Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

Karakterisering, kvantifiering och förening specifik isotopanalys av Pyrogen Carbon användning av bensen polykarboxylsyror (BPCA)

Published: May 16, 2016 doi: 10.3791/53922

Abstract

Brand härrör, pyrogent kol (PYC), som ibland kallas svart kol (BC), är det kolhaltiga fasta återstoden av biomassa och förbränning av fossila bränslen, såsom kol och sot. PYC är allestädes närvarande i miljön på grund av sin långa uthållighet och sitt överflöd kan även öka med den beräknade ökningen av den globala löpeld aktivitet och fortsatt förbränning av fossila bränslen. PYC är också allt produceras från industriell pyrolys av organiskt avfall, vilket ger förkolnade jordförbättringsmedel (biochar). Dessutom kan uppkomsten av nanoteknologi också resultera i frigörandet av PYC-liknande föreningar till miljön. Det är alltså hög prioritet att tillförlitligt upptäcka, karaktärisera och kvantifiera dessa förkolnade material för att undersöka deras miljöegenskaper och förstå sin roll i kolets kretslopp.

Här presenterar vi bensen polykarboxylsyra (BPCA) metod, som möjliggör samtidig bedömning av PYC s känneSTICS, kvantitet och isotopsammansättning (13 C och 14 C) på en molekylär nivå. Metoden kan tillämpas på ett mycket brett spektrum av miljöprovmaterial och detekterar PYC över ett brett spektrum av förbrännings kontinuum, dvs är det känsligt för något förkolnade biomassa samt hög temperatur tecken och sot. Den BPCA Protokollet presenteras här är enkel att använda, mycket reproducerbar, samt lätt utdragbara och modifieras till specifika krav. Det ger således ett mångsidigt verktyg för undersökning av PYC i olika discipliner, från arkeologi och miljökriminalteknik till biochar och kolets kretslopp forskning.

Introduction

I en komplett förbränningsprocess, är biomassa eller fossilt bränsle omvandlas till CO2, H2O och oorganiska rester (aska). Men under lokala eller tidssyrebegränsningar, blir förbränningen ofullständig och pyrolys sker, vilket ger en solid organisk rest kallas röding 1. Dessa förkolnade rester även kallad pyrogen organiskt material (PyOM) och består i huvudsak av pyrogen kol (PYC) eller, synonymt, svart kol (BC) 2-4. Kolning processer är allestädes närvarande och kan vara en del av både naturliga och antropogena förbrännings 5-6. Wildfire är en viktig naturlig process, som lämpar sig för de flesta ekosystem, vilket ger en betydande mängd PYC varje år 4,7-10. På samma sätt, förbränning av fossila bränslen för energiproduktion inom industrin och transportsektorn utgör en viktig mänsklig källa till PYC 11-13. Båda källorna bidrar till den gränslösa PYC i miljön: PYC är närvarande iluften, i form av aerosoler 13-14, i vatten som partiklar eller löst organiskt material 15-17, liksom i iskärnor 18-19, jordar 20-21, och sediment 22-24 i storlekar som varierar från m till nm (t.ex. stora förkolnade trädstam efter en skogsbrand eller nanoskala sotpartiklar som undgår en dieselmotor avgaser). Den gränslösa PYC i miljön är inte bara på grund av stora produktionshastigheter utan även utifrån lång uthållighet och relativ stabilitet mot nedbrytning 25-26. Även exakta omsättnings gånger har ännu inte fastställts och kan bero på särskilda miljöförhållanden 27-28, verkar det klart att PYC är mindre lätt sönderdelas CO2 än de flesta andra former av organiskt kol 29-30. Denna observation har en viktig betydelse för den globala C cykeln: som förkolnade material butik PYC under en relativt lång tid, de isolera C i organiska former som annars skulle vara snabbt respired som CO 2, vilket minskar i atmosfären av växthusgaser över tid 31-32.

Förutom klimat förmildrande aspekt tecken har ytterligare miljörelevanta egenskaper. Deras hög porositet, stor yta och negativ ytladdning kan immobilisera farliga föreningar 33 och förbättra markens bördighet 34-35. Erkännandet av tecken som ett fördelaktigt jordförbättring ledde till det framväxande området så kallade biokol teknik 36. Biochar kommer sannolikt att produceras på stora skalor under de kommande åren och därmed väsentligt öka PYC överflöd i jordar 37. Dessutom är förekomsten av skogsbränder och förbränning av fossila bränslen också beräknas förbli hög under loppet av 21-talet, kontinuerligt bidra stora mängder PYC till miljön 11,38-39. En annan allt viktigare källa till PYC kommer sannolikt att vara nanoteknologi som också användas PYC-liknande föreningar 40-41. Det är därför viktigt att upptäcka, karaktärisera och kvantifiera dessa pyrogena material noggrant för att undersöka deras egenskaper och förstå sin roll i miljön.

Här presenterar vi användning av en state-of-the-art förening specifik metod för att analysera PYC i olika prover: den senaste generationen av bensen polykarboxylsyra (BPCA) metod 42. Denna metod är i stort sett tillämpas inom PYC forskning som direkt riktar sig mot "ryggrad" av PYC: dess polycykliska kondenserade strukturer som bildas under den termiska behandlingen 43-45 och som är därför inneboende alla olika former av PYC 5,46. Dessa strukturer är inte direkt bedömas genom kromatografiska medel, på grund av sin storlek och heterogenitet. För att kromatografiskt analysera sådana pyrogena föreningar, är PYC först digereras med salpetersyra under hög temperatur och tryck, som bryterstora polycykliska strukturer ned i sina byggstenar, den individuella BPCAs (jfr. figur 1). De BPCAs är då, efter några reningssteg, mottagliga för kromatografisk analys 20,42. PYC således isoleras och analyseras på molekylär nivå och kan användas för att kvantifiera PYC överflöd i miljön 20,42. Den BPCA metod präglar dessutom den undersökta PYC när relativa utbyten av B3-, B4-, B5 och B6CA jämförs (se Figur 1): Respektive andel olika karboxylerade BPCAs är kopplad till storleken på den ursprungliga polycykliska strukturer och är därför ett tecken på PYC kvalitet och pyrolys temperatur 44,47-48. Dessutom tillåter den presenterade metoden för bestämning av C isotopsammansättning (13 C och 14 C) i PYC eftersom enskilda BPCAs, som härrör direkt från rena PYC strukturer kan vara isotop analyseras efter isolering (se Figur 1, steg 5 och 6) 49. Förening specifik isotopanalys av PYC är av stort intresse 50 eftersom den kan användas, till exempel, att skilja mellan föregångaren biomassa tecken i tropiska områden 51-52, för att härleda en ålder av förkolnade material 53-54 eller att spåra PYC i C cykelstudier med en isotop etikett 26,55-56. Mer information om PYC samt BPCA metodens historia, utveckling och tillämpningar inom framför allt återfinns i Wiedemeier 2014 57, varifrån en del av punkterna ovan och en del av diskussionen sammanställdes.

Protocol

1. Allmänna försiktighetsåtgärder och preparat

  1. Använd endast ren, avkalkas (10% HCl-bad) och förbränns glas (500 ° C under 5 h), rengjorts noggrant verktyg och ultrarent, högtrycksvätskekromatografi (HPLC) betyg vatten och lösningsmedel för hela förfarandet.
  2. Frystorka och homogenisera prover med en kolfri kulkvarn 58 och bestämma deras totalt organiskt kol (TOC) innehåll genom elementaranalys 59-60.
    Obs: Renhetskrav för kemikalier och laboratorieutrustning är särskilt hög för förening specifika 14C analys av BPCAs. Inkludera tomma bedömningar 49 och svep testar 61 för att övervaka potentiella källor till provkontaminering.

2. HNO3 Uppslutning

  1. Väg frystorkas och homogeniserade prover (jfr. 1.2.) I kvarts matsmältningen rör och täcker mot damm med aluminiumfolie.
    1. För PYC quantificatipå och karakterisering ändamål använda prover innehållande> 1 mg TOC 42. Således, i fallet med jordar och sediment, användning ca 200-400 mg och i fallet med organiska rika prover, såsom rena charcoals, användning ca 10 - 20 mg per digestion rör.
    2. För efterföljande förening specifik isotopanalys av PYC (13 C och 14 C), se till att provet innehåller tillräckligt BPCA-C för att möta detektionsgränser för den särskilda isotopförhållande masspektrometer som kommer att användas efter steg 6. Om det finns ingen a priori information om ett provs PYC tillgängliga kvantiteten (t.ex. från tidigare mätningar), först kvantifiera dess PYC innehåll (steg 1-5) och förbereda mer prov senare om BPCA-C avkastningen är alltför låg för isotopanalys.
      Obs: Inkludera tomma och referensprov med känd PYC och 13 C och 14 C-innehåll (t.ex., från "svart kol referensmaterial", jfr resultat SEction). Detta gör det möjligt att kontrollera reproducerbarhet PYC kvantifiering och möjliggöra tomma korrigeringsberäkningar av föreningen specifika isotopmätningar efter analys.
  2. Tillsätt 2 ml av 65% HNO3 i matsmältningen rören, använd en vortexblandare för att underlätta grundlig vätning av provet och sedan infoga matsmältningen rör i tryckkammaren. Stänga tryckkamrarna enligt manualen 62 och sätta dem i en förvärmd ugn vid 170 ° C under 8 h.
    VARNING: Efter matsmältningen, låt kamrarna svalna i ugnen och bara öppna dem under dragskåp efter att de uppnått rumstemperatur eftersom skadliga gaser kan fly.
  3. Filtrera prover med vatten i mätkolvar använder engångsglasfiberfilter (<0,7 mikrometer), till exempel i glassprutor, och justera volymen till 25 ml. behövs utspädningen för att stoppa ytterligare digestion.
    Anmärkning: De 25 ml lösningar innehållande BPCAs kan lagras ikylskåp i upp till 2 månader före ytterligare bearbetning. Digestion kan i princip också utföras med användning annan instrumentering, t ex med en trycksatt mikrovågssystem 16. I så fall bör tester köras med referensmaterial för att kontrollera BPCA återkrav och metod reproducerbarhet (se representativa resultat avsnittet).

3. Borttagning av katjoner

  1. För varje prov, förbereda två glaskolonner (400 mm höjd, 15 mm diameter) med 11 g katjonbytarharts per kolumn. Konditionera hartset inuti kolonnerna genom konsekutivt skölja den med: 2 kolonnvolymer vatten, en kolonnvolym av 2 M NaOH, 2 kolonnvolymer vatten för att neutralisera pH, en kolonnvolym av 2 M HCl, och så småningom två kolonnvolymer av vatten .
  2. Kontrollera konduktiviteten hos vattnet, som sköljs genom harts efter dess konditionering. Hartset anses korrekt rade när konduktiviteten är under 2 ìS cm
  3. Sätt hälften av provet (dvs 12,5 ml, jfr steg 2,3) på varje kolumn, skölj sekventiellt 5 gånger med 10 ml vatten och frystorka vattenlösningen efteråt. Provet är stabilt efter frystorkningen och kan lagras upp till en vecka före ytterligare bearbetning om den förvaras torrt i en mörk och kall plats.
    Obs: Använd flytande kväve för att frysa proverna ( "snap frysning"), eftersom det undviker frysning av HNO3, vilket kan resultera i en pöl av stark icke-frysning syralösning. Se till att frystork är syrafast till en hög grad och test för potentiell förorening av vakuumpump rök om föreningen specifika 14C analys av BPCAs är avsedd.

4. Borttagning av apolärt föreningar

  1. Konditionera C18 fastfasextraktion patroner enligt tillverkarens anvisningar, det vill säga i följd skölja dem med 2,5 ml metanol, 2,5 ml vatten pernd slutligen med 2,5 ml metanol / vatten (1: 1 v / v).
  2. Återupplösa den frystorkade återstoden i 3 ml metanol / vatten (1: 1 v / v). Eluera varje halva av den (1,5 ml) under en separat C18 fastfasextraktion kassetten i 2,5 ml provrör. Skölj patronerna med ytterligare 1 ml metanol / vatten (1: 1 v / v).
  3. Torka provrören med provlösningen, till exempel med hjälp av en vakuumkoncentrator, upphettades till 45 ° C och vid ett vakuum av ca 50 mbar. Andra medel för indunstning kan också användas, till exempel en blow-down-system med N2-gas som i steg 6.
  4. Lös åter upp återstoden i provrör med 1 ml vatten. Stöd upplösning med vortexblandare och överföring till 1,5 ml auto sampler flaskor.
    Obs: Prover kan förvaras i kylskåp i upp till tre månader i detta skede 42.

5. Kromatografi

  1. Förbereda lösningsmedel A genom att blanda 20 ml av 85% ortofosforsyra med 980 ml vatten och filtrera solution genom en engångsglasfiberfilter med användning av vakuum. Utsätt inte lösningsmedel A för solljus och använda den inom 24 timmar för att undvika algtillväxt. Använd ren HPLC-kvalitet acetonitril som lösningsmedel B.
  2. Bered standardlösningar av kommersiellt tillgänglig BPCAs (hemimellitsyra, trimellitsyra, pyromellitsyra, pentacarboxylic och mellitsyra) till en extern standard koncentrationsserie (t.ex. 6 flaskor innehållande 5, 20, 60, 100, 150 och 250 mikrogram av varje BPCA blandas samman i 1 ml vatten, respektive).
  3. Genomför under användning av inställningarna i tabell 1 och 2 och kvantifiera BPCA innehåll genom att jämföra respektive BPCA toppareor till mätningar av externa standardserien 63.
  4. Uttrycka resultaten av PYC kvantitet i BPCA-C / torr vikt av provet [g / kg] eller BPCA-C / TOC [%]. Dessutom kan de kvalitativa egenskaperna hos PYC i proven beskrivas med hjälp av andelarna av individUAL BPCAs, t.ex. andelen B6CA (B6CA / BPCA [%]) anger graden av aromatiska kondensation av PYC 44.

6. våtoxidation av renat BPCAs för efterföljande 13 C och 14 C. Analys

  1. Efter steg 5,3., Samla de enskilda BPCAs i tillräcklig mängd (t ex> 30 mikrogram BPCA-C för nuvarande accelerator masspektrometrar 49,64) med en fraktionssamlare ansluten till HPLC 49 och sedan avlägsna lösningsmedlen genom att blåsa ner fraktionerna med en mild N2-ström medan upphettning till 70 ° C. Endast små mängder vätska fosforsyra, inklusive BPCAs, kommer att finnas kvar i flaskan.
  2. Förbereda det oxiderande reagenset genom att lösa 2 g Na 2 S 2 O 8 i 50 ml vatten, nyberedd inom 24 h av användning.
    Obs: Omkristallisera natriumpersulfat två gånger för att förbättra dess renhet genom att till fullo lösa flera grami varmt vatten och sedan samla den fasta efter att vattnet har svalnat 65-66.
  3. Lös det blåst ner återstoden (steg 6,1) med 4 ml vatten och överföra provet till 12 ml gastät borosilikat flaskan. Tillsätt 1 ml av oxiderande reagens och stänga med standardlock, innehållande ett butylgummi septum.
  4. Rensa gastäta flaskan inklusive vattenlösningen med han för 8 minuter för att avlägsna CO2 från flaskan och lösningen 66.
  5. Oxidera prover i de gastäta ampuller genom upphettning vid 100 ° C under 60 min.
  6. Direkt analysera CO2 från oxidering på isotop-ratio masspektrometrar för 13 C-halt 65-66 och accelererade masspektrometrar för 14 C-halten 67-68.
    Obs: Oxiderade prover kan lagras under åtminstone en vecka 66 före den 13 C och / eller 14C analys.

Representative Results

Vi rekommenderar att testa metoden set-up genom att mäta en serie väl beskrivna PYC material ( "kimrök referensmaterial") som i stor utsträckning har använts för olika metodutvecklingen och jämförelser i litteraturen 44,48,69-77. Information om referensmaterial finns tillgängligt från universitetet i Zürich (http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials).

Det beskrivna förfarandet medger baslinjeseparation av alla BPCA målföreningar genom HPLC. Kromatogrammen av referensmaterialen 'chernozem' (finkornig jord med en signifikant PYC innehåll) och gräs char (tillverkad av Oryza sativa) visas i figur 2. Genom att justera de kromatografiska parametrarna i tabellerna 1 och 2 (t.ex., kromatografi temperatur,pH i lösningsmedel A eller flödeshastighet, etc.), kan separationen ytterligare modifieras för specifika behov 42,63.

Kvantitativ analys av referensmaterial "kromatogram med externa standarder (steg 5,3). Bör ge de PYC värden som visas i figur 3. Observera att små förändringar i förfarande (t.ex. utelämnandet av steg 3 eller 4 i vissa fall), kan leda till högre PYC värden. Generellt bör återvinningar kontrolleras med rena BPCA standarder: spetsade referensmaterial kan hjälpa till att upptäcka oproportionerliga förluster i steg 3 och 4 och ger information om kromatografi prestanda i steg 5 42,63.

Tabell 3 visar de 13 C och 14 C-värden som erhålls när den renats BPCAs av referensmaterial analyseras för sin klimatisotop innehåll efter steg 6. Förtillförlitliga resultat, är det nödvändigt att samla in tillräckliga mängder av BPCA-C (t ex> 30 mikrogram BPCA-C för aktuella accelerator masspektrometrar, jfr Figur 4) och att vidta alla möjliga åtgärder för att minimera kontaminering av provet genom ovidkommande C 49 .

Förutom att kontrollera den metod installation med referensmaterial, såsom beskrivits ovan, är det mycket lämpligt att framställa och mäta prover i replikat, både för PYC kvantifiering (steg 5) och efterföljande förening specifika 13 C och 14 C-analyser av BPCAs (steg 6 ).

Figur 1
Figur 1:. Den BPCA Analys ordningen i protokollet steg 2, är PYC polycykliska aromatiska kondenserade strukturer rötas, producerar olika BPCAs, som är then rengöras ytterligare (steg 3 och 4) och kromatografiskt analyseras och separeras (steg 5). Efter våtoxidation (steg 6), de renade BPCAs är mottagliga för föreningen specifik isotopanalys (13 C och 14 C) på isotop-ratio masspektrometrar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2:. Kromatogram för BPCA Separation Visas är den svarta kol referensmaterial "chernozem" (a) och "gräs char" (b). Baseline separation uppnås för alla BPCA målföreningarna (B6CA, B5CA, 1,2,4,5- 1,2,3,5-, 1,2,3,4-B4CA,. 1,2,4-, 1,2,3-B3CA) 42. I formation på svarta kol referensmaterial finns tillgängligt från universitetet i Zürich (http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials). Denna siffra ändrades från Wiedemeier et al. 2013 42 och återges med tillstånd från Elsevier. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3:. Replikerad PYC Mätningar av olika svart Carbon referensmaterial Felstaplar för laboratorie replikat är mindre än symbolstorlek och variationskoefficienten i genomsnitt 5% (min: 1%, max: 10%). Denna siffra ändrades från Wiedemeier et al. 2013 42 och återges med tillstånd från Elsevier."Https://www.jove.com/files/ftp_upload/53922/53922fig3large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: Radiocarbon (14 C) Värden för B5CA och B6CA Isolerad från en modern och en Fossil Char Den angivna felet består av korrigeringar för instrument accelerator masspektrometer bakgrund och av ämnet för våtoxidation.. Den fasta grå linjen representerar en idealiserad linje för blandningen av den verkliga F 14 C-värde för respektive prov och den fastställda genomsnittliga extern kontaminering. Denna siffra ändrades från Gierga et al. 2014 49 och återges med tillstånd från Elsevier. Klicka här för att se en större version av thär figur.

mobil fas A 20 ml orto fosforsyra (85%) i 980 ml ultrarent vatten
mobil fas B acetonitril
kolumn C18 omvänd fas (jfr materiallista för mer information)
kolonntemperatur 15 ° C
flödeshastighet 0,4 ml min -1
Identifiering uppehållstid, UV-absorption vid 216 nm
kvantifiering externa standarder av BPCAs
tryck ca 120 bar

Tabell 1: Chromatography inställningar.

tid mobil fas B
[Min] [Vol%]
0 0,5
5 0,5
25,9 30
26 95
28 95
28,1 0,5
30 0,5

Tabell 2: Blandnings Gradient av mobila faser.

a
bulk char BPCA
δ 13 C [‰ vs VPDB]
kastanj char -27,4 en -27,7 ± 0,8
char majs -12,9 ± 0,4 -13,0 ± 0,4
F 14 C [%]
moderna char 1,142 b ± 0,004 b 1,13 ± 0,013
fossil char 0,003 b ± 0,001 b 0,014 ± 0,001

Tabell 3:. Carbon Isotop värden 13 C och F 14 C) för referens Char material och förening specifika isotopanalys av Motsvarande BPCAs De BPCA värdena representerar B6CA och B5CA som samlades in samtidigt i steg 5. However, kan åstadkommas isotopanalys av enskilda BPCAs analogt när BPCAs samlas in separat. Bulk röding data från Yarnes et al. (2011) 73 för kastanj char (a) och från Gierga et al. (2014) 49 för fossila och moderna röding (b). Fel för C mätningarna δ 13 är standardavvikelser från tre exemplar medan fel för C-mätningar F 14 (bulk char: ETH-50456, ETH-50458, BPCA: ETH-62324, ETH-62335) härrör från fel förökning 64.

Discussion

Den BPCA metoden har flera viktiga fördelar jämfört med andra tillgängliga PYC metoder 78-79: i) den upptäcker PYC över ett brett spektrum av förbrännings kontinuum, dvs är det känsligt för något förkolnade biomassa samt hög temperatur tecken och sot 42 70, ii) det kan samtidigt karakterisera 16,44,80-81, kvantifiera 20,42 och isotop analysera PYC 49-50,66,73,82-83, iii) är tillämplig på ett mycket brett spektrum av miljöprov material 42,70, och iv) dess metodik har intensivt över och kan sättas i en enhetlig ram med bedömningar av andra PYC metoder 44,47,70,84-85. Av alla dessa skäl är BPCA tillvägagångssätt utan tvekan den mest mångsidiga PYC metoden tillgänglig hittills vars underliggande antaganden är väl begränsad och har kontinuerligt testas mot andra metoder.

Det ovanstående protokollet konsoliderar Strengths av tidigare BPCA metoder till ett enda förfarande, är mycket reproducerbar, enkel att använda och kan enkelt utökas och modifieras till specifika krav. Till exempel, när kromatografi genomföres med en pH-gradient i stället för ett organiskt lösningsmedel, är on-line isotopförhållande övervakning av BPCAs möjligt 42, vilket undanröjer behovet av den våta oxidationssteget. På samma sätt, avlägsnande av katjoner och / eller apolära föreningar (steg 3 och 4) kan hoppas över när det är känt att vissa prover inte innehåller några sådana föreningar (t.ex. i vissa fall av laboratorieproducerade tecken).

Liksom varje PYC metod har BPCA förfarande vissa begränsningar också. I detta avseende är det viktigt att notera att BPCA tillvägagångssätt skattar inneboende totala PYC kvantitet i proverna: metoden förstör stora delar av de PYC polycykliska strukturer för att extrahera deras BPCA byggstenar, vilket sålunda inte kvantitativt återvinna hela PYC i form av BPCAs20,86. Omräkningsfaktorer hade föreslagits i det förflutna för att översätta BPCA avkastningen i den totala PYC innehåll. Men att hitta en korrekt omvandlingsfaktorn är praktiskt taget omöjligt på grund av den heterogena grad av aromatisk kondens i de flesta tecken 41,48,80,86. I många fall är PYC mängder prover jämfört förhållande till varandra 42,81,87-88. Föreslår vi då inte använda några omräkningsfaktorer och helt enkelt rapportera BPCA data "mätt" 48. I särskilda fall, när BPCA avkastningen vidtas för att beräkna absoluta PYC mängder 24,89-90, ursprungligen publicerade omräkningsfaktor 20 av 2,27 verkar lämpligt eftersom det omvandlar BPCA ger i konservativa uppskattningar av PYC innehåll 86.

En annan svårighet med PYC metoder är att de är potentiellt känsliga för störande, icke-PYC material och / eller att PYC produceras under själva analysen, vilket leder till en överskattning avsjälva PYC innehållet i prover 70. Den BPCA tillvägagångssätt är mycket robust mot sådana störande material 70, inte producera någon PYC i sig 16,70,86 och är konservativ karaktär (jfr ovan punkt). Även grafit, ett kemiskt mycket liknande material till PYC men av petrogenic ursprung, stör inte BPCA mätningar (Schneider, MPW opublicerade resultat. Zurich, (2013)). Hittills den enda kända icke-PYC störningar för BPCA metoden är några kondenserade, aromatiska pigment av svampar 91, som bör vara kvantitativt försumbar för de allra flesta studier 86. Den BPCA metoden med sin samtidig kvalitativ, kvantitativ och 13 C och 14 C isotop uppgifter är därför ett utmärkt verktyg för undersökning av PYC i olika discipliner.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ball mill Retsch N/A ball mill with carbon-free grinding jars and balls (Retsch MM 200 with agate grinding jars and balls) 
combustion oven Nabertherm N/A combustion oven/muffle furnace with a temperature of 500 °C (Nabertherm L40/11 or similar)
pressure bombs with PTFE pressure chambers,
quartz digestion tubes with quartz lids
Seif Aufschlusstechnik, Unterschleissheim, Germany N/A Helma U. Rudolf Seif Aufschlusstechnik
Fastlingerring 67
85716 Unterschleissheim
Germany
Tel: (+49) 89 3108181
vortex mixer common lab supply N/A
oven  Thermo Scientific 50051010 drying oven with constant temperature (Thermo Scientific Heraeus or similar)
vacuum manifold system
with PTFE connectors
Machery Nagel Chromabond
730151
730106
ftp://ftp.mn-net.com/english/Instruction_leaflets/Chromatography/SPE/CHROMABOND_VK_DE_EN.pdf
reusable glass syringes with disposable glass fibre filters Machery Nagel  730172
730192
http://www.mn-net.com/SPEStart/SPEaccessories/EmptySPEcolumns/tabid/4285/language/en-US/Default.aspx
25 ml volumetric glass flasks common lab supply N/A In contrast to all other glassware, do not combust to ensure volumetric accuracy. Instead, clean in acid bath, with ultrasound and with ultrapure water.
chromatographic glass columns with frit and PTFE stopcock and glass wool custom made N/A dimensions of glass columns:
ca. 40 cm long, ca. 1.5 cm in diameter
cation exchange resin Sigma Aldrich 217514 Dowex 50 WX8 400
conductivity meter WTW 300243 LF 320 Set
100 ml conical flasks for freeze drier common lab supply  N/A
liquid nitrogen common lab equipment N/A for snap-freezing the aequous solution after removal of cations
freeze dryer Christ N/A Alpha 2 - 4 LD plus
C18 solid phase extraction cartridges Supelco 52603-U http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/supelco/52603u?lang=de&region=CH
2.5 ml glass test tubes Agilent Technologies 5022-6534 http://www.chem.agilent.com/store/en_US/Prod-5022-6534/5022-6534?navAction=push&navCount=0
concentrator  Eppendorf 5305000.100
1.5 ml HPLC autosampler vials depending on HPLC N/A
6 ml fraction collector vials depending on HPLC N/A
high purity N2 gas common lab equipment N/A
12 ml borosilicate gas tight vials Labco 538W http://www.labco.co.uk/europe/gas.htm#doublewad12ml
needles B Braun 4665643 http://www.bbraun.ch/cps/rde/xchg/cw-bbraun-de-ch/hs.xsl/products.html?prid=PRID00000510
high purity He gas common lab equipment N/A
HNO3 (65%) p.a. Sigma Aldrich 84378 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/84378?lang=de&region=CH
2 M HCl Sigma Aldrich 258148 mix with ultrapure water to achieve 2 M solution
2 M NaOH Sigma Aldrich 71691 mix with ultrapure water to achieve 2 M solution
methanol Sigma Aldrich 34860 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=de&region=CH
water Milli-Q Z00QSV0WW Type 1 grade, optimized for low carbon
orthophosphoric acid Sigma Aldrich 79606 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/79606?lang=de&region=CH
acetonitrile Sigma Aldrich 34851 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34851?lang=de&region=CH
C18 reversed phase column Agilent Technologies 685975-902 Agilent Poroshell 120 SB-C18 (4.6 x 100 mm)
Na2S2O8, sodium persulfate Sigma Aldrich 71890 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/71890?lang=de&region=CH
BPCA standards
trimellitic acid Sigma Aldrich 92119 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/92119?lang=de&region=CH
hemimellitic acid Sigma Aldrich 51520 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/51520?lang=de&region=CH
pyromellitic acid Sigma Aldrich 83181 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?
term=83181&interface=All&
N=0&mode=match%20partialmax&
lang=de&region=CH&focus=product
benzenepentacarboxylic acid Sigma Aldrich S437107 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/s437107?lang=de&region=CH
mellitic acid Sigma Aldrich M2705 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/m2705?lang=de&region=CH
oxidation standards
phtalic acid Sigma-Aldrich 80010 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/80010?lang=de&region=CH
sucrose Sigma-Aldrich S7903 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7903?lang=de&region=CH
black carbon reference materials University of Zurich N/A http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shafizadeh, F. Introduction to pyrolysis of biomass. Journal J. Anal. Appl. Pyrolysis. 3 (4), 283-305 (1982).
  2. Simoneit, B. R. T. Organic matter of the trophosphere - III. Characterization and sources of petroleum and pyrogenic residues in aerosols over the western United States. Atmos. Environ. 18 (1), 51-67 (1984).
  3. Goldberg, E. D. Black carbon in the environment. , Wiley. (1985).
  4. Preston, C. M., Schmidt, M. W. I. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions. Biogeosciences. 3 (4), 397-420 (2006).
  5. Schmidt, M. W. I., Noack, A. G. Black carbon in soils and sediments: Analysis, distribution, implications, and current challenges. Global Global Biogeochem. Cycles. 14 (3), 777-793 (2000).
  6. Scott, A. C., Bowman, D. M. J. S., Bond, W. J., Pyne, S. J., Alexander, M. E. Fire on Earth: An Introduction. , Wiley. (2014).
  7. Tinner, W., Hubschmid, P., Wehrli, M., Ammann, B., Conedera, M. Long-term forest fire ecology and dynamics in southern Switzerland. J. Ecol. 87 (2), 273-289 (1999).
  8. Forbes, M. S., Raison, R. J., Skjemstad, J. O. Formation, transformation and transport of black carbon (charcoal) in terrestrial and aquatic ecosystems. Sci. Total Environ. 370 (1), 190-206 (2006).
  9. Bowman, D. M. J. S., et al. Fire in the Earth System. Science. 324 (5926), 481-484 (2009).
  10. Krawchuk, M. A., Moritz, M. A., Parisien, M. A., Van Dorn, J., Hayhoe, K. Global pyrogeography: The current and future distribution of wildfire. PLoS ONE. 4 (4), (2009).
  11. Bond, T. C., et al. A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion. J. Geophys. Res.: Atmos. 109 (14), (2004).
  12. Cao, G., Zhang, X., Zheng, F. Inventory of black carbon and organic carbon emissions from China. Atmos. Environ. 40 (34), 6516-6527 (2006).
  13. Bond, T. C., et al. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. J. Geophys. Res.: Atmos. 118 (11), 5380-5552 (2013).
  14. Ramanathan, V., Carmichael, G. Global and regional climate changes due to black carbon. Nat. Geosci. 1 (4), 221-227 (2008).
  15. Dittmar, T., Koch, B. P. Thermogenic organic matter dissolved in the abyssal ocean. Mar. Chem. 102 (3-4), 208-217 (2006).
  16. Dittmar, T. The molecular level determination of black carbon in marine dissolved organic matter. Org. Geochem. 39 (4), 396-407 (2008).
  17. Ziolkowski, L., Druffel, E. Aged black carbon identified in marine dissolved organic carbon. Geophys. Res. Lett. 37 (16), L16601 (2010).
  18. McConnell, J. R., et al. 20th-Century Industrial Black Carbon Emissions Altered Arctic Climate Forcing. Science. 317 (5843), 1381-1384 (2007).
  19. Ming, J., et al. Black carbon record based on a shallow Himalayan ice core and its climatic implications. Atmos. Chem. Phys. 8 (5), 1343-1352 (2008).
  20. Glaser, B., Haumaier, L., Guggenberger, G., Zech, W. Black carbon in soils: the use of benzenecarboxylic acids as specific markers. Org. Geochem. 29 (4), 811-819 (1998).
  21. Knicker, H. Pyrogenic organic matter in soil: Its origin and occurrence, its chemistry and survival in soil environments. Quat. Int. 243 (2), 251-263 (2011).
  22. Masiello, C. A., Druffel, E. R. M. Black carbon in deep-sea sediments. Science. 280 (5371), 1911 (1998).
  23. Gustafsson, Ö, et al. Evaluation of a protocol for the quantification of black carbon in sediments. Global Biogeochem. Cycles. 15 (4), 881-890 (2001).
  24. Sánchez-Garcìa, L., de Andrés, J. R., Gélinas, Y., Schmidt, M. W. I., Louchouarn, P. Different pools of black carbon in sediments from the Gulf of Cádiz (SW Spain): Method comparison and spatial distribution. Mar. Chem. 151, 13-22 (2013).
  25. Marschner, B., et al. How relevant is recalcitrance for the stabilization of organic matter in soils? J. Plant Nutr. Soil Sci. 171 (1), 91-110 (2008).
  26. Kuzyakov, Y., Subbotina, I., Chen, H., Bogomolova, I., Xu, X. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling. Soil Biol. Biochem. 41 (2), 210-219 (2009).
  27. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), 49-56 (2011).
  28. Singh, N., Abiven, S., Torn, M. S. Fire-derived organic carbon in soil turns over on a centennial scale. Biogeosciences. 9 (8), 2847-2857 (2012).
  29. Santos, F., Torn, M. S., Bird, J. A. Biological degradation of pyrogenic organic matter in temperate forest soils. Soil Biol. Biochem. 51, 115-124 (2012).
  30. Kuzyakov, Y., Bogomolova, I., Glaser, B. Biochar stability in soil: Decomposition during eight years and transformation as assessed by compound-specific 14C analysis. Soil Biol. Biochem. 70, 229-236 (2014).
  31. Kuhlbusch, T. A. J. Black Carbon and the Carbon Cycle. Science. 280 (5371), 1903-1904 (1998).
  32. Liang, B., et al. Stability of biomass-derived black carbon in soils. Geochim. Cosmochim. Acta. 72 (24), 6069-6078 (2008).
  33. Beesley, L., et al. A review of biochars' potential role in the remediation, revegetation and restoration of contaminated soils. Environ. Pollut. 159 (12), 3269-3282 (2011).
  34. Biederman, L. A., Harpole, W. S. Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling: a meta-analysis. GCB Bioenergy. 5 (2), 202-214 (2013).
  35. Glaser, B., Birk, J. J. State of the scientific knowledge on properties and genesis of Anthropogenic Dark Earths in Central Amazonia (terra preta de ìndio). Geochim. Cosmochim. Acta. 82, 39-51 (2012).
  36. Lehmann, J., Joseph, S. Biochar for Environemental Management: Science and Technology. , Earthscan. (2009).
  37. Marris, E. Putting the carbon back: Black is the new green. Nature. 442 (7103), 624-626 (2006).
  38. Flannigan, M., et al. Global wildland fire season severity in the 21st century. For. Ecol. Manage. 294, 54-61 (2013).
  39. Kelly, R., et al. Recent burning of boreal forests exceeds fire regime limits of the past 10,000 years. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 110 (32), 13055-13060 (2013).
  40. Hoet, P. H. M., Brüske-Hohlfeld, I., Salata, O. V. Nanoparticles - Known and unknown health risks. J. Nanobiotechnol. 2, (2004).
  41. Ziolkowski, L. A., Druffel, E. R. M. The feasibility of isolation and detection of fullerenes and carbon nanotubes using the benzene polycarboxylic acid method. Mar. Pollut. Bull. 59 (4-7), 213-218 (2009).
  42. Wiedemeier, D. B., Hilf, M. D., Smittenberg, R. H., Haberle, S. G., Schmidt, M. W. I. Improved assessment of pyrogenic carbon quantity and quality in environmental samples by high-performance liquid chromatography. J. Chromatogr. A. 1304, 246-250 (2013).
  43. Keiluweit, M., Nico, P. S., Johnson, M. G., Kleber, M. Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (biochar). Environ. Sci. Technol. 44 (4), 1247-1253 (2010).
  44. Wiedemeier, D. B., et al. Aromaticity and degree of aromatic condensation of char. Org. Geochem. 78, 135-143 (2015).
  45. Franklin, R. E. Crystallite growth in graphitizing and non-graphitizing carbons. Proc. R. Soc. London, Ser. A. 209 (1097), 196-218 (1951).
  46. Masiello, C. A. New directions in black carbon organic geochemistry. Mar. Chem. 92 (1-4), 201-213 (2004).
  47. McBeath, A., Smernik, R., Plant, E. Determination of the aromaticity and the degree of aromatic condensation of a thermosequence of wood charcoal using NMR. Org. Geochem. 42 (10), 1194-1202 (2011).
  48. Schneider, M. P. W., Smittenberg, R., Dittmar, T., Schmidt, M. W. I. Comparison of gas with liquid chromatography for the determination of benzenepolycarboxylic acids as molecular tracers of black carbon. Org. Geochem. 42 (3), 275-282 (2011).
  49. Gierga, M., et al. Purification of fire-derived markers for µg scale isotope analysis (δ13C, Δ14C) using high-performance liquid chromatography (HPLC). Org. Geochem. 70, 1-9 (2014).
  50. Bird, M. I., Ascough, P. L. Isotopes in pyrogenic carbon: A review. Org. Geochem. 42 (12), 1529-1539 (2012).
  51. Roscoe, R., Buurman, P., Velthorst, E. J., Vasconcellos, C. A. Soil organic matter dynamics in density and particle size fractions as revealed by the 13C/12C isotopic ratio in a Cerrado's oxisol. Geoderma. 104 (3-4), 185-202 (2001).
  52. Wiedemeier, D. B., Bloesch, U., Hagedorn, F. Stable forest-savanna mosaic in north-western Tanzania: local-scale evidence from δ13C signatures and 14C ages of soil fractions. J. Biogeogr. 39 (2), 247-257 (2012).
  53. Pessenda, L. C. R., et al. The use of carbon isotopes (13C,14C) in soil to evaluate vegetation changes during the holocene in Central Brazil. Radiocarbon. 38 (2), 191-201 (1996).
  54. Bird, M. I., et al. Radiocarbon dating of "old" charcoal using a wet oxidation, stepped-combustion procedure. Radiocarbon. 41 (2), 127-140 (1999).
  55. Fang, Y., Singh, B., Singh, B. P., Krull, E. Biochar carbon stability in four contrasting soils. Eur. J. Soil Sci. 65 (1), 60-71 (2014).
  56. Maestrini, B., Herrmann, A. M., Nannipieri, P., Schmidt, M. W. I., Abiven, S. Ryegrass-derived pyrogenic organic matter changes organic carbon and nitrogen mineralization in a temperate forest soil. Soil Biol. Biochem. 69, 291-301 (2014).
  57. Wiedemeier, D. B. New insights into pyrogenic carbon by an improved benzene polycarboxylic acid molecular marker method. , University of Zurich. (2014).
  58. Perttila, M., Pedersen, B. Qualilty Assurance in Environmental Monitoring. , Wiley. (2007).
  59. Baldock, J., Smernik, R. Chemical composition and bioavailability of thermally altered Pinus resinosa (Red pine) wood. Org. Geochem. 33 (9), 1093-1109 (2002).
  60. Nelson, D. W., Sommers, L. E. Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical methods. SSSA Book Series. , (1996).
  61. Buchholz, B. A., Freeman, S. P. H. T., Haack, K. W., Vogel, J. S. Tips and traps in the 14C bio-AMS preparation laboratory. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 172 (1-4), 404-408 (2000).
  62. Schramel, P., Wolf, A., Seif, R., Klose, B. J. Eine neue Apparatur zur Druckveraschung von biologischem Material. Fresenius' Z. Anal. Chem. 302 (1), 62-64 (1980).
  63. Meyer, V. Practical High-Performance Liquid Chromatography. , Wiley. (2010).
  64. Shah, S. R., Pearson, A. Ultra-microscale (5-25 µg C) analysis of individual lipids by 14C AMS: Assessment and correction for sample processing blanks. Radiocarbon. 49 (1), 69-82 (2007).
  65. Lang, S. Q., Früh-Green, G. L., Bernasconi, S. M., Wacker, L. Isotopic (δ13C, Δ14C) analysis of organic acids in marine samples using wet chemical oxidation. Limnol. Oceanogr.: Methods. 11 (4), 161-175 (2013).
  66. Lang, S., Bernasconi, S., Früh-Green, G. Stable isotope analysis of organic carbon in small (µg C) samples and dissolved organic matter using a GasBench preparation device. Rapid Commun. Mass Spectrom. 26 (1), 9-16 (2012).
  67. Wacker, L., et al. Micadas: Routine and high-precision radiocarbon dating. Radiocarbon. 52 (2), 252-262 (2010).
  68. Wacker, L., et al. A versatile gas interface for routine radiocarbon analysis with a gas ion source. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 294, 315-319 (2013).
  69. Hammes, K., Smernik, R., Skjemstad, J., Herzog, A., Vogt, U. Synthesis and characterisation of laboratory-charred grass straw (Oryza saliva) and chestnut wood (Castanea sativa) as reference materials for black carbon quantification. Org. Geochem. 37 (11), 1629-1633 (2006).
  70. Hammes, K., et al. Comparison of quantification methods to measure fire-derived (black/elemental) carbon in soils and sediments using reference materials from soil, water, sediment and the atmosphere. Global Biogeochem. Cycles. 21 (3), GB3016 (2007).
  71. Meredith, W., et al. Assessment of hydropyrolysis as a method for the quantification of black carbon using standard reference materials. Geochim. Cosmochim. Acta. 97, 131-147 (2012).
  72. Kaal, J., Schneider, M. P. W., Schmidt, M. W. I. Rapid molecular screening of black carbon (biochar) thermosequences obtained from chestnut wood and rice straw: A pyrolysis-GC/MS study. Biomass Bioenergy. 45, 115-129 (2012).
  73. Yarnes, C., et al. Stable isotopic analysis of pyrogenic organic matter in soils by liquid chromatography-isotope-ratio mass spectrometry of benzene polycarboxylic acids. Rapid Commun. Mass Spectrom. 25 (24), 3723-3731 (2011).
  74. Han, Y. M., et al. Evaluation of the thermal/optical reflectance method for discrimination between char- and soot-EC. Chemosphere. 69, 569-574 (2007).
  75. Leifeld, J. Thermal stability of black carbon characterised by oxidative differential scanning calorimetry. Org. Geochem. 38 (1), 112-127 (2007).
  76. Roth, P. J., et al. Differentiation of charcoal, soot and diagenetic carbon in soil: Method comparison and perspectives. Org. Geochem. 46, 66-75 (2012).
  77. Schmidt, M. W. I., Masiello, C. A., Skjemstad, J. O. Final recommendations for reference materials in black carbon analysis. Eos. 84 (52), (2003).
  78. Bird, M. Biochar for Environemental Management: Science and Technology. , Earthscan. (2009).
  79. Hammes, K., Abiven, S. Fire Phenomena and the Earth System. , Wiley. (2013).
  80. Schneider, M. P. W., Hilf, M., Vogt, U. F., Schmidt, M. W. I. The benzene polycarboxylic acid (BPCA) pattern of wood pyrolyzed between 200 °C and 1000 °C. Org. Geochem. 41 (10), 1082-1088 (2010).
  81. Schneider, M. P. W., et al. Toward a "molecular thermometer" to estimate the charring temperature of wildland charcoals derived from different biomass sources. Environ. Sci. Technol. 47 (20), 11490-11495 (2013).
  82. Ziolkowski, L. A., Druffel, E. R. M. Aged black carbon identified in marine dissolved organic carbon. Geophys. Res. Lett. 37 (16), (2010).
  83. Coppola, A. I., Ziolkowski, L. A., Masiello, C. A., Druffel, E. R. M. Aged black carbon in marine sediments and sinking particles. Geophys. Res. Lett. 41 (7), 2427-2433 (2014).
  84. Wurster, C. M., Lloyd, J., Goodrick, I., Saiz, G., Bird, M. I. Quantifying the abundance and stable isotope composition of pyrogenic carbon using hydrogen pyrolysis. Rapid Commun. Mass Spectrom. 26 (23), 2690-2696 (2012).
  85. Wiedemeier, D. B., Brodowski, S., Wiesenberg, G. L. B. Pyrogenic molecular markers: Linking PAH with BPCA analysis. Chemosphere. 119, 432-437 (2015).
  86. Brodowski, S., Rodionov, A., Haumaier, L., Glaser, B., Amelung, W. Revised black carbon assessment using benzene polycarboxylic acids. Org. Geochem. 36 (9), 1299-1310 (2005).
  87. Singh, N., et al. Transformation and stabilization of pyrogenic organic matter in a temperate forest field experiment. GCB. 20 (5), 1629-1642 (2014).
  88. Abiven, S., Hengartner, P., Schneider, M. P. W., Singh, N., Schmidt, M. W. I. Pyrogenic carbon soluble fraction is larger and more aromatic in aged charcoal than in fresh charcoal. Soil Biol. Biochem. 43 (7), 1615-1617 (2011).
  89. Lehndorff, E., et al. Industrial carbon input to arable soil since 1958. Org. Geochem. 80, 46-52 (2015).
  90. Lehndorff, E., Roth, P. J., Cao, Z. H., Amelung, W. Black carbon accrual during 2000 years of paddy-rice and non-paddy cropping in the Yangtze River Delta, China. GCB. 20 (6), 1968-1978 (2014).
  91. Glaser, B., Knorr, K. H. Isotopic evidence for condensed aromatics from non-pyrogenic sources in soils - implications for current methods for quantifying soil black carbon. Rapid Commun. Mass Spectrom. 22 (7), 935-942 (2008).

Tags

Kemi svart kol brand härrör organiskt material molekylär markör förening specifik isotopanalys, biochar globala kolcykeln röding pyro kol kol
Karakterisering, kvantifiering och förening specifik isotopanalys av Pyrogen Carbon användning av bensen polykarboxylsyror (BPCA)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wiedemeier, D. B., Lang, S. Q.,More

Wiedemeier, D. B., Lang, S. Q., Gierga, M., Abiven, S., Bernasconi, S. M., Früh-Green, G. L., Hajdas, I., Hanke, U. M., Hilf, M. D., McIntyre, C. P., Scheider, M. P. W., Smittenberg, R. H., Wacker, L., Wiesenberg, G. L. B., Schmidt, M. W. I. Characterization, Quantification and Compound-specific Isotopic Analysis of Pyrogenic Carbon Using Benzene Polycarboxylic Acids (BPCA). J. Vis. Exp. (111), e53922, doi:10.3791/53922 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter