Gleba to złożony system, który zawiera elementy pochodzenia geologicznego i biologicznego. Badanie ich wzajemnych powiązań jest kamieniem węgielnym naszego zrozumienia funkcji ekosystemu1. W szczególności uważa się, że interakcje organiczno-mineralne odgrywają kluczową rolę w dynamice materii organicznej gleby (SOM)2. Odkrywanie dynamiki SOM jest obecnie bardzo aktywnym obszarem badawczym z kilku powodów. Gleba z dużymi zasobami SOM będzie wykazywać dobrą żyzność wewnętrzną, a także może stanowić cenną dla środowiska możliwość sekwestracji dwutlenku węgla3,4.
Materia organiczna w glebie jest bardzo niejednorodna, niektóre składniki przewracają się w przestrzeni w ciągu kilku godzin, podczas gdy inne mogą przetrwać przez tysiące lat5. Determinanty tej niejednorodności pozostają kontrowersyjnym tematem, ale uważa się, że szczególnie ważne jest powiązanie z matrycą mineralną6,7, szczególnie dla poziomów podłoża8. W rezultacie, fazy mineralne, o których wiadomo, że są ściśle związane ze składnikami organicznymi, cieszą się coraz większym zainteresowaniem9,10,11.
Gleby zawierają szeroki zakres minerałów o jakościowo i ilościowo zróżnicowanym potencjale sorpcyjnym w stosunku do SOM. Wykazano, że minerały o dużych powierzchniach właściwych i/lub wysoce reaktywnych powierzchniach mają wysoką zdolność sorpcyjną dla związków organicznych4,12. Wykazano, że w glebach minerały wtórne, takie jak filokrzemiany o wysokiej aktywności (np. smektyty), tlenowo-wodorotlenki żelaza i słabo krystaliczne glinokrzemiany w znacznym stopniu angażują się w sorpcyjne zachowanie niektórych związków organicznych13,14,15,16,17. Podział gleby na frakcje różniące się mineralogią może zatem pomóc w wyizolowaniu rezerwuarów materii organicznej o względnej jednorodności funkcjonalnej.
Celem tego artykułu jest przedstawienie metodologii izolowania kompleksów organiczno-mineralnych według składu, co następnie ułatwia badanie ich właściwości. Metoda łączy frakcjonowanie wielkości i gęstości w celu fizycznego rozdzielenia gleby luzem na sekwencję frakcji o różnym składzie. Frakcjonowanie o połączonej wielkości i gęstości (CSDF) łączy w sobie dwa skuteczne podejścia do frakcjonowania fizycznego (separacja wielkości cząstek i separacja gęstości). Połączenie tych dwóch podejść pozwala lepiej zrozumieć związki organiczno-mineralne w glebie.
Istnieje wiele różnych podejść (chemicznych, fizycznych i / lub biochemicznych), które mogą być użyte do określenia frakcji w masowej próbce gleby18,19. Proste frakcjonowanie gęstości to fizyczna separacja, która jest szeroko stosowana przez gleboznawców do badania dynamiki SOM (patrz na przykład Grunwald et al., 2017 i odniesienia tam)20. W swojej klasycznej formie frakcjonowanie o prostej gęstości oddziela materiały lżejsze od danego punktu odcięcia (zwykle od 1,6 do 1,85 g·cm-3) - frakcję lekką (LF) od cięższych materiałów - frakcję ciężką (hF). LF jest czasami dalej dzielony na frakcję światła swobodnego (fLF) i frakcję światła okludowanego (oLF)21.
W wielu glebach największa pula SOM znajduje się w hF22. Powszechnie uważa się, że SOM w hF jest bardziej stabilny niż ten w klasie LF23, jednak wykazano, że zachowuje wysoką niejednorodność składową i prawdopodobnie, funkcjonalną18. Wskazuje to na potrzebę dalszego rozdzielania hF na bardziej jednorodne podfrakcje, w celu wyizolowania pul SOM o odrębnych właściwościach biogeochemicznych (takich jak czas przebywania lub funkcjonalność). Sekwencyjne frakcjonowanie gęstości, opisane przez Sollins et al. (2009)24, rzeczywiście okazało się skuteczną metodą; Jednak separacja dokonywana wyłącznie na podstawie gęstości niesie ze sobą ryzyko przeoczenia różnic wynikających ze zmienności wielkości ziarna, a tym samym powierzchni właściwej. Na przykład kaolinit ma w przybliżeniu taką samą gęstość jak kwarc, ale można go rozdzielić na podstawie jego trybu wielkości (tabela 1). CSDF uwzględnia wielkość ziarna i poprawia rozdzielczość frakcjonowania.
Frakcjonowanie SOM na podstawie właściwości fizycznych, chemicznych lub biochemicznych ma długą historię. Metody fizyczne, takie jak CSDF, opierają się na fizycznych atrybutach składników gleby, takich jak wielkość (cząstek lub agregatów) lub gęstość. Metody chemiczne obejmują selektywne ekstrakcje określonych związków lub klas związków, a także utlenianie chemiczne. Metody biochemiczne polegają na utlenianiu mikrobiologicznym w różnych warunkach eksperymentalnych. Metody chemiczne i biochemiczne opierają się na różnych zasadach i mają różne cele w porównaniu z metodami fizycznymi, niemniej jednak zostały pokrótce omówione poniżej.
Ekstrakcja alkaliczna (na przykład wodorotlenkiem sodu) jest jedną z najwcześniejszych metod stosowanych do chemicznej izolacji organicznego składnika gleby6. Przykłady bardziej nowoczesnych, chemicznych metod frakcjonowania SOM obejmują: i) ekstrakcję alkaliczną za pomocą Na-pirofosforanu mającego na celu wyizolowanie SOM związanego z minerałami; ii) hydroliza kwasowa (HCl) mająca na celu ilościowe określenie starego, trwałego SOM; oraz iii) selektywne utlenianie SOM środkami chemicznymi mającymi na celu zwalczanie wolnych lub labilnych SOM2. Chociaż metody te mogą być przydatne do uzyskania wglądu w funkcjonalnie różną pulę materii organicznej, mają one kilka ograniczeń. Po pierwsze, ekstrakcje mogą być niedoskonałe lub niekompletne. Na przykład klasyczna metoda alkaliczna ekstrahuje tylko 50-70% węgla organicznego w glebie (SOC)6. Po drugie, produkty frakcjonowania mogą nie być reprezentatywne dla SOM znalezionego in situ i mogą być trudne do skategoryzowania5. Po trzecie, te metody chemiczne oferują jedynie ograniczony wgląd w interakcję organo-mineralną, ponieważ wiele z nich nie zachowuje pierwotnego związku między substancjami organicznymi a minerałami.
Eksperymenty z ekstrakcją biochemiczną, w tym inkubacje, są głównie używane do badania labilnego i reaktywnego SOM (zobacz Strosser32 dla przeglądu metod biochemicznych). Eksperymenty inkubacyjne mogą być traktowane jako miara biochemicznego zapotrzebowania na tlen i intuicyjnie dobrze nadają się do oznaczania biodostępnych substratów organicznych. Jednak konieczność długiego czasu inkubacji w warunkach, które różnią się od warunków polowych (temperatura, wilgotność, zakłócenia fizyczne, brak nowych danych wejściowych) sprawia, że ekstrapolacja do dynamiki SOM in situ jest delikatna.
W porównaniu do metod chemicznych lub biochemicznych, które są uważane za transformacyjne lub destrukcyjne, techniki frakcjonowania fizycznego mogą być uważane za bardziej konserwujące22 (z ważnym wyjątkiem rozpuszczalnych związków organicznych, które są tracone podczas procedury). W najlepszym przypadku fizyczne frakcje gleby można traktować jako "migawkę" składników gleby w fazie stałej obecnych w terenie, a zatem mogą one odnosić się bardziej bezpośrednio do dynamiki SOM in situ33. Co więcej, nieniszczący charakter tej techniki oznacza, że frakcje mogą być następnie charakteryzowane za pomocą różnych analiz lub dalej frakcjonowane zgodnie z metodami chemicznymi lub biochemicznymi.
Fizyczne frakcjonowanie gleb nie jest nowym pomysłem. Literatura naukowa na temat technik separacji fizycznej pochodzi z połowy XX wieku. Zastosowania frakcjonowania gęstości zostały zgłoszone już w 1965 roku34, 35. W tym samym okresie i w następnych dekadach publikacje na temat dynamiki SOM i jego interakcji z minerałami stawały się już powszechne wśród gleboznawców36,37,38,39.
Separacja na podstawie gęstości, wielkości kruszywa lub wielkości cząstek to obecnie najczęściej stosowane metody separacji fizycznej. Jednym z głównych wyzwań związanych z fizyczną separacją jest izolacja jednorodnych funkcjonalnych basenów SOM, zdefiniowanych na podstawie szybkości rotacji, wielkości lub innego wskaźnika funkcji. Połączenie metod lub kryteriów separacji, jak w przypadku CSDF, może pomóc w osiągnięciu funkcjonalnej rozdzielczości frakcji gleby; Rzeczywiście, wydaje się, że te metody są coraz częściej używane w połączeniu18,40,41,42,43. Łącząc sekwencyjną separację gęstości, zdolną do uzyskania frakcji o różnej zawartości materii organicznej i składzie mineralogicznym, z separacją wielkości, która uwzględnia różnice związane z określoną powierzchnią, CSDF daje nadzieję na uzyskanie wglądu w różnorodność i funkcję związków organiczno-mineralnych w glebie.
CSDF ma na celu fizyczne frakcjonowanie dużych próbek gleby na frakcje o względnej jednorodności mineralogicznej i teksturalnej. Wartości graniczne gęstości i wielkości cząstek, a także zastosowana tutaj energia dyspersji zostały dobrane w oparciu o nasz typ gleby, ale parametry te mogą być dostosowane w zależności od próbek, które mają być frakcjonowane, i celu badania. W tym przykładzie zdecydowaliśmy się użyć jednego etapu dyspersji, dwóch odcięć gęstości i jednego rozmiaru, co spowodowało rozdzielenie gleby luzem na 6 frakcji (tabela 2). Rysunek 1 przedstawia koncepcyjny przegląd metody. Frakcjonowane tu materiały to gleby tropikalne, ale metodę można zastosować do każdego rodzaju gleby, a także osadów. CSDF jest zwykle stosowany jako etap przygotowawczy przed dalszymi analizami, mimo że rozkład materiałów między frakcjami może być sam w sobie bardzo pouczający. Po zastosowaniu do gleb CSDF daje frakcje różniące się (1) składem mineralnym (mineralogia i tekstura) oraz (2) stężeniem i składem SOM.