$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Анализ количества углерода и азота в образцах окружающей среды – процесс, известный как «элементный анализ» – дает важную информацию об экологических свойствах окружающей среды.
Углерод и азот являются двумя наиболее важными элементами для жизни. Углерод является основой органических соединений, которые составляют основу всех живых существ, и особенно полезен в качестве меры для таких молекул, как углеводы, основной источник энергии для организмов. С другой стороны, азот содержится в таких молекулах, как нуклеиновая и аминокислота. Они служат, соответственно, генетическим материалом и строительными блоками белков, используемых организмами для структуры и функционирования.
Поскольку эти различные классы органических молекул играют разную биологическую роль, организмы нуждаются в них в разных количествах. Например, микроорганизмы в почве обычно нуждаются в источниках пищи с соотношением C:N 24:1. Поскольку разные растительные остатки имеют разное соотношение C:N, которое варьируется от 13:1, например, люцерна, до 57:1, как в кукурузе, они будут разлагаться микробами с разной скоростью и в разной степени, что, в свою очередь, влияет на то, как питательные вещества возвращаются в почву.
В этом видео мы познакомим вас с принципами анализа элементного состава углерода и азота; протокол проведения элементного анализа проб почвы; И, наконец, некоторые приложения этого метода анализа к исследованиям окружающей среды.
Элементный анализ может быть выполнен различными способами, такими как использование определенных химических реакций, часто с участием сильных кислот, в результате чего образуются характерные продукты, которые могут быть обнаружены. Значительным усовершенствованием методологии элементного анализа стала разработка технологии мгновенного сжигания, которая устранила необходимость использования опасных химических веществ, значительно упростила и ускорила процесс, а также позволила автоматизировать.
Основа элементного анализа, основанного на мгновенном сгорании, заключается в окислении образца в «камере окисления» путем его сжигания в присутствии кислорода при высоких температурах около 1000 ? С в присутствии катализатора, который ускоряет реакцию. При этом углерод в образце преобразуется в углекислый газ, а азот — в оксид азота и газообразные азот. Инертный «газ-носитель», такой как гелий, затем используется для транспортировки этих продуктов сгорания в «восстановительную камеру» с медным заполнением, где оксиды азота в дальнейшем преобразуются в газообразный азот. Избыток водяного пара удаляется из газовой смеси путем фильтрации с помощью влагопоглотителя, такого как перхлорат магния.
Продукты мгновенного сгорания могут быть отделены с помощью газовой хроматографии, во время которой молекулы газа проходят через трубки, называемые колонкой, содержащей тонкий слой жидкости или полимера. Газы многократно растворяются и испаряются из этой подложки по мере прохождения через колонну со скоростью, которая зависит от того, насколько сильно молекулы взаимодействуют с подложкой и газом-носителем. Вещество, которое проводит больше времени в растворенном в субстрате состоянии, будет медленнее перемещаться по колонне, что позволяет дифференцировать газы.
После выхода из колонны газы могут быть идентифицированы, например, по определению того, насколько хорошо они проводят тепло, что известно как теплопроводность. Изобразив время, за которое каждый газ проходит через катушку, ученые получают «хроматограмму» с пиками, представляющими каждый газ. Рассчитав обнаруженное количество углекислого газа и азота с использованием площади под соответствующими пиками, можно затем вывести соотношение C:N в исходном образце.
Теперь, когда вы понимаете принципы элементного анализа углерода и азота с использованием метода мгновенного сжигания, давайте рассмотрим протокол выполнения этого анализа с помощью автоматизированного элементного анализатора.
Чтобы подготовить образцы почвы к анализу, сначала высушите образцы в 60 ? C духовкой на 48 ч. Затем пропустите высушенную почву через сито 2 x 2 мм и выбросьте все частицы почвы, которые не проходят. Затем с помощью шаровой мельницы измельчите примерно 5 г почвы в течение 2 минут, чтобы получился однородный порошок. Поместите измельченный грунт в небольшой контейнер, например, в полиэтиленовый флакон, и храните его в эксикаторе до тех пор, пока он не будет готов к использованию.
Установите параметры анализа на элементном анализаторе в соответствии с инструкциями производителя. К ним относятся температуры печи окисления, восстановительной печи и печи для газовой хроматографии, скорость потока газа-носителя, скорость впрыска кислорода, скорость потока эталонного газа, продолжительность цикла, задержка между каплей образца и впрыском кислорода в камеру окисления, а также продолжительность впрыска кислорода.
Для того чтобы количественно определить состав образца, сначала создается стандартная кривая с использованием различных количеств соединения известного состава, такого как аспарагиновая кислота.
Для этого сначала с помощью щипцов извлеките из пачки оловянный диск для удержания образцов и придайте ему форму чашки с помощью специализированного уплотнительного устройства. Не прикасайтесь пальцами к жестяному диску, так как это может привести к попаданию масла на диск.
Теперь поставьте жестяную чашку на микровесы и установите массу тары. Снимите жестяную чашку, затем с помощью микрошпателя поместите в чашку примерно 1 мг стандартной аспарагиновой кислоты. Взвесьте чашку и запишите массу. Затем закройте оловянную чашку и поместите ее в автосэмплер, который автоматически подаст каждый образец в реакционную камеру.
Повторите описанные выше действия для нескольких количеств стандарта. Затем поместите все стандарты в автосэмплер.
Распределите и взвесьте образцы почвы в жестяных стаканчиках так же, как и стандарты, используя примерно 50 мг каждого гомогенизированного образца почвы. Подготовьте каждый образец в трех экземплярах.
После того, как все образцы будут помещены в автоподатчик и в приборе будут достигнуты соответствующие температуры, установите выполнение измерений. Программное обеспечение прибора будет производить хроматограмму для каждого стандарта и образца.
В зависимости от используемых параметров, пик газообразного азота должен быть примерно на 110 с на хроматограмме, в то время как пик углекислого газа обнаруживается на отметке около 190 с. Стандартные кривые генерируются с аспарагиновой кислотой, которая имеет соотношение углерода к азоту 4 к 1. Обладая этими знаниями, наряду с концентрацией каждого стандарта, площадь под каждым пиком может быть использована для расчета количества азота и углерода в каждом образце.
На основе массы исходного образца можно рассчитать процентное содержание азота и процентное содержание углерода в каждом образце. В этой демонстрации было обнаружено, что соотношение C:N в этом образце почвы составляет примерно 13:1, что ниже, чем соотношение 14,25:1, обычно встречающееся для почвы под открытыми лесами, и указывает на леса, в которых преобладают инвазивные европейские облепиховые деревья.
Анализ содержания углерода и азота может быть применен к различным образцам окружающей среды в дополнение к почве и имеет широкое применение в экологических исследованиях.
В этом примере исследователи собрали пробы воды из различных морских мест обитания, таких как коралловые рифы. Чтобы понять доступность органических питательных веществ для морских микробных сообществ, были измерены различные химические параметры, включая элементный анализ углерода и азота. Уровни растворенного органического углерода измерялись непосредственно в пробе воды, в то время как твердые органические вещества фильтровались из воды и анализировались.
Элементный анализ также может быть использован для мониторинга потерь питательных веществ в стоках от орошения городских ландшафтов и газонов, которые могут загрязнять водные ресурсы. Здесь ученые создали тестовые участки, чтобы смоделировать городские ландшафты и лучше понять этот процесс. Для анализа конкретных питательных веществ, таких как нитраты и аммиак в собранных стоках, использовались различные химические тесты, а для измерения уровней растворенного органического углерода и азота использовался элементный анализ, основанный на сжигании.
Наконец, анализ соотношения C:N у туш травоядных животных выявил интересную связь между риском хищничества и скоростью разложения в почве. В этом исследовании кузнечики выращивались с риском или без риска хищничества со стороны пауков. Затем тушам этих кузнечиков давали разложиться на участках почвы, а растительный детрит позже добавляли в почву для разложения.
Элементный анализ показал несколько повышенное соотношение C:N у кузнечиков, выращенных с риском хищничества, но это, в свою очередь, привело к значительному снижению скорости разложения в почве, в которой разлагался подвергшийся стрессу кузнечик, что указывает на неожиданную сложную динамику в круговороте питательных веществ в экосистеме.
Вы только что посмотрели видео JoVE об анализе проб окружающей среды на углерод и азот. Теперь вы должны понять принципы, лежащие в основе этого метода анализа; как его выполнить с помощью элементного анализатора мгновенного сгорания; и некоторые из его применений в науке об окружающей среде. Как всегда, спасибо за просмотр!
