Электростатический метод удаления твердых органических частиц из почвы

Точные оценки почвенного органического углерода (SOC) важны для оценки изменений, вызванных управлением сельским хозяйством или окружающей средой. Твердые частицы органического вещества (POM) имеют важные функции в экологии и физике почвы, но они часто недолговечны и варьируются в зависимости от нескольких факторов, включая сезон, условия влажности, аэрацию, методы сбора проб, недавнее управление почвой, жизненный цикл растительности и другие^1. Эти временно нестабильные источники могут сбить с толку оценки долгосрочных тенденций стабильного и действительно изолированного почвенного органического углерода^2.

Несмотря на то, что POM является четко определенным, общим и важным, его нелегко отделить от почвы и не легко измерить количественно. Органические твердые частицы были измерены как то, что плавает в жидкостях (легкая фракция, обычно 1,4-2,2 г^см-3),или как то, что может быть разделено по размеру (например, > 53-250 мкм или > 250 мкм), или как комбинация двух^3,4,5. Как методы, основанные на размерах, так и на плотности, могут влиять на количественные и химические результаты измерения POM^4. Тщательный визуальный осмотр почвы, которая была фракционирована по размеру с использованием обычных методов, часто выявляет длинные, узкие структуры, такие как корни и щепки листьев или стеблей, которые прошли через экран. Было показано, что простое удаление этих структур вручную существенно сокращает измерения общего SOC^2,6, но метод особенно подвержен усердию и остроте зрения оператора. Отделение POM от образца почвы, так как легкая фракция во время флотации в плотной жидкости⁷ не захватывает все POM, а чрезмерное встряхивание во время процесса флотации может фактически уменьшить количество легкой фракции, извлеченной из образца^8. Флотация требует многих этапов и подвергает почву воздействию химических растворов, которые могут изменять химические характеристики или растворять и удалять компоненты, которые могут представлять интерес^4.

Альтернативные методы удаления POM были использованы, чтобы избежать или увеличить использование плотных водных растворов. Kirkby et al.⁶ сравнили удаление легкой фракции с использованием двух процедур флотации с методом сухого просеивания/взбивания^9. Высыживание выполнялось путем пропускания легкого потока воздуха через тонкий слой почвы, чтобы мягко отогнать свет от тяжелой фракции. Сухое просеивание/взвинчивание выполнялось аналогично двум методам флотации в отношении содержания C, N, P и S; однако авторы предполагают, что сухое просеивание/всевывод производит «немного более чистые» почвы^6. POM также был отделен от почвы с помощью электростатического притяжения^10,11, в котором органические частицы выделяются путем прохождения электростатически заряженной поверхности над почвой. Методом электростатического притяжения успешно извлекали ПОМ, называемые курсовыми органическими частицами, из высушенных, просеянные (> 0,315 мм) грунты со статистической повторяемостью, сопоставимой с другими методами фракционирования размеров и плотности^10.

Здесь мы демонстрируем, как электростатическое притяжение может быть использовано для удаления POM размеров от видимых до микроскопических. В отличие от других методов, электростатическое притяжение мелкой почвы также удаляет небольшую часть минеральной и агрегированной почвы, которая заметно похожа на оставшуюся почву. Учитывая наши результаты на сегодняшний день, разумно предположить, что удаление небольшой части почвы, не включаемой в POM, не окажет существенного влияния на анализы ниже по течению; однако это предположение должно быть проверено для конкретного грунта, если большие части общего образца почвы удаляются электростатическим путем. Методы и примеры, приведенные здесь, были выполнены на иловых суглинистых лёссовых почвах из полузасушливой среды.

Этот метод может не подходить для всех типов почв, но имеет преимущества в том, что он быстро и эффективно удаляет твердые частицы, слишком мелкие для удаления вручную или воздушным током. Скорость процесса важна для снижения усталости, обеспечения согласованности и поощрения большей репликации для большей точности выводов. Кроме того, способность удалять очень мелкие частицы важна для предотвращения смещения в сторону почв с большими, а не малыми размерами частиц.

1. Подготовка почвы

1. Соберите образцы почвы на нужную глубину. Тщательно высушите почву при 40 °C или в соответствии со стандартными лабораторными протоколами.
2. Просейте почву через почвенные сита соответствующего размера, чтобы получить примерно 10-25 г просеянную почву. Во многих исследованиях используется сито 1 или 2 мм. Количество почвы основано на массе, необходимой для последующего анализа, и будет влиять на количество раз, когда этап электростатического удаления необходимо будет повторить.
3. Поместите почву в чистую, сухую металлическую или стеклянную сковороду с плоским дном, которая достаточно велика, чтобы почва была тонкой (не менее 20 см в диаметре). Аккуратно встряхните сковороду горизонтально, чтобы равномерно распределить почву как можно более тонким слоем.

2. Заряд электростатической поверхности

1. Держите стеклянную или полистирольную чашку Петри диаметром 100 мм сверху или снизу в одной руке и энергично протрите внешнюю поверхность чистым куском нейлоновой ткани, хлопчатобумажной ткани или пенополистирола несколько раз. Выполните поверхностную зарядку вдали от образца, чтобы предотвратить попадание фрагментов ткани в образец.
2. Осмотрите поверхность чашки Петри, чтобы убедиться, что она чистая.

3. Удаление твердых частиц органического вещества

1. Опунььте заряженную поверхность с точностью до 0,5 см до 2 см над почвой и переместите ее горизонтально, чтобы собрать как можно больше твердых частиц. Притяжение к поверхности можно отметить визуально и звуково.
2. Когда чашка Петри больше не притягивает дополнительные частицы, отодвините чашку от образца.

4. Очистка электростатической поверхности

1. Держите заряженную поверхность над чашкой для сбора и используйте тонкую щетку, чтобы перенести электростатически притянутый материал с поверхности чашки Петри в чашку для сбора. Верблюйечья расческа работает хорошо.

5. Повторять до тех пор, пока выход твердых частиц не уменьшится

1. Повторяйте шаги со 2 по 4 до тех пор, пока количество улавливаемых частиц органического вещества не уменьшится. Перераспределить образец почвы путем горизонтального встряхивания почвенного поддона, чтобы обнажить новый материал на поверхности и продолжить электростатический сбор.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Конечная точка является произвольной и зависит от суждения исследователя. Осмотр заряженной поверхности после воздействия на почву дает визуальное представление о том, удаляется ли из почвы значительное количество органических частиц. Конечными продуктами являются почва с пониженным содержанием твердых частиц и концентрированная ПОМ, содержащая небольшое количество электростатически удаленной почвы.

Представленные здесь результаты основаны на анализе иловых суглинистых почв сельскохозяйственных участков на северо-западе Тихого океана(таблица 1). Почвы собирали на глубину 0-20 см или 0-30 см, сушили при 40 °C, пропускали через сито 2 мм и обрабатывали с помощью полистирольной поверхности, заряженной нейлоновой тканью.

Количество грунта, электростатически удаленного из образца, варьировалось. Было удалено от 1% до 6% от общей массы почвы(табл. 2). Во всех случаях доля общего количества взятых проб С была больше, чем доля удаленной массы почвы. Кроме того, концентрация C и отношение C:N электростатической фракции почвы всегда были больше, чем в оставшемся грунте. Эти факторы свидетельствуют о том, что метод уменьшил количество неполностью разложившихся органических веществ.

Условия окружающей среды и сочетание материалов, используемых для получения заряженной поверхности, повлияли на результаты(таблица 3). Ожидается, что метод электростатического удаления будет менее эффективным в более влажной лабораторной среде из-за более низких поверхностных зарядов. Все материалы должны быть максимально сухими для электростатического процесса. Нейлон является хорошим материалом для электростатической зарядки, потому что он не содержит ворса и при использовании с полистирольными чашками Петри должен производить один из самых больших электростатических зарядов12. Кроме того, некоторые виды пенополистирола хорошо работают в сочетании со стеклом. Комбинация стеклянной посуды и пенополистирола удаляет большее количество почвы и С, чем комбинации стекла (тарелка) / хлопок или полистирола (тарелка) / нейлона.

Независимо от материалов, используемых для поверхностной зарядки, электростатическая обработка удаляла большую часть С из почвы и давала образец с более низким соотношением С:N по сравнению с методом щипцов/взмыкания, хотя различия были значительными только со стеклом/пеной. Для сравнения, флотация была более эффективной, чем электростатическая обработка, при удалении концентрированных частиц С из образца, что было отмечено самым низким соотношением C:N оставшегося образца и наибольшим C:N удаленной фракции.

Электростатическая обработка может быть повторена много раз, хотя обработка начнет удалять большие части почвы из-за уменьшения количества частиц, притягиваемых к поверхности чашки. Влияние конечных точек обработки изучали путем сбора серии из трех электростатических образцов один за другим из одного и того же образца почвы(таблица 4). Первая обработка собирала наибольшее количество С, и хотя следующие две обработки собирали меньше, обе были по-прежнему сильно обогащены С по сравнению с оставшейся почвой. Соотношение C:N уменьшилось в удаленной фракции, что указывает на то, что большие пропорции почвы к POM удалялись с каждым последующим шагом.

При выполнении процедуры ЭС с использованием полистирольной чашки Петри были видны царапины на поверхности полистирольной тарелки, предполагающие возможность того, что С из пластиковой чашки может загрязнить образцы почвы. Когда обработка ЭС проводилась на промытом песке без С с использованием полистирольной посуды, не было обнаружено С в фракциях ЭС даже после четырех повторных обработок на одной и той же фракции ЭС (данные не показаны).

Наконец, количество твердых частиц, которые могут быть электростатически удалены из мелкодисперсной фракции размера ила, прошедшего через экран 53 мкм, было протестировано на пяти иловых суглинистых почвах(таблица 5). Электростатически удаленные фракции продемонстрировали очень небольшое обогащение твердыми органическими частицами. Микроскопический осмотр показывает, что POM действительно существует в <53 мкм фракции этих почв(рисунок 1),но в очень небольших количествах. Если мелкодисперсная фракция почвы (т.е. <53 мкм) содержит очень мало POM, эта фракция может быть удалена перед электростатической обработкой, чтобы уменьшить количество обрабатываемой почвы. Просеять почву над очень мелким ситом, например, 53 мкм. Удалите почву с верхней части сита и поместите в лоток для электростатической обработки или просто используйте сито в качестве лотка для разбрасывания образца. Верните мелкую фракцию (почву, пропущенную через сито) в электростатическую обработку почвы перед химическим анализом.

Таблица 1: Испытанные почвы. Список образцов, используемых для сравнения электростатического процесса удаления твердых органических частиц.

Таблица 2: Репрезентативные коэффициенты выдворения. Количество грунта в электростатически удаленной фракции (удаленной) и оставшейся фракции почвы, уменьшенной в твердых частицах (остаток), в пропорции к общей массе образца и в пропорции к общей массе образца С. Также приведены концентрации C, N и C:N. Расчетный POM C:N дает рассчитанный C:N удаленной фракции, превышающей концентрации в остатке, который, по-видимому, является C:N удаленного POM. Числа в скобках являются стандартной погрешностью среднего значения. Анализ дисперсии показал, что Удалено было больше Остатка как для C, так и для C:N (p > F менее 0,0001). Реплики указывают количество реплик выборки на значение. Электростатическое разделение выполняли полистирольной тарелкой, заряженной нейлоновой тканью после просеивания мелкой фракции (<53 мкм).

Таблица 3: Сравнение техники. Удаление твердых органических частиц из почвы Татуны с помощью электростатического притяжения (ЭС), ручное удаление видимых частиц щипцами и воздухом (щипцы/висячие) и флотация на растворе йодида натрия при 1,7 гсм-3. Электростатическое притяжение выполняли полистирольной тарелкой, заряженной нейлоновой тканью, или стеклянной поверхностью, заряженной хлопчатобумажной тканью или пенополистиролом. Стекло/пена также испытывались в увлажненных условиях. Ручное удаление твердых частиц выполнялось путем осторожного продувания воздуха над поверхностью тонко растянутого грунта для перемещения его в сторону и удаления видимого остатка щипцами. Данные представляют собой среднее значение шести реплик. Средства, за которыми следует общая буква, существенно не отличаются в соответствии с тестом Тьюки на уровне значимости 5%.

Таблица 4: Исследование конечных точек. Результаты трех последовательных электростатических обработок для удаления твердых органических частиц. В среднем три образца из почвы Татуна и по одной из почв Ритцвилль-Р, Ритцвилл-Е, Уолла-Уолла-М. Фракция почвы, проходящая через сито 53 мкм, удалялась перед электростатической обработкой и анализировалась отдельно. Данные являются средним из шести анализов со стандартной погрешностью в скобках. Анализ дисперсии, полученной p = 0,06 как для C, так и для расчетного POM C:N. Буквы в столбце C:N показывают значительные различия между последовательными обработками при p < 0,05.

Таблица 5: Твердые органические вещества в мелкодисперсной почвенной фракции. Испытание на удаление электростатических частиц на мелкодисперсной фракции (<53 мкм) пяти образцов почвы из систем посева пшеницы. Анализ дисперсии Удалено против Остатка не был значимым для C и C:N. Разница в C:N не была последовательно больше в удаленных дробях.

Рисунок 1:Визуальная идентификация твердых органических частиц. Микроскопические изображения почвы NT-AW в виде(A)всей почвы,(B)удаленной фракции на поверхности заряженного полистирола,(C)<53 мкм фракции почвы и(D)материала, который всплыл на поверхность водной суспензии почвы фракции <53 мкм. Снимки были сделаны с 50-кратным или 100-кратным увеличением. Изображения, собранные в нескольких различных фокусных точках, были объединены в программном обеспечении ImageJ13 с использованием плагина Stack Focuser (https://imagej.nih.gov/ij/plugins/stack-focuser.html). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Авторам нечего раскрывать.