Elektrostatische methode om organisch materiaal van deeltjes uit de bodem te verwijderen

Samenvatting

Het verwijderen van recent afgezet en onvolledig afgebroken plantenmateriaal uit bodemmonsters vermindert de invloed van tijdelijke seizoensinputs op organische koolstofmetingen in de bodem. Aantrekkingskracht op een elektrostatisch geladen oppervlak kan worden gebruikt om snel een aanzienlijke hoeveelheid organisch deeltjesmateriaal te verwijderen.

Samenvatting

Schattingen van organische koolstof in de bodem zijn afhankelijk van bodemverwerkingsmethoden, waaronder verwijdering van niet-afgebroken plantaardig materiaal. Onvoldoende scheiding van wortels en plantaardig materiaal van de bodem kan leiden tot zeer variabele koolstofmetingen. Methoden om het plantmateriaal te verwijderen zijn vaak beperkt tot de grootste, meest zichtbare plantaardige materialen. In dit manuscript beschrijven we hoe elektrostatische aantrekkingskracht kan worden gebruikt om plantmateriaal uit een bodemmonster te verwijderen. Een elektrostatisch geladen oppervlak dat dicht bij droge grond wordt doorgegeven, trekt van nature zowel ongedecomposeerde als gedeeltelijk ontbonden plantendeeltjes aan, samen met een kleine hoeveelheid minerale en geaggregeerde grond. Het bodemmonster wordt in een dunne laag op een vlak oppervlak of een bodemzeef verspreid. Een plastic of glazen petrischaal wordt elektrostatisch opgeladen door te wrijven met polystyreenschuim of nylon of katoenen doek. De opgeladen schotel wordt herhaaldelijk over de grond gepasseerd. De schotel wordt vervolgens schoongeborsteld en opgeladen. Het opnieuw verspreiden van de grond en het herhalen van de procedure resulteert uiteindelijk in een afnemende opbrengst van deeltjes. Het proces verwijdert ongeveer 1 tot 5% van het bodemmonster en ongeveer 2 tot 3 keer dat aandeel in organische koolstof. Net als andere methoden voor het verwijderen van deeltjes is het eindpunt willekeurig en worden niet alle vrije deeltjes verwijderd. Het proces duurt ongeveer 5 minuten en vereist geen chemisch proces, net als dichtheidsflotatiemethoden. Elektrostatische aantrekkingskracht verwijdert consequent materiaal met een hogere dan gemiddelde C-concentratie en C:N-verhouding, en veel van het materiaal kan visueel worden geïdentificeerd als plantaardig of faunamateriaal onder een microscoop.

Inleiding

Nauwkeurige schattingen van organische koolstof in de bodem (SOC) zijn belangrijk bij het evalueren van veranderingen als gevolg van landbouwbeheer of het milieu. Fijnstof organisch materiaal (POM) heeft belangrijke functies in de ecologie en fysica van een bodem, maar het is vaak van korte duur en varieert op basis van verschillende factoren, waaronder seizoen, vochtomstandigheden, beluchting, monsterverzamelingstechnieken, recent bodembeheer, vegetatielevenscyclus en andere¹. Deze tijdelijk onstabiele bronnen kunnen schattingen van langetermijntrends in stabiele en echt afgezonderde organische koolstof in de bodem^{verwarren 2}.

Ondanks het feit dat POM goed gedefinieerd, gemeenschappelijk en belangrijk is, is pom niet gemakkelijk van de bodem te scheiden en is het ook niet gemakkelijk kwantitatief te meten. Organische deeltjes zijn gemeten als deeltjes die in vloeistoffen drijven (lichte fractie, meestal 1,4-2,2 g cm^-3), of zoals die welke naar grootte kunnen worden gescheiden (bv. > 53-250 μm of > 250 μm), of een combinatie van de twee^3,4,5. Zowel op grootte gebaseerde als op dichtheid gebaseerde technieken kunnen de kwantitatieve en chemische resultaten van POM-meting⁴beïnvloeden . Een zorgvuldige visuele inspectie van grond die met routinemethoden is gefractioneerd, onthult vaak lange, smalle structuren zoals wortels en stukjes blad of stengel die door het scherm zijn gegaan. Het is aangetoond dat het eenvoudig met de hand verwijderen van deze structuren de metingen van de totale SOC²,⁶ aanzienlijk vermindert, maar de methode is met name afhankelijk van de ijver en gezichtsscherpte van de exploitant. POM-scheiding van een bodemmonster omdat de lichte fractie tijdens flotatie in een dichte vloeistof⁷ niet alle POM vangt, en overmatig schudden tijdens het flotatieproces kan de hoeveelheid lichtfractie die uit een monster wordt teruggewonnen, daadwerkelijk verminderen⁸. Flotatie vereist vele stappen en stelt de bodem bloot aan chemische oplossingen die de chemische eigenschappen kunnen veranderen of kunnen oplossen en bestanddelen kunnen verwijderen die van belang kunnen zijn⁴.

Alternatieve methoden voor het verwijderen van POM zijn gebruikt om het gebruik van dichte waterige oplossingen te voorkomen of uit te breiden. Kirkby, et al.⁶ vergeleken lichte fractieverwijdering met behulp van twee flotatieprocedures met een droge zeef-/winnowingmethode⁹. Winnowing werd uitgevoerd door een lichte luchtstroom over een dunne laag grond te laten passeren om het licht voorzichtig weg te tillen van de zware fractie. De droge zeven/winnowing uitgevoerd op dezelfde manier als de twee flotatiemethoden met betrekking tot C, N, P en S inhoud; de auteurs suggereren echter dat droog zeven / winnowing "iets schonere" bodems produceerde⁶. POM is ook gescheiden van de bodem met behulp van elektrostatische aantrekkingskracht^10,11 waarin organische deeltjes worden geïsoleerd door een elektrostatisch geladen oppervlak boven de grond te passeren. De elektrostatische aantrekkingsmethode heeft pom, ook wel natuurlijke deeltjes genoemd, met succes teruggewonnen uit gedroogde, gezeefde (> 0,315 mm) bodems met statistische herhaalbaarheid vergelijkbaar met andere methoden van grootte- en dichtheidsfractie¹⁰.

Hier laten we zien hoe elektrostatische aantrekkingskracht kan worden gebruikt om POM van groottes variërend van zichtbaar tot microscopisch te verwijderen. In tegenstelling tot andere gerapporteerde methoden verwijdert elektrostatische aantrekkingskracht van fijne grond ook een klein deel minerale en geaggregeerde grond die zichtbaar lijkt op de resterende grond. Gezien onze resultaten tot nu toe is het redelijk om aan te nemen dat het verwijderen van een klein deel van de niet-POM-grond geen substantieel effect zal hebben op de downstreamanalyses; deze veronderstelling moet echter voor een specifieke bodem worden geverifieerd als grote delen van het totale bodemmonster elektrostatisch worden verwijderd. De hier gegeven methoden en voorbeelden werden uitgevoerd op slib leem löss bodems uit een semi-droge omgeving.

Deze methode is misschien niet geschikt voor alle grondsoorten, maar heeft als voordeel dat het snel en efficiënt is in het verwijderen van deeltjes organisch materiaal dat te klein is om handmatig of door een luchtstroom te verwijderen. Processnelheid is belangrijk bij het verminderen van vermoeidheid, het waarborgen van consistentie en het aanmoedigen van meer replicatie voor een betere nauwkeurigheid van conclusies. Bovendien is het vermogen om zeer kleine deeltjes te verwijderen belangrijk om bias naar bodems met grotere in plaats van kleine deeltjesgroottes te voorkomen.

Protocol

1. Bodemvoorbereiding

1. Verzamel bodemmonsters tot de gewenste diepte. Droog de grond grondig bij 40 °C of volg labspecifieke standaardprotocollen.
2. Zeef de grond door grondzeven van de juiste grootte om ongeveer 10-25 g gezeefde grond te verkrijgen. Veel studies gebruiken een zeef van 1 of 2 mm. De hoeveelheid grond is gebaseerd op de massa die nodig is voor de downstreamanalyses en heeft invloed op het aantal keren dat de elektrostatische verwijderingsstap moet worden herhaald.
3. Plaats de grond in een schone, droge metalen of glazen pan met platte bodem die groot genoeg is om de grond dun te verspreiden (met een diameter van ten minste 20 cm). Schud de pan voorzichtig horizontaal om de grond gelijkmatig in een zo dun mogelijke laag te verdelen.

2. Laad een elektrostatisch oppervlak op

1. Houd een glas met een diameter van 100 mm of een petrischaaltje met een diameter van 100 mm in één hand en wrijf het buitenoppervlak meerdere keren krachtig in met een schoon stuk nylondoek, katoenen doek of polystyreenschuim. Voer het opladen van het oppervlak uit de buurt van het monster uit om te voorkomen dat stoffragmenten in het monster worden geïntroduceerd.
2. Inspecteer het oppervlak van de Petrischaal om er zeker van te zijn dat deze schoon is.

3. Verwijder organisch materiaal van deeltjes

1. Verlaag het opgeladen oppervlak tot 0,5 cm tot 2 cm boven de grond en beweeg het horizontaal om zoveel mogelijk deeltjes op te nemen. Aantrekkingskracht op het oppervlak kan visueel en hoorbaar worden opgemerkt.
2. Wanneer de Petrischaal geen extra deeltjes meer aantrekt, verplaatst u de schaal uit de buurt van het monster.

4. Reinig het elektrostatische oppervlak

1. Houd het opgeladen oppervlak boven een opvangschaal en gebruik een fijne borstel om het elektrostatisch aangetrokken materiaal van het petrischaaloppervlak in de opvangschaal over te brengen. Een camel hairbrush werkt goed.

5. Herhaal dit totdat de opbrengst van deeltjes afneemt

1. Herhaal stap 2 tot en met 4 totdat het aantal opgepikte organische stofdeeltjes afneemt. Herverdeel het bodemmonster door horizontaal schudden van de grondpan om nieuw materiaal aan het oppervlak bloot te leggen en elektrostatische verzameling voort te zetten.
   OPMERKING: Het eindpunt is willekeurig en hangt af van het oordeel van de onderzoeker. Inspectie van het geladen oppervlak na blootstelling aan de bodem geeft een visuele indicatie of er nog een aanzienlijke hoeveelheid organische deeltjes uit de bodem wordt verwijderd. De eindproducten zijn grond met een verlaagd deeltjesgehalte en geconcentreerde POM die een kleine hoeveelheid elektrostatisch verwijderde grond bevat.

Resultaten

De hier gepresenteerde resultaten zijn gebaseerd op de analyse van slib leembodems van landbouwlocaties in het noordwesten van de Stille Oceaan (tabel 1). Bodems werden verzameld tot een diepte van 0-20 cm of 0-30 cm, gedroogd bij 40 °C, door een zeef van 2 mm en behandeld met een polystyreenoppervlak geladen met een nylon doek.

De hoeveelheid grond die elektrostatisch uit een monster is verwijderd, varieerde. O...

Discussie

De elektrostatische aantrekkingsmethode was effectief bij het verwijderen van POM uit de slib leembodems. De hier beschreven methode verschilt enigszins van Kaiser, et al.¹⁰ die een combinatie van glas/katoen gebruikten. We behandelden alles behalve de fijnste bodemfractie en gebruikten polystyreen in plaats van glas vanwege het tribo-elektrische verschil, dat voor polystyreen / nylon 100 nC / J is in vergelijking met glas / katoen bij 20 nC / J¹². Glas en polystyreenschuim...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
kwast, kamelenhaar
petrischaal, glas of kunststof
polystyreenschuim, katoen of nylon doek
grond
grondzeefjes