Método eletrostático para remover matéria orgânica particulada do solo

Estimativas precisas de carbono orgânico do solo (SOC) são importantes na avaliação de mudanças resultantes do manejo agrícola ou do meio ambiente. A matéria orgânica particulada (POM) tem funções importantes na ecologia e física de um solo, mas muitas vezes é de curta duração e varia de acordo com vários fatores, incluindo estação, condições de umidade, aeração, técnicas de coleta de amostras, manejo recente do solo, ciclo de vida vegetal, entre outros¹. Essas fontes temporalmente instáveis podem confundir estimativas de tendências de longo prazo em carbono orgânico do solo estável e verdadeiramente sequestrado².

Apesar de ser bem definido, comum e importante, o POM não é facilmente separado do solo nem é fácil de medir quantitativamente. A matéria orgânica particulada foi medida como aquela que flutua em líquidos (fração de luz, tipicamente 1,4-2,2 g cm^-3), ou como aquela que pode ser separada por tamanho (por exemplo, > 53-250 μm ou > 250 μm), ou uma combinação dos dois^3,4,5. Ambas as técnicas baseadas em tamanho e densidade podem influenciar os resultados quantitativos e químicos da medição pom⁴. Uma inspeção visual cuidadosa do solo que tem sido fracionado usando métodos rotineiros muitas vezes revela estruturas longas e estreitas, como raízes e lascas de folha ou caule que passaram pela tela. A simples remoção dessas estruturas manualmente tem sido demonstrada para reduzir substancialmente as medições do SOC total^2,6, mas o método está notavelmente sujeito à diligência e acuidade visual do operador. A separação pom de uma amostra de solo como a fração de luz durante a flutuação em um líquido denso⁷ não captura todos os POM, e o tremor excessivo durante o processo de flutuação pode realmente reduzir a quantidade de fração de luz recuperada de uma amostra⁸. A flutuação requer muitas etapas e expõe o solo a soluções químicas que podem alterar as características químicas ou dissolver e remover constituintes que possam ser de interesse⁴.

Métodos alternativos para remover pom têm sido usados para evitar ou aumentar o uso de soluções aquosas densas. Kirkby, et al.⁶ comparou a remoção de frações de luz usando dois procedimentos de flutuação a um método de peneiragem/winnowing seco⁹. Winnowing foi realizado passando uma leve corrente de ar através de uma fina camada de solo para tirar suavemente a luz da fração pesada. A peneira/winnowing seco teve desempenho semelhante aos dois métodos de flutuação no que diz respeito ao conteúdo C, N, P e S; no entanto, os autores sugerem que a peneira seca/o winnowing produziu solos "ligeiramente mais limpos"⁶. O POM também foi separado do solo usando a atração eletrostática^10,11 em que partículas orgânicas são isoladas passando uma superfície eletroestaticamente carregada acima do solo. O método de atração eletrostática recuperou com sucesso o POM, chamado de partículas orgânicas de curso, de solos secos, peneirados (> 0,315 mm) com repetibilidade estatística comparável a outros métodos de tamanho e fracionamento de densidade¹⁰.

Aqui demonstramos como a atração eletrostática pode ser usada para remover POM de tamanhos que variam de visível a microscópico. Ao contrário de outros métodos relatados, a atração eletrostática do solo fino também remove uma pequena porção de solo mineral e agregado que é visivelmente como o solo restante. Dado os nossos resultados até o momento, é razoável supor que a remoção de uma pequena porção de solo não-POM não terá efeito substancial nas análises a jusante; no entanto, essa suposição deve ser verificada para um solo específico se grandes proporções da amostra total do solo estiverem sendo removidas eletroesticamente. Os métodos e exemplos aqui fornecidos foram realizados em solos loam loess de lombo de lombo de um ambiente semiárido.

Este método pode não ser adequado para todos os tipos de solo, mas tem as vantagens de ser rápido e eficiente na remoção de material orgânico particulado muito pequeno para remover manualmente ou por uma corrente de ar. A velocidade do processo é importante para reduzir a fadiga, garantir consistência e incentivar uma maior replicação para uma melhor precisão das conclusões. Além disso, a capacidade de remover partículas muito pequenas é importante para evitar viés em direção a solos com tamanhos de partículas maiores e não pequenos.

1. Preparação do solo

1. Colete amostras de solo à profundidade desejada. Seque completamente o solo a 40 °C ou seguindo protocolos padrão específicos do laboratório.
2. Peneirar o solo através de peneiras de solo de tamanho apropriado para obter aproximadamente 10-25 g de solo peneirado. Muitos estudos usam uma peneira de 1 ou 2 mm. A quantidade de solo é baseada na massa necessária para as análises a jusante e impactará o número de vezes que a etapa de remoção eletrostática precisará ser repetida.
3. Coloque o solo em uma panela de metal limpo, seco ou vidro de fundo plano que seja grande o suficiente para que o solo seja espalhado fino (pelo menos 20 cm de diâmetro). Agite suavemente a panela horizontalmente para distribuir o solo uniformemente em uma camada o mais fina possível.

2. Carregue uma superfície eletrostática

1. Segure um vidro de 100 mm de diâmetro ou poliestireno placa de Petri superior ou inferior em uma mão e esfregue vigorosamente a superfície externa com um pedaço limpo de pano de nylon, pano de algodão ou espuma de poliestireno várias vezes. Execute a superfície carregando longe da amostra para evitar que fragmentos de tecido sejam introduzidos na amostra.
2. Inspecione a superfície da placa de Petri para ter certeza de que está limpa.

3. Remova a matéria orgânica das partículas

1. Abaixe a superfície carregada para dentro de 0,5 cm a 2 cm acima do solo e mova-a horizontalmente para captar o máximo de material particulado possível. A atração pela superfície pode ser notada visualmente e audivelmente.
2. Quando a placa de Petri não atrai mais partículas adicionais, mova a placa para longe da amostra.

4. Limpe a superfície eletrostática

1. Segure a superfície carregada sobre uma placa de coleta e use um pincel fino para transferir o material eletroesticamente atraído da superfície da placa de Petri para o prato de coleta. Uma escova de cabelo de camelo funciona bem.

5. Repita até que o rendimento das partículas diminua

1. Repetir passos 2 a 4 até que o número de partículas de matéria orgânica que estão sendo captadas diminua. Redistribua a amostra do solo por agitação horizontal da panela do solo para expor novos materiais na superfície e continuar a coleta eletrostática.
   NOTA: O ponto final é arbitrário e depende do julgamento do pesquisador. A inspeção da superfície carregada após a exposição ao solo dá uma indicação visual de se uma quantidade significativa de partículas orgânicas ainda está sendo removida do solo. Os produtos finais são solo com teor de partículas reduzidos, e POM concentrado contendo uma pequena quantidade de solo eletroesticamente removido.

Os resultados aqui apresentados baseiam-se na análise de solos de lombo de lombo silte de sítios agrícolas no Noroeste do Pacífico (Tabela 1). Os solos foram coletados em profundidades de 0-20 cm ou 0-30 cm, secos a 40 °C, passaram por uma peneira de 2 mm e tratados usando uma superfície de poliestireno carregada com um pano de nylon.

A quantidade de solo eletroesseticamente removida de uma amostra variou. Cerca de 1% a 6% da massa total do solo foi removida(Tabela 2). Em todos os casos, a proporção do total da amostra C removida foi maior do que a massa do solo removida. Além disso, a concentração de C e a razão C:N da fração do solo eletroesticamente removida sempre foi maior do que o solo restante. Esses fatores indicam que o método reduziu a quantidade de substâncias orgânicas incompletamente decompostas.

As condições ambientais e a combinação de materiais utilizados para produzir a superfície carregada afetaram os resultados(Tabela 3). Espera-se que o método de remoção eletrostática seja menos eficaz em um ambiente de laboratório mais úmido devido a cargas de superfície mais baixas. Todos os materiais devem ser o mais secos possível para o processo eletrostático. Nylon é um bom material para carregamento eletrostático porque é livre de fiapos e, quando usado com placas de Petri de poliestireno, deve produzir uma das maiores cargas eletrostáticas12. Alternativamente, alguns tipos de espuma de poliestireno funcionam bem em combinação com vidro. A combinação de um prato de vidro e espuma de poliestireno removeu uma quantidade maior de solo e C do que as combinações de vidro/algodão ou poliestireno (prato)/nylon.

Independentemente dos materiais utilizados para o carregamento superficial, o tratamento eletrostático removeu uma maior proporção de C do solo e produziu uma amostra com menor razão de C:N em comparação com o método fórceps/winnowing, embora as diferenças fossem apenas significativas com vidro/espuma. Comparativamente, a flutuação foi mais eficaz do que o tratamento eletrostático na remoção de partículas concentradas C da amostra, conforme observado pela menor razão C:N da amostra restante e maior C:N da fração removida.

O tratamento eletrostático pode ser repetido inúmeras vezes, embora os tratamentos comecem a remover maiores proporções de solo devido à diminuição das quantidades de partículas atraídas para a superfície do prato. Os efeitos dos pontos finais do tratamento foram examinados pela coleta de uma série de três amostras eletrostáticas uma após a outra da mesma amostra de solo(Tabela 4). O primeiro tratamento coletou a maior quantidade de C e, embora os dois tratamentos seguintes tenham coletado menos, ambos ainda foram altamente enriquecidos em C em comparação com o solo restante. A razão C:N diminuiu na fração removida indicando maiores proporções de solo para POM foram removidas a cada passo sucessivo.

Ao realizar o procedimento ES utilizando uma placa de Petri de poliestireno, os arranhões na superfície da placa de poliestireno eram visíveis, sugerindo a possibilidade de que C da placa de plástico pudesse contaminar as amostras do solo. Quando o tratamento ES foi realizado na areia lavada, sem C usando um prato de poliestireno, não houve c detectável em frações ES mesmo após quatro tratamentos repetidos na mesma fração ES (dados não mostrados).

Finalmente, a quantidade de material particulado que poderia ser removido eletroesticamente da fração fina do tamanho do lolt que passou por uma tela de 53 μm foi testada em cinco solos de lombo de lodo(Tabela 5). As frações eletroestaticamente removidas demonstraram muito pouco enriquecimento da matéria orgânica particulada. A inspeção microscópica revela que o POM existe na fração de < 53 μm desses solos(Figura 1),mas em quantidades muito pequenas. Se a fração fina do solo (ou seja, <53 μm) contiver muito pouco POM, essa fração pode ser removida antes do tratamento eletrostático para reduzir a quantidade de solo que está sendo tratado. Peneirar o solo sobre uma peneira muito fina, como 53 μm. Remova o solo da parte superior da peneira e coloque na bandeja para o tratamento eletrostático, ou simplesmente use a peneira como bandeja para espalhar a amostra. Devolva a fração fina (solo passado pela peneira) ao solo eletroesticamente tratado antes da análise química.

Tabela 1: Solos testados. Lista de amostras utilizadas para comparar o processo eletrostático para remoção de matéria orgânica particulada.

Tabela 2: Taxas de remoção representativas. A quantidade de solo na fração eletroessticamente removida (Removida) e a fração restante do solo reduzida em partículas (Restante) como proporção da massa amostral total e como proporção da amostra total C. Também são dadas as concentrações de C, N e C:N. O POM C:N estimado dá o C:N calculado da fração removida em excesso das concentrações no Restante, que é presumivelmente o C:N do POM removido. Números entre parênteses são erro padrão da média. A análise da variância indicou que o Removedo foi maior que o Restante tanto para C quanto para C:N (p > F inferior a 0,0001). As réplicas indicam o número de réplicas de amostra por valor. A separação eletrostática foi realizada com um prato de poliestireno carregado com pano de nylon depois de peneirar a fração fina (<53 μm).

Tabela 3: Comparação técnica. Remoção de material orgânico particulado do solo de Thatuna utilizando atração eletrostática (ES), remoção manual de partículas visíveis com fórceps e ar (Fórceps/winnow), e flutuação na solução de iodeto de sódio a 1,7 g cm-3. A atração eletrostática foi realizada com um prato de poliestireno carregado com um pano de nylon, ou uma superfície de vidro carregada com um pano de algodão ou espuma de poliestireno. Vidro/espuma também foi testado em condições umidificadas. A remoção manual das partículas foi realizada soprando suavemente o ar sobre a superfície de um solo pouco espalhado para movê-lo para o lado e remover o resíduo visível com fórceps. Os dados são a média de seis réplicas. Os meios seguidos por uma letra comum não são significativamente diferentes de acordo com o teste de Tukey no nível de significância de 5%.

Tabela 4: Investigação de pontos finais. Resultados de três tratamentos eletrostáticos sucessivos para remover matéria orgânica particulada. Média de três amostras do solo de Thatuna e uma cada do Ritzville-R, Ritzville-E, walla walla-m solos. A fração do solo que passava por uma peneira de 53 μm foi removida antes do tratamento eletrostático e analisada separadamente. Os dados são a média das seis análises com o erro padrão entre parênteses. Análise da variância produzida p = 0,06 tanto para C quanto para pom C:N. Letras estimadas na coluna C:N mostram diferenças significativas entre os tratamentos sucessivos em p < 0,05.

Tabela 5: Partículas de matéria orgânica na fração fina do solo. Teste de remoção de partículas eletrostáticas na fração fina (<53 μm) de cinco amostras de solo de sistemas de cultivo de trigo. Uma análise da variância de Removido versus Restante não foi significativa para C e C:N. A diferença em C:N não foi consistentemente maior nas frações removidas.

Figura 1: Identificação visual de material orgânico particulado. Imagens de microscopia do solo NT-AW como (A) solo inteiro, (B) removeram fração na superfície de poliestireno carregado, (C) < 53 μm de fração de solo, e (D) material que flutuou para a superfície de um chorume de água do solo de fração de < 53 μm. As imagens foram tiradas com ampliação de 50x ou 100x. Imagens coletadas em vários pontos focais diferentes foram combinadas no software ImageJ13 usando o plugin Stack Focuser (https://imagej.nih.gov/ij/plugins/stack-focuser.html). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os autores não têm nada a revelar.