Denna metod ger en gravimetrisk kvantifiering av humusämnen (t.ex. humus- och fulvicsyror) på askfri basis, i torra och flytande material från mjuka kol (dvs. oxiderade och icke-oxiderade brunkol och subbituminösa kol), humatemalm och skiffer, torv, kompostering och handelsgödselmedel samt jordändringar.
Syftet med denna metod är att ge en exakt och exakt koncentration av humus (HA) och/eller fulvicsyror (FA) i mjuka kol, humusmalm och skiffer, torv, komposter och humiska ämnesinnehållande kommersiella produkter. Metoden är baserad på alkalisk extraktion av testmaterial, med användning av 0,1 N NaOH som extraktant, och separation av alkaliska lösliga humiska ämnen (HS) från olösliga produkter genom centrifugering. PH-värdet för det centrifugerade alkaliska extraktet justeras sedan till pH 1 med conc. HCl, vilket resulterar i utfällning av HA. Den utfällda HA separeras från fulvicfraktionen (FF) (den fraktion av HS som förblir i lösning)genom centrifugering. HA ugns- eller frystorkad och askhalten i den torkade HA bestäms. Vikten av den rena (dvs. askfria) HA divideras sedan med provets vikt och den resulterande fraktionen multipliceras med 100 för att bestämma % HA i provet. För att bestämma FA-halten laddas FF på ett hydrofobiskt DAX-8-harts, som adsorberar FA-fraktionen även kallad hydrofob fulvic syra (HFA). Den återstående icke-fulvic syrafraktionen, även kallad den hydrofila fulvic fraktionen (HyFF) avlägsnas sedan genom att tvätta hartset med avjoniserad H2O tills allt icke-absorberat material är helt borttaget. FA desorbeds därefter med 0.1 N NaOH. Den resulterande Na-fulvate protoneras sedan genom att passera den över ett starkt H +-utbytesharts. Den resulterande FA är ugns- eller frystorkad, askhalten bestämd och koncentrationen i provet beräknad enligt beskrivningen ovan för HA.
Humic substances (HS) är dynamiska rester som är resultatet av mikrobiell nedbrytning och omvandling av döda växtvävnader1,2,3 förstärkta med mikrobiella biprodukter och biomassa3,4,5 genom en process som kallas humification6. HS finns i jordar, naturliga vatten, sjösediment, torv, mjukt kol och humusskiffer och utgör uppskattningsvis 25% av det totala organiska kolet på jorden7. Dessa ämnen är komplexa blandningar av tusentals unika molekyler som fraktioneras i tre huvudfraktioner baserat på deras olika lösligheter i starkt grundläggande och syra vattenhaltiga lösningar. Dessa fraktioner är humussyror (HAs), som utgör den alkalilösliga men syralösliga fraktionen. fulvicsyror (FAs), fraktionen löslig i både alkali och syra; och huminfraktionen, som är olöslig vid alla pH-värden6,8. Fulvicfraktionen (FF) är vidare indelad i de hydrofobiska FA-fraktionerna (HFA) och hydrofila (HyFA). Dessa fraktioner definieras som den del av FF som binder till ett hydrofobiskt DAX-8-harts (HFA) och den del som inte binder till hartset (HyFA).
HS används i allt större utsträckning inom jordbruket, där de i stor utsträckning används som biostimulantia för grödor, i djurhållning, särskilt som fodertillsats, vid gruvdrift i borrslam och miljösanering som elektronskyttlar. Forskningen inom användning av HS i mänskliga medicinska tillämpningar ökar också.
Det finns många metoder för kvantitet av HA och FA. De flesta av dessa metoder är dock varken exakta eller exakta. Till exempel är de två mest använda metoderna för bestämning av HA i USA den kolorimetriska metoden9 och California Department of Food and Agriculture (CDFA) metod, som båda visade sig överskatta mängden HA i en rad malm- och extraktkällor från västra USA och Kanada10. Den kolorimetriska eller spektrofotometriska metoden är felaktig eftersom den bygger på absorbansen av alkaliska extrakt som förutom HA inkluderar FA och andra kromoforer som alla absorberar vid den våglängd som används och standarden inte är representativ för de material som testas10. CDFA-metoden är inte korrekt eftersom den inte ger HA-koncentrationer på askfri basis. Eftersom olika malmer har olika mängder aska, varav vissa transporteras med extraktionen och själva extraktionsprocessen tillför aska, ger denna metod inte ett exakt värde för HA-koncentrationer10. Som svar på behovet av en exakt och exakt metod publicerades ett standardiserat gravimetriskt förfarande baserat på det som beskrivs av11 2014 för att ta itu med kvantitet av både HA och FA på askfri basis12. Denna metod anpassades sedan, med mindre modifieringar, av Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) 2018 under Gödningsmedel och jordbalsam som “Bestämning av humiska och hydrofoba fulvic syror koncentrationer i gödselmedelsmaterial”13.
Detta dokument beskriver protokollet för extraktion och kvantering av humus och hydrofobiska fulvic syror och ger detaljer om noggrannheten och precisionen hos de data som produceras från metoden.
De första stegen för extraktion och isolering av HA i denna metod är relativt enkla. Eftersom isoleringen av HFA innebär kolumnkromatografi, kommer erhållande av repeterbara resultat med strikt efterlevnad av detaljerna i varje steg och praxis. I synnerhet är korrekt förberedelse av hartserna av primär betydelse. Det är extremt viktigt att polymetylmetakrylaten DAX-8-hartset bereds och packas ordentligt. Korrekt förpackning av hartset påverkar både HFA:s utbyte och kvalitet. Om det finns kanalisering kommer varken förbehandling (dvs. försurning) eller adsorption av HFA att vara fullständig, och separationen kommer att leda till felaktiga resultat. Om kanaler eller utrymmen i hartset observeras före provbelastning bör kolonnen avlägsnas och skakas för att omfördela hartspärlorna, genom att de kan sätta sig utan kanaler och sedan packas om genom att pumpa ren DI H2O genom hartset. Dessutom, som nämns i protokollet, kommer bibehållandet av en volym vätska ovanför hartset vid lastning av FF på hartset att göra det möjligt för FF att blanda innan de går in i hartset och resulterar i effektivare adsorption. För den starka katjonen H+-utbytesharts (Materialtabell) kan fullständig regenerering inte påskyndas. Na+/H+- utbytet tar tid och därför görs detta bäst i en bulkbehandling så att hartset kan blandas samtidigt som det surnas igen. Att blanda hartset medan du sköljer med DI H2O hjälper till att ta bort överskottet av HCl. När du stiger det surnade hartset för att avlägsna överskott av syra hjälper blandning av hartsen till att ta bort HCl. Det är oerhört viktigt att avlägsna syran till den punkt där en elektrisk ledningsförmåga på ≤ 0,7 μS/cm uppnås. Om inte, kommer HCl att överföras med HFA.
Slutligen, när HFA desorbing från DAX-8 harts, när absorbansen av inflödet är lika med absorbansen av utflödet, är det en bra praxis att låta kolonnen sitta i ett par timmar för att se om någon ytterligare HFA kommer att släppas. I så fall kommer det att ses som en gulning av vätskan ovanför hartset. Om detta inträffar kan det ytterligare HFA avlägsnas genom fortsatt desorption tills de influenta/utflödesabsorbenterna är lika igen.
En av nackdelarna med HFA-isoleringen är att hela processen är tidskrävande. Den fullständiga desorptionen av HFA från DAX-8-hartset och fullständig borttagning från H+-utbyteshartsen resulterar båda i en betydande volym HFA som måste minskas genom roterande avdunstning. Detta är definitivt en flaskhals i analysen. I ett försök att minska denna tid har desorbing HFA från DAX-8 harts med aceton snarare än 0,1 M NaOH föreslagits14. Författarna hävdade att genom att använda 50% aceton som desorbent i stället för NaOH erhölls ett liknande HFA-resultat och DAX-8 regenererades på lämpligt sätt och därmed kunde H +-utbytessteget elimineras. Denna modifiering resulterade i en kraftigt minskad analystid till följd av minskad producerad volym och snabbare roterande avdunstning av aceton jämfört med vatten. Denna modifiering förtjänar ytterligare studier.
Denna metod är begränsad till analys av organiskt material som har genomgått förnedringsprocessen, och när det gäller torv och mjukt kol, de ytterligare processerna för torvifiering respektive både torvifiering respektive kolning. För humning är den process där döda, främst växtmaterial, sönderdelas av en sekvens av mikrober som konsumerar och modifierar alltmer motsträviga substrat. Abiotiska processer deltar också i nedbrytning och återsyntesreaktioner. Humification resulterar i slutändan i produktion av relativt motsträviga material som består av heterogena blandningar av tusentals molekyler som bildar en rad molekylvikt och kol, syre och väteinnehåll som bildar HS. HS modifieras ytterligare genom torvbildning och kolbildning. Därför är denna metod inte lämplig för växtmaterial som har modifierats genom kemiska processer. Till exempel används lignosulfonit ofta som en HFA-äktenskapsbrytare. Lignosulfonit är en biprodukt av sulfitmassaprocessen. Därför har detta material inte producerats genom processen för humifiering. Dessutom finns det många ämnen som binder till DAX-8-hartset. Till exempel har DAX-8-harts använts för att adsorbera bekämpningsmedel från lösning15. Det är uppenbart att bekämpningsmedel inte är HS. Att binda ett material till DAX-8-harts motiverar således inte ett påstående om att det är en HFA. Förutsättningarna är både produktion genom humification och bindning till DAX-8 harts.
Eftersom mer lärs om bidraget från de olika komponenterna i HS i olika applikationer kan det bli fördelaktigt att ytterligare fraktionera HS och därmed ändra metoden i enlighet därmed. I dess fall kvantifierar metoden inte HYFA. Denna fraktion kan dock också ha verksamhet, t.ex.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill erkänna Humic Products Trade Association (HPTA) för deras stöd för att finansiera arbetet som resulterade i standardiseringen av de metoder som beskrivs i detta dokument och även Lawrence Mayhew och Drs. Dan Olk och Paul Bloom för tekniskt stöd under standardiseringsarbetet.
Amberlite IR 120 H+-exchange resin | Sigma-Aldrich | 10322 | H+ form |
Analytical Balance | Ohaus | PA214 | w/ glass draft shield |
Centrifuge | Beckman Coulter | Allegra X-14 | minimum 4300 rpm |
Centrifuge tubes | Beckman Coulter | To fit rotor selected | |
Ceramic Combustion Crucibles | Sigma | Z247103 | |
Chromatography column for DAX-8 | Diba | Omnifit 006EZ-50-25-FF | |
Chromatography column for IR 120 | Chemglass | CG-1187-21 2 in. by 24 in. | |
Dessicator | Capitol Scientic | Kimax 21200-250 | Vacuum type |
Drying Oven | Fisher Scientific | Isotemp | Precision±3˚C |
Electrical conductivity meter | HM Digital | EC-3 | |
Erlenmeyer Flasks | Amazon | 1L, 2L | |
HCl concentrated | Sigma-Aldrich | 320331 | |
Magnetic Stir Plate | Barnstead-Thermolyne | Dataplate 721 | |
Magnetic Stir bars | These can be obtained at many outlets | ||
Muffle Furnace | Fisher scientific | Thermolyne Type 47900 | |
NaOH | Sigma-Aldrich | 795429 | |
Nitrogen gas | Praxair | UNI1066 | 99.99% purity |
Peristaltic pump | Cole Parmer | Masterflex 7518-00 | |
Perstaltic tubing | Cole Parmer | Masterflex Pharmed 06508-17 | |
pH meter | Oakton Instruments | WD-35618–03 | |
Rotary Evaporator | Buchi | R-210/R-215 | |
Spectrophotometer | Healthcare SCiences | Ultrospec II | Dual beam 200 to 900 nm with wavelength accuracy of ±1 nm and reproducibility of ±0.5 nm. |