Análisis de carbono y nitrógeno en muestras ambientales

Analizando las cantidades del carbono y nitrógeno en muestras ambientales - un proceso conocido como "análisis elemental" - proporciona la penetración importante en las características ecológicas del medio ambiente.

Carbono y el nitrógeno son dos de los elementos más importantes para la vida. Carbono es la base de compuestos orgánicos que forman la base de todos los seres vivos y es particularmente útil como una medida para moléculas como carbohidratos, la fuente primaria de energía para los organismos. Por otro lado, el nitrógeno se encuentra en moléculas tales como ácidos nucleicos y aminoácidos. Éstos sirven, respectivamente, como material genético y los bloques de construcción de las proteínas utilizadas por los organismos para la estructura y función.

Porque estas clases diferentes de moléculas orgánicas tienen diferentes funciones biológicas, organismos requieren en diferentes cantidades. Por ejemplo, microorganismos en el suelo por lo general requieren fuentes de alimentación con una proporción de c de 24:1. Debido a residuos de plantas tienen una proporción de c diferentes que van desde 13:1, como la alfalfa, a 57:1, como en maíz, será descompuestas por los microbios a diferentes velocidades y en diferentes grados, a su vez, que afectan a cómo se devuelven los nutrientes al suelo.

Este video presenta los principios de análisis de composición elemental de carbono y nitrógeno; un protocolo para la realización de análisis elemental en muestras de suelo; y finalmente, algunas aplicaciones de este método de análisis a la investigación ambiental.

Análisis elemental se pueden realizar en varias formas, tales como el uso de reacciones químicas específicas, a menudo con ácidos fuertes, dando por resultado productos característicos que pueden ser detectados. Una mejora importante en la metodología de análisis elemental fue el desarrollo de la técnica del flash de la combustión, que quitó la necesidad para el uso de productos químicos peligrosos, enormemente simplificó y aceleró el proceso, y permitido para la automatización.

La base de análisis elemental flash basado en la combustión es oxidar la muestra en una "cámara de oxidación", quemando en presencia de oxígeno en las temperaturas altas de alrededor de 1.000 ° C en presencia de un catalizador que acelere la reacción. Esto convierte el carbón en la muestra en gas de dióxido de carbono y el nitrógeno en gases de nitrógeno y óxidos de nitrógeno. Un inerte "gas portador" como el helio se utiliza para el transporte de estos productos de combustión a una "cámara de reducción" con relleno de cobre, donde los óxidos de nitrógeno son más convierte en nitrógeno gas. Exceso de vapor de agua se elimina de la mezcla de gases por filtración con un desecante como el perclorato de magnesio.

Los productos de combustión flash se pueden entonces separar por cromatografía de gases, durante el cual las moléculas de gas pasan a través de tubería, llamada una columna, que contiene una capa delgada del líquido o del polímero. Los gases se disuelven repetidas vaporizan de este sustrato su paso a través de la columna, a tasas que dependen de cómo fuertemente las moléculas interactúan con el sustrato y el gas portador. Una especie que pasa más tiempo disuelto en el sustrato viajará más lentamente a través de la columna, permitiendo que los gases que se distinguirá.

Una vez que salen de la columna, los gases se pueden identificar, por ejemplo, detectar qué tan bien ellos conducir el calor, una característica conocida como conductividad térmica. Trazando el tiempo que tarda cada gas para viajar a través de la bobina, los científicos obtienen un "cromatograma" con picos que representan a cada gas. Calculando las cantidades detectadas de dióxido de carbono y gases de nitrógeno usando el área bajo los picos respectivos, entonces se deduce la relación de c en la muestra original.

Ahora que usted entiende los principios del análisis elemental de carbono y nitrógeno mediante el método de combustión flash, vamos a ir a través de un protocolo para realizar esto utilizando un analizador automatizado en elemental.

Para preparar las muestras de suelo para análisis, en primer lugar, seque las muestras en un horno de 60 ° C durante 48 h. Luego, pasar la tierra seca a través de un tamiz de 2 x 2 mm y deseche cualquier partícula de suelo que no pasa a través. A continuación, utilizar una amoladora del molino de bola para moler aproximadamente 5 g de suelo durante 2 minutos hacer un polvo homogéneo. Poner el suelo molido en un recipiente como un frasco de polietileno y almacenar en un desecador hasta que esté listo para usar.

Configure los parámetros de análisis en el Analizador elemental según las instrucciones del fabricante. Estos incluyen la temperatura del horno de oxidación, el horno de reducción y el horno de cromatografía de gases, el caudal de gas portador, la tasa de inyección de oxígeno, el flujo de gas de referencia, el tiempo del ciclo que se ejecute, el retardo entre la inyección de gota y oxígeno de la muestra en la cámara de oxidación y la duración de la inyección del oxígeno.

Para determinar cuantitativamente la composición de la muestra, una curva estándar crea por primera vez usando diferentes cantidades de un compuesto de composición conocida, como el ácido aspártico.

Para hacer esto, use pinzas saque un disco de retención de muestra tin un paquete y moldearla en forma de Copa utilizando el dispositivo de sellado especializado. Evite tocar el disco de lata con los dedos, ya podría provocar la transferencia de aceites sobre el disco.

Ahora, coloque la taza de la lata en una Microbalanza y ajustar la Tara masa. Retire la taza de lata, entonces utilice un microspatula para colocar aproximadamente 1 mg de ácido aspártico estándar en la taza. Pesa la Copa y el registro de la masa. Luego, sellar la taza de la lata y coloque en el inyector automático, que se entrega automáticamente cada muestra en la cámara de reacción.

Repita los pasos anteriores para varias cantidades de la norma. Luego, coloque todos los estándares en el inyector automático.

Dispensar y pesar las muestras de suelo en tazas de lata semejantemente como los estándares, usando aproximadamente 50 mg de cada muestra de suelo homogeneizada. Preparar cada muestra por triplicado.

Una vez que todas las muestras se colocan en el inyector automático, y se han alcanzado las temperaturas adecuadas en el instrumento, ajustar las medidas a ejecutar. El software del instrumento producirá un cromatograma para cada estándar y muestra.

Dependiendo de los parámetros utilizados, el pico de nitrógeno debe estar en aproximadamente 110 s en el cromatograma, mientras que el pico de dióxido de carbono se detecta en alrededor de 190 s. curvas estándar son generados con ácido aspártico, que tiene un carbono a la proporción de nitrógeno de 4 a 1. Con este conocimiento, junto con la concentración de cada estándar, el área bajo cada pico puede utilizarse para calcular la cantidad de nitrógeno y carbono en cada muestra.

Basado en la masa de la muestra original, la por ciento nitrógeno y carbono por ciento de cada muestra se pueden calcular. En esta demostración, la proporción de c de esta muestra de suelo fue encontrada para ser aproximadamente 13:1, menor que la proporción de 14.25:1 generalmente encontrados para suelo en bosques abiertos e indicativo de bosques dominados por los árboles de espino cerval europeo invasor.

Análisis de contenido de carbono y nitrógeno se puede aplicar a una variedad de muestras ambientales además de suelo y tiene amplias aplicaciones en investigación ambiental.

En este ejemplo, los investigadores recogieron muestras de agua de varios hábitats marinos, como los arrecifes coralinos. Para entender la disponibilidad de nutrientes orgánicos para las comunidades microbianas marinas, se midieron varios parámetros químicos, incluyendo el análisis elemental de carbono y nitrógeno. Niveles de carbono orgánico disuelto se midieron directamente de la muestra de agua y materia orgánica particulada fue filtrada del agua analiza.

Análisis elemental pueden utilizarse también para monitorear la pérdida de nutrientes en escorrentía desde el riego de céspedes, que pueden contaminar los suministros de agua y paisajes urbanos. Aquí, los científicos establecer parcelas de prueba para simular los paisajes urbanos y comprender mejor este proceso. Una variedad de pruebas químicas se usaron para analizar nutrientes específicos como los nitratos y amoníaco en la escorrentía recogida y análisis elemental por combustión se utilizó para medir los niveles de nitrógeno y carbono orgánico disuelto.

Por último, analizar la relación de c en cadáveres de herbívoros reveló un interesante vínculo entre el riesgo de depredación y la tasa de descomposición en el suelo. En este estudio, saltamontes fueron criados con o sin el riesgo de la depredación por arañas. Cadáveres de estos saltamontes entonces podían descomponerse en parcelas de tierra y detritus de la planta fueron agregados más adelante al suelo por descomposición.

Análisis elemental mostraron c ligeramente mayor proporción en saltamontes criados con riesgo de depredación, pero esto a su vez llevó a la significativa disminución de la tasa de descomposición en el suelo en el que la cigarra estresada fue descompuesta, hacia inesperada compleja dinámica de nutrientes en ecosistemas.

Sólo has visto video de Zeus en el análisis de carbono y nitrógeno de muestras ambientales. Ahora usted debe entender los principios detrás de este método de análisis; Cómo llevar a cabo utilizando un analizador elemental de combustión flash; y algunas de sus aplicaciones en ciencias ambientales. ¡Como siempre, gracias por ver!