuma di polistirolo. Anche il vetro/schiuma è stato testato in condizioni umidificate. La rimozione manuale del particolato è stata eseguita soffiando delicatamente l'aria sulla superficie di un terreno sottile per spostarlo di lato e rimuovendo il residuo visibile con le forcep. I dati sono la media di sei repliche. I mezzi seguiti da una lettera comune non sono significativamente diversi a seconda del test di Tukey al livello di significatività del 5%.

Tabella 4: Indagine sugli endpoint. Risultati di tre successivi trattamenti elettrostatici per rimuovere il particolato organico. Media di tre campioni dal suolo di Thatuna e uno ciascuno dai terreni di Ritzville-R, Ritzville-E, Walla Walla-M. La frazione del suolo che passa attraverso un setaccio di 53 μm è stata rimossa prima del trattamento elettrostatico e analizzata separatamente. I dati sono la media delle sei analisi con l'errore standard tra parentesi. L'analisi della varianza prodotta p = 0,06 sia per C che per le lettere POM C:N. stimate nella colonna C:N mostra differenze significative tra i trattamenti successivi a p < 0,05.

Tabella 5: Particolato organico nella frazione fine del suolo. Prova di rimozione elettrostatica del particolato sulla frazione fine (<53 μm) di cinque campioni di terreno provenienti da sistemi di coltivazione del grano. Un'analisi della varianza di Removed versus Remainder non è stata significativa per C e C:N. La differenza in C:N non era costantemente maggiore nelle frazioni rimosse.

Figura 1: Identificazione visiva del particolato organico. Immagini al microscopio del suolo NT-AW come (A) terreno intero, (B) frazione rimossa sulla superficie di polistirolo carica, (C) frazione del suolo di <53 μm e (D) materiale che galleggiava sulla superficie di un liquame d'acqua del terreno frazionato di <53 μm. Le immagini sono state scattate con ingrandimento 50x o 100x. Le immagini raccolte in diversi punti focali sono state combinate nel software ImageJ13 utilizzando il plug-in Stack Focuser (https://imagej.nih.gov/ij/plugins/stack-focuser.html). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.