土壌から粒子状有機物を除去する静電法

土壌有機炭素(SOC)の正確な推定値は、農業管理や環境に起因する変化を評価する上で重要です。粒子状有機物(POM)は、土壌の生態および物理学において重要な機能を有するが、しばしば短命であり、季節、水分条件、気圧、サンプル採取技術、最近の土壌管理、植生ライフサイクル^{、および他}を含むいくつかの要因に基づいて変化する。これらの時間的に不安定な供給源は、安定した真に隔離された土壌有機炭素²における長期的な傾向の推定値を混乱させることができる。

明確に定義され、共通で重要であるにもかかわらず、POMは土壌から容易に分離されることも、定量的に測定することも容易ではありません。粒子状有機物は、液体中に浮かぶように測定された(軽い分率、典型的には1.4-2.2g^cm-3)、またはサイズ(例えば、53-250 μmまたは>250μm >)で分離することができるものとして、または2つの^3、4、5の組み合わせである。サイズベースの技術と密度ベースの技術の両方がPOM測定⁴の定量的および化学的結果に影響を与える可能性があります。日常的な方法を使用してサイズ分画された土壌の慎重な目視検査は、多くの場合、画面を通過した葉や茎の根や断片のような長く狭い構造を明らかにします。これらの構造を手で除去するだけで総^SOC2,6の測定値を大幅に低減することが示されているが^、この方法はオペレータの勤勉さと視力の影響を受ける。緻密な液体⁷での浮揚時の軽率として土壌試料からPOM分離は全てのPOMを捕捉するものではなく、浮遊過程での過度の揺れは、実際に試料⁸から回収される光分率の量を減少させることができる。浮揚は多くのステップを必要とし、化学的特性を変更したり^、4の目的である可能性のある成分を溶解して除去することができる化学的溶液に土壌を公開します。

POMを除去するための代替方法は、緻密な水溶液の使用を回避または増強するために使用されてきた。Kirkby, ら 6 2 つの浮揚手順を使用して軽い分率除去をドライふるい/ウィンノウ法^{9と比較した}。ウィンノイングは、重い分数から軽い部分を穏やかに持ち上げるために、土壌の薄い層を横切って空気の光の流を渡すことによって行われました。ドライシービング/ウィニングは、C、N、P、およびS含有量に関する2つの浮遊方法と同様に行われた。しかし、著者らは、ドライシービング/ウィノミングが「ややクリーンな」土壌⁶を生み出したことを示唆している。POMはまた、静電引力^10、11を用いて土壌から分離されており^、土壌上に静電帯状の表面を通過させることにより有機粒子が単離される。静電引力法は、コース有機粒子と呼ばれるPOMを、乾燥した、ふるいに入った(>0.315mm)土壌から、サイズ及び密度^分別の他の方法と同等の統計的再現性を有する土壌から正常に回収した。

ここでは、静電アトラクションを使用して、可視から顕微鏡に至るまでのサイズのPOMを取り除く方法を示します。他の報告された方法とは異なり、微細な土壌の静電的魅力はまた、目に見えて残りの土壌のような鉱物と凝集土壌の小さな部分を除去します。これまでの結果を考えると、POM以外の土壌の小さな部分の除去は下流の分析に実質的な影響を及ぼさないと考えるのが妥当です。しかし、土壌サンプル全体の大部分が静電気的に除去されている場合は、特定の土壌に対してこの仮定を検証する必要があります。ここで提供される方法と例は、半乾燥環境からのシルトロームローム土壌に対して行われた。

この方法は、すべての土壌タイプに適しているわけではありませんが、手動でまたは気流によって除去するには小さすぎる粒子状有機物を除去する上で迅速かつ効率的であるという利点があります。プロセスの速度は、疲労を軽減し、一貫性を確保し、より大きなレプリケーションを促すうえで重要です。さらに、非常に小さな微粒子を除去する能力は、小さな粒子サイズではなく大きい土壌に対する偏見を避ける上で重要です。

1. 土壌の準備

1. 所望の深さに土壌サンプルを収集します。40°Cまたはラボ固有の標準プロトコルに従って土壌を徹底的に乾燥させます。
2. 適切な大きさの土壌ふるいを通して土壌をふるいにかけると、約10〜25gのふるいにかかされる土壌が得られます。多くの研究は、1 mm または 2 mm ふるいを使用します。土の量は下流解析に必要な質量に基づいており、静電気除去ステップを繰り返す必要がある回数に影響します。
3. 土壌が薄く広がるのに十分な大きさのきれいな乾燥した金属またはガラスの平底の鍋に土を置きます(直径20cm以上)。フライパンを軽く振って、できるだけ薄い層に均等に土壌を分配します。

2. 静電気表面を充電する

1. 直径100mmのガラスまたはポリスチレンペトリ皿の上または底を片手に持ち、ナイロン布、綿布、ポリスチレンフォームのきれいな部分で外面を数回激しくこすります。サンプルから離れた表面充電を実行して、サンプルに生地の断片が導入されるのを防ぎます。
2. ペトリ皿の表面を点検して、清潔であることを確認します。

3. 粒子状有機物を除去する

1. 荷電面を土の上に0.5 cmから2cm以内に下げ、できるだけ多くの粒子状物質を拾うために水平に動かします。表面への引力は、視覚的かつ可聴的に注意することができる。
2. ペトリ皿が追加の粒子を引き付けなくなったら、皿をサンプルから遠ざけます。

4. 静電気表面を洗浄する

1. 荷電面を回収皿の上に持ち、細かいブラシを使用して、静電に引き付けられた材料をペトリ皿表面から回収皿に移します。ラクダのヘアブラシがうまくいきます。

5. 粒子の収率が低下するまで繰り返す

1. ピックアップされる有機物粒子の数が減少するまで、手順2~4を繰り返します。土壌のパンの水平揺れによって土壌サンプルを再配布し、表面に新しい材料を露出させ、静電収集を継続します。
   注: エンドポイントは任意であり、研究者の判断に依存します。土壌への暴露後に帯電面を検査すると、かなりの量の有機微粒子がまだ土壌から除去されているかどうかが視覚的に示されます。最終製品は、粒子含有量を減らした土壌であり、静電除去された土壌を少量含むPOMを濃縮した。

ここで示した結果は、太平洋北西部の農業現場からのシルトローム土壌の分析に基づいています(表1)。土壌を0〜20cmまたは0〜30cmの深さまで採取し、40°Cで乾燥し、2mmふるいを通過し、ナイロン布で仕込まれたポリスチレン表面を用いて処理した。

試料から静電気的に除去される土の量は様々であった。土壌質量全体の約1%〜6%を除去した(表2)。全ての場合において、試料Cの除去総割合は、除去された土量よりも大きかった。また、静電除去土壌分率のC濃度とC:N比は、常に残りの土壌よりも大きかった。これらの因子は、この方法が不完全に分解された有機物の量を減少させたことを示している。

周囲の条件と、帯電面を生成するために使用される材料の組み合わせが結果に影響を与えた(表3)。静電除去法は、表面電荷が低いため、より湿度の高いラボ環境での効果が低くなると予想されます。静電気プロセスでは、すべての材料をできるだけ乾燥させる必要があります。ナイロンは、リンチレンペトリ皿と一緒に使用すると、最大の静電電荷12を製造する必要があるため、静電帯に適した材料です。あるいは、いくつかのタイプのポリスチレンフォームはガラスと組み合わせてうまく機能します。ガラス皿とポリスチレンフォームの組み合わせは、ガラス(皿)/綿またはポリスチレン(皿)/ナイロンの組み合わせよりも多くの土壌とCを除去しました。

表面充電に使用される材料に関係なく、静電処理は、土壌からCのより大きな割合を除去し、ガラス/フォームとの差は有意であったが、鉗子/ウィンノイング法と比較して低いC:N比でサンプルを製造した。比較的、浮遊は、残りのサンプルの最も低いC:N比および除去された分率の最大C:Nによって指摘されるように、サンプルから濃縮された粒子Cを除去する静電処理よりも効果的であった。

静電処理は、皿表面に引き付けられる微粒子の量の減少のために土壌のより大きな割合を除去し始めるにもかかわらず、何度も繰り返すことができます。処理エンドポイントの効果を調べるには、一連の3つの静電サンプルを同じ土壌サンプルから次々に集めて調べた(表4)。最初の治療はCの最大量を収集し、次の2つの治療は少なく収集されたが、両方とも残りの土壌と比較してCで非常に濃縮された。C:N比は、POMに対する土壌のより大きな割合を示す除去された分率で減少し、各連続ステップで除去した。

ポリスチレンペトリ皿を用いてES手順を行う場合、ポリスチレン皿表面の傷が見え、プラスチック皿からのCが土壌サンプルを汚染する可能性を示唆した。ES処理を洗浄に行った場合、ポリスチレン皿を用いたCフリーサンドは、同じES画分に対して4回の処理を繰り返してもES画分中に検出可能なCはなかった(データは示さなかった)。

最後に、53μmのスクリーンを通過した微細シルトサイズ分画から静電に除去できる粒子状物質の量を5つのシルトローム土壌で試験した(表5)。静電除去された分率は、粒子状有機物の濃縮をほとんど示さ示した。顕微鏡検査では、POMがこれらの土壌の<53 μmの割合(図1)に存在することを明らかにしますが、非常に少量です。微細な土壌分率(すなわち、<53 μm)が非常に少ないPOMを含む場合、その分画は静電処理の前に除去され、処理される土壌の量を減らすことができます。53 μmのような非常に細かいふるいの上に土壌をふるいにかける。ふるいの上部から土壌を取り除き、静電気処理のためにトレイに置くか、単にサンプルを広げるためのトレイとしてふるいを使用します。微分分(ふるいを通過した土壌)を、化学分析前に静電処理土壌に戻します。

表1:試験した土壌。 粒子状有機物除去のための静電プロセスを比較するために使用されるサンプルのリスト。

表2:代表的な除去率 静電除去された分率中の土量(除去)及び残りの土分率は、サンプル質量全体の割合として、また全サンプルCの割合として微粒子(残余)で減少した。また、C、N、C:Nの濃度も与えられます。推定POM C:Nは、剰余の濃度を超える除去された分率の計算されたC:Nを与えます。かっこ内の数字は平均の標準誤差です。分散分析は、CとC:N(p>0.0001未満のF)の両方で、除去が余りよりも大きいことを示した。反復は、値ごとのサンプルの反復の数を示します。静電分離は、細分(<53μm)をふるいにかける後、ナイロン布で満たされたポリスチレン皿で行った。

表3:テクニックの比較 静電誘引(ES)を用いた硫黄土壌からの粒子状有機物の除去、鉗子と空気(鉗子/winnow)を用いた可視粒子の手動除去、および1.7gcm-3でヨウ化ナトリウム溶液の浮揚。静電引力は、ナイロン布、または綿布またはポリスチレンフォームで満たされたガラス表面で満たされたポリスチレン皿で行われました。ガラス/フォームも加湿条件下で試験した。微粒子の手動除去は、薄く広がった土壌の表面に空気を穏やかに吹き付けて横に移動させ、鉗子で目に見える残留物を除去することによって行われた。データは 6 回の反復の平均です。共通の文字の後に続く手段は、有意性の5%レベルでTukeyテストに従って有意に異なっていません。

表 4: エンドポイントの調査 粒子状有機物を除去する3つの連続した静電処理の結果。ザツナ土壌からの3つのサンプルとリッツビルR、リッツビルE、ワラワラM土壌からそれぞれ1つの平均。53 μmの篩を通過する土壌分率は静電気処理前に除去され、別々に分析された。データは、括弧内に標準誤差を持つ6つの分析の平均です。C:N列のP=0.06の生成された分散の分析は、p<0.05での連続した治療間の有意な差を示す。

表5:微細な土壌分率中の粒子状有機物。 小麦の切り出しシステムから5つの土壌サンプルの微細分率(<53 μm)の静電微粒子除去試験。C および C:N では、削除済みと残余の分散の分析は有意ではありませんでした。C:N の差は、削除された分数では一貫して大きくならなかった。

図1:粒子状有機物の視覚的同定NT-AW土壌の顕微鏡画像(A)全体の土壌、(B)は、帯電ポリスチレン表面の分画、(C)<53μmの土壌分率、および<53μm分の土壌の水スラリーの表面に浮いた(D)材料を除去した。画像は50倍または100倍の倍率で撮影されました。複数の異なるフォーカルポイントで収集された画像は、スタックフォーカス機能プラグイン(https://imagej.nih.gov/ij/plugins/stack-focuser.html)を使用してImageJソフトウェア13で組み合わされました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

著者らは開示するものは何もない。