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Dimensione combinata e densità frazionamento dei terreni per le indagini delle interazioni di Organo-minerali

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

Summary

Frazionamento di dimensioni e densità di combinata (CSDF) è un metodo per separare fisicamente terreno in frazioni diverse texture (dimensione delle particelle) e mineralogia (densità). Lo scopo è quello di isolare le frazioni con differenti reattività verso la materia organica del suolo (SOM), per comprendere meglio le interazioni organo-minerali e SOM dinamiche.

Abstract

Frazionamento di dimensioni e densità di combinata (CSDF) è un metodo utilizzato per separare fisicamente terreno in frazioni differenti per mineralogia e dimensione delle particelle. CSDF si basa su passaggi di sedimentazione e separazione di densità sequenziale per isolare (1) la frazione di luce libera (uncomplexed materia organica), (2) la frazione leggera occlusa (uncomplexed materia organica intrappolata in aggregati del suolo) e (3) un numero variabile di pesanti frazioni (minerali del suolo e la loro sostanza organica associata) differiscono nella composizione. Condizione che siano selezionati correttamente i parametri di CSDF (energia di dispersione, densità cut-off, tempo di sedimentazione), il metodo produce frazioni pesanti di composizione minerale relativamente omogenea. Ciascuna di queste frazioni dovrebbe avere una capacità complessante differenti verso la materia organica, rendendo questo un metodo utile per isolare e studiare la natura delle interazioni di organo-minerali. Combinando la separazione di dimensione della particella e densità porta una risoluzione migliore rispetto alla semplice dimensione o densità metodi di frazionamento, consentendo la separazione dei componenti pesanti secondo mineralogia e la dimensione (legate alla superficie) criteri. Come è il caso per tutti i metodi di frazionamento fisico, può essere considerato come meno dirompente o aggressivo rispetto ai metodi basati su chimicamente estrazione. Tuttavia, CSDF è un metodo che richiede tempo e inoltre, la quantità di materiale ottenuto in alcune frazioni può essere limitante per la successiva analisi. In seguito CSDF, le frazioni possono essere analizzate per composizione mineralogica, la concentrazione di carbonio organico del suolo e la chimica di materia organica. Il metodo fornisce informazioni quantitative sulla distribuzione del carbonio organico all'interno di un campione di terreno e porta alla luce la capacità sorbimento delle fasi minerali differenti, naturale, fornendo così informazioni meccanicistiche circa la preferenziale natura delle interazioni di organo-minerale nel suolo (ad esempio., quali minerali, che tipo di materia organica).

Introduction

Il suolo è un sistema complesso che contiene elementi di origine geologica e biologica. Lo studio della loro interrelazione è una pietra angolare della nostra comprensione dell'ecosistema funzione1. In particolare, organo-minerali interazioni sono pensati per svolgere un ruolo chiave nel terreno materia organica (SOM) dinamica2. Snodamento SOM dynamics è attualmente un'area di ricerca molto attivo per diversi motivi. Un terreno presentano elevati stock SOM tenderà a mostrare buona fertilità intrinseca e può anche costituire un ambiente prezioso carbonio sequestro opportunità3,4.

Materia organica nel suolo è molto eterogenea, con alcuni componenti che gira nello spazio entro poche ore, mentre gli altri possono persistere per migliaia di anni5. I fattori determinanti di questa eterogeneità rimangono un argomento controverso, ma associazione con la matrice minerale è pensato per essere particolarmente importante6,7, soprattutto per sottosuolo orizzonti8. Di conseguenza, fasi minerali noti per associare strettamente con componenti organici stanno ricevendo crescente interesse9,10,11.

Suoli contengono una vasta gamma di minerali con qualitativamente e quantitativamente diversi sorbimento potenziale verso som Minerali con grandi superfici specifiche e/o superfici altamente reattivi sono stati indicati per avere una capacità di assorbimento assorbimento elevato per composti organici4,12. Nel suolo, minerali secondari come ad alta attività fillosilicati (ad es., smectite), ossi-idrossidi di ferro e alluminosilicati scarsamente cristallina hanno tutti dimostrato di impegnarsi in modo significativo nella conservazione sorbimento di alcuni composti organici13 , 14 , 15 , 16 , 17. la separazione del terreno in frazioni differiscono in mineralogia potrebbe aiutare così isolare piscine di materia organica con relativa omogeneità funzionale.

Lo scopo di questa carta è di presentare una metodologia per isolare complessi organo-minerali secondo la composizione, che poi facilita lo studio delle loro proprietà. Il metodo combina dimensioni e densità di frazionamento per separare fisicamente del suolo alla rinfusa in una sequenza delle frazioni di diversa composizione. Frazionamento di dimensioni e densità di combinata (CSDF) integra due approcci efficaci frazionamento fisico (separazione di dimensione delle particelle e densità). La combinazione di questi due approcci porta la risoluzione migliore per la nostra comprensione delle associazioni di organo-minerali nel terreno.

Ci sono molti approcci diversi (chimici, fisici e / o biochimici) che possono essere utilizzati per specificare le frazioni in un terreno di massa campione18,19. Frazionamento di densità semplice è una separazione fisica che è stato ampiamente utilizzata dagli scienziati del suolo per studiare la dinamica SOM (Vedi per esempio Grunwald et al., 2017 e bibliografia citata)20. Nella sua forma classica, frazionamento semplice densità separa materiali più leggeri di un determinato valore soglia (generalmente 1.6 a 1,85 g · centimetro-3) - la frazione leggera (LF) da materiali più pesanti - frazione pesante (hF). Il LF è a volte ulteriormente suddiviso in frazione leggera gratuita (fLF) e frazione leggera occlusa (oLF)21.

In molti terreni, la più grande piscina SOM è trovata nel hF22. SOM in hF è pensato generalmente per essere più stabile di quello nel LF23, eppure è stato dimostrato per mantenere un alto compositivo e, probabilmente, eterogeneità funzionale18. Ciò indica la necessità di ulteriore separato l'hF in subfractions più omogeneo, con la vista di isolamento piscine di SOM con proprietà distinte biogeochimici (ad esempio tempo di residenza o funzionalità). Frazionamento sequenziale densità, come descritto da Sollins et al (2009)24, infatti ha dimostrato di essere un metodo di successo; ancora una separazione di fatto esclusivamente sulla base della densità corre il rischio di affacciato su differenze derivanti dalla variazione nel formato di grano e quindi superficie specifica. Per esempio, caolinite ha circa la stessa densità di quarzo, ma può essere separati in base alle sue modalità di dimensione (tabella 1). CSDF comprende la considerazione della dimensione del grano e migliora la risoluzione del frazionamento.

Frazionamento di SOM basato sulle proprietà fisiche, chimiche o biochimiche ha una lunga storia. Metodi fisici come CSDF si basano su caratteristiche fisiche dei componenti del suolo, quali la dimensione (di particelle o aggregati) o densità. Metodi chimici includono estrazioni selettive di composti specifici o classi di composti, come pure ossidazione chimica. Metodi biochimici si basano sull'ossidazione microbica nelle varie circostanze sperimentali. Metodi chimici e biochimici si basano su principi diversi e hanno obiettivi diversi rispetto ai metodi fisici ma tuttavia brevemente sono esaminati qui di seguito.

L'estrazione alcalina (con idrossido di sodio per esempio) truppa fra i primi metodi utilizzati per isolare chimicamente la componente organica dei suoli6. Esempi di metodi più moderni, chimici per frazionamento SOM comprendono: i) estrazione alcalina con Na-pirofosfato finalizzato a isolare SOM associato ai minerali; II) acido idrolisi (HCl) volti a quantificare SOM antica, persistente; e iii) ossidazione selettiva di SOM con agenti chimici volti a attaccare gratuito o labile SOM2. Mentre questi metodi possono essere utili per approfondire la materia organica funzionalmente diversi pool, soffrono di diverse limitazioni. In primo luogo, le estrazioni possono essere imperfetta o incompleta. Ad esempio, il classico metodo alcalino estrae soltanto 50-70% di terreno carbonio organico (SOC)6. In secondo luogo, frazionamento prodotti potrebbero non essere rappresentativi del SOM trovato in situ e possono essere difficili da categorizzare5. In terzo luogo, questi metodi chimici offrono solo visione limitata l'interazione di organo-minerali poiché molti di loro non mantengono l'associazione originale tra sostanze organiche e minerali.

Biochimico estrazione compresi gli esperimenti le incubazioni vengono utilizzati principalmente per studiare SOM labile e reattiva (Vedi Strosser32 per una revisione dei metodi biochimici). Esperimenti di incubazione può essere pensato come una misura della richiesta biochimica di ossigeno ed è intuitivamente adatti alla determinazione di substrati organici biodisponibile. Tuttavia, la necessità di tempi di incubazione lungo in condizioni che differiscono dal campo (temperatura, umidità, disturbo fisico, assenza di nuovi input) rende l'estrapolazione a dinamiche SOM in situ delicata.

Rispetto ai metodi chimici o biochimici che sono creduti per essere trasformativo o distruttivo, tecniche di frazionamento fisico possono essere considerati come più conservante22 (con l'importante eccezione dei composti organici solubili, che vengono persi durante la procedura). Alle loro migliore, fisico del suolo frazioni possono essere pensate come un 'snapshot' dei componenti in fase solida del suolo come presente nel campo e potrebbero così si riferiscono più direttamente alla SOM dynamics in situ33. Inoltre, la natura distruttiva della tecnica significa che le frazioni possono essere caratterizzate successivamente utilizzando una varietà di analisi o ulteriormente frazionato secondo metodi chimici o biochimici.

Fisico frazionamento dei suoli non è un'idea recente. Letteratura scientifica sulle date di tecniche di separazione fisica torna a metà del 20 secolo. Applicazioni di frazionamento di densità sono state segnalate già nel 196534,35. Durante lo stesso periodo e nei decenni successivi, pubblicazioni circa le dinamiche del SOM e la sua interazione con i minerali erano già diventando diffuse tra suolo scienziati36,37,38,39 .

Separazione in base alla densità, dimensione aggregata di dimensione o delle particelle sono i più comuni metodi di separazione fisica utilizzati attualmente. Una delle principali sfide della separazione fisica è l'isolamento delle piscine SOM funzionale omogenee, come definito dal tasso di turn over, dimensioni o altro indicatore di funzione. La combinazione di metodi di separazione o criteri, come CSDF, può aiutare a portare la risoluzione funzionale frazioni del suolo; Infatti, questi metodi sembrano essere sempre più utilizzate in combinazione18,40,41,42,43. Combinando sequenziale densità differenziata, in grado di cedere le frazioni con diversi organiche importa contenute e composizione mineralogica, con separazione di dimensioni, che rappresenta le differenze attribuibili alla superficie specifica, CSDF mantiene la promessa di producendo spaccato della diversità e la funzione delle associazioni di organo-minerali nel terreno.

CSDF mira a frazionare fisicamente campioni di terreno alla rinfusa in frazioni di relativa omogeneità mineralogica e tessiturale. La densità e la particella dimensione cut-off, come pure l'energia di dispersione utilizzati qui è stati selezionati basato sul nostro tipo di suolo, ma questi parametri possono essere adattati a seconda i campioni per essere frazionato e lo scopo dello studio. In questo esempio, abbiamo scelto di utilizzare il passaggio di una dispersione, due densità e un dimensioni cut-off, conseguente la separazione del terreno alla rinfusa in 6 frazioni (tabella 2). Figura 1 fornisce una panoramica concettuale del metodo. I materiali essere frazionato qui sono suoli tropicali, ma il metodo può essere applicato a qualsiasi tipo di suolo, nonché i sedimenti. CSDF viene generalmente utilizzato come fase preparatoria prima di ulteriori analisi, anche se la distribuzione dei materiali tra frazioni può essere molto istruttiva di per sé. Quando applicato a terreni, CSDF produce frazioni a composizione (1) minerale (mineralogia e texture) e (2) SOM concentrazione e composizione differenti.

Protocol

1. preparazione del campione

  1. Asciugare all'aria e setaccio 20 g o più di suoli di massa a 2 mm.
  2. Determinare il contenuto di umidità residua del suolo di massa (massa di acqua ancora presente nel suolo asciug ad aria) per la correzione di frazionamento iniziale massa44.

2. preparazione soluzione denso

  1. Aggiungere sodio polytungstate (SPT) in porzioni per acqua deionizzata (DI) riscaldato su una piastra calda mescolare (~ 60 ° C) per ottenere soluzioni dense delle densità desiderata (cioè., 1.62 e 2,78 · centimetro-3). Utilizzare tabella 3 per approssimare le proporzioni di acqua e SPT da utilizzare. Impostare una vigorosa agitazione per aiutare a sciogliere la TSS.
    Attenzione: SPT è corrosivo ed è nocivo se ingerito. Esso provoca gravi lesioni oculari. Indossare guanti/occhiali protettivi. Nocivo per gli organismi acquatici con effetti di lunga durata. Evitare di disperdere nell'ambiente.
  2. Controllare la densità finale con un idrometro, una volta che la soluzione è tornato a temperatura ambiente (tra i 20-25 ° C). Regolare la densità aggiungendo SPT o acqua.
    Nota: È più facile preparare SPT ad una concentrazione leggermente superiore (+ 0.02-0.05 g · centimetro-3) quanto necessario diluire la densità necessaria.
  3. SPT di conservare a temperatura ambiente in contenitori di plastica. SPT è notoriamente di calcio dalla vetreria di salvataggio e precipitato insolubile Ca metatungstate. SPT può reagire anche con bassa qualità acciaio inox e ceramica. Evitare di conservare SPT per diversi mesi, poiché cristalli inizierà nucleanti locale punti supersatura.

3. separazione della frazione leggera (LF)

Nota: Il LFs sono isolati dal galleggiamento su una soluzione con la densità del 1,62 g · centimetro-3 prima della dispersione ultrasonica (fLF) e seguente dispersione alle 280 J·mL-1 (oLF).

  1. fLF separazione
    1. Pesano 5-8 g di terreno asciugato ad aria, setacciato in una provetta conica per centrifuga da 50 mL. Registrare la massa di terreno con quattro cifre significative.
      Nota: La quantità di terreno che può essere aggiunto in ogni provetta dipende la texture del terreno. In generale, gli importi più piccoli devono essere utilizzati per terreni argillosi e importi superiori possono essere utilizzati per terreni sabbiosi. Al fine di ottenere una quantità sufficiente di materiale in ogni frazione, è possibile utilizzare tubi diversi per lo stesso suolo (usiamo generalmente due) o più grandi bottiglie coniche (250 mL). Una corsa di frazionamento pilota può aiutare a farsi un'idea della distribuzione del suolo tra le frazioni e regolare partenza del suolo masse.
    2. Utilizzando un cilindro graduato, aggiungere 35-40 mL di SPT (1,62 g · centimetro-3). Obiettivo per un rapporto terreno/soluzione di 1:5 o inferiore.
      Nota: Per evitare di placare la aggregazione, è possibile saturare il terreno di risalita capillare prima dell'aggiunta della soluzione42,45.
    3. Bilanciare la massa totale di tubi con coperchi in vista di centrifugazione. Equalizzare tubo massa utilizzando SPT soluzione. Installare i tubi su una tavola vibrante per 10 min a 200 giri/min.
      Nota: In terreni con scarsa stabilità aggregata, questo passaggio può essere sostituito da un'inversione leggera di mano6 o saltato tutto42.
    4. Impostare le provette in posizione verticale e lasciare che il contenuto settle per almeno 30 min. Centrifugare per 90 min 2.500 x g in una centrifuga di basculante per permettersi una netta separazione tra la fLF e il pellet ('naufragio' materiale).
      Nota: Tempi di centrifugazione possono essere ridotto per i campioni di sabbiosi o ben flocculati. Non è consigliabile centrifugare a velocità quasi capacità massima della macchina; facendo così rischia di danneggiare asse del rotore. Tenete a mente che la maggior parte delle centrifughe non sono progettati per gestire soluzioni di densità notevolmente superiore a quella dell'acqua.
    5. Togliere le provette da centrifuga con molta attenzione, evitando qualsiasi shock. Set trolley.
      Nota: A questo punto, è possibile controllare la densità della SPT di pipettaggio 5 mL del surnatante chiaro tra il materiale galleggiante e il pellet e pesatura. Ciò è particolarmente importante se il terreno non era asciutto.
    6. Versare tutti i materiali sospesi e galleggianti (la fLF) in una bottiglia da 250 mL in policarbonato della centrifuga. Assicurarsi che il pellet rimane saldamente alloggiato nella parte inferiore del tubo.
    7. Sciacquare il materiale aderente alla parete del tubo nella stessa bottiglia in policarbonato. Utilizzare una spruzzetta riempita DI acqua, tenendo la provetta capovolta sopra la bottiglia in policarbonato. Fare attenzione a non disturbare il pellet.
      Nota: Per alcuni campioni, il pellet può non aderire fortemente verso il basso del tubo, rendendo difficile il recupero completo della fLF. In tali casi, l'aspirazione con una pompa o di una pipetta ad alto volume può aiutare.
  2. Il fLs mediante ultrafiltrazione di lavaggio
    Nota: LFs vengono sciacquati mediante ultrafiltrazione, poiché la densità di alcune sostanze organiche può essere inferiore a quella dell'acqua, precludendo lavaggio mediante centrifugazione. Una limitazione di ultrafiltrazione è quello sub-micrometrica, colloidi dispersi potrebbero non essere mantenute. Comunemente utilizzato filtro poro le dimensioni variano da 0,2 a 1,2 μm. Filtri con pori più grandi non possono mantenere colloidi nel modo più efficace, ma sono meno inclini a intasamento. Qui, abbiamo usato 0,45 μm filtri.
    1. Installazione di una linea di ultrafiltrazione vuoto con 0,45 μm filtri. Leggermente inumidire i filtri e applicare il vuoto prima di stringere gli imbuti per evitare le lacrime.
    2. Versare lentamente il contenuto della bottiglia in policarbonato nell'imbuto di un'unità di filtrazione sotto vuoto. Non lasciare che la soluzione alla piscina sopra una profondità maggiore di ~ 1 cm sopra il filtro. Sciacquare qualsiasi residuo lasciato nella bottiglia in policarbonato nell'unità di filtrazione.
    3. Una volta che tutta la soluzione è passato attraverso il filtro, è possibile recuperarlo in un barattolo di plastica contrassegnato "utilizzato SPT" per il riciclaggio. Risciacqui successivi possono essere scartati nel lavandino.
    4. Aggiungere più di 10 mL di acqua deionizzata per l'unità filtrante almeno 3 volte per garantire che tutte le tracce di SPT vengono rimossi. Assicuratevi di risciacquare il lato dell'imbuto di filtrazione. Tenere traccia dei lavaggi con l'aggiunta di un contrassegno sull'imbuto durante l'aggiunta di acqua.
      Nota: Rimozione completa di SPT può essere controllata misurando la conducibilità elettrica dell'ultimo risciacquo. La conducibilità deve essere ≤ 5 μS·cm46 -1.
  3. Recupero e la conservazione la fLF
    1. Rilasciare il vuoto sulla linea di filtrazione.
    2. Rimuovere l'imbuto dalla unità di filtrazione e recuperare il materiale aderisce alle pareti in una barca di alluminio etichettati utilizzando una spruzzetta riempita DI acqua. Sollevare con cautela il filtro con una pinzetta e sciacquare il materiale presente su di esso nella stessa barca in alluminio utilizzando una spruzzetta riempita con acqua DI.
    3. Asciugare il contenuto di barca a un massimo di 65 ° C fino a peso costante (almeno 48 h dopo la completa evaporazione). Raffreddare in un essiccatore contenente essiccante fresco per almeno 30 min.
      Nota: L'uso di un liofilizzatori è un'altra possibilità.
    4. Raschiare delicatamente il materiale fuori dalla barca di alluminio con una spatola di plastica. Se il campione è fortemente aderente alla barca di alluminio, è possibile utilizzare una spatola di metallo. Fare attenzione a non graffiare in barca in alluminio.
    5. Registrare la massa di fLF con quattro cifre significative, quindi posizionare il campione in una fiala di deposito. Evitare di fiale di plastica a causa di elettricità statica che rende piccole particelle organiche aderiscono ai lati.
  4. oLF rilascio di sonicazione
    Nota: L'obiettivo è quello di distruggere macro-aggregati stabili e grandi micro-aggregati di sonicazione gratuita occluso particolato organico, riducendo l'estrazione o la ridistribuzione del minerale-assorbito polimeri. Un'energia di sonicazione di 280 J·mL-1 è stata selezionata qui. Vedere la sezione sulla strategia di aggregazione perturbazione nella discussione al fine di aiutare nella scelta dell'energia di sonicazione.
    1. Calcolare la quantità di tempo necessario a raggiungere l'energia di destinazione di sonicazione di 280 J·mL-1 utilizzando una bassa ampiezza (ad esempio., 30%) e la frequenza di 20 KHz.
      Nota: Ogni sonifier deve essere calibrato regolarmente per correlare il tempo di sonicazione per produzione di energia; vedere Nord (1976)47 per aiutare con la calibrazione.
    2. Aggiungere 35-40 mL di SPT (1,62 g · centimetro-3) la provetta da centrifuga contenente il pellet dall'estrazione fLF. Risospendere il pellet toccando il tubo capovolto e Vortex.
    3. Inserire la sonda a ultrasuoni a 2 cm sotto la superficie della soluzione e posizionare il tubo in acqua ghiacciata per evitare che la soluzione di massa riscaldamento.
    4. Sonicare l'esempio utilizzando il tempo necessario per raggiungere l'energia di destinazione di 280 J·mL-1. Preferisco sempre bassa ampiezza e tempo di sonicazione. Ampiezze elevate rendono materiali leggeri come diapositiva di particelle organiche la sonda e schizzare fuori dal tubo, con conseguente perdita del campione.
  5. oLF separazione
    1. Bilanciare la massa totale di tubi con coperchi in vista di centrifugazione. Equalizzare tubo massa usando 1,62 g · centimetro-3 SPT soluzione.
    2. Impostare le provette in posizione verticale e lasciare che il contenuto settle per almeno 30 min. Centrifugare per 90 min x 2.500 g nella centrifuga basculante.
    3. Versare tutti i materiali sospesi e galleggianti (l'oLF) in una bottiglia da 250 mL in policarbonato della centrifuga. Assicurarsi che il pellet rimane saldamente alloggiato nella parte inferiore del tubo.
    4. Sciacquare il materiale organico luce occluso aderisce alla parete del tubo nella stessa bottiglia in policarbonato. Utilizzare una spruzzetta riempita DI acqua, tenendo la provetta capovolta sopra la bottiglia in policarbonato. Fare attenzione a non disturbare il pellet aderendo alla parte inferiore.
  6. Lavare l'oLF mediante ultrafiltrazione
    1. Installazione di una linea di ultrafiltrazione vuoto con 0,45 μm filtri. Leggermente inumidire i filtri e applicare il vuoto prima di stringere gli imbuti per evitare le lacrime.
    2. Versare una piccola quantità di sospensione dalla bottiglia in policarbonato nell'imbuto di un'unità di filtrazione sotto vuoto. Se la soluzione non passa facilmente attraverso, aggiungere dell'acqua distillata per diluire il contenuto della bottiglia in policarbonato.
      Nota: I campioni ad alto contenuto di sostanze organiche (colorati) sarà difficili al filtro. Se il filtro Mostra segni di intasamento, impostare una seconda unità di filtrazione o provare un sistema di filtrazione di pressione. Un'altra possibilità è quella di centrifugare diluito contenuto delle bottiglie in policarbonato; il surnatante dovrebbe passare attraverso il filtro più facilmente poiché contiene meno colloidi e particelle in sospensione che la sospensione originale. Il materiale depositato può essere ri-sospese in acqua e sciacquato per centrifugazione. Alla fine, tutto il materiale deve essere lavati almeno 3 volte e recuperato.
    3. Recuperare il primo filtrato SPT in un barattolo di plastica contrassegnato "utilizzato SPT" per il riciclaggio. Risciacqui successivi possono essere scartati nel lavandino.
    4. Sciacquare il materiale dell'unità di filtrazione tre volte con > 10 mL di acqua deionizzata.
    5. Raccogliere l'oLF in una barca di alluminio e asciutti ad un massimo di 65 ° C fino a peso costante. Archivio nello stesso modo come la fLF (Vedi punto 3.3).

4. separazione di hFs secondo la dimensione delle particelle

Nota: Il passo successivo è quello di frazionare il residuo dal passaggio 3 (hF) secondo la dimensione delle particelle. Il cut-off dimensioni qui è impostato a 8 µm e produce un'argilla, frazione limo fine (< 8 µm) e grossolana limo + frazione di sabbia (> 8 µm). Il raggruppamento di argilla e limo fine nella frazione più fine riflette l'affinità documentata di argilla e limo fine per terreno materia organica sorbimento33,48. Separazione di dimensione delle particelle qui è fatto di sedimentazione (basato sulla legge di Stokes'49). Per cut-off a 50 µm o più grande, la separazione può essere effettuata semplicemente mediante setacciatura bagnato senza rischiare troppo abrasione o interruzione dei complessi organo-minerali.

  1. Rimozione residua SPT da hF
    1. Aggiungere 35-40 mL DI acqua nella provetta contenente il residuo dal passaggio 4. Risospendere il residuo toccando il tubo capovolto e Vortex. Centrifugare per 20 min a 2.500 x g.
    2. Riversare il supernatante. Se sembra nuvoloso o lattiginoso, raccoglierlo e centrifugare nuovamente per risolvere i colloidi. Combinare il nuovo pellet con quello risultante dalla prima centrifugazione.
      Nota: più di un risciacquo può essere necessaria se c'era una quantità significativa di SPT restanti nel residuo dal passaggio 3 (ad es., incompleto decantazione del surnatante). La densità della sospensione dovrebbe essere < 1,1 g · centimetro-3 prima della sedimentazione.
  2. Disperdendo le hF e la sedimentazione
    Nota: Prima della sedimentazione, è importante avere un ben dispersi HF. Usiamo la sonicazione anziché disperdenti chimici, che sarebbe difficile da risciacquare. Legge di Stokes richiede una temperatura costante (ad es., 20 ° C). A partire da una sospensione fredda prima sonicazione è un modo efficace per prevenire il surriscaldamento.
    1. Aggiungere refrigerati DI acqua nella provetta contenente il pellet (fino alla tacca di 40 mL). Ponete in frigo per 30 min.
    2. Sonicare a 75 J·mL-1. Calcolare il tempo di sonicazione richiesto come 3.4.1.
    3. Sciacquare la sonda ad ultrasuoni con acqua DI recuperare tutti i materiali. Utilizzo DI acqua, regolare il volume fino alla tacca di 50 mL nei tubi. Controllare la temperatura della sospensione (dovrebbe corrispondere la temperatura utilizzata nel calcolo del tempo di sedimentazione).
    4. Omogeneizzare tube contenuto capovolgendo a mano. Lasciare il contenuto di sedimenti per il tempo necessario per consentire al materiale (< 8 µm) di stabilirsi. Basato sulla legge di Stokes per una distanza di viaggio di media delle particelle di 7 cm a 20 ° C, tempo di sedimentazione è di 20 min.
    5. Dispensare fuori il surnatante (fino a tacca 10 mL) in una provetta da centrifuga 50 mL.
    6. Ripetere la fase di sedimentazione 3 volte (passaggi 4.2.1 – 4.2.5). Raccogliere ogni surnatante in una nuova provetta da centrifuga.
  3. Raccolta delle due frazioni di dimensione
    1. Impostare le provette contenenti il supernatante di evaporare in forno a 45 ° C. Non lasciarli asciugare. Una volta che il volume è sufficientemente ridotta, è possibile consolidare i surnatanti di tre in una provetta da centrifuga 50 mL, che ora contiene la frazione di < 8 µm.
    2. Posto le provette contenenti la frazione di < 8 µm, nonché quelli contenenti il > 8 µm frazione (sedimenti dal punto 5.2) nuovamente in forno a 45 ° C per far evaporare il liquido in eccesso restante. Non consentire il contenuto si asciughi completamente.
      Nota: Controllare il forno frequentemente e rimuovere i campioni, non appena c'è no più pool acqua nei tubi. Dissecazione può provocare forte aggregazione, soprattutto nelle frazioni fini.

5. separazione delle due frazioni di dimensioni secondo la densità

Nota: Frazionamento di densità è applicato qui a entrambi frazioni granulometriche. L'obiettivo era di separare silicati da ossidi. Abbiamo quindi optato per un'interruzione del densità di 2,78 · centimetro-3. Opzionale, ulteriori separazioni devono essere eseguite. Per esempio, una 2,4 g · centimetro-3 soluzione consentirebbe la separazione delle argille ad alta attività da caolinite e silicati primari. Tenete a mente che la materia organica alto caricamento farà diminuire la densità teorica di particelle minerali43.

  1. Frazionamento di densità
    1. Aggiungere 35 – 40 mL di SPT con la densità del 2,78 · centimetro-3 per ogni frazione di dimensione. Bilanciare la massa di tubi in vista di centrifugazione utilizzando SPT soluzione.
    2. Risospendere il materiale toccando il tubo capovolto e Vortex. Agitare per minimo 4 h su una tavola vibrante a 200 giri/min.
      Nota: La frazione di < 8 µm è difficile risospendere correttamente. Se le zolle persistono dopo 4 h, impostato sulla tavola vibrante durante la notte. Sonicazione in soluzione SPT molto denso non è raccomandato. A causa della elevata densità e viscosità, l'energia di sonicazione non propaga bene.
    3. Impostare le provette in posizione verticale e lasciare che il contenuto settle per almeno 30 min. Centrifugare per 90 min 2.500 x g.
    4. Versare tutti i materiali sospesi e galleggianti (< 2,78 · centimetro-3 frazioni) in una bottiglia da 250 mL in policarbonato della centrifuga. Assicurarsi che il pellet (> 2,78 · centimetro-3 frazioni) rimanga saldamente presentata nella parte inferiore del tubo.
  2. I quattro hFs mediante centrifugazione di lavaggio
    Nota: A seguito di separazione di densità, abbiamo ottenuto quattro hFs (hF1 per hF4; Tabella 2). Ogni ha bisogno di essere risciacquato mediante centrifugazione per rimuovere TSS. ultrafiltrazione non è consigliato per hFs (e non è possibile per le frazioni fini, hF3 e hF4).
    1. Trasferire il pellet di > 2,78 · centimetro-3 in bottiglie da 250 mL in policarbonato utilizzando una spruzzetta riempita con acqua DI.
    2. Aggiungere dell'acqua distillata per le bottiglie in policarbonato per abbassare la densità, senza superare il contrassegno di 200 mL. Eseguire questa operazione per tutte le frazioni.
    3. Pesare le bottiglie e i coperchi e livellare la masse utilizzando acqua deionizzata in vista di centrifugazione. Verifica che non venga superato il carico massimo del rotore.
    4. Posto su vortex per risospendere il materiale. Centrifugare per 20 min a 5.000 x g.
    5. Decantare il supernatante in barattolo "utilizzato SPT" per il riciclaggio. Risciacqui di seguito può essere eliminato nel lavandino.
      Nota: Fare attenzione a non perdere le particelle fini mentre decantazione. Interrompere la decantazione appena il surnatante Mostra tracce di particelle in sospensione (turbinii, fiocchi o apparenza nuvolosa).
    6. Risospendere il pellet in acqua deionizzata (lavaggio 1), non superi il contrassegno di 200 mL.
      Nota: È importante garantire la corretta risospensione affinché SPT non rimanga bloccato tra le particelle. Particelle fini, aderendo al lato della bottiglia sono sospesi più facilmente utilizzando un getto d'acqua da una bottiglia di eiaculazioni femminili. Il pellet può essere nuovamente sospeso toccando la bottiglia capovolta e Vortex. Se il campione rimane pellettato, utilizzare la tavola vibrante. È possibile anche un passo di sonicazione di bassa energia (ad es., 75 J·mL-1).
    7. Ripetere la procedura di lavaggio (passaggi 5.2.3 – 5.2.6) altre due volte (lavare 3 2 e lavare).
    8. Controllare la densità del surnatante ultimo pesando un volume di 10 mL; la sua densità dovrebbe essere < 1.01 g · centimetro-3. Se il supernatante è più denso di questo, è necessario eseguire un lavaggio dith 4.
    9. Eseguire un lavaggio finale usando 0.01 M NaCl come una soluzione di risciacquo per impedire la dispersione dei colloidi. Completamente decantare l'ultima soluzione di risciacquo.
    10. Raccogliere hFs (pellet + particelle fini aderendo al lato delle bottiglie) in una barca di alluminio e asciutti ad un massimo di 105 ° C fino a peso costante. Memorizzare nello stesso modo come il LFs.

6. riciclaggio di SPT

Nota: La soluzione SPT può essere riciclata in vista di riutilizzo facendolo passare attraverso una colonna contenente il carbone attivo e una resina di scambio cationico50. Carbone attivo mantiene organics mentre la resina di scambio cationico di sodio-saturo rimuove il calcio e altri cationi dalla soluzione e li sostituisce con sodio. Abbiamo digerire il SPT in perossido di idrogeno prima di passare attraverso la colonna per garantire la rimozione di quantitativi di sostanze organiche disciolte.

  1. Impostazione e modifica la colonna di riciclaggio
    1. 5-8 fori di circa 4-5 mm di diametro alla base di un cilindro di policarbonato è laureato 1.000 mL.
    2. Tagliare 2 circolari 11 μm-poro-dimensione filtri per dimensione e metterli nella parte inferiore del cilindro. Sovrapporre i filtri con 3-5 cm di lana di vetro. Aggiungere 8-10 cm di carbone attivo.
      Nota: Perché la maggior parte delle sostanze organiche vengono rimosse tramite la digestione di H2O2 , la quantità di carbone attivo nella colonna può essere ridotto rispetto alla raccomandazione di sei50.
    3. Coprire con 3-5 cm di lana di vetro. Aggiungere 8-10 cm di resina a scambio cationico nuove o rigenerate. Finire con 3-5 cm di lana di vetro.
    4. Fissare la colonna fino su un supporto in metallo. Imbuti in plastica grandi luogo dotato di 2,5 μm-poro-dimensione filtri nella parte superiore e inferiore della colonna. L'imbuto di fondo sarà collegato a dei tubi che portano a una bottiglia di plastica.
    5. Lavare la colonna passando 2 L di acqua attraverso la colonna prima del primo utilizzo.
    6. Sostituire il carbone attivo e rigenerare la resina a scambio cationico dopo circa 10-15 L di SPT sono passati attraverso.
  2. SPT pulizie
    1. Posto la soluzione SPT usata su un piatto caldo con magnetica mescolando. Aggiungere 15 mL di 35% H2O2 per ogni litro di soluzione usata SPT e digest per 24 h a circa 60 ° C.
    2. Rimuovere il SPT dalla piastra scaldante e lasciare la soluzione a temperatura ambiente in plasticware per sedersi per un minimo di 7 giorni.
    3. Percolare attraverso la colonna di riciclaggio. Cambiare i filtri negli imbuti ogni giorno.
    4. Lavare la colonna con 2 x 200 mL circa di acqua DI recuperare tutti i TSS.
  3. Evaporazione
    1. Posto il SPT riciclato su un piatto caldo con magnetico mescolando. Aggiungere 15 mL di etanolo al 70% per ogni litro di soluzione SPT per neutralizzare qualsiasi capacità ossidante rimanente. Etanolo in eccesso verrà prontamente volatilizzarsi dalla soluzione durante l'evaporazione.
    2. Far evaporare la soluzione a fuoco lento a densità desiderata.
    3. Raffreddare la soluzione e controllare la densità. Conservare in bottiglie di plastica.

Representative Results

I campioni sono suoli tropicali provenienti da Albertine rift valley in Uganda. Sono costituiti da profili da 3 siti coltivati non ricevendo nessun input esterni come fertilizzante o fitosanitarie prodotti. Questi campioni sono stati scelti per rappresentare un ampio spettro di mineralogia. Analisi preliminari hanno indicato che quel sito 1 era meno esposta all'aria e più ricche in silicati primari (feldspati). Sito 2 ha mostrato segni di erosione più avanzata con un alto contenuto di argille secondarie quali caolinite e un relativo arricchimento in quarzo. Sito 3 era altamente esposto all'aria con segni di desilicification e accumulo di residuo di ossidi di ferro e ossi-idrossidi. Sito 3 conteneva una concentrazione di ferro totale estremamente alta (34%, espresso come ossido di Fe2O3 ) per la presenza di materiale plinthic (ricchi di ferro indurimento51,52). Per ogni profilo, sono stati campionati due orizzonti: terriccio (A) e sottosuolo (B). CSDF è stata effettuata su questi 6 campioni in quattro repliche.

Il primo passo nella valutazione dell'efficacia della procedura di frazionamento è di guardare i tassi di recupero, (cioè, se il materiale iniziale è quantitativamente recuperato alla fine dell'esperimento). Abbiamo valutato i tassi di recupero basati sull'intero suolo e contenuto SOC.

Tassi di recupero del terreno nel complesso, tutto sono stati considerati come molto buona, con 16 su 20 ripetizioni avendo tassi di recupero di più di 90% e 4 replica mostrando tassi di recupero tra 85-90% (tabella 4). La causa di recupero incompleto era probabilmente una perdita di sostanze disciolte e colloidali durante il risciacquo. Due repliche hanno mostrato un lieve aumento della massa (nell'ordine di 1%) che potrebbe possibilmente essere causato da residui di SPT o imprecisioni di pesatura. Va notato che ragionevole squilibri di massa (< 10-15%) sono comuni e fare non generalmente compromesso la validità del frazionamento.

SOC recupero era generalmente all'interno della gamma di rapporti da altri studi53,54 e notevolmente costante considerando la grande variazione nel contenuto SOC iniziale (tabella 5). Maggior parte dei campioni ha mostrato un tasso di recupero SOC di 80-85%. Le perdite sono attribuibili al lavaggio di C solubile, che è una caratteristica inevitabile del metodo; Tuttavia, C organico solubile facilmente può essere quantificata utilizzando un'estrazione separata in acqua, sale o chimici disperdente55. Una piccola perdita di colloidi organici dispersi durante il frazionamento è anche probabile. Un sito ha mostrato un lieve aumento di carbonio che può probabilmente essere attribuito a errore analitico, come il valore assoluto della differenza era piccolo (3 mg).

La riproducibilità del metodo può essere verificata attraverso l'analisi di dispersione tra repliche. Abbiamo valutato l'errore standard della media (SEM) così come il coefficiente di variazione (CV) della frazione di massa tra repliche.

Gli errori standard della media erano piccole (tabella 6), essendo in genere 1 o 2 ordini di grandezza più piccoli di valori medi. Questo dimostra che il lavoro in 4 replicati ci ha permessi di stimare in modo affidabile la tendenza centrale per la distribuzione di materiali tra le frazioni.

Coefficienti di variazione hanno variato da 2 a 70% (tabella 7). Tutti i CV maggiori di 35% si è verificato per le frazioni con piccole quantità di materiale (< 0,25 g). Questi valori elevati sono semplicemente dovuto al fatto che la divisione attraverso una piccola media produce alta CVs. Poche frazioni hF1 e hF3 (silicati grossolane e fini) ha mostrato di CVs relativamente alto, tra 20-35%, ma composto da grandi quantità di materiali (1-4 g). Ciò può riflettere l'elevato potenziale di errori umani durante diverse fasi sensibili (vale a dire, (1) la separazione dei materiali sospesi e galleggianti dal pellet in soluzioni densi, (2) la sedimentazione di isolare frazioni granulometriche, (3) esempio di risciacquo e recupero). Questo risultato conferma la necessità di lavorare in diversi replicati per ottenere risultati affidabili. Si raccomanda inoltre che l'intero processo essere gestiti dalla stessa persona, che diventa un esperto di realizzare manipolazioni in modo riproducibile e acutamente noterà tutti i dettagli che potrebbero essere diversi da lotti precedenti.

La distribuzione di massa di materiale tra le frazioni hanno mostrato forti differenze tra i siti, come potrebbe essere previsto date le differenze iniziali in mineralogia (Figura 2). Al sito 1, dominato da silicati primari come quarzo e feldspati, la maggior parte del materiale è stato recuperato in hF1 (ideato per concentrare silicati grossolane). Sito 2 hanno mostrato una maggiore percentuale di fillosilicati (principalmente caolinite) durante l'analisi mineralogica; di conseguenza, hF3 (progettato per concentrarsi bene silicati) aveva più materiali rispetto al sito 1. Infine, sito 3 è stato il più ricco di ossidi e inoltre ha mostrato la maggior quantità di materiale in hF2, ideato per concentrare gli ossidi grossolani. Questo indica che il metodo è riuscito a frazionamento fisicamente campioni alla rinfusa nei loro principali componenti mineralogici.

La quantità di materiali recuperati in grossolani (hF1 + hF2) contro belle (hF3 + hF4) frazioni è stato paragonato a quello che si aspettava basato su distribuzione granulometrica determinata dalla granulometria laser (tabella 8). Accordo era buono (< 10%) per i tre campioni. I tre altri campioni hanno mostrato un eccesso di materiale nell'ordine del 20% nelle frazioni grossolane. La grande quantità di ossidi nei terreni (in particolare al sito 3) può essere parzialmente responsabile di questa differenza. Ossido grani hanno una densità maggiore rispetto ai silicati e sedimenti, saranno veloci. Altri fattori potrebbero includere dispersione incompleta o parziale flocculazione dei campioni durante la sedimentazione, dal momento che non abbiamo usato dispersione chimica e la rimozione di alcuni materiali pregiati nelle frazioni leggeri (fLF e oLF). Infine, granulometria laser è basato su stime di volume sotto l'ipotesi di sfericità delle particelle, mentre sedimentazione produce stime basate su massa. Queste contrastanti principi di misura siano suscettibili di fornire risultati alquanto divergenti.

CSDF isola frazioni di relativa omogeneità mineralogica e la loro sostanza organica associata (complessi organo-minerali). È più utile come un passaggio di preparazione prima della successive analisi geochimiche, biochimici e mineralogiche. Probabilmente, gli esperimenti più potenti avrà lo scopo di caratterizzare sia la materia organica e i minerali in ogni frazione. Questo fornirà la prova diretta per la natura dell'associazione organo-minerale nel suolo.

Analisi del campione potrebbero includere la determinazione della quantità SOM (ad es., analisi elementare del C organico e azoto totale) e qualità (ad es., differenziale spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, spettrometria totale di GASCROMATOGRAFIA di pirolisi o termico analisi ad esempio Rock-Eval pirolisi56,57,58). Quando si guarda il partner minerale, analisi utile potrebbero includere analisi granulometrica, quantificazione dei reattivi in alluminio e ferro fasi59, diffrazione di raggi x (XRD) su campioni in polvere per la mineralogia di massa o su slitte orientati per la mineralogia di argilla 60.

Tecniche in grado di produrre informazioni simultanei su entrambi i componenti organici e inorganici potrebbero essere di particolare interesse. Elemental mapping di spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS) o accoppiato con microanalisi a raggi x (WDS o EDS, lunghezza d'onda o energia spettroscopia dispersiva dei raggi x) la microscopia elettronica può consentire per la co-localizzazione di C, N e gli elementi associati reattiva fasi minerali quali spettroscopia fotoelettronica Fe, Al, Mn o Ca. raggi x (XPS) possono rivelare la composizione chimica del SOM e la composizione elementare della superficie di ogni frazione61.

Figure 1
Figura 1: diagramma di flusso. Procedura di frazionamento e cut-off utilizzato nel metodo sono presentati qui. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: distribuzione di materiali tra le frazioni in funzione della mineralogia del suolo per due orizzonti (A e B) in tre siti. (A) grafico a barre che mostra la ripartizione dei materiali tra le frazioni. Barre rappresentano la media e barre di errore rappresentano l'errore standard della media dei quattro repliche. Per ogni campione, la somma di cinque barre al 100%. (B) Bulk mineralogia campione come valutato da polvere di diffrazione di raggi x. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Componente del terreno Classe Densità [g cm-3] Distribuzione delle dimensioni fonte
Organico Materia organica 1,00-1,50 Variabile Fonti multiple. Vedi Rühlmann et al (2006)25 per una recensione
Imogolite Fase scarsamente cristallina 1,70-2.33 Argilla WADA e Wada (1977)26
Allofane Fase scarsamente cristallina 1.84-2.35 Argilla WADA e Wada (1977)26 ; Wilson (2013)27
Opal Fase scarsamente cristallina 1.90-2.30 Variabile Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Montmorillonite Minerale dell'argilla 2.30-2.35 Argilla WADA e Wada (1977)26; Wilson (2013)27
Vermiculite Minerale dell'argilla 2.30-2.50 Argilla Wilson (2013)27
Gibbsite Ossido di al 2.34-2.42 Variabile Hudson Institute di mineralogia (2017)28
K-feldspati Silicati ricchi Si primario 2.54-2.57 Limo e sabbia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Albite Silicati ricchi Si primario 2.60-2,62 Limo e sabbia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Caolinite Minerale dell'argilla 2.60-2.68 Argilla e limo Klein e Philpotts (2017)29; Wilson (2013)27
Quarzo Silicati ricchi Si primario 2,63-2,66 Limo e sabbia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Calcite Carbonato di 2,71 Variabile Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Anortite Silicati ricchi Si primario 2.74-2.76 Limo e sabbia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Illite Mica a grana fine 2,75-2,80 Argilla Wilson (2013)27; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Muscovite Mica 2,77-2.88 Variabile Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Biotite Mica 2,78-3.20 Variabile Klein e Philpotts (2017)29; SKopp (2000)30
Dolomite Carbonato di 2,84-2.86 Variabile Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Anfiboli Silicati ferromagnesian primari 3.00-3.40 Limo e sabbia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Pirosseni Silicati ferromagnesian primari 3,20-3,60 Limo e sabbia Klein e Philpotts (2017)29; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Goethite Ossido di Fe 3.30-4,37 Variabile Hiemstra e van Riemskijk (2009)31; Klein e Philpotts (2017)29
Ferridrite Ossido di Fe 3,50-3.90 Argilla Hiemstra e van Riemskijk (2009)31
Lepidocrocite Ossido di Fe 4.00-4,13 Variabile Hiemstra e van Riemskijk (2009)31; Hudson Institute di mineralogia (2017)28
Ematite Ossido di Fe 4.80-5.30 Variabile Klein e Philpotts (2017)29; SKopp (2000)30

Tabella 1: principali componenti del suolo in ordine crescente densità. Loro prevalenza nelle principali classi tessiturale (frazione argillosa, 0-2 µm; frazione limo, 2-50 µm; frazione di sabbia, 50-2000 µm) per suoli moderatamente alterati è anche indicato.

Nome della frazione Abbreviazione Cut-off
Organics gratis fLF < 1,62 g cm-3 (prima sonicazione)
Organics occlusa oLF < 1,62 g cm-3 (dopo sonicazione)
Silicati grossolane hF1 > 8 µm, 1,62 g cm-3< hF1 < 2,78 g cm-3
Ossidi di grossolani hF2 > 8 µm, > 2,78 g cm-3
Bene silicati hF3 < 8 µm, 1,62 g cm-3< hF3 < 2,78 g cm-3
Ossidi di bene hF4 < 8 µm, > 2,78 g cm-3

Tabella 2: Elenco delle frazioni derivanti da CSDF utilizzando una sonicazione, due densità e passaggi di separazione di una taglia.

Soluzione di volume [mL] Densità desiderata [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

Tabella 3: Guida per la preparazione delle soluzioni comuni di SPT.

Sito Orizzonte Replicare A partire di massa
[g]		 Messa conclusiva
[g]		 Differenza
[g]		 Differenza
[%]
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

Tabella 4: tasso di recupero dell'intero terreno, mostrando l'avviamento massa all'inizio della procedura di frazionamento e finale massa calcolata come la somma di tutte le frazioni. Le differenze sono espressi come % a partire di massa.

Sito Orizzonte Partenza di massa SOC Messa finale di SOC Differenza Differenza
[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

Tabella 5: tasso di recupero del carbonio organico del suolo. Contenuto iniziale di SOC è stato calcolato come il prodotto della concentrazione di C organico misurato dall'analisi elementare e iniziale massa del campione. Contenuto finale SOC è stato calcolato come il prodotto della concentrazione di C organica e massa ogni frazione, ha riassunto per tutte le frazioni. Le differenze sono espressi come % a partire di massa.

Sito Orizzonte fLF
1,62 g cm-3 		oLF
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 		hF4
< 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

Tabella 6: significa valore e SEM per la massa della frazione (g). Ogni cella rappresenta una media di 4 repliche.

Sito Orizzonte fLF
< 1,62 g cm-3 		oLF
< 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 		hF4
< 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

Tabella 7: Coefficienti di variazione della frazione di massa per 4 repliche.

Sito Orizzonte Trama
< 8 µm
%		 Trama
> 8 µm
%		 Materiali in frazioni fini
(hF3 + hF4)
%		 Materiali in frazioni grossolane
(hF1 + hF2)
%		 Frazione grossolana
'eccesso'
%
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

Tabella 8: confronto tra texture del terreno determinato dalla granulometria laser e la distribuzione delle particelle in frazioni granulometriche. L'ultima colonna indica l'eccesso di materiali nelle frazioni grossolane rispetto a quello che si aspettava sulla base di analisi tessiturali.

Discussion

Il successo degli esperimenti CSDF cerniere sulla selezione dei parametri appropriati per il metodo, così che le frazioni di composizione relativamente omogenea possono essere isolate. Considerazioni chiave nella selezione dei parametri di frazionamento sono discussi di seguito.

La fLF rappresenta materia organica per cui l'interazione con i minerali è minimo. Estrazione di questa frazione è delicata, poiché la miscelazione del terreno con la soluzione densa può già rompere alcuni macroaggregates. Tuttavia, ci sono indicazioni che il materiale organico presente nel macroaggregates può essere più simile al fLF stricto sensu rispetto all'oLF rilasciato da ad alta energia sonicazione18. Alcuni autori hanno proposto anche un passo di bassa energia sonicazione per isolare la piscina gratuita e debolmente interagenti minerale organica, definito 'intra-aggregato organico particolato', iPOM54.

Per il rilascio della sostanza organica occlusa, esistono tecniche diverse per interrompere aggregati del suolo. Le più diffuse sono sonicazione, agitazione con perle di vetro e l'uso di disperdenti chimici33,62,63. Sonicazione è stato scelto qui perché l'energia di uscita può essere finemente controllato e si crede per distribuire più o meno uniformemente nel campione. Escludendo la necessità di usare disperdenti chimici, sonicazione può essere considerato come relativamente conservante verso complessi organo-minerali22,33. Il passo di dispersione, tuttavia, rimane una delle operazioni più delicate. Da un lato, una dispersione debole lascerà intatte le aggregazioni e può portare a una stima eccessiva del hF SOC; d'altra parte, un passo di dispersione molto vigorosa potrebbe causare di ridistribuzione del SOC attraverso le frazioni di parziale distruzione di complessi organo-minerali. Le associazioni deboli organici-sabbia possono essere particolarmente vulnerabili a questo processo. Poiché l'occlusione all'interno di aggregati e l'assorbimento superficiale sono processi che si verificano lungo un continuum2, non esiste alcuna soluzione perfetta. Pertanto, il livello di energia di sonicazione deve essere regolato minuziosamente secondo le proprietà del terreno. Kaiser e Berhe64 hanno pubblicato una recensione molto utile che propone una strategia per minimizzare gli artefatti causati dall'ultrasuono quando disperdente terreni.

Segnalato la gamma di energie di sonicazione da 60 a 5.000 J·mL-1. Diversi gruppi di ricerca hanno riferito che 100 J·mL-1 potrebbe essere sufficiente per distruggere macroaggregates e disperdere efficacemente sabbiosi, mentre 500 J·mL-1 sarebbe distruggere grandi microaggregati e fornire una ragionevole dispersione di reattivi suoli63,65,66,67,68. In schemi di frazionamento fisico, dispersione completa di limo e argilla e medie aggregati non siano necessarie, poiché il meccanismo di protezione è destinato a diventare indistinguibile da sorbimento stabilizzazione in questi intervalli di grandezza. Un obiettivo ragionevole di dispersione prima del frazionamento dimensione o densità potrebbe essere interrompere macro-(> 250 µm) e grande micro-(> 53 µm) aggregati. Energie di 100 J·mL-1 (terreni sabbiosi) a 200 J·mL-1 (terreni argillosi) possono essere scelte appropriate. Un'energia di 200 J·mL-1 già può estrarre una porzione di metaboliti microbici (presumibilmente minerale-collegata)69, pertanto l'uso di energie superiori di sonicazione deve essere oggetto di attenzione. Tuttavia, terreni mineralogico reattivi con cementati aggregati potrebbero richiedere fino a 500 J·mL-1 per disperdere. È essenziale che l'energia di dispersione essere regolato per abbinare ogni tipo di terreno, nonché gli obiettivi di studio. Infine, è importante ricordare che anche dopo presumibilmente completa dispersione ultrasonica, argilla e medie microaggregati rischiano di persistere70.

Una difficoltà di armonizzare le tecniche di frazionamento fisico risiede nella eterogeneità trovato in terreni, in particolare nella loro composizione minerale. La scelta di soluzioni densi deve essere effettuata sulla base del noto o presupposta mineralogia del suolo, con l'obiettivo di isolare frazioni che sono più omogenee possibile.

Nell'articolo, la soluzione densa utilizzata era SPT - pH 371,72. Il basso pH minimizza le perdite di composti organici solubili. Tuttavia, frazionamento di densità può essere eseguita con diverse soluzioni di densi. Storicamente, liquidi organici sono stati usati (tetrabromoethane, Tetraclorometano), ma furono gradualmente abbandonati al profitto dei sali inorganici (ioduro di sodio, SPT) a causa della tossicità degli idrocarburi alogenati e la contaminazione intrinseca del suolo Organics. Al giorno d'oggi, SPT è la soluzione preferita, perché la sua densità può essere regolata tra 1.0 a 3,1 g · centimetro-3, può essere riciclato ed ha una bassa tossicità (a meno che ingerito)22,50. Principali produttori offrono un gradi di gamma di SPT differiscono per il livello di contaminazione del carbonio e dell'azoto. Per frazionamento di densità dei suoli, il grado più puro è consigliato, soprattutto se le frazioni devono essere analizzati per la composizione isotopica.

Una soluzione di densità 1.6 g · centimetro-3 classicamente è stata utilizzata per separare light organici dalle frazioni minerali-associati - Vedi ad esempio Golchin et al.21. Mentre alcuni autori hanno suggerito che una densità di 1 g · centimetro-3 (acqua) potrebbe essere sufficiente per estrarre la maggior parte della frazione leggera73,74, altri hanno proposto più alto densità cut-off come 1.62 o 1,65 g · centimetro-3 basato su l'idea che alcuni componenti organici potrebbero mostrare densità fino a 1,60 g · centimetro-3 33,75,76. Densità più alto 1,85 g · centimetro-3 sono state impiegate50. Quando si seleziona una densità per separare la luce dalle frazioni pesanti, si deve osservare che non esiste alcuna soluzione perfetta. Infatti, più a basso rischio di densità attribuendo alcuni organics 'luce' le frazioni pesanti, mentre più alto rischio di densità, tra cui alcuni minerali in frazioni leggere. Questo ultimo effetto può essere rilevato quando osservando il contenuto di carbonio delle frazioni leggeri, con una % inferiore al 40-45% che indica qualche grado di contaminazione minerale SOC.

Per frazioni pesanti, analisi preliminare come XRD possono fornire la comprensione nella mineralogia della maggior parte del campione di60 e aiutare a definire la densità cut-off in grado di distinguere tra le principali componenti minerali di un terreno, tenendo presente che l'alta bio carichi, si abbasseranno la densità di un minerale rispetto al suo valore teorico. Allo stesso modo, per la separazione granulometrica, un analisi tessiturali77,78 può aiutare impostare i limiti appropriati. Separazione di dimensione delle particelle è un'aggiunta particolarmente attraente al frazionamento di densità semplice ogni volta che il frazionamento sequenziale densità è difficile. Questo è il caso per esempio per i terreni contenenti grandi quantità di ossi-idrossidi e argille di bassa attività, che provocano dispersione di campione e prevenire separazioni chiare in liquidi pesanti. Un passo di separazione granulometrica è anche indicato per separare i minerali delle densità simile ma dimensioni diverse (ad es., quarzo e illite).

Ioni di calcio liberi reagiscono con SPT per formare insolubile Ca metatungstate. La procedura è così inadeguata per suoli alcalini che contengono grandi quantità di carbonati scarsamente cristallini, pedogenic. Piccole quantità di carbonati di basso-reattività non interferiscono con il frazionamento, purché i campioni non sono lasciati a contatto con SPT per troppo tempo. CA metatungstate precipitati porterà ad una stima eccessiva delle masse di frazione. Se LFs vengono eseguiti su un analizzatore elementare per concentrazione C, verrà individuato il problema ma il frazionamento sarà compromessa.

Oltre a queste difficoltà tecniche, la limitazione fondamentale di CSDF (o di qualsiasi schema di frazionamento fisico) deriva dal fatto che reattive minerali in terreni raramente accadere come discreti separa, ma invece come rivestimenti e cementi. L'avvenimento di rivestimenti molto sottili ma altamente sorbimento sui minerali altrimenti non reattivi (ad esempio quarzo) può portare ad una vista parziale delle associazioni organo-minerali. Attenzione è richiesta così nell'interpretazione dei risultati, in particolare per terreni cui reattività è dominata da una scarsa cristallina e fasi di ossido. Ulteriore caratterizzazione delle frazioni può contribuire ad alleviare tali ambiguità. Tuttavia, metodi di frazionamento fisica dettagliata come CSDF hanno una capacità senza pari per comprendere la composizione del naturale complessi organo-minerali. Tale visione dovrebbe dare nuova comprensione dei biogeochimica della piscina più grande di materia organica nel suolo, quello minerale-collegata.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Lo sviluppo di questo metodo è stato sostenuto dal Fond d'investissement (Inv.) della facoltà di Geoscienze dell'Università di Losanna. Riconosciamo il Consiglio nazionale dell'Uganda per scienza e tecnologia e Uganda Wildlife Authority per averci permesso di raccogliere campioni di ricerca. Ulteriormente gli autori desiderano ringraziare Prof Thierry Adatte per analisi CHN e XRD. Siamo grati alla Prof. ssa Erika Marin-Spiotta per formazione iniziale nel frazionamento di densità classica. Ringraziamo anche il direttore del laboratorio Laetitia Monbaron per la sua assistenza nell'assicurare rifornimenti ed attrezzature.

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.

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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).

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