Name: Połączone frakcjonowanie wielkości i gęstości gleb do badań interakcji organiczno-mineralnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-15T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 38 s
Description: Poznaj metodę CSDF do frakcjonowania gleby w celu badania interakcji organiczno-mineralnych. Technika ta pozwala izolować frakcje o zróżnicowanej reaktywności względem materii organicznej, wspierając badania nad sekwestracją węgla.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Rozwój tej metody był wspierany przez Fond d'Investissement (FINV) z Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu w Lozannie. Dziękujemy Ugandyjskiej Narodowej Radzie ds. Nauki i Technologii oraz Urzędowi ds. Dzikiej Przyrody Ugandy za udzielenie nam pozwolenia na pobieranie próbek badawczych. Autorzy pragną również podziękować prof. Thierry'emu Adatte za analizy CHN i XRD. Jesteśmy wdzięczni prof. Eriki Marin-Spiotta za przeprowadzenie wstępnego szkolenia w zakresie klasycznego frakcjonowania gęstościowego. Dziękujemy również kierowniczce laboratorium Laetitii Monbaron za pomoc w zabezpieczeniu zapasów i sprzętu.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Powodzenie eksperymentów CSDF zależy od doboru odpowiednich parametrów dla metody, tak aby można było wyizolować frakcje o względnie jednorodnym składzie. Poniżej omówiono kluczowe kwestie związane z doborem parametrów frakcjonowania.
fLF reprezentuje materię organiczną, w przypadku której interakcja z minerałami jest minimalna. Ekstrakcja tej frakcji jest delikatna, ponieważ zmieszanie gleby z gęstym roztworem może już spowodować rozpad niektórych makroagregatów. Istnieją jednak przesłanki, że materia organiczna obecna w makroagregatach może być bardziej podobna do fLF sensu stricto niż do oLF uwalnianego w wyniku wysokoenergetycznej sonikacji18. Niektórzy autorzy zaproponowali nawet etap sonikacji o niskiej energii w celu wyizolowania puli wolnej i słabo oddziałującej z minerałami materii organicznej, określanej jako "wewnątrz-zagregowana cząstkowa materia organiczna", iPOM54.
W celu uwolnienia okludowanej materii organicznej istnieją różne techniki rozbijania agregatów glebowych. Najbardziej rozpowszechnione są sonikacja, mieszanie kulkami szklanymi oraz stosowanie chemicznych środków dyspergujących 33,62,63. Sonikacja została tutaj wybrana, ponieważ energia wyjściowa może być precyzyjnie kontrolowana i uważa się, że rozkłada się mniej więcej równomiernie w próbce. Wykluczając konieczność stosowania chemicznych środków dyspergujących, sonikacja może być uważana za względnie konserwującą w stosunku do kompleksów organiczno-mineralnych22, 33. Etap dyspersji pozostaje jednak jedną z najdelikatniejszych operacji. Z jednej strony słaba dyspersja pozostawi agregaty nienaruszone i może prowadzić do przeszacowania hF SOC; z drugiej strony, bardzo energiczny etap dyspersji może spowodować redystrybucję SOC we frakcjach poprzez częściowe zniszczenie kompleksów organiczno-mineralnych. Słabe asocjacje z piaskiem organicznym mogą być szczególnie podatne na ten proces. Ponieważ okluzja w agregatach i sorpcja powierzchniowa są procesami zachodzącymi wzdłuż kontinuum2, nie istnieje idealne rozwiązanie. Dlatego poziom energii sonikacji musi być starannie dostosowany do właściwości gleby. Kaiser i Berhe64 opublikowali bardzo pomocny przegląd, w którym zaproponowano strategię minimalizacji artefaktów spowodowanych przez ultradźwięki podczas rozpraszania gleby.
Zgłaszane energie sonikacji wahają się od 60 do 5 000 J·mL-1. Kilka grup badawczych poinformowało, że 100 J·mL-1 może wystarczyć do zniszczenia makroagregatów i skutecznego rozproszenia gleb piaszczystych, podczas gdy 500 J·mL-1 zniszczyłoby duże mikroagregaty i zapewniłoby rozsądną dyspersję gleb reaktywnych 63,65,66,67,68. W schematach frakcjonowania fizycznego całkowite rozproszenie mułu i kruszyw wielkości gliny może nie być konieczne, ponieważ mechanizm ochronny prawdopodobnie stanie się nie do odróżnienia od stabilizacji sorpcyjnej w tych zakresach wielkości. Rozsądnym celem dyspersji przed frakcjonowaniem według wielkości lub gęstości może być rozbicie makro- (> 250 μm) i dużych mikro- (> 53 μm) agregatów. Energie od 100 J·mL-1 (gleby piaszczyste) do 200 J·mL-1 (gleby gliniaste) mogą być odpowiednim wyborem. Energia 200 J·mL-1 może już wyekstrahować część metabolitów mikrobiologicznych (rzekomo związanych z minerałami)69, dlatego stosowanie wyższych energii sonikacji powinno być ostrożne. Jednak mineraloglicznie reaktywne gleby z kruszywami cementowymi mogą wymagać do dyspersji do 500 J·mL-1. Istotne jest, aby energia dyspersji była dostosowana do każdego rodzaju gleby, a także do celów badania. Na koniec należy pamiętać, że nawet po rzekomo całkowitej dyspersji ultradźwiękowej, mikroagregaty wielkości gliny prawdopodobnie utrzymają się70.
Trudność w zharmonizowaniu technik frakcjonowania fizycznego polega na niejednorodności występującej w glebach, w szczególności w ich składzie mineralnym. Wybór gęstych roztworów powinien być dokonywany na podstawie znanej lub wywnioskowanej mineralogii gleby, a ostatecznym celem jest wyizolowanie frakcji, które są jak najbardziej jednorodne.
W artykule użytym gęstym roztworem był SPT - pH 3,71, 72. Niskie pH minimalizuje straty rozpuszczalnych związków organicznych. Jednak frakcjonowanie gęstości można przeprowadzić przy użyciu różnych gęstych roztworów. Historycznie rzecz biorąc, stosowano ciecze organiczne (tetrabromoetan, tetrachlorometan), ale stopniowo zrezygnowano z nich z zyskiem soli nieorganicznych (jodek sodu, SPT) ze względu na toksyczność chlorowcowanych węglowodorów i nieodłączne zanieczyszczenie substancji organicznych w glebie. Obecnie SPT jest preferowanym rozwiązaniem, ponieważ jego gęstość można regulować w zakresie od 1,0 do 3,1 g·cm-3, może być poddany recyklingowi i ma niską toksyczność (chyba że zostanie spożyty)22, 50. Główni producenci oferują szereg gatunków SPT różniących się poziomem zanieczyszczenia węglem i azotem. Do frakcjonowania gęstości gleb zaleca się najczystszą klasę, szczególnie jeśli frakcje mają być analizowane pod kątem składu izotopowego.
Roztwór o gęstości 1,6 g·cm-3 został klasycznie użyty do oddzielenia lekkich frakcji organicznych od mineralnych - patrz na przykład Golchin i wsp.21. Podczas gdy niektórzy autorzy sugerowali, że gęstość 1 g·cm-3 (woda) może być wystarczająca do ekstrakcji większości frakcji świetlnej73, 74, inni proponowali wyższe wartości graniczne gęstości, takie jak 1,62 lub 1,65 g·cm-3 w oparciu o ideę, że niektóre składniki organiczne mogą wykazywać gęstość do 1,60 g·cm-3 33. Rozdział 75,76. Zastosowano nawet gęstości sięgające 1,85 g·cm-3 50. Wybierając gęstość do oddzielenia lekkich frakcji od ciężkich, należy zauważyć, że nie ma idealnego rozwiązania. Rzeczywiście, niższe gęstości grożą przypisaniem niektórych "lekkich" substancji organicznych do frakcji ciężkich, podczas gdy wyższe gęstości wiążą się z ryzykiem włączenia niektórych minerałów do frakcji lekkich. Ten ostatni efekt można wykryć, obserwując zawartość węgla we frakcjach lekkich, przy czym % SOC niższy niż 40-45% wskazuje na pewien stopień zanieczyszczenia minerałami.
W przypadku ciężkich frakcji wstępna analiza, taka jak XRD, może dostarczyć informacji na temat mineralogii próbkimasowej 60 i pomóc w określeniu granic gęstości zdolnych do rozróżnienia głównych składników mineralnych gleby, mając na uwadze, że wysokie ładunki organiczne obniżą gęstość minerału w porównaniu z jego wartością teoretyczną. Podobnie, w przypadku separacji wielkości cząstek, analiza teksturalna77,78 może pomóc w ustaleniu odpowiednich limitów. Separacja wielkości cząstek jest szczególnie atrakcyjnym dodatkiem do prostego frakcjonowania gęstości, gdy sekwencyjne frakcjonowanie gęstości jest trudne. Dzieje się tak na przykład w przypadku gleb zawierających duże ilości tlenowodorotlenków i iłów o niskiej aktywności, które powodują dyspersję próbki i uniemożliwiają wyraźne oddzielenie w ciężkich cieczach. Wskazany jest również etap rozdzielania wielkości cząstek w celu oddzielenia minerałów o podobnej gęstości, ale różnych rozmiarach (np. kwarc i illit).
Wolne jony wapnia będą reagować z SPT, tworząc nierozpuszczalny metawolframian Ca. Procedura ta jest zatem nieodpowiednia dla gleb alkalicznych zawierających duże ilości słabo krystalicznych, pedogennych węglanów. Niewielkie ilości węglanów o niskiej reaktywności nie zakłócają frakcjonowania, o ile próbki nie pozostają zbyt długo w kontakcie z SPT. Osady metawolframianu Ca doprowadzą do przeszacowania mas frakcji. Jeśli LF zostaną uruchomione na analizatorze elementarnym stężenia C, problem zostanie wykryty, ale frakcjonowanie zostanie naruszone.
Oprócz tych trudności technicznych, podstawowe ograniczenie CSDF (lub jakiegokolwiek schematu frakcjonowania fizycznego) wynika z faktu, że reaktywne minerały w glebie rzadko występują jako dyskretne separatory, ale zamiast tego jako powłoki i cementy. Występowanie wysoce sorpcyjnych, ale bardzo cienkich powłok na minerałach niereaktywnych w inny sposób (takich jak kwarc) może prowadzić do tendencyjnego spojrzenia na związki organiczno-mineralne. W związku z tym należy zachować ostrożność przy interpretacji wyników, szczególnie w przypadku gleb, w których reaktywność jest zdominowana przez fazy słabo krystaliczne i tlenkowe. Dalsza charakterystyka ułamków może pomóc w złagodzeniu takich niejasności. Niemniej jednak szczegółowe metody frakcjonowania fizycznego, takie jak CSDF, mają niezrównaną zdolność do uzyskiwania wglądu w skład naturalnie występujących kompleksów organiczno-mineralnych. Oczekuje się, że takie spostrzeżenia pozwolą na nowe zrozumienie biogeochemii największej puli materii organicznej w glebie, tej związanej z minerałami.

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 LF<sup="xref">23, 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.

<table><tbody><tr><td>Zaleca się <silne>frakcjonowanie</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Poliwolframian sodu</td><td>Sometu</td><td></td><td>SPT 0 (niskie C i N). Wolframian niższej jakości może zanieczyszczać próbki.</td></tr><tr><td>Areometry (1-1,5, 1,5-2, 2-2,5, 2,5-3 g.cm-3)</td><td>Allafrance</td><td></td><td>Kalibrowane na 20 &deg; C, np. 3050FG250/20-qp</td></tr><tr><td>Mieszalnik wirowy</td><td>Fisher</td><td></td><td>Standardowy mieszalnik wirowy o stałej prędkości, np. 02-215-410</td></tr><tr><td>Sonifier</td><td>VWR</td><td></td><td>Qsonica LLC - system Q500 ze standardową sondą 4220</td></tr><tr><td>Statyw sonifier</td><td>VWR</td><td></td><td>Duży stojak zaciskowy</td></tr><tr><td>Obudowa sonifiera</td><td>VWR</td><td></td><td>Szafka dźwiękoszczelna (opcjonalnie)</td></tr><tr><td>Wirówka z wiadrem wahadłowym</td><td>Beckman</td><td></td><td>Zdolny do osiągania prędkości 4000 g lub większej, wyposażony w rotor mieszczący 50 ml probówek Falcon Wirówka</td></tr><tr><td>szybkoobrotowa z wirnikiem o stałym kącie</td><td>Beckman</td><td></td><td>Zdolna do osiągania prędkości 7500 g lub większej, wyposażona w rotor mieszczący butelki 250 ml</td></tr><tr><td>Wirówka 50 ml Probówki Falcon</td><td>Corning</td><td></td><td>np. 352070</td></tr><tr><td>Butelki wirówkowe 250 ml</td><td>Beckman</td><td></td><td>Butelki z poliwęglanu (np. 352070) są zalecane, ponieważ są bardziej przezroczyste niż inne tworzywa sztuczne.</td></tr><tr><td>Jednostki filtracji próżniowej</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Jednostki wielokrotnego użytku Polusulfon, np. 3029</td></tr><tr><td>Wąż polipropylenowy</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Do podłączenia jednostki filtrującej do źródła podciśnienia</td></tr><tr><td>Dyski ultrafiltracyjne, 0,45 i mikro; m wielkość porów</td><td>Millipore</td><td></td><td>np. HAWP04700</td></tr><tr><td>Szafa eksykatora</td><td>Fisher scientific</td><td></td><td>3 półki, np. 305317-0120</td></tr><tr><td>Absorbent sucherytowy wskazujący</td><td>Millipore</td><td></td><td>Blue drierite, np.</td></tr><tr><td>10276750 Fiolki scyntylacyjne</td><td>Fisher scientific</td><td></td><td>HDPE - oddzielna nakrętka 20mL, np. 12341599</td></tr><tr><td>150 mL łódki aluminiowe (gładkie boki)</td><td>Fisher naukowy</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Piec laboratoryjny</td><td>Fisher scientific</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Kolumna SPT do recyklingu</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Żywica kationowymienna</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Dowex&reg; Maraton i handel; C forma sodowa, silnie kwaśna, siatka 20-50</td></tr><tr><td>Węgiel aktywny</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Darco S-51, siatka 4-12</td></tr><tr><td>Wełna szklana</td><td>Fisher scientific</td><td></td><td>Pyrex</td></tr><tr><td>Bibuła filtracyjna, 2,5 i mikro; m wielkość porów</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Whatman klasa 42, np.</td></tr><tr><td>WHA1442150 Nadtlenek wodoru</td><td>Klasa odczynnika</td> <td>Sigma-Aldrich</td><td></td>.</tr><tr><td>Klasa odczynnika</td> <td>do etanolu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td>.</tr><tr><td>Poliwęglan 1000mL cylinder z podziałką</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Stojak i zacisk</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Rozmiar L - 2-bolcowy</td></tr><tr><td>wąż polipropylenowy</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Opaska zaciskowa z polipropylenu</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Lejki polipropylenowe</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Butelka polipropylenowa (1L, 2L)</td><td>Semadeni</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr><tr><td>Płyta grzewcza</td><td>Fisher scientific</td><td></td><td>Dowolny model.</td></tr></tbody></table>

połączone frakcjonowanie wielkości i gęstości gleb do badań interakcji organiczno-mineralnych

Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions

Frakcjonowanie o połączonej wielkości i gęstości (CSDF) to metoda używana do fizycznego rozdzielania gleby na frakcje różniące się wielkością cząstek i mineralogią. CSDF opiera się na sekwencyjnych etapach separacji gęstości i sedymentacji w celu wyizolowania (1) wolnej frakcji lekkiej (nieskompleksowanej materii organicznej), (2) okludowanej frakcji lekkiej (nieskompleksowanej materii organicznej uwięzionej w agregatach glebowych) oraz (3) zmiennej liczby ciężkich frakcji (minerały glebowe i związana z nimi materia organiczna) różniących się składem. Przy odpowiednim doborze parametrów CSDF (energia dyspersji, odcięcia gęstości, czas sedymentacji) metoda pozwala uzyskać ciężkie frakcje o stosunkowo jednorodnym składzie mineralnym. Oczekuje się, że każda z tych frakcji będzie miała inną zdolność kompleksowania w stosunku do materii organicznej, co czyni ją przydatną metodą do izolowania i badania natury interakcji organiczno-mineralnych. Połączenie separacji gęstości i wielkości cząstek zapewnia lepszą rozdzielczość w porównaniu z prostymi metodami frakcjonowania wielkości lub gęstości, umożliwiając separację ciężkich składników zgodnie zarówno z kryteriami mineralogii, jak i wielkości (w odniesieniu do powierzchni). Podobnie jak w przypadku wszystkich metod frakcjonowania fizycznego, można ją uznać za mniej uciążliwą lub agresywną niż metody ekstrakcji oparte na chemikaliach. CSDF jest jednak metodą czasochłonną, a ponadto ilość materiału uzyskanego w niektórych frakcjach może być ograniczona do późniejszej analizy. Po CSDF frakcje mogą być analizowane pod kątem składu mineralogicznego, stężenia węgla organicznego w glebie i składu chemicznego materii organicznej. Metoda dostarcza informacji ilościowych na temat rozmieszczenia węgla organicznego w próbce gleby i rzuca światło na zdolność sorpcyjną różnych, naturalnie występujących faz mineralnych, dostarczając w ten sposób mechanistycznych informacji na temat preferencyjnego charakteru interakcji organiczno-mineralnych w glebie (tj. które minerały, jaki rodzaj materii organicznej).

Frakcjonowanie o połączonej wielkości i gęstości (CSDF) to metoda fizycznego rozdzielania gleby na frakcje różniące się teksturą (wielkością cząstek) i mineralogią (gęstością). Celem jest wyizolowanie frakcji o różnej reaktywności w stosunku do materii organicznej gleby (SOM), aby lepiej zrozumieć interakcje organiczno-mineralne i dynamikę SOM.

Połączone frakcjonowanie wielkości i gęstości gleb do badań interakcji organiczno-mineralnych

Combined size and density fractionation (CSDF) is a method used to physically separate soil into fractions differing in particle size and mineralogy. CSDF ...

Metoda ta jest interesującym podejściem do badania interakcji organo-mineralnych, ponieważ frakcjonuje materię organiczną gleby zgodnie z jej związkiem z różnymi minerałami. Jest to proces frakcjonowania fizycznego, co oznacza, że nie zmienia składu chemicznego frakcji. W efekcie analiza frakcji mówi nam coś o naturalnym składzie kompleksów organiczno-mineralnych.Ta metoda jest bardzo przydatna, ponieważ staramy się dowiedzieć więcej o zdolności różnych gleb do sekwestracji węgla z atmosfery. Aby oddzielić wolną frakcję lekką, zważ od pięciu do ośmiu gramów wysuszonej na powietrzu przesianej gleby w stożkowej probówce wirówkowej o pojemności 50 mililitrów. Zapisz masę gleby za pomocą czterech cyfr znaczących.Za pomocą cylindra z podziałką dodaj 35 do 40 mililitrów politungmianu sodu lub SPT. Przy gęstości 1,62 grama na centymetr sześcienny wiruj przez 90 minut przy 2500-krotności grawitacji w wirówce z wahadłowym wiadrem, aby zapewnić wyraźną separację między wolną frakcją światła a osadem. Wlej cały pływający i zawieszony materiał do 250-mililitrowej butelki wirówki z poliwęglanu.Upewnij się, że paleta pozostaje mocno osadzona na dnie rury. Wypłucz materiał przylegający do ścianki rurki do tej samej butelki z poliwęglanu. Użyj butelki ze spryskiwaczem wypełnionej wodą dejonizowaną, trzymając rurkę prawie do góry nogami nad butelką z poliwęglanu.Skonfiguruj próżniową linię ultrafiltracji z filtrami 0,45 mikrona. Lekko zwilż filtry i zastosuj podciśnienie przed dokręceniem lejków, aby uniknąć rozdarć. Powoli wlej zawartość butelki z poliwęglanu do lejka jednostki filtracji próżniowej.Wypłucz wszelkie pozostałości pozostawione w butelce z poliwęglanu do jednostki filtrującej. Nie pozwól, aby roztwór przeciągnął się na głębokość większą niż jeden centymetr nad filtrem. Dodaj więcej niż 10 mililitrów wody dejonizowanej do jednostki filtrującej co najmniej trzy razy, aby upewnić się, że wszystkie ślady SPT zostały usunięte.Upewnij się, że bok lejka filtracyjnego został przepłukany. Po uwolnieniu podciśnienia na przewodzie filtracyjnym wyjmij lejek z jednostki filtrującej. Odzyskaj materiał przylegający do boków do oznaczonej aluminiowej miski za pomocą butelki ze spryskiwaczem wypełnionej wodą dejonizowaną.Ostrożnie podnieś filtr pęsetą i spłucz znajdujący się materiał w tej samej aluminiowej misce za pomocą butelki ze spryskiwaczem wypełnionej wodą dejonizowaną. Wysuszyć zawartość łodzi maksymalnie w temperaturze 65 stopni Celsjusza do stałej masy. Po upływie co najmniej 48 godzin schłodzić zawartość miski w eksykatorze zawierającym świeży środek osuszający przez co najmniej 30 minut.Delikatnie zeskrob materiał z aluminiowej miski plastikową szpatułką. Zapisać masę frakcji wolnego światła za pomocą czterech cyfr znaczących, a następnie umieścić próbkę w fiolce do przechowywania. Aby wykonać uwolnienie okluzowanej frakcji lekkiej, dodaj od 35 do 40 mililitrów SPT o gęstości 1,62 grama na centymetr sześcienny do probówki wirówkowej zawierającej osad z ekstrakcji wolnej frakcji lekkiej.Ponownie zawiesić pellet. Włóż sondę ultradźwiękową dwa centymetry poniżej powierzchni roztworu i umieść probówkę w lodowatej wodzie, aby zapobiec nagrzewaniu się roztworu. Sonikować próbkę, używając czasu niezbędnego do osiągnięcia docelowej energii 280 dżuli na mililitr.Aby oddzielić okluzowaną frakcję lekką, należy wirować przez 90 minut przy 2500-krotności grawitacji w wirówce z wiadrem wahadłowym. Wlej wszystkie pływające i zawieszone materiały do 250-mililitrowej butelki wirówki z poliwęglanu. Upewnij się, że granulka pozostaje mocno osadzona na dnie tuby.Wypłucz okludowany lekki materiał organiczny przylegający do całej probówki do tej samej butelki z poliwęglanu, co poprzednio. Dodaj schłodzoną wodę dejonizowaną do probówki zawierającej granulat do oznaczenia 40 mililitrów. Sonikować przy 75 dżulach na mililitr Pozostaw zawartość do osiadania na czas wymagany do osiadania materiału drobniejszego niż osiem mikronów.Następnie odpipetować supernatant do oznaczenia 10 mililitrów do 50-mililitrowej probówki wirówkowej. Umieść probówki zawierające frakcję mniejszą niż osiem mikronów, a także te zawierające frakcję większą niż osiem mikronów w piekarniku w temperaturze 45 stopni Celsjusza, aby odparować pozostały nadmiar płynu. Aby przeprowadzić frakcjonowanie gęstości, dodaj od 35 do 40 mililitrów SPT o gęstości 2,78 grama na centymetr sześcienny do każdej frakcji wielkości.Ponownie zawiesić osad i wirować przez 90 minut przy 2500-krotności grawitacji. Następnie wlej wszystkie pływające i zawieszone materiały do 250-mililitrowej butelki wirówki z poliwęglanu, upewniając się, że paleta pozostaje mocno osadzona na dnie probówki. Uzyskanie wyraźnego oddzielenia materiału pływającego od peletu może być trudne.W takim przypadku możesz spróbować aspiracji supernatantu do ustalonego poziomu. Teraz przenieś granulki do 250-mililitrowych butelek z poliwęglanu za pomocą butelki ze spryskiwaczem wypełnionej wodą dejonizowaną. Dodaj wodę dejonizowaną do butelek z poliwęglanu, aby obniżyć gęstość, nie przekraczając znaku 200 mililitrów.Zrób to dla wszystkich frakcji. Po odwirowaniu butelek przez 20 minut przy 5000-krotności grawitacji, zdekantuj supernatant do zużytego słoika SPT w celu recyklingu. Po wykonaniu procedury mycia zgodnie z opisem w protokole tekstowym, zbierz frakcję ciężką do aluminiowej miski, frakcja ciężka to granulat i drobne cząstki przylegające do boku butelek.Ciężką frakcję suszyć maksymalnie w temperaturze 105 stopni Celsjusza do stałej masy. Frakcję ciężką należy przechowywać w taki sam sposób, jak frakcję lekką. Rozkład masy materiału pomiędzy frakcjami wykazał duże różnice między miejscami.Jak początkowo wskazano na podstawie mineralogii próbki masowej, ocenianej za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w proszku, w miejscu pierwszym zdominowanym przez krzemiany pierwotne, takie jak kwarc i skalenie, większość materiałów jest odzyskiwana w ciężkiej frakcji pierwszej, która została zaprojektowana do koncentracji gruboziarnistych krzemianów. Stanowisko drugie wykazało większy odsetek filokrzemianów, głównie kaolinitu podczas analizy mineralogicznej. W związku z tym ciężka frakcja trzecia, która została zaprojektowana do koncentracji drobnych krzemianów, zawierała więcej materiałów na stanowisku drugim niż na stanowisku pierwszym.Wreszcie stanowisko trzecie było najbogatsze w tlenki, a także wykazywało największą ilość materiału we frakcji ciężkiej drugiej, która została zaprojektowana do koncentracji gruboziarnistych tlenków. Ogólnie rzecz biorąc, dane wskazują, że metoda ta była skuteczna w fizycznym frakcjonowaniu próbek masowych na ich główne składniki mineralogiczne. Podobnie jak w przypadku każdego schematu separacji fizycznej, ważne jest, aby dostosować parametr frakcjonowania do konkretnych celów.Upewnij się, że masz przebieg testowy i pracujesz z kilkoma powtórzeniami w celu sprawdzenia odtwarzalności. Mimo że politungmianian sodu jest mniej toksyczny niż wcześniej stosowany i roztwór, pozostaje drażniący i jest szkodliwy w przypadku połknięcia lub wdychania. Unikaj jego uwolnienia do środowiska.Po izolacji różne frakcje mogą być analizowane pod kątem mineralogii, a także zawartości i składu materii organicznej. Daje nam to informacje zarówno o partnerze mineralnym, jak i materii organicznej w stowarzyszeniu organiczno-mineralnym. Metoda ta może rzucić nowe światło na degradowalność materii organicznej.Rzeczywiście, pozorne oporności mogą wynikać nie tyle z właściwości danego związku organicznego, ile z jego powinowactwa do różnych minerałów.

combined-size-density-fractionation-soils-for-investigations-organo

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

To badanie przedstawia metodę wykopaliskową do badania podpowierzchniowej hydrologicznej, geochemicznej i mikrobiologicznej heterogeniczności lizymetru glebowego. Lizymetr symuluje sztuczne zbocze wzgórza, które początkowo było w jednorodnym stanie i zostało poddane działaniu około 5000 mm wody w ciągu ośmiu cykli nawadniania w okresie 18 miesięcy.

Wykopy lizymetryczne gleby do sprzężonych badań hydrologicznych, geochemicznych i mikrobiologicznych

Ostatnio wykazano, że wielokrotne pobieranie próbek gleby jest skutecznym sposobem monitorowania zmian w glebie leśnej na przestrzeni lat i dekad. Aby wesprzeć jego stosowanie, przedstawiono protokół, który syntetyzuje najnowsze informacje na temat metod ponownego próbkowania gleby, aby pomóc w projektowaniu i wdrażaniu skutecznych programów monitorowania gleby.

Metody pobierania próbek gleby w celu monitorowania zmian stężeń chemicznych w glebach leśnych

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.

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

Ten protokół przedstawia przepływ pracy dla sub-mm wizualizacji 2D wielu labilnych nieorganicznych składników odżywczych i zanieczyszczeń rozpuszczonych za pomocą gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) w połączeniu z obrazowaniem spektrometrii mas. Pobieranie próbek substancji rozpuszczonych i analiza chemiczna o wysokiej rozdzielczości są szczegółowo opisane w celu ilościowego mapowania substancji rozpuszczonych w ryzosferze roślin lądowych.

Dwuwymiarowa wizualizacja i kwantyfikacja labilnych, nieorganicznych składników odżywczych roślin i zanieczyszczeń w glebie

Opisana tutaj metoda weryfikacji jest przystosowana do monitorowania pedogenicznej sekwestracji węgla nieorganicznego w różnych glebach rolnych wzbogaconych skałami zawierającymi krzemian metali ziem alkalicznych, takich jak wollastonit, bazalt i oliwin. Ten rodzaj walidacji jest niezbędny dla programów kredytów węglowych, które mogą przynieść korzyści rolnikom, którzy sekwestrują dwutlenek węgla na swoich polach.

Monitorowanie pedogennej akumulacji węgla nieorganicznego spowodowanej wietrzeniem zmodyfikowanych minerałów krzemianowych w glebach rolnych.

Frakcjonowanie gęstości gleby rozdziela materię organiczną gleby na odrębne pule o różnych mechanizmach stabilizacji, chemii i czasach obrotu. Roztwory poliwolframianów sodu o określonych gęstościach umożliwiają oddzielenie wolnej materii organicznej w postaci cząstek stałych od materii organicznej związanej z minerałami, w wyniku czego uzyskuje się frakcje materii organicznej odpowiednie do opisania reakcji gleby na zarządzanie i zmiany klimatu.

Wykorzystanie frakcjonowania gęstości gleby do oddzielenia odrębnych rezerwuarów węgla w glebie

Procedury oparte na mikropłytkach są opisane dla kolorymetrycznej lub fluorometrycznej analizy aktywności enzymów zewnątrzkomórkowych. Procedury te pozwalają na szybkie oznaczenie takiej aktywności na dużej liczbie próbek środowiskowych w rozsądnych ramach czasowych.

Oznaczanie mikrobiologicznej aktywności enzymów zewnątrzkomórkowych w wodach, glebach i osadach za pomocą wysokoprzepustowych testów mikropłytek

Lizymetria terenowa i pobieranie próbek wody porowej pozwalają badaczom ocenić los substancji chemicznych stosowanych w glebach i ustalonej roślinności. Celem tego protokołu jest zademonstrowanie, w jaki sposób zainstalować wymagane oprzyrządowanie i pobrać próbki do analizy chemicznej podczas zintegrowanych eksperymentów z lizymetrią polową i pobieraniem próbek wody porowej.

Zintegrowana lizymetria polowa i pobieranie próbek wody porowej w celu oceny mobilności chemicznej w glebach i zastanej roślinności

Ten artykuł przedstawia metodę statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Przy stosunkowo niewielkich inwestycjach w infrastrukturę, pomiary można uzyskać z wielu zabiegów/lokalizacji i w ramach czasowych od godzin do lat.

Pomiar strumienia gazów cieplarnianych z gleb rolniczych za pomocą komór statycznych

Tradycyjny standaryzowany test do określania limitu plastyczności w glebie jest wykonywany ręcznie, a wynik różni się w zależności od operatora. W pracy przedstawiono alternatywną metodę opartą na pomiarach zginania. Pozwala to na uzyskanie limitu plastyczności na podstawie jasnego i obiektywnego kryterium.

Próba zginania w celu określenia granicy plastyczności Atterberga w glebach

Poznaj metodę CSDF do frakcjonowania gleby w celu badania interakcji organiczno-mineralnych. Technika ta pozwala izolować frakcje o zróżnicowanej reaktywności względem materii organicznej, wspierając badania nad sekwestracją węgla.

Połączone frakcjonowanie wielkości i gęstości gleb do badań interakcji organiczno-mineralnych

Przeglądaj więcej filmów