Analisi del carbonio e dell'azoto in campioni di matrici ambientali

L'analisi delle quantità di carbonio e azoto nei campioni ambientali - un processo noto come "analisi elementare" - fornisce importanti informazioni sulle proprietà ecologiche dell'ambiente.

Il carbonio e l'azoto sono due degli elementi più importanti per la vita. Il carbonio è la base dei composti organici che costituiscono la base di tutti gli esseri viventi ed è particolarmente utile come misura per molecole come i carboidrati, la fonte di energia primaria per gli organismi. D'altra parte, l'azoto si trova in molecole come i nucleici e gli amminoacidi. Questi servono, rispettivamente, come materiale genetico e come elementi costitutivi delle proteine utilizzate dagli organismi per la struttura e la funzione.

Poiché queste diverse classi di molecole organiche hanno ruoli biologici diversi, gli organismi le richiedono in quantità diverse. Ad esempio, i microrganismi nel suolo richiedono in genere fonti di cibo con un rapporto C:N di 24:1. Poiché diversi residui vegetali hanno diversi rapporti C:N che vanno da 13:1, come l'erba medica, a 57:1, come nel mais, saranno decomposti dai microbi a velocità diverse e in misura diversa, influenzando a loro volta il modo in cui i nutrienti vengono restituiti al suolo.

Questo video introdurrà i principi dell'analisi della composizione elementare del carbonio e dell'azoto; un protocollo per l'esecuzione di analisi elementari su campioni di suolo; e infine, alcune applicazioni di questo metodo di analisi alla ricerca ambientale.

L'analisi elementare può essere eseguita in diversi modi, come l'uso di reazioni chimiche specifiche, spesso che coinvolgono acidi forti, con il risultato di prodotti caratteristici che possono essere rilevati. Un importante miglioramento nella metodologia di analisi elementare è stato lo sviluppo della tecnica di combustione flash, che ha eliminato la necessità di utilizzare sostanze chimiche pericolose, ha notevolmente semplificato e accelerato il processo e ha consentito l'automazione.

La base dell'analisi elementare basata sulla combustione flash consiste nell'ossidare il campione in una "camera di ossidazione", bruciandolo in presenza di ossigeno ad alte temperature di circa 1.000 ? C in presenza di un catalizzatore, che velocizza la reazione. Questo converte il carbonio nel campione in anidride carbonica gassosa e l'azoto in ossido di azoto e azoto gassoso. Un "gas di trasporto" inerte come l'elio viene quindi utilizzato per trasportare questi prodotti della combustione in una "camera di riduzione" con riempimento di rame, dove gli ossidi di azoto vengono ulteriormente convertiti in azoto gassoso. Il vapore acqueo in eccesso viene rimosso dalla miscela di gas mediante filtrazione con un essiccante come il perclorato di magnesio.

I prodotti della combustione flash possono quindi essere separati mediante gascromatografia, durante la quale le molecole di gas passano attraverso un tubo, chiamato colonna, contenente un sottile rivestimento di liquido o polimero. I gas si dissolvono e vaporizzano ripetutamente da questo substrato mentre passano attraverso la colonna, a velocità che dipendono dalla forza con cui le molecole interagiscono con il substrato e il gas di trasporto. Una specie che trascorre più tempo disciolta nel substrato viaggerà più lentamente attraverso la colonna, consentendo così ai gas di essere differenziati.

Una volta usciti dalla colonna, i gas possono essere identificati, ad esempio, rilevando la capacità di condurre il calore, una proprietà nota come conducibilità termica. Tracciando il tempo impiegato da ciascun gas per viaggiare attraverso la bobina, gli scienziati ottengono un "cromatogramma" con picchi che rappresentano ogni gas. Calcolando le quantità rilevate di anidride carbonica e azoto gassoso utilizzando l'area sotto i rispettivi picchi, è possibile dedurre il rapporto C/N nel campione originale.

Ora che hai compreso i principi dell'analisi elementare del carbonio e dell'azoto utilizzando il metodo della combustione flash, esaminiamo un protocollo per eseguire questa operazione utilizzando un analizzatore elementare automatizzato.

Per preparare i campioni di terreno per l'analisi, in primo luogo, asciugare i campioni in un 60 ? C forno per 48 h. Quindi, passa il terreno essiccato attraverso un setaccio da 2 x 2 mm e scarta qualsiasi particella di terreno che non passa. Quindi, usa un macinatore a palle per macinare circa 5 g di terreno per 2 minuti per ottenere una polvere omogenea. Metti il terriccio macinato in un piccolo contenitore come una fiala di polietilene e conservalo in un essiccatore fino al momento dell'uso.

Impostare i parametri di analisi sull'analizzatore elementare secondo le istruzioni del produttore. Questi includono le temperature del forno di ossidazione, del forno di riduzione e del forno gascromatografico, la portata del gas di trasporto, la velocità di iniezione dell'ossigeno, la portata del gas di riferimento, il tempo di esecuzione del ciclo, il ritardo tra la caduta del campione e l'iniezione di ossigeno nella camera di ossidazione e la durata dell'iniezione di ossigeno.

Al fine di determinare quantitativamente la composizione del campione, viene prima creata una curva standard utilizzando diverse quantità di un composto di composizione nota, come l'acido aspartico.

Per fare ciò, utilizzare prima una pinza per rimuovere un disco di latta portacampioni da una confezione e modellarlo a forma di tazza utilizzando il dispositivo di sigillatura specializzato. Evitare di toccare il disco di latta con le dita, poiché ciò potrebbe portare al trasferimento di oli sul disco.

Ora, posiziona la tazza di latta su una microbilancia e imposta la massa di tara. Rimuovere la tazza di latta, quindi utilizzare una microspatola per inserire circa 1 mg dello standard di acido aspartico nella tazza. Pesare la tazza e registrare la massa. Quindi, sigillare la tazza di latta e inserirla nell'autocampionatore, che consegnerà automaticamente ogni campione nella camera di reazione.

Ripetere i passaggi precedenti per diverse quantità dello standard. Quindi, inserire tutti gli standard nell'autocampionatore.

Erogare e pesare i campioni di terreno in tazze di latta in modo simile agli standard, utilizzando circa 50 mg di ciascun campione di terreno omogeneizzato. Preparare ogni campione in triplice copia.

Una volta che tutti i campioni sono stati inseriti nell'autocampionatore e sono state raggiunte le temperature appropriate nello strumento, impostare le misurazioni in modo che vengano eseguite. Il software dello strumento produrrà un cromatogramma per ogni standard e campione.

A seconda dei parametri utilizzati, il picco per l'azoto gassoso dovrebbe essere a circa 110 s sul cromatogramma, mentre il picco di anidride carbonica viene rilevato a circa 190 s. Le curve standard sono generate con acido aspartico, che ha un rapporto carbonio/azoto di 4 a 1. Con questa conoscenza, insieme alla concentrazione di ogni standard, l'area sotto ogni picco può essere utilizzata per calcolare la quantità di azoto e carbonio in ogni campione.

Sulla base della massa del campione originale, è possibile calcolare la percentuale di azoto e la percentuale di carbonio di ciascun campione. In questa dimostrazione, il rapporto C/N di questo campione di suolo è risultato essere di circa 13:1, inferiore al rapporto di 14,25:1 che si trova solitamente per il suolo sotto i boschi aperti e indicativo di boschi dominati dagli invasivi alberi di olivello spinoso.

L'analisi del contenuto di carbonio e azoto può essere applicata a una varietà di campioni ambientali oltre al suolo e ha ampie applicazioni nella ricerca ambientale.

In questo esempio, i ricercatori hanno raccolto campioni d'acqua da vari habitat marini, come le barriere coralline. Per comprendere la disponibilità di nutrienti organici per le comunità microbiche marine, sono stati misurati vari parametri chimici, tra cui l'analisi elementare del carbonio e dell'azoto. I livelli di carbonio organico disciolto sono stati misurati direttamente dal campione d'acqua, mentre la materia organica particellare è stata filtrata dall'acqua e analizzata.

L'analisi elementare può essere utilizzata anche per monitorare la perdita di nutrienti nel deflusso dall'irrigazione di paesaggi urbani e prati, che può inquinare le riserve idriche. Qui, gli scienziati hanno allestito appezzamenti di prova per simulare i paesaggi urbani e comprendere meglio questo processo. Una varietà di test chimici sono stati utilizzati per analizzare nutrienti specifici come nitrati e ammoniaca nel deflusso raccolto e l'analisi elementare basata sulla combustione è stata utilizzata per misurare i livelli di carbonio organico e azoto disciolti.

Infine, l'analisi del rapporto C:N nelle carcasse degli erbivori ha rivelato un interessante legame tra il rischio di predazione e il tasso di decomposizione nel suolo. In questo studio, le cavallette sono state allevate con o senza il rischio di predazione da parte dei ragni. Le carcasse di queste cavallette venivano poi lasciate decomporre in appezzamenti di terreno e i detriti vegetali venivano successivamente aggiunti al terreno per la decomposizione.

L'analisi elementare ha mostrato un leggero aumento del rapporto C/N nelle cavallette allevate con rischio di predazione, ma questo a sua volta ha portato a una significativa diminuzione del tasso di decomposizione nel suolo in cui la cavalletta stressata era decomposta, indicando dinamiche complesse inaspettate nel ciclo dei nutrienti dell'ecosistema.

Hai appena visto il video di JoVE sull'analisi del carbonio e dell'azoto di campioni ambientali. Ora dovresti capire i principi alla base di questo metodo di analisi; come eseguirlo utilizzando un analizzatore elementare di combustione flash; e alcune delle sue applicazioni nelle scienze ambientali. Come sempre, grazie per la visione!