Artykuł metodologiczny

Poprawa charakterystyki materii organicznej gleby za pomocą spektroskopii w podczerwieni za pomocą odejmowania spektralnego

DOI:

10.3791/57464

⸱

10 stycznia 2019

 ,  , 
1Department of Crop Sciences, University of Illinois Urbana-Champaign, 2Department of Land, Air and Water Resources, University of California Davis, 3Central Great Plains Resources Management Research, USDA ARS

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

SOM leży u podstaw wielu funkcji i procesów glebowych, ale jego charakterystyka za pomocą spektroskopii FTIR jest często kwestionowana przez zakłócenia mineralne. Opisana metoda może zwiększyć użyteczność analizy SOM za pomocą spektroskopii FTIR poprzez odejmowanie zakłóceń mineralnych w widmach glebowych za pomocą empirycznie uzyskanych widm referencyjnych minerałów.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Materia organiczna gleby (SOM) leży u podstaw wielu procesów i funkcji gleby. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) wykrywa aktywne w podczerwieni wiązania organiczne, które stanowią organiczny składnik gleby. Jednak stosunkowo niska zawartość materii organicznej w glebach (zwykle < 5% masy) oraz nakładanie się absorbancji mineralnych i organicznych grup funkcyjnych w obszarze średniej podczerwieni (MIR) (4 000-400 cm-1) powoduje znaczną interferencję ze strony dominujących absorbancji minerałów, utrudniając lub nawet uniemożliwiając interpretację widm dla charakterystyki SOM. Odejmowanie spektralne, czyli matematyczne traktowanie widm post hoc, może zmniejszyć interferencję minerałów i zwiększyć rozdzielczość obszarów widmowych odpowiadających organicznym grupom funkcyjnym poprzez matematyczne usunięcie absorbancji minerałów. Wymaga to wzbogaconego minerałami widma referencyjnego, które można empirycznie uzyskać dla danej próbki gleby poprzez usunięcie SOM. Widmo referencyjne wzbogacone w minerały odejmuje się od pierwotnego (niepoddanego obróbce) widma próbki gleby w celu uzyskania widma reprezentującego absorbancję SOM. Typowe metody usuwania SOM obejmują spalanie w wysokiej temperaturze ("spopielanie") i utlenianie chemiczne. Wybór metody usuwania SOM wiąże się z dwoma względami: (1) ilością usuniętego SOM oraz (2) artefaktami absorbancji w mineralnym spektrum odniesienia, a tym samym wynikowym widmem odejmowania. Te potencjalne problemy mogą i powinny być identyfikowane i kwantyfikowane w celu uniknięcia błędnych lub tendencyjnych interpretacji widm dla składu organicznych grup funkcyjnych SOM. Po usunięciu SOM otrzymana próbka wzbogacona w minerały jest wykorzystywana do zebrania mineralnego widma referencyjnego. Istnieje kilka strategii wykonywania odejmowania w zależności od celów eksperymentu i charakterystyki próby, w szczególności określania współczynnika odejmowania. Uzyskane widmo odejmowania wymaga starannej interpretacji w oparciu o wyżej wymienioną metodologię. W przypadku wielu próbek gleby i innych próbek środowiskowych zawierających znaczne składniki mineralne, odejmowanie ma duży potencjał w zakresie poprawy spektroskopowej charakterystyki składu materii organicznej FTIR.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Materia organiczna gleby (SOM) jest drugorzędnym składnikiem masowym w większości próbek gleby, ale jest związana z wieloma właściwościami i procesami leżącymi u podstaw funkcji gleby, takimi jak obieg składników odżywczych i sekwestracja węgla1. Scharakteryzowanie składu SOM jest jednym z kilku podejść do powiązania powstawania i obrotu SOM z jego rolą (rolami) w funkcjach gleby2,3. Jedną z metod charakteryzowania składu SOM jest spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), która umożliwia detekcję grup funkcyjnych tworzących materię organiczną w glebach i innych próbkach środowiskowych (np. karboksylowy C-O, alifatyczny C-H)4. Jednak przydatność spektroskopii FTIR do ujawniania składu grup funkcyjnych SOM jest kwestionowana przez dominujący składnik mineralny dla większości gleb (zwykle > 95% masy) ze względu na silne absorbancje nieorganiczne, które utrudniają lub poważnie ograniczają wykrywanie i interpretację absorbancji organicznych.

Odejmowanie spektralne oferuje sposób na poprawę spektroskopowej charakterystyki FTIR materii organicznej w próbkach gleby. Odejmowanie absorbancji mineralnych od widma glebowego może być wykorzystane do zwiększenia absorbancji organicznych grup funkcyjnych będących przedmiotem zainteresowania w analizie składu SOM

(Rysunek 1).

Zalety odejmowania spektralnego w porównaniu ze standardową spektroskopią FTIR (tj. widmami glebowymi) obejmują:

(i) Poprawiona rozdzielczość i interpretacja pasm absorbancji organicznej w porównaniu do normalnych widm gleby. Chociaż interpretację pasm organicznych w widmach glebowych można przeprowadzić, zakładając, że względne różnice w absorbancji wynikają z różnic w organicznych grupach funkcyjnych, ogranicza to porównania do próbek o tej samej mineralogii i stosunkowo wysokiej zawartości SOM i może być mniej wrażliwe na zmiany w pasmach organicznych, nawet tych uważanych za stosunkowo wolne od minerałów (np. alifatyczne rozciąganie C-H)5

(ii) Analiza gleb poza próbkami o wysokiej zawartości SOM lub ekstraktami lub frakcjami wzbogaconymi w materię organiczną

(iii) Podkreślanie zmian wywołanych przez eksperymentalne zabiegi od mezokosmosu do skal terenowych6

Dodatkowe zastosowania odejmowania spektralnego w analizie FTIR SOM obejmują uzupełnianie charakterystyk strukturalnych i molekularnych (np. spektroskopia NMR, spektrometria masowa)5,7, identyfikując skład SOM usunięty przez ekstrakcję lub niszczące frakcjonowanie8, oraz odcisk palca kompozycji SOM do celów kryminalistycznych9. Metoda ta ma zastosowanie do szerokiej gamy mieszanek mineralno-organicznych poza glebami, w tym sediment10, peat11 i coal12,13.

Potencjał odejmowania spektralnego dla poprawy charakterystyki spektroskopowej FTIR SOM jest demonstrowany na przykładach usuwania materii organicznej w celu uzyskania mineralnych widm referencyjnych, a następnie, korzystając z tych mineralnych widm referencyjnych, wykonywania i oceny idealnych i nieidealnych odejmowań spektralnych. Ta demonstracja koncentruje się na widmach transformaty Fouriera w podczerwieni (DRIFT) z rozproszonym odbiciem zebranym w obszarze średniej podczerwieni (MIR, 4 000 - 400 cm-1), ponieważ jest to szeroko rozpowszechnione podejście do analizy próbek gleby4.

Dwie przykładowe metody usuwania SOM w celu uzyskania wzbogaconego minerałami spektrum referencyjnego to (i) spalanie w wysokiej temperaturze ("spopielanie") oraz (ii) utlenianie chemiczne przy użyciu rozcieńczonego podchlorynu sodu (NaOCl). Należy zauważyć, że są to przykłady powszechnie stosowanych metod usuwania SOM, a nie zalecenia nakazowe. Inne metody usuwania SOM mogą oferować zmniejszenie ilości artefaktów mineralnych i/lub zwiększenie szybkości usuwania (np. spopielanie w niskiej temperaturze)14. Popielanie wysokotemperaturowe było jedną z pierwszych metod stosowanych do uzyskiwania widm referencyjnych wzbogaconych minerałami do wykonywania odejmowania, początkowo dla próbek wzbogaconych w OM pochodzących z gleb (np. rozpuszczona materia organiczna, ściółka)15,16, a następnie jego zastosowanie do masowych próbek gleby17,18. Przykładowe utlenianie chemiczne użyte do usunięcia SOM jest oparte na metodzie utleniania NaOCl opisanej przez Anderson19. Został on pierwotnie opracowany jako obróbka wstępna do usuwania materii organicznej z próbek gleby przed analizą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i został zbadany jako potencjalne frakcjonowanie chemiczne wrażliwe na stabilizację SOM20,21. Zarówno usuwanie w wysokiej temperaturze, jak i utlenianie chemiczne przy użyciu NaOCl mogą pociągać za sobą artefakty specyficzne dla gleby i mieć ograniczenia w interpretacji spektralnej, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze metody usuwania SOM14,22.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie gleby do niepoddanej działaniu spektroskopii DRIFT i usunięcia SOM

  1. Przesiać glebę do < 2 mm za pomocą siatki ze stali nierdzewnej ("frakcja drobnoziemna").
    UWAGA: W tej demonstracji wykorzystano dwie gleby o podobnej teksturze, ale prawie 3-krotnej różnicy w całkowitej zawartości SOM (Tabela 1).

2. Usuwanie SOM przez utlenianie chemiczne: Przykład NaOCl

  1. Dostosuj pH 6% w/v NaOCl do pH 9,5, dodając kroplami 1 M HCl do roztworu, mieszając i mierząc za pomocą pH-metru.
    UWAGA: Większość dostępnych na rynku wybielaczy (np. Clorox) jest odpowiednia pod względem jakości i stężenia (zwykle 3-7% NaOCl v/v), ale będzie miała pH > 12. Ponieważ utlenianie NaOCl materii organicznej jest zależne od pH, a pH 9,5 jest zalecane do jego stosowania z próbkami gleby19,23, konieczne jest dostosowanie pH większości dostępnych na rynku wybielaczy.
  2. Dodać 25 ml NaOCl (6% w/v, pH 9,5) do 4 g gleby (przesianej, suszonej na powietrzu) w stożkowej probówce o pojemności 50 ml i wymieszać przez sonikację (600 s, częstotliwość wyjściowa 20 kHz, moc 200 W).
  3. Inkubować mieszaninę w gorącej łaźni wodnej (15 min, 80 °C) w celu zwiększenia szybkości utleniania.
  4. Odwirować w celu uzyskania klarownego supernatantu (np. 15 minut w temperaturze 4 000 × g dla gleb o grubej teksturze; temperatura pokojowa). Ręcznie zdekantować supernatant do pojemnika na odpady.
    UWAGA: Stężenie NaOCl w supernatancie (ostrożnie zakładając brak utleniania, a tym samym brak zużycia NaOCl) jest takie samo jak dostępny na rynku wybielacz do użytku domowego. Gleby o drobniejszej teksturze mogą wymagać dłuższego czasu wirowania (np. do dodatkowych 15-30 min) przy danej prędkości wirówki (np. 4 000 × g) w celu uzyskania klarownego supernatantu.
  5. Powtórz kroki 2.3 i 2.4 dwukrotnie, co daje w sumie trzy etapy utleniania.
  6. Po ostatnim etapie utleniania dodać 20 ml dejonizowanegoH2O(dH2O) do gleby i mieszać przez 5 minut za pomocą wytrząsarki poziomej (120 obr./min). Wirować przez 15 minut w temperaturze 4 000 × g i temperaturze pokojowej. Powtórz w sumie trzy zabiegi.
  7. Za pomocą szpatułki i dH2O z butelki ze spryskiwaczem, w razie potrzeby, ekstrahuj i wypłucz granulki gleby z dna probówki wirówkowej do plastikowej łodzi wagowej (lub innego pojemnika o dużej powierzchni). Wysuszyć w suszarce (maksymalnie 60 °C, 48 godzin) do stanu wysuszonego na powietrzu.
  8. Po wysuszeniu próbki gleby określ ilościowo całkowitą zawartość węgla organicznego za pomocą chromatografii gazów spalinowych przy użyciu analizatora C/N24. Obliczać Usuwanie SOM jako różnica w stężeniu węgla organicznego przed i po utlenianiu.
    UWAGA: Ze względu na utratę materii organicznej i struktury gleby gleba będzie podatna na zaskorupianie, w szczególności na glebach o niskiej zawartości piasku. Może być konieczne zastosowanie delikatnego nacisku i/lub ręcznego mielenia w celu ponownej homogenizacji zaskorupiałej gleby. Gleby z węglem nieorganicznym (tj. węglanami) wymagają dodatkowych etapów ilościowego oznaczania węgla organicznego metodą chromatografii gazów spalinowych25,26.

3. Usuwanie SOM przez spalanie w wysokiej temperaturze

  1. Odmierz ~1-2 g ziemi (przesianej, wysuszonej na powietrzu) do porcelanowego tygla za pomocą szpatułki.
  2. Ogrzewać w temperaturze 550 °C przez 3 godziny za pomocą pieca muflowego.
    UWAGA: Jest to przykładowa metoda usuwania SOM za pomocą spalania w stosunkowo wysokiej temperaturze. Patrz Dyskusja na temat alternatywnych procedur (np. temperatury).

4. Spektroskopia DRIFT

UWAGA: W tym przykładzie zostanie użyte oprogramowanie spektrometru FTIR wymienione w Tabeli Materiałów.

  1. Pozyskanie widm niepoddanej działaniu środka gleby i próbki referencyjnej wzbogaconej w minerały (poddanej obróbce w celu usunięcia SOM).
    1. Przygotuj próbki gleby.
      1. Rozcieńczyć próbki (opcjonalnie).
        1. Użyć KBr (lub innej soli halogenkowej) o czystości analitycznej, wysuszonej w temperaturze 105 °C i przechowywanej w eksykatorze w celu usunięcia wilgoci resztkowej. W przypadku próbek glebowych skuteczne rozcieńczenia KBr można osiągnąć w zakresie 1-33%, w przeciwieństwie do < 1% w przypadku czystych związków.
        2. Wymieszaj glebę i KBr, aby uzyskać ostateczną wielkość próbki 100-400 mg. Na przykład, aby uzyskać 3% rozcieńczenie, delikatnie zmielić 12 mg suchej próbki z 60 mg KBr przez 60 s za pomocą moździerza agatowego i tłuczka. Następnie należy dodać 328 mg KBr, aby w pełni zhomogenizować próbkę.
        3. Stosować seryjne rozcieńczenia KBr, aby uzyskać wysoką końcową szybkość rozcieńczenia (< 1%). Wykonaj powtórzone rozcieńczenia, aby zapewnić odtwarzalność, zwłaszcza że rozcieńczone próbki zużywają 101-10 2 mniej gleby niż czyste próbki.
      2. Próbki gleby poddanej obróbce i poddanej obróbce zmielić do podobnej konsystencji przez ręczne mielenie i przesiewanie (np. 250 μm przy użyciu sita 60#).
        UWAGA: W porównaniu ze szlifowaniem ręcznym, większą konsystencję ułatwia automatyzacja, w szczególności mielenie kulowe. Jednak stosunkowo niewielka ilość ziemi używanej do usuwania SOM (np. 1-3 g do spopielania ze względu na objętość tygla) oznacza, że mielenie ręczne może być bardziej praktyczne.
    2. Zbierz widmo tła.
      1. Załadować próbkę KBr (zmieloną w taki sam sposób jak próbki gleby (patrz 4.1.1.2) w celu naśladowania efektów matrycy glebowej) do kubka na próbkę lub płytki.
        UWAGA: "Widmo tła" różni się od widma odniesienia wzbogaconego w minerały (patrz 4.1.3) używanego do wykonywania odejmowania. Widmo tła zostanie wykorzystane przez oprogramowanie do usunięcia absorbancji atmosferycznych i innych absorbancji otoczenia podczas zbierania widm na próbkach gleby. Wszystkie opisy oprogramowania są specyficzne dla wybranego oprogramowania i będą musiały zostać dostosowane do innego oprogramowania.
      2. Przedmuchnąć komorę spektrometru powietrzem szorowanym CO2 i H2O (za pomocą generatora gazu przedmuchującego) lub gazemN2 w celu uzyskania większej spójności w warunkach zbierania. Na przykład zbieranie widm w atmosferze otoczenia może pociągać za sobą niewielkie wahania wilgotności i CO2 , które mogą powodować zmiany w widmach absorbancji.
        UWAGA: Nowsze spektrometry mogą mieć lustra (np. złote, SiC), które mogą potencjalnie zmniejszyć wpływ wilgotności.
      3. Zbierz widmo tła przy użyciu tych samych ustawień detektora i parametrów akwizycji, w tym liczby skanowania, zakresu liczby falowej i rozdzielczości, które będą używane do zbierania widm próbek.
        1. Otwórz menu rozwijane Eksperyment i wybierz żądaną eksperymentalną metodę zbierania (np. tryb akwizycji).
          UWAGA: W tym przykładzie przy użyciu wybranego spektrometru (patrz Tabela materiałów), wybraną metodą jest komora główna iS50.
        2. Kliknij ikonę Konfiguracja eksperymentalna, aby wybrać parametry akwizycji spektralnej.
        3. Na karcie Collect sprawdź, czy liczba skanów i rozdzielczość są odpowiednie dla celów eksperymentalnych; na przykład typowym ustawieniem dla widm DRIFT czystych gleb jest 128 skanów w rozdzielczości 4 cm-1. Kliknij przycisk OK, aby zapisać zmiany.
        4. Kliknij ikonę Zbierz tło, aby zebrać widmo tła. Zachowaj widmo tła do wykorzystania w zbieraniu widm gleb (poddanych działaniu środka i nieoczyszczonych).
    3. Pozyskaj widma próbek gleby.
      UWAGA: Użyj tych samych parametrów akwizycji, aby zebrać widma tła i próbki (gleba niepoddana obróbce, gleba wzbogacona w minerały). Różnice między detektorami pod względem czasu akwizycji i rozdzielczości stanowią kompromisy, które wpływają na czas zbierania i jakość widma. Typowe numery skanów dla widm gleby wahają się od 128 do 512 skanów. Liczba skanów może zostać zmniejszona, a powtórzenia uśrednione, aby uzyskać całkowitą docelową liczbę skanów. Na przykład dwie kontrpróby analityczne - tę samą próbkę załadowaną do dwóch oddzielnych studzienek - można zebrać za pomocą 64 skanów każdy i uśrednić do łącznej liczby 128 skanów.
      1. Załadować próbkę gleby. Aby zapewnić równomierne obciążenie i zminimalizować chropowatość powierzchni, wlej próbki do kubka na próbkę (lub studzienki) do punktu nieznacznego przepełnienia powyżej krawędzi lub krawędzi kubka. Następnie wygładź powierzchnię gleby w kubku za pomocą płaskiej krawędzi (np. brzytwy) tak, aby wysokość próbki gleby w kubku była zlicowana z krawędzią kubka.
        UWAGA: Ze względu na interakcję światła podczerwonego z matrycą, taką jak gleba, w trybie odbicia rozproszonego, obciążenie próbki może wpływać na widma DRIFT. Próbki nie powinny być ubijane ani poddawane ciśnieniu, ponieważ gęstość upakowania może wpływać na absorbancję. Drobniejsza wielkość cząstek w próbkach zapewnia większą łatwość wygładzania powierzchni (patrz 4.1.2.1). W zależności od modelu spektrometru i gęstości próbki, masa próbki potrzebna do napełnienia kubka na próbkę będzie wynosić od 300 do 600 mg. W przypadku studni płytkowych zależy to również od wielkości studni. Płytki z większą liczbą dołków będą miały mniejsze dołki i dlatego będą wymagały mniejszej próbki. Na przykład płytki 96-dołkowe mają zwykle objętość studzienki 360 μl, podczas gdy płytki 24-dołkowe mają objętość studzienki 3,4 ml.
      2. Zbierz widma próbek gleby niepoddanej działaniu środka i poddanej obróbce. Najpierw sprawdzić, czy wykorzystano widmo tła zebrane wcześniej (patrz 4.1.2.3.4). Kliknij opcję Konfiguracja eksperymentalna. Na karcie Zbieranie wybierz opcję Użyj określonego pliku tła i załaduj plik widma tła. Kliknij przycisk OK, aby zapisać zmiany. Aby rozpocząć zbieranie spektralne na glebie, kliknij przycisk Collect Sample.
        UWAGA: Ponownie załaduj tę samą próbkę do innego dołka lub kubka na próbkę, aby zebrać widma repliki w celu uwzględnienia artefaktów rozpraszania powstałych w wyniku chropowatości powierzchni i zmienności gęstości matrycy.
  2. Wykonaj odejmowanie spektralne.
    UWAGA: Współczynnik odejmowania (SF) waży stopień, w jakim absorbancja w widmie odniesienia minerału jest odejmowana od absorbancji przy odpowiedniej liczbie falowej w widmie gleby niepoddanej obróbce. W przypadku odejmowania skoncentrowanego na poprawie rozdzielczości absorbancji organicznych w celu scharakteryzowania SOM, zaleca się wykorzystanie całego MIR zapewnianego przez większość spektrometrów (np. 4,000 do 650 lub 400 cm-1, w zależności od detektora). W kolejnych krokach opisano empiryczną metodę wyznaczania SF. Wszystkie opisy oprogramowania są specyficzne dla wybranego oprogramowania i będą musiały zostać dostosowane do innego oprogramowania.
    1. Wyzeruj piki za pomocą opcji odejmowania w oprogramowaniu w celu zmiany współczynnika odejmowania (SF) w celu zminimalizowania lub zmniejszenia docelowych pików minerałów i/lub pików minerałów i/lub maksymalizacji liniowej linii bazowej14.
    2. Jednocześnie wybierz widma gleby niepoddanej działaniu środka i poddanej obróbce i kliknij ikonę Odejmij (górny środek ekranu); Pierwsze wybrane widmo (gleba niepoddana działaniu środka) będzie widmem, od którego zostanie odjęte drugie widmo (gleba poddana działaniu środka).
    3. Użyj pionowego paska przełączania lub strzałek, aby zwiększyć lub zmniejszyć SF (po lewej stronie ekranu). Obserwuj zmiany w podglądanym widmie odejmowania.
      1. Użyj tej funkcji iteracyjnej, aby określić odpowiednią SF zgodnie z opisem w sekcji Reprezentatywne wyniki. Liczbowa wartość SF pojawia się na środku paska przełączania. Aby dostosować zakres wartości SF, użyj przycisków Drobniejszy i Grubszy.
    4. Kliknij przycisk Dodaj (prawy górny róg ekranu), aby załadować obliczone widmo odejmowania do okna.
      UWAGA: Ponieważ większość absorbancji minerałów nie jest liniowa ze stężeniem w większości (jeśli nie we wszystkich) próbkach gleby, zwykle nie jest możliwe usunięcie wszystkich pików mineralnych. Zaleca się, aby piki mineralne uważane za mniej podatne na inwersję (np. kwarcowy Si-O na wysokości 2,100-1,780 cm-1)14 były używane jako pik docelowy do zera poprzez dostosowanie SF.
    5. Zapisz i podaj szczegóły metodologiczne dotyczące sposobu przeprowadzenia odejmowania z wystarczającą szczegółowością, aby umożliwić niezależne obliczenie tego samego widma odejmowania od widma gleby niepoddanej działaniu substancji, w tym: (1) obszar liczby falowej użyty do odejmowania, (2) SF lub zakres użytych SF oraz (3) pik (mineralny) lub region przeznaczony do zerowania.
      UWAGA: Dobrym testem niezawodności odejmowania jest wykonanie go ponownie przez tego samego użytkownika i/lub niezależnie przez innego użytkownika przy użyciu zgłoszonych parametrów odejmowania.
  3. Zinterpretuj widma.
    1. Wykonaj interpretację spektralną, korzystając z różnych dostępnych zasobów do analizy i interpretacji wynikowych widm odejmowania, w szczególności przypisań absorbancji do organicznych grup funkcyjnych4.
      UWAGA: Inne zastosowania widm odejmowania obejmują analizę wielowymiarową (np. analizę głównych składowych), chemometryczne przewidywanie analitów glebowych27, a nawet kryminalistyczne odciski palców9.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metoda usuwania SOM ma praktyczne i teoretyczne implikacje dla interpretacji widm odejmowania. Na przykład zmiany minerałów spowodowane spopielaniem w wysokiej temperaturze mogą objawiać się ubytkami lub pojawieniem się pików i/lub przesuniętymi lub poszerzonymi pikami w widmie referencyjnym minerałów. Te artefakty spektralne są podatne na występowanie w regionach nakładania się z pasmami organicznymi na wysokości 1,600-900 cm-1,22 kompromitująca interpr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Metoda usuwania SOM wiąże się z dwoma czynnikami: 1) ilością usuniętego SOM oraz 2) artefaktami absorbancji w wynikowym mineralnym widmie odniesienia. Na szczęście jest to możliwe – i prawdopodobnie konieczne – zidentyfikowanie i uszeregowanie tych problemów, aby uniknąć tendencyjnych interpretacji składu SOM na podstawie wynikowego spektrum odejmowania. Idealnie byłoby, gdyby odejmowanie spektralne wykorzystywało widmo referencyjne tylko dla minerałów, aby uzyskać widmo "czystego" SOM. W rzeczywistości uzyskane widmo od...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Doceniamy wskazówki od dr Randy'ego Southarda na temat utleniania NaOCl i różne dyskusje na temat odejmowania widmowego z dr Fungai F.N.D. Mukome.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Spektrometr Nicolet iS50Thermo Fisher Scientific912A0760spektrometr podczerwieni służący do zbierania widm
EasiDiffPike Technologies042-1040wysokoprzepustowy uchwyt na próbki
OMNICThermo Fisher ScientificINQSOF018oprogramowanie służące do wykonywania odejmowania
6% v/v podchloryn soduCloroxn/aZwykły wybielacz kupiony w sklepie do oksydacyjnego usuwania materii organicznej z gleby
Piec typu 47900 PiecVWR International30609-748do spopielania gleb w celu usunięcia materii organicznej z gleby
Tygle Gooch VWR, porcelana Tygle VWR International89038-038do spopielania
VWR Probówka 50 ml Sterylna CS500 VWR International89004-364do podchlorynu sodu
Piec z wymuszonym obiegiem powietrzaVWR International89511-414do suszenia gleb po utlenianiu i myciu wodą
Miernik pH VersaStarFisher Scientific13 645 573do pomiaru pH roztworu utleniającego
muflowy

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  2. Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth. Environmental Science & Technology. 50 (4), 1670-1680 (2016).
  3. Kallenbach, C. M., Frey, S. D., Grandy, A. S. Direct evidence for microbial-derived soil organic matter formation and its ecophysiological controls. Nature Communications. 7, 13630(2016).
  4. Parikh, S. J., Goyne, K. W., Margenot, A. J., Mukome, F. N. D., Calderón, F. J. Advances in Agronomy. 126, Academic Press. 1-148 (2014).
  5. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 71 (7), 1506-1518 (2017).
  6. Calderón, F. J., Benjamin, J., Vigil, M. F. A Comparison of Corn (Zea mays L.) Residue and Its Biochar on Soil C and Plant Growth. PLoS ONE. 10 (4), e0121006(2015).
  7. Veum, K., Goyne, K., Kremer, R., Miles, R., Sudduth, K. Biological indicators of soil quality and soil organic matter characteristics in an agricultural management continuum. Biogeochemistry. 117 (1), 81-99 (2014).
  8. Cheshire, M. V., Dumat, C., Fraser, A. R., Hillier, S., Staunton, S. The interaction between soil organic matter and soil clay minerals by selective removal and controlled addition of organic matter. European Journal of Soil Science. 51 (3), 497-509 (2000).
  9. Cox, R., Peterson, H., Young, J., Cusik, C., Espinoza, E. The forensic analysis of soil organic by FTIR. Forensic science international. 108 (2), 107-116 (2000).
  10. Padilla, J. E., et al. Diffuse-reflectance mid-infrared spectroscopy reveals chemical differences in soil organic matter carried in different size wind eroded sediments. Aeolian Research. 15 (0), 193-201 (2014).
  11. Artz, R. R. E., et al. FTIR spectroscopy can be used as a screening tool for organic matter quality in regenerating cutover peatlands. Soil Biology and Biochemistry. 40 (2), 515-527 (2008).
  12. Painter, P. C., Coleman, M. M., Jenkins, R. G., Walker, P. L. Jr Fourier transform infrared study of acid-demineralized coal. Fuel. 57 (2), 125-126 (1978).
  13. Painter, P. C., Snyder, R. W., Pearson, D. E., Kwong, J. Fourier transform infrared study of the variation in the oxidation of a coking coal. Fuel. 59 (5), 282-286 (1980).
  14. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Parikh, S. J. Limitations and Potential of Spectral Subtractions in Fourier-Transform Infrared Spectroscopy of Soil Samples. Soil Science Society of America Journal. 80 (1), 10-26 (2015).
  15. Chefetz, B., Hader, Y., Chen, Y. Dissolved Organic Carbon Fractions Formed during Composting of Municipal Solid Waste: Properties and Significance. Acta hydrochimica et hydrobiologica. 26 (3), 172-179 (1998).
  16. Haberhauer, G., Rafferty, B., Strebl, F., Gerzabek, M. H. Comparison of the composition of forest soil litter derived from three different sites at various decompositional stages using FTIR spectroscopy. Geoderma. 83 (3), 331-342 (1998).
  17. Sarkhot, D. V., Comerford, N. B., Jokela, E. J., Reeves, J. B., Harris, W. G. Aggregation and Aggregate Carbon in a Forested Southeastern Coastal Plain Spodosol. Soil Sci. Soc. Am. J. 71 (6), 1779-1787 (2007).
  18. Calderón, F. J., Reeves, J. B., Collins, H. P., Paul, E. A. Chemical Differences in Soil Organic Matter Fractions Determined by Diffuse-Reflectance Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci Soc. Am. J. 75 (2), 568-579 (2011).
  19. Anderson, J. U. An improved pretreatment for mineralogical analysis of samples containing organic matter. Clays and Clay Minerals. 10 (3), 380-388 (1963).
  20. Zimmermann, M., Leifeld, J., Abiven, S., Schmidt, M. W. I., Fuhrer, J. Sodium hypochlorite separates an older soil organic matter fraction than acid hydrolysis. Geoderma. 139 (1-2), 171-179 (2007).
  21. Aoyama, M. DRIFT spectroscopy combined with sodium hypochlorite oxidation reveals different organic matter characteristics in density-size fractions of organically managed soils. Canadian Journal of Soil Science. , 1-11 (2016).
  22. Reeves, J. B. III Mid-infrared spectral interpretation of soils: Is it practical or accurate? Geoderma. 189 (0), 508-513 (2012).
  23. Cavallaro, N., McBride, M. B. Effect of selective dissolution on charge and surface properties of an acid soil clay. Clays clay miner. 32, 283-290 (1984).
  24. Yeomans, J. C., Bremner, J. M. Carbon and nitrogen analysis of soils by automated combustion techniques. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 22 (9-10), 843-850 (1991).
  25. Harris, D., Horwáth, W. R., van Kessel, C. Acid fumigation of soils to remove carbonates prior to total organic carbon or CARBON-13 isotopic analysis. Soil Science Society of America Journal. 65 (6), 1853-1856 (2001).
  26. Wang, X., Wang, J., Zhang, J. Comparisons of Three Methods for Organic and Inorganic Carbon in Calcareous Soils of Northwestern China. PLOS ONE. 7 (8), e44334(2012).
  27. Kamau-Rewe, M., et al. Generic Prediction of Soil Organic Carbon in Alfisols Using Diffuse Reflectance Fourier-Transform Mid-Infrared Spectroscopy. Soil Sci. Soc. Am. J. 75 (6), 2358-2360 (2011).
  28. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Bowles, T. M., Parikh, S. J., Jackson, L. E. Soil Organic Matter Functional Group Composition in Relation to Organic Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Fractions in Organically Managed Tomato Fields. Soil Science Society of America Journal. 79, 772-782 (2015).
  29. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Evaluation of pre-treatment procedures for improved interpretation of mid infrared spectra of soil organic matter. Geoderma. 304 (Supplement C), 83-92 (2017).
  30. Yeasmin, S., Singh, B., Johnston, C. T., Sparks, D. L. Organic carbon characteristics in density fractions of soils with contrasting mineralogies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 218 (Supplement C), 215-236 (2017).
  31. Farmer, V. C. Effects of grinding during the preparation of alkali-halide disks on the infra-red spectra of hydroxylic compounds. Spectrochimica Acta. 8 (6), 374-389 (1957).
  32. Reeves, J. B. III, Smith, D. B. The potential of mid- and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy for determining major- and trace-element concentrations in soils from a geochemical survey of North America. Appl Geochem. 24 (8), 1472-1481 (2009).
  33. Guillou, F. L., et al. How does grinding affect the mid-infrared spectra of soil and their multivariate calibrations to texture and organic carbon? Soil Research. 53 (8), 913-921 (2015).
  34. Stumpe, B., Weihermüller, L., Marschner, B. Sample preparation and selection for qualitative and quantitative analyses of soil organic carbon with mid-infrared reflectance spectroscopy. European Journal of Soil Science. 62 (6), 849-862 (2011).
  35. Barthès, B. G., Brunet, D., Ferrer, H., Chotte, J. -L., Feller, C. Determination of Total Carbon and Nitrogen Content in a Range of Tropical Soils Using near Infrared Spectroscopy: Influence of Replication and Sample Grinding and Drying. J Near Infrared Spectrosc. 14 (5), 341-348 (2006).
  36. Nduwamungu, C., Ziadi, N., Tremblay, G. F., Parent, L. -É Near-Infrared Reflectance Spectroscopy Prediction of Soil Properties: Effects of Sample Cups and Preparation. Soil Science Society of America Journal. 73 (6), 1896-1903 (2009).
  37. Nguyen, T., Janik, L. J., Raupach, M. Diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy in soil studies. Soil Research. 29 (1), 49-67 (1991).
  38. Essington, M. E. Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach. , Taylor & Francis. (2004).
  39. Reeves, J. B., Francis, B. A., Hamilton, S. K. Specular Reflection and Diffuse Reflectance Spectroscopy of Soils. Applied Spectroscopy. 59 (1), 39-46 (2005).
  40. Thermo Scientific. OMNIC User's Guide. , Thermo Fischer Scientific Inc. Madison, WI. (2006).
  41. Frost, R. L., Vassallo, A. M. The dehydroxylation of the kaolinite clay minerals using infrared emission spectroscopy. Clays and Clay Minerals. 44 (5), 635-651 (1996).
  42. Prasad, P. S. R., et al. In situ FTIR study on the dehydration of natural goethite. Journal of Asian Earth Sciences. 27 (4), 503-511 (2006).
  43. Suitch, P. R. Mechanism for the Dehydroxylation of Kaolinite, Dickite, and Nacrite from Room Temperature to 455°C. Journal of the American Ceramic Society. 69 (1), 61-65 (1986).
  44. Ernakovich, J. G., Wallenstein, M. D., Calderón, F. J. Chemical Indicators of Cryoturbation and Microbial Processing throughout an Alaskan Permafrost Soil Depth Profile. Soil Sci. Soc. Am. J. 0 (0), (2015).
  45. Suarez, M. D., Southard, R. J., Parikh, S. J. Understanding Variations of Soil Mapping Units and Associated Data for Forensic Science. Journal of Forensic Sciences. , (2015).
  46. Kaiser, M., Ellerbrock, R. H., Gerke, H. H. Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition. European Journal of Soil Science. 58 (6), 1460-1470 (2007).
  47. Janik, L. J., Merry, R. H., Skjemstad, J. O. Can mid infrared diffuse reflectance analysis replace soil extractions? Australian Journal of Experimental Agriculture. 38 (7), 681-696 (1998).
  48. Adegoroye, A., Uhlik, P., Omotoso, O., Xu, Z., Masliyah, J. A comprehensive analysis of organic matter removal from clay-sized minerals extracted from oil sands using low temperature ashing and hydrogen peroxide. Energy & Fuels. 23 (7), 3716-3720 (2009).
  49. Mikutta, R., Kleber, M., Jahn, R. Poorly crystalline minerals protect organic carbon in clay subfractions from acid subsoil horizons. Geoderma. 128 (1-2), 106-115 (2005).
  50. Siregar, A., Kleber, M., Mikutta, R., Jahn, R. Sodium hypochlorite oxidation reduces soil organic matter concentrations without affecting inorganic soil constituents. European Journal of Soil Science. 56 (4), 481-490 (2005).
  51. von Lützow, M., et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  52. Margenot, A. J., Calderón, F. J., Magrini, K. A., Evans, R. J. Application of DRIFTS, 13C NMR, and py-MBMS to Characterize the Effects of Soil Science Oxidation Assays on Soil Organic Matter Composition in a Mollic Xerofluvent. Applied Spectroscopy. 0 (0), 0003702817691776(2017).
  53. Rumpel, C., et al. Alteration of soil organic matter following treatment with hydrofluoric acid (HF). Organic Geochemistry. 37 (11), 1437-1451 (2006).
  54. Sanderman, J., et al. Is demineralization with dilute hydrofluoric acid a viable method for isolating mineral stabilized soil organic matter? Geoderma. 304 (Supplement C), 4-11 (2017).
  55. McClure, G. L. Computerized Quantitative Infrared Analysis. , American Society for Testing and Materials. 169-179 (1987).
  56. Joussein, E., et al. Halloysite clay minerals - a review. Clay Minerals. 40 (4), 383-426 (2005).
  57. Smith, B. C. Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Second Edition. , Taylor & Francis. (2011).
  58. Weis, D. D., Ewing, G. E. Absorption Anomalies in Ratio and Subtraction FT-IR Spectroscopy. Anal. Chem. 70, 3175(1998).
  59. Reeves, J. B. III, McCarty, G. W., Calderon, F., Hively, W. D. Managing Agricultural Greenhouse Gases. Franzluebbers, A. J., Follett, R. F. , Academic Press. 345-366 (2012).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Analiza FTIRinterferencje mineralneusuwanie SOMwsp czynnik odejmowaniapopielanie w wysokiej temperaturzeutlenianie chemicznespektrometr FTIR

Powiązane artykuły