Waiting
Login processing...

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

Environment

Gezamenlijkegrootte en versplintering van de dichtheid van bodems voor onderzoek van Organo-minerale interacties

Published: February 15, 2019 doi: 10.3791/58927
Automatic Translation
1, 1
1Faculty of Geosciences and Environment, University of Lausanne

Summary

Gecombineerde grootte en bevolkingsdichtheid fractionering (CSDF) is een methode om fysiek gescheiden bodem in breuken die verschillen in textuur (de grootte van de deeltjes) en mineralogie (dichtheid). Het doel is om te isoleren van breuken met verschillende reactivities naar organisch bodemmateriaal (SOM), om organo-minerale interacties en SOM dynamiek beter te begrijpen.

Abstract

Gecombineerde grootte en bevolkingsdichtheid fractionering (CSDF) is een methode gebruikt om te bodem fysiek te scheiden in fracties die verschillen in deeltjesgrootte en mineralogie. CSDF berust op sequentiële dichtheid scheiding en sedimentatie stappen om te isoleren (1) de vrije lichte fractie (uncomplexed organische stof), (2) de afsluiting lichte fractie (uncomplexed organisch materiaal in de bodem aggregaten gevangen) en (3) een variabel aantal zware breuken (bodem mineralen en hun bijbehorende organische stof) die verschillen in samenstelling. Voorwaarde dat de parameters van de CSDF (dispersie energie, dichtheid cut-offs, sedimentatie tijd) correct zijn geselecteerd, levert de methode zware fracties van relatief homogene minerale samenstelling. Elk van deze fracties naar verwachting hebben een verschillende complexvormers vermogen naar organisch materiaal, waardoor dit een handige methode om te isoleren en bestuderen van de aard van de organo-minerale interacties. Het combineren van dichtheid en deeltje grootte scheiding brengt een verbeterde resolutie ten opzichte van eenvoudige grootte of dichtheid fractionering methoden, waarmee de scheiding van zware onderdelen volgens zowel de mineralogie en de grootte (gerelateerd aan de oppervlakte) criteria. Zoals voor alle fysieke fractionering methoden geldt, kan het worden beschouwd als minder storend of agressief dan chemisch gebaseerde extractiemethoden. Echter CSDF is een tijdrovende methode, en anderzijds de hoeveelheid monstermateriaal in sommige breuken kan worden beperkt voor latere analyse. Na CSDF, de fracties kunnen worden geanalyseerd voor mineralogische samenstelling, organische koolstofconcentratie bodem en chemie van organische stof. De methode bevat kwantitatieve gegevens over de organische koolstof distributie binnen een bodemmonster en licht brengt aan de sorptive capaciteit van de verschillende, natuurlijk voorkomende minerale fasen, aldus mechanistische voorlichting over de preferentiële aard van de organo-minerale interacties in de bodem (dwz., welke mineralen, wat voor soort organisch materiaal).

Introduction

De bodem is een complex systeem waarin elementen van geologische en biologische oorsprong. De studie van hun onderlinge relatie is een hoeksteen van ons begrip van ecosysteem functie1. In het bijzonder, worden organo-minerale interacties verondersteld een cruciale rol te spelen in de bodem organisch materiaal (SOM) dynamics2. Ontrafelen SOM dynamiek is momenteel een zeer actief onderzoeksgebied om verschillende redenen. Een bodem met hoge SOM voorraden zullen neigen te tonen goede intrinsieke vruchtbaarheid en kan ook het vormen van een ecologisch waardevolle carbon sequestration gelegenheid3,4.

Organisch materiaal in de bodem is zeer heterogeen, met sommige onderdelen draaien in de ruimte binnen een paar uur terwijl anderen gedurende duizenden jaren5 aanhouden kunnen. De determinanten van deze heterogeniteit blijven een controversieel onderwerp, maar de associatie met de minerale matrix wordt gezien als bijzonder belangrijk6,7, met name voor ondergrond horizon8. Minerale fasen bekend nauw koppelen aan organische componenten krijgen daardoor toenemende belang9,10,11.

Bodems bevatten een breed scala aan mineralen met kwalitatief en kwantitatief variërende sorptive potentieel naar SOM. Mineralen met groot specifieke oppervlak en/of zeer reactieve oppervlakken hebben aangetoond dat een hoge sorptie capaciteit voor organische stoffen4,12. In de bodem, secundaire mineralen zoals hoogactieve phyllosilicates (bijvoorbeeld smectites), is ijzeren oxyhydroxides en slecht kristallijne aluminosilicaten al aangetoond dat aanzienlijk deelnemen aan het sorptive behoud van sommige organische verbindingen13 , 14 , 15 , 16 , 17. bodem scheiden in fracties die verschillen in mineralogie kunnen dus isoleren van organisch materiaal zwembaden met relatieve functionele homogeniteit.

Het doel van deze paper is te presenteren van een methodologie om te isoleren organo-minerale complexen volgens samenstelling, die vervolgens de studie van hun eigenschappen vergemakkelijkt. De methode combineert grootte en bevolkingsdichtheid fractionering om fysiek gescheiden bulk bodem in een reeks van fracties van verschillende samenstelling. Gecombineerde grootte en bevolkingsdichtheid fractionering (CSDF) integreert twee effectieve fysieke fractionering benaderingen (deeltje grootte scheiding en scheiding van de dichtheid). De combinatie van deze twee benaderingen brengt verbeterde resolutie aan ons begrip van organo-minerale verenigingen in de bodem.

Er zijn veel verschillende benaderingen (chemische, fysieke en / of biochemische) die kunnen worden gebruikt om op te geven van breuken in een bulk bodem monster18,19. Eenvoudige dichtheid fractionering is een fysieke scheiding die wijd verbeid door wetenschappers van de bodem gebruikt is te bestuderen SOM dynamiek (zie bijvoorbeeld Grunwald et al., 2017 en verwijzingen daarin)20. In de klassieke vorm scheidt eenvoudige dichtheid fractionering materialen lichter dan een bepaalde cutoff (over het algemeen 1.6 naar 1,85 g·cm-3) - de lichte fractie (LF) van zwaardere materialen - de zware breuk (hF). De LF is soms verder opgesplitst in vrij lichte fractie (fLF) en afsluiting lichte fractie (oLF)21.

In vele gronden, wordt het grootste zwembad van de SOM gevonden in de hF-22. SOM in de hF wordt over het algemeen gezien als stabieler dan die van de LF-23, maar het is aangetoond dat het behouden van een hoog compositorische en waarschijnlijk, functionele heterogeniteit18. Dit wijst op de noodzaak om verdere afzonderlijke de hF in meer homogene subfractions, met het isoleren van zwembaden van SOM met verschillende biochemische eigenschappen (zoals verblijftijd of functionaliteit). Sequentiële dichtheid fractionering, zoals beschreven door Sollins et al. (2009)24, is inderdaad gebleken een succesvolle methode; nog dreigt een scheiding gebeuren uitsluitend op basis van dichtheid met uitzicht op verschillen ten gevolge van variatie in korrelgrootte en dus specifieke oppervlakte. Bijvoorbeeld, kaoliniet heeft ongeveer de dezelfde dichtheid als quartz maar mogen worden gescheiden op basis van de grootte-modus (tabel 1). CSDF behandeling van korrelgrootte bevat en de resolutie van de fractionering is verbeterd.

SOM fractionering gebaseerd op fysische, chemische of biochemische eigenschappen heeft een lange geschiedenis. Fysieke methoden zoals CSDF zijn gebaseerd op de fysieke kenmerken van de bodem onderdelen, zoals het formaat (van deeltjes of aggregaten) of dichtheid. Chemische methoden omvatten selectieve extracties uit te voeren van specifieke verbindingen of klassen van verbindingen, evenals de chemische oxidatie. Biochemische methoden, is afhankelijk van microbiële oxidatie onder verschillende experimentele omstandigheden. Chemische en biochemische methoden zijn gebaseerd op verschillende beginselen en hebben verschillende doelstellingen vergeleken met fysieke methoden maar toch kort hieronder worden beoordeeld.

De alkaline extractie (met natriumhydroxide bijvoorbeeld) behoort tot de vroegste methoden gebruikt om de organische component van bodems6chemisch te isoleren. Voorbeelden van modernere, chemische methoden voor SOM fractionering zijn ik) alkalische extractie met Na-pyrofosfaat gericht isoleren SOM gebonden aan mineralen; II) zure hydrolyse (HCl) gericht op het kwantificeren van de oude, hardnekkige SOM; en iii) selectieve oxidatie van SOM met chemische agentia gericht gratis of onstabiele SOM2aanvallen. Hoewel deze methoden kunnen nuttig inzicht te krijgen in functioneel verschillende organisch materiaal zwembad, lijden zij aan verschillende beperkingen. Eerst, kunnen de extracties onvolmaakt of onvolledig zijn. De klassieke alkaline methode haalt bijvoorbeeld slechts 50-70% van de bodem organische koolstof (SOC)6. Ten tweede, fractionering producten kunnen niet representatief zijn voor de SOM die is gevonden in situ en kunnen moeilijk te categoriseren van5. Derde, deze chemische methoden bieden slechts beperkt inzicht in de interactie van de organo-minerale omdat velen van hen doen niet het behoud van de originele associatie tussen organische stoffen en mineralen.

Biochemische extractie met inbegrip van incubations experimenten zijn hoofdzakelijk gebruikt om te studeren van onstabiele en reactieve SOM (Zie Strosser32 voor een herziening van de biochemische methoden). Incubatie experimenten kan worden beschouwd als een maatregel van biochemisch zuurstofverbruik en intuïtief goed geschikt is voor de bepaling van de biologisch beschikbare organische substraten. Echter, de noodzaak voor lange incubatie tijden in omstandigheden die van het veld (temperatuur, vochtigheid, fysieke storing, gebrek aan nieuwe ingangen afwijken) maakt de extrapolatie naar in-situ SOM dynamics delicaat.

In vergelijking met chemische of biochemische methoden die worden verondersteld om ofwel transformerende of vernietigende, fysieke fractionering technieken kunnen worden beschouwd als meer conserveermiddel22 (met de belangrijke uitzondering van oplosbare organische stoffen, die gaan verloren tijdens de procedure). Op de bodem van het beste, fysieke breuken kunnen worden beschouwd als een 'momentopname' van solid-phase bodem componenten als aanwezig in het veld en kon dus meer direct verband met SOM dynamiek in situ33. De niet-destructieve aard van de techniek betekent bovendien dat de fracties later kunnen worden gekarakteriseerd met behulp van een verscheidenheid van analyses of verdere gefractioneerde volgens chemische of biochemische methoden.

Fysieke fractionering van de bodem is niet een recente idee. Wetenschappelijke literatuur over fysieke scheiding technieken gaat terug tot de mid-20 eeuw. Toepassingen van dichtheid fractionering werden zo spoedig 196534,35gemeld. Gedurende dezelfde periode en in de daaropvolgende decennia, werden publicaties over de dynamiek van SOM en zijn interactie met mineralen al steeds wijdverbreid onder bodem wetenschappers36,37,38,39 .

Scheiding op basis van dichtheid, statistische grootte of deeltje grootte zijn de meest voorkomende fysieke scheidingsmethoden die momenteel gebruikt. Een van de belangrijkste uitdagingen van de fysieke scheiding van is het isolement van homogene functionele SOM zwembaden, zoals gedefinieerd in turn-over snelheid, grootte of andere indicator van de functie. Combineren van scheidingsmethoden of criteria, zoals in CSDF, kan helpen om functionele resolutie naar bodem breuken; inderdaad, deze methoden lijken te worden meer en meer gebruikt in combinatie18,40,41,42,43. Door het combineren van sequentiële dichtheid scheiding, kunnen opleveren breuken met verschillende organische deeltjes inhoud en mineralogische samenstelling, met grootte scheiding, die goed is voor de verschillen toe te schrijven aan specifieke oppervlakte, CSDF houdt de belofte van opbrengst inzicht in de diversiteit en de functie van organo-minerale verenigingen in de bodem.

CSDF wil fractionate fysiek bulk bodemmonsters in fracties van relatieve mineralogische en textuur homogeniteit. De dichtheid en deeltje grootte cut-offs, evenals de dispersie-energie die hier gebruikt zijn geselecteerd op basis van onze bodemtype, maar deze parameters kunnen worden aangepast afhankelijk van de monsters als fractioned en het doel van de studie. In dit voorbeeld hebben we gekozen voor een dispersie stap, twee dichtheid en één grootte cut-offs, resulterend in de scheiding van de bulk bodem in 6 breuken (tabel 2). Figuur 1 geeft een overzicht van de methode. De materialen worden fractioned hier zijn tropische bodems, maar de methode kan worden toegepast op elk bodemtype evenals sedimenten. CSDF wordt meestal gebruikt als een voorbereidende stap voor verdere analyses, hoewel de distributie van materialen onder breuken kan zeer informatief in en van zichzelf. Wanneer toegepast op bodems, levert CSDF breuken die verschillen in (1) minerale samenstelling (mineralogie en textuur) en (2) SOM concentratie en samenstelling.

Protocol

1. de monstervoorbereiding

  1. Luchtdroog en zeef 20 g of meer van de bulk bodem tot 2 mm.
  2. Bepalen van de residuele vochtgehalte van bulk bodem (massa water nog steeds aanwezig in aan bodem) voor correctie van eerste fractionering massa44.

2. dichte oplossing voorbereiding

  1. Voeg natrium polytungstate (SPT) in porties te gedeïoniseerd water (DI) opgewarmd op een hete roer plaat (~ 60 ° C) om dichte oplossingen van de gewenste dichtheid (dwz., 1.62 en 2,78 g·cm-3) te bekomen. Gebruik tabel 3 onderling verhoudingen van water en SPT te gebruiken aan te passen. Instellen van een krachtige agitatie te helpen oplossen van de SPT.
    Let op: SPT is corrosief, en het is schadelijk bij opname door de mond. Het veroorzaakt ernstige oogbeschadigingen. Draag beschermende handschoenen/brillen. Schadelijk zijn voor aquatische leven met langdurige gevolgen. Voorkom lozing in het milieu.
  2. Controleer de laatste dichtheid met een hydrometer zodra de oplossing terug naar kamertemperatuur (tussen 20-25 ° C is). Het aanpassen van de dichtheid door SPT of water toe te voegen.
    Opmerking: Het is het makkelijkst te bereiden SPT op een iets sterkere concentratie (+ 0,02-0,05 g·cm-3) dan nodig dan Verdun het tot de gewenste dichtheid.
  3. Winkel SPT bij kamertemperatuur in plastic bakjes. SPT is bekend dat het redden van calcium uit glaswerk en neerslag van onoplosbare Ca metatungstate. SPT kan ook reageren met lage kwaliteit edelstaal en keramiek. Vermijd SPT op te slaan voor enkele maanden sinds het kristallen zal starten op lokale oververzadigde punten kiemvormers.

3. Lichte fractie (LF) scheiding

Opmerking: Het LFs zijn geïsoleerd door flotatie op een oplossing met de dichtheid van 1.62 g·cm-3 voorafgaand aan Ultrasone dispersie (fLF) en volgende dispersie op 280 J·mL-1 (oLF).

  1. fLF scheiding
    1. Weeg 5-8 g van aan, gezeefde grond in een tube van 50 mL conische centrifuge. Het opnemen van de massa van de bodem met vier significante cijfers.
      Nota: Het bedrag van de bodem die kan worden toegevoegd aan elke buis hangt de bodemtextuur. Over het algemeen kleinere hoeveelheden moeten worden gebruikt voor klei bodems en hogere hoeveelheden mogen worden gebruikt voor zandige bodems. Om te krijgen voldoende hoeveelheden materiaal in elke fractie, is het mogelijk om het gebruik van verschillende buizen voor de dezelfde bodem (over het algemeen gebruiken we twee) of groter (250 mL) conische flessen. Een pilot fractionering run kan helpen een idee krijgen van de verdeling van de bodem onder breuken en aanpassen van de massa's beginnen bodem.
    2. Met behulp van een gegradueerde cilinder, Voeg 35-40 mL SPT (1.62-g·cm-3). Streven naar een verhouding bodemmonster/oplossing van 1:5 of lager.
      Opmerking: Om te voorkomen dat statistische slaking, is het mogelijk om te verzadigen van de bodem door capillaire opkomst voorafgaand aan toe te voegen de oplossing42,45.
    3. Het saldo van de totale massa van buizen met deksels met het oog op centrifugeren. Egaliseren buis massa met behulp van SPT oplossing. De buizen op een schudden tabel gedurende 10 minuten bij 200 t/min installeren.
      Opmerking: In de bodem met slechte aggregaatstabiliteit, deze stap kan worden vervangen door een zachte inversie door hand6 of overgeslagen totaal42.
    4. Stel de buizen rechtop en laat de inhoud regelen voor ten minste 30 min. Centrifuge voor 90 min bij 2.500 x g in een swingende-emmer centrifuge veroorloven een duidelijke scheiding tussen de fLF en de pellet ('vergaan' materiaal).
      Opmerking: Centrifugeren keer kunnen worden verminderd van zandstrand of goed flocculated steekproeven. Het is niet aanbevolen om Centrifugeer bij snelheden bijna de maximale capaciteit van de machine; doen dus risico's van schadelijke rotor as. Niet vergeten dat de meeste centrifuges niet ontworpen zijn om oplossingen van dichtheid overtreffen die van water.
    5. Verwijder de buizen uit de centrifuge zorgvuldig, het vermijden van een schok. Stel rechtop.
      Opmerking: op dit punt, het is mogelijk om te controleren de dichtheid van de SPT met pipetting 5 mL van het supernatans dat duidelijk tussen de zwevende materiaal en de pellet en het gewicht. Dit is vooral belangrijk als de bodem niet droog was.
    6. Giet alle drijvende en zwevende materialen (de fLF) in een fles van 250 mL polycarbonaat centrifuge. Ervoor zorgen dat de pellet stevig ingediend aan de onderkant van de buis blijft.
    7. Spoel het materiaal vast te houden aan de wand van de buis in de dezelfde polycarbonaat-fles. Gebruik een spuit fles gevuld met DI water, de buis bijna ondersteboven te houden boven de fles polycarbonaat. Wees voorzichtig niet te verstoren de pellet.
      Opmerking: Voor sommige monsters, de pellet kan niet houden sterk aan de onderkant van de buis, waardoor het volledig herstel van de fLF moeilijk. In dergelijke gevallen kan aspiratie met een pomp of een hoog-volume pipet helpen.
  2. Wassen van de fLs door ultrafiltratie
    Opmerking: LFs worden gespoeld door ultrafiltratie, aangezien de dichtheid van sommige organische stoffen kunnen lager dan dat van water, wassen uitschakeling door centrifugeren. Een beperking van de ultrafiltratie is dat sub Micrometrische, verspreide colloïden kunnen niet worden bewaard. Gebruikte filter porie maten variëren van 0.2 tot 1.2 μm. Filters met grotere poriën niet colloïden zo effectief kunnen behouden, maar zijn minder gevoelig voor verstopping. Hier, we gebruikten 0,45 micrometer filters.
    1. Setup een vacuüm ultrafiltratie lijn met 0,45 micrometer filters. Lichtjes bevochtigen van de filters en vacuüm voordat de aanscherping van de trechters Voorkom tranen.
    2. Giet de inhoud van de fles polycarbonaat langzaam in de trechter van de eenheid van een vacuüm filtratie. Laat niet de oplossing voor het zwembad over een diepte groter dan ~ 1 cm over het filter. Spoel uit een residu verlaten in de polycarbonaat fles in de filtratie-eenheid.
    3. Zodra alle van de oplossing is verstreken via het filter, herstellen in een kunststof pot geëtiketteerd "gebruikt SPT" voor recycling. Latere gespoeld kunnen worden weggegooid in de gootsteen.
    4. Meer dan 10 mL DI water toevoegen aan de filter eenheid, wordt ten minste 3 keer om ervoor te zorgen dat alle sporen van SPT worden verwijderd. Zorg ervoor dat te spoelen van de kant van de trechter voor filtratie. Bijhouden van de wasbeurten door het toevoegen van een markering op de trechter bij het toevoegen van water.
      Opmerking: De volledige verwijdering van SPT kan worden gecontroleerd door het meten van de elektrische geleiding van de laatste spoeling. De geleidbaarheid moet ≤ 5 μS·cm-1-46.
  3. Herstellen en opslaan van de fLF
    1. Laat het vacuüm op de filtratie-regel.
    2. De trechter van de eenheid van de filtratie verwijderen en herstellen van het materiaal vast te houden aan de zijkanten in een gelabelde aluminium boot met behulp van een spuit fles gevuld met DI water. Trek voorzichtig het filter met een pincet en spoel het materiële heden daarop in de dezelfde aluminium boot met behulp van een spuit fles gevuld met DI water.
    3. Droog de inhoud van de boot met een maximum van 65 ° C tot constant gewicht (ten minste 48u na volledige verdamping). Afkoelen in een exsiccator met verse droogmiddel voor minstens 30 min.
      Opmerking: Het gebruik van een freeze-drier is een andere mogelijkheid.
    4. Zachtjes Schraap het materiaal de aluminium boot met een plastic spatel. Als het monster sterk aan de aluminium boot vasthouden is, is het mogelijk gebruik van een metalen spatel. Wees voorzichtig niet te krabben in de aluminium boot.
    5. Opnemen van de massa van de fLF met vier significante cijfers, dan leg het monster in een flesje van opslag. Vermijd plastic flesjes vanwege statische elektriciteit, waardoor kleine organische deeltjes zich houden aan de zijkanten.
  4. oLF Release met het ultrasoonapparaat
    Opmerking: Het doel is om te vernietigen van stabiele macro-aggregaten en grote micro-aggregaten met het ultrasoonapparaat vrij geroteerd organische deeltjes, terwijl het minimaliseren van de extractie of de herdistributie van minerale-sorbed polymeren. Een ultrasoonapparaat energie van 280 J·mL-1 werd hier geselecteerd. Zie de sectie over de verstoring van de totale strategie in de discussie om te helpen met de keuze van ultrasoonapparaat energie.
    1. Berekenen van de hoeveelheid tijd die nodig is om te bereiken de ultrasoonapparaat doel energie van 280 J·mL-1 met behulp van een lage amplitude (bijv.., 30%) en de frequentie van de 20 KHz.
      Opmerking: Elke sonifier moet worden regelmatig gekalibreerd om betreffen ultrasoonapparaat tijd energetisch rendement; Zie Noord (1976),47 om te helpen met kalibratie.
    2. 35-40 mL van SPT (1.62-g·cm-3) aan de centrifugebuis met de pellet uit de fLF winning toevoegen. Resuspendeer de pellet in door te tikken op de buis ondersteboven en vortexing.
    3. Invoegen van de ultrasone sonde bij 2 cm onder het oppervlak van de oplossing en plaats de buis in ijs water om te voorkomen dat bulk oplossing Verwarming.
    4. Bewerk ultrasone trillingen ten het monster met behulp van de nodige tijd te bereiken van het doel energie van 280 J·mL-1. Altijd de voorkeur aan lage amplitude en langer ultrasoonapparaat. Hoge amplitudes maken van lichte materialen zoals organische deeltjes dia omhoog de sonde en spatten uit de buis, wat resulteert in een verlies van monster.
  5. oLF scheiding
    1. Het saldo van de totale massa van buizen met deksels met het oog op centrifugeren. Egaliseren buis massa met behulp van 1.62 g·cm-3 SPT oplossing.
    2. Stel de buizen rechtop en laat de inhoud regelen voor ten minste 30 min. Centrifuge voor 90 min bij 2.500 x g in de swingende-emmer centrifuge.
    3. Giet alle drijvende en zwevende materialen (de oLF) in een fles van 250 mL polycarbonaat centrifuge. Ervoor zorgen dat de pellet stevig ingediend aan de onderkant van de buis blijft.
    4. Spoel de afsluiting lichte organisch materiaal vast te houden aan de wand van de buis in de dezelfde polycarbonaat-fles. Gebruik een spuit fles gevuld met DI water, de buis bijna ondersteboven te houden boven de fles polycarbonaat. Wees voorzichtig niet te verstoren de pellet vast te houden aan de onderkant.
  6. De oLF van ultrafiltratie wassen
    1. Setup een vacuüm ultrafiltratie lijn met 0,45 micrometer filters. Lichtjes bevochtigen van de filters en vacuüm voordat de aanscherping van de trechters Voorkom tranen.
    2. Giet een kleine hoeveelheid schorsing uit de fles polycarbonaat in de trechter van de eenheid van een vacuüm filtratie. Als de oplossing niet gemakkelijk wordt doorlopen, voeg DI water om te verdunnen van de inhoud van de fles polycarbonaat.
      Opmerking: Monsters hoog gehalte aan organische stoffen (gekleurd) is moeilijk te filteren. Als het filter tekenen toont van verstopping, instellen van een tweede filtratie-eenheid of probeer een druk filtersysteem. Een andere mogelijkheid is centrifugeer verdunde inhoud van polycarbonaat flessen; het supernatant moet gaan door het filter meer gemakkelijk als het bevat minder colloïden en zwevende deeltjes dan de oorspronkelijke schorsing. Het vaste materiaal kan vervolgens worden opnieuw in water worden opgeschort en gespoeld door middel van centrifugeren. Uiteindelijk, moet al het materiaal worden ten minste 3 keer gespoeld en hersteld.
    3. Herstellen van de eerste SPT filtraat in een kunststof pot geëtiketteerd "gebruikt SPT" voor recycling. Latere gespoeld kunnen worden weggegooid in de gootsteen.
    4. Spoel het materiaal op de filtratie unit driemaal met > 10 mL DI water.
    5. Verzamel de oLF in een aluminium boot en droog bij een maximum van 65 ° C tot constant gewicht. Winkel op dezelfde manier als de fLF (zie stap 3.3).

4. scheiding van de hFs volgens deeltjesgrootte

Opmerking: De volgende stap is het fractionate van het residu uit stap 3 (de hF) volgens de deeltjesgrootte. De grootte licht-donkerscheiding hier is ingesteld op 8 µm en produceert een klei fijn slib breuk (< 8 µm) en een grof slib + zand breuk (> 8 µm). De groepering van klei en fijn slib in de fijnere fractie weerspiegelt de gedocumenteerde affiniteit van zowel klei en fijn slib voor bodem organisch materiaal sorptie33,48. Deeltje grootte scheiding hier wordt gedaan door sedimentatie (gebaseerd op Stokes wet49). Voor cut-offs bij 50 µm of groter, kan de scheiding alleen worden geëffectueerd door het nat zeven zonder het risico van te veel schuren of verstoring van de organo-minerale complexen.

  1. Residuele SPT verwijderen uit de hF
    1. 35-40 mL DI water toevoegen aan de buis met het residu uit stap 4. Resuspendeer de residu door te tikken op de buis ondersteboven en vortexing. Centrifugeer gedurende 20 min bij 2.500 x g.
    2. Giet het supernatant. Als het ziet er troebel of melkachtig, verzamelen en Centrifugeer nogmaals om te regelen de colloïden. Combineren de nieuwe pellet met de één als gevolg van de eerste centrifugeren.
      Opmerking: meer dan één spoel eventueel als er een aanzienlijke hoeveelheid SPT resterende in het residu uit stap 3 (bijvoorbeeld onvolledig decanteren van de bovendrijvende substantie). De dichtheid van de schorsing moet < 1.1 g·cm-3 vóór sedimentatie.
  2. Verspreiden van de hF en sedimentatie
    Opmerking: Voordat de sedimentatie is het belangrijk om een goed verspreide hF. We gebruiken ultrasoonapparaat in plaats van chemische dispergeermiddelen, die zou moeilijk te spoelen. Wet van Stokes vereist een constante temperatuur (bijvoorbeeld 20 ° C). Beginnend met een koude suspensie vóór ultrasoonapparaat is een effectieve manier om te voorkomen dat overmatig verhit.
    1. Gekoelde DI water toevoegen aan de buis met de pellet (tot de maatstreep aan 40 mL). Plaats in de koelkast voor 30 min.
    2. Bewerk ultrasone trillingen ten op 75 J·mL-1. Bereken de vereiste ultrasoonapparaat tijd zoals in 3.4.1.
    3. Spoel de ultrasone sonde met DI water om te herstellen van alle materialen. Met behulp van DI water, is het volume tot de maatstreep aan 50 mL in de buizen. Controleer de temperatuur van de ophanging (het moet overeenkomen met de temperatuur van de kamer gebruikt in de berekening van sedimentatie tijd).
    4. Meng de inhoud van de buis door omkeren met de hand. Laat de inhoud aan sediment voor de tijd die nodig is om materiaal (< 8 µm) te regelen. Op basis van de wet van Stokes voor een gemiddelde deeltjesgrootte reisafstand van 7 cm bij 20 ° C, is sedimentatie tijd 20 min.
    5. Pipetteer uit het supernatant (tot 10 mL mark) in een centrifugebuis 50 mL.
    6. Herhaal de sedimentatie stap 3 keer (stappen 4.2.1 – 4.2.5). Verzamelen van elke bovendrijvende substantie in een nieuwe centrifugebuis.
  3. Collectie van de twee breuken van de grootte
    1. Instellen van de buisjes met het supernatant te verdampen in de oven op 45 ° C. Laat hen drogen niet. Zodra het volume is voldoende verlaagd, consolidatie van de drie supernatant in een 50 mL centrifugebuis, die nu de < 8 µm breuk bevat.
    2. Plaats de buizen met de < 8 µm breuk, alsmede voor degenen met de > 8 µm breuk (sediment uit stap 5.2) terug in de oven op 45 ° C en de resterende overtollige vocht verdampen. Laat niet de inhoud volledig drogen.
      Opmerking: Controleer regelmatig de oven en verwijder de monsters zodra er niet meer gebundelde water in de buizen is. Uitdroging kan leiden tot sterke aggregatie, vooral in de fijne fracties.

5. scheiding van de twee breuken grootte volgens dichtheid

Opmerking: Dichtheid fractionering wordt hier toegepast op beide deeltje grootte breuken. Het doel was om te scheiden van de silicaten uit de oxiden. Wij kozen dus voor een cut-off van de dichtheid van op 2.78 g·cm-3. Optioneel, extra scheidingen kunnen worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld, zou een 2.4 g·cm-3 oplossing voor de scheiding van hoogactieve kleien van kaoliniet en primaire silicaten. Houd in gedachten dan hoge organische stof laden de theoretische dichtheid van minerale deeltjes43zal afnemen.

  1. Dichtheid fractionering
    1. Voeg 35 – 40 mL SPT met de dichtheid van 2.78 g·cm-3 naar elke grootte breuk. Evenwicht van de massa van de buizen met het oog op centrifugeren met behulp van SPT oplossing.
    2. Resuspendeer de materiaal door te tikken op de buis ondersteboven en vortexing. Agitate voor minimum 4 uur op een schudden tafel in 200 rpm.
      Opmerking: De < 8 µm breuk is moeilijk om goed resuspendeer. Als de kluiten na 4 uur aanhouden, 's nachts op de tafel schudden instellen. Ultrasoonapparaat in zeer dichte SPT oplossing wordt niet aanbevolen. Vanwege de hoge dichtheid en viscositeit, doet de ultrasoonapparaat energie niet goed doorgegeven.
    3. Stel de buizen rechtop en laat de inhoud regelen voor ten minste 30 min. Centrifuge voor 90 min bij 2.500 x g.
    4. Giet alle drijvende en zwevende materialen (< 2,78 g·cm-3 breuken) in een fles van 250 mL polycarbonaat centrifuge. Ervoor zorgen dat de pellet (> 2,78 g·cm-3 breuken) blijft stevig ingediend bij de onderkant van de buis.
  2. Wassen van de vier hFs door centrifugeren
    Opmerking: Na scheiding van de dichtheid, hebben we vier hFs verkregen (hF1 aan HF.4; Tabel 2). Elk moet worden gespoeld door middel van centrifugeren SPT. ultrafiltratie verwijderen is niet aanbevolen voor hFs (en niet mogelijk is voor de fijne breuken, hF3 en HF.4).
    1. Breng de > 2,78 g·cm-3 pellets in polycarbonaat flessen van 250 mL met behulp van een spuit fles gevuld met DI water.
    2. DI water toevoegen aan de polycarbonaat flessen te verlagen van de dichtheid, zonder overschrijding van het merk van 200 mL. Doe dit voor alle fracties.
    3. Weeg de flessen en de deksels en egaliseren van de massa's met behulp van DI water met het oog op centrifugeren. Controleer dat de maximale belasting van de rotor niet wordt overschreden.
    4. Plaats op de vortex aan resuspendeer de materiaal. Centrifugeer gedurende 20 min op 5000 x- g.
    5. De bovendrijvende vloeistof decanteren in "gebruikt SPT" pot voor recycling. Na spoelen mag worden weggegooid in de gootsteen.
      Opmerking: Wees voorzichtig niet te verliezen van fijne deeltjes terwijl decanteren. Stop het decanteren zodra het supernatant sporen van zwevende deeltjes (wervelingen, vlokken of bewolkt uiterlijk toont).
    6. Resuspendeer de pellet in DI-water (wash 1), niet meer dan de 200 mL-mark.
      Opmerking: Het is belangrijk om goede resuspensie zodat SPT niet steken tussen de deeltjes blijven kan. Fijne deeltjes vast te houden aan de zijkant van de fles zijn meest gemakkelijk opgehangen met behulp van een waterstraal uit een spuit fles. De pellet kan opnieuw worden opgeschort door te tikken op de fles ondersteboven en vortexing. Als het monster Ingehuld blijft, de schudden tabel gebruiken. Een lage-energie ultrasoonapparaat stap (bijvoorbeeld 75 J·mL-1) is ook mogelijk.
    7. Herhaal de procedure wassen (stappen 5.2.3 – 5.2.6) twee keer (wassen 2 en wassen 3).
    8. Controleren van de dichtheid van het supernatans dat laatste door weging van een volume van 10 mL; de dichtheid dient < 1.01 g·cm-3. Als het supernatant dichter dan dit is, voert een 4th wassen.
    9. Het uitvoeren van een definitieve wassen met behulp van 0,01 M NaCl als een oplossing spoelen om te voorkomen dat verstrooiing van colloïden. Volledig decanteren in de laatste spoeling oplossing.
    10. Het verzamelen van hFs (pellet + fijne deeltjes vast te houden aan de kant van de flessen) in een aluminium boot en droog bij een maximum van 105 ° C tot constant gewicht. Opslaan op dezelfde manier als de LFs.

6. recycling van SPT

Opmerking: De SPT oplossing gerecycled kunnen met het oog op het hergebruik door het passeren van een kolom met actieve kool en een cation exchange hars50. Activated charcoal behoudt organics terwijl de natrium-verzadigd cation exchange hars calcium en andere caties verwijderd door de oplossing en ze door natrium vervangt. Wij verteren de SPT in waterstofperoxide voorafgaand aan het passeren van de kolom zodat kwantitatieve verwijdering van opgeloste organische.

  1. Instellen en wijzigen van de Recycling-kolom
    1. 5-8 boorgaten van ongeveer 4-5 mm doorsnede aan de basis van een 1000 mL polycarbonaat studeerde aan de cilinder.
    2. Snijd 2 circulaire 11 μm-porie-grootte filters om de grootte en plaats ze op de bodem van de cilinder. De filters met 3-5 cm glaswol overlay. Toevoegen van 8-10 cm van actieve kool.
      Opmerking: Omdat de meerderheid van de organische verbindingen worden verwijderd door de H2O2 spijsvertering, het bedrag van actieve kool in de kolom kan worden verminderd in vergelijking met de aanbeveling van zes50.
    3. Bedek met 3-5 cm glaswol. 8-10 cm van de uitwisseling van nieuwe of geregenereerde kationische hars toevoegen. Eindig met 3-5 cm glaswol.
    4. Klem de kolom omhoog op een metalen standaard. Plaats grote kunststof trechters, is voorzien van 2,5 μm-porie-grootte filters aan de boven- en onderkant van de kolom. De trechter van de bodem zal worden aangesloten op buizen wat leidt tot een plastic fles.
    5. Spoel de kolom door het passeren van 2 L van DI water door de kolom vóór eerste gebruik.
    6. Vervang de actieve kool en regenereren de kationenwisselaar hars na ongeveer 10 tot 15 L van SPT hebben doorlopen.
  2. SPT schoonmaken
    1. Plaats de gebruikte SPT oplossing op een hete plaat met magnetische roeren. Voeg toe 15 mL 35% H2O2 voor elke liter gebruikte SPT oplossing en digest voor 24u op ongeveer 60 ° C.
    2. Verwijder de SPT uit de hete plaat en laat de oplossing gedurende ten minste 7 dagen bij kamertemperatuur in plasticware zitten.
    3. Kansloos door de recycling kolom. De filters in de trechters wijzigen dagelijks.
    4. Spoel de kolom met ongeveer 2 x 200 mL DI water om te herstellen van alle SPT.
  3. Verdamping
    1. Plaats de gerecycleerde SPT op een hete plaat met magnetische roeren. Voeg toe 15 mL 70% ethanol voor elke liter SPT oplossing voor het neutraliseren van eventuele resterende oxiderende capaciteit. Overtollige ethanol zal het gemakkelijk vormen uit de oplossing tijdens de verdamping.
    2. Damp de oplossing op laag vuur tot de gewenste dichtheid.
    3. Koel de oplossing af en controleren van de dichtheid. Opgeslagen in plastic flessen.

Representative Results

Monsters zijn tropische bodems die afkomstig zijn uit de Albertine rift valley in Oeganda. Zij bestaan uit profielen uit 3 gecultiveerde sites die geen externe inputs zoals meststoffen of fytosanitaire producten. Deze monsters werden gekozen om te vertegenwoordigen een groot spectrum van mineralogie. Voorlopige analyses bleek die site 1 minst verweerde en rijkste in primaire silicaten (veldspaten). Plaats 2 toonde tekenen van meer geavanceerde verwering met een hoog gehalte aan secundaire kleien zoals kaoliniet en een relatieve verrijking in kwarts. Site 3 was zeer verweerde met tekenen van desilicification en resterende accumulatie van ijzeroxiden en oxyhydroxides. Site 3 bevatte een extreem hoge totale ijzer-concentratie (34%, uitgedrukt als Fe2O3 oxide) als gevolg van de aanwezigheid van plinthic materiaal (iron-rich induratie51,52). Voor elk profiel, twee horizon werden bemonsterd: bovengrond (A) en ondergrond (B). CSDF werd uitgevoerd op deze 6 monsters in vier replicatieonderzoeken.

De eerste stap bij het evalueren van de doeltreffendheid van de procedure fractionering is te kijken naar herstel tarieven, (dat wil zeggen, of het oorspronkelijke materiaal is kwantitatief ontvangen aan het einde van het experiment). We beoordeeld herstel tarieven op basis van de hele bodem en SOC inhoud.

Algemene, hele bodem herstel tarieven werden beschouwd als zeer goed, met 16 van de 20 replicatieonderzoeken met herstel tarieven van meer dan 90% en 4 repliceert weergegeven: herstel tarieven tussen 85-90% (tabel 4). De oorzaak van onvolledig herstel was waarschijnlijk een verlies van opgeloste en colloïdale stoffen tijdens het spoelen. Twee replicatieonderzoeken toonde een lichte winst van massa (in volgorde van 1%) die kan eventueel worden veroorzaakt door SPT residuen of wegende onnauwkeurigheden. Opgemerkt moet worden dat redelijke massa onevenwichtigheden (< 10-15%) zijn gemeenschappelijk en doen niet in het algemeen compromis de geldigheid van de fractionering.

SOC herstel was over het algemeen binnen het bereik van de verslagen van andere studies53,54 en opvallend constant rekening houdend met de grote variatie in eerste SOC inhoud (tabel 5). De meeste monsters bleek een SOC opbrengst van 80-85%. Verliezen worden toegerekend aan het afboeken van oplosbare C, die een onvermijdelijk kenmerk van de methode; echter, oplosbare organische C kan gemakkelijk worden gekwantificeerd aan de hand een aparte extractie in water, zout of chemische dispergeermiddel55. Een klein verlies van verspreide organische colloïden tijdens fractionering is ook waarschijnlijk. Één site bleek een kleine winst van koolstof die waarschijnlijk kan worden toegeschreven aan de fout van het analytische, als de absolute waarde het verschil klein was (3 mg).

De reproduceerbaarheid van de methode kan worden geverifieerd door het analyseren van de spreiding tussen wordt gerepliceerd. Wij beoordeeld de standaardfout van het gemiddelde (SEM) evenals de variatiecoëfficiënt (CV) van de massa van de breuk tussen de duplo's.

Standaardfouten van de gemiddelde waren kleine (tabel 6), wordt over het algemeen 1 tot 2 ordes van grootte kleiner is dan de gemiddelde waarden. Dit toont aan dat werkt in 4 replicatieonderzoeken konden we de centrale tendens voor de distributie van materialen tussen fracties betrouwbaar te schatten.

Coëfficiënten voor variatie varieerde van 2 tot 70% (tabel 7). Alle CVs meer dan 35% voor breuken met kleine hoeveelheden materiaal plaatsvond (< 0,25 g). Deze hoge waarden zijn gewoon te wijten aan het feit dat deling door een kleine gemiddelde opbrengsten hoog CVs. Een paar hF1 en hF3 breuken (grove en fijne silicaten) toonde relatief hoge CVs, tussen 20-35%, maar bestond uit grote hoeveelheden materialen (1-4 g). Dit kan duiden op het hoge potentieel voor menselijke fouten tijdens verschillende gevoelige stappen (dat wil zeggen, (1) de scheiding van drijvende en zwevende materialen van de pellet in dichte oplossingen, (2) sedimentatie te isoleren deeltje grootte breuken, (3) proef spoelen en herstel). Dit resultaat bevestigt de noodzaak om te werken in verschillende wordt gerepliceerd naar robuuste resultaten behalen. Het is ook aanbevolen dat het hele proces worden behandeld door dezelfde persoon, die wordt een expert in het uitvoeren van manipulaties op een reproduceerbare wijze en ziet alle details die mogelijk afwijken van eerdere batches acuut.

De verdeling van materiële massa tussen fracties toonde sterke verschillen tussen sites, zoals verwacht kon worden gegeven van de eerste verschillen in mineralogie (Figuur 2). Op site 1, gedomineerd door primaire silicaten, zoals kwarts en veldspaten, grootste deel van het materiaal werd teruggevonden in hF1 (ontworpen om grof silicaten concentreren). Plaats 2 toonde een groter percentage van phyllosilicates (meestal kaoliniet) tijdens de mineralogische analyse; dienovereenkomstig, hF3 (ontworpen om zich te concentreren van fijne silicaten) had meer materiaal dan op 1 site. Ten slotte site 3 was de rijkste in stikstofoxiden en bleek ook de grootste hoeveelheid materiaal in hF2, ontworpen om grof stikstofoxiden concentreren. Dit geeft aan dat de methode succesvol was in fysiek van laboratoriummonsters in hun mineralogische hoofdcomponenten.

De hoeveelheid materialen hersteld in grof (hF1 + hF2) versus boete (hF3 + HF.4) breuken was ten opzichte van wat werd verwacht op basis van korrelgrootteverdeling bepaald door laser korrelgrootteverdeling (tabel 8). Overeenkomst was goed (< 10%) voor drie monsters. De drie andere monsters bleek een overmaat van materiaal in de volgorde van 20% in de grove breuken. De grote hoeveelheid stikstofoxiden in de bodem (vooral op de site 3) mogelijk gedeeltelijk verantwoordelijk voor dit verschil. Oxide korrels hebben een grotere dichtheid in vergelijking met silicaten en zal sneller sediment. Andere factoren kunnen zijn onvolledig dispersie of gedeeltelijke flocculatie van monsters tijdens sedimentatie, aangezien wij geen chemische dispersie en verwijdering van sommige fijne materialen in de lichte fracties (fLF en oLF gebruikten). Laser korrelgrootteverdeling is tot slot gebaseerd op volume schattingen onder de veronderstelling van deeltje bolvorm, terwijl de sedimentatie levert massa gebaseerde ramingen. Deze contrasterende beginselen van de meting zijn waarschijnlijk om enigszins uiteenlopende resultaten te geven.

CSDF isoleert breuken van relatieve mineralogische homogeniteit en hun bijbehorende organisch materiaal (organo-minerale complexen). Het is vooral handig als een stap in de voorbereiding voorafgaand aan de latere geochemische, biochemische en mineralogische analyses. Misschien wel, de meest krachtige experimenten zal willen karakteriseren van zowel de organische stof en de mineralen in elke fractie. Dit geeft direct bewijs voor de aard van organo-minerale associatie in de bodem.

Monster analyses eventueel bepaling van SOM hoeveelheid (bijvoorbeeld elementaire analyse van biologische C en stikstof totaal) en kwaliteit (b.v., differentiële Fourier-transform infrarood spectroscopie, pyrolyse gaschromatografie-massaspectrometrie of thermische analyse zoals Rock-Eval pyrolyse56,-57,58). Wanneer we kijken naar de minerale partner, eventueel nuttige analyses korrelgrootte, kwantificering van reactieve aluminium en ijzer fasen59, X-ray diffractie (XRD) op poeder monsters voor bulk mineralogie of georiënteerde dia's voor klei mineralogie 60.

Technieken kunnen opleveren van gelijktijdige informatie over zowel de organische en anorganische componenten kunnen van bijzonder belang zijn. Elemental toewijzing door secundaire ion massaspectrometrie (SIMS) of elektron microscopie in combinatie met X-ray Microanalyse (WDS of EDS, golflengte of energie dispersieve x-stralen spectroscopie) kan voorzien in de co lokalisatie van C, N en elementen die geassocieerd worden met reactieve minerale fasen, zoals Fe, Mn en Al en Ca. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) kunnen de chemische samenstelling van SOM en de oppervlakte elementaire samenstelling van elke fractie61openbaren.

Figure 1
Figuur 1: stroomdiagram. Fractionering stappen en cut-offs in de methode gebruikt worden hier voorgesteld. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: verdeling van materialen tussen breuken als functie van de bodem voor de twee horizonten (A en B) op drie locaties mineralogie. (A) staafdiagram toont de verdeling van materialen tussen de fracties. Het gemiddelde van de staven en foutbalken vertegenwoordigen de standaardfout van het gemiddelde van vier replicatieonderzoeken. Voor elk monster, de vijf staven som tot 100%. (B) Bulk monster mineralogie, zoals beoordeeld door poeder Röntgendiffractie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Onderdeel van de bodem Klasse Dichtheid [g cm-3] Grootteverdeling Bron
Organische Organisch materiaal 1,00-1,50 Variabele Meerdere bronnen. Zie Rühlmann et al. (2006)25 herzieningsverzoek
Imogolite Slecht kristallijne fase 1.70-2,33 Clay WADA en de Wada (1977)26
Allofaan Slecht kristallijne fase 1,84-2.35 Clay WADA en de Wada (1977)-26 ; Wilson (2013)27
Opaal Slecht kristallijne fase 1,90-2.30 Variabele Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Montmorilloniet Mineral Clay 2.30-2.35 Clay WADA en de Wada (1977)-26; Wilson (2013)27
VERMICULIET Mineral Clay 2.30-2,50 Clay Wilson (2013)27
Gibbsiet Al oxide 2.34-2,42 Variabele Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
K-veldspaat Primaire Si-rijke silicaten 2,54-2,57 Slib en zand Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Albiet Primaire Si-rijke silicaten 2,60-2.62 Slib en zand Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Kaoliniet Mineral Clay 2,60-2,68 Klei en silt Klein en Philpotts (2017)29; Wilson (2013)27
Kwarts Primaire Si-rijke silicaten 2,63-2,66 Slib en zand Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Calciet Carbonaat 2,71 Variabele Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Anorthiet Primaire Si-rijke silicaten 2,74-2,76 Slib en zand Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Illiet Fijnmazig mica 2,75-2,80 Clay Wilson (2013)27; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Muscoviet Mica 2,77-2,88 Variabele Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Biotiet Mica 2.78-3,20 Variabele Klein en Philpotts (2017)29; Skopp (2000)30
Dolomiet Carbonaat 2.84-2,86 Variabele Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Amfibolen Primaire ferromagnesian silicaten 3,00-3,40 Slib en zand Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Pyroxeen Primaire ferromagnesian silicaten 3,20-3.60 Slib en zand Klein en Philpotts (2017)29; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Goethiet Fe oxide 3.30-4,37 Variabele Hiemstra en van Riemskijk (2009)31; Klein en Philpotts (2017)29
Ferrihydrite Fe oxide 3,50-3.90 Clay Hiemstra en van Riemskijk (2009)31
Lepidocrocite Fe oxide 4,00-4.13 Variabele Hiemstra en van Riemskijk (2009)31; Hudson Instituut voor mineralogie (2017)28
Hematiet Fe oxide 4,80-5.30 Variabele Klein en Philpotts (2017)29; Skopp (2000)30

Tabel 1: belangrijkste componenten van de bodem in volgorde van toenemende dichtheid. Hun prevalentie in de textuur hoofdklassen (klei breuk, 0-2 µm; slib breuk, 2-50 µm; zand breuk, 50-2000 µm) voor matig verweerde gronden is ook geïndiceerd.

Naam van de Fractie Afkorting Cut-offs
Gratis organics fLF < 1.62 g cm-3 (vóór ultrasoonapparaat)
Afsluiting organics marketinginstrumenten < 1.62 g cm-3 (na ultrasoonapparaat)
Grof silicaten hF1 > 8 µm, 1.62 g cm-3< hF1 < 2,78 g cm-3
Grof stikstofoxiden hF2 > 8 µm, > 2,78 g cm-3
Fijne silicaten hF3 < 8 µm, 1.62 g cm-3< hF3 < 2,78 g cm-3
Fijne stikstofoxiden HF.4 < 8 µm, > 2,78 g cm-3

Tabel 2: Lijst van breuken ten gevolge van CSDF met behulp van een ultrasoonapparaat, twee dichtheid en één grootte scheiding stappen.

Volume van de oplossing [mL] Gewenste dichtheid [g cm-3] Massa SPT [g] Volume H2O [mL]
1000 1.6 741 856
1000 1.8 990 810
1000 2 1250 750
1000 2.2 1490 715
1000 2.4 1803 595
1000 2.6 2052 545
1000 2.8 2297 504
1000 3 2552 450

Tabel 3: Gids voor de voorbereiding van gemeenschappelijke SPT oplossingen.

Site Horizon Repliceren Starten van massa
[g]		 Definitieve massa
[g]		 Verschil
[g]		 Verschil
[%]
1 A 1 10.110 9.531 0.579 5.73
2 10.057 9.354 0.703 6.99
3 10.010 8.589 1.421 14.19
4 10.043 10.197 -0.154 -1.53
B 1 10.054 9.891 0.163 1.62
2 10.069 9.746 0.323 3,21
3 10.058 9.699 0.359 3.57
4 10.059 9.782 0.277 2,76
2 A 1 10.130 9.252 0.878 8.67
2 10.182 9.246 0,936 9.20
3 10.053 9.372 0.681 6.77
4 10.031 9.577 0.454 4,53
B 1 10.123 8.824 1.299 12.83
2 10.052 8.938 1.114 11.08
3 10.029 9.006 1.023 10,20
4 10.086 9.118 0.968 9.60
3 A 1 10.020 9.187 0.833 8.32
2 10.060 9.139 0.921 9.15
3 10.069 9.386 0.683 6.79
4 10.049 9.638 0.411 4.09
B 1 10.071 9.207 0.864 8.58
2 10.065 9.314 0.751 7,46
3 10.155 10.241 -0.086 -0.85
4 10.046 9.549 0.497 4.95

Tabel 4: opbrengst van hele bodem, tonen de begin massa aan het begin van de procedure fractionering en laatste massa berekend als de som van alle breuken. Verschillen worden uitgedrukt als % met ingang van massa.

Site Horizon Startende SOC massa Definitieve SOC massa Verschil Verschil
[g] [g] [g] [%]
1 A 0.50 0,41 0.09 18.07
B 0.026 0.029 -0.003 -10.63
2 A 0.34 0.27 0,07 20.19
B 0,07 0,06 0,01 12.33
3 A 1.08 0.94 0.14 12.56
B 0.31 0.27 0,05 14.51

Tabel 5: opbrengst van organische bodemkoolstof. Eerste SOC inhoud werd berekend als het product van biologische C-concentratie gemeten door de elementaire analyse en eerste proeven van de massa. Uiteindelijke SOC inhoud werd berekend als het product van biologische C concentratie en de massa van elke fractie, voor alle fracties opgeteld. Verschillen worden uitgedrukt als % met ingang van massa.

Site Horizon fLF
1.62 g cm-3 		marketinginstrumenten
1.62 g cm-3 		hF1
> 8 µm
< 2,78 g cm-3 		hF2
> 8 µm
> 2,78 g cm-3 		hF3
< 8 µm
< 2,78 g cm-3 		HF.4
< 8 µm
> 2,78 g cm-3
1 A 0.0794 ± 0.0052 0.1093 ± 0.0076 5.2188 ± 0.3079 0.3925 ± 0.0416 3.3699 ± 0.1504 0.2478 ± 0.0689
B 0.0044 ± 0.0005 0.0074 ± 0.0011 8.4351 ± 0,16 0.2569 ± 0.0301 0.9528 ± 0.1013 0.1226 ± 0.0124
2 A 0.066 ± 0.011 0.1353 ± 0.0152 5.722 ± 0.1033 0.2575 ± 0,008 3.0761 ± 0.1464 0.1047 ± 0.0364
B 0.0024 ± 0.0002 0.0165 ± 0.0022 4.5416 ± 0.0387 0.3082 ± 0.0072 4.0005 ± 0.0547 0.1025 ± 0.0268
3 A 0.2107 ± 0.0099 0.1489 ± 0.0223 3.8507 ± 0.6801 1.762 ± 0.0923 3.2862 ± 0.4892 0.0792 ± 0.0165
B 0.0305 ± 0.0035 0.0433 ± 0.0065 2.5929 ± 0.376 4.1277 ± 0.1025 2.6909 ± 0.13 0.0927 ± 0.0087

Tabel 6: waarde en SEM betekenen voor breuk massa (g). Elke cel vertegenwoordigt een gemiddelde van 4 wordt gerepliceerd.

Site Horizon fLF
< 1.62 g cm-3 		marketinginstrumenten
< 1.62 g cm-3 		hF1
> 8 µm
< 2,78 g cm-3 		hF2
> 8 µm
> 2,78 g cm-3 		hF3
< 8 µm
< 2,78 g cm-3 		HF.4
< 8 µm
> 2,78 g cm-3
1 A 0.13 0.14 0.12 0.21 0.09 0,56
B 0.22 0,29 0.04 0.23 0.21 0.20
2 A 0,33 0.22 0.04 0,06 0.10 0.70
B 0,17 0.26 0.02 0,05 0.03 0.52
3 A 0.09 0,30 0.35 0.10 0,30 0,42
B 0.23 0,30 0,29 0,05 0.10 0.19

Tabel 7: Coëfficiënten van variatie van breuk massa voor 4 wordt gerepliceerd.

Site Horizon Textuur
< 8 µm
%		 Textuur
> 8 µm
%		 Materialen in fijne breuken
(hF3 + HF.4)
%		 Materialen in grove breuken
(hF1 + hF2)
%		 Grof breuk
'overtollige'
%
1 A 48 52 39 61 9
B 31 69 11 89 20
2 A 43 57 35 65 8
B 46 54 46 54 1
3 A 58 42 37 63 21
B 52 48 29 71 23

Tabel 8: vergelijking tussen bodemtextuur bepaald door laser korrelgrootteverdeling en de verdeling van de deeltjes in grootte breuken. De laatste kolom toont de overmaat van materialen in de grove breuken ten opzichte van wat werd verwacht op basis van textuur analyse.

Discussion

Het succes van CSDF experimenten staat of valt met de selectie van de juiste parameters voor de methode, zodat de fracties van relatief homogene samenstelling kunnen worden geïsoleerd. Belangrijke overwegingen bij de keuze van fractionering parameters worden hieronder besproken.

De fLF vertegenwoordigt organisch materiaal waarvoor interactie met mineralen minimaal is. Winning van deze fractie is broos, aangezien het mengen van de bodem met de dichte oplossing kan al uiteenvallen sommige macroaggregates. Er zijn echter aanwijzingen dat de organische stof aanwezig in macroaggregates meer vergelijkbaar met de fLF stricto sensu dan aan de oLF uitgebracht door hoog-energetische ultrasoonapparaat18 wellicht. Sommige auteurs hebben zelfs een lage-energie ultrasoonapparaat stap om te isoleren van de pool van vrije en zwak minerale-interactie organisch materiaal, aangeduid als 'intra statistische organische deeltjes', iPOM54voorgesteld.

Voor de release van afsluiting organisch materiaal bestaan verschillende technieken om het verstoren van de bodem aggregaten. De meest voorkomende zijn ultrasoonapparaat, agitatie met glaskralen en het gebruik van chemische dispergeermiddelen33,62,,63. Ultrasoonapparaat werd hier gekozen omdat de uitvoer energie kan fijn worden gecontroleerd en wordt beschouwd als min of meer gelijkmatig verdelen in het monster. Door de uitschakeling van de noodzaak om chemische dispergeermiddelen, kan ultrasoonapparaat worden beschouwd als relatief conserveermiddel naar organo-minerale complexen22,33. De stap van dispersie, blijft echter een van de meest delicate operaties. Aan de ene kant, een zwakke dispersie zal de aggregaten intact laten en kan leiden tot een overmatige raming van hF SOC; aan de andere kant, kan een zeer krachtige dispersie stap herverdeling van SOC over de breuken door gedeeltelijke vernietiging van organo-minerale complexen. Zwakke biologische-zand verenigingen kunnen bijzonder kwetsbaar zijn voor dit proces. Aangezien occlusie binnen aggregaten en oppervlakte sorptie processen die zich langs een continuüm2, bestaat er geen perfecte oplossing. Het energieniveau van ultrasoonapparaat moet daarom zorgvuldig worden aangepast volgens de bodemeigenschappen. Kaiser en Berhe64 hebben gepubliceerd een zeer nuttig onderzoek dat een strategie om te minimaliseren van artefacten stelt, veroorzaakt door echografie bij het dispergeren van bodems.

Gemeld ultrasoonapparaat energieën variëren van 60 tot 5.000 J·mL-1. Verschillende onderzoeksgroepen hebben gemeld dat 100 J·mL-1 zou voldoende te vernietigen macroaggregates en effectief verspreiden zandige bodems, terwijl 500 J·mL-1 zou vernietigen van grote microaggregates en een redelijke dispersie van reactieve bieden bodems63,65,66,,67,68. In fysieke fractionering regelingen, kan volledige spreiding van slib en klei en middelgrote aggregaten niet nodig, aangezien het beveiligingsmechanisme dreigt te worden niet te onderscheiden van sorptive stabilisatie in deze grootte bereiken. Een redelijke doelstelling van dispersie voorafgaand aan grootte of dichtheid fractionering mag verstoren macro-(> 250 µm) en grote micro-(> 53 µm) aggregaten. Energieën van 100 J·mL-1 (zandige bodems) naar 200 J·mL-1 (Haspengouwse bodems) wellicht de juiste keuzes. Een energie van 200 J·mL-1 kan al een deel van de microbiële metabolieten (zogenaamd minerale-geassocieerde)69extract, dus let op het gebruik van hogere ultrasoonapparaat energieën onderworpen. Mineralogically reactieve bodems met gecementeerde aggregaten kunnen echter maximaal 500 J·mL-1 te verspreiden. Het is essentieel dat de energie van de dispersie worden aangepast om te overeenkomen met elk bodemtype, alsook het bestuderen van de doelstellingen. Tenslotte is het belangrijk om te onthouden dat zelfs na zogenaamd volledige Ultrasone dispersie, klei en middelgrote microaggregates dreigen te volharden70.

Een probleem met de harmonisatie van de technieken van de fysieke fractionering bevindt zich in de heterogeniteit gevonden in de bodem, in het bijzonder in hun minerale samenstelling. De keuze van dichte oplossingen dient te geschieden op basis van bekende of afgeleid van de mineralogie van de bodem, met als einddoel om te isoleren van de fracties die zo homogeen mogelijk.

In het artikel was de dichte oplossing gebruikt SPT - pH 371,72. De lage pH minimaliseert verliezen van oplosbare organische stoffen. Dichtheid fractionering kan echter worden uitgevoerd met verschillende dichte oplossingen. Historisch, organische vloeistoffen gebruikt (tetrabromoethane, tetrachloormethaan) waren, maar op de winst van anorganische zouten (Natriumjodide, SPT) geleidelijk werden gestaakt vanwege de giftigheid van gehalogeneerde koolwaterstoffen en de inherente verontreiniging van de bodem organische stoffen. Tegenwoordig, SPT is de ideale oplossing, aangezien de dichtheid tussen 1.0 aan 3.1 g·cm-3kan worden aangepast, kan worden gerecycled en heeft een lage toxiciteit (tenzij ingeslikt)22,,50. Belangrijkste fabrikanten bieden een scala van SPT kwaliteiten die verschillen in de mate van besmetting van koolstof en stikstof. Voor fractionering van de dichtheid van de bodem, wordt de zuiverste rang aangeraden, met name wanneer de breuken moeten worden geanalyseerd voor isotopensamenstelling.

Een oplossing van dichtheid 1.6 g·cm-3 klassiek is gebruikt om te scheiden licht organische uit minerale-geassocieerde fracties - Zie bijvoorbeeld Golchin et al.21. Terwijl sommige auteurs hebben gesuggereerd dat een dichtheid van 1 g·cm-3 (water) voldoende zijn kan om uittreksel allermeest naar de lichte fractie73,74, hebben anderen voorgestelde hogere dichtheid cut-offs zoals 1.62 of 1,65 g·cm-3 op basis van het idee dat sommige organische componenten densiteiten tot 1.60 g·cm-3 33,75,76kon tonen. Dichtheden maar liefst 1,85 g·cm-3 geweest zelfs werknemer50. Bij het selecteren van een dichtheid te scheiden van licht van zware fracties, moet opgemerkt worden dat er geen perfecte oplossing bestaat. Inderdaad, lagere dichtheden risico sommige "light" organics toeschrijven aan de zware breuken, terwijl hogere dichtheden risico, met inbegrip van sommige mineralen in de lichte fracties. Dit laatste effect kan worden gedetecteerd wanneer het koolstofgehalte van de lichte fracties, met een % SOC lager dan 40-45% met vermelding van een zekere mate van minerale besmetting observeren.

Voor zware breuken, voorlopige analyse zoals XRD geven in de mineralogie van de bulk inzicht kunnen proef60 en helpen bepalen van de dichtheid cut-offs staat onderscheid te maken tussen de minerale hoofdonderdelen van een bodem, rekening houdend met dat hoge organische belastingen verlaagt de dichtheid van een mineraal ten opzichte van de theoretische waarde. Ook voor deeltjesgrootte scheiding kunt een textuur analyse77,78 instellen passende grenzen. Deeltjesgrootte scheiding is een bijzonder aantrekkelijke aanvulling op eenvoudige dichtheid fractionering wanneer sequentiële dichtheid fractionering moeilijk is. Dit geldt bijvoorbeeld voor bodem die grote hoeveelheden oxyhydroxides en laag-activiteit-kleien, die resulteren in monster spreiding en voorkomen van duidelijke scheidingen in zware vloeistoffen bevatten. Een scheiding van de deeltjesgrootte stap is ook geïndiceerd te scheiden van mineralen van soortgelijke dichtheden maar verschillende maten (bijvoorbeeld kwarts en illiet).

Gratis calciumionen zal reageren met SPT vormen van onoplosbare Ca metatungstate. De procedure is dus ongeschikt voor alkalische bodems met grote hoeveelheden van slecht kristallijn, pedogenic carbonaten. Kleine hoeveelheden van lage-reactiviteit carbonaten interfereert niet met de fractionering, zolang de monsters zijn niet links contact SPT te lang. CA metatungstate precipitaten zal leiden tot een overmatige raming van de opgebrachte hoeveelheid. Als LFs worden uitgevoerd op een elementaire analyzer voor C concentratie, het probleem zal worden ontdekt, maar de fractionering zal worden aangetast.

Naast deze technische moeilijkheden, de fundamentele beperking van CSDF (of van de regeling van eventuele fysieke fractionering) vloeit voort uit het feit dat reactief mineralen in de bodem zelden als discrete scheidt, maar in plaats daarvan als coatings en cement voorkomen. Het vóórkomen van zeer sorptive maar zeer dunne coatings op anders onreactieve mineralen (zoals kwarts) kan leiden tot een vooringenomen mening van organo-minerale verenigingen. Voorzichtigheid is dus nodig bij het interpreteren van de resultaten, met name voor bodems waarvan reactiviteit wordt gedomineerd door slecht kristallijne en oxide fasen. Verdere karakterisering van breuken kan helpen verlichten deze dubbelzinnigheden. Gedetailleerde fysieke fractionering methoden zoals CSDF hebben echter een ongeëvenaarde mogelijkheid inzicht te krijgen in de samenstelling van natuurlijk voorkomende organo-minerale complexen. Dergelijke inzicht wordt verwacht dat nieuwe begrip van de biogeochemie van het grootste zwembad van organisch materiaal in de bodem, de één mineraal-geassocieerde opleveren.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De ontwikkeling van deze methode werd gesteund door de Fond d'Investissement (F.inverse) van de Faculteit Geowetenschappen aan de Universiteit van Lausanne. Wij erkennen de Oeganda nationale Raad voor wetenschap en technologie en Uganda Wildlife Authority voor de toekenning van ons toestemming onderzoek monsters te verzamelen. De auteurs verder bedank Prof. Thierry Adatte voor CHN en XRD analyses. Wij zijn dankbaar aan Prof. Erika Marin-Spiotta voor het verstrekken van de basisopleiding in klassieke dichtheid fractionering. Wij danken ook laboratorium manager, Laetitia Monbaron voor haar hulp bij het veiligstellen van de bevoorrading en apparatuur.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Fractionation
Sodium polytungstate Sometu SPT 0 (low C and N) is recommended. Lower grade polytungstate may contaminate samples.
Hydrometers (1-1.5, 1.5-2, 2-2.5, 2.5-3 g.cm-3) Allafrance Calibrated at 20 °C, e.g. 3050FG250/20-qp
Vortex mixer Fisher Fixed speed standard vortex mixer, e.g. 02-215-410
Sonifier VWR Qsonica LLC - Q500 system with standard probe 4220
Sonifier stand VWR Large clamp stand
Sonifier enclosure VWR Soundproof cabinet (optional)
Swinging-bucket centrifuge Beckman Able to achieve speeds of 4000 g or more, fitted with rotor accommodating 50 mL Falcon tubes
High-speed centrifuge with fixed angle rotor Beckman Able to achieve speeds of 7500 g or more, fitted with rotor accommodating 250 mL bottles
50 mL centrifuge Falcon tubes Corning e.g. 352070
250 mL centrifuge bottles Beckman Polycarbonate bottles (e.g. 352070) are recommended because they are clearer than other plastics.
Vaccum filtration units Semadeni Polusulfone reusable units, e.g. 3029
Polypropylene hose Semadeni To connect the filtration unit to vaccuum source
Ultrafiltration disks, 0.45 µm pore size Millipore e.g. HAWP04700
Dessicator cabinet Fisher scientific 3 shelves, e.g. 305317-0120
Drierite absorbent indicating Millipore Blue drierite, e.g. 10276750
Scintillation vials Fisher scientific HDPE - separated cap 20mL, e.g. 12341599
150 mL aluminium boats (smooth sides) Fisher scientific Any model.
Laboratory oven Fisher scientific Any model.
Recycling SPT column
Cation exchange resin Sigma-Aldrich Dowex® Marathon™ C sodium form, strongly acidic, 20-50 mesh
Activated charcoal Sigma-Aldrich Darco S-51, 4-12 mesh
Glass wool Fisher scientific Pyrex
Filter paper, 2.5 µm pore size Sigma-Aldrich Whatman grade 42, e.g. WHA1442150
Hydrogen peroxide Sigma-Aldrich Reagent grade.
Ethanol Sigma-Aldrich Reagent grade.
Polycarbonate 1000mL graduated cylinder Semadeni Any model.
Stand and clamp Sigma-Aldrich Size L - 2-prong
Polypropylene hose Semadeni Any model.
Polypropylene hose clamp Semadeni Any model.
Polypropylene funnels Semadeni Any model.
Polypropylene bottle (1L, 2L) Semadeni Any model.
Heating plate Fisher scientific Any model.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Adhikari, K., Hartemink, A. E. Linking soils to ecosystem services — A global review. Geoderma. 262 (Supplement C), 101-111 (2016).
  2. Kögel-Knabner, I., et al. Organo-mineral associations in temperate soils: Integrating biology, mineralogy, and organic matter chemistry. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 171 (1), 61-82 (2008).
  3. Hansen, J., et al. Young people’s burden: requirement of negative CO2 emissions. Earth System Dynamics. 8 (3), 577-616 (2017).
  4. Lützow, M. v, et al. Stabilization of organic matter in temperate soils: mechanisms and their relevance under different soil conditions - a review. European Journal of Soil Science. 57 (4), 426-445 (2006).
  5. Schmidt, M. W. I., et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property. Nature. 478 (7367), (2011).
  6. Lehmann, J., Kleber, M. The contentious nature of soil organic matter. Nature. 528 (7580), 60 (2015).
  7. Rowley, M. C., Grand, S., Verrecchia, ÉP. Calcium-mediated stabilisation of soil organic carbon. Biogeochemistry. 137 (1-2), 27-49 (2018).
  8. Matteodo, M., et al. Decoupling of topsoil and subsoil controls on organic matter dynamics in the Swiss Alps. Geoderma. 330, 41-51 (2018).
  9. Coward, E. K., Thompson, A. T., Plante, A. F. Iron-mediated mineralogical control of organic matter accumulation in tropical soils. Geoderma. 306 (Supplement C), 206-216 (2017).
  10. Torres-Sallan, G., et al. Clay illuviation provides a long-term sink for C sequestration in subsoils. Scientific Reports. 7, 45635 (2017).
  11. Rasmussen, C., et al. Beyond clay: towards an improved set of variables for predicting soil organic matter content. Biogeochemistry. 137 (3), 297-306 (2018).
  12. Khomo, L., Trumbore, S., Bern, C. R., Chadwick, O. A. Timescales of carbon turnover in soils with mixed crystalline mineralogies. SOIL. 3 (1), 17-30 (2017).
  13. Basile-Doelsch, I., et al. Mineralogical control of organic carbon dynamics in a volcanic ash soil on La Réunion. European Journal of Soil Science. 56 (6), 689-703 (2005).
  14. Basile-Doelsch, I., Brun, T., Borschneck, D., Masion, A., Marol, C., Balesdent, J. Effect of landuse on organic matter stabilized in organomineral complexes: A study combining density fractionation, mineralogy and δ13C. Geoderma. 151 (3), 77-86 (2009).
  15. Kleber, M., Mikutta, R., Torn, M. S., Jahn, R. Poorly crystalline mineral phases protect organic matter in acid subsoil horizons. European Journal of Soil Science. 56 (6), 717-725 (2005).
  16. Krull, E. S., Baldock, J. A., Skjemstad, J. O. Importance of mechanisms and processes of the stabilisation of soil organic matter for modelling carbon turnover. Functional Plant Biology. 30 (2), 207-222 (2003).
  17. Sposito, G., Skipper, N. T., Sutton, R., Park, S., Soper, A. K., Greathouse, J. A. Surface geochemistry of the clay minerals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (7), 3358-3364 (1999).
  18. Poeplau, C., et al. Isolating organic carbon fractions with varying turnover rates in temperate agricultural soils - A comprehensive method comparison. Soil Biology and Biochemistry. 125, 10-26 (2018).
  19. Poeplau, C., et al. Reproducibility of a soil organic carbon fractionation method to derive RothC carbon pools. European Journal of Soil Science. 64 (6), 735-746 (2013).
  20. Grunwald, D., et al. Influence of elevated soil temperature and biochar application on organic matter associated with aggregate-size and density fractions in an arable soil. Agriculture, Ecosystems & Environment. 241 (Supplement C), 79-87 (2017).
  21. Golchin, A., Oades, J., Skjemstad, J., Clarke, P. Study of free and occluded particulate organic matter in soils by solid state 13C Cp/MAS NMR spectroscopy and scanning electron microscopy). Australian Journal of Soil Research. 32 (2), 285 (1994).
  22. Lützow, M. v, et al. SOM fractionation methods: Relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biology and Biochemistry. 39 (9), 2183-2207 (2007).
  23. Christensen, B. T. Physical fractionation of soil and structural and functional complexity in organic matter turnover. European Journal of Soil Science. 52 (3), 345-353 (2001).
  24. Sollins, P., et al. Sequential density fractionation across soils of contrasting mineralogy: evidence for both microbial- and mineral-controlled soil organic matter stabilization. Biogeochemistry. 96 (1-3), 209-231 (2009).
  25. Rühlmann, J., Körschens, M., Graefe, J. A new approach to calculate the particle density of soils considering properties of the soil organic matter and the mineral matrix. Geoderma. 130 (3-4), 272-283 (2006).
  26. Wada, S. I., Wada, K. Density and structure of allophane. Clay Minerals. 12, 289-298 (1977).
  27. Wilson, M. J. Sheet Silicates: Clay Minerals, 2nd edition. Rock-Forming Minerals. Deer, W. A., Howie, R. A., Zussman, J. 3C, The Geological Society of London. (2013).
  28. mindat.org. , Hudson Institute of Mineralogy. Available from: https://www.mindat.org/ (2017).
  29. Klein, C., Philpotts, A. Earth Materials: Introduction to Mineralogy and Petrology. , 2nd edition, Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2017).
  30. Skopp, J. M. Physical properties of primary particles. Handbook of soil science: properties and processes. Huang, P. M., Li, Y., Sumner, M. E. , 2nd edition, CRC Press. Boca Raton. 1.1-1.10 (2012).
  31. Hiemstra, T., Van Riemsdijk, W. H. A surface structural model for ferrihydrite I: Sites related to primary charge, molar mass, and mass density. Geochimica et Cosmochimica Acta. 73 (15), 4423-4436 (2009).
  32. Strosser, E. Methods for determination of labile soil organic matter: An overview. Journal of Agrobiology. 27 (2), (2010).
  33. Christensen, B. T. Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates. Advances in Soil Science. , 1-90 (1992).
  34. Greenland, D. J. Interaction between clays and organic compounds in soils. Part I. Mechanisms of interaction between clays and defined organic compounds. Soils Fertility. 28, 415-425 (1965).
  35. Greenland, D. J. Interaction between clays and organic compounds in soils. Part II. Adsorption of soil organic compounds and its effect on soil properties. Soils Fertility. 28, 521-532 (1965).
  36. Allison, F. E., Sherman, M. S., Pinck, L. A. Maintenance of soil organic matter: I. Inorganic soil colloid as a factor in retention of carbon during formation of humus. Soil Science. 68 (6), 463 (1949).
  37. Anderson, D. W. The effect of parent material and soil development on nutrient cycling in temperate ecosystems. Biogeochemistry. 5 (1), 71-97 (1988).
  38. Oades, J. M. The retention of organic matter in soils. Biogeochemistry. 5 (1), 35-70 (1988).
  39. Tiessen, H., Stewart, J. W. B., Hunt, H. W. Concepts of soil organic matter transformations in relation to organo-mineral particle size fractions. Plant and Soil. 76 (1-3), 287-295 (1984).
  40. Trumbore, S. E., Zheng, S. Comparison of fractionation methods for soil organic matter 14C analysis. Radiocarbon. 38 (2), 219-229 (1996).
  41. Moni, C., Derrien, D., Hatton, P. -J., Zeller, B., Kleber, M. Density fractions versus size separates: does physical fractionation isolate functional soil compartments? Biogeosciences. 9 (12), 5181-5197 (2012).
  42. Mueller, C. W., et al. Initial differentiation of vertical soil organic matter distribution and composition under juvenile beech (Fagus sylvatica L.) trees. Plant and soil. 323 (1-2), 111-123 (2009).
  43. Schweizer, S. A., Hoeschen, C., Schlüter, S., Kögel-Knabner, I., Mueller, C. W. Rapid soil formation after glacial retreat shaped by spatial patterns of organic matter accrual in microaggregates. Global Change Biology. 24 (4), 1637-1650 (2018).
  44. Kalra, Y. P., Maynard, D. G. Methods manual for forest soil and plant analysis. , Information report NOR-X-319, Forestry Canada, Northwest region, Northern Forestry Centre, Edmonton, AB, Canada (1991).
  45. Mueller, C. W., Rethemeyer, J., Kao-Kniffin, J., Löppmann, S., Hinkel, K. M., Bockheim, J. G. Large amounts of labile organic carbon in permafrost soils of northern Alaska. Global Change Biology. 21, 2804-2817 (2015).
  46. Höfle, S., Rethemeyer, J., Mueller, C., John, S. Organic matter composition and stabilization in a polygonal tundra soil of the Lena Delta. Biogeosciences. 10, (2013).
  47. North, P. F. Towards an absolute measurement of soil structural stability using ultrasound. Journal of Soil Science. 27 (4), 451-459 (1976).
  48. Grand, S., Lavkulich, L. M. Depth distribution and predictors of soil organic carbon in Podzols of a forested watershed in Southwestern Canada. Soil Science. 176, 164-174 (2011).
  49. Laird, D. A., Dowdy, R. H. Preconcentration techniques in soil mineralogical analyses. Quantitative Methods in Soil Mineralogy. Amonette, J. E., Zelazny, L. W. , SSSA miscellaneous publications. Madison, WI, USA. (1994).
  50. Six, J. Recycling of sodium polytungstate used in soil organic matter studies. Soil Biology and Biochemistry. 31 (8), 1193-1196 (1999).
  51. dos Anjos, L. H. C., Franzmeier, D. P., Schulze, D. G. Formation of soils with plinthite on a toposequence in Maranhaño State, Brazil. Geoderma. 64 (3), 257-279 (1995).
  52. Soil Survey Staff. Keys to Soil Taxonomy | NRCS Soils. , USDA-Natural Resources Conservation Service. Washington, DC. Available from: https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/detail/soils/survey/class/taxonomy/?cid=nrcs142p2_053580 (2014).
  53. Baldock, J. A., et al. Aspects of the chemical structure of soil organic materials as revealed by solid-state 13C NMR spectroscopy. Biogeochemistry. 16, 1-42 (1992).
  54. Vos, C., Jaconi, A., Jacobs, A., Don, A. Hot regions of labile and stable soil organic carbon in Germany - Spatial variability and driving factors. SOIL. 4, 153-167 (2018).
  55. Magid, J., Gorissen, A., Giller, K. E. In search of the elusive "active" fraction of soil organic matter: three size-density fractionation methods for tracing the fate of homogeneously 14C-labelled plant materials. Soil Biology and Biochemistry. 28 (1), 89-99 (1996).
  56. Albrecht, R., Sebag, D., Verrecchia, E. Organic matter decomposition: bridging the gap between Rock-Eval pyrolysis and chemical characterization (CPMAS 13C NMR). Biogeochemistry. 122 (1), 101-111 (2015).
  57. Disnar, J. R., Guillet, B., Keravis, D., Di-Giovanni, C., Sebag, D. Soil organic matter (SOM) characterization by Rock-Eval pyrolysis: scope and limitations. Organic Geochemistry. 34 (3), 327-343 (2003).
  58. Sebag, D., Disnar, J. R., Guillet, B., Di Giovanni, C., Verrecchia, E. P., Durand, A. Monitoring organic matter dynamics in soil profiles by ‘Rock-Eval pyrolysis’: bulk characterization and quantification of degradation. European Journal of Soil Science. 57 (3), 344-355 (2006).
  59. Shang, C., Zelazny, L. W., Ulery, A. L., Richard Drees, L. Selective dissolution techniques for mineral analysis of soils and sediments. Methods of Soil Analysis, part 5. Mineralogical Methods. Ulery, A. L., Drees, L. R. , SSSA Book Series no 5. Madison, WI, USA. (2008).
  60. Harris, W., Norman White, G., Ulery, A. L., Richard Drees, L. X-ray diffraction techniques for soil mineral identification. Methods of Soil Analysis, part 5. Mineralogical Methods. Ulery, A. L., Drees, L. R. , SSSA Book Series no 5. Madison, WI, USA. (2008).
  61. Jones, E., Singh, B. Organo-mineral interactions in contrasting soils under natural vegetation. Frontiers in Environmental Science. 2, 2 (2014).
  62. Amelung, W., Zech, W. Minimisation of organic matter disruption during particle-size fractionation of grassland epipedons. Geoderma. 92 (1), 73-85 (1999).
  63. Schmidt, M. W. I., Rumpel, C., Kögel-Knabner, I. Particle size fractionation of soil containing coal and combusted particles. European Journal of Soil Science. 50 (3), 515-522 (1999).
  64. Kaiser, M., Berhe, A. A. How does sonication affect the mineral and organic constituents of soil aggregates?—A review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 177 (4), 479-495 (2014).
  65. Asano, M., Wagai, R. Evidence of aggregate hierarchy at micro- to submicron scales in an allophanic Andisol. Geoderma. 216, 62-74 (2014).
  66. Heckman, K., et al. Sorptive fractionation of organic matter and formation of organo-hydroxy-aluminum complexes during litter biodegradation in the presence of gibbsite. Geochimica et Cosmochimica Acta. , 667-683 (2013).
  67. Schrumpf, M., Kaiser, K., Guggenberger, G., Persson, T., Kögel-Knabner, I., Schulze, E. -D. Storage and stability of organic carbon in soils as related to depth, occlusion within aggregates, and attachment to minerals. Biogeosciences. 10, 1675-1691 (2013).
  68. Rumpel, C., Eusterhues, K., Kögel-Knabner, I. Location and chemical composition of stabilized organic carbon in topsoil and subsoil horizons of two acid forest soils. Soil Biology and Biochemistry. 36, 177-190 (2004).
  69. Höfle, S., Rethemeyer, J., Mueller, C., John, S. Organic matter composition and stabilization in a polygonal tundra soil of the Lena Delta. Biogeosciences. 10, (2013).
  70. Chenu, C., Plante, A. F. Clay-sized organo-mineral complexes in a cultivation chronosequence: revisiting the concept of the ‘primary organo-mineral complex. European Journal of Soil Science. 57 (4), 596-607 (2006).
  71. Gregory, M. R., Johnston, K. A. A nontoxic substitute for hazardous heavy liquids—aqueous sodium polytungstate (3Na2WO4.9WO3.H2O) solution (Note). New Zealand Journal of Geology and Geophysics. 30 (3), 317-320 (1987).
  72. Munsterman, D., Kerstholt, S. Sodium polytungstate, a new non-toxic alternative to bromoform in heavy liquid separation. Review of Palaeobotany and Palynology. 91 (1), 417-422 (1996).
  73. Spielvogel, S., Prietzel, J., Kögel-Knabner, I. Changes of lignin phenols and neutral sugars in different soil types of a high-elevation forest ecosystem 25 years after forest dieback. Soil Biology and Biochemistry. 39 (2), 655-668 (2007).
  74. Kaiser, M., Wirth, S., Ellerbrock, R. H., Sommer, M. Microbial respiration activities related to sequentially separated, particulate and water-soluble organic matter fractions from arable and forest topsoils. Soil biology and Biochemistry. 42 (3), 418-428 (2010).
  75. Sollins, P., et al. Organic C and N stabilization in a forest soil: Evidence from sequential density fractionation. Soil Biology and Biochemistry. 38 (11), 3313-3324 (2006).
  76. Wander, M. Soil organic matter fractions and their relevance to soil function. Soil Organic Matter in Sustainable Agriculture. Magdoff, F., Weil, R. , CRC Press. Boca Raton. (2004).
  77. Gee, G. W., Or, D. 2.4 Particle-size analysis. Methods of Soil Analysis: Part 4 Physical Methods. Dane, J. H., Topp, C. G. , SSSA Book Series no 5. Madison, WI, USA. (2002).
  78. Sheldrick, B. H., Wang, C. Particle size distribution. Soil Sampling and Methods of Analysis. Carter, M. R., Gregorich, E. G. , second edition, CRC press. Boca Raton, FL, USA. (1993).

Tags

Milieuwetenschappen kwestie 144 bodem organisch materiaal organo-minerale complexen zware Fractie afgesloten breuk vrije lichte Fractie organische koolstof stabilisatie natrium polytungstate bodem mineralogie stikstofoxiden silicaten
Gezamenlijkegrootte en versplintering van de dichtheid van bodems voor onderzoek van Organo-minerale interacties
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Viret, F., Grand, S. Combined Size… More

Viret, F., Grand, S. Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions. J. Vis. Exp. (144), e58927, doi:10.3791/58927 (2019).

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