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

Carbon and Nitrogen Analysis of Environmental Samples

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Carbon and Nitrogen Analysis of Environmental Samples

1.11: Determination Of NO_x in Automobile Exhaust Using UV-VIS Spectroscopy

1.15: Analysis of Earthworm Populations in Soil

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10:41 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye – Depaul University

L’analisi elementare è un metodo utilizzato per determinare la composizione elementare di un materiale. Nei campioni ambientali come i suoli, gli scienziati sono particolarmente interessati alle quantità di due elementi ecologicamente importanti, l’azoto e il carbonio. L’analisi elementare con la tecnica di combustione flash funziona ossidando il campione con un catalizzatore attraverso la combustione in una camera ad alta temperatura. I prodotti della combustione vengono quindi ridotti a N₂ e CO₂ e rilevati con un rilevatore di conducibilità termica.

A differenza di altri metodi per la determinazione dell’azoto totale (metodo Kjeldahl) e la determinazione del carbonio totale (metodi Walkley-Black, Heanes o Leco), la tecnica di combustione flash non utilizza sostanze chimiche tossiche ed è quindi molto più sicura da usare.

Questo video dimostrerà l’analisi elementare basata sulla combustione utilizzando lo strumento Flash EA 1112 di Thermo Fisher Scientific.

Principles

I campioni di terreno vengono posti in un disco di stagno e lasciati cadere nel reattore di ossidazione tramite un autocampionatore dove vengono bruciati in un ambiente di ossigeno a più di 900 °C in presenza di un catalizzatore di ossidazione. Il carbonio nel campione viene convertito in anidride carbonica e l’azoto viene convertito in azoto gassoso e alcuni ossidi di azoto.

C + O₂ → CO₂
4 N + x O₂ → N₂ + 2 NO_x

Il gas elio trasporta questi prodotti in un secondo tubo di reazione riempito di rame che riduce gli ossidi di azoto in azoto gassoso e rimuove l’ossigeno in eccesso. Questo è completato a 680 °C.

NO_x + Cu → N₂ + CuO
O₂ + Cu → CuO

Il flusso di gas scorre quindi attraverso un filtro riempito con perclorato di magnesio per rimuovere qualsiasi vapore acqueo prima che il flusso raggiunga la colonna del gascromatografo.

L’N₂ uscirà prima dalla colonna di gascromatografia a circa 110 s, e poi il CO₂ uscirà a circa 190 s. Utilizzando una curva standard creata utilizzando acido aspartico, è possibile determinare %N e %C nel campione di terreno.

Procedure

1. Preparazione di campioni di terreno

Campioni di terreno asciutto a 60 °C per 48 ore.
Passare il terreno attraverso un setaccio di 2 mm x 2 mm.
Mettere circa 5 g di terreno nella smerigliatrice del mulino a sfere e macinare per 2 minuti. È importante ottenere un campione omogeneo poiché la dimensione del campione sarà molto piccola.
Mettere il terreno macinato in un piccolo contenitore e conservare in un essiccatore fino al momento dell’uso.

2. Impostazione dei parametri dello strumento

Accendi lo strumento Flash EA 1112 nella parte posteriore ruotando l’interruttore.
Accendere il computer.
Fare doppio clic sull’icona “Eager 300” per avviare il programma software che esegue lo strumento.
Fare doppio clic sull’icona “NC Soils” per aprire il metodo che esegue la configurazione dello strumento per i terreni.
Riscaldare lo strumento aprendo “Modifica parametri dell’analizzatore elementare” e facendo clic sul pulsante “Invia”. I parametri devono essere i seguenti (Vedi Figure 1–3):
a. Temperature: Sinistra = 900 °C, Destra = 680 °C, Forno = 50 °C
b. Portata gas: Portatante = 130 mL/min, Ossigeno = 250 mL/min, Riferimento = 100 mL/min
c. Durata ciclo = 360 s
d. Ritardo di campionamento = 12 s
e. Fine iniezione di ossigeno = 5 s
f. Rivelatore = Filamento acceso
Creare una tabella di esempio facendo clic su “Modifica tabella di esempio” e quindi su “Riempi tabella di esempio”. Modificare il nome del file alla data odierna. Immettere il numero di campioni che si prevede di eseguire, inclusi gli standard e gli spazi vuoti. Quindi fare clic su “Sostituisci” per sostituire l’ultima tabella di esempio creata con la nuova tabella di esempio.

3. Creazione di una curva standard

Usando la pinna, rimuovere un disco di latta dalla confezione e modellarlo a forma di tazza utilizzando lo speciale dispositivo di tenuta. Evitare di toccare il disco di latta con le dita per evitare di trasferire oli dalla punta delle dita. (Vedi figure 4–5)
Usando la pinza, posizionare il disco di stagno sulla microbilanza e azzerare la bilancia.
Usando una pinza, rimuovere il disco di stagno dalla microbilanza e usando una microspatula, posizionare circa 1 mg di acido aspartico standard nel disco di stagno.
Pesare il disco di stagno con lo standard di acido aspartico sulla microbilatta. Immettere questo peso nella tabella dati del software Eager 300 sul computer.
Sigillare il disco di stagno con la pinica in modo che nessuno degli standard di acido aspartico fuoriescerà da esso. Inserire la confezione di latta nell’autocampionatore. (Vedi Figura 6)
Ripetere i passaggi 3.1 – 3.5, utilizzando circa 5 mg di acido aspartico standard.
Ripetere i passaggi 3.1 – 3.5, utilizzando circa 7,5 mg di acido aspartico standard.
Ripetere i passaggi 3.1 – 3.5, utilizzando circa 10 mg di acido aspartico standard.

4. Caricamento dell’autocampionatore con campioni di terreno

Usando la pinna, rimuovere un disco di latta dalla confezione e modellarlo a forma di tazza usando il dispositivo di tenuta. Non dovresti toccare la latta con le dita per evitare di trasferire oli dalla punta delle dita.
Usando la pinza, posizionare il disco di stagno sulla microbilanza e azzerare la bilancia.
Rimuovere il disco di stagno dalla microbilanza e posizionare circa 50 mg di terreno omogeneizzato nel disco di stagno usando una microspatula.
Pesare il disco di stagno con il campione di terreno sulla microbilatta. Immettere questo peso nella tabella dati del software Eager 300 sul computer.
Sigillare il disco di stagno usando la pinca in modo che il terreno sia contenuto. Trasferire la confezione di latta nel vassoio dell’autocampionatore.
Ripetere i passaggi 4.1 – 4.5 per tutti i campioni. Si raccomanda di eseguire prove triplicate di ciascun campione. Un esperimento triplicato è considerato una buona regola empirica per escludere errori sperimentali.

5. Esecuzione degli esempi

Quando sono state raggiunte le temperature appropriate sullo strumento, la spia verde “Temperature Ready” si accende. Nella parte inferiore dello schermo del computer, dirà anche “Pronto per l’analisi”.
Prima di iniziare l’esecuzione del campione, fare clic su “File” e “Metodo di salvataggio” per salvare i dati appena inseriti. Si consiglia di salvare il metodo con il cognome e la data.
Per iniziare la corsa, fai clic sulla freccia verde e premi “Inizia ora”.
Ci vorranno circa 6 minuti per campione per funzionare.
Al termine dell’esecuzione, è possibile visualizzare i risultati facendo clic su “Ricalcolo”, quindi su “Riepiloga risultati”.

Figura 1. Flash EA 1112 parametri impostazione schermata 1.

Figura 2. Flash EA 1112 parametri impostazione schermata 2.

Figura 3. Flash EA 1112 parametri impostazione schermata 3.

Figura 4. Rimozione di un disco di latta con pinp.

Figura 5. Il disco di latta stampato a forma di tazza utilizzando il dispositivo di tenuta.

Figura 6. Il pacchetto di latta viene inserito nell’autocampionatore.

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.

Carbonio e azoto sono due degli elementi più importanti per la vita. Il carbonio è il fondamento 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 nucleici e 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 li richiedono in quantità diverse. Ad esempio, i microrganismi nel suolo in genere richiedono 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 decomposi da microbi a velocità diverse e in diverse misura, influenzando a loro volta il modo in cui i nutrienti vengono restituiti al suolo.

Questo video introdurrà i principi di 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, che spesso coinvolgono acidi forti, con conseguente 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 rimosso la necessità di utilizzare sostanze chimiche pericolose, ha notevolmente semplificato e accelerato il processo e ha permesso l’automazione.

La base dell’analisi elementare basata sulla combustione flash è quella di 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 accelera la reazione. Questo converte il carbonio nel campione in gas di anidride carbonica e l’azoto in ossido di azoto e gas di azoto. Un “gas vettore” inerte come l’elio viene quindi utilizzato per trasportare questi prodotti di 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 di combustione flash possono quindi essere separati mediante gascromatografia, durante la quale le molecole di gas passano attraverso tubi, chiamati colonna, contenenti 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 da quanto fortemente le molecole interagiscono con il substrato e il gas vettore. Una specie che trascorre più tempo disciolta nel substrato viaggerà più lentamente attraverso la colonna, consentendo così di differenziare i gas.

Una volta usciti dalla colonna, i gas possono essere identificati, ad esempio, rilevando quanto bene conducono il calore, una proprietà nota come conduttività termica. Tracciando il tempo necessario a ciascun gas per viaggiare attraverso la bobina, gli scienziati ottengono un “cromatogramma” con picchi che rappresentano ciascun gas. Calcolando le quantità rilevate di anidride carbonica e gas azoto 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 di combustione flash, esaminiamo un protocollo per eseguire questo utilizzando un analizzatore elementare automatizzato.

Per preparare i campioni di terreno per l’analisi, in primo luogo, asciugare i campioni in un forno a 60 °C per 48 ore. Quindi, passare il terreno essiccato attraverso un setaccio di 2 x 2 mm e scartare qualsiasi particella di terreno che non passa attraverso. Quindi, utilizzare una smerigliatrice a sfere per macinare circa 5 g di terreno per 2 minuti per creare una polvere omogenea. Mettere il terreno macinato in un piccolo contenitore come una fiala di polietilene e conservarlo in un essiccatore fino al momento dell’uso.

Impostare i parametri di analisi sull’analizzatore elementare in base alle istruzioni del produttore. Questi includono le temperature del forno di ossidazione, del forno di riduzione e del forno per gascromatografia, la portata del gas vettore, la velocità di iniezione di ossigeno, la portata del gas di riferimento, il tempo di funzionamento 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 questo, utilizzare prima una pinna per rimuovere un disco di stagno da una confezione e modellarlo a forma di tazza utilizzando il dispositivo di tenuta specializzato. Evitare di toccare il disco di latta con le dita, in quanto ciò potrebbe portare al trasferimento di oli sul disco.

Ora, posiziona la tazza di latta su una microbilancia e imposta la tara. Rimuovere la tazza di latta, quindi utilizzare una microspatula per posizionare circa 1 mg dello standard di acido aspartico nella tazza. Pesare la tazza e registrare la massa. Quindi, sigillare la tazza di latta e posizionarla 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 stagno 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 per l’esecuzione. 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 ciascun 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 terreno è risultato essere di circa 13: 1, inferiore al rapporto di 14,25: 1 che di solito si trova per il suolo sotto boschi aperti e indicativo di boschi dominati dagli invasivi alberi di olivello spinoso europei.

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 il particolato organico è stato filtrato dall’acqua e analizzato.

L’analisi elementare può anche essere utilizzata per monitorare la perdita di nutrienti nel deflusso dall’irrigazione di paesaggi urbani e prati, che possono inquinare le riserve idriche. Qui, gli scienziati hanno creato 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 disciolto e azoto.

Infine, l’analisi del rapporto C:N nelle carcasse di 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 sono state poi lasciate decomporre in appezzamenti di terreno, e i detriti vegetali sono stati 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 è stata decomposa, indicando dinamiche complesse inaspettate nel ciclo dei nutrienti dell’ecosistema.

Hai appena visto il video di JoVE sull’analisi del carbonio e dell’azoto dei 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 aver guardato!

Results

Per ogni campione viene prodotto un cromatogramma che mostra la quantità di azoto e carbonio nel campione (Figura 7).

Le aree sotto la curva in ciascuno dei picchi nel cromatogramma del campione vengono confrontate con le curve standard (Figure 8 e 9) e viene calcolata la quantità di azoto e carbonio nel campione. In base al peso del campione originale, vengono calcolati %N e %C (Figura 10).

Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7. Cromatogramma che mostra i picchi di azoto e carbonio.

Figura 8. Curva standard di analisi per l’azoto.

Figura 9. Curva standard di analisi per il carbonio.

Figura 10. Calcolo di %N e %C, in base al peso del campione originale.

Applications and Summary

Il rapporto carbonio/azoto (C:N) nel suolo è un rapporto tra la massa di carbonio e la massa di azoto nel campione di suolo. Il rapporto C: N del suolo e di qualsiasi cosa messa sul terreno (come la copertura dei residui delle colture) può influenzare la decomposizione dei residui delle colture e il ciclo dei nutrienti. I microrganismi del suolo hanno un rapporto C:N di circa 8:1. Per mantenere questo rapporto, devono acquisire carbonio e azoto dall’ambiente. Tuttavia, poiché parte del carbonio che i microrganismi acquisiscono deve essere utilizzato come fonte di energia oltre a ciò di cui ha bisogno per il mantenimento del corpo, i microrganismi richiedono un rapporto C: N di circa 24: 1. Se sul terreno viene posizionata una lettiera fogliare o una copertura del suolo con un rapporto C:N superiore a 24:1 (ad esempio,stover di mais con un rapporto C:N di 57:1), i microrganismi dovranno utilizzare l’azoto del terreno per decomporre il materiale della lettiera. Ciò si traduce in un deficit di azoto nel terreno. Se sul terreno viene posta una lettiera fogliare o una copertura del suolo con un rapporto C:N inferiore a 24:1(ad esempio,fieno di erba medica con un rapporto C:N di 13:1), ci sarà dell’azoto rimasto dopo la decomposizione del materiale della lettiera, che verrà rilasciato nel terreno come nutrienti.

L’analisi elementare non solo può essere utilizzata per determinare il rapporto C: N dei campioni di terreno, ma può anche essere utilizzata per determinare il rapporto C: N nei materiali vegetali, come foglie di alberi e residui di colture. Queste informazioni sono importanti per gli agricoltori al fine di aiutarli a decidere quale tipo di copertura per le colture utilizzare. Il rapporto C: N del residuo colturale aggiunto per coprire il terreno influenza la velocità con cui il residuo si decomporrà. Ciò ha implicazioni sul fatto che il suolo sia protetto o meno per il periodo di tempo desiderato.

Transcript

Analyzing the amounts of the carbon and nitrogen in environmental samples – a process known as “elemental analysis” – provides important insight into the ecological properties of the environment.

Carbon and nitrogen are two of the most important elements for life. Carbon is the foundation of organic compounds that form the basis of all living things, and is particularly useful as a measure for molecules such as carbohydrates, the primary energy source for organisms. On the other hand, nitrogen is found in molecules such as nucleic and amino acids. These serve, respectively, as genetic material and as the building blocks of the proteins used by organisms for structure and function.

Because these different classes of organic molecules have different biological roles, organisms require them at different amounts. For example, microorganisms in soil typically require food sources with a C:N ratio of 24:1. Because different plant residues have different C:N ratios that range from 13:1, such as alfalfa, to 57:1, as in corn, they will be decomposed by microbes at different rates and to different extents, in turn affecting how nutrients are returned to the soil.

This video will introduce the principles of analyzing carbon and nitrogen elemental composition; a protocol for performing elemental analysis on soil samples; and finally, some applications of this analysis method to environmental research.

Elemental analysis can be performed in a number of ways, such as the use of specific chemical reactions, often involving strong acids, resulting in characteristic products that can be detected. A major improvement in elemental analysis methodology was the development of the flash combustion technique, which removed the need for using dangerous chemicals, greatly simplified and sped up the process, and allowed for automation.

The basis of flash combustion-based elemental analysis is to oxidize the sample in an “oxidation chamber”, by burning it in the presence of oxygen at high temperatures of around 1,000 °C in the presence of a catalyst, which speed up the reaction. This converts the carbon in the sample into carbon dioxide gas, and the nitrogen into nitrogen oxide and nitrogen gases. An inert “carrier gas” such as helium is then used to transport these combustion products to a “reduction chamber” with copper filling, where the nitrogen oxides are further converted into nitrogen gas. Excess water vapor is removed from the gas mixture by filtration with a desiccant such as magnesium perchlorate.

The flash combustion products can then be separated by gas chromatography, during which the gas molecules pass through tubing, called a column, containing a thin coating of liquid or polymer. The gases repeatedly dissolve and vaporize from this substrate as they pass through the column, at rates that are dependent on how strongly the molecules interact with the substrate and the carrier gas. A species that spends more time dissolved in the substrate will travel more slowly through the column, thus allowing the gases to be differentiated.

Once they exit the column, the gases can be identified by, for example, detecting how well they conduct heat, a property known as thermal conductivity. By plotting the time it takes each gas to travel through the coil, scientists obtain a “chromatogram” with peaks that represent each gas. By calculating the detected amounts of carbon dioxide and nitrogen gases using the area under the respective peaks, the C:N ratio in the original sample can then be deduced.

Now that you understand the principles of carbon and nitrogen elemental analysis using the flash combustion method, let’s go through a protocol for performing this using an automated elemental analyzer.

To prepare the soil samples for analysis, first, dry the samples in a 60 °C oven for 48 h. Then, pass the dried soil through a 2 x 2-mm sieve, and discard any soil particle that doesn’t pass through. Next, use a ball mill grinder to grind approximately 5 g of the soil for 2 min to make a homogeneous powder. Put the milled soil into a small container such as a polyethylene vial, and store it in a desiccator until ready to use.

Set the analysis parameters on the elemental analyzer according to manufacturer’s instructions. These include the temperatures of the oxidation furnace, the reduction furnace, and the gas chromatography oven, the flow rate of the carrier gas, the oxygen injection rate, the flow rate of the reference gas, the cycle run time, the delay between sample drop and oxygen injection into the oxidation chamber, and the duration of oxygen injection.

In order to quantitatively determine the composition of the sample, a standard curve is first created using different amounts of a compound of known composition, such as aspartic acid.

To do this, first use forceps to remove a tin sample-holding disc from a pack and mold it into a cup shape using the specialized sealing device. Avoid touching the tin disc with your fingers, as that could lead to the transfer of oils onto the disc.

Now, place the tin cup on a microbalance, and set the tare mass. Remove the tin cup, then use a microspatula to place approximately 1 mg of the aspartic acid standard into the cup. Weigh the cup and record the mass. Then, seal the tin cup, and place it into the autosampler, which will automatically deliver each sample into the reaction chamber.

Repeat the above steps for several amounts of the standard. Then, place all standards into the autosampler.

Dispense and weigh the soil samples in tin cups similarly as the standards, using approximately 50 mg of each homogenized soil sample. Prepare each sample in triplicate.

Once all samples are placed into the autosampler, and the appropriate temperatures have been reached in the instrument, set the measurements to run. The instrument software will produce a chromatogram for each standard and sample.

Depending on the parameters used, the peak for nitrogen gas should be at about 110 s on the chromatogram, while the carbon dioxide peak is detected at around 190 s. Standard curves are generated with aspartic acid, which has a carbon to nitrogen ratio of 4 to 1. With this knowledge, along with the concentration of each standard, the area under each peak can be used to calculate the amount of nitrogen and carbon in each sample.

Based on the mass of the original sample, the percent-nitrogen and percent-carbon of each sample can be calculated. In this demonstration, the C:N ratio of this soil sample was found to be approximately 13:1, lower than the ratio of 14.25:1 usually found for soil under open woodlands and indicative of woods dominated by the invasive European buckthorn trees.

Carbon and nitrogen content analysis can be applied to a variety of environmental samples in addition to soil, and has wide applications in environmental research.

In this example, researchers collected water samples from various marine habitats, such as coral reefs. To understand the availability of organic nutrients to marine microbial communities, various chemical parameters were measured, including carbon and nitrogen elemental analysis. Levels of dissolved organic carbon were directly measured from the water sample, while particulate organic matter was filtered from the water and analyzed.

Elemental analysis can also be used to monitor nutrient loss in runoff from the irrigation of urban landscapes and lawns, which can pollute water supplies. Here, scientists set up test plots to simulate urban landscapes and better understand this process. A variety of chemical tests were used to analyze specific nutrients such as nitrates and ammonia in the collected runoff, and combustion-based elemental analysis was used to measure the levels of dissolved organic carbon and nitrogen.

Finally, analyzing the C:N ratio in herbivore carcasses revealed an interesting link between predation risk and the decomposition rate in soil. In this study, grasshoppers were reared with or without the risk of predation by spiders. Carcasses of these grasshoppers were then allowed to decompose in plots of soil, and plant detritus were later added to the soil for decomposition.

Elemental analysis showed slightly increased C:N ratio in grasshoppers reared with predation risk, but this in turn led to significantly decreased rate of decomposition in soil in which the stressed grasshopper was decomposed, pointing to unexpected complex dynamics in ecosystem nutrient cycling.

You’ve just watched JoVE’s video on carbon and nitrogen analysis of environmental samples. You should now understand the principles behind this method of analysis; how to perform it using a flash combustion elemental analyzer; and some of its applications in environmental science. As always, thanks for watching!

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